اقرأ في هذا المقال
- ما هو المضخم التشغيلي Op-amp
- أساسيات المضخم التشغيلي
- مبدأ عمل المضخم التشغيلي
- ما يمكن أن يفعله مكبر الصوت التشغيلي
تُعد المضخمات التشغيلية بأنّها أجهزة خطية لها جميع الخصائص المطلوبة لتضخيم التيار المستمر تقريباً وبالتالي تُستخدم على نطاق واسع في تكييف الإشارة أو التصفية أو للقيام بعمليات حسابية، مثل الجمع والطرح والتكامل والتمايز.
ما هو المضخم التشغيلي Op-amp
المضخم التشغيلي: هو عبارة عن دائرة متكاملة يمكنها تضخيم الإشارات الكهربائية الضعيفة، كما يحتوي مكبر الصوت التشغيلي على دبابيس إدخال ودبوس إخراج واحد، ويتمثل دورها الأساسي في تضخيم وإخراج فرق الجهد بين دبابيس الإدخال.
- “Op-amp” هي اختصار لـ “operational amplifier”.
أساسيات المضخم التشغيلي
تُعتبر المضخم التشغيلي “op-amp” هو في الأساس جهاز تضخيم للجهد مصمم للاستخدام مع مكونات التغذية المرتدة الخارجية مثل المقاوماتوالمكثفات بين أطراف الإنتاج والإدخال، كما تحدد مكونات التغذية المرتدة هذه الوظيفة الناتجة أو “تشغيل” مكبر الصوت وبفضل تكوينات التغذية المرتدة المختلفة سواء كانت مقاومة أو سعوية أو كليهما، كما يمكن للمضخم إجراء مجموعة متنوعة من العمليات المختلفة ممّا يؤدي إلى ظهور اسمه “مكبر التشغيل”.
المضخم التشغيلي هو في الأساس جهاز ثلاثي الأطراف يتكون من مدخلي مقاومة عالية، كما يُطلق على أحد المدخلات اسم الإدخال المقلوب، ويتم تمييزه بعلامة سالب أو علامة “ناقص” (-)، كما يُطلق على الإدخال الآخر اسم الإدخال غير المقلوب ويتم تمييزه بعلامة موجبة أو علامة “زائد” (+).
يمثل الطرف الثالث منفذ ناتج مضخمات التشغيل والذي يمكن أن يغرق ويصدر إمّا جهداً أو تياراً وفي مكبر الصوت التشغيلي الخطي تكون إشارة الخرج هي عامل التضخيم، والمعروف باسم كسب مكبرات الصوت “A” مضروباً في قيمة إشارة الإدخال واعتماداً على طبيعة إشارات الإدخال والإخراج هذه، ويمكن أن يكون هناك أربعة تصنيفات مختلفة للتفعيل عمل كسب مكبر للصوت.
مبدأ عمل المضخم التشغيلي
إشارة جهد الناتج من المضخم التشغيلي هي الفرق بين الإشارات التي يتم تطبيقها على مدخليه الفرديين، حيث أنّ إشارة ناتج “op-amps” هي الفرق بين إشارتين الإدخال لأنّ مرحلة الإدخال لمضخم تشغيلي هي في الواقع مضخم تفاضلي.
حيث بالنسبة لمضخم تفاضلي مع مدخلين مميزين “V1″ و”V2” يكون كلا الترانزستورين المتماثلين “TR1″ و”TR2” متحيزان في نفس نقطة التشغيل، ومع توصيل بواعثهما معاً وإعادتهما إلى السكة المشتركة “Vee” عن طريق المقاوم “Re”.
ومثل إشارة الإدخال تكون إشارة الناتج متوازنة أيضاً وبما أنّ الفولتية المجمعة إمّا تتأرجح في اتجاهين متعاكسين أي مضاد للطور و في نفس الاتجاه في الطور، فإنّ إشارة جهد الناتج المأخوذة من بين المجمعين هي على افتراض دارة متوازنة تماماً الفرق الصفري بين الفولتية المجمعة.
كما يُعرف هذا باسم الوضع العام للعملية، حيث يكون كسب الوضع العام للمكبر هو كسب الإنتاج عندما يكون الإدخال صفراً، كما تحتوي المضخمات التشغيلية أيضاً على ناتج واحد على الرغم من وجود مخرجات ذات ناتج تفاضلي إضافي ذات مقاومة منخفضة، ويتم الرجوع إليها إلى طرف أرضي مشترك ويجب أن تتجاهل أي إشارات نمط شائعة، وإذا تم تطبيق إشارة متطابقة على كل من العاكس ولا ينبغي أن يكون هناك تغيير على المدخلات غير المقلوبة.
ومع ذلك في المضخم التشغيلي الحقيقي هناك دائماً بعض الاختلاف ونسبة التغيير إلى جهد الناتج فيما يتعلق بالتغيير في جهد إدخال الوضع العام، حيث تسمى نسبة رفض الوضع المشترك “CMRR”، كما تتمتع مكبرات الصوت التشغيلية من تلقاء نفسها بمكاسب عالية جداً للتيار المستمر، ومن خلال تطبيق بعض أشكال التغذية المرتدة السلبية يمكن إنتاج دائرة مضخم تشغيلية لها خاصية كسب دقيقة للغاية تعتمد فقط على التغذية المستخدمة.
كما أنّ المصطلح “حلقة مفتوحة” يعني أنّه لا توجد مكونات تغذية مرتدة مستخدمة حول المضخم لذا فإن مسار التغذية المرتدة أو الحلقة مفتوحة، كما يستجيب المضخم التشغيلي فقط للاختلاف بين الفولتية على طرفي الإدخال والمعروفين باسم “جهد الإدخال التفاضلي” وليس لإمكاناتهم المشتركة، ثم إذا تم تطبيق نفس الجهد على كلا المطرافين فسيكون الناتج صفراً، ويُعرف كسب المضخمات التشغيلية باسم الكسب التفاضلي للحلقة المفتوحة ويُعطى الرمز “Ao”.
كما أنّ المضخم التشغيلي عبارة عن مضخم تفاضلي عالي الكسب للتيار المستمر يستخدم واحداً أو أكثر من شبكات التغذية المرتدة الخارجية للتحكم في استجابته وخصائصه، ويمكن توصيل المقاومات أو المكثفات الخارجية بـ “op-amp” بعدة طرق مختلفة لتشكيل دوائر “Building Block” الأساسية، مثل مضخمات من النوع العكسي وغير العكسي ومتابع الجهد والجمع والتفاضل والمكامل ومضخمات التفاضل.
المضخم التشغيلي “المثالي” هو جهاز له خصائص خاصة معينة مثل كسب الحلقة المفتوحة اللانهائية “AO”، ومقاومة الإدخال اللانهائي “RIN” ومقاومة الناتج الصفرية “ROUT” وعرض النطاق اللانهائي من “0” إلى “∞” والإزاحة الصفرية أي يكون الناتج صفراً تماماً عندما المدخلات صفر.
هناك عدد كبير جداً من مضخمات التشغيل “IC” المتاحة لتناسب كل تطبيق ممكن من ثنائي القطب القياسي والدقة والسرعة العالية والضوضاء المنخفضة والجهد العالي، إمّا في التكوين القياسي أو مع ترانزستورات “Junction FET” الداخلية.
كما تتوفر المضخم التشغيلي في حزم “IC” من مضخمات تشغيل فردية أو ثنائية أو رباعية داخل جهاز واحد، والأكثر شيوعاً المتاحة والمستخدمة لجميع مكبرات الصوت التشغيلية في المجموعات والمشاريع الإلكترونية الأساسية هو معيار الصناعة “μA-741”.
- “IC” هي اختصار لـ “Integrated circuit”.
- “FET” هي اختصار لـ “field-effect transistor”.
- “CMRR” هي اختصار لـ “COMMON-MODE REJECTION RATIO “.
ما يمكن أن يفعله مكبر الصوت التشغيلي
لا يستخدم المضخم التشغيلي بمفرده ولكنّه مصمم ليتم توصيله بدوائر أخرى لأداء مجموعة كبيرة ومتنوعة من العمليات:
1- تمكين تضخيم كبير لإشارة الإدخال
عندما يتم ربط مضخم تشغيلي مع دائرة تكبير يمكنه تكبير الإشارات الضعيفة إلى إشارات قوية حيث يتصرف مثل المضخم التشغيلي، حيث تكون إشارة الإدخال هي صوت الشخص ومكبر الصوت هو دائرة مكبر الصوت التشغيلي، وعلى سبيل المثال يمكن أن تكون هذه الدائرة تستخدم لتضخيم إشارات أجهزة الاستشعار الدقيقة، كما يمكن تحسين معالجة إشارات المستشعر بشكل أكبر عن طريق إدخال الإشارة المكبرة إلى وحدة متحكم “MCU”.
- “MCU” هي اختصار لـ “microcontroller unit”.
2- تمكن من القضاء على الضوضاء من إشارة الدخل
من خلال العمل كمرشح لإشارات الإدخال فإنّ دائرة المضخم التشغيلي قادرة على استنتاج الإشارة بتردد الهدف، وعلى سبيل المثال عند استخدام دائرة مضخم تشغيلي للتعرف على الصوت أو في مسجل صوت، يمكنها استخراج ترددات قريبة من يستهدف الصوت أثناء إغلاق جميع الترددات الأخرى كضوضاء، كما يمكن تعديل دائرة المضخم التشغيلي لأداء مجموعة واسعة من الوظائف مثل العمليات الحسابية أو توليف الإشارة.
3- تطبيقات مكبر الصوت التشغيلي
لا يتم استخدام المضخم التشغيلي بمفرده تقريباً، ومن خلال توصيل المقاومات أو المكثفات يمكن تكوين دائرة قادرة على تضخيم الإشارة، أو التصفية أو العمليات الحسابية وما يمكن أن يفعله مكبر الصوت التشغيلي كعمليات مضخم التشغيل الداخلي.
