آپ امپ و کاهش نویز

آپ  امپ operationai amplifier

ایده به کارگیری تقویت کننده‌های عملیاتی یا آپ امپ اولین بار در دهه ۱۹۴۰ میلادی و در مدار کامپیوترهای آنالوگ مطرح شد. در این کاربرد با قرار دادن عناصر مختلف بین سرهای ورودی و خروجی تقویت کننده عملیاتی مدارهای مختلف با کارایی‌های متفاوت طراحی می‌شد. با گسترش دامنه کاربرد الکترونیک، استفاده از تقویت کننده عملیاتی نیز توسعه فراوان یافت. در سال ۱۹۶۰ میلادی اولین بار تقویت کننده عملیاتی به صورت مدار مجتمع طراحی و ساخته شد و با حجم، وزن و قیمت به مراتب کمتر به بازار مصرف ارائه گردید. پیشرفت فناوری و مطرح شدن نیازهای متنوع تر و تخصصی تر، زمینه را برای عرضه تقویت کننده‌های عملیاتی خاص فراهم نمود. تقویت کننده عملیاتی در واقع یک تقویت کننده ولتاژ با بهره ولتاژ بسیار بالاست و معمولاً دارای یک سر خروجی و دو سر ورودی است که سرهای ورودی به صورت تفاضلی عمل می‌کنند. به عبارت دیگر این تقویت کننده اختلاف ولتاژ بین ورودی را تقویت می‌کند. یکی از دو سر، ورودی منفی (-) یا معکوس کننده نام دارد، زیرا تقویت کننده برای ورودی‌های اعمال شده به این سر دارای بهره منفی خواهد بود. سر دیگر ورودی مثبت (+) یا غیر معکوس کننده‌است و سیگنال‌های ورودی به این سر، در خروجی با بهره مثبت ظاهر می‌شوند. این تقویت کننده دارای مقاومت خروجی بسیار کوچک (حدود چند اهم) بوده و از مقاومت ورودی بسیار بزرگی (بیش از چند صد کیلو اهم) برخورداراست. چون تقویت کننده عملیاتی یک قطعه فعال است برای تأمین انرژی مصرفی و بایاس ترانزیستورهای داخلی خود به تغذیه dc نیاز دارد.

پایه های آپ امپ

پایه های 4و7 پایه های تغذیه منفی و مثبت آی سی هستند.

پایه های 2و3 پایه های ورودی معکوس کننده و معکوس نکننده آی سی هستند.

پایه 6 پایه خروجی است.

پایه های 1و5 پایه های تغییر دهنده سطح  دی سی خروجی آی سی هستند که توسط آن‌ها می‌توان سطح  دی سی خروجی را تغییر داد. این کار را می توان با قرار دادن یک پتانسیومتر بین این دو پایه انجام داد.

پایه 8 به جایی وصل نیست و برای اتصال دو عنصر به عنوان گره به کار می رود .

تقویت کننده ایده آل:

بهره ولتاژ بینهایت دارد.

مقاومت خروجی صفر دارد.

مقاومت ورودی بینهایت دارد.

پهنای باند بینهایت دارد.

در حالی که هیچ‌یک از فرض‌های فوق با خواص تقویت کننده عملیاتی واقعی مطابقت کامل ندارد، اما نتایج به دست آمده از تجزیه و تحلیل مدارهای با مدل ایده‌آل، در فرکانس‌های پایین به نتایج واقعی بسیار نزدیک هستند.

تقویت کننده عملیاتی واقعی

در عمل، تقویت کننده عملیاتی نمی‌تواند دارای همه خصوصیات یاد شده در مورد حالت ایده‌آل آن باشد. چرا که تقویت کننده عملیاتی، خود از به هم پیوستن چند طبقه تقویت کننده ترانزیستوری (در ادامه مطلب اشاره شده‌است.) به وجود آمده‌است و ناگزیر دارای محدودیت‌هایی در بهره ولتاژ، مقاومت ورودی، جریان خروجی و… است. گرچه این‌گونه محدودیت‌ها که در تقویت کننده عملیاتی معمولی وجود دارند اساس طراحی‌های انجام شده بر مبنای حالت ایده‌آل را بر هم نمی‌زنند و فقط نتایج را با تقریب روبه رو می‌سازند، ولی تقویت کننده عملیاتی خاص با کارآیی بالا نیز در بازار یافت می‌شوند که در بعضی خصوصیت‌ها به وضعیت ایده‌آل بسیار نزدیک بوده و می‌تواند در طرح‌های ویژه به کار گرفته شوند. مثلاً تقویت کننده‌های عملیاتی ای ساخته می‌شوند که دارای سرعت زیاد، جریان خروجی زیاد و مقاومت ورودی بزرگ هستند. شناخت محدودیت‌های تقویت کننده عملیاتی واقعی نه تنها در درک عمیق تر عملکرد مدارهای طراحی شده با این تقویت کننده عملیاتی ما را یاری می‌کند، بلکه برای انتخاب تقویت کننده عملیاتی مناسب برای یک طرح مورد نظرنیزضرورت دارد.

تقویت کننده عملیاتی به عنوان مقایسه کننده (آپ امپ بدون فیدبک)

هنگامی که ولتاژ پایه مثبت (معکوس نکننده) از ولتاژ پایه منفی (معکوس کننده) بیشتر باشد، خروجی آپ امپ، برابر با تغذیه مثبت می‌شود (تغدیه مثبت در خروجی ظاهر می‌شود.)

و هنگامی که ولتاژ پایه مثبت (معکوس نکننده) از ولتاژ پایه منفی (معکوس کننده) کمتر باشد، خروجی آپ امپ، برابر با تغذیه منفی می‌شود (تغدیه منفی در خروجی ظاهر می‌شود.)

کاربردهای تقویت کننده

تقویت کننده معکوس نکننده

تقویت کننده معکوس کننده و قدرتمند

ساخت بافر به کمک آپ امپ

در این حالت بهره ولتاژ برابر یک است. مقاومت ورودی این مدار با توجه به صفر بودن جریان ورودی سر مثبت، برابر بی نهایت است. ملاحظه می‌شود که تقویت کننده فوق همه شرایط یک بافر را داراست (بهره ولتاژ یک، مقاومت ورودی بی نهایت و مقاومت خروجی صفر) و به همین دلیل در بسیاری از کاربردها به عنوان یک مدار بافر تقریباً ایده‌آل مورد استفاده قرار می‌گیرد. این مدار را ولتاژ فالوئر نیز می‌نامند، زیرا ولتاژ خروجی آن همواره ولتاژ ورودی را دنبال می کند.

ساخت جمع کننده به کمک آپ امپ

هریک از تقویت کننده‌های با بهره منفی یا مثبت را با اضافه کردن چند مقاومت در ورودی مطابق شکل می‌توان به مدار جمع کننده تبدیل کرد .

تقویت کننده تفاضلی

منظور از تقویت کننده تفاضلی، تقویت کننده‌ای است که در خروجی آن تفاضل دو سیگنال ورودی با بهره معینی ظاهر می‌شود. در تقویت کننده‌های تفاضلی، معمولاً مقدار متوسط سیگنال‌های ورودی نیز تقویت شده و به صورت یک مولفه نا خواسته در خروجی ظاهر می‌شود. در یک تقویت کننده تفاضلی ایده‌آل این مولفه در خروجی صفر است

 مدار انتگرال گیر

این مدار شکل موج مربعی را به شکل موج دندانه اره‌ای تبدیل می‌کند و در اسیلوسکوپ کاربرد دارد.

مدار مشتق گیر

کاربردهای غیر خطی(لگاریتمی و آنتی لگاریتمی(نمایی))

تقویت کننده لگاریتمی

 تقویت کننده آنتی لگاریتمی(نمایی)

کاربرد آپ امپ در طراحی فیلترهای اکتیو

از آپ امپ می‌توان در ساخت فیلترهای آنالوگ اکتیو استفاده کرد. نمونه‌ای از این دست فیلتر را در ذیل می‌بینید

فیلتر بالاگذر از نوع سالن کی

آپ امپ با فیدبک مثبت

هنگامی که پایه خروجی به طرقی به ورودی معکوس نکننده متصل باشد، مدار کاربرد تقویت کنندگی ندارد. با این روش می‌توان مدارهای نظیر مونواستابل، آستابل، بای استابل و اشمیت تریگر ساخت.

تنظیم کننده با تقویت کننده عملیاتی

گرچه استفاده از تنظیم کننده‌های ولتاژ ساده در بسیاری از سیستم‌های الکترونیکی ارزان قیمت متداول است، ولی در منابع تغذیه تجاری که تنظیم ولتاژ بهتر و دقیق تر و نیز ولتاژ خروجی قابل تغییر مورد نیاز است

ژیراتور

در طراحی فیلترهای غیر فعال، به دلیل استفاده از سلف، مدارها بسیار سنگین، بزرگ و گران می‌شوند و دارای   تلفات نیز هستند. به همین دلیل استفاده از فیلترهای فعال که در آن از سلف استفاده نمی‌شود دارای مزیت می‌باشد. یکی از انواع فیلترهای فعال، فیلتری است که در آن از ژیراتور استفاده می‌شود. در این روش ابتدا فیلتر غیر فعال را سنتز کرده سپس به جای سلف از ژیراتور که ترکیبی از مقاومت و خازن و تقویت کننده عملیاتی است،راجایگزین میکنیم.

مبدل امپدانس منفی

منظور از مبدل امپدانس منفی، مداری است که بتواند با استفاده از مقاومت‌های معمولی در دو سر ورودی خود یک مقاومت منفی ایجاد کند.

برای داشتن امپدانس منفی، می‌توان به جای مقاومت از سلف یا خازن استفاده کرد

از مبدل مقاومت منفی می‌توان در طراحی منبع جریان ایده‌آل با تقویت کننده عملیاتی استفاده نمود

یکسو ساز دقیق

 با استفاده از تقویت کننده عملیاتی و دیود می‌توان یک، یکسو ساز تقریباً ایده‌آل ساخت

توضیح: هنگامی که ولتاژ ورودی کوچک تر از صفر باشد دیود خاموش است و فیدبک منفی برقرار نمی‌شود پس ولتاژ خروجی صفر است. و هنگامی که ولتاژ ورودی بزرگ تر از صفر باشد دیود روشن می‌شود فیدبک منفی برقرار می‌شود و ولتاژ خروجی، برابر ولتاژ ورودی می‌شود

 کامپیوتر آنالوگ

کامپیوتر آنالوگ به عنوان یک وسیله دقیق قادر است رفتار یک سیستمفیزیکی را که به صورت یک مجموعه معادلات دیفرانسیل و انتگرال قابل توصیف باشد پیش بینی و شبیه سازی نماید. برنامه نویسی چنین کامپیوتری عبارت است از به کارگیری تعدادی تقویت کننده عملیاتی برای انجام عملیاتی که در معادلات توصیف کننده سیستم مورد استفاده قرار گرفته‌اند. یک کامپیوتر آنالوگ واقعی، علاوه بر تقویت کننده عملیاتی شامل مقاومتها و خازنهای دقیق، مولد شکل موج‌های مختلف برای تأمین ورودی‌های گوناگون، وسایلی برای اعمال شرایط اولیه، پتانسیومتر دقیق برای وارد نمودن ثابت‌های قابل تغییر، کلیدهایی برای کنترل عملیات، اسیلوسکوپ جهت نمایش خروجی و یک صفحه اتصالات، جهت به هم بستن قطعه‌های مختلف موجود در برنامه‌است. در مدارهای کامپیوترآنالوگ معمولاً از مشتق گیر استفاده نمی‌شود، زیرا اغتشاش که در همه وسایل الکترونیکی وجود دارد، دارای تغییرات زمانی زیاد(مشتق بزرگ) است در حالی که انتگرال آن در طول زمان معمولاً صفر می‌شود. بنا براین سعی می‌شود طراحی بر مبنای انتگرال گیر انجام شود. یک کاربر ماهر می‌تواند به کمک کامپیوتر آنالوگ یک سیستم فیزیکی را دقیقاً شبیه سازی نماید

همانطور که گفتیم یکی از کاربردهای آپ امپ در ساخت فیلترهای فعال یا اکتیو می باشد. در ادامه درباه فیلتر بحث می کنیم.

فیلترکردن

فیلتر برای گزینش استفاده می شود. در مهندسی برق فیلتر مداری است که از آن برای حذف محدوده فرکانس خاص یا برای عبور محدوده فرکانس خاص استفاده می شود. یک فیلتر یا صافی چای، اجازه عبور چای را می دهد، اما جلوی تفاله را می گیرد. باید ببینیم یک فیلتر با سیگنال ها چه می کند. همانطور که از تبدیل فوریه می دانید، غالب سیگنال ها از مجموعه ای از سیگنالهای سینوسی با فرکانس های مختلف ساخته می شوند و یا به بیان دیگر هر سیگنال مجموعه ای از سیگنالهای سینوسی را در دل خود دارد. فیلتر ها بسته به نوعشان اجازه عبور بخشی از این فرکانس ها را می دهند و جلوی تعدادی از فرکانس ها را می گیرند

ضرورت فیلتر کردن:

حذف نویز و فرکانس های ناخواسته :

گاهی سیگنال اصلی با نویز همراه است، این نویز از محیط اطراف به سیگنال اضافه می شود. این اضافه شدن ممکن است از طریق امواج الکترومغناطیسی و یا ارتباط مسی با تجهیزات اطراف باشد. برای مثال نویز منابع تغذیه سوئیچینگ، یک منبع فرکانس های ناخواسته است. اگر سیگنال های تولیدی ما دقیق نباشند، منشا فرکانس های ناخواسته و یا هارمونیک های سیگنال اصلی می شوند. ما با قرار دادن فیلتر مناسب فرکانسهای ناخواسته را حذف می کنیم

جلوگیری از تداخل :

برای پردازش دیجیتال سیگنال ها لازم است، از سیگنال نمونه برداری شود. فرکانس نمونه برداری طبق قانون نایکوئیست باید حداقل دو برابر بالاترین فرکانس موجود در سیگنال باشد. اگر کمتر از این فرکانس از سیگنال نمونه  برداری شود، تداخل رخ میدهد. تداخل باعث اشتباه در برداشت سیگنال ورودی شده و نتایج بعدی با اشتباه همراه خواهند بود .در صورتی که تداخل نداشته باشیم، با فیلتر کردن طیف سیگنال گسسته می توانیم، طیف سیگنال پیوسته را استخراج و آن را بازسازی کنیم. اما در صورت تداخل این کار میسر نیست و خطا دارد.
برای جلوگیری از تداخل می توان پهنای باند سیگنال را با فیلتر مناسب محدود و با اینکار حداکثر فرکانس موجود در سیگنال را کاهش داد و پس از آن از سیگنال نمونه برداری کرد. توجه داشته باشید، کاهش دادن پهنای باند یک سیگنال از کیفیت سیگنال می کاهد، اما در خیلی از موارد پاسخگوی نیاز ما است.

انواع فیلتر:

فیلتر پایین گذر: فیلتری استکه از فرکانس معینی به پایین را به راحتی از خود عبور میدهد.این فیلتر فرکانسهای خیلی کم(صفر)تا فرکانس قطع را از خود عبور میدهد.برای نشان دادن محدوده ی عبور فرکانسها،از یک منحنی بنام منحنی پاسخ فرکانسی استفاده میشود.

فیلتربالا گذر:فیلتری است که از فرکانس معینی به بالا را به راحتی از خود به راحتی عبور میدهد

فیلتر میان گذر: فیلتری است که فقط محدوده که ف بین دو مقدار فرکانسی خاص را عبور می دهد.

فیلتر میان نگذر، فیلتری است فقط محدوده که ف بین دو مقدار فرکانسی خاص را عبور می دهد.

ساختمان فیلترها:

ساختمان بعضی از فیلترها از مقاومت اهمی،سلف و خازن تشکیل میشود،که به آنها فیلترهای غیر فعال میگویند

دسته ی دیگری از فیلترها،ازقطعات الکترونیک،سلف،خازن و مقاومت اهمی تشکیل میشوندکه به آنها فیلترهای فعال میگویند

تفاوت فیلترهای فعال و غیر فعال:

فیلترهای پسیو ناکارآمد نیستند
باید توجه کرد که فیلترهای اکتیو همیشه بهتر از فیلترهای پسیو نیستند. در واقع بهتر است هر جا که ممکن باشد از فیلترهای پسیو استفاده کرد چون این فیلترها مزایایی دارند

 نیازی به انتخاب و استفاده از آپ امپ نیست
ابعاد و سادگی مدار در فیلترهای پسیو خیلی بیشتر از فیلترهای اکتیو است

طراحی فیلترهای پسیو سر راست تر از فیلترهای اکتیو است.

مزایای فیلترهای فعال
فیلترهای فعال هم مزایای خود را دارند. اصلی ترین مزیت این فیلترها آن است که امپدانس ورودی زیاد و امپدانس خروجی پایین دارند. بنابراین فیلترهای اکتیو زمانی که منبع سیگنال امپدانس خروجی زیاد دارد و یا زمانی که خروجی فیلتر باید بار با امپدانس کم را درایو کند بسیار مناسب است
علاوه بر این فیلترهای اکتیو می توانند حالت تقویت کنندگی هم داشته باشند. بنابراین زمانی که سیگنالی علاوه بر فیلتر شدن نیاز به تقویت داشته باشد، فیلتر اکتیو گزینه مناسبی است

فیلترهای فعال سیگنال عبوری از آنها به واسطه ی وجود قطعات الکترونیک تقویت میشود، ولی در فیلترهای غیر فعال سیگنال عبوری تضعیف میشود.

فیلتر اکتیو چیست؟

یک فیلتر شبکه ای دو پورتی می باشد که در یک با ند فرکانسی خاص سیگنال را عبور داده و در فرکانس های  دیگر سیگنال را به شدت تضعیف خواهد کرد. در طراحی فیلتر اکتیو از کامپوننت های فعال مثل تقویت کننده ها استفاده می شود. دراین نوع فیلترها سیگنال ورودی تقویت شده و دامنه سیگنال خروجی از سیگنال ورودی بزرگتر می شودبزرگترین تفاوت فیلترهای اکتیو با پسیو در تقویت سیگنال می باشد. یکی از معایب فیلترهای پسیو آن است که دامنه سیگنال خروجی از ورودی کمتر بوده و در مدار تضعیف وجود دارد و گین مدار هیچ گاه از مقدار یک بزرگتر نمی شود. یکی از راه های غلبه بر این مشکلات تقویت سیگنال با استفاده از فیلترهای اکتیو است. فیلترهای اکتیو هم چنین می توانند پاسخ فرکانسی را تغییر دهند و پهنای باند را باریکتر و یا پهن تر کنند.

فیلترهای قدرت اکتیو:

فیلترهای قدرت اکتیو در سیستم های قدرت کار حذف هامونیک را انجام می دهند. لازم به ذکر است که این نوع فیلترها می توانند هارمونیک های بالا و پایین  را در سیستم های قدرت حذف کنند. فیلترهای قدرت پسیو ترکیبی از خازن ، سلف و مقاومت هستند و به منبع توان خارجی و یا المان فعال مثل ترانزیستور نیاز ندارند. این اختلاف باعث می شود که فیلترهای فعال بتوانند هارمونیک ها را خنثی سازند و بتوانند با اعمال توان با فاز معکوس در فرکانس مشابه هارمونیک ها را حذف کنند .متداول ترین نوع فیلتر اکتیو، فیلتر پایین گذر اکتیو است.  ساده ترین فرم آن از اتصال یک فیلتر پایین گذرشامل مقاومت و خازن به یک تقویت کننده اپ امپ به دست می آید.