گروه الکترونیک دانشکده فنی قوچان...

تقويت كننده هاي عملياتي" op-amp" چیست؟
تقويت كننده هاي عملياتي، تقويت كننده هاي كوپل مستقيم بوده، كه داراي گين (Gian) خيلي زيادي مي باشند. كه مقدار اين گين را با كمك مقاومت فيدبك ( مقاومتي كه بخشي از ولتاژ و يا جريان خروجي را به ورودي منتقل مي كند) مي توان كنترل نمود. اين تقويت كننده ها اكثراً در مدارات خطي بكار مي روند و اغلب در مدارات غيرخطي نيز از آنها استفاده مي شود.



يك تقويت كننده عملياتي ايده آل بايستي شرايط زير را دارا باشد.
1) مقاومت ورودي آن بي نهايت باشد (Zi=Ri= ∞).
2) مقاومت خروجي آن صفر باشد (Zo=Ro= 0).
3) گين ولتاژ حلقه باز آن بي نهايت باشد (Av= -∞).
4) عرض باند آن بي نهايت باشد (BW= ∞).
5) هنگامي كه اختلاف ولتاژ در ورودي صفر است، ولتاژ خروجي نيز صفر باشد.
6) منحني مشخصه آن با درجه حرارت تغيير نكند.

اما تحت تاثير عوامل محيطي و طراحي و قطعات هيچ يك از پارامترهاي فوق به شكل كامل قابل دسترسي نيست. و اين تفاوت بين تقويت كننده هاي عملياتي را باعث مي شود.
تقويت كننده هاي عملياتي اكثراً بصورت مدار مجتمع ساخته مي شوند.

*‌ اتصالات تغذيه تقويت كننده هاي عملياتي

براي استفاده از رنج كامل تقويت كننده هاي عملياتي، بايستي اين تقويت كننده ها با دو منبع تغذيه باياس شوند، كه اين عمل معمولاً با استفاده از دو منبع تغذيه مجزا صورت مي گيرد. ولتاژ منبع اول نسبت به زمين (GND) برابر VBB+ بوده در حاليكه ولتاژ منبع دوم نسبت به زمين برابر VBB- مي باشد كه غالباً مقدار اين ولتاژها +15 ولت و -15 ولت انتخاب مي شود.
اين عمل براي ايجاد باياس كامل و بودن نقص مي باشد. چرا كه مدارات داخلي آي سي به گونه اي طراحي شده اند كه جهت بدست آوردن بهترين دقت و ايجاد تقارن بين تقويت كنندگي مثبت و منفي نياز به هر دو سطح منفي و مثبت ولتاژ مي باشند.
معمولاً تقويت كننده هاي عملياتي جهت تغذيه دو پايه دارند، چون زمين به تقويت كننده عملياتي وصل نمي شود و فقط ولتاژهاي VBB+ و VBB- به تقويت كننده عملياتي متصل مي شود. ولي با وجود اين تمام اتصالاتي كه بايستي زمين (GND) شوند، به نقطه بين دو منبع تغذيه زمين وصل مي گردند.
البته در تمامي مداراتي كه طراحي مي شوند امكان دريافت 2 سطح ولتاژ از منبع تغذيه امكان پذير نيست. به همين دليل طراحي گونه اي از اي سي ها به نحوي است كه امكان پاسخ گويي با يك سطح ولتاژي را دارند. كه در اين وضعيت تنها يك سطح از ولتاژ ورودي (تنها مثبت و يا منفي) مورد پردازش قرار مي گيرد.

البته باز هم با بكارگيري شيوه هايي ولتاژ 0 مجازي ايجاد مي كنند. به اين ترتيب كه ولتاژ مثبت و منفي تغذيه را به پايه هاي تغذيه آي سي متصل مي كنند و توسط يك مدار جانبي و لتاژي برابر نصف ولتاژ تغذيه با امپدانس خروجي پايين ايجاد كرده و به عنوان ولتاژ مجازي صفر ولت بكار مي برند.
همچنين هر تقويت كننده عملياتي دو ورودي دارد؛ يكي ورودي مثبت كه با V+ و ديگري ورودي منفي كه با V- نشان داده مي شود.

يك تقويت كننده از قطعات ساده مقاومت خازن ديود ترانزيستور يا FET ها ساخته مي شود. تقريبا در بين انواع مختلف opamp ها اصولي در طراحي رعايت شده و پيكربندي نزديكي دارند.

RE: تقويت كننده هاي عملياتي op-amp
ولتاژ تفاضلي تقويت كننده هاي عملياتي

ولتاژ تفاضلي تقويت كننده هاي عملياتي بصورت زير تعريف مي شود.
Vd= V+ - V-
اختلاف ولتاژ بين ورودي مثبت و ورودي منفي تقويت كننده عملياتي را ولتاژ تفاضلي گويند. تقويت كننده هاي عملياتي اكثراً با گين تفاضلي (حلقه باز) مشخص مي شوند، كه معمولاً گين اين تقويت كننده ها با وروديهاي DC و در فركانس هاي خيلي كم، بيش از 100000 مي باشد و مقدار اين گين را با Ad نشان مي دهند.
ولتاژ خروجي تقويت كننده هاي عملياتي در حالت ايده آل بصورت زير مي باشد.

Vo= Ad (V+ - V-) = Ad . Vd

بنابراين پاسخ خروجي تقويت كننده عملياتي به اختلاف ولتاژ بين وروديها بستگي دارد چرا كه اساس تقويت كننده هاي عملياتي، تقويت كننده هاي تفاضلي مي باشند. در هنگام استفاده از تقويت كننده هاي عملياتي، بايستي به پايه هاي ورودي مثبت و منفي آن دقت كافي داشت تا اشتباه وصل نشوند. ولتاژ اعمالي به پايه هاي ورودي مثبت و منفي تقويت كننده عملياتي مي تواند ولتاژي با دامنه مثبت يا منفي باشد. اگر ولتاژ به ورودي مثبت اعمال شود تقويت كننده عملياتي در حالت ورودي مستقيم بوده و اگر ولتاژ به ورودي منفي اعمال شود، تقويت كننده عملياتي در حالت ورودي معكوس خواهد بود.

* اشباع

اگر ولتاژ خروجي تقويت كننده تحت تاثير وروديها در مقدار حداكثر و يا حداقل ولتاژ تغذيه آن برسد اشباع گويند.
+ ولتاژ اشباع مثبت: ماكزيمم ولتاژ مثبتي كه خروجي تقويت كننده عملياتي مي تواند داشته باشد، كه در حالت ايده آل برابر ولتاژ تغذيه مثبت (+VBB) است، به ولتاژ اشباع مثبت تقويت كننده عملياتي معروف است، كه با +Vsat نشان مي دهيم. در عمل جهت احتياط ولتاژي حدود يك تا دو ولت كمتر از مقدار تغذيه را در نظر مي گيرند. 
+ ولتاژ اشباع منفي: ماكزيمم ولتاژ منفي از نظر قدر مطلق كه خروجي تقويت كننده عملياتي مي تواند داشته باشد، كه در حالت ايده آل برابر ولتاژ تغذيه منفي(-VBB) است به ولتاژ اشباع منفي تقويت كننده عملياتي معروف است كه با –Vast نشان مي دهيم. . در عمل جهت احتياط ولتاژي حدود يك تا دو ولت بيشتر از مقدار تغذيه را در نظر مي گيرند.
چون در عمل تقويت كننده هاي عملياتي ايده آل نيستند لذا ولتاژ اشباع مثبت هميشه كمتر از ولتاژ تغذيه مثبت بوده و ولتاژ اشباع منفي از نظر قدر مطلق كمتر از ولتاژ تغذيه منفي مي باشد.


|-Vsat|<|-VBB| +Vsat< +VBB


كه بطور نمونه مقادير ولتاژهاي اشباع مثبت و منفي با ولتاژ تغذيه ±15 ولت، برابر ±13 ولت مي باشد. كه اين مقدار در تقويت كننده هاي عملياتي متفاوت مي باشد.
بنابراين در عمل بعلت كمتر بودن ولتاژ اشباع از ولتاژ تغذيه، ناحيه عملكرد فعال تقويت كننده هاي عملياتي بين ولتاژهاي –Vsat و+Vsat محدود مي شود.                                                                 عملکردهاي پايه يک آپ امپ:
1- اگر ورودي منفي بزرگتر از ورودي مثبت باشد خروجي به سمت -Vss مي رود.
2- - اگر ورودي مثبت بزرگتر از ورودي منفي باشد خروجي به سمت +Vss مي رود.
3- بدون فيدبک بيشترين اشباع با تفاوت بين ورودي ها اتفاق مي افتد.
4- آپ امپ ايده آل همواره مقاومت بي نهايت در ورودي دارد و بي نهايت بهره مي دهد و مقاومت خروجي آن صفر است
5- در واقع بهره محدود است به ولتاژ بين منبع مثبت و منفي مدار ما(+Vss/-Vss)
6- براي مقاصد عملي هيچ جرياني از ورودي به خروجي در جريان نيست و ولتاژ ورودي فقط به عنوان يک منبع براي کنترل خروجي مطرح است.