مهندسی پزشکی

تقویت کننده های عملیاتی، تقویت کننده های کوپل مستقیم بوده، که دارای گین (Gian) خیلی زیادی می باشند. که مقدار این گین را با کمک مقاومت فیدبک ( مقاومتی که بخشی از ولتاژ و یا جریان خروجی را به ورودی منتقل می کند) می توان کنترل نمود. این تقویت کننده ها اکثراً در مدارات خطی بکار می روند و اغلب در مدارات غیرخطی نیز از آنها استفاده می شود. یک تقویت کننده عملیاتی ایده آل بایستی شرایط زیر را دارا باشد. 1) مقاومت ورودی آن بی نهایت باشد (Zi=Ri= ∞). 2) مقاومت خروجی آن صفر باشد (Zo=Ro= 0). 3) گین ولتاژ حلقه باز آن بی نهایت باشد (Av= -∞). 4) عرض باند آن بی نهایت باشد (BW= ∞). 5) هنگامی که اختلاف ولتاژ در ورودی صفر است، ولتاژ خروجی نیز صفر باشد. 6) منحنی مشخصه آن با درجه حرارت تغییر نکند. در شکل زیر نحوه قرار گیری بعضی از پارامترهای فوق در مدار معادل یک تقویت کننده عملیاتی را می بینید.   اما تحت تاثیر عوامل محیطی و طراحی و قطعات هیچ یک از پارامترهای فوق به شکل کامل قابل دسترسی نیست. و این تفاوت بین تقویت کننده های عملیاتی را باعث می شود. تقویت کننده های عملیاتی اکثراً بصورت مدار مجتمع ساخته می شوند. اتصالات تغذیه تقویت کننده های عملیاتی برای استفاده از رنج کامل تقویت کننده های عملیاتی، بایستی این تقویت کننده ها با دو منبع تغذیه بایاس شوند، که این عمل معمولاً با استفاده از دو منبع تغذیه مجزا صورت می گیرد. ولتاژ منبع اول نسبت به زمین (GND) برابر +VBB بوده در حالیکه ولتاژ منبع دوم نسبت به زمین برابر –VBB می باشد که غالباً مقدار این ولتاژها +15 ولت و -15 ولت انتخاب می شود. این عمل برای ایجاد بایاس کامل و بودن نقص می باشد. چرا که مدارات داخلی آی سی به گونه ای طراحی شده اند که جهت بدست آوردن بهترین دقت و ایجاد تقارن بین تقویت کنندگی مثبت و منفی نیاز به هر دو سطح منفی و مثبت ولتاژ می باشند. معمولاً تقویت کننده های عملیاتی جهت تغذیه دو پایه دارند، چون زمین به تقویت کننده عملیاتی وصل نمی شود و فقط ولتاژهای +VBB و –VBB به تقویت کننده عملیاتی متصل می شود. ولی با وجود این تمام اتصالاتی که بایستی زمین (GND) شوند، به نقطه بین دو منبع تغذیه زمین وصل می گردند. البته در تمامی مداراتی که طراحی می شوند امکان دریافت 2 سطح ولتاژ از منبع تغذیه امکان پذیر نیست. به همین دلیل طراحی گونه ای از ای سی ها به نحوی است که امکان پاسخ گویی با یک سطح ولتاژی را دارند. که در این وضعیت تنها یک سطح از ولتاژ ورودی (تنها مثبت و یا منفی) مورد پردازش قرار می گیرد. البته باز هم با بکارگیری شیوه هایی ولتاژ 0 مجازی ایجاد می کنند. به این ترتیب که ولتاژ مثبت و منفی تغذیه را به پایه های تغذیه آی سی متصل می کنند و توسط یک مدار جانبی و لتاژی برابر نصف ولتاژ تغذیه با امپدانس خروجی پایین ایجاد کرده و به عنوان ولتاژ مجازی صفر ولت بکار می برند. همچنین هر تقویت کننده عملیاتی دو ورودی دارد؛ یکی ورودی مثبت که با V+ و دیگری ورودی منفی که با V- نشان داده می شود. یک تقویت کننده از قطعات ساده مقاومت خازن دیود ترانزیستور یا FET ها ساخته می شود. تقریبا در بین انواع مختلف opamp ها اصولی در طراحی رعایت شده و پیکربندی نزدیکی دارند. هر بخش از opamp را می توان به شکل بلوکهای به هم متصل نشان داد. در شکل زیر مدار داخلی یک نمونه بسیار ساده که در ان تمامی این بخشها قابل روئیت است ، نشان داه شده است. این مدار از 2 ترانزیستور ورودی با اتصال تفاضلی تشکیل می شود که جریان تغذیه آن توسط شبکه ترانزیستور و دیود زنر و مقاومت در پایین شبکه تفاضلی ، بدست می آید. یک تقویت کننده امیتر مشترک نقش شبکه تقویت کنندگی و افزایش سطح ولتاژ را بازی می کند. توسط ترانزیستور PNP این سیگنال ضمن تطبیق امپدانس و بافر کردن وارد ترانزیستور بایاس شبکه پوش پول طبق آخر ، جهت رسیدن به قدرت مناسب و کاهش امپدانس خروجی می شود. شکل تقویت کننده های عملیاتی و قراردادها تقویت کننده های عملیاتی به دو صورت یکی با ولتاژ تغذیه و دیگری بدون ولتاژ تغذیه نشان داده می شوند. در شکل (ب) اتصالات منابع تغذیه که بالایی ولتاژ تغذیه مثبت (+VBB) و پایینی ولتاژ تغذیه منفی(-VBB) است نشان داده شده و در شکل (الف) اتصالات منابع تغذیه حذف شده است. که هر دو سمبل، نشان دهنده شکل تقویت کننده عملیاتی می باشد. در این سمبل ها یکی از ورودیها با علامت (+) و دیگری با علامت (-) مشخص شده است، که ورودی با علامت (+) را ورودی مثبت و ورودی با علامت (-) را ورودی منفی تقویت کننده عملیاتی گویند. ولتاژ تفاضلی تقویت کننده های عملیاتی ولتاژ تفاضلی تقویت کننده های عملیاتی بصورت زیر تعریف می شود. Vd= V+ - V- اختلاف ولتاژ بین ورودی مثبت و ورودی منفی تقویت کننده عملیاتی را ولتاژ تفاضلی گویند. تقویت کننده های عملیاتی اکثراً با گین تفاضلی (حلقه باز) مشخص می شوند، که معمولاً گین این تقویت کننده ها با ورودیهای DC و در فرکانس های خیلی کم، بیش از 100000 می باشد و مقدار این گین را با Ad نشان می دهند. ولتاژ خروجی تقویت کننده های عملیاتی در حالت ایده آل بصورت زیر می باشد. Vo= Ad (V+ - V-) = Ad . Vd بنابراین پاسخ خروجی تقویت کننده عملیاتی به اختلاف ولتاژ بین ورودیها بستگی دارد چرا که اساس تقویت کننده های عملیاتی، تقویت کننده های تفاضلی می باشند. در هنگام استفاده از تقویت کننده های عملیاتی، بایستی به پایه های ورودی مثبت و منفی آن دقت کافی داشت تا اشتباه وصل نشوند. ولتاژ اعمالی به پایه های ورودی مثبت و منفی تقویت کننده عملیاتی می تواند ولتاژی با دامنه مثبت یا منفی باشد. اگر ولتاژ به ورودی مثبت اعمال شود تقویت کننده عملیاتی در حالت ورودی مستقیم بوده و اگر ولتاژ به ورودی منفی اعمال شود، تقویت کننده عملیاتی در حالت ورودی معکوس خواهد بود. اشباع اگر ولتاژ خروجی تقویت کننده تحت تاثیر ورودیها در مقدار حداکثر و یا حداقل ولتاژ تغذیه آن برسد اشباع گویند. ولتاژ اشباع مثبت: ماکزیمم ولتاژ مثبتی که خروجی تقویت کننده عملیاتی می تواند داشته باشد، که در حالت ایده آل برابر ولتاژ تغذیه مثبت (+VBB) است، به ولتاژ اشباع مثبت تقویت کننده عملیاتی معروف است، که با +Vsat نشان می دهیم. در عمل جهت احتیاط ولتاژی حدود یک تا دو ولت کمتر از مقدار تغذیه را در نظر می گیرند. ولتاژ اشباع منفی: ماکزیمم ولتاژ منفی از نظر قدر مطلق که خروجی تقویت کننده عملیاتی می تواند داشته باشد، که در حالت ایده آل برابر ولتاژ تغذیه منفی(-VBB) است به ولتاژ اشباع منفی تقویت کننده عملیاتی معروف است که با –Vast نشان می دهیم. . در عمل جهت احتیاط ولتاژی حدود یک تا دو ولت بیشتر از مقدار تغذیه را در نظر می گیرند. چون در عمل تقویت کننده های عملیاتی ایده آل نیستند لذا ولتاژ اشباع مثبت همیشه کمتر از ولتاژ تغذیه مثبت بوده و ولتاژ اشباع منفی از نظر قدر مطلق کمتر از ولتاژ تغذیه منفی می باشد. |-Vsat|