شبیه سازی آپ امپ در پروتئوس (کار با Op-Amp)

در این مطلب به تقویت‌کننده‌های عملیاتی (Op Amps) در پروتئوس می‌پردازیم. بیایید شروع به یادگیری در مورد تقویت‌کننده‌های عملیاتی در پروتئوس کنیم.

قسمت قبل: شبیه سازی ترانزیستور در پروتئوس (کار با مدار ترانزیستوری)

مدار تقویت کننده عملیاتی در پروتئوس

آپ امپ یا تقویت کننده های عملیاتی کاربرد زیادی در مدارهای آنالوگ دارند، در عملیات حلقه باز به عنوان مقایسه کننده عمل می کنند و خروجی های گسسته ای مانند +Vsat و -Vsat می دهند، در حالی که در عملیات حلقه بسته به عنوان تقویت کننده عمل می کنند و خروجی بین +Vsat تا –Vsat دارند. حداکثر Vcc برای همه Op-Amp ها یکسان نیست. طراح مدار باید برای مقادیر حداکثر یا حداقل به دیتاشیت آپ امپ مورد نظر مراجعه کند.

Op-Amp در بسته های IC مختلف موجود است. به عنوان مثال: 741 دارای Op-Amp تک و LM 324 و LM 339 هر کدام دارای 4 Op-Amp می باشند. فرکانس عملکرد، سرعت حرکت و محدوده ولتاژ پارامترهای کلیدی برای انتخاب صحیح Op-Amp است. برخی از حالت های عملیاتی اولیه و مدارهای کاربردی با آپ امپ در نرم افزار پروتئوس آموزش داده شده اند.

آپ امپ به عنوان مقایسه کننده در پروتئوس

کاربرد اصلی آپ امپ استفاده از آن به عنوان مقایسه کننده ولتاژ است. این عملیات حلقه باز Op-Amp است. ولتاژ در پایانه های غیر معکوس و معکوس (پایین) یعنی V+ و V- مقایسه می شود. اگر V+ بیشتر از V- باشد خروجی +Vsat و اگر V+ کمتر از V- باشد خروجی –Vsat است.

مدار بالا یک مقایسه کننده ولتاژ است. ولتاژ های V+ و V- توسط پتانسیومتر های POT1 و POT2 کنترل می شوند. +Vsat 5 ولت و –Vsat برابر GND است.  وقتی V+ بیشتر از V- باشد خروجی = 1.49 ولت است که Logic Low است. وقتی V+ کمتر از V- باشد خروجی = 4 ولت است که Logic High است.

Op-Amp به عنوان تقویت کننده غیر معکوس

در این مدار Op-Amp در یک حلقه بسته کار می کند. ورودی به ترمینال غیر معکوس اعمال می شود و خروجی به ترمینال معکوس به عنوان فیدبک شنت ولتاژ فید بک می شود. قطبیت ولتاژ خروجی همان ورودی است.

خروجی بسته به بهره مدار تقویت کننده تا Vsat تغییر می کند. بنابراین انتخاب محدوده ولتاژ تغذیه برای به دست آوردن ولتاژهای خروجی مورد نظر مهم است. اما پیکربندی غیر معکوس نمی تواند بهره کمتر یا مساوی با واحد بدهد. Op-Amp معادله زیر را دنبال می کند،

تقویت کننده معکوس با آپ امپ در پروتئوس

در این مدار Op-Amp در حلقه بسته عمل می کند. ورودی به ترمینال معکوس اعمال می شود و خروجی به عنوان فیدبک شنت ولتاژ به ترمینال معکوس فید بک می شود. قطبیت ولتاژ خروجی مخالف ولتاژ ورودی است.

معکوس کردن پیکربندی تقویت‌کننده می‌تواند بهره واحدی بدهد یعنی Vout=-Vin. خروجی بسته به بهره مدار تقویت‌کننده بین +Vsat و -Vsat تغییر می‌کند. بنابراین، انتخاب محدوده ولتاژ تغذیه برای به دست آوردن ولتاژهای خروجی مورد نظر مهم است. Op-Amp از معادله زیر پیروی می کند،

آپ امپ تقویت کننده / تفریق کننده دیفرانسیل

اختلاف ولتاژ بین V+ و V- در این مدار تقویت می‌شود که شبیه حالت مقایسه‌کننده است و علاوه بر این Op-Amp در یک حلقه بسته کار می‌کند و امکان کنترل بهره ولتاژ مدار را فراهم می‌کند.

خروجی با توجه به بهره مدار تقویت کننده بین +Vsat و -Vsat تغییر می کند. این می تواند به عنوان یک تفریق کننده آنالوگ استفاده شود. اگر Vout=Va+Vb-Vc-Vd خروجی مورد نظر است، Vc و Vd را به V- وصل کنید و Va و Vb را به V+ متصل کنید. خروجی Op-Amp از معادله زیر پیروی می کند.

آپ امپ تقویت کننده/جمع کننده در پروتئوس

ولتاژهای منابع مختلفی که به GND مشترک ارجاع می شوند در این مدار اضافه می شوند. با انتخاب مقادیر مقاومت مناسب می توان بهره خروجی را کنترل کرد.اگر R1=R2=R3=R=2*Rf پس خروجی، Vout=Va+Vb+Vc با تغییر مقدار Rf می توان بهره مدار را کنترل کرد.

این تقویت کننده جمع کننده غیر معکوس است. اگر گره مشترک مقاومت ها به ترمینال V متصل شود به آن تقویت کننده جمع معکوس می گویند. خروجی تقویت کننده معکوس برای مقادیر مقاومت ذکر شده Vout=-(Va+Vb+Vc) است. خروجی تقویت کننده مجموع غیر معکوس از معادله زیر پیروی می کند.

Op-Amp به عنوان یک آشکارساز ولتاژ پنجره

دو آپ امپ در حالت مقایسه کننده در این مدار استفاده می شود. مقایسه کننده پایین حداقل مقدار محدوده مورد نظر و مقایسه کننده بالایی حداکثر مقدار محدوده مورد نظر را مانیتور می کند. پتانسیومتر بالایی و پتانسیومتر پایینی برای مقادیر حداقل و حداکثر از پیش تنظیم شده اند.

همانطور که در تصویر مشاهده میکنید، زمانی که ولتاژ ورودی کمتر از مقدار حداقل است، خروجی مقایسه کننده پایینی و مقایسه کننده بالایی LOW است.

هنگامی که ولتاژ ورودی بین محدوده از پیش تعیین شده است، خروجی LC برابر HIGH و UC برابر LOW است. ولتاژهای کاتدهای دیود و گیت HIGH است، بنابراین خروجی HIGH است.

وقتی ولتاژ ورودی بالاتر از حداکثر مقدار از پیش تعیین شده باشد، خروجی LC برابر High و UC هم HIGH است.ولتاژ در کاتدهای دیود و گیت LOW و HIGH است، بنابراین خروجی LOW است.

بنابراین این مدار به عنوان یک آشکارساز ولتاژ پنجره عمل می کند. این مدار می تواند با تغذیه دو ولتاژ و شامل ولتاژهای ورودی منفی نیز استفاده شود.

آپ امپ برای تشخیص گذر از صفر

سیگنال های ولتاژ سینوسی اغلب با استفاده از مدار گذر از صفر به امواج مربع تبدیل می شوند. در این مدار Op-Amp در حالت مقایسه کننده حلقه باز عمل می کند. ولتاژ تغذیه می تواند تک یا دوتایی باشد. این مدار عموما برای شروع یک فرآیند پس از گذر از صفر استفاده می شود. مانند روشن کردن بار یا تولید پالس از طریق میکروکنترلر با راه‌اندازی تایمرها یا شمارش سیکل‌ها یا فرکانس سیگنال ولتاژ متناوب و…

هنگامی که سیگنال ورودی به V+ وصل می شود و V- برابر GND می شود، ولتاژ ورودی از ولتاژ GND بالاتر می رود، یعنی وقتی ورودی مثبت است، خروجی آپ امپ + Vsat است و زمانی که ورودی منفی باشد خروجی -Vsat است.

قسمت بعد: شبیه سازی IC تایمر 555 در پروتئوس (مدار های IC 555)