ضخانه عملیاتی یا پرقدرت عملیاتی

یک آپارات عملیاتی یا آپ آمپ یک تقویت کننده ولتاژ با کوپلینگ DC و بازده ولتاژ بسیار بالا است.

آپ آمپ به طور اساسی یک تقویت کننده چند مرحله‌ای است که تعدادی مرحله تقویت کننده به شکل بسیار پیچیده به هم متصل شده‌اند. مدار داخلی آن شامل ترانزیستورهای زیاد، FETها و مقاومت‌ها است. تمام این موارد فضا بسیار کمی را اشغال می‌کنند.
بنابراین، در یک بسته کوچک قرار داده شده و در قالب مدار مجتمع (IC) موجود است. اصطلاح آپ آمپ برای نشان دادن یک تقویت کننده که می‌تواند برای انجام عملیات مختلفی مانند تقویت، تفریق، مشتق‌گیری، جمع، انتگرال‌گیری و غیره تنظیم شود، استفاده می‌شود. یک مثال از آن مدار مجتمع بسیار معروف IC 741 است.

نماد و ظاهر واقعی آن در قالب مدار مجتمع در زیر نشان داده شده است. نماد به صورت سر پیکانی ظاهر می‌شود که نشان می‌دهد سیگنال از خروجی به ورودی جریان دارد.

ترمینال‌های ورودی و خروجی یک آپارات عملیاتی

یک آپ آمپ دو ترمینال ورودی و یک ترمینال خروجی دارد. آپ آمپ همچنین دو ترمینال تأمین ولتاژ دارد. دو ترمینال ورودی تشکیل دهنده ورودی دیفرانسیل می‌شوند. ما ترمینالی که با علامت منفی (-) مشخص شده را ترمینال معکوس و ترمینالی که با علامت مثبت (+) مشخص شده را ترمینال غیرمعکوس آپارات عملیاتی می‌نامیم. اگر سیگنال ورودی را در ترمینال معکوس (-) اعمال کنیم، سیگنال خروجی تقویت شده ۱۸۰ درجه از فاز سیگنال ورودی تفاوت خواهد داشت. اگر سیگنال ورودی را به ترمینال غیرمعکوس (+) اعمال کنیم، سیگنال خروجی به دست آمده در فاز خواهد بود، یعنی هیچ اختلاف فازی نسبت به سیگنال ورودی نخواهد داشت.

تغذیه الکتریکی برای یک آپارات عملیاتی

همانطور که از نماد مداری بالا مشاهده می‌شود، دو ترمینال تغذیه ولتاژ +VCC و –VCC دارد. برای عملکرد یک آپ آمپ، یک تغذیه DC دو قطبی ضروری است. در تغذیه دو قطبی، ما +VCC را به تغذیه DC مثبت و –VCC را به تغذیه DC منفی متصل می‌کنیم. با این حال، برخی آپ آمپ‌ها می‌توانند با یک تغذیه یک قطبی نیز کار کنند. توجه داشته باشید که در آپ آمپ‌ها هیچ ترمینال مشترک زمینی وجود ندارد، بنابراین زمین باید خارجی تعریف شود.

اصل کار آپ آمپ

عملکرد حلقه باز یک آپارات عملیاتی

همانطور که گفته شد، یک آپ آمپ یک ورودی دیفرانسیل و یک خروجی تک‌طرفه دارد. بنابراین، اگر دو سیگنال را یکی در ترمینال معکوس و دیگری در ترمینال غیرمعکوس اعمال کنیم، یک آپ آمپ ایده‌آل تفاوت بین دو سیگنال ورودی اعمال شده را تقویت می‌کند. ما این تفاوت بین دو سیگنال ورودی را ولتاژ ورودی دیفرانسیل می‌نامیم. معادله زیر خروجی یک آپارات عملیاتی را نشان می‌دهد.که در آن، VOUT ولتاژ در ترمینال خروجی آپ آمپ است. AOL گین حلقه باز برای آپ آمپ مورد نظر است و ثابت (به طور ایده‌آل) است. برای IC 741 AOL برابر ۲ × ۱۰۵ است.
V1 ولتاژ در ترمینال غیرمعکوس است.
V2 ولتاژ در ترمینال معکوس است.
(V1 – V2) ولتاژ ورودی دیفرانسیل است.
از معادله بالا مشخص است که خروجی فقط وقتی غیرصفر خواهد بود که ولتاژ ورودی دیفرانسیل غیرصفر باشد (V1 و V2 مساوی نباشند)، و وقتی V1 و V2 مساوی هستند، خروجی صفر خواهد بود. توجه داشته باشید که این یک شرایط ایده‌آل است، در عمل، ناهماهنگی‌های کوچکی در آپ آمپ وجود دارد. گین حلقه باز یک آپ آمپ بسیار بالاست. بنابراین، یک آپ آمپ حلقه باز یک ولتاژ ورودی دیفرانسیل کوچک را به مقدار بزرگی تقویت می‌کند.
همچنین، اگر ولتاژ ورودی دیفرانسیل کوچکی اعمال کنیم، آپ آمپ عملیاتی آن را به مقدار قابل توجهی تقویت می‌کند، اما این مقدار قابل توجه در خروجی نمی‌تواند فراتر از ولتاژ تغذیه آپ آمپ باشد. بنابراین، قانون حفظ انرژی نقض نمی‌شود.

عملکرد حلقه بسته

عملکرد آپ آمپ که در بالا توضیح داده شد برای حالت حلقه باز یعنی بدون بازخورد بود. ما بازخورد را در کنفیگوراسیون حلقه بسته معرفی می‌کنیم. این مسیر بازخورد سیگنال خروجی را به ورودی می‌رساند. بنابراین، در ورودی‌ها دو سیگنال به طور همزمان موجود هستند. یکی از آنها سیگنال اعمال شده اصلی و دیگری سیگنال بازخورد است. معادله زیر خروجی یک آپ آمپ حلقه بسته را نشان می‌دهد.که در آن VOUT ولتاژ در ترمینال خروجی آپ آمپ است. ACL گین حلقه بسته است. مدار بازخورد متصل شده به آپ آمپ گین حلقه بسته ACL را تعیین می‌کند. VD = (V1 – V2) ولتاژ ورودی دیفرانسیل است. ما بازخورد را مثبت می‌گوییم اگر مسیر بازخورد سیگنال را از ترمینال خروجی به ترمینال غیرمعکوس (+) برساند. بازخورد مثبت در اوسیلاتورها استفاده می‌شود. بازخورد منفی است اگر مسیر بازخورد بخشی از سیگنال را از ترمینال خروجی به ترمینال معکوس (-) برساند. ما از بازخورد منفی برای آپ آمپ‌هایی که به عنوان تقویت کننده استفاده می‌شوند، استفاده می‌کنیم. هر نوع بازخورد، منفی یا مثبت، مزایا و