آپ امپ ۷۴۱ — ساختار و نحوه کار — به زبان ساده

در آموزش‌های قبلی مجله فرادس، با تقویت‌کننده عملیاتی (آپ امپ) آشنا شدیم و دیدیم که با این عنصر اکتیو مدار می‌توان عملیات ریاضی مختلفی از قبیل جمع، تفریق، ضرب، تقسیم، انتگرال‌گیری و مشتق‌گیری را در مدار پیاده‌سازی کرد. در این آموزش، با رایج‌ترین تقویت‌کننده عملیاتی، یعنی آپ امپ 741 آشنا می‌شویم.

آپ امپ چیست؟

«آپ امپ» (Op-Amp) کوتاه شده «تقویت‌کننده عملیاتی» (Operational Amplifier) و یک آی‌سی حالت جامد است که اساساً برای انجام محاسبات آنالوگ طراحی شده است. این قطعه بهره ولتاژ بسیار بالایی دارد. اولین تقویت‌کننده عملیاتی توسط شرکت «فرچایلد سمیکانداکتر» (Fairchild Semiconductors) در سال 1963 طراحی شده است.

فیلم آموزش مبانی ​الکترونیک – مفاهیم تئوریک و شبیه سازی در پروتئوس و اورکد Proteus و OrCAD در فرادرس

کلیک کنید

تقویت‌کننده یکی از عناصر اصلی مدارهای الکترونیک آنالوگ است که انواع مختلفی از پردازش سیگنال آنالوگ را انجام می‌دهد. این آی‌سی‌ها برای تنظیم از فیدبک خارجی استفاده می‌کنند و به عنوان قطعه‌ای چندمنظوره در ابزارهای الکترونیکی مختلف استفاده می‌شوند. آپ امپ از دو ورودی و دو خروجی تشکیل شده است (ترمینال‌های معکوس و غیرمعکوس).

رایج‌ترین تقویت‌کننده عملیاتی آپ امپ 741 است که در اغلب مدارهای الکتریکی و الکترونیکی استفاده می‌شود. هدف اصلی استفاده از آپ امپ 741 تقویت سیگنال‌های AC و DC و انجام عملیات ریاضی است. در ادامه، با ویژگی‌های آن، جانمایی پایه‌ها، مشخصات و مفاهیم مرتبط آپ امپ 741 آشنا می‌شویم.

آپ امپ 741 چیست؟

آپ امپ 741 یک آی‌سی متشکل از یک تقویت‌کننده عملیاتی برای کاربردهای عمومی است. این آی‌سی اولین بار توسط فرچایلد سمیکانداکتر در سال 1963 تولید شد. شماره 741 نشان می‌دهد که این تقویت‌کننده عملیاتی دارای 7 پایه عملکردی، 4 پایه ورودی و 1 پایه خروجی است.

فیلم آموزش الکترونیک ۱ در فرادرس

کلیک کنید

آپ امپ 741 این قابلیت را دارد که ولتاژ بالایی را فراهم کرده و در دامنه وسیعی از ولتاژ کار کند که همین امر موجب می‌شود بهترین انتخاب برای استفاده در انتگرال‌گیرها، تقویت‌کننده‌های جمع‌کننده و کاربردهای عمومی فیدبک باشد. درون این آی‌سی مدارهای محافظت در برابر اتصال کوتاه و جبران فرکانس داخلی تعبیه شده است. آپ امپ 741 در طراحی‌های زیر موجود است:

1. بسته دو در خط (DIP) با ۸ پایه
2. بسته قوطی فلزی TO5-8
3. مدار مجتمع با پایه‌های کوچک (SOIC) یا ۸ پایه

پایه‌های آپ امپ 741 و عملکرد آن‌ها

شکل زیر پیکربندی‌ پایه‌ها و نمودار بلوک داخلی آپ امپ 741 را در بسته‌بندی DIP با 8 پایه و TO5-8 نشان می‌دهد.

اکنون عملکرد پایه‌های آپ امپ 741  را بررسی می‌کنیم:

• پایه ۴ و پایه ۷ (منبع تغذیه): پایه ۷ ترمینال مثبت منبع تغذیه و  پایه ۴ ترمینال منفی منبع ولتاژ است. توان آی‌سی 741 برای  از این پایه‌ها تأمین می‌شود. ولتاژ بین این دو پایه بین 5 ولت و 18 ولت است.
• پایه ۶ (خروجی): این پایه خروجی آپ امپ 741 است و ولتاژ آن به سیگنال‌های پایه‌های ورودی و ساز و کار فیدبک استفاده شده بستگی دارد. اگر گفته شود خروجی «بالا» (High) است، به این معنی است که ولتاژ در خروجی برابر با ولتاژ مثبت منبع است. به همین ترتیب، اگر گفته شود خروجی «پایین» (Low) است، یعنی ولتاژ خروجی برابر با ترمینال منفی منبع است.
• پایه ۲ و پایه ۳ (خروجی): این پایه‌ها ورودی آی‌سی هستند. پایه ۲ ورودی معکوس و  پایه ۳ ورودی غیرمعکوس است. اگر ولتاژ پایه ۲ بیشتر از ولتاژ پایه ۳ باشد (یعنی ولتاژ ورودی معکوس بیشتر باشد)، سیگنال خروجی پایین می‌ماند. به همین ترتیب، اگر ولتاژ  پایه ۳ بیشتر از ولتاژ  پایه ۲ باشد، یعنی ولتاژ ورودی غیرمعکوس  بالا باشد، خروجی بالا خواهد بود.
• پایه ۱ و پایه ۵ (آفست): به دلیل بهره بالای آپ امپ 471، حتی تفاوت‌های ناچیز ولتاژ در ورودی‌های معکوس و غیرمعکوس، که به دلیل اختلالات فرایند تولید یا اغتشاشات خارجی ایجاد می‌شود، می‌تواند بر خروجی تأثیر بگذارد. برای خنثی کردن این اثر، می‌توان ولتاژ آفست را در پایه 1 و پایه 5 اعمال کرد. این کار را معمولاً می‌توان با استفاده از پتانسیومتر انجام داد.
• پایه ۸ (N/C): این پایه به هیچ مداری در درون آی‌سی 741 متصل نیست. در واقع، این پایه پایه‌ای ساختگی است که برای پر کردن فضای خالی در بسته‌های استاندارد 8 پایه‌ای استفاده می‌شود.

مشخصات فنی آی‌سی 741

در زیر مشخصات اصلی آپ امپ 741 آمده است:

• منبع تغذیه: به حداقل ولتاژ 5 ولت نیاز دارد و می‌تواند تا 18 ولت  را نیز تحمل کند.
• امپدانس ورودی: تقریباً 2 مگااهم
• امپدانس خروجی: تقریباً 75 اهم
• بهره ولتاژ: ۲۰۰,۰۰۰ برای فرکانس‌های پایین
• حداکثر جریان خروجی: 20 میلی‌آمپر
• بار خروجی توصیه شده: بیشتر از 2 کیلواهم
• آفست ورودی: بین 2 میلی‌ولت و 6 میلی‌ولت
• نرخ چرخش (Slew Rate): نیم ولت بر میکرو ثانیه (این نرخی است که یک آپ امپ می‌تواند تغییرات ولتاژ را تشخیص دهد)
• امپدانس ورودی بزرگ و امپدانس خروجی بسیار کوچک باعث می‌‌شود آپ امپ 741 یک تقویت‌کننده ولتاژ تقریباً ایده‌آل باشد.

شماتیک داخلی و عملکرد آپ امپ 741

یک آپ امپ 741 استاندارد از یک مدار شامل 20 ترانزیستور و 11 مقاومت ساخته شده است.

فیلم آموزش الکترونیک ۲ در فرادرس

کلیک کنید

همه این قطعات در در یک تراشه یکپارچه ادغام شده‌اند. مدار زیر اتصالات داخلی آن اجزا را نشان می‌دهد.

ورودی معکوس و غیرمعکوس به ترتیب به دو ترانزیستور NPN با نام‌های Q1 و Q2 متصل می‌شوند. هر دو ترانزیستور به عنوان npn امیتر فالوئر رفتار می‌کنند و خروجی آن‌ها یک جفت ترانزیستور PNP با نام‌های Q3 و Q4 را تغذیه می‌کند و به گونه‌ای پیکربندی شده‌اند که به عنوان تقویت‌کننده‌های بیس مشترک عمل می‌کنند. این پیکربندی ورودی‌ها را ایزوله و از فیدبک احتمالی سیگنال جلوگیری می‌کند.

نوسان ولتاژ در ورودی‌های آپ امپ می‌تواند جریان در مدار داخلی را تحت تأثیر قرار دهد و ممکن است از محدوده عملکرد فعال هر ترانزیستور موجود در مدار فراتر رود. برای جلوگیری از وقوع این اتفاق، از دو آینه جریان استفاده می‌شود.

جفت‌های ترانزیستورهای Q8 و Q9 و همچنین Q12 و Q13 برای تشکیل دو مدار آینه جریان آرایش یافته‌اند. ترانزیستورهای Q8 و Q12 ترانزیستورهای کنترل‌کننده هستند که ولتاژ امیتر-بیس ترانزیستور دیگر را در جفت متناظر تنظیم می‌کنند. این ولتاژ دقیقاً تا کسری از میلی‌ولت کنترل می‌شود تا فقط جریان مورد نیاز برقرار شود. اولین آینه جریان تشکیل شده توسط Q8 و Q9 به مدار ورودی و آینه جریان دوم متشکل از Q12 و Q13 به مدار خروجی متصل می‌شوند.

آینه جریان سوم تشکیل شده توسط ترانزیستورهای  Q10 و Q11 به عنوان یک اتصال امپدانس بالا بین مدار ورودی و ترمینال منفی منبع تغذیه عمل می‌کند. این آینه جریان ولتاژ مرجع را بدون بارگذاری مدار ورودی تأمین و جریان بایاس بیس کم مورد نیاز ترانزیستورهای PNP را در مدار تقویت‌کننده بیس مشترک تنظیم می‌کند.

ترانزیستور Q6 به همراه مقاومت‌های ۴٫۵ و ۷٫۵ کیلواهمی یک مدار تغییر سطح ولتاژ را تشکیل می‌دهند که ولتاژ مدار تقویت‌کننده ورودی را قبل از اینکه به مدار بعدی منتقل شود، یک ولت کاهش می‌دهد. این کار برای جلوگیری از اعوجاج سیگنال در مرحله تقویت‌کننده خروجی انجام می‌شود.

ترانزیستورهای Q19 ،Q15 و Q22 به عنوان تقویت‌کننده کلاس A کار می‌کنند و ترانزیستورهای Q14، Q17 و Q20 مرحله خروجی آپ امپ 741 را تشکیل می‌دهند.

برای ایجاد تعادل اختلال‌ها در مدار دیفرانسیل ورودی، از ترانزیستورهای Q5، Q6 و Q7 برای تشکیل آرایشی استفاده می‌شود که دو ورودی آفست مثبت و آفست منفی را می‌گیرد و ورودی‌های معکوس و غیرمعکوس را بر این اساس متعادل می‌کند.

مشخصه بهره در برابر فرکانس

بهره آپ امپ 741 ثابت نیست و بسته به فرکانس سیگنال ورودی متفاوت است. نمودار زیر رابطه بین بهره و فرکانس را نشان می‌دهد.

همان‌طور که مشاهده می‌کنید، وقتی تقویت‌کننده عملیاتی در فرکانس‌های کمتر از 10 هرتز کار می‌کند، بهره در حدود ۲۰۰,۰۰۰ ثابت می‌ماند. وقتی فرکانس سیگنال ورودی افزایش می‌یابد، بهره کاهش یافته و در فرکانس‌های حدود در حدود ۱۰۰,۰۰۰ هرتز به مقدار واحد (یک) نزدیک می‌شود.

ساده‌ترین راه استفاده از تقویت‌کننده عملیاتی، به‌کارگیری آن در شرایط حلقه‌باز است. در ادامه، نگاهی خواهیم انداخت به دو مدار مختلف تقویت‌کننده ولتاژ که از  آپ امپ 741 استفاده می‌کنند.

مدارهای آپ امپ 741

در شکل نمودار مدار تقویت‌کننده معکوس با استفاده از  آی سی 741 و دو مقاومت نشان داده شده است.

دلیل اینکه این آرایش به عنوان معکوس نامگذاری شده است، این است که سیگنال ورودی را تقویت و پلاریته آن را معکوس می‌کند (شکل موج را در ورودی و خروجی مشاهده کنید). مقاومت R2 مقاومت فیدبک است. بهره تقویت‌کننده با فرمول زیر به دست می‌آید:

(AV) = - (R2 / R1) بهره

علامت منفی نشان می‌دهد که قطبیت (پلاریته) شکل موج خروجی معکوس شده است. با تنظیم مقادیر R1 و R2 می‌توان تقویت‌کنندگی مورد نظر را به دست آورد.

در شکل زیر نمودار مدار یک تقویت کننده غیر معکوس با استفاده از آی‌سی 741 و دو مقاومت نشان داده شده است.

این آرایش غیرمعکوس نام دارد، زیرا سیگنال ورودی را تقویت می‌کند پلاریته حفظ می‌شود (شکل موج ورودی و خروجی مشاهده کنید). بهره تقویت‌کننده با فرمول زیر به دست می‌آید:

(AV) = 1 + (R2 / R1) بهره

با تنظیم مقادیر R1 و R2 می‌توان مقدار تقویت مورد نظر را به دست آورد. اگر مقدار مقاومت فیدبک R2 برابر با صفر باشد، بهره برابر با 1 خواهد بود و تقویت‌کننده به عنوان یک «بافر بهره واحد» یا یک ولتاژ فالوئر رفتار خواهد کرد.

کاربردهای آپ امپ 741

مدارهای الکترونیکی زیادی وجود دارد که با آپ امپ  741ساخته شده‌اند.

فیلم آموزش الکترونیک ۳ در فرادرس

کلیک کنید

از این مدارها می‌توان به دنبال‌کننده ولتاژ (ولتاژ فالوئر)، مبدل آنالوگ به دیجیتال، مدار نمونه و مدار نگهدارنده، مبدل ولتاژ به جریان و جریان به ولتاژ، تقویت‌کننده جمع‌کننده و غیره اشاره کرد. به طور کلی، آپ امپ 741 در موارد زیر کاربرد دارد:

• تقویت‌کننده‌ها: آپ امپ 741 بیشتر برای تقویت سیگنال‌هایی با فرکانس‌های مختلف از DC تا فرکانس‌های رادیویی بالاتر استفاده می‌شود. این آی‌سی همچنین در تقویت‌کننده‌های انتخاب فرکانس که سیگنال‌هایی یا فرکانس ناخواسته را فیلتر می‌کنند، استفاده می‌شود؛ مثلاً در سیستم‌های کنترل صدا در سیستم‌های استریو.
• محاسباتی: بسیاری از مدارهای الکترونیکی که عملیات ریاضی مانند انتگرال‌گیری، مشتق‌گیری، جمع و غیره را انجام می دهند از آپ امپ ۷۴۱ استفاده می‌کنند.
• یکسوکننده‌ها: دیودهای معمولی مورد استفاده در یکسوسازها افت ولتاژ دارند که آن‌ها را برای یکسوسازهای با دقت بالا نامناسب می کند. آپ امپ ۷۴۱ را می‌توان به گونه‌ای در مدارهای یکسوسازی استفاده کرد تا به عنوان یک دیود ایده‌آل عمل کنند و افت ولتاژ نداشته باشند.
• اسیلاتورها: از آپ امپ ۷۴۱ به عنوان یک نوسان‌ساز در مولدهای تابع (فانکشن ژنراتورها) برای ایجاد شکل‌موج‌های مختلف مانند سینوسی، مربعی، مثلثی و غیره استفاده می‌شود. همچنین در مدولاتورهای پهنای پالس (PWM) از این آی‌سی‌ها استفاده می‌شود.
• مقایسه‌کننده‌ها: از آپ امپ ۷۴۱ می‌توان برای مقایسه سیگنال‌های ولتاژ و تعیین اینکه آیا ولتاژ آن‌ها تقریباً یکسان است یا خیر استفاده کرد. این مورد در رگولاتورهای ولتاژ و مقایسه‌کننده‌های سیگنال به کار برده می‌شود.
• مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ: از آی‌سی‌های 741 می‌توان برای تشکیل مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ استفاده کرد که می‌توانند ورودی باینری دیجیتال را از کامپیوترها یا میکروکنترلرها گرفته و یک سیگنال آنالوگ متناظر تولید کنند. به همین ترتیب، آپ امپ ۷۴۱ در مدارهای آنالوگ به دیجیتال نیز قابل استفاده است.

معرفی فیلم آموزش الکترونیک ۱ فرادرس

برای آشنایی با مبحث تقویت‌کننده‌ها، پیشنهاد می‌کنیم به فیلم آموزش الکترونیک 1 مراجعه کنید که توسط فرادرس تهیه شده است. این آموزش در ۱۱ ساعت و ۲۷ دقیقه و در قالب ۶ درس تدوین شده است. در درس اول، درباره فیزیک الکترونیک بحث شده است. دیود و مدارهای دیودی موضوع مهم درس دوم است. مباحث ترانزیستور پیوندی دوقطبی و ترانزیستورهای اثر میدان، به ترتیب، در درس‌های سوم و چهارم معرفی شده‌اند. در درس پنجم تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری چندطبقه مورد بحث قرار گرفته و در نهایت در درس ششم آنالیز و طراحی مدارات آنالوگ با استفاده از نرم افزار OrCAD ارائه شده است.

• برای مشاهده فیلم آموزش‌ الکترونیک ۱ + اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش الکترونیک 2 فرادرس

آموزش‌ الکترونیک 2 فرادرس در ۸ ساعت و ۱۱ دقیقه و در ۷ درس تهیه شده است. درس اول این آموزش درباره پاسخ فرکانسی تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری است. در درس دوم منابع جریان و بارهای فعال معرفی شده‌اند. تقویت‌کننده‌های تفاضلی، تقویت‌کننده‌های توان، تقویت‌کننده‌های فیدبک و تقویت‌کننده‌های عملیاتی، به ترتیب، موضوع درس‌های سوم تا ششم هستند. در نهایت، در درس هفتم تنظیم‌کننده‌های ولتاژ معرفی شده‌اند.

• برای مشاهده فیلم آموزش‌ الکترونیک 2 + اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش الکترونیک 3 فرادرس

آموزش درس الکترونیک ٣ در ادامه درس الکترونیک ١ و ٢ در ۱۵ ساعت و ۷ دقیقه و در قالب چهار درس ارائه شده است. در درس اول، پاسخ فرکانسی تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری‎ به طور کامل آموزش داده شده است. پایداری و جبران فرکانسی تقویت‌کننده‌های فیدبک موضوع درس دوم است. در درس سوم، تقویت‌کننده‌های عملیاتی به طور کامل مورد بحث قرار گرفته‌اند و در نهایت، در درس چهارم، اسیلاتورها به طور مفصل شرح داده‌ شده‌اند.

• برای مشاهده فیلم آموزش‌ الکترونیک 3 + اینجا کلیک کنید.