چگونه عمل می‌کند تقویت‌کننده عملیاتی (O- Pamp)

عمل مكبر التشغيل كیفیاً؟

مكبر التشغيل (Op-Amp) هو مكون إلكتروني متكامل بشكل كبير يستخدم على نطاق واسع في الدوائر لتعزيز الإشارات، والتصفية، والتكامل، والتمايز، والعديد من التطبيقات الأخرى. وظيفته الرئيسية هي تكبير الفرق في الجهد بين محوريه المدخلين. فيما يلي شرح لكيفية عمل مكبر التشغيل والمفاهيم الأساسية:

1. الهيكل الأساسي

• عادة ما يكون لمكبر التشغيل خمسة أطراف:

• مدخل غير معكوس (V+): المحور الإيجابي للمدخل.

• مدخل معكوس (V−): المحور السالب للمدخل.

• المخرج (Vout): الإشارة المضخمة.

• المصدر الإيجابي (Vcc): الجهد الإيجابي للطاقة.

• المصدر السالب (Vee): الجهد السالب للطاقة.

2. مبدأ العمل

افتراضات لمكبر التشغيل المثالي

• تكبير لا نهائي: في الحالة المثالية، تكون قيمة التكبير A لمكبر التشغيل لا نهائية.

• مقاومة مدخل لا نهائية: تكون مقاومة المدخل Rin لا نهائية، مما يعني أن تيار المدخل تقريباً صفر.

• مقاومة مخرج صفر: تكون مقاومة المخرج Rout صفر، مما يعني أن تيار المخرج يمكن أن يكون كبيراً بشكل تعسفي دون أن يؤثر على جهد المخرج.

• عرض حزمة لا نهائي: في الحالة المثالية، يمكن لمكبر التشغيل العمل على جميع الترددات دون أي قيود.

خصائص مكبر التشغيل الحقيقي

• تكبير محدود: في الواقع، تكون قيمة التكبير A لمكبر التشغيل محدودة، عادة ما تتراوح بين عشرة إلى القوة الخامسة إلى عشرة إلى القوة السادسة.

• مقاومة مدخل محدودة: ليست المقاومة الفعلية للمدخل لا نهائية ولكنها عالية جداً (مستوى الميغا أوم).

• مقاومة مخرج غير صفرية: ليست المقاومة الفعلية للمخرج صفر ولكنها منخفضة جداً.

• عرض حزمة محدود: يكون عرض حزمة مكبر التشغيل الفعلي محدوداً، عادة ما يتراوح بين مئات الكيلوهرتز إلى الميجاهرتز.

3. الوضعيات الأساسية للعمل

تكوين حلقة مفتوحة

تكبير الحلقة المفتوحة: في تكوين الحلقة المفتوحة، يقوم مكبر التشغيل بتكبير الجهد التفاضلي للمدخل مباشرة.

التشبع: بسبب التكبير العالي A، يمكن حتى لفرق جهد مدخل صغير أن يؤدي إلى الوصول بجهد المخرج إلى حدود جهود الطاقة (أي Vcc أو Vee).

تكوين الحلقة المغلقة

رد فعل سالب: عن طريق تقديم رد فعل سالب، يمكن التحكم في تكبير مكبر التشغيل ليكون ضمن نطاق معقول.

دائرة رد فعل سالب: تشمل الدوائر الشائعة للرد فعل السالب المضخم المعكوس، والمضخم غير المعكوس، والمضخم التفاضلي.

القصيرة الافتراضية والفتحة الافتراضية: في دوائر رد الفعل السالب، تكون الجهود عند محوري المدخل لمكبر التشغيل تقريباً متساوية (القصيرة الافتراضية)، وتيار المدخل تقريباً صفر (الفتحة الافتراضية).

4. الدوائر التطبيقية الشائعة

المضخم المعكوس

هيكل الدائرة: يتم تغذية الإشارة المدخلة عبر مقاومة R1 إلى المدخل المعكوس V−، ومقاوم رديف Rf يربط المخرج Vout بالمدخل المعكوس V−.

المضخم غير المعكوس

هيكل الدائرة: يتم تغذية الإشارة المدخلة عبر مقاومة R1 إلى المدخل غير المعكوس V+، ومقاوم رديف Rf يربط المخرج Vout بالمدخل المعكوس V−.

المضخم التفاضلي

هيكل الدائرة: يتم تطبيق إشارتين مدخلتين على المدخل غير المعكوس V+ والمدخل المعكوس V−، ومقاوم رديف Rf يربط المخرج V out بالمدخل المعكوس V−.

5. الخلاصة

يعمل مكبر التشغيل عن طريق تكبير فرق الجهد بين محوريه المدخلين، مع الاعتماد على التكبير العالي وآليات رد الفعل السالب. باستخدام تكوينات مختلفة للدوائر، يمكن لمكبرات التشغيل تنفيذ وظائف متنوعة مثل التكبير، والتصفية، والتكميل، والتمايز. فهم مبادئ العمل والدوائر التطبيقية الشائعة لمكبرات التشغيل أمر ضروري لتصميم وإصلاح الأنظمة الإلكترونية المختلفة.