آشنایی با تقویت کننده غیر وارون گر

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز، در این مقاله، درباره تقویت کننده غیر وارون گر (Non-inverting Operational Amplifier) یا غیر معکوس کننده آشنا می‌شویم.

تقویت کننده غیر وارون گر


کنترل فیدبک تقویت کننده عملیاتی غیر معکوس کننده، با اعمال یک بخش کوچک از سیگنال ولتاژ خروجی و سپس وارد کردن آن به ترمینال ورودی معکوس از طریق شبکه مقسم ولتاژ Rf–R۲به دست می‌آید و دوباره فیدبک منفی تولید می‌کند. این پیکربندی حلقه‌بسته، به یک مدار تقویت‌کننده معکوس با پایداری مناسب و امپدانس ورودی بسیار بالای Rin (تقریباً بی‌نهایت) می‌انجامد و جریانی به ترمینال ورودی مثبت آن وارد نمی‌شود (شرایط ایده‌آل). همچنین، امپدانس خروجی Routآن کم است.

مدار این تقویت‌کننده در شکل زیر نشان داده شده است.

 در تقویت‌کننده معکوس‌کننده  برای یک آپ‌امپ ایده‌آل، جریانی به ورودی تقویت‌کننده وارد نمی‌شود و ولتاژ‌های V۱و V۲ با هم برابر هستند. این به آن دلیل است که نقطه مشترک محل برخورد ورودی و فیدبک V۱پتانسیل یکسانی دارند.

به عبارت دیگر، نقطه اشتراک، یک نقطه جمع زمین مجازی است. به دلیل این نقطه زمین مجازی، مقاومت‌های Rfو R۲یک شبکه مقسم ولتاژ ساده را می‌سازند که شکل آن به صورت زیر است.



در نتیجه، با استفاده از فرمول محاسبه ولتاژ خروجی یک شبکه مقسم ولتاژ، می‌توانیم بهره ولتاژ حلقه‌بسته Avتقویت‌کننده غیرمعکوس را به صورت زیر به دست آوریم:



در نقطه جمع ایده‌آل، تساوی V۱=VINرا داریم. همچنین، بهره ولتاژ AV برابر با VOUT/VINاست. در نتیجه، داریم:‌


بنابراین، بهره ولتاژ حلقه‌بسته یک تقویت‌کننده عملیاتی غیرمعکوس را می‌توان به صورت زیر نوشت:



از معادله بالا می‌بینیم که بهره حلقه‌بسته کلی یک تقویت‌کننده غیرمعکوس، همیشه بزرگتر یک خواهد بود. همچنین ماهیت آن مثبت بوده و با استفاده از نسبت مقادیر Rfبه R۲به دست می‌آید.

اگر اندازه مقاومت فیدبک Rfصفر باشد، بهره تقویت‌کننده دقیقاً برابر با یک خواهد بود. همچنین، اگر مقاومت R۲ صفر باشد، بهره به بی‌نهایت میل می‌کند، اما در عمل، به بهره تفاضلی حلقه‌باز تقویت‌کننده‌های عملیاتی (AO) محدود خواهد شد.
‌
می‌توانیم به سادگی با تغییر اتصالات ورودی یک تقویت‌کننده عملیاتی معکوس‌کننده، آن را به یک تقویت کننده غیر معکوس کننده تبدیل کنیم. شکل زیر این موضوع را به خوبی نشان می‌دهد.


دنبال‌کننده ولتاژ (بافر بهره واحد)

اگر مقاومت فیدبک Rfرا برابر با صفر (Rf=۰)، و مقاومت R۲ را برابر با بی‌نهایت (R۲=∞) قرار دهیم، آنگاه مدار بهره ثابت ۱ را خواهد داشت، زیرا کل ولتاژ در ترمینال ورودی معکوس کننده وجود خواهد داشت (فیدبک منفی). در این حالت، نوع خاصی از تقویت کننده غیر معکوس کننده خواهیم داشت که دنبال‌کننده ولتاژ (Voltage Follower) یا ولتاژ فالوئر، یا بافر بهره واحد نام دارد.

وقتی سیگنال ورودی مستقیماً به ورودی غیر معکوس کننده تقویت کننده وصل شود، سیگنال خروجی معکوس نمی‌شود، در نتیجه، ولتاژ خروجی برابر با ولتاژ ورودی خواهد بود (VOUT=VIN). به دلیل ویژگی‌های ایزولاسیون، مدار ولتاژ فالوئر گزینه ایده‌آلی برای بافر با بهره واحد است.

مزیت دنبال کننده ولتاژ با بهره واحد این است که می‌توان زمانی از آن استفاده کرد که تطبیق امپدانس یا ایزوله‌سازی مهم‌تر از تقویت‌کنندگی باشد. امپدانس ورودی مدار دنبال کننده ولتاژ بسیار بزرگ و معمولاً بزرگ‌تر از ۱ مگااهم است. این مقدار برابر با حاصل‌ضرب مقاومت ورودی تقویت کننده عملیاتی و بهره آن (Rin×AO) است. همچنین، امپدانس خروجی این مدار بسیار کم است، زیرا آپ امپ ایده‌آل فرض شده است.

شکل زیر مدار ولتاژ فالوئر غیر معکوس کننده را نشان می‌دهد.



در این پیکربندی مدار غیر معکوس کننده، امپدانس ورودی Rinبه بی‌نهایت افزایش می‌یابد و امپدانس فیدبک Rf به صفر کاهش پیدا می‌کند. خروجی مستقیماً به ورودی معکوس کننده منفی بر می‌گردد و به همین دلیل، فیدبک صددرصد بوده و Vin دقیقاً برابر با Vout است که منجر به بهره ثابت یک خواهد شد. از آنجایی که ولتاژ ورودی Vinبه ورودی غیرمعکوس کننده اعمال می‌شود، بهره تقویت‌کننده برابر خواهد بود با:


به دلیل آنکه جریانی به ترمینال ورودی غیر معکوس کننده وارد نمی‌شود، امپدانس ورودی بی‌نهایت است (آپ امپ ایده‌آل) و همچنین، جریانی در حلقه فیدبک برقرار نمی‌شود. در نتیجه می‌توان هر مقدار مقاومتی را در حلقه فیدبک قرار داد، بدون اینکه اثری بر مشخصه مدار داشته باشد، زیرا پارامتر‌های جریان، ولتاژ و توان آن صفر هستند.

از آنجایی که جریان ورودی صفر است، توان ورودی صفر خواهد بود و ولتاژ فالوئر می‌تواند بهره توان بالاتری داشته باشد. البته در اغلب مدار‌های بافر با بهره واحد، یک مقاومت با مقدار کوچک (معمولاً یک کیلواهم) برای کاهش هرگونه افست جریان نشتی ورودی لازم است.

دنبال‌کننده ولتاژ یا بافر بهره واحد، نوع خاص و بسیار مفیدی از مدار تقویت کننده غیر معکوس کننده است که معمولاً در الکترونیک برای ایزوله کردن مدار‌ها از یکدیگر، به ویژه در فیلتر‌های اکتیو مرتبه بالاتر یا سالن-کی (Sallen–Key) به منظور جداسازی طبقات فیلتر از یکدیگر به کار می‌رود. آی‌سی‌های بافر دیجیتال رایج موجود در بازار، ۷۴LS۱۲۵با چهار بافر سه حالته یا نوع رایج‌تر آن، ۷۴LS۲۴۴هشت بافر هستند.

بهره ولتاژ حلقه‌بسته یک مدار دنبال‌کننده ولتاژ، واحد یا ۱ و بهره ولتاژ حلقه‌باز یک تقویت‌کننده عملیاتی بدون فیدبک، بی‌نهایت است. بنابراین، با انتخاب دقیق اجزای فیدبک می‌توانیم مقدار بهره یک آپ امپ غیر معکوس کننده را از یک تا بی‌نهایت تغییر دهیم.

 

منبع: فرادرس