انتخاب OP AMP مناسب

مقدمه

هزاران نوع از تقویت کننده‌ی عملیاتی در بازار ارائه می‌شوند. اما کدام یک برای کاربرد ویژه‌ی شما بهتر و کارآمد است؟ از طرفی برگه‌های اطلاعات (Datasheet) دارای اعداد و نمودارهای زیادی هستند و ممکن است برای دانشجویان و مهندسان تازه کار عجیب و غریب باشند.

از طرفی در طراحی مواردی وجود دارند که نادیده گرفته می‌شوند. برای مثال یک Op Amp را با ولتاژ و جریان مصرفی مناسب انتخاب کردیم و از سایر ویژگی‌ها مانند پهنای باند فرکانسی یا میزان نویز تولید شده چشم پوشی می‌کنیم. پس برای انتخاب مناسب باید به طور کامل نیازهای پروژه را در نظر بگیریم.

می‌دانیم که Op Amp ایده آل فاقد اعوجاج و نویز است. به این معنی بهره‌ی تقویت، مقاومت ورودی و پاسخ فرکانسی آن، نامحدود است و می‌تواند سیگنال ورودی با هر ولتاژی را دریافت کند. با این حال در واقعیت، Op Amp ایده آل وجود ندارد.

در این وبلاگ، به شما نشان می‌دهد که چگونه مشخصه‌های مهم تقویت کننده عملیاتی را بشناسید و با این روش می‌توانید Op Amp مناسب پروژه‌تان را انتخاب کنید. با اسکای‌تک همراه باشید.

مشخصه‌های Op Amp

حاشیه فاز (φm)

حاشیه فاز یا زاویه (Phase margin یا PM) اختلاف فاز بین سیگنال خروجی و ورودی یک سیستم (تابع فرکانسی سیستم) از ۱۸۰ درجه است که برحسب درجه بیان می‌شود.

این اصطلاح بیشتر در تقویت‌کننده‌های الکترونیکی و بحث پایداری سیستم‌های کنترل استفاده می‌شود. حاشیه فاز در فرکانسی اندازه‌گیری می‌شود که در آن مقدار تابع تبدیل سیستم برابر یک باشد و از قرار دادن این فرکانس در رابطه‌ی فاز تابع تبدیل و کم کردن آن از ۱۸۰ درجه، مقدار حاشیه فاز برحسب درجه به دست می‌آید.

حاشیه بهره (GM)

هر چه حاشیه بهره (GM) بیش‌تر باشد، سیستم پایدارتر است. حاشیه بهره میزانی از بهره است که می‌تواند بدون ایجاد ناپایداری سیستم، افزایش یا کاهش یابد و معمولاً به صورت قدر مطلق با یکای دسی بل بیان می‌شود.

معمولاً می‌توانیم حاشیه بهره را از نمودار Bode بخوانیم. این کار با محاسبه‌ی فاصله عمودی بین منحنی بزرگی Bode و محور افقی در فرکانس‌هایی که فاز منحنی برابر 180 درجه است، انجام می‌شود. این نقطه به فرکانس قطع فاز معروف است.

بهره‌ی حلقه باز (Av)

بهره ولتاژ سیگنال بزرگ که به عنوان بهره‌ی ولتاژ حلقه باز (بدون بازخورد) شناخته می‌شود، نسبت سیگنال خروجی به سیگنال ورودی در یک Op Amp است. این بهره‌ی حلقه باز بسیار بالاست و معمولاً دارای بیشینه‌ی بهره تا حدود 100000 است.

بهره‌ی ولتاژ تفاضلی (Avd)

بهره‌ی ولتاژ تفاضلی، بهره‌ای است که با اختلاف ولتاژ بین دو پایانه‌ی ورودی مرتبط است و با نسبت سیگنال خروجی به تفاضل سیگنال‌های ورودی بیان می‌شود.

پهنای باند بهره واحد

بازه‌ای از فرکانس‌های تقویت کننده است که در آن بهره‌ی تقویت برابر واحد است.

خازن ورودی (Cin)

بیانگر ظرفیت خازنی بین پایه‌های ورودی و ورودی زمین شده است.

نرخ حذف حالت مشترک (CMRR)

نرخ حذف حالت مشترک (common mode rejection ratio) شاخصی است که برای تعیین میزان توانایی Op Amp در حذف سیگنال‌های حالت مشترک استفاده می‌شود. 

حالت مشترک یعنی هر دو ورودی به طور هم‌زمان و هم‌فاز ظاهر می‌شوند. تقویت‌کننده‌ی تفاضلی ایده آل می‌تواند CMRR بی‌نهایت داشته باشد، امّا در عمل قابل دستیابی نیست.

این مشخصه برای کاربردهایی با سیگنال کم که از یک راه انداز تفاضلی برای کاهش نویز حالت مشترک استفاده می‌شود، مورد نیاز است. CMMR نسبت تقویت ولتاژ تفاضلی به تقویت ولتاژ حالت مشترک است و با تعیین نسبت تغییر در ولتاژ ورودی حالت مشترک به تغییر حاصل در ولتاژ آفست ورودی اندازه گیری می‌شود.

جریان تغذیه (ICC, +ICC-)

جریان تغذیه، جریان ورودی به پایه‌های VCC+ یا VCC- مدار مجتمع تقویت کننده عملیاتی است. یعنی سطوح جریان ریل تغذیه‌ی مثبت و منفی را نشان می‌دهد.

جریان بایاس ورودی (Iib)

از آن جایی که ترانزیستورهای ورودی تقویت کننده نیاز به بایاس دارند، جریان معینی هر چند بسیار کم برای راه اندازی آن‌ها مورد نیاز است.

جریان خروجی سطح پایین (Iol)

این مشخصه جریان خروجی را که دستگاه می‌تواند تأمین کند، را مشخص می‌کند. بیشینه‌ی آن در  برگه‌ی اطلاعات مربوطه آورده شده است و نباید از آن‌ها فراتر رود و در غیر این صورت جریان محدود خواهد شد.

اتلاف توان کل (Pd)

بیانگر مجموع اتلاف توان در دستگاه و برابر با توان داده شده به دستگاه است و کم‌تر از مقداری است که به بار تحویل داده می‌شود. از بیشینه‌ی اتلاف توان نباید تجاوز کرد و در غیر این صورت دستگاه بیش از حد داغ می‌شود و باعث آسیب دیدن آن می‌شود. کار در دماهای بالا نیز باعث افزایش نرخ خرابی می‌شود.

مقاومت سیگنال کوچک (r)

این مشخصه شامل 3 نوع مقاومت ورودی (ri)، مقاومت تفاضلی ورودی (rid) و مقاومت خروجی (ro) است. مقاومت ورودی / خروجی، مقاومت بین پایه‌های ورودی / خروجی و زمین است. مقاومت تفاضلی ورودی، مقاومت بین دو پایه‌ی ورودی غیر زمینی است.

در طراحی توجه داشته باشید که حتی Op Amp دارای مقاومت خروجی پایینی باشد، قابلیت راه اندازی آن محدودتر می‌شود و آن را قادر به هدایت بارهای امپدانس پایین نمی‌کند.

نرخ چرخش (SR)

نرخ چرخش (Slew rate) در الکترونیک، به عنوان حداکثر نرخ تغییرات ولتاژ خروجی در واحد زمان تعریف شده و یکای آن برحسب ولت بر ثانیه است. محدودیت‌ها در نرخ چرخش می‌تواند به افزایش اثرات غیرخطی در Op Amp ها بینجامد.

به بیان ساده‌تر، این مشخصه بیانگر زمان سپری شده برای تغییر خروجی نسبت به ورودی است. از آن جایی که خروجی نمی‌تواند به طور کامل شکل موج ورودی را دنبال کند و سرعت آن محدود است، بیشینه‌ی نرخی وجود دارد که می‌تواند تغییر کند. 

ولتاژ ورودی (Vi)

بازه‌ای از ولتاژ ورودی است که Op Amp می‌تواند در آن کار کند. اگر از این مشخصه فراتر رود، می‌تواند باعث خرابی تقویت کننده شود.

ولتاژ آفست ورودی (VIO)

ولتاژ DC است که باید بین پایه‌های ورودی اعمال شود تا ولتاژ خروجی DC صفر باشد. در Op Amp واقعی، اگر هر دو پایه‌ی ورودی زمین شوند؛ خروجی صفر نمی‌شود بلکه دارای ولتاژ آفست کوچک است. در برخی موارد این ولتاژ آفست می‌تواند در مدارهایی که نیاز به ولتاژ بسیار دقیق دارند، مشکل ساز باشد. 

امپدانس ورودی حالت مشترک (Zic)

از آن جایی که ورودی Op Amp دارای المان مقاومتی خالص نیست و اغلب برای طراحی در نظر گرفتن امپدانس ورودی ساده‌تر است. این مشخصه مجموع امپدانس سیگنال کوچک بین هر پایه‌ی ورودی و زمین است.

امپدانس خروجی (Zo)

مانند امپدانس ورودی، محاسبه‌ی امپدانس خروجی پیچیده است و این مشخصه نشان دهنده‌ی امپدانس سیگنال کوچک بین پایه‌ی خروجی و زمین است.