تقویت کننده عملیاتی

تقویت کننده عملیاتی از عبارت ( amplifier Operational) گرفته شده است و اصطلاحاً به آن‌ها آپ امپ (op-amp) گفته می‌شود.

ایده به‌کارگیری تقویت کننده عملیاتی یا آپ آمپلی‌فایرها اولین بار در دهه ۱۹۴۰ میلادی جهت استفاده در مدار کامپیوترهای آنالوگ مطرح شد. در این کاربرد با قرار دادن عناصر مختلف بین سرهای ورودی و خروجی تقویت کننده عملیاتی مدارهای مختلف با کارایی‌های متفاوت طراحی می‌شد. با گسترش فن آوری و دامنه کاربرد الکترونیک، استفاده از تقویت کننده عملیاتی نیز توسعه فراوان یافت. در سال ۱۹۶۰ میلادی اولین بار تقویت کننده عملیاتی به صورت مدارات مجتمع طراحی و ساخته شد و با حجم، وزن و قیمتی به مراتب کمتر به بازار مصرف ارائه گردید. پیشرفت فناوری و مطرح شدن نیازهای متنوع‌تر و تخصصی‌تر، 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 دو سر 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 کننده است 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) برخوردار است. چون تقویت کننده عملیاتی یک قطعه فعال است برای تأمین انرژی مصرفی و بایاس ترانزیستورهای داخلی خود نیاز به تغذیه DC دارد.

در این آی سی دو قانون خیلی مهم وجود دارد که به قوانین طلایی در آپ امپ معروف هستند:

قوانین طلایی در تقویت کننده‌های عملیاتی (op-amp):

1- به علت بهره بسیار بالای آپ امپ ولتاژ پایه‌های مثبت و منفی در ورودی با هم برابرند و یا گوییم اختلاف پتانسیل بین پایه‌های ورودی‌ها صفر است.

2- به علت مقاومت بسیار بالای در ورودی آپ امپ ها ورودی‌های آپ امپ نه جریان می‌کشد و نه جریان می‌دهد.

مشخصه یک تقویت کننده عملیاتی ایده آل:

• بهره ولتاژ بی نهایت می‌باشد.
• مقاومت خروجی صفر می‌باشد.
• مقاومت ورودی بی نهایت می‌باشد.
• پهنای باند بی نهایت می‌باشد.
• ولتاژ انحراف از میزان ورودی صفر می‌باشد.
• بین پایه‌های ورودی و خروجی جریانی وجود ندارد و این تنها ولتاژ ورودی است که خروجی را کنترل می‌کند.

در حالی که هیچ یک از فرض‌های فوق با خواص تقویت کننده عملیاتی واقعی مطابقت کامل ندارد، اما نتایج بدست آمده از تجزیه و تحلیل مدارهای متفاوت با مدل ایده آل، 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 ایده آل آن باشد. چرا که تقویت کننده عملیاتی، خود از به هم پیوستن چند طبقه تقویت کننده ترانزیستوری به وجود آمده است و ناگزیر دارای محدودیت‌هایی در بهره ولتاژ، مقاومت ورودی، جریان خروجی و … است. گرچه این گونه محدودیت‌ها که در تقویت کننده عملیاتی معمولی وجود دارند اساس طراحی‌های انجام شده بر مبنای حالت ایده آل را بر هم نمی‌زنند و فقط نتایج را با تقریب رو به رو می‌سازند، ولی تقویت کننده عملیاتی خاص با کار آیی بالا نیز در بازار یافت می‌شوند که در بعضی خصوصیت‌ها به وضعیت ایده آل بسیار نزدیک بوده و می‌تواند در طرح‌های ویژه به کار گرفته شوند. مثلاً تقویت کننده‌های عملیاتی‌ای ساخته می‌شوند که دارای سرعت زیاد، جریان خروجی زیاد و مقاومت ورودی بزرگ هستند. شناخت محدودیت‌های تقویت کننده عملیاتی واقعی نه تنها در درک عمیق‌تر 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.

مقاومت‌های ورودی و خروجی یک تقویت کننده عملیاتی:

برخلاف تقویت کننده عملیاتی ایده آل که مقاومت خروجی آن را صفر در نظر گرفتیم، تقویت کننده عملیاتی واقعی دارای یک مقاومت خروجی در حدود 100 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.

معرفی بلوک‌های تشکیل دهنده یک تقویت کننده عملیاتی:

در واقع یک تقویت کننده عملیاتی خود از تعدادی طبقات متفاوت تشکیل شده است و هر طبقه مجموعه ای از مدارات را شامل می‌شود که مهم‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از.

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

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 مؤلفه ناخواسته در خروجی ظاهر می‌شود و در یک تقویت کننده تفاضلی ایده آل این مؤلفه در خروجی صفر است.