آپ امپ چیست؟ معرفی کامل آی سی Op-amp

در این مقاله با نحوه عملکرد اپ امپ ها و ساخت مدار با آنها آشنا خواهیم شد.

آپ امپ چیست؟

op-amp، یا تقویت کننده عملیاتی، در استفاده های اولیه برای انجام ریاضیات آنالوگ مانند جمع و تفریق ابداع شد. آپ امپ های اولیه μA709 و LM101 بودند، اما به دلیل سودمندی و محبوبیت بسیار زیاد به سرعت به اپ امپ های دیگر تبدیل شدند.

یکی از معروف ترین آنها آپ امپ LM741 هست. هنوز مدارهای زیادی را می بینید که از این آپ امپ استفاده می کنند.

از آنجایی که اجزای بازخورد خارجی تا حد زیادی رفتار مدارهای آپ امپ را تعیین می کنند، به طور کلی می توانید آپ امپ های دیگری را جایگزین کنید. مگر اینکه پروژه شما ویژگی هایی مانند پاسخ با فرکانس فوق العاده بالا یا نویز بسیار کم نیاز داشته باشد.

در تصویر بالا برخی از بسته‌های آپ امپ موجود نشان داده شده است. یک آی سی منفرد ممکن است یک، دو یا چهار آپ امپ مجزا داشته باشد.

آپ امپ چگونه کار میکند؟

در زیر یک بلوک دیاگرام داخلی برای یک آپ امپ ساده (بدون منبع تغذیه) نشان داده شده است.

دو پایه ورودی و یک پایه خروجی وجود دارد. ورودی –ve را ورودی معکوس و ورودی +ve را ورودی غیر معکوس می نامند. ورودی ها به یک تقویت کننده دیفرانسیل متصل می شوند و به دنبال آن مراحل تقویت دیفرانسیل بیشتری انجام می شود.

در تقویت کننده دیفرانسیل، چیزی را می یابیم که long-tailed pair نامیده می شود. ترانزیستورهای Q1 و Q2 یک جفت FET یا ترانزیستور دوقطبی بسیار نزدیک هستند. آنها از طریق ترانزیستور Q3 که به عنوان منبع جریان ثابت پیکربندی شده است به –ve متصل می شوند.

هر گونه تفاوت در ولتاژ بین ورودی +ve و -ve منجر به نوسان متناسب در کلکتورها یا تخلیه Q1 و Q2 می شود. این افزایش حلقه باز op-amp نامیده می شود. هر گونه تفاوت در بهره خام Q1 و Q2 منجر به نوسان بزرگ ناخواسته در خروجی خواهد شد. همه اینها را می توان تحت کنترل ما قرار داد و با افزودن چند مؤلفه برای ارائه بازخورد منفی بین ورودی و خروجی قابل پیش بینی کرد.

پس از تقویت دیفرانسیل، یک مرحله تغییر سطح نوسانات ولتاژ خروجی را در حدود 0 ولت متمرکز می کند زیرا تمام مراحل DC کوپل شده اند. در نهایت، یک تقویت کننده خروجی امپدانس کم، بار را هدایت می کند و از تأثیر هر گونه تغییر در خروجی بر ورودی ها جلوگیری می کند.

پروژه نمونه با آپ امپ

در زیر مداری برای تقویت کننده معکوس با بهره 100 با استفاده از تقویت کننده عملیاتی LM741 نشان داده شده است. در تقویت کننده معکوس، سیگنال در خروجی 180 درجه خارج از فاز با ورودی است.

منبع تغذیه به صورت +15 ولت و 15- ولت نشان داده می شود، اما آپ امپ با منابع بسیار کم کار می کند، به عنوان مثال 9 ولت +/-، نوسان خروجی را محدود می کند.

اگر بخواهیم مقاومت R2 را در مدار بالا حذف کنیم، هیچ بازخوردی نخواهیم داشت. این حلقه باز نامیده می شود و بهره اکنون تابعی از حداکثر بهره آپ امپ است که 100 دسی بل است. اما با افزایش فرکانس ورودی، بهره به سرعت شروع به کاهش می‌کند:

در 10 هرتز، بهره به سرعت در 20 دسی بل شروع به کاهش می کند.

با جایگزینی R2، اکنون بازخورد منفی داریم. متأسفانه، این باعث کاهش بهره می شود:

توجه داشته باشید که اکنون از حدود 37 کیلوهرتز شروع به کار می کند. این بهره برای اهداف صوتی خوب است. اگر می خواستیم آن را کمی جلوتر ببریم، باید بازخورد را افزایش دهیم و بهره را کاهش دهیم. اگر بهره خیلی کم شود، ممکن است مجبور شویم مرحله دوم تقویت را اضافه کنیم.

مشخصات مهم OP-AMP

• اعوجاج هارمونیک کامل (THD): نویز ایجاد شده توسط خود آپ امپ. معمولاً در دسی بل بیان می شود.
• ولتاژ افست Offset voltage: ولتاژ DC که با اعمال آن بین پایه های ورودی، ولتاژ خروجی DC صفر را ایجاد می کند. اگر هر دو ورودی گراند باشند، ولتاژ خروجی آپ امپ صفر نخواهد بود.
• Slew rate: زمان صرف شده برای تغییر خروجی برای یک ورودی معین که با V/mS مشخص میشود.
• Equivalent input noise voltage: عملکرد نویز op-amp را بیان میکند. یک منبع ولتاژ ایده آل به صورت سری با پایه های ورودی قرار می گیرد که نویز تولید شده داخلی را نشان می دهد.
• Common mode rejection ratio: توانایی op-amp برای رد سیگنال هایی که همزمان در هر دو ورودی ظاهر می شوند را بیان میکند. برای کاربردهای تقویت کننده دیفرانسیل مهم است.

امیدواریم این مقاله به شما کمک کرده باشد که بدانید چگونه آپ امپ کار می کند، چگونه یکی را انتخاب کنید و چگونه یک مدار با آپ امپ بسازید.