آپ امپ چیست و چه کاربردی دارد؟

شاید در بررسی مدارهای الکترونیکی، مثلثی با دو ورودی و یک خروجی توجه شما را جلب کرده باشد. این نماد، نماینده قطعه‌ای به نام تقویت کننده عملیاتی یا آپ امپ است. اما یک آپ امپ چیست و چرا اینقدر در طراحی‌های آنالوگ استفاده می‌شود؟ این قطعه در واقع یک تقویت‌کننده ولتاژ بسیار قوی است که می‌تواند سیگنال‌ها را مقایسه، تقویت، جمع یا حتی از آن‌ها مشتق و انتگرال بگیرد. در این مقاله به بررسی دقیق این قطعه، از تعریف تا کاربرد آپ امپ می‌پردازیم.

تقویت کننده عملیاتی یا آپ امپ چیست؟

تقویت کننده عملیاتی (Operational Amplifier) که به اختصار آپ امپ (Op-Amp) نامیده می‌شود، یک قطعه الکترونیکی فعال و یک مدار مجتمع (IC) است. وظیفه اصلی آن، تقویت کردن ولتاژ است. آپ امپ‌ها دارای دو پایه ورودی و یک پایه خروجی هستند. این دو ورودی، «ورودی معکوس کننده» (Inverting) نام دارد که با علامت منفی (-) نشان داده می‌شود و «ورودی غیر معکوس کننده» (Non-Inverting) که با علامت مثبت (+) مشخص می‌شود.

قلب عملکرد یک آپ امپ، تقویت‌کنندگی «تفاضلی» است. به این معنی که آپ امپ، اختلاف ولتاژ بین دو پایه ورودی را اندازه‌گیری کرده و آن را در یک عدد بسیار بزرگ به نام «بهره حلقه‌باز» ضرب می‌کند و در خروجی نمایش می‌دهد. این بهره در حالت ایده‌آل بی‌نهایت و در آپ امپ‌های واقعی بسیار بالا (اغلب صد هزار برابر یا بیشتر) است.

همچنین بخوانید: میکروپروسسور چیست؟

کاربردهای آپ امپ ها

شاید مهمترین بخش در مورد آپ امپ، همین بخش کاربردهای آپ امپ ها باشد. یک آپ امپ به تنهایی (در حالت حلقه‌باز) به دلیل بهره بسیار بالا، تقریبا بلااستفاده است و مانند یک مقایسه‌کننده عمل می‌کند. اما قدرت واقعی آپ امپ زمانی آشکار می‌شود که از «فیدبک» یا «بازخورد» استفاده کنیم. با اتصال خروجی به ورودی (معمولا ورودی منفی) از طریق قطعاتی مانند مقاومت و خازن، می‌توانیم رفتار آپ امپ را به طور کامل کنترل کنیم.

کاربرد آپ امپ در مدارهای الکترونیکی بسیار گسترده است. در زیر به چند مورد از آرایش‌های مداری رایج اشاره می‌کنیم:

• تقویت‌کننده معکوس کننده (Inverting Amplifier): در این آرایش، سیگنال ورودی به پایه منفی اعمال می‌شود و خروجی، معکوس (۱۸۰ درجه اختلاف فاز) و تقویت‌شده سیگنال ورودی است. میزان تقویت (بهره) به سادگی توسط نسبت دو مقاومت قابل تنظیم است.
• تقویت‌کننده غیر معکوس کننده (Non-Inverting Amplifier): سیگنال ورودی به پایه مثبت اعمال می‌شود. خروجی هم‌فاز با ورودی بوده و بهره آن همیشه بزرگتر یا مساوی یک است.
• دنبال‌کننده ولتاژ (Voltage Follower) یا بافر: این حالت خاصی از تقویت‌کننده غیر معکوس کننده با بهره دقیقا یک است. کاربرد آپ امپ در این حالت، تقویت ولتاژ نیست، بلکه تطبیق امپدانس است. این مدار سیگنال را از یک منبع با امپدانس بالا دریافت کرده و با امپدانس خروجی بسیار پایین تحویل می‌دهد.
• مدار جمع کننده (Summing Amplifier): می‌تواند چندین ولتاژ ورودی را با هم جمع کند (یا با اعمال وزن‌های مختلف، میانگین‌گیری کند).
• مدار تفریق کننده (Differential Amplifier): اختلاف بین دو سیگنال ورودی را تقویت می‌کند.
• انتگرال‌گیر و مشتق‌گیر: با استفاده از خازن در مسیر فیدبک یا ورودی، آپ امپ می‌تواند از سیگنال ورودی انتگرال یا مشتق بگیرد. مثلا، یک موج مربعی را به موج دندانه‌اره‌ای تبدیل می‌کند.
• مقایسه‌کننده (Comparator): در حالت بدون فیدبک، آپ امپ دو ولتاژ ورودی را مقایسه می‌کند و خروجی آن به یکی از دو حد ولتاژ تغذیه (اشباع مثبت یا منفی) می‌رود.

جهت اطلاع از قیمت و خرید آی سی در انواع مختلف، روی آن کلیک کنید.

انواع آپ امپ

آپ امپ‌ها بر اساس فناوری ساخت یا کاربرد خاصی که برای آن طراحی شده‌اند، به دسته‌های مختلفی تقسیم می‌شوند. درک انواع آپ امپ به طراح کمک می‌کند تا قطعه مناسبی را برای مدار خود انتخاب کند. نمی‌توان گفت یک آپ امپ برای همه کارها بهترین است؛ مثلا، آپ امپی که برای سیگنال‌های صوتی عالی است، ممکن است برای مدارهای اندازه‌گیری دقیق DC مناسب نباشد.

یکی از دسته‌بندی‌های اصلی انواع تقویت کننده عملیاتی بر اساس فناوری ترانزیستورهای استفاده شده در طبقه ورودی آن‌ها است. این موضوع مستقیما بر مقاومت ورودی و جریان بایاس آپ امپ اثر می‌گذارد.

• آپ امپ‌های BJT: ورودی این آپ امپ‌ها از ترانزیستورهای اتصال دوقطبی (BJT) ساخته شده است. اینها مدل‌های استاندارد و بسیار رایجی هستند (مانند LM741 یا LM324). قیمت مناسبی دارند اما در مقایسه با مدل‌های FET، جریان ورودی بیشتری می‌کشند.
• آپ امپ‌های JFET یا FET: در طبقه ورودی این قطعات از ترانزیستورهای اثر میدان (FET) استفاده شده است. مشخصه اصلی آن‌ها، مقاومت ورودی فوق‌العاده بالا (در حد ترااهم) و جریان بایاس ورودی بسیار ناچیز (در حد پیکوآمپر) است. این ویژگی آن‌ها را برای استفاده با سنسورهای حساس و منابع سیگنال با امپدانس بالا مناسب می‌سازد (مانند سری TL07x).
• آپ امپ‌های CMOS: با فناوری CMOS ساخته می‌شوند و مزایایی مانند مصرف توان بسیار کم و قابلیت کار با ولتاژهای تغذیه پایین را ارائه می‌دهند.

علاوه بر این، انواع آپ امپ را می‌توان بر اساس پارامترهای عملکردی نیز دسته‌بندی کرد:

• آپ امپ‌های دقیق (Precision): دارای ولتاژ آفست ورودی بسیار کم و پایداری دمایی بالا هستند.
• آپ امپ‌های کم‌مصرف (Low-Power): برای دستگاههای باتری خور و قابل حمل طراحی شده‌اند.
• آپ امپ‌های پرسرعت (High-Speed): دارای نرخ چرخش (Slew Rate) و پهنای باند بالایی هستند و برای سیگنال‌های ویدیویی یا فرکانس بالا استفاده می‌شوند.

جهت تهیه و خرید ترانزیستور BJT کلیک کنید.

مزایا استفاده از آپ امپ ها

استفاده از تقویت‌کننده‌های عملیاتی در طراحی مدارهای آنالوگ، مزایای زیادی را به همراه دارد که باعث محبوبیت فراوان آن‌ها شده است. اولین و شاید مهمترین مزیت، تطبیق امپدانس است. همانطور که اشاره شد، آپ امپ‌ها مقاومت ورودی بسیار بالایی دارند. این یعنی وقتی آن را به یک منبع سیگنال (مانند یک میکروفون یا سنسور) وصل می‌کنیم، جریان ناچیزی از منبع کشیده می‌شود و در نتیجه سیگنال اصلی دچار افت یا تغییر شکل نمی‌شود. از سوی دیگر، مقاومت خروجی پایین به آپ امپ اجازه می‌دهد تا به راحتی مراحل بعدی مدار یا بارهای مختلف را تغذیه (درایو) کند.

مزیت بزرگ دیگر، بهره قابل تنظیم و پایدار است. بهره حلقه‌باز یک آپ امپ بسیار بالا و تا حدی غیرقابل پیش‌بینی است. اما با استفاده از فیدبک منفی (اتصال خروجی به ورودی منفی از طریق مقاومت‌ها)، می‌توانیم بهره مدار (بهره حلقه‌بسته) را دقیقا به مقداری که نیاز داریم تنظیم کنیم.

تنوع در عملکرد، یکی دیگر از مزایای آپ امپ است. همانطور که در بخش کاربردهای آپ امپ ها دیدیم، یک قطعه واحد (مثلا آی‌سی LM358 که شامل دو آپ امپ است) می‌تواند با تغییر قطعات جانبی، به یک تقویت‌کننده، فیلتر، اسیلاتور، مقایسه‌کننده یا بافر تبدیل شود. این انعطاف، طراحی مدار را بسیار ساده‌تر و اقتصادی‌تر می‌کند.

همچنین برای خرید و اطلاع از قیمت آی سی کلیک کنید.

نکات مهم در انتخاب استفاده از آپ امپ ها

انتخاب یک آپ امپ مناسب برای یک کاربرد خاص، نیازمند بررسی دقیق پارامترهای آن در برگه اطلاعات (Datasheet) قطعه است. صرفا دانستن اینکه آپ امپ چیست کافی نیست و باید بدانیم کدام مشخصه برای کدام مدار اهمیت دارد. برای مثال، آپ امپی که برای تقویت سیگنال DC یک سنسور دما استفاده می‌شود، نیازمند مشخصات متفاوتی نسبت به آپ امپ مورد استفاده در یک فیلتر صوتی است.

یکی از اولین پارامترها، ولتاژ آفست ورودی است. در یک آپ امپ ایده‌آل، اگر دو ورودی به هم وصل شوند (اختلاف ولتاژ صفر)، خروجی باید صفر باشد. اما در عمل، به دلیل عدم تقارن در ساختار داخلی، یک ولتاژ خطای کوچک در ورودی وجود دارد که باعث ایجاد خروجی غیرصفر می‌شود. در مدارهای دقیق DC، این پارامتر باید تا حد امکان کوچک باشد.

پارامتر مهم دیگر، محصول بهره-پهنای باند (GBWP) است. بهره آپ امپ با افزایش فرکانس کاهش می‌یابد. GBWP مشخص می‌کند که آپ امپ تا چه فرکانسی می‌تواند بهره مناسبی ارائه دهد. برای مثال، یک آپ امپ با GBWP برابر ۱ مگاهرتز، اگر در بهره ۱۰۰ استفاده شود، تنها تا فرکانس ۱۰ کیلوهرتز کار می‌کند.

نرخ چرخش (Slew Rate) نیز بسیار مهم است، خصوصا برای سیگنال‌های فرکانس بالا یا با دامنه زیاد. این پارامتر نشان می‌دهد که خروجی آپ امپ با چه سرعتی می‌تواند تغییر کند. اگر سیگنال ورودی سریعتر از نرخ چرخش آپ امپ تغییر کند، سیگنال خروجی دچار اعوجاج شده و لبه‌های تیز آن از بین می‌رود. برای کاربردهای صوتی با کیفیت بالا یا سیگنال‌های ویدیویی، نرخ چرخش بالا الزامی است.

جمع‌ بندی

تقویت کننده عملیاتی یا آپ امپ، بدون شک یکی از پرمصرف‌ترین و اساسی‌ترین قطعات در مدارهای آنالوگ است. این قطعه به ظاهر ساده، به دلیل بهره بسیار بالا، امپدانس ورودی بالا و امپدانس خروجی پایین، به طراحان اجازه می‌دهد تا با استفاده از مدارهای فیدبک، طیف گسترده‌ای از عملیات‌ها را پیاده‌سازی کنند. از تقویت سیگنال‌های ضعیف سنسورها گرفته تا ساخت فیلترهای صوتی، مقایسه ولتاژها و تولید امواج، همگی با این بلوک ساختمانی امکان‌پذیر هستند. درک اینکه آپ امپ چیست و چگونه پارامترهای مختلف آن بر عملکرد مدار اثر می‌گذارند، اولین قدم برای طراحی مدارهای آنالوگ قابل اتکا است.

جم ترونیک، به عنوان یکی از بزرگترین ارائه‌دهندگان انواع ماژول‌ها، سنسورها و قطعات الکترونیک در ایران، مفتخر است که شما را در این مسیر همراهی کند. از اینکه تا پایان این مقاله با جم ترونیک همراه بودید، صمیمانه سپاسگزاریم. جهت تهیه و خرید آپ امپ به سایت جم ترونیک مراجعه کنید.

سوالات متداول

• منظور از بهره در آپ‌اَمپ چیست و چگونه محاسبه می‌شود؟

بهره (Gain) نسبت ولتاژ خروجی به ورودی است. در آپ امپ، «بهره حلقه‌باز» (بسیار بالا) و «بهره حلقه‌بسته» (کنترل‌شده با فیدبک) داریم. مثلا، در تقویت‌کننده معکوس کننده، بهره از تقسیم مقاومت فیدبک بر مقاومت ورودی  به دست می‌آید.

• تفاوت بین آپ‌اَمپ واقعی و ایده‌آل در چیست؟

آپ امپ ایده‌آل یک مدل تئوری با بهره و مقاومت ورودی بی‌نهایت و مقاومت خروجی صفر است. آپ امپ واقعی به این مشخصات نزدیک است اما دارای بهره و مقاومت ورودی بسیار بالا (نه بی‌نهایت) و مقاومت خروجی پایین (نه صفر) است و خطاهایی مانند ولتاژ آفست دارد.

• کاربردهای رایج آپ‌اَمپ در مدارهای آنالوگ کدام‌اند؟

از کاربردهای رایج می‌توان به ساخت انواع تقویت‌کننده‌های صوتی، فیلترهای فعال (بالاگذر و پایین‌گذر)، اسیلاتورها (تولید موج)، مدارهای بافر برای تطبیق امپدانس و مقایسه‌کننده‌های ولتاژ اشاره کرد.