تقویت کننده عملیاتی

مطالب علمی در خصوص تجهیزات پزشکی : 

۱- تقویت کننده عملیاتی

موضوع تحقیق :

تقویت‌کننده عملیاتی

( آمپ)

تحقیقی  از محسن شوقعلی نیری

دی ماه 1391

چند نوع مختلف ای سی تقویت کننده عملیاتی

ایده به کارگیری تقویت کننده‌های عملیاتی یا آپ امپ (به انگلیسی: op-amp یا Operational amplifier ) اولین بار در دهه ۱۹۴۰ میلادی و در مدار کامپیوترهای آنالوگ مطرح شد. در این کاربرد با قرار دادن عناصر مختلف بین سرهای ورودی و خروجی تقوکننده عملیاتی مدارهای مختلف با کارایی‌های متفاوت طراحی می‌شد. با گسترش دامنه کاربرد الکترونیک، استفاده از تقویت کننده عملیاتی نیز توسعه فراوان یافت. در سال ۱۹۶۰ میلادی اولین بار تقویت کننده عملیاتی به صورت مدار مجتمع طراحی و ساخته شد و با حجم، وزن و قیمت به مراتب کمتر به بازار مصرف ارائه گردید. پیشرفت فناوری و مطرح شدن نیازهای متنوع تر و تخصصی تر، زمینه را برای عرضه تقویت کننده‌های عملیاتی خاص فراهم نمود. تقویت کننده عملیاتی در واقع یک تقویت کننده ولتاژ با بهره ولتاژ بسیار بالاست و معمولاً دارای یک سر خروجی و دو سر ورودی است که سرهای ورودی به صورت تفاضلی عمل می‌کنند. به عبارت دیگر این تقویت کننده اختلاف ولتاژ بین ورودی را تقویت می‌کند. یکی از دو سر، ورودی منفی (-) یا معکوس کننده نام دارد، زیرا تقویت کننده برای ورودی‌های اعمال شده به این سر دارای بهره منفی خواهد بود. سر دیگر ورودی مثبت (+) یا غیر معکوس کننده‌است و سیگنال‌های ورودی به این سر، در خروجی با بهره مثبت ظاهر می‌شوند. این تقویت کننده دارای مقاومت خروجی بسیار کوچک (حدود چند اهم) بوده و از مقاومت ورودی بسیار بزرگی (بیش از چند صد کیلو اهم) برخورداراست. چون تقویت کننده عملیاتی یک قطعه فعال است برای تأمین انرژی مصرفی و بایاس ترانزیستورهای داخلی خود به تغذیه DC نیاز دارد.^[۱]

نماد تقویت کننده عملیاتی

محتویات    ۱ پایه‌ها ۲ تقویت کننده عملیاتی ایده‌آل ۳ تقویت کننده عملیاتی واقعی ۴ معرفی بلوک‌های تشکیل دهنده یک تقویت کننده عملیاتی ۵ مدار داخلی ۶ سرعت تغییرات خروجی (Slew Rate) ۶.۱ تعریف ۶.۲ اندازه گیری Slew Rate ۷ عرض باند بهره واحد ۸ مقاومتهای ورودی و خروجی ۹ تقویت کننده عملیاتی به عنوان مقایسه کننده (آپ امپ بدون فیدبک) ۱۰ کاربردهای تقویت کنندگی ۱۰.۱ تقویت کننده معکوس نکننده ۱۰.۲ تقویت کننده معکوس کننده و قدرتمند ۱۱ ساخت بافر به کمک آپ امپ ۱۲ ساخت جمع کننده به کمک آپ امپ ۱۳ تقویت کننده تفاضلی ۱۴ مدار انتگرال گیر ۱۵ مدار مشتق گیر ۱۶ کاربردهای غیر خطی(لگاریتمی و آنتی لگاریتمی(نمایی)) ۱۶.۱ تقویت کننده لگاریتمی ۱۶.۲ تقویت کننده آنتی لگاریتمی(نمایی) ۱۷ کاربرد آپ امپ در طراحی فیلترهای اکتیو ۱۸ آپ امپ با فیدبک مثبت ۱۹ اشمیت تریگر با آپ امپ ۲۰ تنظیم کننده با تقویت کننده عملیاتی ۲۱ ژیراتور ۲۲ مبدل امپدانس منفی ۲۳ یکسو ساز دقیق ۲۳.۱ یکسو ساز دقیق بهبود یافته ۲۴ کامپیوتر آنالوگ ۲۵ پانویس ۲۶ منابع ۲۷ پیوند به بیرون

پایه‌ها

پایه‌های آپ امپ

• پایه‌های ۴ و ۷، پایه‌های تغذیه منفی و مثبت آی سی هستند.
• پایه‌های ۲ و ۳، پایه‌های ورودی معکوس کننده و معکوس نکننده آی سی هستند.
• پایه ۶، پایه خروجی است.
• پایه‌های ۱ و ۵، پایه‌های تغییر دهنده سطح DC خروجی آی سی هستند که توسط آن‌ها می‌توان سطح DC خروجی را تغییر داد. این کار را می‌توان با قرار دادن یک پتانسیومتر بین این دو پایه انجام داد.
• پایه ۸ به جایی وصل نیست‌و برای اتصال دو عنصر به عنوان گره به کار می رود.

تقویت کننده عملیاتی ایده‌آل

• بهره ولتاژ بی نهایت دارد.
• مقاومت خروجی صفر دارد.
• مقاومت ورودی بی نهایت دارد.
• پهنای باند بی نهایت دارد.
• ولتاژ انحراف از میزان ورودی آن صفر است.

در حالی که هیچ‌یک از فرض‌های فوق با خواص تقویت کننده عملیاتی واقعی مطابقت کامل ندارد، اما نتایج به دست آمده از تجزیه و تحلیل مدارهای با مدل ایده‌آل، در فرکانس‌های پایین به نتایج واقعی بسیار نزدیک هستند.

تقویت کننده عملیاتی واقعی

در عمل، تقویت کننده عملیاتی نمی‌تواند دارای همه خصوصیات یاد شده در مورد حالت ایده‌آل آن باشد. چرا که تقویت کننده عملیاتی، خود از به هم پیوستن چند طبقه تقویت کننده ترانزیستوری (در ادامه مطلب اشاره شده‌است.) به وجود آمده‌است و ناگزیر دارای محدودیت‌هایی در بهره ولتاژ، مقاومت ورودی، جریان خروجی و... است. گرچه این‌گونه محدودیت‌ها که در تقویت کننده عملیاتی معمولی وجود دارند اساس طراحی‌های انجام شده بر مبنای حالت ایده‌آل را بر هم نمی‌زنند و فقط نتایج را با تقریب روبه رو می‌سازند، ولی تقویت کننده عملیاتی خاص با کارآیی بالا نیز در بازار یافت می‌شوند که در بعضی خصوصیت‌ها به وضعیت ایده‌آل بسیار نزدیک بوده و می‌تواند در طرح‌های ویژه به کار گرفته شوند. مثلاً تقویت کننده‌های عملیاتی ای ساخته می‌شوند که دارای سرعت زیاد، جریان خروجی زیاد و مقاومت ورودی بزرگ هستند. شناخت محدودیت‌های تقویت کننده عملیاتی واقعی نه تنها در درک عمیق تر عملکرد مدارهای طراحی شده با این تقویت کننده عملیاتی ما را یاری می‌کند، بلکه برای انتخاب تقویت کننده عملیاتی مناسب برای یک طرح مورد نظر نیز ضرورت دارد.

معرفی بلوک‌های تشکیل دهنده یک تقویت کننده عملیاتی

• منابع جریان
• تقویت کننده تفاضلی ورودی
• تقویت کننده میانی
• مدارهای تغییر دهنده سطح DC
• طبقه خروجی (تقویت کننده توان که معمولاً یک تقویت کننده پوش پول است.)

مدار داخلی

آی سی‌های تقویت کننده عملیاتی بنا به کاربردشان دارای مدارهای داخلی متفاوتی هستند. آی سی ۷۴۱ جزو ساده‌ترین و ابتدایی‌ترین آپ امپ‌ها می‌باشد. مدار داخلی آن قابل مشاهده می‌باشد.

مدار داخلی ۷۴۱

• قسمت آبی رنگ: این قسمت، طبقه تفاضلی است.ترانزیستورهای Q1 تا Q4 زوج تفاضلی ورودی را تشکیل می‌دهد.Q5 و Q6 و Q7 به همراه سه مقاومت، تشکیل بار فعال می‌دهند.
• قسمت‌های قرمز رنگ: ترانزیستورها در طبقات قرمز، تشکیل منابع جریان می‌دهند و تقویت کننده‌های ترانزیستوری را بایاس می‌کنند. هر سه منبع جریان، از نوع آینه‌ای هستند.

قسمت صورتی رنگ: این طبقه، طبقه تقویت کننده میانی است. Q۱۵ به عنوان بافر و Q۱۹ با مقاومت ۵۰ اهم در امیتر، یک طبقه امیتر مشترک تشکیل می‌دهد.

• قسمت آبی آسمانی رنگ: طبقه خروجی تقویت کننده یا همان تقویت کننده توان از کلاس AB (یا پوش پول) می‌باشد. علت استفاده از تقویت کننده کلاس AB در خروجی، تأمین جریان بارهای متنوع در خروجی است.
• قسمت سبز رنگ: این طبقه، چند برابر کننده ولتاژ بیس-امیتر نامیده می‌شود و برای جلوگیری از اعوجاج همگذری استفاده می‌شود. این طبقه، ترانزیستورهای تقویت توان را در آستانه روشن شدن، نگاه می‌دارد. برای رسیدن به پایداری حرارتی مطلوب به جای مقاومت ۴٫۵k می‌توان از یک NTC استفاده کرد.
• مقاومت‌های ۲۵ و ۵۰ اهم در خروجی تقویت کننده جهت جلوگیری از رانش حرارتی ترانزیستورهای Q۱۴ و Q۲۰ به کار گرفته شده‌اند.
• خازن ۳۰Pf، جبران ساز میلر است و در مدار قطب به وجود می‌آورد که به منظور جلوگیری از ناپایداری و نوسان تقویت کننده در فرکانسهای بالا مورد استفاده قرار گرفته‌است.(فضایی که یک خازن در مدار مجتمع اشغال می‌کند، چندین برابر فضای اشغال شده توسط یک ترانزیستور است. پس در طراحی مدار مجتمع، باید از حداقل خازن و مقاومت استفاده کرد.)

سرعت تغییرات خروجی (Slew Rate)

تعریف

سرعت تغییر ولتاژ خروجی تقویت کننده عملیاتی محدود است. به عبارت دیگر اگر به ورودی یک تقویت کننده عملیاتی شکل موج پله داده شود، خروجی شکل موج پله نخواهد داشت. بلکه افزایش ولتاژ خروجی با شیب معینی صورت می‌گیرد. این پارامتر توسط حداکثر جریان شارژ کننده خازن جبران ساز C تعیین می‌شود. زیرا افزایش ولتاژ خروجی مستلزم افزایش ولتاژ خروجی طبقه تقویت کننده میانی است که از طریق شارژ خازن C انجام می‌گیرد. حداکثر شیب تغییرات ولتاژ خروجی را با یک پارامتر به نام 'SR' مشخص می‌نمایند.

قرمز: شکل موج ورودی - سبز: شکل موج خروجی

اندازه گیری Slew Rate

برای اندازه گیری Slew Rate می‌توان از یک فانکشن ژنراتور در حالت موج مربعی و یک اسیلوسکوپ استفاده کرد. Slew Rate برای حالت با فیدبک و بدون فیدبک یکسان است. این پارامتر برای تقویت کننده‌های عملیاتی معمولی حدود چند ولت بر میکروثانیه بوده و برای تقویت کننده‌های عملیاتی با کارایی بالا از ۱۰۰ ولت بر میکروثانیه نیز می‌تواند بیشتر باشد.

عرض باند بهره واحد

در یک تقویت کننده عملیاتی واقعی، نه تنها بهره ولتاژ حلقه باز محدود است بلکه این مقدار نیز تا فرکانس حدود بین ۱۰Hz تا 1KHz ثابت است و پس از آن کاهش می‌یابد. این کاهش به میزان 20dB/dec با افزایش فرکانس ادامه می‌یابد. عرض باند بهره واحد در تقویت کننده‌های عملیاتی معمولی حدود ۱MHz است. در تقویت کننده‌های عملیاتی سریع مقدار این پارامتر ممکن است به بیش از چند ده مگاهرتز نیز برسد.

مقاومتهای ورودی و خروجی

مقاومتهای داخلی تقویت کننده عملیاتی

بر خلاف تقویت کننده عملیاتی ایده‌آل که مقاومت خروجی آن را صفر در نظر گرفتیم، تقویت کننده عملیاتی واقعی دارای یک مقاومت خروجی در حدود ۱۰۰ اهم می‌باشد.(برای تقویت کننده‌های عملیاتی معمولی) البته در تقویت کننده‌هایی که با استفاده از تقویت کننده عملیاتی و مقاومت‌های خارجی ساخته می‌شوند مقاومت خروجی مدار از مقاومت خروجی تقویت کننده عملیاتی کمتر خواهد بود. در این حالت، مقاومت خروجی تقویت کننده عملیاتی در مدار نقش چندان مهمی ندارد و می‌توان از آن صرف نظر کرد. تأثیر قابل توجه این مقاومت در امپدانس خروجی مدار وقتی ظاهر می‌شود که محدودیت عرض باند را در نظر بگیریم.

تقویت کننده عملیاتی به عنوان مقایسه کننده (آپ امپ بدون فیدبک)

۲۰۰px

هنگامی که ولتاژ پایه مثبت (معکوس نکننده) از ولتاژ پایه منفی (معکوس کننده) بیشتر باشد، خروجی آپ امپ، برابر با تغذیه مثبت می‌شود (تغدیه مثبت در خروجی ظاهر می‌شود.)

و

هنگامی که ولتاژ پایه مثبت (معکوس نکننده) از ولتاژ پایه منفی (معکوس کننده) کمتر باشد، خروجی آپ امپ، برابر با تغذیه منفی می‌شود (تغدیه منفی در خروجی ظاهر می‌شود.)

به روابط توجه کنید.

کاربردهای تقویت کنندگی

تقویت کننده معکوس نکننده

تقویت کننده معکوس نکننده

.

تقویت کننده معکوس کننده و قدرتمند

تقویت کننده معکوس کننده

.

ساخت بافر به کمک آپ امپ

بافر

در این حالت بهره ولتاژ برابر یک است. مقاومت ورودی این مدار با توجه به صفر بودن جریان ورودی سر مثبت، برابر بی نهایت است. ملاحظه می‌شود که تقویت کننده فوق همه شرایط یک بافر را داراست (بهره ولتاژ یک، مقاومت ورودی بی نهایت و مقاومت خروجی صفر) و به همین دلیل در بسیاری از کاربردها به عنوان یک مدار بافر تقریباً ایده‌آل مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مدار را ولتاژ فالوئر نیز می‌نامند، زیرا ولتاژ خروجی آن همواره ولتاژ ورودی را دنبال می‌کند.

ساخت جمع کننده به کمک آپ امپ

جمع کننده با بهره منفی

هریک از تقویت کننده‌های با بهره منفی یا مثبت را با اضافه کردن چند مقاومت در ورودی مطابق شکل می‌توان به مدار جمع کننده تبدیل کرد.

تقویت کننده تفاضلی

تقویت کننده تفاضلی

منظور از تقویت کننده تفاضلی، تقویت کننده‌ای است که در خروجی آن تفاضل دو سیگنال ورودی با بهره معینی ظاهر می‌شود. در تقویت کننده‌های تفاضلی، معمولاً مقدار متوسط سیگنال‌های ورودی نیز تقویت شده و به صورت یک مولفه نا خواسته در خروجی ظاهر می‌شود. در یک تقویت کننده تفاضلی ایده‌آل این مولفه در خروجی صفر است.

مدار انتگرال گیر

انتگرال گیر

این مدار شکل موج مربعی را به شکل موج دندانه اره‌ای تبدیل می‌کند و در اسیلوسکوپ کاربرد دارد. البته در عمل باید به موازات خازن c یک مقاومت بزرگ قرار داد تا فیدبک از نقطه نظر DC برقرار باشد.

مدار مشتق گیر

مشتق گیر

کاربردهای غیر خطی(لگاریتمی و آنتی لگاریتمی(نمایی))

تقویت کننده لگاریتمی

لگاریتمی

جریان اشباع معکوس

در دمای اتاق(۲۵ درجه سانتی گراد) برابر ۲۶ میلی ولت است.

تقویت کننده آنتی لگاریتمی(نمایی)

آنتی لگاریتمی(نمایی)

جریان اشباع معکوس

در دمای اتاق(۲۵ درجه سانتی گراد) برابر ۲۶ میلی ولت است.

کاربرد آپ امپ در طراحی فیلترهای اکتیو

از آپ امپ می‌توان در ساخت فیلترهای آنالوگ اکتیو استفاده کرد. نمونه‌ای از این دست فیلتر را در ذیل می‌بینید.

فیلتر بالاگذر از نوع سالن کی

آپ امپ با فیدبک مثبت

هنگامی که پایه خروجی به طرقی به ورودی معکوس نکننده متصل باشد، مدار کاربرد تقویت کنندگی ندارد. با این روش می‌توان مدارهای نظیر مونواستابل، آستابل، بای استابل و اشمیت تریگر ساخت.

فیدبک مثبت

اشمیت تریگر با آپ امپ

از آپ امپ در ساخت اشمیت تریگر نیز استفاده می‌شود. به شکل‌های زیر دقت کنید.

اشمیت تریگر با آپ امپ

منحنی هیسترزیس

تنظیم کننده با تقویت کننده عملیاتی

تنظیم کننده با تقویت کننده عملیاتی

گرچه استفاده از تنظیم کننده‌های ولتاژ ساده در بسیاری از سیستم‌های الکترونیکی ارزان قیمت متداول است، ولی در منابع تغذیه تجاری که تنظیم ولتاژ بهتر و دقیق تر و نیز ولتاژ خروجی قابل تغییر مورد نیاز است.

ژیراتور

ژیراتور و مدار معادل تقریبی

در طراحی فیلترهای غیر فعال، به دلیل استفاده از سلف، مدارها بسیار سنگین، بزرگ و گران می‌شوند و دارای تلفات نیز هستند. به همین دلیل استفاده از فیلترهای فعال که در آن از سلف استفاده نمی‌شود دارای مزیت می‌باشد. یکی از انواع فیلترهای فعال، فیلتری است که در آن از ژیراتور استفاده می‌شود. در این روش ابتدا فیلتر غیر فعال را سنتز کرده سپس به جای سلف از ژیراتور که ترکیبی از مقاومت و خازن و تقویت کننده عملیاتی است، را جایگزین می‌کنیم.

مبدل امپدانس منفی

مبدل امپدانس منفی

منظور از مبدل امپدانس منفی، مداری است که بتواند با استفاده از مقاومت‌های معمولی در دو سر ورودی خود یک مقاومت منفی ایجاد کند. در مدار شکل روبرم می‌توان نشان داد که نسبت به یک عدد منفی است. به عبارت دیگر از سر ورودی مثبت، مدار دارای مقاوت منفی است.

تحلیل مدار روبه‌رو: به دلیل استفاده از فیدبک منفی و برابری ولتاژ پایه‌های ورودی، و تقسیم ولتاژ داریم:

با نوشتن فرمول جریان، و جایگزینی رابطه اول داریم:

مقاومت ورودی، همان نسبت ولتاژ منبع سیگنال به جریان ورودی است.

بنابراین مقاومت ورودی یک مقاومت منفی است.

برای داشتن امپدانس منفی، می‌توان به جای مقاومت از سلف یا خازن استفاده کرد.

از مبدل مقاومت منفی می‌توان در طراحی منبع جریان ایده‌آل با تقویت کننده عملیاتی استفاده نمود.

یکسو ساز دقیق

یکسو کننده دقیق

با استفاده از تقویت کننده عملیاتی و دیود می‌توان یک، یکسو ساز تقریباً ایده‌آل ساخت.

توضیح: هنگامی که ولتاژ ورودی کوچک تر از صفر باشد دیود خاموش است و فیدبک منفی برقرار نمی‌شود پس ولتاژ خروجی صفر است. و هنگامی که ولتاژ ورودی بزرگ تر از صفر باشد دیود روشن می‌شود فیدبک منفی برقرار می‌شود و ولتاژ خروجی، برابر ولتاژ ورودی می‌شود.

این یکسو ساز، نیم موج است.

یکسو ساز دقیق بهبود یافته

یکسو کننده دقیق بهبود یافته

در این مدار چون خروجی تقویت کننده عملیاتی به اشباع مثبت و منفی نمی‌رود نرخ شیب (Slew Rate) خود را خیلی کم نشان می‌دهد و از مدار قبلی کیفیت بهتری دارد.(اگرچه این مدار در فرکانس‌های بالا Slew Rate خوبی از خود نشان نمی‌دهد ولی از مدار قبلی بهتر است.)

کامپیوتر آنالوگ

کامپیوتر آنالوگ به عنوان یک وسیله دقیق قادر است رفتار یک سیستم فیزیکی را که به صورت یک مجموعه معادلات دیفرانسیل و انتگرال قابل توصیف باشد پیش بینی و شبیه سازی نماید. برنامه نویسی چنین کامپیوتری عبارت است از به کارگیری تعدادی تقویت کننده عملیاتی برای انجام عملیاتی که در معادلات توصیف کننده سیستم مورد استفاده قرار گرفته‌اند. یک کامپیوتر آنالوگ واقعی، علاوه بر تقویت کننده عملیاتی شامل مقاومتها و خازنهای دقیق، مولد شکل موج‌های مختلف برای تأمین ورودی‌های گوناگون، وسایلی برای اعمال شرایط اولیه، پتانسیومتر دقیق برای وارد نمودن ثابت‌های قابل تغییر، کلیدهایی برای کنترل عملیات، اسیلوسکوپ جهت نمایش خروجی و یک صفحه اتصالات، جهت به هم بستن قطعه‌های مختلف موجود در برنامه‌است. در مدارهای کامپیوتر آنالوگ معمولاً از مشتق گیر استفاده نمی‌شود، زیرا اغتشاش که در همه وسایل الکترونیکی وجود دارد، دارای تغییرات زمانی زیاد(مشتق بزرگ) است در حالی که انتگرال آن در طول زمان معمولاً صفر می‌شود. بنا براین سعی می‌شود طراحی بر مبنای انتگرال گیر انجام شود. یک کاربر ماهر می‌تواند به کمک کامپیوتر آنالوگ یک سیستم فیزیکی را دقیقاً شبیه سازی نماید.

منابع :

1.      ↑ کتاب مبانی الکترونیک، نویسنده: دکتر سید علی میر عشقی، انتشارات: نشر شیخ بهایی، صفحه ۱

2.      ↑ کتاب مبانی الکترونیک، نویسنده: دکتر سید علی میر عشقی، انتشارات: نشر شیخ بهایی، صفحه ۲۹

والسلام  

التماس دعا 

محسن شوقعلی نیری