فناوری و الکترونیک

 

تقویت‌کننده‌های عملیاتی (Op-Amp): قلب مدارهای آنالوگ

مقدمه

تقویت‌کننده‌های عملیاتی یا Op-Amp (مخفف Operational Amplifier) از مهم‌ترین و پرکاربردترین اجزای مدارات آنالوگ هستند. این تقویت‌کننده‌ها که ابتدا برای انجام عملیات ریاضی در کامپیوترهای آنالوگ توسعه یافتند، اکنون در هزاران کاربرد مختلف از فیلترها گرفته تا تقویت‌کننده‌های صوتی، مدارهای مقایسه‌گر، و مبدل‌های آنالوگ-دیجیتال مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در این مقاله، به معرفی Op-Amp، ویژگی‌های آن، مدل ایده‌آل و واقعی، پیکربندی‌های رایج، کاربردها و نکات طراحی آن خواهیم پرداخت.

1. تعریف تقویت‌کننده عملیاتی (Op-Amp)

Op-Amp یک مدار مجتمع (IC) است که دارای دو ورودی و یک خروجی است:

• ورودی معکوس‌کننده (–)

• ورودی غیرمعکوس‌کننده (+)

• خروجی که معمولاً تقویت‌شده اختلاف بین دو ورودی است.

فرمول پایه عملکرد:

Vout=A(V+−V−)V_{out} = A(V_{+} - V_{-})

که در آن:

• VoutV_{out}: خروجی

• V+,V−V_{+}, V_{-}: ولتاژهای ورودی

• AA: بهره ولتاژ تقویت‌کننده (Gain)

در مدل ایده‌آل، بهره A بسیار بزرگ است (در حد بینهایت).

2. ویژگی‌های تقویت‌کننده عملیاتی ایده‌آل

• بهره ولتاژ بی‌نهایت

• مقاومت ورودی بی‌نهایت (هیچ جریانی از ورودی‌ها عبور نمی‌کند)

• مقاومت خروجی صفر (قابلیت تأمین جریان بالا برای بار)

• پهنای باند بی‌نهایت

• نرخ تغییر ولتاژ خروجی بی‌نهایت (Slew Rate)

• بدون نویز و آفست

در عمل، این ویژگی‌ها محدودتر هستند، اما برای تحلیل ساده‌تر، فرض ایده‌آل در بسیاری از محاسبات استفاده می‌شود.

3. پیکربندی‌های پایه Op-Amp

1. تقویت‌کننده معکوس‌کننده (Inverting Amplifier)

ورودی به پایانه منفی از طریق یک مقاومت داده می‌شود، پایانه مثبت زمین شده است.

Vout=−(RfRin)VinV_{out} = -\left(\frac{R_f}{R_{in}}\right) V_{in}

2. تقویت‌کننده غیرمعکوس‌کننده (Non-inverting Amplifier)

ورودی به پایانه مثبت متصل است. بهره:

Vout=(1+RfR1)VinV_{out} = \left(1 + \frac{R_f}{R_1} \right) V_{in}

3. جمع‌کننده (Summing Amplifier)

چند ورودی از طریق مقاومت‌های مختلف به پایانه منفی داده می‌شود.

Vout=−(RfR1V1+RfR2V2+… )V_{out} = - ( \frac{R_f}{R_1}V_1 + \frac{R_f}{R_2}V_2 + \dots )

4. انتگرال‌گیر (Integrator)

جای مقاومت فیدبک با خازن جایگزین می‌شود.

Vout(t)=−1RC∫Vin(t)dtV_{out}(t) = -\frac{1}{RC} \int V_{in}(t) dt

5. مشتق‌گیر (Differentiator)

خازن در ورودی و مقاومت در فیدبک استفاده می‌شود.

Vout(t)=−RCdVin(t)dtV_{out}(t) = -RC \frac{dV_{in}(t)}{dt}

4. مشخصه‌های کلیدی در Op-Amp واقعی

1. بهره ولتاژ (Open-loop gain):

در حالت واقعی بین 100,000 تا 1,000,000 (100 تا 120 dB)

2. پهنای باند (Bandwidth):

محدود به مقدار مشخص، معمولاً با رابطه "بهره × پهنای باند = ثابت" شناخته می‌شود.

3. Slew Rate:

حداکثر نرخ تغییر خروجی بر حسب ولت بر میکروثانیه (V/µs)

4. CMRR (نسبت حذف مد مشترک):

توانایی Op-Amp برای حذف سیگنال‌های مشابه در دو ورودی. مقدار بالاتر بهتر است.

5. منابع تغذیه

Op-Amp معمولاً با دو منبع تغذیه متقارن مانند ±15V\pm15V یا ±5V\pm5V کار می‌کند، اما در برخی موارد از تغذیه تک نیز پشتیبانی می‌کند.

6. کاربردهای رایج

• تقویت‌کننده صوتی

• مقایسه‌گر ولتاژ (Comparator)

• فیلترهای فعال (Low-pass, High-pass)

• مبدل جریان به ولتاژ (I-to-V Converter)

• کنترل‌کننده‌های PID در اتوماسیون صنعتی

• مدارهای اندازه‌گیری (سنسورها)

7. Op-Amp های معروف در صنعت

نام Op-Amp	ویژگی‌ها	کاربردها
741	کلاسیک، همه‌کاره	آموزش، طراحی پایه
LM358	دو کاناله، تغذیه تک	کاربردهای عمومی
TL081	نویز کم، بهره بالا	ابزار دقیق
OP07	آفست بسیار پایین	سیستم‌های اندازه‌گیری

8. نکات طراحی و عملی

• همیشه از مقاومت در مسیر فیدبک استفاده کنید.

• برای کاربردهای دقیق، از Op-Ampهای با نویز پایین و CMRR بالا استفاده کنید.

• خازن‌های بای‌پس را در نزدیک پایه‌های تغذیه نصب کنید تا نویز حذف شود.

• از آرایش مناسب برای جلوگیری از نوسان (Oscillation) استفاده شود.

نتیجه‌گیری

تقویت‌کننده‌های عملیاتی یا Op-Amp‌ها جزء حیاتی بسیاری از مدارهای الکترونیکی هستند. انعطاف‌پذیری بالا، طراحی آسان، و قیمت مناسب آن‌ها باعث شده در تمام زمینه‌های مهندسی برق و الکترونیک، از ابزارهای پزشکی گرفته تا تجهیزات صنعتی، حضور داشته باشند. یادگیری نحوه عملکرد، تحلیل و طراحی مدارهای مبتنی بر Op-Amp برای هر مهندس یا علاقه‌مند به الکترونیک ضروری است.