کاربردهای آپ-امپ (Op-amp)

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

Op-amp symbol.svg

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

و

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

به روابط توجه کنید.

 V_{\text{out}} = \left\{\begin{matrix} V_{\text{S+}} && if && V_+ > V_- \\ V_{\text{S-}} && if && V_+ < V_- \end{matrix}\right.

 

تقویت کننده معکوس نکننده

<br />
V_{\text{out}}<br />
= V_{\text{in}} (1 + \frac{R_2}{R_1})<br />
.

تقویت کننده معکوس کننده

<br />
V_{\text{out}}<br />
\approx - V_{\text{in}} \frac{R_{\text{f}}}{R_{\text{in}}}<br />
.
ساخت بافر به کمک اپ 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 تقریبا ایده آل 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 اپ امپ [ویرایش]

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.

 V_{out} = - \left( {R_f \over R_1} V_1 + {R_f \over R_2} V_2 + ... + {R_f \over R_n} V_n \right)

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 ایده آل این مولفه در خروجی صفر است .

 V_{out} = V_2 \left({ \left(R_3 + R_1 \right) R_4 \over \left(R_4 + R_2 \right) R_1} \right) - V_1 \left({R_3 \over R_1} \right)

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.

 V_{out} = \int_0^t - {V_{in} \over RC} \, dt + V_{inicial}

مدار مشتق گیر

انتگرال گیر

 V_{out} = - R C \, {d V_{in} \over dt}

کاربردهای غیر خطی( لگاریتمی و آنتی لگاریتمی(نمایی)) [ویرایش]

تقویت کننده لگاریتمی [ویرایش]

لگاریتمی

v_{\text{out}} = -V_{\text{T}} \ln \left( \frac{v_{\text{in}}}{I_{\text{S}} \, R} \right)

Is جریان اشباع معکوس

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

تقویت کننده آنتی لگاریتمی(نمایی)

آنتی لگاریتمی(نمایی)

v_{\text{out}} = -R I_{\text{S}} e^{\frac{v_{\text{in}}}{V_{\text{T}}}}

Is جریان اشباع معکوس

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

کاربرد اپ امپ در طراحی فیلترهای اکتیو

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

فیلتر بالاگذر از نوع سالن کی

اپ 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 اپ امپ

از اپ امپ در ساخت اشمیت تریگر نیز استفاده می شود. به شکل‌های زیر دقت کنید.

اشمیت تریگر با اپ 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 می شوند و دارای تلفات نیز هستند. به همین دلیل استفاده از فیلترهای فعال که در آن از سلف استفاده نمی شود دارای مزیت می باشد. یکی نوع از فیلترهای فعال، فیلتری است که در آن از ژیراتور استفاده می شود.در این روش ابتدا فیلتر غیر فعال را سنتز کرده سپس به جای سلف از ژیراتور که از ترکیب مقاومت و خازن و تقویت کننده عملیاتی ساخته می‌شود، استفاده می کنیم.

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 می توان نشان داد که نسبت Vi به Ii یک عدد منفی است. به عبارت دیگر از سر ورودی مثبت، مدار دارای مقاوت منفی است.

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

V_{\text{opamp}} = V_s \left( 1 + \frac{R_2}{R_1} \right)\,

با نوشتن فرمول جریان، و جایگزینی رابطه اول داریم:

-I_s = \frac{ V_{\text{opamp}} - V_s }{ R_3 } = V_s \frac{ \frac{R_2}{R_1} }{ R_3 }.

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

R_{\text{in}} \triangleq \frac{V_s}{I_s} = -R_3 \frac{R_1}{R_2}.

بنابراین مقاومت ورودی یک مقاومت منفی است.

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

از مبدل مقاومت منفی می توان در طراحی منبع جریان ایده آل با تقویت کننده عملیاتی استفاده نمود.

یکسو ساز دقیق

یکسو کننده دقیق

با استفاده از تقویت کننده عملیاتی و دیود می توان یک، یکسو ساز تقریبا ایده آل ساخت.

توضیح : هنگامی که ولتاژ ورودی کوچک تر از صفر باشد دیود خاموش است و فیدبک منفی برقرار نمی شود 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 می شود.

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 نمی رود نرخ شیب (Slew Rate) خود را خیلی کم نشان می دهد و از مدار قبی کیفیت بهتری دارد.(اگر چه این مدار هم در فرکانس‌های بالا Slew Rate خوبی از خود نشان نمی دهد و 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 گرفته اند. یک کامپیوتر آنالوگ واقعی، علاوه بر تقویت کننده عملیاتی شامل مقاومت‌ها و خازن‌های دقیق، مولد شکل موج‌های مختلف برای تامین ورودی‌های گوناگون، وسایلی برای اعمال شرایط اولیه، پتانسیومتر دقیق برای وارد نمودن ثابت‌های قابل تغییر، کلید هایی برای کنترل عملیات، اسیلوسکوپ جهت نمایش خروجی و یک صفحه اتصالات، جهت به هم بستن قطعه‌های مختلف موجود در برنامه است. در مدارهای کامپیوتر آنالوگ معمولاً از مشتق گیر استفاده نمی شود، 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 می شود. بنا براین سعی می‌شود طراحی بر مبنای انتگرال گیر انجام شود. یک کاربر ماهر می تواند به کمک کامپیوتر آنالوگ یک سیستم فیزیکی را دقیقا شبیه سازی نماید.

5 Responses to “کاربردهای آپ-امپ (Op-amp)”


Leave a Reply