ساخت تقویت کننده معکوس کننده — راهنمای کاربردی
سیگنال خروجی اغلب سنسورهای آنالوگ خیلی کوچک است و لازم است توسط مدارات آنالوگ تقویت شوند. در این مطلب میخواهیم یک مدار ساده را معرفی کنیم که میتواند ولتاژ را با بهره ۱۰ تا ۱۰۰۰۰ تقویت کند و در اصل به مبحث ساخت تقویت کننده معکوس کننده خواهیم پرداخت.
فیلم آموزشی ساخت تقویتکننده معکوسکننده
تقویتکنندههای عملیاتی یا آپامپها منجر به سادگی تحلیل و طراحی تقویتکنندههای سیگنال شدهاند. شکل ۱ نماد فنی، شکل آیسی و دیاگرام پینهای آیسی LM741 را نشان میدهد. این آیسی یکی از رایجترین و ارزانقیمتترین آیسیهای تقویتکنندههای عملیاتی است.
تقویتکنندههای عملیاتی جز المانهای فعال هستند و تا زمانی که تغذیه منفی و مثبت در پایههای ۴ و ۶ متصل نباشد، تقویت سیگنال نیز انجام نخواهد شد. در حقیقت یک تقویتکنندههای عملیاتی اختلاف ولتاژ بین پایههای ۲ و ۳ را با بهره فوقالعاده بالایی تقویت میکند و در پایه ۶ در اختیار قرار میدهد.
اگر پایههای ۲ و ۳ اتصال کوتاه شوند، ولتاژ خروجی صفر نخواهد بود، بلکه یک مقدار کوچک میباشد که به آن آفست میگوییم و در کاربردهای عملی باید آن را حذف کرد. به همین دلیل در آیسیهای تقویتکنندههای عملیاتی، پایههای ۱ و ۵ برای حذف آفست تعریف شدهاند. پایههای ۱ و ۵ به پایههای ثابت یک پتانسیومتر متصل و پایه مشترک آن نیز به تغذیه منفی متصل میشود. با تنظیم شفت پتانسیومتر میتوان ولتاژ آفست را حذف کرد.
بدلیل اینکه بهره ولتاژ تقویتکنندههای عملیاتی فوقالعاده بالا است (بیشتر از صد هزار)، در عمل با استفاده از فیدبک منفی یک تقویتکننده ولتاژ با بهره محدود و پایدار طراحی خواهد شد. شکل ۲ یک تقویتکننده ولتاژ معکوسکننده را نشان میدهد. مقاومت فیدبک R2 بین پایههای ۲ و ۶ آیسی و مقاومت R1 نیز بین سیگنال ورودی و پایه ۲ آیسی قرار میگیرد. پایه سوم آیسی به زمین متصل میشود و همچنین تغذیه مدار نیز مثبت و منفی ۱۲ ولت است.
به راحتی میتوان اثبات کرد که بهره ولتاژ از رابطه زیر بدست میآید:
$$ \large gain = \frac {V _{out}}{V_{in}} = - \frac { R _ 2 } { R_ 1 } $$
برای مثال اگر مقاومت R2 ده برابر مقاومت R1 باشد، آنگاه بهره ولتاژ برابر ۱۰- است. یعنی اگر ورودی یک سیگنال سینوسی با دامنه ۱ ولت باشد آنگاه، سیگنال خروجی یک سینوسی با دامنه ۱۰ ولت ولی با اختلاف فاز ۱۸۰ درجه نسبت به ورودی است. به منظور عملکرد پایدار مدار، در عمل بهتر است بهره ولتاژ مدار بین ۱۰ تا ۱۰۰۰۰ تنظیم شود و اگر بهرههای بالاتر مدنظر بود، چند طبقه از تقویتکنندههای شکل ۲ با هم سری شوند.
گاهی اوقات تغذیه منفی در دسترس نیست. در نتیجه باید یک سیگنال بایاس در ورودی و خروجی درنظر گرفت و سیگنالهای ورودی و خروجی نسبت به آن تقویت شوند. مدار جدید مطابق شکل ۳ خواهد بود. فرض کنید که ولتاژ تغذیه مثبت آیسی برابر ۵ ولت باشد. پس با استفاده از مقاومتهای R3 و R4 باید ولتاژ ۲.۵ ولت را در پایه سوم (ورودی مثبت) آیسی ایجاد کرد. خازن C3 به منظور پایدارسازی این ولتاژ استفاده میشود.
در این صورت نشان داده میشود که ولتاژ خروجی از رابطه زیر حاصل میشود:
$$ \large V _ {out} = ( 2.5 - V _ {in} ) \frac { R_ 2 } { R_ 1 } + 2.5 $$
که نشان میدهد مدار بالا اختلاف ولتاژ ورودی از مقدار ثابت ۲.۵ ولت را تقویتکننده میکند و با بایاس ۲.۵ ولت در خروجی قرار میدهد. مدار شکل ۳ برای تقویت ولتاژ سنسورهایی که دارای آفست هستند کاربرد دارد. برای مثال خروجی شتابسنج ADXL335 دارای آفست ۱.۶۵ ولت است. در نتیجه با مقاومتهای R3 و R4 ولتاژ ثابت ۱.۶۵ ولت در ورودی مثبت تقویتکننده عملیاتی ساخته میشود و تغییرات در اطراف ۱.۶۵ ولت که ناشی از شتاب وارد شده به سنسور است، تقویت خواهد شد.
در صورتی که مطلب بالا برای شما مفید بوده است، آموزشها و مطالبی که در ادامه آمدهاند نیز به شما پیشنهاد میشوند:
- مجموعه آموزشهای آردوینو Arduino
- آموزش برد آردوینو (Arduino) با انجام پروژههای عملی
- مجموعه آموزشهای مهندسی الکترونیک
- آموزش آردوینو در نرمافزار پروتئوس (برنامهنویسی و شبیهسازی همراه با پیادهسازی چند پروژه)
- تبدیل AC به DC — راهنمای کاربردی
- آی سی LM317 — راهنمای کاربردی
- خروجی دیجیتال در Arduino — راهنمای کاربردی
^^