مكبر العمليات 741 Op Amp

مكبر العمليات 741

مكبر العمليات 741 Op Amp Eg872570

الشكل التالى يعرض الدائرة الإلكترونية لمكبر العمليات 741 .

لحسن الحظ أنه يمكن استخدام مكبر العمليات بدون الدخول فى تفاصيل عن تركيبه الداخلى لصعوبة ذلك .

لذلك سوف نتعامل مع الأطراف الخارجية لمكبرات العمليات , ويلاحظ من رمز مكبر العمليات أن مكبر العمليات له :

· مدخلان Inputs أحدهما المدخل العاكس (-) والآخر المدخل غير عاكس(+)

· ومخرج Output .

والجدير بالذكر أن هناك أطراف أخرى لمكبر العمليات لا تظهر فى الرمز فى أغلب الأحيان . وسوف نتعرض لباقى هذه الأطراف فيما بعد .

الشكل التالى يعرض نموذجا لمكبر العمليات 741 من نوع DIL (أى له أرجل فى صفين ) وكذلك مسقط أفقى يبين جميع المداخل والمخرج ووظيفة كل منها .

ويلاحظ وجود تجويف نصف دائرى
على أحد جانبى الدائرة المتكاملة , وحتى يمكن معرفة أرقام أرجل الدائرة
المتكاملة تمسك الدائرة المتكاملة باليد بحيث يكون التجويف فى اليسار فتكون
الرجل اليسرى هى الرجل رقم 1 ويكون العد فى عكس اتجاه عقارب الساعة .

التعريف بوظيفة أرجل الدائرة المتكاملة :

الرجل (الطرف) رقم 1 : ضبط الخرج عند الصفر .

الرجل (الطرف) رقم 2 : المدخل العاكس .

الرجل (الطرف) رقم 3 : المدخل الغير عاكس .

الرجل (الطرف) رقم 4 : منبع الجهد السالب ويساوى -15V .

الرجل (الطرف) رقم 5 : ضبط الخرج عند الصفر .

الرجل (الطرف) رقم 6 : الخرج ويؤخذ منه الإشارة المكبرة .

الرجل (الطرف) رقم 7 : منبع الجهد الموجب ويساوى +15V .

الرجل (الطرف) رقم 8 : غير مستخدمة .

ويستخدم الطرفان 1 و 5 لضبط الخرج عند الصفر (لتحقيق أن صفر فى الدخل لابد أن يقابله صفر فى الخرج ) حيث يوصل بينهما مجزىء جهد ويوصل الطرف المنزلق للمجزء بالطرف السالب للمنبع .

عندما ترتفع
درجة حرارة المكبر يتواجد خرج للمكبر حتى ولو لم يكن هناك دخل على الطرفين
وفى هذه الحالة يمكن بواسطة مجزىء الجهد الوصول لخرج مساوى للصفر كما فى الشكل التالى .

نسأل الله الدعاء لمن قام على هذا العمل

أهم المصطلحات الفنية المستخدمة مع مكبرات العمليات :

1- جهد الدخل المعادل (Input Offset Voltage (VIO :
وهو الجهد الواجب تطبيقه بين المدخلين لنحصل على جهد خرج صفرى ويساوى 1mV لمكبر العمليات A741 .

2- تيار الدخل المعادلIIOInput Offset Current:
وهو الفرق بين تيارات المدخلين عندما يكون الخرج فى حالة جهد صفرى ويساوى 20nA لمكبر العمليات 741 ,

3- تيار انحياز الدخلIIBInput Bias Current :
وهو متوسط تيارات المدخلين عندما يكون الخرج فى حالة جهد صفرى .

4- جهد الدخل التفاضلى (الفرقى) Input Differential Voltage VID :
وهو فرق الجهد الأقصى بين المدخلين العاكس وغير العاكس .

5- كسب الجهد للدائرة المفتوحة Open Loop gain Av :
وهو النسبة بين جهد الخرج وجهد الدخل عندما تكون مقاومة الحمل 2kΩ .

6- مقاومة الدخل Input Resistance Ri :
وهى المقاومة بين كل من المدخلين والأرضى .

7- مقاومة الخرج Output Resistance :
وهى المقاومة بين كل من الخرج والأرضى .

8- معدل الميلان(التغير) Slew Rate SR :
وهو يساوى النسبة بين التغير فى جهد الخرج إلى زمن هذا التغير عندما تكون مقاومة الحمل RL مساوية 2KΩ .

9- النطاق العرضى للترددات Band Width BW :
وهو حدود الترددات التى يعمل عندها المكبر باستقرار .

10- حاصل ضرب النطاق العرضى للكسب GBW :
ونحصل عليه من المعادلة التالية :

والجدول التالى يعقد مقارنة بين الخواص الفنية لبعض مكبرات العمليات :

الدوائر الأساسية لمكبرات العمليات

خصائص مكبر العمليات 741 :

حيث إن معامل تكبير الدائرة المفتوحة لمكبرات العمليات يكون كبيرا ويصل إلى 200 000 لذا فإن مكبرات العمليات عادة لا تستخدم فى دوائر مفتوحة ولكن تستخدم فى دوائر مغلقة , ولكى يكون المكبر فى حالة استقرار فإن هذا الغلق يتم بواسطة تغذية خلفية سالبة , لذلك يتم توصيل مقاومة بين الخرج والدخل السالب .

تطبيقات مكبرات العمليات :

1- المكبر العاكس Inverting Amplifier

الشكل يعرض دائرة مكبر عمليات يعمل كمكبر عاكس . تسمى المقاومة RF بمقاومة التغذية الخلفية (العكسية) , أما المقاومة R1 تسمى مقاومة الدخل وهى مقاومة توالى توصل بين الطرف السالب (-) للمكبر وإشارة الدخل المطلوب تكبيرها , ويكون معامل كسب الجهد ( معامل التكبير ) AV مساويا :

ولمزيد من الإيضاح إليك المثال الموضح بالشكل التالى :

فإذا كانت إشارة الدخل Vi عبارة عن موجة جيبية قمتها العظمى +1V فإن إشارة الخرج Vo ستكون موجة جيبية أيضا بإزاحة 1800 وقيمتها العظمى 10V , حيث أن معامل كسب (تكبير) الدائرة يساوى :

ويجب ملاحظة أن جهد الخرج فى هذه الحالة لن يتعدى جهد منبع التغذية وهو 15V
مهما كانت قيمة جهد الدخل وقيمة معامل الكسب لأن المكبر سوف يكون فى حالة
تشبع ومن الناحية العملية فإن طرف الدخل الموجب (+) للمكبر لا يوصل مباشرة
بالأرضى بل يوصل من خلال مقاومة Rp تساوى :

وهذه المقاومة تعمل على ضبط أى حيود للخرج عن الصفر فى حالة ما إذا كان الدخل على طرفى المكبر مساويا صفرا .

المكبر الغير عاكس Non Inverting Amplifier

الشكل السابق يعرض دائرة مكبر العمليات الذى يعمل كمكبر غير عاكس .
يلاحظ أن إشارة الدخل يسمح لها بالدخول على المدخل الغير عاكس للمكبر (+) .
وفيما يلى معادلة كسب الجهد للمكبر الغير عاكس :

فإذا كانت R1 = 10KΩ و RF ≈ 20KΩ
ودخلت موجة جيبية على المدخل الغير عاكس وكانت القيمة العظمى لها ± 1V فإن القيمة العظمى لجهد الخرج Vo تساوى :

الشكل التالى بين العلاقة بين Vi مع الزمن وكذلك Vo مع الزمن ويلاحظ أنه لا توجد إزاحة وجهية بين Vi و Vo .

مكبر الوحدة Unity Follower Voltage Follower (Unity Gain Buffer)

هذا المكبر يعطى جهد خرج Vo مساو تقريبا لجهد الدخل Vi فى القيمة وله نفس القطبية لذلك سمى بمكبر الوحدة وهو يستخدم فى العزل .
الشكل السابق يعرض دائرة مكبر وحدة غير عاكس ويكون معامل الكسب مساويا :

المكبر الجامع العاكس The Summing Op.Amp.

يعتبر المكبر الجامع هو أحد تطبيقات المكبر العاكس ويجرى المكبر الجامع عملية جمع لجهود الدخل .

الشكل السابق يعرض جامع بثلاثة مداخل فقط , بالطبع يمكن زيادة عدد المداخل حسب الاستخدام لأى عدد من المداخل .

نحصل على قيمة جهد الخرج لهذه الدائرة من العلاقة التالية :

فإذا كانت : R1 = R2 = R3 = RF
تصبح : Vo = - (V1 + V2 + V3 )
فإذا كانت : R1 = R2 = R3 = RF = 10KΩ
وكان جهود المداخل كالآتى : V1 = 5V , V2 = 6V , V3 = 8V
فإن جهد الخرج يساوى : Vo = - (5 = 6 = 8 ) = - 19 V
فإذا كان جهد المنبع مساويا ± 15V فإن المكبر يتشبع وبالتالى يصبح جهد الخرج مساويا جهد التشبع ( Vast- ) حيث أن جهد التشبع فى هذه الحالة يساوى – 13 V تقريبا .

المكبر الفرقى The Differential Amplifier

فى التطبيقات السابقة لاحظنا أن
الإشارة الداخلة تدخل على أحد طرفى الدخل لمكبر العمليات , أما إذا سمح
لإشارتى دخل الدخول معا على مدخلى مكبر العمليات يسمى المكبر فى هذه الحالة
بالمكبر الفرقى (الطارح) , وسمى بهذا الاسم نظرا لأنه يقوم بتكبير الفرق
بين الدخلين , وفى الوضع المثالى لهذه الدوائر فإن الخرج يساوى صفرا عند
تساوى جهد مدخلى الجهد , ودائرة مكبر العمليات الفرقى موضحة بالشكل التالى :

وتكون قيمة جهد الخرج لدائرة المكبر الفرقى مساويا :

وتقوم المقاومة RF بضبط أى صعود للخرج عن الصفر فى حالة تساوى الجهدين V1 , V2 أو مساوتهما بالصفر .

مقارن الجهد Voltage Comparator

يستخدم مكبر العمليات كمقارن للجهد
بحيث يقارن الجهد على أحد المداخل مع جهد الأساس الموجود عند المدخل الآخر .
هناك نوعان من المقارنات , مقارن عاكس وآخر غير عاكس .

الشكل التالى يعرض مقارن جهد بسيط
غير عاكس (أ) ومقارن عاكس (ب) , ويسمى المقارن بمقارن عاكس عند دخول إشارة
الجهد على المدخل العاكس فى حين يسمى يمقارن غير عاكس عند دخول إشارة الجهد
على المدخل الغير عاكس .

وحيث أن معامل الكسب (التكبير) لمكبر
العمليات الذى يعمل فى دائرة مفتوحة كما هو الحال فى المقارن كبير جدا ,
لذا فإن جهد إشارة بالملى فولت يكفى لتشبع المكبر , وخرج مقارن الجهد دائما
جهد التشبع موجبا أو سالبا ± Vsat .

فى حالة قيام المقارن بمقارنة إشارة جهد مع 0 V فإنه يسمى بكاشف عبور الصفر
Zero Crossing Detector كما فى الشكل التالى :

حيث تتغير حالة خرج المقارن عند عبور جهد الدخل بالصفر .
إذا افترضنا أن مقارن للجهد غير عاكس يقارن موجة جيبية جهدها الأقصى 5 V بجهد أساس مستمر يساوى +3 V فإن شكل موجة الدخل وموجة الخرج المتوقع كما فى الشكل التالى :

ويلاحظ إنه عندما يكون جهد الدخل أكبر من 3 V فإن خرج المقارن يكون مساويا + Vsat , وعندما يكون جهد الدخل أصغر من 3 V فإن خرج المقارن يكون مساويا – Vsat . علما بأن Vsat تساوى 13 V تقريبا عندما يكون جهد المنبع مساويا 15 V .

والجدير بالذكر أن المقارن قد يتعرض
لتأرجح فى خرجه نتيجة لوجود أى جهود صغيرة بفعل الضوضاء فى المداخل , ويجب
تجنب ذلك بإضافة مقاومة تغذية عكسية موجبة (للدخل الموجب) .

وهناك نوع آخر من المقارنات تسمى بمقارنات برجوعية , وتستخدم المقارنات ذات الرجوعية فى الحاكم ذى الوضعين Two Position Controller .

الشكل التالى يعرض دائرة لمقارن برجوعية وشكل الموجة الخارجة Vo عندما تكون الموجة الداخلة Vi على شكل أسنان منشار . والمقصود بالرجوعية هى اعتماد خرج الدائرة على الحالة السابقة .

فكما هو واضح أن خرج المقارن يكون مشبعا موجبا فى المنطقة بين النقطتين A , B تماما كالحالة السابقة للمقارن , فى حين يتحول خرج المقارن ليصبح مشبعا سالبا بعد النقطة B , ويظل الخرج مشبعا سالبا فى المنطقة CD اعتمادا على الحالة السابقة وهكذا .
ويمكن تعيين حدود الرجوعية من المعادلة التالية :

حيث إن :
Vref هو جهد الأساس وهو جهد النقطة B أو النقطة D .
Vsat هو جهد التشبع لمكبر العمليات .

المكبر المكامل Integrator

تعرف عملية التكامل بأنها جمع قيم إشارة الدخل خلال فترة زمنية معينة .

الشكل التالى يعرض دائرة لمكامل وهى تشبه دائرة المكبر العاكس عدا أن مقاومة التغذية الخلفية RF استبدلت بالمكثف C .

المعادلة التالية تعرف العملية التى تجريها هذه الدائرة :

وعادة توصل مقاومة بالتوازى مع مكثف دائرة المكامل للأسباب التالية :
1- منع المكبر من تكامل الجهود المستمرة حتى ولو صغيرة والتى قد تؤدى لفقدان الدائرة لصفة التكامل .

2- تحافظ على معامل كسب لا يقل عن (RA/R) عند الترددات القليلة , حيث إن RA هى قيمة المقاومة الموصلة بالمكثف على التوازى أما R هى مقاومة الدخل .

الشكل التالى يبين مكامل عملى وشكل
الموجة الداخلة والخارجة فى حالتين عندما تكون الموجة الداخلة مربعة وعندما
تكون الموجة الداخلة جيبية .

ويلاحظ أن الموجة المربعة عند تكاملها تتحول لموجة مثلثة , أما الموجة الجيبية عند تكاملها تكون جيبية ولكن بإزاحة 900 جهة اليسار .
علما بأن جهد الخرج الأقصى للمكامل عندما يكون دخله موجة جيبية يساوى :

حيث إن :
V0 (Pk) جهد الخرج الأقصى .

Vi (Pk) جهد الدخل الأقصى .

F تردد الموجة الجيبية الداخلة .

المكبر المفاضل The Differentiator

الشكل التالى يعرض دائرة مفاضل للموجة الداخلة , وهى تشبه دائرة المكامل مع تبديل أوضاع المكثف .

المعادلة التالية تعرف العملية التى تجريها هذه الدائرة :

وعادة توصل مقاومة Rs على التوالى مع المكثف للمحافظة على الكسب فى الترددات العالية مساويا – (R / Rs ) .

الشكل التالى يبين دائرة مفاضل عملية
وشكل الموجة الداخلة والخارجة فى حالتين عندما تكون الموجة الداخلة جيبية
وعندما تكون الموجة الداخلة مربعة .

ويلاحظ أن الموجة الجيبية عند تفاضلها تكون جيبية ولكن بإزاحة 90 درجة جهة اليمين . علما بأن جهد الخرج الأقصى للمفاضل عندما يكون دخله موجة جيبية يساوى :

حيث إن :

V0 (Pk) جهد الخرج الأقصى .

Vi (Pk) جهد الدخل الأقصى .

F تردد الموجة الجيبية الداخلة .

فى حين أن الموجة المربعة عند تفاضلها تتحول لنبضات موجبة ونبضات سالبة .

محول الجهد لتيار :

من المعلوم أن مكبرات العمليات هى مكبرات جهد وأكثر هذه المكبرات يكون لها خرج تيار محدود . وحيث إن هناك الكثير من عناصر الفعل Actuators يتم التحكم فيها بالتحكم فى شدة التيار داخلها ( على سبيل المثال الصمامات ذات المحرك Motor Valves ) الأمر الذى جعلنا نحتاج لطريقة لتحويل الجهد لتيار .

الشكل التالى يبين دائرة محول جهد لتيار باستخدام مكبر عمليات .

وهذه الدائرة
تعطى تيار خرج يتناسب مع جهد الدخل . وعند التدقيق فى هذه الدائرة نجد أنها
دائرة مكبر عاكس , حيث يتحكم جهد الخرج فى الترانزستور Q , فكلما زاد جهد الخرج ازداد تيار مجمع الترانزستور Q .

ويصل المكبر
لحالة الاتزان عندما يكون الجهد الواقع على الرجل (الطرف) العاكسة يساوى
جهد الدخل على الرجل الغير عاكسة أى عندما يكون :

وبالتالى نحصل على قيمة تيار الخرج من المعادلة التالية :

ويمكن التحكم فى شدة تيار الخرج المقابل لجهد الدخل بالتحكم فى قيمة المقاومة R2 , ويجب اختيار R1 بحيث تكون كافية لتحديد تيار قاعدة الترانزستور .

والجدير بالذكر أن الترانزستور Q يعمل على زيادة مستوى تيار خرج المكبر , ولذلك يختار بحيث يكون قادرا على حمل التيار المطلوب .

كما أنه يجب أن يكون الجهد + V كافيا لإمرار التيار المطلوب فى الحمل , فإذا كانت مقاومة الحمل 50KΩ وكان التيار المطلوب 2mA فإن الجهد + V يجب أن يكون أكبر من100 V .

جزاك الله كل الخير استاذى وعلى من قام بهذا الشرح الجميل

جزاكم الله خير الجزاء Very Happy

amr كتب:: جزاك الله كل الخير استاذى وعلى من قام بهذا الشرح الجميل

بارك الله فيك اخى عمرو .. وبالتوفيق

qaswan كتب:: جزاكم الله خير الجزاء

شكرا لك اخى الكريم واهلا بك فى هذا المنتدى الطيب

يعطيــك آلـــف آلـــف عـــافية وربـــي يوفقــــك

ربـــي يوفقكـ

LoOoDy كتب:: يعطيــك آلـــف آلـــف عـــافية وربـــي يوفقــــك

LoOoDy كتب:: ربـــي يوفقكـ

شكرا على المرور الطيب .. وبالتوفيق