تقویت کننده عملیاتی چگونه کار می کند تقویت کننده های عملیاتی برای مبتدیان

تقویت کننده عملیاتی (op-amp) تقویت‌کننده عملیاتی (OpAmp)، که عموماً به عنوان opamp شناخته می‌شود، یک تقویت‌کننده جریان مستقیم (OCA) با بهره بسیار بالا است. عبارت "تقویت کننده dc" به این معنی نیست که یک op-amp فقط می تواند جریان مستقیم را تقویت کند. این یعنی شروع از فرکانس صفر هرتز و این جریان مستقیم است.

اصطلاح "عملیاتی" برای مدت طولانی تقویت شده است، زیرا اولین نمونه های op-amp برای عملیات های مختلف ریاضی مانند ادغام، تمایز، جمع و غیره استفاده شد. بهره آپ امپ به نوع، هدف، ساختار آن بستگی دارد و می تواند بیش از 1 میلیون باشد!

مدار تقویت کننده عملیاتی

در نمودارها، تقویت کننده عملیاتی به صورت زیر نشان داده شده است:

یا بیشتر

اغلب، آمپرهای عملیاتی روی نمودارها بدون سیم برق نشان داده می شوند.

ورودی با علامت مثبت را ورودی غیر معکوس و ورودی با علامت منفی را ورودی معکوس می نامند. این دو علامت را با قطبیت قدرت اشتباه نگیرید! آنها نمی گویند که اعمال یک سیگنال قطبی منفی به ورودی معکوس اجباری است، اما برای سیگنال معکوس NOT با قطبیت مثبت اجباری است، و در ادامه متوجه خواهید شد که چرا.

منبع تغذیه تقویت کننده های عملیاتی

اگر خروجی های برق مشخص نشده باشد، در نظر گرفته می شود که آپ امپ با یک منبع تغذیه دوقطبی + E و -E ولت عرضه می شود. همچنین دارای برچسب +U و -U، V CC و V EE، Vc و V E است. بیشتر اوقات +15 و -15 ولت است. تغذیه دوقطبی را تغذیه دوقطبی نیز می نامند. چگونه این را بفهمیم - قدرت دوقطبی؟

بیایید یک باتری را تصور کنیم

فکر می کنم همه شما می دانید که باتری یک "معلوم" و "منفی" دارد. در این حالت ، "منهای" باتری ها به عنوان صفر در نظر گرفته می شود و باتری ها قبلاً نسبت به صفر شمارش می شوند. در مورد ما، ولتاژ باتری 1.5 ولت است.

و بیایید یک باتری دیگر را برداریم و آنها را به صورت سری وصل کنیم:

بنابراین، اگر منهای باتری اول را صفر در نظر بگیریم، کل ولتاژ 3 ولت خواهیم داشت.

اما اگر منهای باتری دوم را صفر کنیم و تمام ولتاژهای نسبت به آن را اندازه گیری کنیم، چه؟

در اینجا ما به تازگی یک منبع تغذیه دوقطبی گرفتیم.

مدل ایده آل و واقعی تقویت کننده عملیاتی

برای درک ماهیت عملکرد سیستم عامل، آن را در نظر بگیرید ایده آلو واقعیمدل ها.

1) یک آپ امپ ایده آل بی نهایت بزرگ است.

در آپ امپ های واقعی، مقدار مقاومت ورودی به هدف آپ امپ (جهانی، ویدئویی، دقیق و غیره)، نوع ترانزیستورهای مورد استفاده و مدار مرحله ورودی بستگی دارد و می تواند از صدها اهم متغیر باشد. به ده ها مگا اهم. یک مقدار معمولی برای یک آپمپ هدف کلی چند MΩ است.

2) قاعده دوم از قاعده اول ناشی می شود. از آنجایی که امپدانس ورودی یک آپ امپ ایده آل بی نهایت بزرگ است، ورودی صفر خواهد بود.

در واقع، این فرض برای آپ امپ های دارای ورودی که جریان ورودی آنها می تواند کمتر از پیکوآمپر باشد، کاملاً صادق است. اما یک op-amp با ورودی نیز وجود دارد. در اینجا، جریان ورودی می تواند ده ها میکرو آمپر باشد.

3) امپدانس خروجی یک آپ امپ ایده آل صفر است.

این بدان معنی است که ولتاژ در خروجی آپ امپ با تغییر جریان بار تغییر نخواهد کرد. در آپ امپ های واقعی واقعی، ده ها اهم (معمولا 50 اهم) است.
علاوه بر این، امپدانس خروجی به فرکانس سیگنال بستگی دارد.

4) بهره در یک آپ امپ ایده آل بی نهایت زیاد است. در واقع، توسط مدار داخلی op-amp محدود می شود و ولتاژ خروجی توسط ولتاژ تغذیه محدود می شود.

5) از آنجایی که بهره بی نهایت زیاد است، بنابراین، اختلاف ولتاژ بین ورودی های یک آپ امپ ایده آل صفر است. در غیر این صورت، حتی اگر پتانسیل یک ورودی بزرگتر یا کمتر از حداقل بار یک الکترون باشد، خروجی یک پتانسیل بی نهایت بزرگ خواهد بود.

6) بهره در یک آپ امپ ایده آل به فرکانس سیگنال بستگی ندارد و در تمام فرکانس ها ثابت است. در آپ امپ های واقعی این شرط فقط برای فرکانس های پایینتا هر فرکانس قطع، که برای هر آپ امپ جداگانه است. به طور معمول، فرکانس قطع به عنوان یک افت بهره 3 دسی بل یا تا 0.7 بهره در فرکانس صفر (DC) در نظر گرفته می شود.

مدار ساده ترین آپ امپ روی ترانزیستورها چیزی شبیه به این است:

اصل عملکرد تقویت کننده عملیاتی

بیایید نگاهی به نحوه عملکرد سیستم عامل بیندازیم.

اصل عملکرد OU بسیار ساده است. این دو ولتاژ را مقایسه می کند و در خروجی از قبل پتانسیل منبع تغذیه منفی یا مثبت تولید می کند. همه چیز بستگی به این دارد که کدام ورودی پتانسیل بیشتر باشد. اگر پتانسیل در ورودی غیر معکوس U1 بزرگتر از U2 معکوس باشد، خروجی + Upit خواهد بود، اگر پتانسیل در ورودی معکوس U2 بیشتر از U1 غیر معکوس باشد، خروجی خواهد بود - Upit. این کل اصل است ;-).

بیایید این اصل را در شبیه ساز پروتئوس بررسی کنیم. برای انجام این کار، ساده‌ترین و رایج‌ترین تقویت‌کننده عملیاتی LM358 (آنالوگ‌های 1040UD1، 1053UD2، 1401UD5) را انتخاب می‌کنیم و یک مدار اولیه که اصل عملکرد را نشان می‌دهد مونتاژ می‌کنیم.

اجازه دهید 2 ولت را به ورودی غیر معکوس و 1 ولت را به ورودی معکوس اعمال کنیم. از آنجایی که پتانسیل در ورودی غیر معکوس بیشتر است، بنابراین باید + Upit را در خروجی دریافت کنیم. ما 13.5 ولت گرفتیم که نزدیک به این مقدار است.

اما چرا 15 ولت نیست؟ مدار داخلی op-amp مقصر همه چیز است. حداکثر مقدار آپ امپ ممکن است همیشه برابر با ولتاژ تغذیه مثبت یا منفی نباشد. بسته به نوع آپ امپ می تواند از 0.5 تا 1.5 ولت منحرف شود.

اما ، همانطور که می گویند ، این خانواده بدون عجایب نیست و به همین دلیل op-amp ها مدت هاست در بازار ظاهر شده اند که می توانند ولتاژ تغذیه قابل قبولی را در خروجی تولید کنند ، یعنی در مورد ما این مقادیر هستند \ u200b\u200b نزدیک به +15 و -15 ولت. چنین ویژگی Rail-to-Rail نام دارد که به معنای واقعی کلمه از انگلیسی ترجمه شده است. «از ریل به ریل» و به زبان الکترونیک «از یک ریل برقی به ریل دیگر».

بیایید اکنون پتانسیل بیشتری را برای ورودی معکوس نسبت به ورودی غیر معکوس اعمال کنیم. ما 2 ولت به وارونه و 1 ولت به غیر معکوس می دهیم:

همانطور که می بینید، در این لحظهخروجی روی -Upit "خوابید"، زیرا پتانسیل در ورودی معکوس بیشتر از ورودی غیر معکوس بود.

برای اینکه یک بار دیگر بسته نرم افزاری Proteus را دانلود نکنید، می توانید با استفاده از برنامه فالستاد، عملکرد یک آپ امپ ایده آل را به صورت آنلاین شبیه سازی کنید. برای انجام این کار، تب Circuits-Op-Amps->OpAmp را انتخاب کنید. در نتیجه، نمودار زیر بر روی صفحه نمایش شما ظاهر می شود:

در کنترل پنل سمت راست، لغزنده‌هایی را برای افزودن ولتاژ به ورودی‌های آپمپ مشاهده خواهید کرد و از قبل می‌توانید به صورت بصری ببینید که وقتی ولتاژ ورودی‌ها تغییر می‌کند، در خروجی آپ امپ چه اتفاقی می‌افتد.

بنابراین، ما موردی را در نظر گرفته ایم که ولتاژ در ورودی ها می تواند متفاوت باشد. اما اگر برابر باشند چه اتفاقی می افتد؟ پروتئوس در این مورد چه چیزی را به ما نشان خواهد داد؟ هوم، نشان داد + آپیت.

و فالستاد چه چیزی را نشان خواهد داد؟ صفر ولت

چه کسی را باور کنیم؟ هيچ كس! در زندگی واقعی، انجام این کار برای هدایت ولتاژهای کاملاً مساوی به دو ورودی غیرممکن است. بنابراین، چنین حالتی از op-amp ناپایدار خواهد بود و مقادیر خروجی می توانند ولت -E یا +E Volts را بگیرند.

یک سیگنال سینوسی با دامنه 1 ولت و فرکانس 1 کیلوهرتز به ورودی غیر معکوس اعمال می کنیم و سیگنال معکوس را به زمین یعنی صفر می کنیم.

بیایید ببینیم چه چیزی در اسیلوسکوپ مجازی داریم:

در این مورد چه می توان گفت؟ وقتی سیگنال سینوسی در ناحیه منفی است، در خروجی آپ امپ -Upit داریم و وقتی سیگنال سینوسی در ناحیه مثبت است، در خروجی +Upit داریم. همچنین به این نکته توجه کنید که ولتاژ خروجی آپ امپ نمی تواند مقدار آن را به طور ناگهانی تغییر دهد. بنابراین، در op-amp پارامتری به عنوان نرخ حرکت ولتاژ خروجی وجود دارد V Uout .

این پارامتر نشان می دهد که ولتاژ خروجی آپ امپ با چه سرعتی می تواند در هنگام کار در مدارهای پالسی تغییر کند. اندازه گیری بر حسب ولت در ثانیه خب از کجا فهمیدی چیه ارزش بیشتراین پارامتر در مدارهای پالسی بهتر عمل می کند. برای LM358، این پارامتر 0.6 V/µs است.

با حضور Jeer

من اغلب اولین آشنایی خود را با یک تقویت کننده عملیاتی (op-amp) به یاد می آورم. همیشه می دانستم که این مثلث های مرموز روی نمودارها برای من در زندگی مفید خواهند بود. با این حال، شب های طولانی بی خوابی که صرف مطالعه اصل کار آنها شد، به هیچ نتیجه ای منجر نشد. مقالات زیادی در مورد این موضوع وجود دارد، اما به نظر من اصول اولیه واضح نیست. سعی می کنم کمی از آن طرف نزدیک شوم و دفع کنم رازهای وحشتناک OU.

بیایید سعی کنیم بفهمیم که تقویت کننده عملیاتی ما چه "عملیاتی" را تقویت می کند.

مشکل: منبع سیگنالی مانند سیگنال میکروفون یا پیکاپ گیتار وجود دارد. اگر میکروفون مستقیماً به هدفون وصل شود، به احتمال زیاد چیزی نخواهید شنید، در بهترین حالت صدایی به سختی قابل درک خواهد بود.

تصور کنید به جای میکروفون، شخصی که سعی می کند یک تخته سنگی را بلند کند، البته نمی تواند این کار را انجام دهد، همانطور که میکروفون قادر به تکان دادن بلندگو نیست. اما اگر این فرد از نیروی کمی برای کار با جرثقیل استفاده کند، در این صورت قادر خواهد بود هر باری را در حد ظرفیت جرثقیل بلند کند. آن ها جرثقیل در این مورد تقویت کننده. آنالوگ ظرفیت بالابری جرثقیل قدرت تقویت کننده است. معنای سود باید از تصویر مشخص باشد. فرکانس و شکل موج ثابت می ماند، فقط دامنه تغییر می کند.

اکنون می دانیم که برای شنیدن صدا از بلندگوها به یک آمپلی فایر نیاز است. در حالی که نمی دانیم چگونه کار می کند و چه چیزی در داخل آن وجود دارد، با این حال، از قبل می دانیم که باید پایه هایی وجود داشته باشد که سیگنال به آنها اعمال می شود، که می خواهیم Uin را تقویت کنیم، و همچنین پایه هایی که سیگنال تقویت شده Uout از آنها حذف می شود. .

سوال این است که سیگنال را با چه ولتاژی می توان تقویت کرد؟ شما خواهید گفت: "من می خواهم 220 ولت را به 1000000 ولت تقویت کنم"، اما این امکان پذیر نیست، چرا؟ زیرا سیگنال اصلی توسط یک منبع خارجی تقویت می شود. منبع خارجی ولتاژ تغذیه op-amp خواهد بود. به طور مشابه، جرثقیل نمی تواند باری را بالاتر از ارتفاع خود بلند کند (ما موافقیم که نمی تواند :)). بنابراین، ولتاژ در خروجی آپ امپ نمی تواند از ولتاژ تغذیه تجاوز کند. در واقع، حتی کمی کمتر از ولتاژ تغذیه است. به عنوان مثال، برای LM324، ولتاژ تغذیه از 3 تا 32 ولت است.

اکنون می دانیم که op-amp به نیروی خارجی نیاز دارد، بیایید این پایه ها را ترسیم کنیم

به هر حال، ما به این واقعیت عادت کرده ایم که منبع تغذیه ما تک قطبی + 5 ولت و زمین است. در اینجا یک نکته ظریف وجود دارد، اگر می خواهید سیگنالی را تقویت کنید که مقادیر منفی دارد،

سپس باید به -Upit، یعنی منبع ولتاژ منفی و نه به زمین وصل شوید. اگر زمین را وصل کنید، معلوم می شود که هیچ منبع ولتاژی وجود ندارد و بخش "پایین" (منفی) سیگنال تقویت نمی شود، یعنی. بخشی از سیگنال "قطع" خواهد شد، در این مثال بیشتر در این مورد است.

به طور مشابه، اگر سیگنال بیشتر از ولتاژ تغذیه تقویت شود، در آن مکان‌هایی که سیگنال از ولتاژ تغذیه تجاوز می‌کند، سیگنال "قطع" می‌شود، یعنی. به جای یک سینوسی، چیزی شبیه به این خواهیم دید

سوال اصلی این است که چگونه سود را تنظیم کنیم؟ بسیار ساده - یک تقسیم کننده ولتاژ. اما ابتدا، اجازه دهید به نمادهای واقعی تر برویم. هر آپ امپ حداقل 5 پایه دارد - 2 توان، که در بالا ذکر شد، یک ورودی معکوس (-)، یک ورودی غیر معکوس (+) و یک خروجی.

بنابراین، بسته به اینکه سیگنال اصلی به کدام ورودی اعمال می شود، دو نوع سوئیچینگ متمایز می شود: تقویت کننده غیر معکوس

بهره که برابر با K=(R4/R3)+1 است. در این حالت K=4. در این حالت شکل موج خروجی تغییر نمی کند.

و معکوس، با بهره K=-(R2/R1). برای این طرح K=3. سیگنال خروجی با ورودی هم فاز خواهد بود.

از حرف به عمل برویم. یک پیچ و خم با فرکانس 1 کیلوهرتز به عنوان سیگنال اولیه در نظر گرفته شد. سیگنال دارای مقادیر مثبت و منفی است (وسط صفحه 0 است). دامنه سیگنال 50 میلی ولت

من op-amp (L324) را طبق طرح یک تقویت کننده غیر معکوس وصل می کنم. غذا تک قطبی است. در خروجی op-amp سیگنالی به همان شکل اما با دامنه بزرگتر. احتمالاً کاملاً مشخص نیست که چرا سیگنال چنین دامنه ای دارد و چرا به سمت بالا جابجا شده است.

بیایید سعی کنیم آن را بفهمیم. دامنه سیگنال اصلی 50mV، R4=30k، R3=10k است، ما به فرمول 50*(30/10+1)=200mV، بسیار شبیه به آنچه در اسیلوسکوپ دیده می شود، جایگزین می کنیم. چرا سیگنال بالا رفت؟ مضرات توان تک قطبی را به یاد بیاورید، هر چیزی کمتر از 0 را نمی توان تقویت کرد، بنابراین سیگنال در 0 قطع می شود.

حال تصور کنید که اگر یک منبع ولتاژ منفی به پایه پاور مثلاً 5 ولت وصل شود، دامنه سیگنال دو برابر می شود. بنابراین، حجم نیز به طور قابل توجهی افزایش می یابد.

در واقع، این یک مقدمه کوچک است، قبل از شروع مطالعه OU، همه موارد بالا فقط یک قطره در اقیانوس است، اگر دوست داشتید، بنویسید، ما به تدریج به سایر برنامه های OU، از جمله، تسلط خواهیم یافت. و طرح های عملی

در دوره الکترونیک موضوعات مهم زیادی وجود دارد. امروز سعی خواهیم کرد به تقویت کننده های عملیاتی بپردازیم.
از نو شروع کن تقویت کننده عملیاتی چنین "چیزی" است که به شما امکان می دهد از هر طریق ممکن با سیگنال های آنالوگ کار کنید. ساده ترین و اساسی ترین آن ها تقویت، تضعیف، جمع، تفریق و بسیاری دیگر (مثلاً تمایز یا لگاریتم) هستند. اکثریت قریب به اتفاق عملیات روی تقویت کننده های عملیاتی (از این پس به عنوان آپ امپ نامیده می شود) با استفاده از بازخورد مثبت و منفی انجام می شود.
در این مقاله، ما یک سیستم عامل "ایده آل" خاص را در نظر خواهیم گرفت، زیرا تغییر به یک مدل خاص هیچ فایده ای ندارد. ایده آل به این معنی است که مقاومت ورودی به بی نهایت میل می کند (از این رو جریان ورودی به صفر میل خواهد کرد) و مقاومت خروجی، برعکس، به صفر میل خواهد کرد (به این معنی که بار نباید بر ولتاژ خروجی تأثیر بگذارد). همچنین، هر آپ امپ ایده آل باید سیگنال های هر فرکانسی را تقویت کند. خوب، و مهمتر از همه، سود بدون بازخورد نیز باید به سمت بی نهایت باشد.

برو سر اصل مطلب

تقویت کننده عملیاتی در مدارها اغلب با یک مثلث متساوی الاضلاع نشان داده می شود. در سمت چپ ورودی ها قرار دارند که با "-" و "+" مشخص شده اند، در سمت راست - خروجی. ولتاژ را می توان به هر یک از ورودی ها اعمال کرد که یکی از آنها قطبیت ولتاژ را تغییر می دهد (به همین دلیل به آن معکوس می گویند)، دیگری تغییر نمی کند (منطقی است که فرض کنیم به آن غیر معکوس می گویند). منبع تغذیه op-amp اغلب دوقطبی است. به طور معمول، ولتاژ تغذیه مثبت و منفی یک مقدار (اما علامت متفاوت!) دارند.
در ساده ترین حالت، می توانید منابع ولتاژ را مستقیماً به ورودی های op-amp متصل کنید. و سپس ولتاژ خروجی با فرمول محاسبه می شود:
، ولتاژ در ورودی غیر معکوس کجاست، ولتاژ ورودی معکوس، ولتاژ در خروجی و بهره بدون فیدبک است.
بیایید آپ امپ ایده آل را از دیدگاه پروتئوس بررسی کنیم.


پیشنهاد میکنم باهاش ​​بازی کنید ولتاژ 1 ولت به ورودی غیر معکوس اعمال شد. در 3 ولت معکوس. ما از سیستم عامل "ایده آل" استفاده می کنیم. بنابراین، دریافت می کنیم: اما در اینجا ما یک محدود کننده داریم، زیرا ما نمی توانیم سیگنال بالاتر از ولتاژ منبع تغذیه خود را تقویت کنیم. بنابراین، خروجی همچنان -15 ولت خواهد بود. نتیجه:


بیایید سود را تغییر دهیم (برای اینکه من را باور کنید). اجازه دهید پارامتر Voltage Gain برابر با دو شود. همین مشکل به وضوح حل شده است.

کاربرد واقعی op-amp در مثال تقویت کننده های معکوس و غیر معکوس

دو مورد از این قبیل وجود دارد عمدهقوانین:
من. خروجی op-amp تمایل دارد تا ولتاژ دیفرانسیل (تفاوت ولتاژ در ورودی معکوس و غیر معکوس) را برابر با صفر کند.
II. ورودی های op-amp جریانی نمی کشند.
قانون اول از طریق بازخورد اجرا می شود. آن ها ولتاژ از خروجی به ورودی به گونه ای منتقل می شود که اختلاف پتانسیل صفر شود.
اینها، به اصطلاح، "قانون مقدس" در مبحث OU هستند.
و اکنون، به طور خاص تر. تقویت کننده معکوس کنندهدقیقاً شبیه این است (به نحوه قرارگیری ورودی ها توجه کنید):


بر اساس اولین "کانون" نسبت را بدست می آوریم:
، و با کمی "تداعی" با فرمول، مقدار بهره op-amp معکوس را بدست می آوریم:

اسکرین شات بالا نیازی به نظر ندارد. فقط همه چیز را وصل کنید و بررسی کنید.

مرحله بعد - غیر معکوستقویت کننده
همه چیز در اینجا نیز ساده است. ولتاژ به طور مستقیم به ورودی غیر معکوس اعمال می شود. بازخورد به ورودی معکوس اعمال می شود. ولتاژ در ورودی معکوس خواهد بود:
، اما با اعمال قانون اول می توان استدلال کرد که

و دوباره، دانش "بزرگ" در زمینه ریاضیات عالی به ما اجازه می دهد تا به فرمول ادامه دهیم:
در اینجا یک اسکرین شات کامل است که در صورت تمایل می توانید آن را دوباره بررسی کنید:

در نهایت، من چند مدار جالب ارائه می کنم تا این تصور را نداشته باشید که آپ امپ ها فقط می توانند ولتاژ را تقویت کنند.

دنبال کننده ولتاژ (تقویت کننده بافر).اصل کار مانند تکرار کننده ترانزیستوری است. در مدارهای بار بالا استفاده می شود. همچنین با کمک آن می توانید مشکل تطبیق امپدانس را در صورت وجود تقسیم کننده های ولتاژ ناخواسته در مدار حل کنید. این طرح ساده تا نابغه است:

تقویت کننده جمعاگر بخواهید چندین سیگنال اضافه کنید (کم کنید) می توان از آن استفاده کرد. برای وضوح - یک نمودار (دوباره به محل ورودی ها توجه کنید):


همچنین به این نکته توجه کنید که R1 = R2 = R3 = R4 و R5 = R6. فرمول محاسبه در این مورد این خواهد بود: (آشنا، اینطور نیست؟)
بنابراین، می بینیم که مقادیر ولتاژی که به ورودی غیر معکوس اعمال می شود، یک علامت مثبت به دست می آورند. در معکوس - منهای.

نتیجه

مدارهای تقویت کننده عملیاتی بسیار متنوع هستند. در موارد پیچیده‌تر، می‌توانید مدارهای فیلتر فعال، ADCها و دستگاه‌های نمونه‌گیری ذخیره‌سازی، تقویت‌کننده‌های قدرت، مبدل‌های جریان به ولتاژ و بسیاری از مدارهای دیگر را پیدا کنید.

فهرست منابع

فهرست کوتاهی از منابعی که به شما کمک می کند تا به سرعت به سیستم عامل و به طور کلی الکترونیک عادت کنید:
ویکیپدیا
پی. هوروویتز، دبلیو هیل. "هنر مدار"
بیکر. "آنچه یک طراح دیجیتال باید در مورد الکترونیک آنالوگ بداند"
یادداشت های سخنرانی در مورد الکترونیک (ترجیحا خود شما)
UPD.:متشکرم بشقاب پرندهبرای دعوت

در دوره الکترونیک موضوعات مهم زیادی وجود دارد. امروز سعی خواهیم کرد به تقویت کننده های عملیاتی بپردازیم.
از نو شروع کن تقویت کننده عملیاتی چنین "چیزی" است که به شما امکان می دهد از هر طریق ممکن با سیگنال های آنالوگ کار کنید. ساده ترین و اساسی ترین آن ها تقویت، تضعیف، جمع، تفریق و بسیاری دیگر (مثلاً تمایز یا لگاریتم) هستند. اکثریت قریب به اتفاق عملیات روی تقویت کننده های عملیاتی (از این پس به عنوان آپ امپ نامیده می شود) با استفاده از بازخورد مثبت و منفی انجام می شود.
در این مقاله، ما یک سیستم عامل "ایده آل" خاص را در نظر خواهیم گرفت، زیرا تغییر به یک مدل خاص هیچ فایده ای ندارد. ایده آل به این معنی است که مقاومت ورودی به بی نهایت میل می کند (از این رو جریان ورودی به صفر میل خواهد کرد) و مقاومت خروجی، برعکس، به صفر میل خواهد کرد (به این معنی که بار نباید بر ولتاژ خروجی تأثیر بگذارد). همچنین، هر آپ امپ ایده آل باید سیگنال های هر فرکانسی را تقویت کند. خوب، و مهمتر از همه، سود بدون بازخورد نیز باید به سمت بی نهایت باشد.

برو سر اصل مطلب

تقویت کننده عملیاتی در مدارها اغلب با یک مثلث متساوی الاضلاع نشان داده می شود. در سمت چپ ورودی ها قرار دارند که با "-" و "+" مشخص شده اند، در سمت راست - خروجی. ولتاژ را می توان به هر یک از ورودی ها اعمال کرد که یکی از آنها قطبیت ولتاژ را تغییر می دهد (به همین دلیل به آن معکوس می گویند)، دیگری تغییر نمی کند (منطقی است که فرض کنیم به آن غیر معکوس می گویند). منبع تغذیه op-amp اغلب دوقطبی است. به طور معمول، ولتاژ تغذیه مثبت و منفی یک مقدار (اما علامت متفاوت!) دارند.
در ساده ترین حالت، می توانید منابع ولتاژ را مستقیماً به ورودی های op-amp متصل کنید. و سپس ولتاژ خروجی با فرمول محاسبه می شود:
، ولتاژ در ورودی غیر معکوس کجاست، ولتاژ ورودی معکوس، ولتاژ در خروجی و بهره بدون فیدبک است.
بیایید آپ امپ ایده آل را از دیدگاه پروتئوس بررسی کنیم.


پیشنهاد میکنم باهاش ​​بازی کنید ولتاژ 1 ولت به ورودی غیر معکوس اعمال شد. در 3 ولت معکوس. ما از سیستم عامل "ایده آل" استفاده می کنیم. بنابراین، دریافت می کنیم: اما در اینجا ما یک محدود کننده داریم، زیرا ما نمی توانیم سیگنال بالاتر از ولتاژ منبع تغذیه خود را تقویت کنیم. بنابراین، خروجی همچنان -15 ولت خواهد بود. نتیجه:

بیایید سود را تغییر دهیم (برای اینکه من را باور کنید). اجازه دهید پارامتر Voltage Gain برابر با دو شود. همین مشکل به وضوح حل شده است.

کاربرد واقعی op-amp در مثال تقویت کننده های معکوس و غیر معکوس

دو مورد از این قبیل وجود دارد عمدهقوانین:
من. خروجی op-amp تمایل دارد تا ولتاژ دیفرانسیل (تفاوت ولتاژ در ورودی معکوس و غیر معکوس) را برابر با صفر کند.
II. ورودی های op-amp جریانی نمی کشند.
قانون اول از طریق بازخورد اجرا می شود. آن ها ولتاژ از خروجی به ورودی به گونه ای منتقل می شود که اختلاف پتانسیل صفر شود.
اینها، به اصطلاح، "قانون مقدس" در مبحث OU هستند.
و اکنون، به طور خاص تر. تقویت کننده معکوس کنندهدقیقاً شبیه این است (به نحوه قرارگیری ورودی ها توجه کنید):


بر اساس اولین "کانون" نسبت را بدست می آوریم:
، و با کمی "تداعی" با فرمول، مقدار بهره op-amp معکوس را بدست می آوریم:

اسکرین شات بالا نیازی به نظر ندارد. فقط همه چیز را وصل کنید و بررسی کنید.

مرحله بعد - غیر معکوستقویت کننده
همه چیز در اینجا نیز ساده است. ولتاژ به طور مستقیم به ورودی غیر معکوس اعمال می شود. بازخورد به ورودی معکوس اعمال می شود. ولتاژ در ورودی معکوس خواهد بود:
، اما با اعمال قانون اول می توان استدلال کرد که

و دوباره، دانش "بزرگ" در زمینه ریاضیات عالی به ما اجازه می دهد تا به فرمول ادامه دهیم:
در اینجا یک اسکرین شات کامل است که در صورت تمایل می توانید آن را دوباره بررسی کنید:

در نهایت، من چند مدار جالب ارائه می کنم تا این تصور را نداشته باشید که آپ امپ ها فقط می توانند ولتاژ را تقویت کنند.

دنبال کننده ولتاژ (تقویت کننده بافر).اصل کار مانند تکرار کننده ترانزیستوری است. در مدارهای بار بالا استفاده می شود. همچنین با کمک آن می توانید مشکل تطبیق امپدانس را در صورت وجود تقسیم کننده های ولتاژ ناخواسته در مدار حل کنید. این طرح ساده تا نابغه است:

تقویت کننده جمعاگر بخواهید چندین سیگنال اضافه کنید (کم کنید) می توان از آن استفاده کرد. برای وضوح - یک نمودار (دوباره به محل ورودی ها توجه کنید):


همچنین به این نکته توجه کنید که R1 = R2 = R3 = R4 و R5 = R6. فرمول محاسبه در این مورد این خواهد بود: (آشنا، اینطور نیست؟)
بنابراین، می بینیم که مقادیر ولتاژی که به ورودی غیر معکوس اعمال می شود، یک علامت مثبت به دست می آورند. در معکوس - منهای.

نتیجه

مدارهای تقویت کننده عملیاتی بسیار متنوع هستند. در موارد پیچیده‌تر، می‌توانید مدارهای فیلتر فعال، ADCها و دستگاه‌های نمونه‌گیری ذخیره‌سازی، تقویت‌کننده‌های قدرت، مبدل‌های جریان به ولتاژ و بسیاری از مدارهای دیگر را پیدا کنید.

فهرست منابع

فهرست کوتاهی از منابعی که به شما کمک می کند تا به سرعت به سیستم عامل و به طور کلی الکترونیک عادت کنید:
ویکیپدیا
پی. هوروویتز، دبلیو هیل. "هنر مدار"
بیکر. "آنچه یک طراح دیجیتال باید در مورد الکترونیک آنالوگ بداند"
یادداشت های سخنرانی در مورد الکترونیک (ترجیحا خود شما)

برچسب ها: تقویت کننده های عملیاتی، تقویت کننده های عملیاتی، الکترونیک، برای مبتدیان

) ما با OP97 و AD620 کار خواهیم کرد. ابتدا AD620 را در نظر بگیرید. در دیتاشیت آن به صورت زیر نشان داده شده است:

شکل 2b

AD620 یک آپ امپ ابزاری است. کلمه instrumental از ویژگی های بهتر آن در مقایسه با آپ امپ معمولی صحبت می کند. سیگنال تقویت شده به ورودی های +IN و به ترتیب -IN تغذیه می شود. بهره این تقویت کننده با استفاده از یک مقاومت متصل به ورودی های Rg تنظیم می شود (به ترتیب دو عدد از آنها وجود دارد - شماره 1 و شماره 8). کدام مقاومت، کدام بهره مربوط به آن است - در دیتاشیت نگاه کنید. منبع تغذیه آپ امپ AD620 دوقطبی است. این بدان معنی است که دارای سرنخ های قدرت است که به آنها + Vs و -Vs گفته می شود. و حالا اگر مثلاً یک باتری 5 ولتی را به آنها وصل کنیم (در ضمن منهای باتری ها باید به -Vs و پلاس به ترتیب به +Vs) وصل شود و اختلاف پتانسیل را به ورودی های سیگنال اعمال کنیم. +IN و، به ترتیب -IN، که باید تقویت شوند، سپس سیگنال با K بار تقویت می شود (که در آن K بهره داده شده توسط Rg است - به بالا نگاه کنید) ما می توانیم از آن حذف کنیم. این دستگاهاتصال به پایه OUTPUT و نقطه مداری که در حال مونتاژ هستیم، با پتانسیل 2.5 ولت به طور نسبیباتری منهای نقطه ای با پتانسیل 2.5 ولت نسبت به منهای باتری، نقطه صفر نامیده می شود. این همان صفر نسبتی است که پتانسیل (سیگنال تقویت شده) در پایه OUTPUT تقویت کننده اندازه گیری می شود. این نقطه را می توان با استفاده از یک تقسیم کننده مقاومتی معمولی به شکل شکل 3b به دست آورد.

شکل 3b

بدین ترتیب، ساده ترین مداراتصال این آپ امپ به صورت زیر است:

بنابراین به علاوه باتری نسبت به نقطه صفردارای پتانسیل برابر با 2.5+ ولت و منهای باتری نسبت به نقطه صفر دارای پتانسیل 2.5- ولت است (شکل 3b را ببینید). یعنی پتانسیل نقطه صفر دقیقا وسط مثبت و منفی باتری است. از این رو نام این روشمنبع تغذیه - منبع تغذیه دوقطبی (از آنجایی که معلوم می شود منهای 2.5 ولت را به خروجی -Vs تقویت کننده نسبت به نقطه صفر اعمال کرده ایم و به + Vs به اضافه 2.5 ولت نسبت به نقطه صفر اعمال می کنیم).
همچنین لازم به ذکر است که پتانسیل های اعمال شده به ورودی های +IN و –IN تقویت کننده نسبت به صفر مدار باید دارای مقداری در محدوده پتانسیل های منبع تغذیه باشند. یعنی اگر به ترتیب 2.5 ولت و + 2.5 ولت را روی -Vs و +V اعمال کنیم، نمی توان -IN و +IN را مثلاً 230 ولت و 230.1 ولت داد. در این مثال، اختلاف پتانسیل 230.1–230=0.1V، اگرچه کوچک است، تقویت نخواهد شد. با توجه به دیتاشیت، باید محدوده قابل قبول پتانسیل در ورودی های آپ امپ مربوطه را دریابید. به عنوان مثال، برای AD620، مطابق با برگه اطلاعات، محدوده ولتاژ ورودی (محدوده ولتاژ ورودی)، هنگامی که برق به 2.5- ولت و 2.5 ولت به -Vs و +Vs اعمال می شود، ولتاژ نسبت به صفر در -IN یا +IN نباید بیشتر از Vs–1.2V = 2.5–1.2 = 1.3V و کمتر از –Vs+1.9V = –2.5+1.9 = –0.6V باشد. این بدان معنی است که اگر برای مثال، 0.2 ولت و 0.3 ولت به ترتیب به –IN و +IN اعمال شوند، اکنون تفاوت پتانسیل بین –IN و +IN به همان 0.1 ولت می‌تواند تقویت شود. در مدار الکتروکاردیوگراف (نگاه کنید به شکل 5)، برای اینکه پتانسیل‌های بدن انسان که به ورودی تقویت‌کننده وارد می‌شود در همان حدود پتانسیل منبع تغذیه باشد، نقطه صفر منبع تغذیه وصل می‌شود. با استفاده از الکترود به اصطلاح مرجع به پای راست بیمار (به چنین اتصالی "راننده پای راست" - راننده پای راست نیز گفته می شود). در نتیجه، پتانسیل های بدن انسان در نقطه صفر منبع تغذیه تقویت کننده نوسان می کند، به این معنی که آنها در محدوده Vs–1.2V، –Vs+1.9V قرار می گیرند.
موارد زیر نیز وجود دارد ویژگی مهم. ولتاژ خروجی تقویت کننده باید نسبت به OUTPUT و سیم خنثی مدار اندازه گیری شود، با این حال، در عمل، گاهی اوقات برخی از آپ امپ ها تغییر خود را به سیگنال خروجی با یک یا آن مقدار ثابت اضافه می کنند. بنابراین در این گونه آپ امپ ها برای حذف این مقدار ثابت و در نتیجه اندازه گیری های نسبت به سیم خنثی مدار، معمولاً یک خروجی REF (به اصطلاح ورودی مرجع) ارائه می شود. که لازم است پتانسیل صفر مدار را به آن اعمال کنیم. علاوه بر این، پتانسیل صفر باید از منبعی با حداقل امپدانس خروجی به خروجی REF عرضه شود، در غیر این صورت عرضه پتانسیل صفر به REF به اثر مطلوب نخواهد رسید. بنابراین، پتانسیل صفر معمولاً از طریق به اصطلاح op-amp فالوور به ورودی REF اعمال می شود، که همانطور که می دانید مقاومت خروجی نزدیک به صفر دارد، در حالی که ورودی، برعکس، به مقدار زیادی تمایل دارد. به ورودی یک تکرار کننده که بهره آن است برابر با یک، پتانسیل صفر اعمال می شود، پتانسیل صفر از خروجی تکرار کننده حذف می شود و به REF تغذیه می شود. آپ امپ متصل شده بر اساس مدار تکرار کننده به صورت زیر است:

شکل 5b

سپس مدار سوئیچینگ تقویت کننده با REF به شکل زیر خواهد بود:

شکل 6b

در مدار الکتروکاردیوگراف ما، تکرار کننده ای که ولتاژ مرجع را برای تقویت کننده های AD620 خروجی می دهد، بر اساس OP97 ساخته شده است (شکل 8 را ببینید) - در اینجا پتانسیل صفر به ورودی مثبت OP97 اعمال می شود و از خروجی OP97 پتانسیل صفر مرجع به خروجی های REF تقویت کننده های AD620 که مخصوص این کار طراحی شده اند، تغذیه می شود. OP97 نیز دوقطبی است.
علاوه بر آپ امپ با قدرت دوقطبی، به اصطلاح تک قطبی نیز وجود دارد، به عنوان مثال TLC272. برای چنین تقویت‌کننده‌هایی، ولتاژ خروجی نه نسبت به نقطه صفر، بلکه نسبت به منفی باتری اندازه‌گیری می‌شود، و بر این اساس، خروجی‌های برق رسانی به چنین تقویت‌کننده‌ای به عنوان GND (منهای باتری در اینجا) و VDD ( به علاوه اینجا).
خب، شاید همین باشد. این اطلاعات کافی است تا بفهمیم چه چیزی را باید در کجا و چه چیزی، کجا با تقویت کننده های مدار الکتروکاردیوگراف خود اندازه گیری کنیم.

همچنین می توانید اطلاعات بیشتری در مورد تقویت کننده های عملیاتی در اینجا مشاهده کنید:

p.s.برای کسانی که علاقه مند به توضیح مفاهیم ریاضی، فیزیک، فناوری هستند که به آن "روی انگشتان دست" می گویند، می توانند این کتاب و به ویژه فصل های آن را از بخش های "ریاضیات"، "فیزیک"، "تکنولوژی" راهنمایی کنند. خود کتاب یا بخش های جداگانه ای از آن را می توانید خریداری کنید).