آپ امپ معکوس کننده

کانفیگ آپ امپ معکوس کننده، یکی از ساده‌ترین و متداول ترین توپولوژی‌های آپ امپ است.

در مقاله قبل دیدیم که بهره حلقه باز (AVO) یک تقویت کننده عملیاتی می‌تواند بسیار زیاد، به اندازه 1,000,000 (120dB) یا بیشتر، باشد.

با این حال، این بهره بسیار بالا برای ما فایده‌ای ندارد، زیرا تقویت کننده را ناپایدار و غیر قابل کنترل می‌کند. کوچک‌ترین سیگنال ورودی، فقط چند میکرو ولت (μV) کافی است که باعث اشباع ولتاژ خروجی و جهش آن به سمت مقدار یکی از منابع تغذیه شده و کاملا از کنترل خارج شود.از آنجا که بهره DC حلقه باز یک تقویت کننده عملیاتی بسیار زیاد است، می‌توانیم با اتصال یک مقاومت مناسب به تقویت کننده از ترمینال خروجی به ترمینال ورودی وارونگر، مقداری از این بهره را از دست بدهیم تا بهره کلی تقویت کننده را کاهش داده و کنترل کنیم. پس این اثری را ایجاد می‌کند که معمولا به عنوان فیدبک منفی شناخته می‌شود و بنابراین سیستمی بسیار پایدار بر پایه تقویت کننده عملیاتی تولید می‌کند.

فیدبک منفی، فرآیند «بازگرداندن» بخشی از سیگنال خروجی به ورودی است. اما برای آن که فیدبک منفی باشد، باید با استفاده از یک مقاومت فیدبک خارجی به نام Rf، آن را به ترمینال منفی یا «ورودی وارونگر» آپ امپ بازگردانیم. این اتصال فیدبک بین خروجی و ترمینال ورودی وارونگر، ولتاژ ورودی دیفرانسیلی را به سمت صفر هدایت می‌کند.

این اثر، یک مدار حلقه بسته به تقویت کننده ایجاد می‌کند و در نتیجه بهره تقویت کننده، بهره حلقه بسته نامیده می‌شود. پس یک تقویت کننده وارونگر حلقه بسته، از فیدبک منفی برای کنترل دقیق بهره کلی تقویت کننده استفاده می‌کند، اما به قیمت کاهش در بهره تقویت کننده.

این فیدبک منفی منجر به آن می‌شود که ترمینال ورودی وارونگر دارای سیگنال متفاوتی نسبت به ولتاژ ورودی واقعی باشد، چراکه این سیگنال، مجموع ولتاژ ورودی و ولتاژ فیدبک منفی خواهد بود، که به آن نام نقطه جمع داده می‌شود. بنابراین باید سیگنال ورودی واقعی را با استفاده از یک مقاومت ورودی (Rin) از ورودی وارونگر جدا کنیم.

از آنجا که از ورودی غیر وارونگر مثبت استفاده نمی‌کنیم، همانطور که نشان داده شده، به زمین یا ترمینال ولتاژ صفر متصل می‌شود. اما اثر این مدار فیدبک حلقه بسته، باعث می‌شود که پتانسیل ولتاژ در ورودی وارونگر برابر با ورودی غیر وارونگر باشد و یک نقطه جمع زمین مجازی تولید شود، زیرا پتانسیل آن برابر با پتانسیل ورودی مرجع زمین خواهد بود. به عبارت دیگر، آپ امپ به یک «تقویت کننده دیفرانسیلی» تبدیل می‌شود.

پیکر‌بندی تقویت‌کننده عملیاتی معکوس ‌کننده

۱. پیکر‌بندی آپ‌امپ معکوس‌کننده

در این مدار تقویت کننده وارونگر، تقویت کننده عملیاتی با فیدبک بسته شده است تا یک عملیات حلقه بسته تولید شود. هنگام کار با تقویت کننده‌های عملیاتی، دو قاعده بسیار مهم وجود دارد که باید در مورد تقویت کننده‌های وارونگر بخاطر بسپارید، این موارد عبارتند از: «هیچ جریانی به ترمینال ورودی وارد نمی‌شود» و «V۱ همیشه برابر با V۲ است». با این حال، در مدارهای آپ امپ واقعی هر دو قاعده اندکی شکسته می‌شود.

دلیل این امر آن است که پتانسیل محل اتصال سیگنال ورودی و فیدبک (X)، همان پتانسیل ورودی مثبت (+) است که برابر با ولتاژ صفر یا زمین است، پس محل اتصال، «زمین مجازی» است. به دلیل وجود این گره زمین مجازی، مقاومت ورودی تقویت کننده برابر با مقدار مقاومت ورودی (Rin) است و بهره حلقه بسته تقویت کننده وارونگر را می‌توان با نسبت دو مقاومت خارجی تنظیم کرد.

گفتیم که دو قاعده بسیار مهم وجود دارد که باید درباره تقویت کننده‌های وارونگر یا هر نوع دیگری از تقویت کننده‌های عملیاتی، به خاطر بسپارید. اینها عبارتند از:

← هیچ جریانی به ترمینال‌های ورودی وارد نمی‌شود

← ولتاژ ورودی دیفرانسیلی صفر است، چراکه V۱=V۲=۰ (زمین مجازی)

پس با استفاده از این دو قاعده و اصول اولیه، می‌توان معادله محاسبه بهره حلقه بسته تقویت کننده وارونگر را به دست آورد.

جریان (i)، همانطور که نشان داده شده، در شبکه مقاومت جریان می‌یابد.

۲. محاسبه بهره ولتاژ حلقه بسته

پس بهره ولتاژ حلقه بسته (AV) تقویت کننده وارونگر به شرح زیر به دست می‌آید:

با جابجایی عبارات، Vout به شرح زیر به دست می‌آید:

علامت منفی در معادله، نشان دهنده معکوس شدن سیگنال خروجی نسبت به ورودی است، زیرا ۱۸۰° با آن اختلاف فاز دارد. این به دلیل منفی بودن فیدبک است.

معادله ولتاژ خروجی (Vout) نیز نشان می‌دهد که مدار به ازای بهره تقویت کننده ثابت، خطی است، چراکه Vout=Vin×Gain. این ویژگی می‌تواند برای تبدیل یک سیگنال حسگر کوچک به ولتاژ بزرگ‌تر، بسیار مفید باشد.

۳. نمودار ولتاژ خروجی- ولتاژ ورودی آپ امپ وارونگر

یکی دیگر از کاربردهای مفید تقویت کننده وارونگر، مدار «تقویت کننده مقاومت انتقالی» است. تقویت کننده مقاومت انتقالی، که به عنوان «تقویت کننده امپدانس انتقالی» نیز شناخته می‌شود، اساسا مبدل جریان به ولتاژ است (جریان «ورودی» و ولتاژ «خروجی»). از آنها می‌توان در کاربردهای توان کم برای تبدیل جریان بسیار کمی که توسط فوتودیود یا دستگاه تشخیص نور و غیره تولید می‌شود، به یک ولتاژ خروجی قابل استفاده که متناسب با جریان ورودی است، استفاده کرد.

مدار تقویت کننده مقاومت انتقالی

۴. مدار آپ‌امپ مقاومت انتقالی

این مدار ساده فعال شونده با نور، جریان تولید شده توسط فوتودیود را به ولتاژ تبدیل می‌کند. مقاومت فیدبک (Rf) نقطه ولتاژ کار را در ورودی وارونگر تنظیم کرده و مقدار خروجی را کنترل می‌کند. ولتاژ خروجی برابر است با IS×Rf. بنابراین، ولتاژ خروجی با مقدار جریان ورودی تولید شده توسط فوتودیود متناسب است.

آپ امپ وارونگر، مثال ۱

گین حلقه بسته مدار تقویت کننده وارونگر زیر را محاسبه کنید.

۵. مثال ۱ - محاسبه گین حلقه بسته

با استفاده از فرمول به دست آمده برای بهره مدار:

اکنون می‌توانیم مقادیر مقاومت‌ها را به صورت زیر در مدار جایگزین کنیم:

و بهره مدار به شرح زیر محاسبه می‌شود:

بنابراین، بهره حلقه بسته مدار تقویت کننده وارونگر بالا، ۱۰- یا 20dB (20log(10)) است.

آپ امپ وارونگر، مثال ۲

بهره مدار اصلی باید به ۴۰ (32dB) افزایش یابد. مقادیر جدید مقاومت‌های مورد نیاز را به دست آورید.

با فرض اینکه مقاومت ورودی همان مقدار 10kΩ باقی بماند، با تنظیم مجدد فرمول بهره ولتاژ حلقه بسته، می‌توان مقدار جدید مورد نیاز برای مقاومت فیدبک (Rf) را به دست آورد.

مقادیر جدید مقاومت‌های مورد نیاز، برای این که بهره مدار به ۴۰ افزایش یابد، برابر است با:

همچنین فرمول بالا را می‌توان طوری بازنویسی کرد که مقدار Rf ثابت مانده و مقدار جدید Rin به دست آید.

نکته آخر در مورد پیکربندی تقویت کننده وارونگر برای یک تقویت کننده عملیاتی:

اگر مقدار دو مقاومت برابر باشد (Rin=Rf)، در این صورت بهره تقویت کننده ۱- و ولتاژ خروجی، معکوس ولتاژ ورودی خواهد بود، به طوری که Vout=-Vin.

به این نوع پیکربندی تقویت کننده وارونگر، به طور کلی معکوس کننده با بهره واحد یا بافر معکوس کننده گفته می‌شود.

در مقاله بعدی در مورد تقویت کننده‌های عملیاتی، مکمل مدار تقویت کننده عملیاتی وارونگر، به نام تقویت کننده غیر وارونگر را تجزیه و تحلیل خواهیم کرد که سیگنال خروجی آن با سیگنال ورودی «هم فاز» است.