إلى جانب تطبيقات التضخيم التشغيلية يمكن أيضاً استخدام “Op-amp” للعديد من التطبيقات والدوائر الأخرى، حيث تتضمن على عدد قليل من الدوائر غير الخطية المستخدمة بشكل متكرر وفي دوائر “Op-Amp غير الخطية” تكون خصائص الإدخال أو النواتج غير خطية أي ليست في خط مستقيم.
أساسيات المضخم التشغيلي غير الخطي
تستخدم المضخمات التشغيلية إلى جانب الدوائر الخطية على نطاق واسع أيضاً لتكوين الدوائر غير الخطية أي الدوائر التي يُظهر ناتجها تغيراً غير خطي فيما يتعلق بالتغيير في الإدخال، كما تُعرف هذه الدوائر عموماً بدوائر التبديل والتي يتحول ناتجها بين مستويات جهد التشبع الموجب والسالب، كما أنّ تكوينات الدوائر الأكثر شيوعاً هي كاشفات العبور الصفري، ومشغل شميت والهزازات المتعددة المستقرة والمستقرة.
1- كاشف العبور الصفري
كاشف العبور الصفري: هو أبسط تكوينات الدوائر لدارات تبديل “op-amp”، وفي هذا التكوين يتم تطبيق إشارة الإدخال على أحد أطراف الإدخال، بينما يتم توصيل الإدخال الآخر بالأرض وهذه الدائرة لا تحتاج إلى اتصال تغذية مرتدة.
2- كاشف معابر صفري غير عكسي
إذا كان مصدر إشارة الإدخال متصلاً بطرف الإدخال غير العكسي لجهاز “op-amp” وتم تأريض طرف الإدخال العكسي فإنّ الدائرة تسمى كاشف عبور صفري غير عكسي، وعندما تكون إشارة الإدخال فوق مستوى الأر ض يكون ناتج الدائرة مشبعاً عند أقصى حد موجب، وعندما ينخفض الإدخال عن مستوى الأرض يتحول جهد الناتج للدائرة على الفور إلى مستوى التشبع السالب.
وفي كل مرة تعبر فيها إشارة الإدخال مستوى الجهد الصفري ينتقل الناتج بين مستوى تشبع وآخر، ونظراً لأنّ ناتج الدائرة ينتقل إلى التشبع الإيجابي عندما يكون جهد الإدخال المطبق موجباً، يتم تصنيف الدائرة على أنّها كاشف عبور غير عكسي، ويظهر الشكل الموجي المدخلات والمخرجات لكاشف عبور صفري نموذجي غير عكسي وبغض النظر عن شكل موجة الإدخال يكون الناتج دائماً موجة مستطيلة.
3- كاشف عكس اتجاه الصفر
إذا تم تطبيق إشارة الإدخال على طرف الإدخال العكسي لجهاز “op-amp” وكان طرف الإدخال غير العكسي متصلًا بالأرض فإنّ الدائرة تسمى كاشف عبور عكسي صفري، وعندما يكون الإدخال فوق مستوى الأرض يكون الناتج مشبعاً عند الجهد الأقصى السالب.
وعندما ينخفض جهد الإدخال عن مستوى الأرض يتحول الإخراج على الفور إلى جهد التشبع الإيجابي ونظراً لأنّ الناتج مشبع بالجهد السالب عندما يكون الإدخال موجباً، فإنّ هذه الدائرة تسمى كاشف عبور عكسي صفري.
4- دارة شميت الزناد
دارة شميت الزناد: هي دائرة كاشف “Zero Crossing” مع اتصال ردود الفعل وعادة ما تكون إيجابية تشكل الزناد “Schmitt”، وتحتوي دائرة الزناد “Schmitt” على مستويات جهد إدخال علوية وسفلية محددة مسبقا والتي تؤدي إلى الانتقال من مستوى تشبع إلى آخر.
في دائرة مشغل شميت يتم تطبيق جهد الإدخال “Vin” على طرف الإدخال العكسي ويتم توصيل جزء من جهد الناتج كتغذية مرتدة إلى طرف الإدخال غير العكسي من خلال شبكة مقسم محتملة، كما يقوم جهد الإدخال “Vin” بتشغيل جهد الناتج “Vout” للتغيير من مستوى تشبع إلى آخر، وفي كل مرة يتجاوز فيها جهد الدخل مستويات جهد محددة مسبقاً وتسمى مستويات الجهد هذه بجهد العتبة العليا “VUT” والجهد الأدنى “VLT”.
وفي الشكل الموجي للإدخال والإخراج لدائرة الزناد شميت يمكن ملاحظة أنّه طالما أنّ جهد الإدخال “Vin” أقل من جهد العتبة العلوي “VUT”، فإنّ جهد الناتج مشبع عند أقصى حد موجب له “+ Vsat” وعندما يتجاوز جهد الإدخال “VUT” يتحول الإخراج على الفور إلى مستوى التشبع السالب “-Vsat”، كما يمكن الحصول على نقاط الزناد العلوية والسفلية أي جهد العتبة رياضياً باستخدام العلاقة:
VUT = [R2. (+ Vsat)] / (R1 + R2) و VLT = R2. (- Vsat) / (R1 + R2)
وإذا كانت:
R2 / (R1 + R2) = β
فإنّ:
VUT = β (+ Vsat) و VLT = β (-Vsat)
تشير المعادلات إلى أنّه من خلال الاختيار المناسب لقيم المقاوم “R1″ و”R2” يمكن ضبط مستويات العتبة العلوية والسفلية والتحكم فيها بدقة.
أنواع دارات المضخم التشغيلي غير الخطي
1- الهزاز المتعدد المستقر باستخدام Op-Amp
يتم إنشاء دائرة هزاز متعددة مستقرة “op-amp” عن طريق إضافة مكونات خارجية إلى كاشف العبور الصفري أو دائرة الزناد “Schmitt”، والهزاز المتعدد المستقر هو تكوين دائرة غير خطية باستخدام “op-amp” ويتغير الناتج بشكل غير خطي فيما يتعلق بالمدخلات، والذي يولد موجات مربعة دون أي تشغيل خارجي.
وهذه الدائرة ليس لها حالة ناتج مستقرة وفقط حالتان شبه حيث يتأرجح الناتج بشكل مستمر بين هاتين الحالتين شبه المستقرتين، والهزاز المتعدد المستقر هو في الأساس مذبذب لأنّه لا يتطلب نبضاً خارجياً لتشغيله، ولهذا السبب غالباً ما يشار إلى الدائرة على أنّها مذبذب يعمل بحرية ومع ذلك تستخدم الدائرة مصدر طاقة تيار مستمر لجهاز “op-amp”، ويمكن تكوين الهزاز المتعدد المستقر لإنتاج موجات مربعة من التردد والسعة ودورة العمل المطلوبة.
وكما أنّ الدائرة عبارة عن تكوين مشغل “Schmitt” والذي يحتوي على اتصال تغذية مرتدة ويتضمن مكثف إدخال في طرف الإدخال العكسي، وعندما يكون ناتج دائرة الهزاز المستقر عند مستوى التشبع الإيجابي يتدفق التيار عبر المقاوم الارتجاعي “R1” إلى المكثف “C”، وهذا يشحن المكثف مع وجود اللوحة العلوية موجبة.
كما يتم شحن المكثف حتى يصل جهده إلى جهد الزناد العلوي لمشغل شميت، وعند هذه النقطة يتحول ناتج الدائرة إلى مستوى التشبع السلبي على الفور، كما لا يوجد تيار يتدفق إلى المكثف الآن وبالتالي يبدأ المكثف في التفريغ، ويستمر تفريغ المكثف حتى يصل جهد المكثف إلى جهد الزناد الأدنى لمشغل شميت ويتحول الناتج إلى مستوى التشبع الإيجابي وتتكرر الدورة.
كما يمكن ملاحظة أنّ الدائرة عبارة عن مولد موجة مربعة يتأرجح ناتجه بين مستويات جهد التشبع الموجب والسالب، كما يعتمد تردد الموجة المربعة الناتجة على السعة “C” وقيمة مقاومة التغذية المرتدة “R1”.
2- هزاز متعدد أحادي Op-amp
الهزاز المتعدد الأحادي: هو دائرة لها حالة خرج ثابتة واحدة. قد يكون جهد الناتج الطبيعي مرتفعاً أو منخفضاً، ويظل في هذه الحالة حتى يتم تشغيله، وعندما يتم تطبيق نبضة إطلاق يتحول الناتج إلى الحالة المعاكسة لفترة تعتمد على مكونات “RC” للدائرة.
في دائرة الهزاز الأحادي النموذجي باستخدام جهاز “op-amp” يتم تأريض طرف الإدخال العكسي لـ “op-amp” من خلال المقاوم “R3″، ويكون طرف الإدخال غير المقلوب متحيزاً بشكل إيجابي بواسطة المقاومات “R1” و”R2″، كما يؤدي هذا إلى أن يكون الناتج عند مستوى التشبع الإيجابي بشكل طبيعي ويتم شحن المكثف “C2” بالقطبية.
وعندما يتم تطبيق نبضة إدخال “Vin” على مكثف “C1” يتم تمييز المدخلات بواسطة “C1” والمقاوم “R3” لإنتاج طفرات موجبة وسالبة في طرف الإدخال المقلوب “op-amp”، كما يتم قطع القطبية السالبة عند “-0.7V” بواسطة الصمام الثنائي “D1” بحيث لا يكون للارتفاع السلبي أي تأثير على الدائرة، كما يرفع الارتفاع الموجب جهد طرف الإدخال العكسي أعلى من جهد التحيز لمحطة الإدخال غير العكسية.
وبالتالي يتحول ناتج “op-amp” إلى مستوى التشبع السلبي، والمدة الزمنية للارتفاع قصيرة جداً وسرعان ما يعود جهد الإدخال العكسي إلى الصفر، ومع ذلك عندما ينتقل الناتج إلى التشبع السلبي فإنّ المكثف “C2” يقود جهد الإدخال غير العكسي، ويؤدي هذا إلى تثبيت طرف الإدخال غير العكسي أسفل مستوى الأرض بعد اختفاء الارتفاع وبالتالي الحفاظ على الناتج عند مستوى التشبع السالب.
