تقویت‌کننده عملیاتی غیرمعکوس 

تقویت‌کننده عملیاتی غیر معکوس ، دومین پیکربندی پایه یک مدار تقویت‌کننده عملیاتی یک طرح تقویت‌کننده عملیاتی غیر معکوس است.

تقویت کننده غیرمعکوس

در این پیکربندی، سیگنال ولتاژ ورودی (V_IN) مستقیما به پایانه ورودی غیر معکوس (+) اعمال شده است که بدان معنی است که بهره خروجی تقویت‌کننده در مقدار بر خلاف مدار “تقویت‌کننده معکوس” که در آموزش آخری بر آن پرداختیم که بهره خروجی آن در مقدار منفی بود، (مثبت) می‌شود. نتیجه اینگونه است که سیگنال خروجی با سیگنال ورودی “هم فاز” است.

کنترل فیدبک تقویت‌کننده عملیاتی غیر معکوس توسط اعمال یک بخش کوچک از سیگنال ولتاژ خروجی به عقب به پایانه ورودی معکوس (-) از طریق شبکه تقسیم‌کننده ولتاژ Rf-R2 به دست می‌آید که دوباره یک فیدبک منفی تولید می‌کند.

این پیکربندی حلقه بسته یک مدار تقویت‌کننده غیر معکوس با پایداری بسیار خوب، یک امپدانس ورودی بسیار بالا Rin که به بی‌نهایت می‌رسد زیرا که هیچ جریانی در پایانه ورودی مثبت شارش نمی‌یابد و یک امپدانس خروجی پایین Rout (شرایط ایده‌آل) تولید می‌کند، که در زیر نشان داده شده است.

پیکربندی تقویت کننده عملیاتی غیرمعکوس

در آموزش تقویت‌کننده معکوس قبلی، گفتیم که برای یک تقویت‌کننده عملیاتی ایده‌آل “هیچ جریانی در پایانه ورودی تقویت‌کننده شارش نمی‌یابد” و به همین دلیل”V1 همیشه معادل با V2″ است. این بدان دلیل است که پیوند سیگنال ورودی و فیدبک (V1) در یک پتانسیل هستند.

در بیان دیگر، پیوند نقطه جمع “زمین مجازی” است. به دلیل این گره زمین مجازی مقاومت‌های Rf ,R2 یک شبکه تقسیم‌کننده پتانسیل ساده در دو سر تقویت‌کننده غیر معکوس با بهره ولتاژ مدار که توسط نسبت R2 و Rf تعیین می‌شود، تشکیل می‌دهند که در زیر نشان داده شده است.

شبکه تقسیم کننده پتانسیل معادل در تقویت کننده عملیاتی غیرمعکوس

سپس استفاده از فرمول برای محاسبه ولتاژ خروجی یک شبکه تقسیم‌کننده پتانسیل، می‌تواند بهره ولتاژ حلقه بسته (Av) تقویت‌کننده غیر معکوس را به صورت زیر محاسبه کرد:

سپس بهره ولتاژ حلقه بسته یک تقویت‌کننده عملیاتی غیر معکوس به صورت زیر خواهد بود:

از معادله بالا می‌توان دید که که بهره حلقه بسته کلی یک تقویت‌کننده غیر معکوس همیشه بزرگتر خواهد بود اما هیچ وقت کمتر از یک (یکپارچه) نیست، آن در طبیعت مثبت است و توسط نسبت مقادیر Rf و R2  تعیین می‌شود.

اگر مقدار مقاومت فیدبک Rf صفر باشد، بهره تقویت‌کننده دقیقا معادل با یک خواهد بود. اگر مقاومت R2 صفر باشد بهره به بی‌نهایت خواهد رسید، اما در عمل آن به بهره تفاضلی حلقه باز تقویت‌کننده‌های عملیاتی (AO) محدود خواهد شد.

به راحتی می‌تواند یک پیکربندی تقویت‌کننده عملیاتی معکوس را به یک پیکربندی تقویت‌کننده غیر معکوس با تغییر ساده اتصالات ورودی تبدیل کرد که نشان داده شده است.

دنبال کنندگان ولتاژ

اگر مقاومت فیدبک Rf را معادل با صفر در نظر بگیریم (Rf=0) و مقاومت R2 معادل با بی‌نهایت (R2=∞) است سپس مدار دارای یک بهره ثابت “1” خواهد بود زیرا که ولتاژ خروجی در پایانه ورودی معکوس (فیدبک منفی) ظاهر خواهد شد. سپس این یک نوع خاص از مدار تقویت‌کننده غیر معکوس که یک دنبال‌کننده ولتاژ یا همچنین یک بافر بهره یکپارچه خوانده می‌شود، تولید می‌کند.

از آنجا که سیگنال ورودی مستقیما به ورودی غیر معکوس تقویت‌کننده وصل شده است سیگنال خروجی معکوس نشده است  که در ولتاژ خروجی که معادل با ولتاژ ورودی است Vout=Vin حاصل می‌شود. این سپس مدار دنبال‌کننده ولتاژ را به دلیل ویژگی‌های جداسازی خود به صورت یک مدار بافر بهره یکپارچه ایده‌آل می‌کند.

مزیت دنبال‌کننده ولتاژ بهره واحد این است که آن هنگامی که تطبیق امپدانس یا مدار جداسازی بسیار مهم‌تر از تقویت است به کار می‌رود زیرا که آن ولتاژ سیگنال را حفظ می‌کند. امپدانس ورودی مدار دنبال‌کننده ولتاژ بسیار بالا است به صورت نوعی بالای 1 مگا اهم است زیرا که آن معادل با مقاومت ورودی تقویت‌کننده‌ها در بهره آن (Rin×AO) است. همچنین امپدانس خروجی آن به هنگام در نظر گرفتن شرط تقویت‌کننده عملیاتی ایده‌آل بسیار پایین است.

دنبال کننده ولتاژ غیرمعکوس در تقویت کننده عملیاتی غیرمعکوس

در این پیکربندی مدار غیر معکوس، امپدانس ورودی Rin، به بی‌نهایت افزایش یافته است و امپدانس فیدبک Rf به صفر کاهش یافته است. خروجی مستقیما به عقب به ورودی معکوس منفی وصل شده است بنابراین فیدبک 100% است و Vin دقیقا معادل با Vout است که یک بهره ثابت 1 یا یکپارچه ارائه می‌دهد. با اعمال ولتاژ ورودی Vin به ورودی غیر معکوس، بهره تقویت‌کننده به صورت زیر است:

از آنجا که هیچ جریانی در پایانه ورودی غیر معکوس شارش نمی‌یابد امپدانس ورودی بی‌نهایت است (تقویت‌کننده عملیاتی ایده‌آل) و همچنین هیچ جریانی در حلقه فیدبک جریان نمی‌یابد بنابراین هر مقداری از مقاومت ممکن است در حلقه فیدبک بدون تحت تاثیر قرار دادن مشخصات مدار قرار بگیرد از آنجا که هیچ ولتاژی  در دو سر آن قرار نگرفته است درنتیجه جریان صفر شارش می‌یابد و افت ولتاژ صفر  و تلفات توان صفر می‌شود.

از آنجا که جریان ورودی صفر است توان ورودی صفر ارائه می‌دهد، دنبال‌کننده ولتاژ می‌تواند یک بهره توان بزرگ ارائه کند. اگرچه، در اکثر مدارهای بافر بهره یکپارچه واقعی، یک مقاومت مقدار پایین (نوعا 1 کیلو اهم) برای کاهش هرگونه جریان‌های نشتی ورودی آفست نیاز است و همچنین اگر تقویت‌کننده عملیاتی از نوع فیدبک جریان باشد.

دنبال‌کننده ولتاژ یا بافر بهره یکپارچه یک نوع ویژه و بسیار کاربردی از مدار تقویت‌کننده غیر معکوس است که به صورت رایج در الکترونیک برای ایزوله کردن مدارهای از یکدیگر مخصوصا در متغیر حالت مرتبه بالا یا فیلترهای فعال نوع Sallen-Key برای جداسازی یک حالت فیلتر از دیگری به کار می‌رود. آی سی های بافر دیجیتال نوعی موجود بافر 3 حالته چهار وجهی 74LS125 یا  بافرهشتی 74LS244 رایجتر هستند.

نتیجه نهایی این است که بهره ولتاژ حلقه بسته یک مدار دنبال‌کننده ولتاژ “1” یا واحد است. بهره ولتاژ حلقه باز یک تقویت‌کننده عملیاتی با بدون فیدبک بی‌نهایت است. سپس با انتخاب دقیق مولفه‌های فیدبک می‌توان مقدار بهره تولید شده توسط یک تقویت‌کننده عملیاتی غیر معکوس را هرجا از 1 تا بی‌نهایت کنترل کرد.

درنتیجه تا کنون می‌توان یک مدار تقویت‌کننده غیر معکوس و معکوس را آنالیز کرد که تنها یک سیگنال ورودی Vin دارد. در آموزش بعدی درباره تقویت‌کننده‌های عملیاتی، تاثیر ولتاژ خروجی Vout را توسط اتصال ورودی‌های بیشتر به تقویت‌کننده بررسی خواهیم کرد. این سپس یک نوع رایج دیگر از مدار تقویت‌کننده عملیاتی که یک تقویت‌کننده جمع خوانده می‌شود تولید می‌کند که می‌تواند برای “اضافه” کردن ولتاژهای موجود بر ورودی‌های آن به یکدیگر به کار رود.