اجرای منبع تغذیه تنظیم شده خطی قابل تنظیم و ژنراتور سیگنال با تقویت کننده عملیاتی

آپ آمپر یک قطعه الکترونیکی با سود بالا است که عمدتا برای تقویت سیگنال های ولتاژ استفاده می شود.این یک تقویت کننده دیفرانسیل است و خروجی به تفاوت ولتاژ بین دو ورودی (مثبت + و منفی -) بستگی دارد.تقویت کننده عملیاتی دارای ویژگی های افزایش بالا است. در شرایط ایده آل، افزایش حلقه باز بسیار بالا است (به طور نظری نزدیک به بی نهایت). هنگامی که مقاومت ورودی بالا است،تقریباً جریان ورودی را جذب می کند و از تداخل با مدار جلو جلوگیری می کند. هنگامی که مقاومت خروجی پایین است، می تواند به طور مستقیم مدار پس از مرحله را هدایت کند، و می تواند ورودی دوگانه و خروجی واحد را اجرا کند. خروجی = سود × ( ورودی مثبت - ورودی منفی).

کاربردها و انواع رایج تقویت کننده های عملیاتی
کاربردهای متداول تقویت کننده های عملیاتی شامل تقویت کننده های ولتاژ، فیلترها (پاس پایین، پاس بالا، باند پاس) ، مقایسه کننده های سیگنال (مرتبط به مقایسه کننده ها) ، یکپارچه کننده ها و تفاوت ها،بافرها (پیروان ولتاژ)، محاسبات آنالوگ (جمع، کسر، ادغام و غیره) مدارهای رایج شامل تقویت کننده های اینورتر، با ورودی متصل در انتهای اینورتر و عملکرد تقویت معکوس،و تقویت کننده های فازی، با ورودی متصل در انتهای مثبت و خروجی و ورودی در همان فاز. در مدار دنبال کننده ولتاژ، ورودی فاز مثبت = خروجی،ارائه تبدیل امپدانس بدون تقویت ولتاژ.

نمونه هایی از مدارهای تقویت کننده در فاز
نمونه هایی از مدارهای تقویت کننده در فاز

مدار تقویت کننده فازی در شکل بالا به عنوان مثال گرفته شده است. افزایش حلقه بسته توسط مقاومت بازخورد Rf و تقسیم کننده ولتاژ Rg تعیین می شود.سیگنال ورودی و سیگنال خروجی تقویت کننده در فاز در همان فاز هستند.

نمونه هایی از مدارهای تقویت کننده معکوس
نمونه هایی از مدارهای تقویت کننده معکوس

به عنوان مثال مدار تقویت کننده اینورتر در شکل بالا را در نظر بگیرید. فرض کنید که این مدار تقویت کننده از یک تقویت کننده ایده آل استفاده می کند،افزایش حلقه بسته توسط مقاومت بازخورد Rf و مقاومت ورودی Rin تعیین می شود.تفاوت فاز بین سیگنال ورودی و سیگنال خروجی تقویت کننده اینورتر 180 درجه است.

طراحی منبع برق تنظیم شده خطی با تقویت کننده عملیاتی
هدف از منبع برق تنظیم پذیر خطی تنظیم شده این است که ولتاژ خروجی پایدار و تنظیم پذیر را فراهم کند و خروجی حتی اگر ولتاژ ورودی یا بار تغییر کند نیز پایدار باقی می ماند.ساختار اساسی منبع برق تنظیم شده خطی شامل یک منبع ولتاژ مرجع (مانند TL431)، دیود زنر یا آی سی مرجع دقیق) ، یک تقویت کننده خطا ( تقویت کننده عملیاتی) ، یک جزء تنظیم کننده (معمولا BJT قدرت یا MOSFET) ،یک شبکه تقسیم کننده ولتاژ مقاومت بازخورد (تنظیم ولتاژ خروجی).

نمونه ای از یک مدار برق تنظیم شده خطی
نمونه ای از یک مدار برق تنظیم شده خطی

به عنوان مثال مدار برق خطی قابل تنظیم در شکل بالا، هسته این مدار از LM358، دیود تنظیم کننده، تریود و مدار بازخورد منفی تشکیل شده است.R9 و D9 یک مدار ثبات ولتاژ را تشکیل می دهندولتاژ وقفه D9 2.5V است. به دلیل مقاومت ورودی بالا تقویت کننده عملیاتی، به دیود تثبیت ولتاژ برای ارائه جریان زیادی نیاز ندارد. در این زمان،IN1+ تقویت کننده عملیاتی 2 است.5V تقویت کننده عملیاتی، تریود، R12 و RP3 یک حلقه بازخورد منفی را تشکیل می دهند. محدوده ولتاژ محاسبه شده باید بین 2.5V و 15V باشد.از آنجایی که ولتاژ واقعی منبع تغذیه تقویت کننده عملیاتی ± 12V است، از جدول داده ها معلوم است که سوئیچ خروجی تقویت کننده عملیاتی نسبت به ریل قدرت 1.35V تا 1.61V است. حداکثر ولتاژ Vce D882 0.5V است.حداکثر محدوده خروجی محاسبه شده Vout باید بین 9.89V و 10.15V. بنابراین، محدوده ولتاژ خروجی واقعی باید بین 2.5V و 10.15V باشد.

توجه به ثبات ولتاژ مرجع در هنگام طراحی مدار برق تنظیم شده خطی باید داشته شود.از منبع مرجع با دمای پایین و ثبات بالا (مانند TL431 یا LM4040) استفاده می شود.در هنگام انتخاب نوع تقویت کننده عملیاتی، محدوده ولتاژ خروجی باید پایان خروجی را پوشش دهد (ریل به ریل) ، با ولتاژ کم آفست و ویژگی های کم حرکت.هنگام انتخاب نوع اجزای قدرت، BJT یا MOSFET مناسب باید با توجه به جریان خروجی انتخاب شود تا از تبعید گرما و محدوده کار ایمن آن اطمینان حاصل شود. همچنین باید به حفاظت و ثبات حرارتی توجه شود.برای جریان بالابرای تنظیم مقاومت بازخورد، از بخارگر استفاده می شود و تعویض RC برای جلوگیری از نوسان در نظر گرفته می شود.برای بهبود ثبات و قابلیت ضد سر و صدا، از ارزش های مقاومت R1 و R2 بیش از حد بالا (در محدوده چندین k Ω توصیه می شود) اجتناب می شود.. و ولتاژ ورودی باید بالاتر از ولتاژ خروجی حداکثر + VCE (پرداخت ولتاژ اشباع شده) یا Vds (MOSFET) باشد.مقاومت نمونه گیری فعلی و مقایسه ثانویه می تواند برای تحقق عملکرد حفاظت از بیش از حد اضافه شود.

این طراحی دارای ویژگی های تنظیم دقیق ولتاژ خروجی، تولید گرما بالا از ترانزیستور قدرت، بهره وری پایین (خصوصیات خطی) ، نویز پایین و پاسخ سریع است.تنها در شرایطی که ولتاژ ورودی بالاتر از ولتاژ خروجی باشد قابل استفاده است، ساختار ساده، ادغام آسان، و مکانیسم حفاظت و تبعید گرما خوب برای استفاده از قدرت بالا مورد نیاز است.