العناصر الأساسية - المكبر التشغيلي

يقال إن المكبر التشغيلي هو الهدف النهائي للدوائر الإلكترونية التناظرية. المكبر التشغيلي (Operational Amplifier) هو جهاز يمكنه تكبير إشارة كهربائية (الجهد / التيار / القدرة). بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدامه أيضًا كمحاقن، ومرشحات، ومختلف وظائف العمليات الحسابية (التكامل، التفاضل، الضرب، اللوغاريتم) وغيرها.

يحتوي المكبر التشغيلي على زوج من مداخل الفرق (مدخل الجهد المتوافق $u_+$ ومدخل الجهد المعاكس $u_-$) ، ومخرج واحد (مخرج الجهد الفردي $u_o$) ، وزوج من أطراف التغذية $V_+$ و $V_-$ (عادة لا يتم رسمهما). يتم إدخال الجهد من خلال مدخلي الجهد المتوافق والمعاكس ، ويتم إجراء عملية المقارنة الداخلية ، ويتم تكبير الإخراج من خلال مخرج الجهد $u_o$. مقاومة الإخراج $u_o$ هي صفر ، والتيار الصادر يتم توفيره من خلال طرف المصدر الموجب $V_+$ ، والتيار الوارد يتم توفيره من خلال طرف المصدر السالب $V_-$.

عندما يعمل المكبر التشغيلي في المنطقة الخطية ، يتم تلبية العلاقة:

\[ u_o=A_{uo}(u_+-u_-) \]

حيث يُطلق على $A_{uo}$ اسم معامل الفولتية في الدائرة المفتوحة للمكبر التشغيلي (حيث يُشير الحرف u إلى الجهد و o يشير إلى open) ، وعادة ما يكون لانهائي.

حالة عمل المكبر التشغيلي

تظهر خاصية نقل الجهد للمكبر التشغيلي المتكامل في الشكل التالي:

ينقسم الشكل إلى منطقة خطية ومنطقة غير خطية:

العمل في منطقة التكبير الخطي: الميل المائل للخط يمثل معامل الفولتية في الدائرة المفتوحة.
العمل في منطقة غير خطية: وهي الحالة المشبعة ، حيث يكون الجهد المخرج $-U_{om}$ (جهد طرف المصدر السالب $V_-$ السالب) أو $+U_{om}$ (مساوي لجهد طرف المصدر الموجب $V_+$).

تغذية المكبر التشغيلي

تنقسم طرق تغذية المكبر التشغيلي عمومًا إلى تغذية واحدة أو تغذية مزدوجة. في حالة التغذية الواحدة ، يتم توصيل $V_+$ بجهد موجب و $V_-$ بالأرض. تشير التغذية المزدوجة عادة إلى توصيل $V_+$ بجهد موجب و $V_-$ بجهد سالب. توفر طرق التغذية المختلفة أداء تردد مختلف ونطاقات إدخال وإخراج مختلفة.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للمكبر التشغيلي أن يعمل في حالة عدم توازن التغذية الكهربائية (على سبيل المثال ، $V_+$ هو 5 فولت و $V_-$ هو -3 فولت) ، ولا يحتاج إلى معرفة موقع الأرض ، ولكنه لا يزال يعمل بشكل طبيعي.

تعني القدرة على العمل على مدار السكك الحديدية للمكبر التشغيلي أن الجهد المخرج يمكن أن يصل إلى جهد التغذية. على سبيل المثال ، إذا كان المكبر التشغيلي غير متوافق مع السكك الحديدية ، في حالة التغذية من 0 إلى 5 فولت ، قد يكون الإخراج قادرًا فقط على الوصول إلى 0.7 إلى 4.3 فولت ، بينما يمكن للمكبر التشغيلي المتوافق مع السكك الحديدية أن يكون الإخراج من 0 إلى 5 فولت.

القصر الافتراضي والفتح الافتراضي للمكبر التشغيلي

القصر الافتراضي

يتم النظر إلى القصر الافتراضي من وجهة نظر الجهد ، في ظل ظروف الربط السلبي ، يتم الحفاظ على تقريبًا تساوي الجهد على المدخلين الموجب والسالب ، ويعتبر قريبًا من القصر (ولكنه ليس قصرًا حقيقيًا) ، ويُعرف بالقصر الافتراضي.

من خلال النظر إلى الدائرة المتصلة سلبيًا ، يمكن رؤية أنه إذا كان الجهد على المدخل الموجب أعلى قليلاً من الجهد على المدخل السالب ، فإن الدائرة السلبية سترفع الجهد على المدخل السالب حتى يكون متساويًا مع الجهد على المدخل الموجب في هذه اللحظة.

الفتح الافتراضي

يتم النظر إلى الفتح الافتراضي من وجهة نظر التيار ، حيث يكون مقاومة الدخول للمكبر التشغيلي عالية جدًا ، ويكون التيار الوارد في المدخلين في مستوى الميكرو أمبير ، ويعتبر قريبًا من عدم وجود تيار يدخل أيضًا ، ويُعرف بالفتح الافتراضي.

ملاحظة: يكون مقاومة الدخول للمكبر التشغيلي عالية جدًا بالنسبة للحالات العامة. ولكن هناك استثناءات ، مثل مكبر التشغيلي بتغذية التيار.

دوائر المكبر التشغيلي الشائعة

نظرًا لأن معامل الفولتية في الدائرة المفتوحة للمكبر التشغيلي هو لانهائي ، فإنه يتطلب هيكل دائرة خاص لتحقيق تأثير التكبير المناسب.

متابع الجهد

يستخدم متابع الجهد (المعروف أيضًا باسم المخزن المؤقت) لتوصيل مصدر إشارة ذو مقاومة عالية وحمل ذو مقاومة منخفضة.

المكبر التشغيلي المتوافق

يكون مخرج المكبر التشغيلي المتوافق في نفس الطور مع المدخل ، ويمكن تكبير الإشارة بنفس الطور.

التأثير: من خلال ضبط مقاومة $R_G$ و $R_F

بسبب القصر الافتراضي ، فإن $V_- = V_{IN}$
بسبب الانقطاع الافتراضي ، فإن تيار الإدخال على نهاية $V_-$ يمكن تجاهله ، لذا $I_{R_G}=I_{R_F}$ ، ووفقًا لقانون أوم ، $\frac{0–V_-}{R_G}=\frac{V_- - V_{OUT}}{R_F}$ ، وبالتالي يتم الحصول على $V_{OUT}=V_{IN}(\frac{R_F}{R_G}+1)$.

المكبر العكسي

يكون إخراج المكبر العكسي عكس إشارته الداخلية ، ويمكن تكبير الإشارة وإخراجها بشكل معكوس.

محدد الجهد / المكبر التفاضلي

يمكن لمحدد الجهد / المكبر التفاضلي تكبير فرق الجهد بين اثنين من الجهود وقمع الجهد المشترك.

محدد الجهد

يستخدم محدد الجهد لجمع عدة جهود.

مرشح تمرير منخفض / مكبر التكامل

يستخدم مرشح تمرير منخفض / مكبر التكامل لتنقية إشارة التمرير المنخفضة وتقييد عرض النطاق الترددي للإشارة.

مرشح تمرير عالي / مكبر التفاضل

يستخدم مرشح تمرير عالي / مكبر التفاضل لعزل إشارة التيار المستمر وتكبير إشارة التيار المتردد.

مكبر التفاضل

يستخدم مكبر التفاضل لتشغيل محول تناظري رقمي من مصدر إشارة تفاضلي أو أحادي.

مكبر القياس

يستخدم مكبر القياس لتكبير إشارة التيار المنخفضة وقمع الإشارة المشتركة. حيث يكون $V_{IN}$ هو فرق الجهد بين الطرفين الإدخاليين.

معلمات المكبر العملي

كسب الجهد المفتوح

كسب الجهد المفتوح $A_{uo}$ يعبر عن مضاعفة المكبر في منطقة التكبير الخطية ، ويتم تعبيره بوحدة dB.

جهد الانحراف / الانحراف

جهد الانحراف $V_{OS}$ (جهد الانحراف الداخلي) في بعض الأحيان يشار إليه بجهد الانحراف الداخلي. يشير إلى أنه عندما تكون نهاية الإدخال للمكبر عند 0 فولت ، يجب أن يكون إخراج المكبر المثالي صفرًا ، ولكن الإخراج الفعلي للمكبر غير صفر ، فإن الجهد الفعلي المنتج عندما يتم قسمه على الكسب يسمى جهد الانحراف. في الواقع ، يعكس جهد الانحراف التماثل الداخلي للمكبر.

عوامل تأثير جهد الانحراف هي درجة الحرارة (التغير في جهد الانحراف مع درجة الحرارة) وتذبذب الطاقة (نسبة تقليل الطاقة). جهد الانحراف هو انحراف تيار مستمر ، وسيتم تجميعه على الإخراج إذا كان الإخراج إشارة مترددة ، يجب فقط مراعاة ما إذا كان سيتجاوز الجهد المتاح لتشويش الإشارة.

نحن نعلم أن معادلة تكبير المكبر المتوازن هي $V_{OUT}=V_{IN}(\frac{R_F}{R_G}+1)$ ، إذا قمنا بمراعاة تأثير جهد الانحراف ، فإن الإخراج سيكون $V_{OUT}=(V_{IN}+V_{OS})(\frac{R_F}{R_G}+1)$.

تذبذب جهد الانحراف مع درجة الحرارة

تذبذب جهد الانحراف مع درجة الحرارة $T_C V_{OS}$ يعبر عن نسبة تغير جهد الانحراف مع تغير درجة الحرارة (في نطاق درجة حرارة الشريحة).

تذبذب جهد الانحراف مع درجة الحرارة يؤدي إلى تغير جهد الانحراف ويؤثر على إخراج المكبر.

تيار الانحراف الداخلي

تيار الانحراف $I_{OS}$ يشير إلى الفرق بين تيار التيار المستمر الذي يدخل / يخرج من نهايتي الإدخال عندما يكون إخراج المكبر صفرًا. تيار الانحراف يتأثر بعملية التصنيع.

\[ I_{OS}=I_{B+}+I_{B-} \]

تيار الانحراف الداخلي

تيار الانحراف $I_B$ يشير إلى المتوسط الحسابي لتيار التيار المستمر الذي يدخل / يخرج من نهايتي الإدخال عندما يكون إخراج المكبر صفرًا.

\[ I_B=\frac{I_{B+}+I_{B-}}{2} \]

تيار الانحراف يتأثر بعملية التصنيع ، وتتراوح تيارات الانحراف للتقنية ثنائية القطبة بين 10 نانو أمبير إلى 1 ميكرو أمبير ؛ تيارات الانحراف لتقنية المفاعل الحقلي عادة أقل من 1 نانو أمبير.

يمكن التخلص من الخطأ عن طريق إضافة مقاومة مطابقة على الطرف الموجب.

ضربة الكسب والتردد

تضاعف نطاق الكسب $GBW$ (Gain-Bandwidth Product، GBWP/GBW/GBP/GB) يشير إلى حاصل ضرب الكسب الجهد المفتوح وتردد القياس (النطاق الترددي) عند تردد معين (عادةً تكون انخفاض الكسب -3 ديسيبل للمكبر العملي).

\[ GBW=A_{uo}*BW \]

تتأثر ضاعف نطاق الكسب بخصائص استجابة التردد للسعة الداخلية للمكبر العملي. إذا تم اكتشاف قيود في حجم الكسب لإشارات عالية التردد في التصميم، فيجب استخدام مكبر عملي يتمتع بمعامل $GBP$ الأعلى.

نسبة القمع المشتركة

نسبة القمع المشتركة $CMRR$ (Common Mode Rejection Ratio، CMRR) هي نسبة نطاق الجهد المشترك ($CMVR$) إلى تغير الجهد الانحرافي للمدخل ($\Delta V_{O_{OS}}$) ضمن هذا النطاق، ويتم تعبير النتيجة بوحدة ديسيبل.

\[ CMRR=20log(\frac{CMVR}{V_{O_{OS}}}) \]

تتأثر نسبة القمع المشتركة بتناظر الدوائر (مثل التيارات الانحرافية ومعلمات أخرى) ونطاق العمل الخطي. يتم استخدام هذا المعامل لتقييم قدرة الدائرة على قمع إشارات الوضع المشترك وتكبير إشارات الوضع التفاضلي. كلما ارتفعت نسبة القمع المشتركة، زادت القدرة على قمع إشارات التداخل المشترك وتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء.

سرعة التحويل

سرعة التحويل $SR$ (Slew Rate، SR) تعرف أيضًا بمعدل التذبذب. يُظهر أقصى معدل تغير للجهد الناتج في ظروف إشارة كبيرة.

\[ SR=2 \pi f V_{pk} \]

حيث $f$ هو أقصى تردد (عادةً النطاق الترددي) و $V_{pk}$ هو أقصى قيمة ذروة لإشارة الإخراج المكبرة.

تُستخدم سرعة التحويل لتقييم قدرة المكبر العملي على التكيف مع سرعة تغير الإشارة، وهي معامل يقيس سرعة عمل المكبر العملي عند تأثير إشارة ذات مستوى كبير. يتغير الجهد الناتج بشكل خطي فقط عندما يكون معدل التغير المطلق للإشارة الداخلة أقل من قيمة سرعة التحويل.

معلمات أخرى

نطاق الجهد المشترك $CMVR$ (أو نطاق الجهد المدخل) هو النطاق الذي يمكن أن تتجاوزه جهدي المدخلين قبل حدوث تشويش أو ظواهر غير خطية كبيرة في الإخراج.
النطاق الترددي الكامل: يشير إلى أعلى تردد يمكن قياسه بوحدة كسب واحد، ويمكن الحصول في هذا التردد على جهد إخراج مقدر لإشارة جيبية، دون أن يتسبب معدل التذبذب في تشويه الإشارة.
نطاق جهد مصدر الطاقة العامل: النطاق الذي يمكن للمكبر العملي أن يعمل فيه بشكل طبيعي ويتحمله جهد مصدر الطاقة.
نسبة قمع الجهد المصدر $PSRR$ (Power Supply Rejection Ratio): نسبة تغير جهد مصدر الطاقة إلى تغير الجهد الانحرافي للمدخل، ويتم تعبير النتيجة بوحدة ديسيبل.
زمن الاستقرار: الوقت اللازم للمكبر العملي للوصول إلى مستوى دقة محدد مسبقًا أو نسبة مئوية للجهد الناتج بعد تطبيق إشارة تطويقية.
تيار المصدر: التيار الذي يجب توفيره من قبل جهد مصدر الطاقة عندما يكون المكبر العملي في حالة عدم التحميل.

اختيار المكبر العملي وفقًا للمعلمات

يمكن اتباع الخطوات التالية لاختيار المكبر العملي وفقًا للمعلمات:

تحديد نوع إشارة الإدخال: يجب مراعاة التيار الانحرافي والجهد الانحرافي للإشارة المستمرة؛ يجب اختيار مكبر عملي للإشارة التفاضلية إذا كانت الإشارة تفاضلية؛ يجب مراعاة ضاعف نطاق الكسب $GBW$ وسرعة التحويل $SR$ للإشارات الترددية العالية.
تحديد متطلبات الدقة: يجب مراعاة تأثير الجهد الانحرافي وتيار الانحراف ونسبة القمع المشتركة على الدقة، واختيار مكبر عملي عالي المقاومة أو مكبر عملي دقيق.
تحديد ظروف البيئة: يجب مراعاة نطاق درجة حرارة المكبر العملي وتأثير التذبذب الحراري وتأثير نسبة قمع الجهد المصدر $PSRR$.
تحديد المتطلبات الأخرى: عدد القنوات، إمداد الطاقة المفرد / المزدوج (التشويه الصغير لإشارة النطاق الكامل والقدرة على توفير قيمة كاملة)، القدرة (في حالة الجهد العالي / التيار العالي).

اختيار المكبر العملي وفقًا للاستخدام

وفقًا للاستخدام، يمكن تقسيم المكبرات العملية إلى الأنواع التالية:

المكبرات العملية العامة: للأجهزة التي لا تتطلب متطلبات عالية، وتركز على الاستخدام العام والتكلفة الفعالة.
المكبرات العملية الصوتية: ضوضاء منخفضة جدًا (عالية الدقة)، واستهلاك منخفض للطاقة (عمر بطارية طويل).
المكبرات العملية عالية السرعة ($GBW ≥ 50 ميجاهرتز$): استهلاك منخفض للطاقة، وضوضاء منخفضة (نسبة إشارة إلى ضوضاء عالية).
المكبرات العملية للطاقة: جهد عالي، وتيار عالي.
المكبرات العملية الدقيقة ($V_{os} < 1 ملليفولت$): جهد انحراف منخفض، أو تذبذب حراري منخفض، أو ضوضاء منخفضة، أو استهلاك منخفض للطاقة، أو نطاق ترددي واسع.

المراجع والشكر

عنوان النص: https://wiki-power.com/
يتم حماية هذا المقال بموجب اتفاقية CC BY-NC-SA 4.0، يُرجى ذكر المصدر عند إعادة النشر.

تمت ترجمة هذه المشاركة باستخدام ChatGPT، يرجى تزويدنا بتعليقاتكم إذا كانت هناك أي حذف أو إهمال.