ساخت تقویت کننده معکوس کننده در صنعت الکترونیک

ساخت تقویت کننده معکوس کننده در صنعت الکترونیک:
سیگنال خروجی اغلب سنسور های آنالوگ خیلی کوچک است و لازم است توسط مدارات آنالوگ تقویت شوند.

در این مطلب می خواهیم یک مدار ساده را معرفی کنیم که می تواند ولتاژ را با بهره 10 تا 10000 تقویت کند و در اصل به مبحث ساخت تقویت کننده معکوس کننده خواهیم پرداخت.

تقویت کننده های عملیاتی یا آپ امپ ها منجر به سادگی تحلیل و طراحی تقویت کننده های سیگنال شده اند.

شکل 1 نماد فنی، شکل آی سی و دیاگرام پین های آی سی LM741 را نشان می دهد. این آی سی یکی از رایج ترین و ارزان قیمت ترین آی سی های تقویت کننده های عملیاتی است.

شکل 1: تقویت کننده های عملیاتی
تقویت کننده های عملیاتی جز المان های فعال هستند و تا زمانی که تغذیه منفی و مثبت در پایه های 4 و 6 متصل نباشد، تقویت سیگنال نیز انجام نخواهد شد.

در حقیقت یک تقویت کننده های عملیاتی اختلاف ولتاژ بین پایه های 2 و 3 را با بهره فوق العاده بالایی تقویت می کند و در پایه 6 در اختیار قرار می دهد.

اگر پایه های 2 و 3 اتصال کوتاه شوند، ولتاژ خروجی صفر نخواهد بود، بلکه یک مقدار کوچک می باشد که به آن آف ست می گوییم و در کاربردهای عملی باید آن را حذف کرد. به همین دلیل در آی سی های تقویت کننده های عملیاتی، پایه های 1 و 5 برای حذف آف ست تعریف شده اند.

پایه های 1 و 5 به پایه های ثابت یک پتانسیومتر متصل و پایه مشترک آن نیز به تغذیه منفی متصل می شود. با تنظیم شفت پتانسیومتر می توان ولتاژ آف ست را حذف کرد.

به دلیل اینکه بهره ولتاژ تقویت کننده های عملیاتی فوق العاده بالا است (بیشتر از صد هزار)، در عمل با استفاده از فیدبک منفی یک تقویت کننده ولتاژ با بهره محدود و پایدار طراحی خواهد شد. شکل 2 یک تقویت کننده ولتاژ معکوس کننده را نشان می دهد.

مقاومت فیدبک R2 بین پایه های 2 و 6 آی سی و مقاومت R1 نیز بین سیگنال ورودی و پایه 2 آی سی قرار می گیرد. پایه سوم آی سی به زمین متصل می شود و همچنین تغذیه مدار نیز مثبت و منفی 12 ولت است.

شکل 2: تقویت کننده ولتاژ معکوس کننده
به راحتی می توان اثبات کرد که بهره ولتاژ از رابطه زیر به دست می آید:

برای مثال اگر مقاومت R2 ده برابر مقاومت R1 باشد، آنگاه بهره ولتاژ برابر 10- است. یعنی اگر ورودی یک سیگنال سینوسی با دامنه 1 ولت باشد آنگاه، سیگنال خروجی یک سینوسی با دامنه 10 ولت ولی با اختلاف فاز 180 درجه نسبت به ورودی است.

به منظور عملکرد پایدار مدار، در عمل بهتر است بهره ولتاژ مدار بین 10 تا 10000 تنظیم شود و اگر بهره های بالاتر مدنظر بود، چند طبقه از تقویت کننده های شکل 2 با هم سری شوند.

گاهی اوقات تغذیه منفی در دسترس نیست. در نتیجه باید یک سیگنال بایاس در ورودی و خروجی درنظر گرفت و سیگنال های ورودی و خروجی نسبت به آن تقویت شوند. مدار جدید مطابق شکل 3 خواهد بود. فرض کنید که ولتاژ تغذیه مثبت آی سی برابر 5 ولت باشد.

پس با استفاده از مقاومت های R3 و R4 باید ولتاژ 2.5 ولت را در پایه سوم (ورودی مثبت) آی سی ایجاد کرد. خازن C3 به منظور پایدارسازی این ولتاژ استفاده می شود.

شکل 3: تقویت کننده معکوس کننده با تغذیه یک طرفه
در این صورت نشان داده می شود که ولتاژ خروجی از رابطه زیر حاصل می شود:

که نشان می دهد مدار بالا اختلاف ولتاژ ورودی از مقدار ثابت 2.5 ولت را تقویت کننده می کند و با بایاس 2.5 ولت در خروجی قرار می دهد.

مدار شکل 3 برای تقویت ولتاژ سنسور هایی که دارای آف ست هستند کاربرد دارد. برای مثال خروجی شتاب سنج ADXL335 دارای آفست 1.65 ولت است.

در نتیجه با مقاومت های R3 و R4 ولتاژ ثابت 1.65 ولت در ورودی مثبت تقویت کننده عملیاتی ساخته می شود و تغییرات در اطراف 1.65 ولت که ناشی از شتاب وارد شده به سنسور است، تقویت خواهد شد.