اقرأ في هذا المقال
- ما هو مضخم الأجهزة
- خصائص مضخم الأجهزة
- مضخم الأجهزة باستخدام Op Amp
- مزايا مضخم الأجهزة
- تطبيقات مضخم الأجهزة
- الفرق بين مضخم التشغيل ومضخم الأجهزة
- متطلبات مضخمات الأجهزة
- مبدأ عمل مضخم الأجهزة
القدرة على رفض الضوضاء مألوفة لكل دبابيس “IC” المعروفة باسم نسبة رفض الوضع الشائع “CMRR” كما يُعد مضخم الأجهزة “IC” مكوناً أساسياً في تصميم الدائرة نظراً لخصائصها، مثل “CMRR” العالي وارتفاع كسب الحلقة المفتوحة “open loop” وانجراف منخفض بالإضافة إلى انخفاض التيار المستمر.
ما هو مضخم الأجهزة
مضخم الأجهزة: هو نوع واحد من الدوائر المتكاملة “IC” يستخدم بشكل أساسي لتضخيم الإشارة كما يأتي هذا المضخم ضمن عائلة المضخم التفاضلي لأنّه يزيد من التباين بين مدخلين، كما تتمثل الوظيفة الرئيسية لهذا المضخم في تقليل الضوضاء الزائدة التي تختارها الدائرة.
- “IC” هي اختصار لـ “Integrated circuit”.
- “CMRR” هي اختصار لـ “Common Mode Rejection Ratio”.
خصائص مضخم الأجهزة
يتم استعمال مضخم الأجهزة لتضخيم الإشارات ذات المستوى القليل جداً ورفض إشارات الضوضاء والتداخل، ومن الأمثلة على ذلك دقات القلب “Heart beat” وضغط الدم ودرجة الحرارة والزلازل وما إلى ذلك لذلك فإنّ الخصائص الأساسية للمضخم الجيد هي كما يلي:
- سيكون لمدخلات مضخمات الأجهزة طاقة إشارة قليلة للغاية، لذلك يجب أن يكون لمضخم مكاسب عالية ويجب أن يكون دقيقاً.
- يجب أن يكون الكسب قابلاً للتعديل بسهولة باستخدام عنصر تحكم واحد.
- يجب أن تحتوي على مقاومة عالية للإدخال ومقاومة منخفضة للإنتاج لمنع التحميل.
- يجب أن يتضمن مضخم الأجهزة على “CMRR” عالي لأنّ ناتج محول الطاقة سيحتوي عادةً على إشارات الوضع المعروفة مثل الضوضاء عند إرسالها عبر أسلاك طويلة.
- يجب أن يتضمن أيضاً على معدل دوران مرتفع للتعامل مع أوقات الارتفاع الحادة للأحداث وتوفير أقصى تأرجح غير مشوه لجهد الناتج.
مضخم الأجهزة باستخدام Op Amp
يظهر مضخم الأجهزة باستخدام دائرة “op-amp” إنّ “op-Amps 1 & 2” عبارة عن مضخمات غير معكوسة و”op-amp 3″ هو مضخم اختلاف، كما تُعد هذه المضخمات الثلاثة المجموعة ماً مضخماً للأجهزة والناتج النهائي لمضخم الأجهزة “Vout”، هو الاختلاف المكثف لإشارات الإدخال المطبقة على أطراف الإدخال في “op-amp 3″، كما أنّ مخرجات “op-amp 1″ و”op-amp 2” تكون “Vo1″ و”Vo2” على الترتيب.
Vout = (R3 / R2) (Vo1-Vo2)
والإمكانية في العقدة “1” هي جهد الإدخال “V1” ومن ثم فإن الإمكانات في العقدة “2” هي أيضاً “V1” من المفهوم الافتراضي القصير، وبالتالي فإنّ الإمكانات في العقدة “3” هي أيضا “V1” والإمكانات في العقدة “4” هي جهد الإدخال “V2″، ومن ثم فإن الإمكانات في العقدة “5” هي أيضاً “V2” ومن الافتراضي القصير وبالتالي فإنّ الإمكانات في العقدة “6” هي أيضاً “V2”.
- “op-amp” هي اختصار لـ “Operational amplifiers”.
مزايا مضخم الأجهزة
- يمكن أن يتنوع كسب دائرة المضخم ذات ثلاثة أجهزة “op-amp” بسهولة عن طريق ضبط قيمة المقاوم “R gain” واحد فقط.
- يعتمد كسب المضخم فقط على المقاومات الخارجية المستخدمة.
- تكون مقاومة الإدخال عالية جداً بسبب تكوينات تابع الباعث لمضخمات 1 و2.
- مقاومة الإنتاج لمضخم الأجهزة منخفضة جداً نظراً لمضخم الاختلاف 3.
- معدل “CMRR” لجهاز “op-amp 3” مرتفع جداً وسيتم حجب جميع إشارات الوضع المعروف تقريباً.
تطبيقات مضخم الأجهزة
تحتوي المضخمات هذه بشكل رئيسي على دقة الكسب التفاضلي المرتفع التي تكون ضرورية ويجب العمل على المحافظة على القوة في محيط صاخب، وكذلك في الأماكن التي توجد بها إشارات ضخمة من الوضع المشترك، ومن بعض التطبيقات:
- تستخدم مضخمات الأجهزة في الحصول على البيانات من محولات طاقة صغيرة مثل المزدوجات الحرارية ومقاييس الإجهاد وقياسات جسر ويتستون.
- تستخدم المضخمات هذه في الملاحة والطبية والرادار وما إلى ذلك.
- تُستخدم المضخمات هذه لتحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء “S / N” في تطبيقات الصوت مثل الإشارات الصوتية ذات السعة المنخفضة.
- تُستعمل المضخمات هذه للتصوير بالإضافة إلى الحصول على بيانات الفيديو في أسلوب إشارة عالية السرعة.
- تستخدم المضخمات هذه في أنظمة كابلات الترددات اللاسلكية لتضخيم إشارة التردد العالي.
ملاحظة:“S / N” هي اختصار لـ “signal-to-noise ratio”.
الفرق بين مضخم التشغيل ومضخم الأجهزة
- المضخم التشغيلي “op-amp” هو نوع واحد من الدوائر المتكاملة.
- مضخم الأجهزة هو أحد أنواع المضخمات التفاضلية.
- يمكن بناء مضخم الأجهزة بثلاثة مضخمات تشغيلية.
- يمكن بناء مضخم التفاضلي بمضخم تشغيل واحد.
- يتأثر جهد الناتج لمضخم الاختلاف بسبب المقاومات غير المتطابقة.
- يقدم مضخم الأجهزة كسباً بمقاوم واحد من مرحلته الأولية والذي لا يتطلب فيه مطابقة المقاوم.
متطلبات مضخمات الأجهزة
عادة ما يتم استخدام مضخم الأجهزة لتضخيم الإشارات منخفضة المستوى ورفض إشارات الضوضاء والتداخل، لذلك يجب أن يفي مضخمات الأجهزة الجيدة بالمواصفات التالية:
1- مكاسب محدودة ودقيقة ومستقرة
نظراً لأنّ مضخمات الأجهزة مطلوبة لتضخيم الإشارات منخفضة المستوى جداً من جهاز محول الطاقة فإنّ الكسب المرتفع والمحدود هو المطلب الأساسي، كما يجب أيضاً أن يكون الكسب دقيقاً ويجب أن يكون كسب الحلقة المغلقة مستقراً.
2- تعديل الكسب الأسهل
بصرف النظر عن الكسب المحدود والمستقر من الضروري أيضاً التباين في عامل الكسب عبر نطاق محدد من القيم، كما يجب أن يكون تعديل الكسب أسهل ودقيقاً.
3- مقاومة عالية للإدخال
لتجنب تحميل مصادر الإدخال يجب أن تكون مقاومة الإدخال لمضخم الأجهزة عالية جداً وغير محدودة بشكل مثالي.
4- مقاومة الناتج المنخفضة
يجب أن تكون مقاومة ناتج مضخم الأجهزة الجيد منخفضة جدا ومن الناحية المثالية صفر، لتجنب تأثير التحميل على المرحلة التالية مباشرة.
5- نسبة CMRR مرتفع
- عادةً ما يحتوي الناتج من محول الطاقة على إشارات الوضع الشائعة عند نقلها عبر أسلاك طويلة.
- يجب أن يضخم مضخم الأجهزة الجيد المدخلات التفاضلية فقط.
- ويرفض تماماُ مدخلات الوضع الشائع.
- وبالتالي يجب أن يكون “CMRR” لمضخم الأجهزة بشكل مثالي لانهائي.
6- معدل الدوران العالي
يجب أن يكون معدل الدوران لمضخم الأجهزة مرتفعاً قدر الإمكان لتوفير أقصى تأرجح لجهد الناتج غير المشوه.
مبدأ عمل مضخم الأجهزة
مرحلة ناتج مضخم الأجهزة عبارة عن مضخم اختلاف ويكون ناتجه “Vout” هو الاختلاف المضخم لإشارات الإدخال المطبقة على أطراف الإدخال الخاصة به، حيث إذا كانت مخرجات “op-amp 1″ و”op-amp 2” هي “Vo1″ و”Vo2” على التوالي فسيتم إعطاء ناتج مضخم الفرق بواسطة:
Vout = (R3 / R2) (Vo1-Vo2)
كما يمكن العثور على تعبيرات “Vo1″ و”Vo2” من حيث الفولتية والمقاومة، ومن الناحية المثالية يكون التيار إلى مرحلة الإدخال هو صفر، لذلك فإنّ التيار “I” عبر المقاومات “R1″ و”Rgain” و”R1″ يبقى كما هو، وعند تطبيق قانون أوم بين العقدتين
I = (Vo1-Vo2) / (R1 + R gain + R1)
I = (Vo1-Vo2) / (2R1 + R gain)
ونظراً لعدم وجود تيار يتدفق إلى مدخلات “op-amps 1″ و”op-amps 2” يمكن إعطاء التيار “I” بين العقد على النحو التالي:
I = (VG-VH) / R gain = (V1-V2) / R gain
(Vo1-Vo2) / (2R1 + R gain) = (V1-V2) / R gain
(Vo1-Vo2) = (2R1 + R gain) (V1-V2) / R gain
كما يتم إعطاء ناتج مضخم الفرق على النحو التالي:
Vout = (R3 / R2) (Vo1-Vo2)
لذلك فإنّ:
(Vo1 – Vo2) = (R2 / R3) Vout
وعند استبدال قيمة (Vo1 – Vo2) في المعادلة السابقة فإنّه يتم الحصول على:
(R2 / R3) Vout = (2R1 + R gain) (V1-V2) / R gain
أي أنّ:
Vout = (R3 / R2) {(2R1 + R gain) / R gain} (V1-V2)
كما تعطي المعادلة السايقة جهد الناتج لمضخم الأجهزة، حيث يتم الحصول على المكسب الإجمالي للمكبر من خلال المصطلح:
(R3 / R2) (2R1 + R gain) / R gain
