تقویت کننده غیر وارون گر — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

در آموزش‌های قبلی مجله فرادرس، با تقویت‌کننده‌های عملیاتی و انواع آن‌ها مانند تقویت‌کننده‌های جمع‌کننده، مشتق‌گیر، انتگرال‌گیر و معکوس‌کننده آشنا شدیم. در این آموزش، درباره تقویت کننده غیر وارون گر (Non-inverting Operational Amplifier) یا غیر معکوس کننده آشنا می‌شویم.

تقویت کننده غیر وارون گر

در تقویت کننده غیر وارون گر، سیگنال ولتاژ ورودی $$V _ {IN}$$ مستقیماً به ترمینال غیرمعکوس اعمال می‌شود و به این معنی است که بهره خروجی تقویت‌کننده در مقایسه با مدار تقویت‌کننده معکوس کننده، مثبت خواهد شد. در نتیجه، سیگنال خروجی با سیگنال ورودی هم‌فاز است.

فیلم آموزش الکترونیک 2 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

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 $$R_f - R _ 2$$ به دست می‌آید و دوباره فیدبک منفی تولید می‌کند. این پیکربندی حلقه‌بسته، به یک مدار تقویت‌کننده معکوس با پایداری مناسب و امپدانس ورودی بسیار بالای $$R_{in}$$ (تقریباً بی‌نهایت) می‌انجامد و جریانی به ترمینال ورودی مثبت آن وارد نمی‌شود (شرایط ایده‌آل). همچنین، امپدانس خروجی $$R _ { out}$$ آن کم است.

مدار این تقویت‌کننده در شکل زیر نشان داده شده است.

در آموزش‌های قبلی درباره تقویت‌کننده معکوس‌کننده گفتیم که برای یک آپ‌امپ ایده‌آل، جریانی به ورودی تقویت‌کننده وارد نمی‌شود و ولتاژهای $$V _1$$ و $$V_ 2$$ با هم برابر هستند. این به آن دلیل است که نقطه مشترک محل برخورد ورودی و فیدبک $$V_1$$ پتانسیل یکسانی دارند.

به عبارت دیگر، نقطه اشتراک، یک نقطه جمع زمین مجازی است. به دلیل این نقطه زمین مجازی، مقاومت‌های $$R_f$$ و $$R_2$$ یک 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 $$A _v$$ تقویت‌کننده غیرمعکوس را به صورت زیر به دست آوریم:

$$\large V _ 1 = \frac { R _ 2 } { R_2 + R _ F } \times V _ { OUT}$$

در نقطه جمع ایده‌آل، تساوی $$V _ 1 = V _ { IN}$$ را داریم. همچنین، بهره ولتاژ‌ $$A _ V$$ برابر با $$\frac { V _ {OUT} } {V_ {IN}}$$ است. در نتیجه، داریم:‌

$$\large A_ V = \frac { V _ {OUT} } {V_ {IN}} = \frac { R _ 2 + R _ F } { R _ 2 } = 1 + \frac {R_F}{R_2}$$

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

$$\large A_ V = 1 + \frac {R_F}{R_2}$$

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 $$R _ f$$ به $$R_2$$ به دست می‌آید.

اگر اندازه مقاومت فیدبک $$R_f$$ صفر باشد، بهره تقویت‌کننده دقیقاً برابر با یک خواهد بود. همچنین، اگر مقاومت $$R_2$$ صفر باشد، بهره به بی‌نهایت میل می‌کند، اما در عمل، به بهره تفاضلی حلقه‌باز تقویت‌کننده‌های عملیاتی ($$A_O$$) 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 $$R_f$$ را برابر با صفر ($$R_f = 0$$)، و مقاومت $$R_2$$ را برابر با بی‌نهایت ($$R_2 = \infty$$) 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.

فیلم آموزش مدارهای الکتریکی ۲ – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

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 ($$V _ {OUT} = V _ {IN}$$). 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 ($$R_ {in} \times A _ O$$) 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 $$R _ {in}$$ به بی‌نهایت افزایش می‌یابد و امپدانس فیدبک $$R_f$$ به صفر کاهش پیدا می‌کند. خروجی مستقیماً به ورودی معکوس کننده منفی بر می‌گردد و به همین دلیل، فیدبک صددرصد بوده و $$V_{in}$$ دقیقاً برابر با $$V_ {out}$$ است که منجر به بهره ثابت یک خواهد شد. از آنجایی که ولتاژ‌ ورودی $$V_ {in}$$ به ورودی غیرمعکوس کننده اعمال می‌شود، بهره تقویت‌کننده برابر خواهد بود با:

$$\large V _ {out} = A V _ {in}$$

$$\large A _ V = \frac { V _ {out}} {V _ {in} } = +1$$

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، $$\text {74LS125}$$ با چهار بافر سه حالته یا نوع رایج‌تر آن، $$\text{74LS244}$$ هشت 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.

در صورتی که مباحث بیان شده برای شما مفید بوده و می‌خواهید درباره موضوعات مرتبط، مطالب بیشتری یاد بگیرید، پیشنهاد می‌کنیم به آموزش‌های زیر مراجعه کنید:

• آموزش الکترونیک ۲ (مرور و حل تست)
• انواع تقویت‌‌کننده‌‌ها از نظر نوع عملکرد تقویتی — به زبان ساده
• تقویت‌کننده امیتر مشترک (Common Emitter Amplifier) — مفاهیم پایه
• انواع تقویت‌‌کننده‌‌های سیگنال بزرگ — به زبان ساده

^^