#31 المضخمات العملياتية #31 — أساسيات الأوب أمب

تجد أدناه جميع الأسطر المكتوبة في الدفتر مع النص الكامل للشرح الصوتي.

1. 1. ما هو الأوب أمب؟

   

   ما هو الأوب أمب؟

   المضخم العملياتي

   عناصر داخلية كثيرة وكتلة خارجية واحدة

   المقارنة واتباع الجهد

   التضخيم العاكس وغير العاكس

   الجمع والاشتقاق والتكامل

   مضخم ينفذ عمليات على الإشارات

   نص الشرح الصوتي

   في هذا الدرس، الهدف ليس حل مسألة رقمية طويلة الآن. الهدف أن نتعرف على المضخم العملياتي، أو الأوب أمب، وأن نفهم ماذا يمثل داخل الدائرة. الأوب أمب في داخله يحتوي ترانزستورات ومقاومات ومكثفات وثنائيات كثيرة، لكن في نظرية الدوائر نتعامل معه غالبا ككتلة واحدة. هذه الكتلة يمكن استخدامها كمقارن جهد، أو تابع جهد، أو مضخم عاكس، أو مضخم غير عاكس، أو جامع، أو مشتق، أو مكامل. لذلك اسم المضخم العملياتي مناسب جدا: هو مضخم نستخدمه لإجراء عمليات على الإشارات.

2. 2. الرمز والأطراف

   

   الرمز والأطراف الأساسية

   741 مثال شائع للأوب أمب

   الطرف 2: المدخل العاكس (−)

   الطرف 3: المدخل غير العاكس (+)

   الطرف 6: الخرج v_o

   الطرف 7: +V_CC والطرف 4: −V_CC

   التغذية لازمة حتى إن لم ترسم

   نص الشرح الصوتي

   الآن نربط القطعة الحقيقية بالرمز التخطيطي. مضخم مشهور مثل سبعة أربعة واحد له عدة أطراف في الشريحة. في تحليل الدوائر، أهم الأطراف هي المدخل العاكس، والمدخل غير العاكس، والخرج، وطرفا التغذية. المدخل العاكس يرمز له بعلامة ناقص. المدخل غير العاكس يرمز له بعلامة زائد. الخرج نرسمه عند رأس المثلث. أما طرفا التغذية، في بلس وفي ماينس، فهما يشغلان العنصر، حتى لو لم نرسمهما دائما في كل مخطط صغير.

3. 3. النموذج المثالي

   

   نموذج الأوب أمب المثالي

   $\displaystyle v_{o}=A\left(v_{+}-v_{-}\right)$

   A→∞

   R_in→∞

   $\displaystyle i_{+}=i_{-}=0$

   R_out→0

   هذه فرضيات للتحليل المثالي

   نص الشرح الصوتي

   في البداية نستخدم نموذج الأوب أمب المثالي. هناك ثلاث فرضيات مهمة. أولا، الكسب المفتوح كبير جدا، ولذلك نقول مثاليا إن A تذهب إلى ما لا نهاية. ثانيا، مقاومة الدخل كبيرة جدا، لذلك لا يدخل تيار إلى أي من طرفي الدخل. نكتب i plus تساوي صفرا، و i minus تساوي صفرا. ثالثا، مقاومة الخرج تقريبا صفر، فيتصرف الخرج كمصدر جهد قوي. الفكرة الأساسية هي أن v output تساوي A مضروبة في v plus ناقص v minus.

4. 4. حدود الخرج

   

   حدود الخرج

   الأوب أمب لا يولد الطاقة

   $\displaystyle -V_{\mathrm{CC}}\le v_{o}\le +V_{\mathrm{CC}}$

   تجاوز الحد المطلوب يسبب التشبع

   تتعرض الموجة للقص

   قد لا يصل الخرج الحقيقي إلى الحد تماما

   نراجع ورقة بيانات العنصر

   نص الشرح الصوتي

   لكن النموذج المثالي أداة للتحليل، وليس مصدرا حقيقيا للطاقة. في الأوب أمب العملي، جهد الخرج لا يستطيع أن يتجاوز حدود التغذية. إذا كان العنصر يعمل بين plus V C C و minus V C C، فالخرج يبقى داخل هذا المجال. عندما يطلب التحليل خرجا أكبر من حد التغذية، يحصل قص أو تشبع في الموجة. لذلك نبدأ بالقواعد المثالية، لكن في النهاية نتذكر أن الخرج الحقيقي يجب أن يبقى داخل حدود التغذية المتاحة.

5. 5. إشارتا الدخل

   

   إشارتا الدخل

   v₊↑ → v_o↑

   v₋↑ → v_o↓

   $\displaystyle v_{d}=v_{+}-v_{-}$

   v_o=Av_d

   الحلقة المفتوحة شديدة الحساسية

   الإشارتان تحددان اتجاه التغذية الراجعة

   نص الشرح الصوتي

   علامتا الزائد والناقص تخبرانا باتجاه التأثير. إذا زاد المدخل غير العاكس، أي v plus، يميل الخرج إلى الزيادة. وإذا زاد المدخل العاكس، أي v minus، يميل الخرج إلى النقصان. لذلك نسميه المدخل العاكس: التغير الموجب عنده يدفع الخرج في الاتجاه المعاكس. هذه الإشارة هي مفتاح فهم التغذية الراجعة، لأنها في كثير من دوائر الأوب أمب الخطية تجعل جهدي الدخل قريبين جدا من بعضهما.

6. 6. الدائرة العاكسة الأولى

   

   الدائرة الأولى — الشكل العاكس

   V_i → R₁ → المدخل السالب

   المدخل الموجب → الأرضي

   الخرج V_o

   R_f: من V_o إلى المدخل السالب

   هذا المسار تغذية راجعة سالبة

   الهدف تضخيم خطي مضبوط

   نص الشرح الصوتي

   هذه هي أول دائرة نريد التعرف عليها: دائرة الأوب أمب العاكس الأساسية. نقرأها بهدوء من اليسار إلى اليمين. جهد الدخل V i يمر خلال المقاومة R one ثم يصل إلى عقدة المدخل السالب. المدخل الموجب موصول بالأرضي. الخرج هو V o في اليمين. وهناك مقاومة تغذية راجعة R f تصل الخرج مرة أخرى بنفس عقدة المدخل السالب. هذه التغذية الراجعة ليست زينة في الرسم. هي المسار الذي يجعل الدائرة تعمل كمضخم مضبوط، وليس كمقارن مفتوح الحلقة.

7. 7. مسار التغذية الراجعة

   

   مسارا الدخل والتغذية الراجعة

   الدخل: V_i → R₁ → v₋

   التغذية: V_o → R_f → v₋

   $\displaystyle i_{-}\approx 0$

   $\displaystyle v_{+}=0 V$

   تغذية سالبة + منطقة خطية:

   $\displaystyle v_{-}\approx v_{+}$

   v₋≈0 V: أرضي افتراضي مشروط

   نص الشرح الصوتي

   لنحدد الأجزاء المهمة. المسار الأحمر هو مسار الدخل خلال R one إلى عقدة المدخل السالب. والمسار البرتقالي هو مسار التغذية الراجعة خلال R f من الخرج إلى نفس العقدة. وبسبب نموذج الأوب أمب المثالي، تيار الدخل إلى الطرف السالب يساوي تقريبا صفرا. وبما أن الطرف الموجب موصول بالأرضي، فإن v plus تساوي صفرا. في الدرس القادم، ستجعلنا التغذية الراجعة السالبة نعامل عقدة الطرف السالب كأنها قريبة جدا من صفر فولت أيضا. هذه الفكرة تسمى الأرضي الافتراضي، ومنها نحصل على علاقة كسب المضخم العاكس.

8. 8. ملخص الطريقة

   

   ملخص الطريقة

   مدخل موجب ومدخل سالب وخرج

   A→∞ وR_in→∞ وR_out→0

   $\displaystyle i_{+}=i_{-}=0$

   الخرج محدود بجهدي التغذية

   R_f تحقق التغذية الراجعة في الشكل العاكس

   التالي: كسب المضخم العاكس

   نص الشرح الصوتي

   إذن خلاصة هذا المدخل بسيطة. للأوب أمب مدخل موجب، ومدخل سالب، وخرج، وحدود تغذية. في النموذج المثالي، تيارات الدخل تساوي صفرا، ومقاومة الدخل لا نهائية، ومقاومة الخرج صفر، والكسب كبير جدا. وأول دائرة نميزها هي الأوب أمب العاكس: V i تمر عبر R one إلى المدخل السالب، والمدخل الموجب موصول بالأرضي، و R f تعيد الخرج إلى المدخل السالب. في الدرس التالي سنحسب بالضبط كيف تضخم هذه الدائرة إشارة الدخل وتعكسها.

الفيديو المصدر: نظرية الدوائر #31 - مقدمة إلى المضخمات العملياتية Op-Amp (5:04)