المضخم التشغيلي (يُختصر باسم op-amp) هو مضخم جهد عالي الكسب، ذو مدخل تفاضلي، مقترن مباشرةً، وعادةً ما يكون أحادي الطرف عند المخرج. يُولّد جهد خرج (بالنسبة إلى الأرض) أكبر بمئات آلاف المرات من فرق الجهد عند المدخل. وقد سُمّي بهذا الاسم لأنه استُخدم في البداية بشكل رئيسي في دوائر الحوسبة التناظرية، مثل عمليات الجمع والطرح.

مبدأ عمل مكبر التشغيل

يتضمن الدخل التفاضلي لمضخم التشغيل جهد دخل غير عاكس وجهد دخل عاكس. يُضخّم المضخم التشغيلي المثالي الفرق بين الجهدين فقط، وهو ما يُسمى جهد الدخل التفاضلي. يُعطى جهد خرج المضخم التشغيلي بالصيغة التالية:

Vout = (V+ - V-) * Ado

حيث Ado هو مكسب التفاضلية في الحلقة المفتوحة للمضخم التشغيلي.

مضخم تشغيلي مثالي

عادةً ما يتمتع مكبر التشغيل المثالي بالخصائص التالية:

1. مكسب الحلقة المفتوحة اللانهائي (Ado = +∞): إحدى الخصائص المهمة لمضخم التشغيل المثالي هي أنه في حالة الحلقة المفتوحة، تتمتع الإشارة التفاضلية عند المدخل بمكسب جهد كبير بشكل لا نهائي، مما يجعل مضخم التشغيل مناسبًا جدًا لإضافة تكوين ردود فعل سلبية في التطبيقات العملية.

2. معاوقة الدخل اللانهائية (Zin/Rin = ∞): لا تسمح أطراف الدخل لمضخم التشغيل المثالي بتدفق أي تيار، أي أن إشارات التيار عند الطرفين V+ وV- تكون دائمًا صفرًا، مما يعني أن معاوقة الدخل لانهائي.

3. جهد إزاحة الإدخال صفر

4. نطاق ترددي لا نهائي (BW = ∞) مع تحول طور صفري ومعدل انحراف لا نهائي: سيقوم مكبر التشغيل المثالي بتضخيم إشارات الإدخال لأي تردد بنفس المكسب التفاضلي، دون تغيير بسبب تغيير تردد الإشارة.

٥. معاوقة خرج صفرية (Zout/Rout = 5): يُعدّ طرف خرج مُضخّم التشغيل المثالي مصدر جهد مثاليًا. مهما تغيّر التيار المارّ في حمل المُضخّم، يبقى جهد خرج المُضخّم ثابتًا، أي أن معاوقة الخرج تساوي صفرًا.

6. صفر ضوضاء

٧. نسبة رفض الوضع المشترك اللانهائية (CMRR = ∞): لا يستجيب مُضخّم التشغيل المثالي إلا لفرق الجهد بين الطرفين V+ وV-، أي أنه يُضخّم الجزء (V+ - V-) فقط. ويُتجاهل الجزء المشترك لإشارتي الدخل (أي إشارة الوضع المشترك) تمامًا.

8. نسبة رفض مصدر الطاقة اللانهائية

لا يمكن تحقيق جميع هذه التصورات المثالية بشكل كامل. يمكن استخدام المقاومات والمكثفات المكافئة في نموذج المضخم التشغيلي لمحاكاة المعاملات غير اللانهائية أو غير الصفرية لمضخم تشغيلي حقيقي. بهذه الطريقة، يمكن للمصممين مراعاة هذه التأثيرات في الأداء الكلي للدائرة النهائية. قد يكون تأثير بعض المعاملات على التصميم النهائي ضئيلاً، ولكن يجب حساب المعاملات الأخرى التي تُقيّد الأداء النهائي فعليًا.

تصاميم التطبيقات الشائعة

(1) مكبر الصوت العاكس ذو الحلقة المغلقة

يوضح الشكل أعلاه دائرة مضخم عاكس مغلق الحلقة. بافتراض أن هذا المضخم يستخدم مضخمًا تشغيليًا مثاليًا، فبسبب كسبه اللانهائي في الحلقة المفتوحة، يكون طرفا الدخل للمضخم التشغيلي أرضيين افتراضيين. ولأن معاوقة الدخل لا نهائية، فإن التيار المار من Vin إلى V- يساوي التيار المار من V- إلى Vout، وبالتالي:

(2) مكبر صوت مغلق الحلقة غير عاكس

يوضح الشكل أعلاه دائرة مُضخّم حلقة مغلقة غير عاكس. تُحدد التغذية الراجعة السالبة كسب الحلقة المغلقة Acl=Vout/Vin عبر مقاومات مقسم الجهد Rf وRg. يتحقق التوازن عندما يكون Vout كافيًا لجعل الجهد عند الطرف العاكس مساويًا لـ Vin. وبالتالي، يكون كسب الجهد للدائرة بأكملها 1 + Rf/Rg. معادلة جهد الخرج هي:

(3) الأفعى

يوضح الشكل أعلاه دائرة جمع. في حالة مضخم تشغيلي مثالي، ولأن معاوقة الدخل لا نهائية، فإن التيار المار عبر R1 يساوي التيار المار عبر R2، وبالمثل، فإن التيار المار عبر R3 يساوي التيار المار عبر R4. وبالتالي:

(V1-V+)/R1=(V+-V2)/R2

(Vout-V-)/R3=V_/R4

أيضًا بسبب الدائرة القصيرة الافتراضية، هناك: V+=V_

ومن ثم يمكن استنتاج أن :Vout=V1+V2

(4) دائرة التكامل

يوضح الشكل أعلاه دائرة تكامل. في حالة مُضخِّم تشغيلي مثالي، يكون كسب الحلقة المفتوحة لانهائيًا، ويكون الجهد عند طرف الإدخال العاكس مساويًا للجهد عند الطرف غير العاكس، ولأن معاوقة الإدخال لا نهائية، فإن التيار المار عبر R1 يساوي التيار المار عبر C1.

التيار المار عبر R1 i=V?/R?

التيار المار عبر C1 i=C·dU./dt

لذا فإن Vout =((-1/(R?·C?)·fV?dt

يتناسب جهد الخرج مع تكامل جهد الدخل بمرور الوقت، ولهذا السبب يُطلق عليه اسم دائرة التكامل.

(5) دائرة التفاضل

يوضح الشكل أعلاه دائرة تفاضل. في حالة مُضخِّم تشغيلي مثالي، يكون كسب الحلقة المفتوحة لانهائيًا، ويكون الجهد عند طرف الإدخال العاكس مساويًا للجهد عند الطرف غير العاكس، ولأن معاوقة الإدخال لا نهائية، فإن التيار المار عبر R1 يساوي التيار المار عبر C1.

إذا كان V1 عبارة عن جهد تيار مستمر يتم تطبيقه فجأة، فإن خرج Vout يتوافق مع نبضة في الاتجاه المعاكس لـ V1.

Slkor SL8634XS14 مضخم تشغيلي عام SOP-14

من نحن SLKOR:

SLKORشركة يونيفرسال، ومقرها شنتشن، الصين، هي شركة وطنية ناشئة ذات تكنولوجيا عالية في قطاع أشباه موصلات الطاقة. ولديها مراكز بحث وتطوير في بكين وسوتشو، وينحدر فريقها الفني الأساسي من جامعة تسينغهوا. وبصفتها شركة رائدة في مجال تكنولوجيا أجهزة الطاقة المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC)، SLKORتُستخدم منتجات الشركة على نطاق واسع في المركبات التي تعمل بالطاقة الجديدة، وتوليد الطاقة الكهروضوئية، وإنترنت الأشياء الصناعي، والإلكترونيات الاستهلاكية، حيث تقدم حلول أشباه الموصلات الهامة لأكثر من 10,000 عميل حول العالم.

وتسلم الشركة أكثر من 2 مليار وحدة سنويا، حيث تضع ترانزستورات MOSFET المصنوعة من SiC وثنائيات SBD فائقة السرعة من الجيل الخامس معايير الصناعة في نسبة الكفاءة والاستقرار الحراري. SLKOR تمتلك الشركة أكثر من 100 براءة اختراع، وتقدم أكثر من 2,000 طراز من المنتجات، وتوسّع باستمرار محفظة حقوق الملكية الفكرية الخاصة بها في أجهزة الطاقة، وأجهزة الاستشعار، ودوائر إدارة الطاقة المتكاملة. وتؤكد شهاداتها، بما في ذلك ISO 9001، وEU RoHS/REACH، وCP65، التزام الشركة الراسخ بالابتكار التكنولوجي، والتصنيع المرن، والتنمية المستدامة.