تقویت کننده عملیاتی چیست؟

در این مقاله قصد داریم راجع به اصول عملکرد تقویت کننده عملیاتی بپردازیم. تقویت کننده عملیاتی یا op-amp یک تجهیز تقویت کننده ولتاژ است. خروجی op-amp در مقایسه با اختلاف پتانسیل بین پایه های ورودی آن بسیار بزرگتر است. تقویت کننده عملیاتی اهمیت زیادی در پروژه های الکترونیکی امروزی دارد و همچنین به عنوان بلوک اصلی مدارهای الکترونیکی آنالوگ شناخته می شود. تقویت‌کننده‌های عملیاتی مدت‌ها پیش اختراع شدند و در رایانه‌های قدیمی نیز از آنها استفاده می‌شد. در آن کامپیوترها وظیفه تقویت کننده های عملیاتی انجام عملیات ریاضی بود.

تقویت کننده های عملیاتی کاربردهای زیادی دارند و معمولاً برای انجام برخی عملیات الکترونیکی مانند تقویت سیگنال استفاده می شوند. هنگامی که سیگنال ها در فواصل طولانی مخابره می شوند قدرت سیگنال ضعیف می شود که این سیگنال با نویز و اعوجاجاتی همراه شده است. برای غلبه بر این مشکلات از مدارهای تکرار کننده استفاده می کنیم و پس از مدتی دامنه سیگنال دوباره با کمک تقویت کننده عملیاتی تقویت می شود. همچنین op-amp برای فیلتر کردن سیگنال (فیلتر پایین گذر، میان گذر و بالاگذر) استفاده می شود. یکی از کاربردهای مهم op-amp ها بکارگیری آن در مدارهای مقایسه گر به خصوص حالت اشمیت تریگر (با حلقه هیسترزیس) است. آنها در پروژه های منطقی طراحی شده برای انجام عملیات ریاضی مانند جمع، تفریق، ضرب و تقسیم نیز استفاده می شوند. دلیل محبوبیت زیاد تقویت کننده های عملیاتی و استفاده گسترده در مدارهای الکترونیکی دیجیتال این است که دارای تطبیق پذیری هستند.

در بالا یک مقدمه کوچک در مورد تقویت کننده عملیاتی، عملکرد و کاربردهای آن را آوردیم. اکنون برخی از پارامترهای دیگر تقویت کننده های عملیاتی را توضیح می دهیم که در زیر آورده شده است:

آرایش پایه های تقویت کننده عملیاتی

تقویت کننده عملیاتی دارای 3 پایه اصلی است. از بین این 3 پایه، 2 پایه برای ورودی رزرو شده است که این پایه ها دارای امپدانس بسیار بالایی هستند. یک ورودی تقویت کننده عملیاتی به عنوان ورودی معکوس شناخته می شود و با علامت منفی (-) مشخص می شود در حالی که پایه دیگر تقویت کننده عملیاتی به عنوان ورودی غیر معکوس شناخته می شود و با علامت مثبت (+) مشخص می شود. هر دو این ورودی ها دارای امپدانس بالا هستند. سومین ترمینال تقویت کننده عملیاتی پایه خروجی آن است و دارای امپدانس کم است. 

مشخصات op-amp

تقویت کننده عملیاتی یک تقویت کننده بسیار مهم است و به عنوان یک بلوک ساختمانی در پروژه های مختلف الکترونیکی استفاده می شود. Op-amp دارای ویژگی های زیر است:

بهره حلقه باز تقویت کننده دیفرانسیلی بی نهایت است. فرمول محاسبه گین به صورت زیر است:

G=V(out)/V(in)

حال اگر از تقویت کننده عملیاتی در حالت حلقه باز استفاده کنیم، ولتاژهای ورودی 'V(in)' صفر و Gain بی نهایت می شود.

در op-amp یک امپدانس ورودی بین هر دو پایه تقویت کننده عملیاتی وجود دارد. در شرایط OFF، مقدار این امپدانس بسیار بالا است و بیشتر به عنوان "بی نهایت" در نظر گرفته می شود. دلیل چنین مقدار بالایی این است که اجازه می دهیم هر جریانی بین پایانه های ورودی op-amp جریان یابد.

برای تقویت کننده عملیاتی دیفرانسیلی ورودی ولتاژ آفست صفر نگه داشته می شود. این خاصیت نیز به هر جریانی اجازه می دهد که جاری شود.

یک ویژگی بسیار مهم تقویت کننده عملیاتی این است که ولتاژهای بالا می تواند در ترمینال خروجی op-amp ظاهر شود. از آنجایی که op-amp برای تقویت ولتاژها تا با ضریب تقویت بالایی طراحی شده است، به همین دلیل است که می توان گفت که مقادیر بی نهایت ولتاژ در ترمینال خروجی تقویت کننده عملیاتی موجود است.

هنگامی که ولتاژهای متناوب در ترمینال های ورودی آن اعمال می شود، آپ امپ قادر به انتقال سیگنال بدون هیچ گونه شیفت فاز است. چرا که در برخی از قطعات مثل ترانسفورماتور انتقال سیگنال معمولاً با شیفت فاز همراه است. 

تقویت کننده عملیاتی هیچ امپدانسی را در پایانه های خروجی خود ندارد و می توان گفت امپدانس صفر یا ناچیز دارد.

عملکرد op-amp به دلیل استفاده از ساختارها و پیکره بندی تفاضلی ترانزیستورهایش فاقد نویز است. یعنی تا حدودی عملکرد op-amp ضد نویز بوده و در حین کارکرد آن مشکلی پیش نمی آید.

عملکرد Op-Amp

بهره حلقه باز

تقویت‌کننده‌های عملیاتی دارای 2 ورودی تفاضلی هستند که به‌عنوان ورودی‌های Inverting و Non-Inverting نام‌گذاری می‌شوند. در حالت واقعی، تقویت کننده عملیاتی فقط اختلاف بین ورودی ها را تقویت می کند که بین پایانه های ورودی آن اعمال شده است. خروجی تولید شده در پایانه های آن را می توان با فرمول زیر محاسبه کرد:

V(out) = G(o.l) {(V+)-(V-)}

در فرمول بالا می بینید که V(out) نشان دهنده ولتاژهای خروجی است که در ترمینال خروجی تقویت کننده عملیاتی ظاهر می شود.

G(o.l) بهره حلقه باز تقویت کننده عملیاتی است.

+V ولتاژهایی هستند که به ورودی غیر معکوس op-amp اعمال می شوند.

-V ولتاژهای اعمال شده به ورودی معکوس op-amp هستند. معمولاً این پایه را به زمین متصل می کنیم.

بهره حلقه بسته

در حالت حلقه بسته یعنی زمانیکه فیدبک منفی بین خروجی و پایه منفی آپ امپ برقرار است بهره ولتاژ به صورت زیر محاسبه می شود.

همانطور که گفته شد اختلاف پتانسیل پایه های ورودی منفی و مثبت آپ امپ تقریباً صفر است و می توان چنین فرض کرد که V+=V- است. همچنین به دلیل اینکه امپدانس ورودی بسیار زیاد است لذا می توان I-=I+ در نظر گرفت. بنابراین با توجه به این فرضیات روابط را به صورت زیر می نویسیم:

که در آن ACL گین حلقه بسته است.

البته آرایش ذکر شده در شکل بالا آرایش تقویت کننده غیر معکوس کننده op-amp است. در آرایش معکوس کننده ولتاژ ورودی و مقاومت ها بر روی پایه منفی اعمال می شوند.

در این حالت رابطه بین ولتاژ تقویت شده خروجی و سیگنال ورودی به صورت زیر محاسبه می شود:

نکته قابل تامل اینکه اگر تقویت به گونه ای باشد که خروجی بخواهد از ولتاژ تغذیه op-amp بیشتر شود اصطلاحاً تقویت کننده در این حالت به ناحیه اشباع وارد شده و شکل موج تقویت شده برش خواهد خورد که مطلوب ما نیست. البته بطور دقیق تر اگر بخواهیم بحث کنیم باید تقویت ولتاژ ورودی به گونه ای باشد که از ولتاژ تغذیه منهای یک ولت کمتر باشد.

کاربردهای OP-Amp

تقویت کننده های عملیاتی کاربردهای زیادی دارند. برخی از این کاربردها به شرح زیر آورده شده است:

تقویت کننده های عملیاتی به طور گسترده در طراحی پروژه های الکترونیکی پایه و همچنین پیشرفته استفاده می شود. استفاده از تقویت کننده عملیاتی به عنوان یک بلوک ساختمانی در پروژه های مختلف به ما این امکان را می دهد که خروجی خود را بسیار خالص و تمیزتر دریافت کنیم. کلمه پاک کننده بر قسمتی تاکید دارد که سایر عناصر مدار مانند مقاومت، خازن، سلف و غیره بر خروجی مدار تاثیر می گذارند و خروجی را انحراف می دهند.

بزرگترین کاربرد تقویت کننده عملیاتی "مقایسه کننده ولتاژ" است. برای اینکه از op-amp به عنوان مقایسه کننده استفاده کنیم، مداری را بدون فیدبک (اتصال خروجی به ورودی منفی) طراحی می کنیم. استفاده از op-amp به عنوان مقایسه کننده به ما این فرصت را می دهد که دامنه وسیع تری از ولتاژهای خروجی را بدست آوریم و همچنین سوئیچینگ به روشی سریعتر انجام می شود، به این معنی که می تواند در کمترین زمان از حالت ON به حالت OFF برود.

همچنین می توان از Op-amp برای طراحی مدار تشخیص سطح از نظر ولتاژ استفاده کرد. به عنوان مثال، اگر ورودی یا ولتاژهای مرجع مدار را به یکی از ورودی های op-amp متصل کنید، به عنوان یک مدار تشخیص سطح ولتاژ رفتار می کند.

Op-amp معمولاً در مدارهای انتقال رادیویی استفاده می شود. آنها می توانند خروجی را با بهره زیاد تقویت کنند، به همین دلیل برای انتقال سیگنال ترجیح داده می شوند.

Op-amp کاربردهای گسترده ای در الکترونیک دیجیتال دارد و معمولاً برای طراحی مدارهای فیلتر، تقویت کننده های تفاضلی و برخی مدارهای مجتمع استفاده می شود.

Op-amp معمولاً برای طراحی ADC (مبدل آنالوگ به دیجیتال) و همچنین DAC (مبدل دیجیتال به آنالوگ) استفاده می شود.

Op-amp به عنوان یک عنصر اصلی در طراحی مدارهای برش ولتاژ و نوسانگرها استفاده می شود.

یکی از کاربردهای جالب op-amp این است که از آنها برای طراحی ماشین حساب های آنالوگ و برخی محصولات الکترونیکی مشابه نیز استفاده می شود.

تقویت کننده صدا به کمک تراشه LM386

سیگنال های صوتی در بسیاری از تجهیزات الکترونیکی نقش بسزایی دارند. یکی از کاربردهای صدا می تواند دادن آلارم و آگاهی برای بروز مشکلات باشد. مثلا یک سیستم اعلان حریق را در نظر بگیرید. در صورت بروز مشکل آتش سوزی باید سریعاً ساکنین منطقه را از بروز یک حادثه بد خبردار کند. برای اینکه بتوانیم این سیگنال را در فاصل دورتر هم بشنویم نیاز است تا آن را تقویت کنیم. تقویت سیگنال ها را می توان با op-amp ها در طبقات مختلف و پشت سر هم و با آرایش های خاص طراحی کرد. تراشه LM386 یک آی سی بسیار ساده از تقویت کننده عملیاتی است که ما از آن برای تقویت سیگنال های صوتی استفاده می کنیم. 

تقویت‌کننده‌های فرکانس صوتی LM386 از انواع تقویت‌کننده‌های صوتی کم مصرف هستند که معمولاً در سیستم‌های تقویت‌کننده کوچک استفاده می‌شوند و می‌توانند حتی با یک باتری 9 ولتی کار کنند.

سیگنال های ورودی پس از عبور از LM386، تقویت می شوند و کاربر صدای بلندی را در مقایسه با سیگنال ضعیف ورودی حس می کند. این نوع تقویت در مدارهایی که نیاز به سیگنالی برای اعلان تکمیل کار، الزاماتی جهت مشارکت و دخالت کاربر (مثل فشرده شدن یک کلید توسط کاربر همراه با صدا) و یا نیاز به اعلان بروز خطا در مدارها دارد، بسیار مهم است.

قطعات مورد نیاز برای طراحی تقویت کننده صوتی

این مدار از خازن ها، سیگنال های صوتی، آی سی LM386، منبع تغذیه و اسپیکر تشکیل شده است که اکنون به آی سی LM386، سیگنال های صوتی و بلندگو خواهیم پرداخت.

تراشه تقویت کننده عملیاتی LM386

LM386 یک تراشه همه کاره است که به راحتی می توان از آن در بسیاری از مدارها استفاده کرد. آی سی برای نیازهای کاربرد ولتاژ پایین استفاده می شود بنابراین یک آمپلی فایر عملیاتی بسیار رایج و در عین حال قدرتمند است که حتی در پیش تقویت کننده های گیتار دست ساز استفاده می شود. 

LM386 یک مدار مجتمع 8 پایه دو طرفه (DIP) است که می تواند در ولتاژ بسیار پایین کار کند و در صورت اتصال با برخی از قطعات ساده می تواند به عنوان یک تقویت کننده عملیاتی در مدارهای تقویت کننده استفاده شود.

مصرف برق و راندمان، کاملاً به مدل های LM386 بستگی دارد.

LM386 یک تقویت کننده ولتاژ است که بهره آن از داخل حدود 20 تنظیم شده است، اما به دلیل بهره مقاومت و خازن خارجی می تواند بین 20 تا 200 متغیر باشد. فرض می شود که در ولتاژ تغذیه حدود 6 ولت به صورت ایده آل رفتار می کند. کاربردهای واقعی زیادی دارد به عنوان مثال. درایورهای سروو موتور، درایورهای خطی، سیستم های صوتی تلویزیون، تقویت کننده رادیو FM و غیره. LM-386 در شکل زیر نشان داده شده است.

 شرح پایه های LM386 در جدول زیر آورده شده است:

شماره پایه
نام پایه
1
Gain
2
Negative input
3
Positive Input
4
Ground
5
Gain
6
Bypass
7
Input power
8
Output of IC

نمودار کامل پایه ها به همراه انیمیشن، نمایش نمادین و تصویر واقعی LM 386 در شکل زیر نشان داده شده است.

مقدار جریان مصرفی، توان قابل تحمل و ولتاژ تغذیه قابل اعمال به LM386 درجدول زیر لیست شده است.

مدار معادل داخلی این تراشه در شکل زیر آورده شده است

اسپیکر (بلندگو)

بلندگوها دستگاه هایی هستند که سیگنال های صوتی را می گیرند و به صدا تبدیل می کنند. این تبدیل توسط مکانیزم خاص بلندگو انجام می شود. در این آزمایش، خروجی را با کمک این اسپیکر می شنوم.

مقاومت متغیر

همانطور که از نام آن مشخص است، مقاومت متغیر وسیله خاصی است که قادر است مقدار مقاومت را مطابق با نیاز کاربر تغییر دهد. ترمینال + و - مقاومت متغیر به ترتیب برای افزایش و کاهش مقاومت استفاده می شود. به این ترتیب سیگنال های صوتی ورودی را می توان کنترل کرد.

کارکرد LM386 به عنوان تقویت کننده صوتی

کار تقویت کننده صوتی LM386 با تولید سیگنال صوتی ژنراتور صوتی شروع می شود.

این سیگنال ها از خازن تنظیم کننده این سیگنال ها عبور کرده و سپس آنها را به LM386 ارسال می کنند.

پایه 6 در تراشه LM386 به منبع DC متصل است و از این رو تراشه را روشن می کند. آی سی اکنون سیگنال های صوتی را تقویت می کند.

از پایه 5 آی سی، سیگنال های صوتی تقویت شده تولید می شود. مقاومت و خازن سیگنال را به گونه ای تنظیم می‌کند تا کاربر بتواند این سیگنال‌ها را در رنج صحیحی از امواج حس کند.

در نهایت اسپیکر این سیگنال ها را به عنوان ورودی می گیرد و به صورت صدا تبدیل می کند تا کاربر بتواند به راحتی آن را بشنود.

تقویت کننده با بهره 20 در شکل زیر نشان داده شده است.

تقویت کننده با بهره 50 در شکل زیر آورده شده است.

تقویت کننده با بهره 200 در شکل زیر نشان داده شده است.



از دیگر کاربردهای تراشه LM386 می توان به موارد زیر اشاره کرد

LM386 به عنوان نوسان سازها

مثالی از طراحی نوسان ساز پل وین به کمک LM386 در زیر آورده شده است.

LM386 به عنوان مولد موج مربعی

کاربرد دیگر در تولید موج مربعی همانند شکل زیر است.

LM386 به عنوان تقویت کننده سیگنال دمدوله شده AM

همچنین یک نمونه از تقویت کننده صوتی گیرنده امواج AM به صورت زیر است. در این شکل R1 و C1 به عنوان محدودکننده باند AM استفاده شده و سلف بکار رفته در خروجی op-amp باید مجهز به هسته فریت باشد.