آی سی تقویت کننده عملیاتی (OP-AMP)

آی سی های تقویت کننده عملیاتی (Op-Amp ICs) مسئولیت تقویت ولتاژ و جریان های ضعیف تر را بطور کلی دارند. بطور مثال خروجی یک سیگنال ساز با جریان 10 میکرو آمپر 3 ولت است، اما مدار ما به سیگنال 3 ولتی با 3 میلی آمپر جریان نیاز دارد، بنابراین با استفاده از تقویت کننده عملیاتی، ضمن حفظ ولتاژ خروجی، جریان مورد نیاز را فراهم می کنیم.

ساختار آی سی تقویت کننده عملیاتی

پیشتر توضیحاتی در مورد آی سی ها یا مدارات مجتمع داده شد و در اینجا به نوعی آی سی می­ پردازیم که در آن یک مدار کامل نهفته است. آی سی LM741 به دلیل سادگی مدار داخل آن برای آموزش انتخاب شده است.

عملکرد آی سی های تقویت کننده عملیاتی دیگر نیز به طور کلی به همین گونه است.

با ترتیب پین های این آی سی آغاز می­ کنیم:

در نقشه شماتیک، تقویت کننده عملیاتی را به صورت زیر نشان می­ دهند:

(در نقشه های صرفا شماتیکی، پایه های ۴ و ۷ را می توانید رسم نکنید.)

وظیفه اصلی این آی سی انجام اعمال ریاضی بر روی جریان ها است ولی به دلیل خاصیت جالبی که این آی سی دارد، به عنوان نوسان ساز (ویبراتور) و تقویت کننده جریان برای فیلتر نیز می ­توان استفاده کرد.

وظایف پایه های آی سی:

۷ (+Vcc) و ۴ (-Vcc): این دوپایه مربوط به تغذیه آی سی است و در مورد آی سی LM741 بهترین مقدار برای تغذیه ۹ تا ۲۰ ولت می­باشد.

۳ (+IN): ولتاژ این پایه با همان فاز وردی خارج می­ شود. به این پایه ورودی هم فاز نیز گفته می ­شود.

۲ (-IN): ولتاژ این پایه با تغییر فاز خارج می­ شود. به این پایه ورودی تغییر دهنده فاز نیز گفته می­ شود.

۶ (Output): نتایج اعمال دیگر پایه ها در اینجا ظاهر می­ شود.

اکنون به بررسی نقشه شماتیک مدار داخل این آیسی می­ پردازیم:

پس از تحلیل مدار بالا (حتماً این کار را انجام دهید)، متوجه می ­شوید که اگر پایه ۲ قطع باشد، پایه ۳ نقشی در خروجی ندارد، یعنی اگر آی سی تغذیه شود، پایه ۲ با کم کردن خروجی از پیش تعیین شده آی سی، نقش خود را ایفا می­ کند و وظیفه پایه ۳ تنها این است که ولتاژ ورودی از پایه ۲ را به خروجی بفرستد، که این کار موجب می­ شود تا خروجی که کاهش یافته بود، افزایش یابد.

در صورتی که آی سی کاملاً بالانس باشد، اگر ولتاژ های ورودی با هم برابر باشند، خروجی به اندازه ولتاژ زمانی است که هیچ پایه ای وصل نشده باشد.

برای درک بهتر این موضوع، یک آی سی LM741CN تهیه کنید و آزمایشات مربوط به ورودی و خروجی ها را انجام دهید.

سیگنال و تقویت کننده عملیاتی

از بررسی لحظه ای جریان مستقیم، بررسی جریان متناوب را نیز می­ توانیم به آسانی فراگیریم.

فرض کنید ۲ ولت در حال گذر است و ما با این آی سی نصف آن را کم می­ کنیم، حالا ۱ ولت خروجی داریم. اگر ورودی ۳ ولت شود، با این آی سی به اندازه نصف آن کم کنیم، خروجی ۱/۵ ولت است.

در حالت متناوب نیز، با توجه به حالتی که آی سی بسته شده است همین گونه افت ولتاژ داریم.

اگر هدف ما این باشد که یک سیگنال تقویت شود، همه نقاط آن در ضریب تقویت ضرب می­ شود و در خروجی آشکار می­ گردد.

اعمال ریاضی روی ولتاژ ها توسط آی سی تقویت کننده عملیاتی صورت می­ گیرد.

برای درک مفهوم دیجیتال، نیاز به اطلاعات در مورد آنالوگ داریم تا بتوانیم این دو را با هم ترکیب کنیم.

فید بک

فید بک حالتی است که یکی از پایه های ورودی قطعه از خروجی آن تغذیه کند، مثلا در یک تقویت کننده عملیاتی پایه خروجی را به ورودی تغییر فاز دهنده (چه مستقیم و چه با یک مقاومت) متصل کنیم.

با استفاده از فید بک به یک منطق در مورد ولتاژ بین پایه ها می­توان رسید که در مدار زیر یکی از آرایش های فید بک را نشان می­دهد.

Gain = 1 + R1/R2

بدیهی است که اگر ولتاژ پایه تغییر فاز دهنده کم شود، اثر تقویت ولتاژ نیز کم می­شود و اگر جریان آن کم شود، تقویت ولتاژ به دلیل مقاومت بالای ورودی پایه، بسیار زیاد می­ شود.

با استفاده از این خاصیت مداراتی همچون جمع کننده، ضرب کننده، تفریق کننده،انتگرال گیر،مشتق گیر و بسیاری مدار دیگر ساخته شده است.

حالت ولتاژ فالوور

اگر R1 برابر با 0 اهم باشد (اتصال کوتاه) و R2 نیز حذف گردد، حالت ولتاژ فالوور نام دارد. در این حالت ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ ورودی خواهد بود، اما جریان تقویت خواهد شد.

حالت بافر

فید بک را در حالتی در نظر بگیرید که مقاومت ولتاژ ۰ و مقاومت جریان بی­نهایت (قطع) است. در این حالت تقویت ولتاژ ۱ برابر است و تنها جریان تقویت می­ شود. این حالت (تقویت جریان) را بافر می ­نامند.

مهم ترین ویژگی خروجی آی سی تقویت کننده عملیاتی در این حالت، ثبات جریان آن است، یعنی اگر ورودی ضعیف شود، خروجی تقریباً ثابت می­ماند.

حالت فیلتر

یکی از کار های مشکل برای فیلتر، محاسبه مقاومت ها است.

تقویت کننده عملیاتی با استفاده از قدرت تقویتی که دارد، این مشکل را حل کرده است. اگر بعد از LM741CN یک مقاومت ۳۳۰ اهمی قرار دهید، می­توانید مقاومت خروجی را ۱۰۰۰ اهم در نظر بگیرید و اگر مقاومت بعد از آی سی از ۳۳۰۰ اهم بیشتر باشد، مقاومت خروجی آی سی برابر با همان میزان مقاومت های بعد از آی سی است.

از یک پله تقویت کننده ترانزیستوری نیز می­ توانید برای محاسبه آسان تر استفاده کنید.

مدار بالا، مدار فیلتری است که روی فرکانس ۱۰۰۰ هرتز تنظیم شده است و با خاصیت تقویت جریان این آی سی ساخته شده است.

بهتر است که از یک مقاومت برای ورودی تغذیه مثبت آی سی استفاده کنید.

مدار تقویت کننده سیگنال

در این مدار، جریان سیگنال تولیدی در VG1 تقویت بسیار بالایی می­ یابد که مصرف کننده در صورتی که دارای مقاومت متغییر هم باشد، در تقویت اختلال ایجاد نمی­ کند.