تقویت كننده های عملیاتی
یك تقویت كننده عملیاتی ایده آل بایستی شرایط زیر را دارا باشد.
1) مقاومت ورودی آن بی نهایت باشد (Zi=Ri= ∞).
2) مقاومت خروجی آن صفر باشد (Zo=Ro= 0).
3) گین ولتاژ حلقه باز آن بی نهایت باشد (Av= -∞).
4) عرض باند آن بی نهایت باشد (BW= ∞).
5) هنگامی كه اختلاف ولتاژ در ورودی صفر است، ولتاژ خروجی نیز صفر باشد.
6) منحنی مشخصه آن با درجه حرارت تغییر نكند.
در شكل زیر نحوه قرار گیری بعضی از پارامترهای فوق در مدار معادل یك تقویت كننده عملیاتی را می بینید.
اما تحت تاثیر عوامل محیطی و طراحی و قطعات هیچ یك از پارامترهای فوق به شكل كامل قابل دسترسی نیست. و این تفاوت بین تقویت كننده های عملیاتی را باعث می شود.
تقویت كننده های عملیاتی اكثراً بصورت مدار مجتمع ساخته می شوند.
اتصالات تغذیه تقویت كننده های عملیاتی
براي استفاده از رنج كامل تقويت كننده هاي عملياتي، بايستي اين تقويت كننده ها با دو منبع تغذيه باياس شوند، كه اين عمل معمولاً با استفاده از دو منبع تغذيه مجزا صورت مي گيرد. ولتاژ منبع اول نسبت به زمين (GND) برابر +VBB بوده در حاليكه ولتاژ منبع دوم نسبت به زمين برابر –VBB مي باشد كه غالباً مقدار اين ولتاژها +15 ولت و -15 ولت انتخاب مي شود.
اين عمل براي ايجاد باياس كامل و بودن نقص مي باشد. چرا كه مدارات داخلي آي سي به گونه اي طراحي شده اند كه جهت بدست آوردن بهترين دقت و ايجاد تقارن بين تقويت كنندگي مثبت و منفي نياز به هر دو سطح منفي و مثبت ولتاژ مي باشند.
معمولاً تقويت كننده هاي عملياتي جهت تغذيه دو پايه دارند، چون زمين به تقويت كننده عملياتي وصل نمي شود و فقط ولتاژهاي +VBB و –VBB به تقويت كننده عملياتي متصل مي شود. ولي با وجود اين تمام اتصالاتي كه بايستي زمين (GND) شوند، به نقطه بين دو منبع تغذيه زمين وصل مي گردند.
البته در تمامي مداراتي كه طراحي مي شوند امكان دريافت 2 سطح ولتاژ از منبع تغذيه امكان پذير نيست. به همين دليل طراحي گونه اي از اي سي ها به نحوي است كه امكان پاسخ گويي با يك سطح ولتاژي را دارند. كه در اين وضعيت تنها يك سطح از ولتاژ ورودي (تنها مثبت و يا منفي) مورد پردازش قرار مي گيرد.
البته باز هم با بكارگيري شيوه هايي ولتاژ 0 مجازي ايجاد مي كنند. به اين ترتيب كه ولتاژ مثبت و منفي تغذيه را به پايه هاي تغذيه آي سي متصل مي كنند و توسط يك مدار جانبي و لتاژي برابر نصف ولتاژ تغذيه با امپدانس خروجي پايين ايجاد كرده و به عنوان ولتاژ مجازي صفر ولت بكار مي برند.
همچنين هر تقويت كننده عملياتي دو ورودي دارد؛ يكي ورودي مثبت كه با V+ و ديگري ورودي منفي كه با V- نشان داده مي شود.
يك تقويت كننده از قطعات ساده مقاومت خازن ديود ترانزيستور يا FET ها ساخته مي شود. تقريبا در بين انواع مختلف opamp ها اصولي در طراحي رعايت شده و پيكربندي نزديكي دارند.
هر بخش از opamp را مي توان به شكل بلوكهاي به هم متصل نشان داد. در شكل زير مدار داخلي يك نمونه بسيار ساده كه در ان تمامي اين بخشها قابل روئيت است ، نشان داه شده است.
اين مدار از 2 ترانزيستور ورودي با اتصال تفاضلي تشكيل مي شود كه جريان تغذيه آن توسط شبكه ترانزيستور و ديود زنر و مقاومت در پايين شبكه تفاضلي ، بدست مي آيد. يك تقويت كننده اميتر مشترك نقش شبكه تقويت كنندگي و افزايش سطح ولتاژ را بازي مي كند. توسط ترانزيستور PNP اين سيگنال ضمن تطبيق امپدانس و بافر كردن وارد ترانزيستور باياس شبكه پوش پول طبق آخر ، جهت رسيدن به قدرت مناسب و كاهش امپدانس خروجي مي شود.
شكل تقويت كننده هاي عملياتي و قراردادها
تقويت كننده هاي عملياتي به دو صورت يكي با ولتاژ تغذيه و ديگري بدون ولتاژ تغذيه نشان داده مي شوند. در شكل (ب) اتصالات منابع تغذيه كه بالايي ولتاژ تغذيه مثبت (+VBB) و پاييني ولتاژ تغذيه منفي(-VBB) است نشان داده شده و در شكل (الف) اتصالات منابع تغذيه حذف شده است. كه هر دو سمبل، نشان دهنده شكل تقويت كننده عملياتي مي باشد. در اين سمبل ها يكي از وروديها با علامت (+) و ديگري با علامت (-) مشخص شده است، كه ورودي با علامت (+) را ورودي مثبت و ورودي با علامت (-) را ورودي منفي تقويت كننده عملياتي گويند.
ولتاژ تفاضلي تقويت كننده هاي عملياتي
ولتاژ تفاضلي تقويت كننده هاي عملياتي بصورت زير تعريف مي شود.
Vd= V+ - V-
اختلاف ولتاژ بين ورودي مثبت و ورودي منفي تقويت كننده عملياتي را ولتاژ تفاضلي گويند. تقويت كننده هاي عملياتي اكثراً با گين تفاضلي (حلقه باز) مشخص مي شوند، كه معمولاً گين اين تقويت كننده ها با وروديهاي DC و در فركانس هاي خيلي كم، بيش از 100000 مي باشد و مقدار اين گين را با Ad نشان مي دهند.
ولتاژ خروجي تقويت كننده هاي عملياتي در حالت ايده آل بصورت زير مي باشد.
Vo= Ad (V+ - V-) = Ad . Vd
بنابراين پاسخ خروجي تقويت كننده عملياتي به اختلاف ولتاژ بين وروديها بستگي دارد چرا كه اساس تقويت كننده هاي عملياتي، تقويت كننده هاي تفاضلي مي باشند. در هنگام استفاده از تقويت كننده هاي عملياتي، بايستي به پايه هاي ورودي مثبت و منفي آن دقت كافي داشت تا اشتباه وصل نشوند. ولتاژ اعمالي به پايه هاي ورودي مثبت و منفي تقويت كننده عملياتي مي تواند ولتاژي با دامنه مثبت يا منفي باشد. اگر ولتاژ به ورودي مثبت اعمال شود تقويت كننده عملياتي در حالت ورودي مستقيم بوده و اگر ولتاژ به ورودي منفي اعمال شود، تقويت كننده عملياتي در حالت ورودي معكوس خواهد بود.
اشباع
اگر ولتاژ خروجي تقويت كننده تحت تاثير وروديها در مقدار حداكثر و يا حداقل ولتاژ تغذيه آن برسد اشباع گويند.
ولتاژ اشباع مثبت: ماكزيمم ولتاژ مثبتي كه خروجي تقويت كننده عملياتي مي تواند داشته باشد، كه در حالت ايده آل برابر ولتاژ تغذيه مثبت (+VBB) است، به ولتاژ اشباع مثبت تقويت كننده عملياتي معروف است، كه با +Vsat نشان مي دهيم. در عمل جهت احتياط ولتاژي حدود يك تا دو ولت كمتر از مقدار تغذيه را در نظر مي گيرند.
ولتاژ اشباع منفي: ماكزيمم ولتاژ منفي از نظر قدر مطلق كه خروجي تقويت كننده عملياتي مي تواند داشته باشد، كه در حالت ايده آل برابر ولتاژ تغذيه منفي(-VBB) است به ولتاژ اشباع منفي تقويت كننده عملياتي معروف است كه با –Vast نشان مي دهيم. . در عمل جهت احتياط ولتاژي حدود يك تا دو ولت بيشتر از مقدار تغذيه را در نظر مي گيرند.
چون در عمل تقويت كننده هاي عملياتي ايده آل نيستند لذا ولتاژ اشباع مثبت هميشه كمتر از ولتاژ تغذيه مثبت بوده و ولتاژ اشباع منفي از نظر قدر مطلق كمتر از ولتاژ تغذيه منفي مي باشد.
كه بطور نمونه مقادير ولتاژهاي اشباع مثبت و منفي با ولتاژ تغذيه ±15 ولت، برابر ±13 ولت مي باشد. كه اين مقدار در تقويت كننده هاي عملياتي متفاوت مي باشد.
بنابراين در عمل بعلت كمتر بودن ولتاژ اشباع از ولتاژ تغذيه، ناحيه عملكرد فعال تقويت كننده هاي عملياتي بين ولتاژهاي –Vsat و+Vsat محدود مي شود.