تقویتکنندههای عملیاتی که معمولاً به عنوان op-amp شناخته میشوند، بلوکهای اساسی در مدارهای الکترونیکی مدرن هستند. به عنوان یک تامین کننده تقویت کننده، من به طور مستقیم شاهد تطبیق پذیری و اهمیت این قطعات در طیف گسترده ای از کاربردها بوده ام. در این پست وبلاگ، شما را از طریق اصول استفاده از تقویت کننده عملیاتی در مدار، از درک ویژگی های آن تا اجرای عملی، راهنمایی می کنم.
آشنایی با اصول تقویت کننده های عملیاتی
تقویت کننده عملیاتی یک تقویت کننده ولتاژ الکترونیکی با بهره بالا با ورودی های دیفرانسیل و معمولاً یک خروجی است. نماد اصلی یک آپ امپ از دو ترمینال ورودی (معکوس و غیر معکوس) و یک ترمینال خروجی تشکیل شده است. بهره یک آپ امپ ایده آل بی نهایت است و امپدانس ورودی آن نیز بی نهایت است، در حالی که امپدانس خروجی آن صفر است.
این ویژگی ها باعث می شود که op-amp ها در پیکربندی های مختلف مدار بسیار مفید باشند. به عنوان مثال می توان از آنها برای تقویت سیگنال های ضعیف، انجام عملیات ریاضی مانند جمع، تفریق، ادغام و تمایز و پیاده سازی فیلترها و نوسانگرها استفاده کرد.
پارامترهای کلیدی تقویت کننده های عملیاتی
قبل از استفاده از op-amp در مدار، درک پارامترهای کلیدی آن بسیار مهم است. این پارامترها عملکرد و مناسب بودن op-amp را برای یک برنامه خاص تعیین می کنند.
- بهره حلقه باز (Aol): این سود op-amp بدون هیچ بازخورد خارجی است. در یک آپ امپ ایده آل، بهره حلقه باز بی نهایت است. با این حال، در آپ امپ های دنیای واقعی، بهره حلقه باز بسیار زیاد است، معمولاً در محدوده 10^5 تا 10^7.
- امپدانس ورودی (Zin): امپدانس ورودی مقاومتی است که در پایانه های ورودی op-amp مشاهده می شود. امپدانس ورودی بالا مطلوب است زیرا اثر بارگذاری روی منبع سیگنال ورودی را به حداقل می رساند.
- امپدانس خروجی (نمک): امپدانس خروجی مقاومتی است که در ترمینال خروجی آپ امپ مشاهده می شود. امپدانس خروجی پایین مطلوب است زیرا به آپ امپ اجازه می دهد بارها را بدون تضعیف سیگنال قابل توجه هدایت کند.
- پهنای باند: پهنای باند محدوده فرکانس هایی است که op-amp می تواند به طور موثر بر روی آن کار کند. معمولاً به عنوان فرکانسی تعریف می شود که در آن بهره حلقه باز به 70.7 درصد از مقدار فرکانس پایین آن کاهش می یابد.
- نرخ ضربه: نرخ slew حداکثر نرخ تغییر ولتاژ خروجی op-amp است. بر حسب ولت در میکروثانیه (V/µs) اندازه گیری می شود. برای برنامههایی که سیگنالهای با فرکانس بالا یا تغییر سریع را در بر میگیرند، نرخ حرکت بالا مورد نیاز است.
پیکربندی مدارهای رایج تقویت کننده های عملیاتی
چندین پیکربندی مدار متداول از آپ امپ وجود دارد که هر کدام ویژگی ها و کاربردهای خاص خود را دارند.
تقویت کننده معکوس کننده
تقویت کننده معکوس یکی از اساسی ترین و پرکاربردترین مدارهای آپ امپ است. از یک آپ امپ، یک مقاومت ورودی (Rin) و یک مقاومت بازخورد (Rf) تشکیل شده است. سیگنال ورودی به ترمینال ورودی معکوس Op-amp اعمال می شود و ترمینال ورودی غیر معکوس به زمین متصل می شود.
بهره ولتاژ تقویت کننده معکوس با فرمول به دست می آید:
Av = -Rf / Rin
علامت منفی نشان می دهد که سیگنال خروجی نسبت به سیگنال ورودی معکوس شده است. تقویت کننده معکوس می تواند برای تقویت سیگنال ها با طیف وسیعی از دامنه ها و فرکانس ها استفاده شود.
تقویت کننده غیر معکوس
تقویت کننده غیر معکوس یکی دیگر از مدارهای Op-amp رایج است. از یک آپ امپ، یک مقاومت ورودی (Rin) و یک مقاومت بازخورد (Rf) تشکیل شده است. سیگنال ورودی به ترمینال ورودی غیر معکوس op-amp اعمال می شود و ترمینال ورودی معکوس به یک تقسیم کننده ولتاژ تشکیل شده توسط Rin و Rf متصل می شود.
بهره ولتاژ تقویت کننده غیر معکوس با فرمول به دست می آید:
Av = 1 + Rf / Rin
تقویت کننده غیر معکوس دارای بهره ولتاژ مثبت است، به این معنی که سیگنال خروجی با سیگنال ورودی هم فاز است. اغلب در برنامه هایی استفاده می شود که امپدانس ورودی بالا و خروجی غیر معکوس مورد نیاز است.
دنبال کننده ولتاژ
دنبال کننده ولتاژ، که به عنوان بافر یکپارچه بهره نیز شناخته می شود، یک مورد خاص از تقویت کننده غیر معکوس است که در آن Rf = 0 و Rin = ∞ است. در این پیکربندی، ولتاژ خروجی آپ امپ برابر با ولتاژ ورودی و بهره ولتاژ واحد است.
دنبال کننده ولتاژ دارای امپدانس ورودی بسیار بالا و امپدانس خروجی بسیار کم است که آن را برای بافر کردن سیگنال ها بین مراحل مختلف مدار ایده آل می کند. می توان از آن برای جداسازی منبع سیگنال ورودی از بار و جلوگیری از تضعیف سیگنال استفاده کرد.
تقویت کننده جمع
تقویت کننده جمع برای اضافه کردن دو یا چند سیگنال ورودی به یکدیگر استفاده می شود. این شامل یک آپمپ، مقاومت های ورودی چندگانه (R1، R2، ...، Rn) و یک مقاومت فیدبک (Rf) است. هر سیگنال ورودی از طریق مقاومت ورودی مربوطه به ترمینال ورودی معکوس op-amp اعمال می شود.
ولتاژ خروجی تقویت کننده جمع کننده با فرمول به دست می آید:
Vout = -Rf * (V1 / R1 + V2 / R2 + ... + Vn / Rn)
تقویت کننده جمع را می توان در برنامه هایی مانند میکس صدا، پردازش سیگنال و سیستم های کنترل استفاده کرد.
ملاحظات عملی هنگام استفاده از تقویت کننده های عملیاتی
هنگام استفاده از آپ امپ در مدار، چندین ملاحظات عملی وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند.
- منبع تغذیه: Op-amp ها برای کار کردن به منبع تغذیه نیاز دارند. ولتاژ منبع تغذیه باید در محدوده مشخص شده op-amp باشد. تهیه منبع تغذیه پایدار و تمیز برای اطمینان از عملکرد صحیح op-amp مهم است.
- حفاظت ورودی و خروجی: برای جلوگیری از آسیب رسیدن به آپ امپ، استفاده از مدارهای حفاظتی ورودی و خروجی توصیه می شود. این مدارها می توانند شامل مقاومت ها، دیودها و خازن ها برای محدود کردن ولتاژها و جریان های ورودی و خروجی باشند.
- سر و صدا و تداخل: Op-amp ها به نویز و تداخل حساس هستند. برای به حداقل رساندن اثرات نویز و تداخل، استفاده از تکنیک های مناسب زمین، کابل های محافظ و قطعات کم نویز بسیار مهم است.
- ملاحظات حرارتی: Op-amp ها می توانند در حین کار گرما ایجاد کنند، به خصوص زمانی که بارهای پرقدرت را هدایت می کنند. برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد آپ امپ، فراهم کردن غرق حرارت کافی مهم است.
کاربرد تقویت کننده های عملیاتی در سیستم های صوتی
تقویتکنندههای عملیاتی بهطور گسترده در سیستمهای صوتی برای کاربردهای مختلفی مانند پیش تقویت، تقویت توان و پردازش سیگنال استفاده میشوند. ما به عنوان یک تامین کننده تقویت کننده، طیف وسیعی از آپ امپ های با کیفیت بالا را ارائه می دهیم که برای کاربردهای صوتی مناسب هستند.
مثلا مابلندگوی دوگانه 10 اینچی V10 Active Line Arrayاز op-amp در مراحل پیش تقویت کننده و تقویت کننده قدرت خود برای ارائه تقویت صدای با کیفیت بالا استفاده می کند. آپ امپ ها با دقت انتخاب می شوند تا از نویز کم، بهره بالا و پهنای باند وسیع اطمینان حاصل کنند که منجر به تولید صدای واضح و دقیق می شود.
مثال دیگر ماستاسپیکر غیرفعال 10 اینچی و ساب ووفر فعال 18 اینچی. ساب ووفر فعال از op-amp در شبکه متقاطع خود و تقویت کننده قدرت برای کنترل دقیق سیگنال های صوتی فرکانس پایین استفاده می کند. آپ امپ ها برای کنترل سیگنال های پرقدرت و ارائه عملکرد خطی و اعوجاج عالی طراحی شده اند.
مابلندگو V6 دوگانه 6.5 اینچی Active Line Array Speakerهمچنین از op-amp در مدارهای پردازش صوتی خود برای افزایش کیفیت و عملکرد صدا استفاده می کند. آپ امپ ها برای اجرای یکسان سازی، فیلتر کردن و سایر عملکردهای پردازش سیگنال برای بهینه سازی خروجی صدا استفاده می شوند.
نتیجه گیری
تقویت کننده های عملیاتی اجزای ضروری در مدارهای الکترونیکی مدرن هستند. آنها طیف گسترده ای از ویژگی ها و کاربردها، از تقویت سیگنال گرفته تا عملیات ریاضی و پردازش صدا را ارائه می دهند. به عنوان یک تامین کننده تقویت کننده، ما متعهد به ارائه آپ امپ با کیفیت بالا و محصولات مرتبط هستیم تا نیازهای مشتریان خود را برآورده کنیم.
اگر علاقه مند به استفاده از تقویت کننده های عملیاتی در مدارهای خود هستید یا به اطلاعات بیشتری در مورد محصولات ما نیاز دارید، لطفاً برای تهیه و مذاکره با ما تماس بگیرید. ما تیمی متشکل از مهندسان با تجربه داریم که می توانند پشتیبانی فنی و راهنمایی برای کمک به شما در انتخاب آپ امپ مناسب برای برنامه های خود ارائه دهند.
مراجع
- سدرا، اس، و اسمیت، کی سی (2015). مدارهای میکروالکترونیک انتشارات دانشگاه آکسفورد
- هوروویتز، پی، و هیل، دبلیو (2015). هنر الکترونیک. انتشارات دانشگاه کمبریج
- یونگ، WG (2005). راهنمای برنامه های کاربردی Op Amp. الزویر.
