المضخم التشغيلي المعكوس Inverting Operational Amplifiers

إنّ كسب الحلقة المفتوحة “AVO” لمكبر الصوت التشغيلي يمكن أن يكون مرتفعاً جداً وبقدر “1000000” أي “120 ديسيبل” أو أكثر، ومع ذلك فإنّ هذا الكسب المرتفع للغاية لا فائدة حقيقية بالنسبة لأنّه يجعل مكبر الصوت غير مستقر ويصعب التحكم فيه نظراً لأنّ أصغر إشارات الإدخال، وفقط بضعة ميكرو فولت “μV” سيكون كافياً للتسبب في جهد الناتج يتشبع ويتأرجح باتجاه واحد أو آخر من قضبان إمداد الجهد يفقد التحكم الكامل في الإخراج.

أساسيات المضخم التشغيلي المعكوس Inverting Operational Amplifiers

نظراً لأنّ كسب “DC” ذو الحلقة المفتوحة لمضخم تشغيلي مرتفع للغاية فيمكن بالتالي تحمل خسارة بعض من هذا الكسب المرتفع عن طريق توصيل المقاوم المناسب، وعبر مكبر الصوت من طرف الناتج إلى طرف الإدخال العكسي لتقليل الكسب الكلي والتحكم فيه من مكبر للصوت، كما ينتج هذا بعد ذلك ويؤثر المعروف باسم ردود الفعل السلبية وبالتالي ينتج نظاماً مستقراً للغاية يعتمد على مكبر الصوت التشغيلي.

الردود السلبية هي عملية “إعادة تغذية” جزء من إشارة الناتج إلى المدخلات ولكن لجعل التغذية الراجعة سلبية يجب  إعادة إرسالها إلى الطرف السلبي أو “المقلوب للإدخال” لجهاز “op-amp”، وباستخدام طرف خارجي هو المقاوم ردود الفعل “Rƒ”، كما يجبر اتصال التغذية المرتدة هذا بين المخرج وطرف الإدخال العكسي جهد الدخل التفاضلي باتجاه الصفر.

ينتج عن هذا التأثير دائرة حلقة مغلقة للمكبر ممّا يؤدي إلى كسب مكبر الصوت الذي يطلق عليه الآن كسب الحلقة المغلقة، ثم يستخدم مكبر الصوت المعكوس ذو الحلقة المغلقة ردود فعل سلبية للتحكم بدقة في المكاسب الإجمالية للمضخم ولكن بتكلفة في تقليل مكاسب مكبرات الصوت.

ينتج عن هذه التغذية الراجعة السلبية أن يكون لمحطة الإدخال العاكسة إشارة مختلفة عليها عن جهد الدخل الفعلي، حيث سيكون مجموع جهد الإدخال بالإضافة إلى جهد التغذية المرتدة السالب الذي يمنحه تسمية أو مصطلح نقطة جمع، لذلك يجب فصل إشارة الإدخال الحقيقية عن المدخلات المعكوسة باستخدام “Rin”.

نظراً لأنّه لا يتم استخدام المدخلات الموجبة غير المعكوسة فهذا متصل بأرض مشتركة أو طرف جهد صفري، ولكنّ تأثير دائرة التغذية المرتدة للحلقة المغلقة ينتج عنه جهد الجهد عند المدخل المعكوس مساوياً لذلك في المدخلات غير العاكسة، والتي تنتج نقطة تجميع “Virtual Earth” لأنّها ستكون بنفس الإمكانات مثل المدخلات المرجعية المؤرضة، وبعبارة أخرى يصبح جهاز “op-amp” مضخماً تفاضلياً.

• “Rin” هي اختصار لـ “Input Resistor”.

• “DC” هي اختصار لـ “direct current”.

• “op-amp” هي اختصار لـ “operational amplifier”.

• “AVO” هي اختصار لـ “Audio-Visual Object”.

مبدأ عمل المضخم التشغيلي المعكوس Inverting Operational Amplifiers

في دائرة مكبر الصوت العكسي هذا يتم توصيل مكبر الصوت التشغيلي بتغذية مرتدة لإنتاج عملية حلقة مغلقة، وعند التعامل مع مضخمات التشغيل هناك قاعدتان مهمتان للغاية يجب تذكرهما حول مكبرات الصوت العاكسة، وهما:

• لا يوجد تيار يتدفق إلى طرف الإدخال.

• وأنّ “V1” يساوي دائماً “V2”.

ومع ذلك في دوائر “op-amp” في العالم الحقيقي يتم كسر كل من هذه القواعد بشكل طفيف، وهذا لأنّ تقاطع إشارة الإدخال وردود الفعل “X” له نفس احتمالية الإدخال الموجب “+”، والذي يكون عند صفر فولت أو الأرض ثم التقاطع هو “أرض افتراضية”، وبسبب هذه العقدة الأرضية الافتراضية تكون مقاومة إدخال مكبر الصوت مساوية لقيمة المقاوم المدخل، ويمكن ضبط “Rin” وكسب الحلقة المغلقة للمضخم العكسي بنسبة اثنين من المقاومات الخارجية.

كما أنّ هناك قاعدتين مهمتين للغاية يجب تذكرهما حول مكبرات الصوت المقلوبة أو أي مضخم تشغيلي لهذه المسألة وهما:

• لا يوجد تدفقات تيار في أطراف الإدخال.

• جهد الإدخال التفاضلي هو صفر، حيث أنّ “V1 = V2 = 0” أي (الأرض الافتراضية).

ثم باستخدام هاتين القاعدتين يمكن اشتقاق المعادلة لحساب كسب الحلقة المغلقة لمضخم عكسي باستخدام المبادئ الأولى، كما تشير العلامة السالبة في المعادلة إلى انعكاس إشارة الناتج فيما يتعلق بالإدخال لأنّه “180 درجة” خارج الطور، وهذا بسبب ردود الفعل السلبية من حيث القيمة.

كما تُظهر معادلة جهد الناتج “Vout” أيضاً أنّ الدائرة خطية بطبيعتها لكسب مكبر صوت ثابت مثل “Vout = Vin x Gain”، كما يمكن أن تكون هذه الخاصية مفيدة للغاية لتحويل إشارة مستشعر أصغر إلى جهد أكبر بكثير، كما أنّه هناك تطبيق مفيد آخر للمضخم العكسي هو تطبيق دارة “مضخم المقاومة”، ومضخم المقاومة المعروف أيضًا باسم “مضخم المقاومة” هو في الأساس محول التيار إلى الجهد أي التيار “الداخل” والجهد “الخارج”.

كما يمكن استخدامها في التطبيقات منخفضة الطاقة لتحويل تيار صغير جداً يتم إنشاؤه بواسطة الصمام الثنائي الضوئي أو جهاز الكشف عن الصور وما إلى ذلك، وإلى جهد ناتج قابل للاستخدام يتناسب مع تيار الإدخال، كما يشير هذا إلى أنّ كسب الجهد للمضخم العكسي يتم تحديده من خلال نسبة المقاوم التغذية المرتدة إلى المقاوم المدخل مع علامة الطرح التي تشير إلى انعكاس الطور.

وعلاوة على ذلك تجدر الإشارة إلى أنّ معاوقة الإدخال لمكبر الصوت العكسي ليست سوى “Ri”، وتعرض مكبرات الصوت العاكسة خصائص خطية ممتازة تجعلها مثالية كمضخمات للتيار المستمر، وعلاوةً على ذلك غالباً ما يتم استخدامها لتحويل تيار الإدخال إلى جهد الناتج في شكل “Transres Resistance” أو “Transimpedance Amplifiers”، وعلاوةً على ذلك يمكن أيضاً استخدامها في أجهزة مزج الصوت عند استخدامها في شكل مضخمات جمع.

تطور المضخم التشغيلي المعكوس Inverting Operational Amplifiers

في دائرة مكبر الصوت العكسي يتلقى مضخم التشغيل المقلوب المدخلات من ناتج مكبر الصوت، حيث بافتراض أنّ “op-amp” مثالي، وتطبيق مفهوم الاختصار الافتراضي عند أطراف الإدخال الخاصة بـ “op-amp”، فإنّ الجهد عند الطرف العكسي يساوي الطرف غير العكسي، كما يتم توصيل المدخلات غير المعكوسة لمكبر التشغيل بالأرض.

ونظراً لأنّ كسب المرجع نفسه مرتفع جداً وأنّ الناتج من مكبر الصوت لا يتجاوز بضعة فولتات فهذا يعني أنّ الفرق بين طرفي الإدخال صغير للغاية ويمكن تجاهله، ونظراً لأنّ المدخلات غير العكسية لمضخم التشغيل يتم الاحتفاظ بها عند الإمكانات الأرضية، فهذا يعني أنّ الإدخال المعكوس يجب أن يكون فعلياً على الأرض المحتملة.

كما يُعد مكبر الصوت التشغيلي العكسي هو العمود الفقري للإلكترونيات التماثلية، ومكبر الصوت التشغيلي هو مكون إلكتروني مقترن بالتيار المستمر، ويضخم الجهد من المدخلات التفاضلية باستخدام ردود الفعل المقاومة وكما تشتهر “Op-Amps” بتعدد استخداماتها، حيث يمكن تهيئتها بعدة طرق ويمكن استخدامها في جوانب مختلفة.

كما تتكون دائرة “op-amp” من عدد قليل من المتغيرات مثل عرض النطاق الترددي والمدخلات ومقاومة الناتج، وهناك الكثير من المكبرات الصوتية المتاحة في حزم الدوائر المتكاملة “IC” المختلفة وبعض أجهزة “op-amp ic” يتوفر فيها مكبرين أو أكثر في حزمة واحدة، و”LM358″ و”LM741″ و”LM386″ هي بعض الدوائر المتكاملة المستخدمة بشكل شائع.

• “IC” هي اختصار لـ “Integrated circuit”.