أنواع المضخمات: مضخم عمليات مقابل مضخم تفاضلي مقابل مضخم أجهزة

المضخمات هي دوائر إلكترونية تزيد من قوة الإشارة بحيث يمكن معالجتها أو قياسها أو نقلها بشكل أكثر فعالية. في الأنظمة التناظرية، غالبا ما تكون الإشارات القادمة من الحساسات أو مصادر الصوت أو دوائر التحكم ضعيفة جدا بحيث لا يمكن استخدامها مباشرة، لذا تستخدم المضخمات لتعزيز مستويات الجهد، وتحسين جودة الإشارة، وتحضير الإشارة للمرحلة التالية. تتعامل المضخمات التشغيلية، والمضخمات التفاضلية، ومضخمات الأجهزة مع الإشارات بطرق مختلفة وتستخدم في حالات مختلفة. تقارن هذه المقالة بين هذه الأنواع الثلاثة من المضخمات، موضحة كيف تعمل، وكيف تختلف، وكيفية اختيار الأنسب للتطبيقات الواقعية.

ما هو المضخم التشغيلي؟

المضخم التشغيلي، أو مضخم العمليات (op-amp)، هو مضخم إلكتروني يزيد الفرق بين جهد الإدخال ويولد جهد خرج واحد. له طرفان إدخال: المدخل غير العاكس (+) ومدخل العكس (−). يتغير المخرج بناء على فرق الجهد بين هذين المدخلين.

في الدوائر العملية، يستخدم مضخم العمليات عادة مع مكونات تغذية راجعة خارجية مثل المقاومات والمكثفات. تتحكم هذه الأجزاء في الكسب والثبات وعرض النطاق الترددي والسلوك العام للدائرة. يمكن التعبير عن الفكرة الأساسية لمضخم العمليات كما يلي:

Vout = Aol(V+ − V−)

حيث Vout هو جهد الخروج، Aol هو كسب الحلقة المفتوحة، V+ هو جهد الإدخال غير المعكس، وV− هو جهد الإدخال المعكس. في التطبيقات الحقيقية، عادة ما يتم التحكم في كسب الحلقة المفتوحة العالي جدا بواسطة تغذية راجعة سلبية حتى تتمكن الدائرة من إنتاج خرج مستقر ومتوقع.

ما هو المضخم التفاضلي؟

المضخم التفاضلي يزيد الفرق بين جهد الإدخال ويقلل من الإشارات التي تظهر بالتساوي في كلا المدخلين. تسمى هذه الإشارات المتساوية إشارات الوضع المشترك. وبسبب ذلك، يكون المضخم التفاضلي مفيدا عندما تكون الإشارة المهمة هي فرق الجهد بين نقطتين، وليس إشارة واحدة فقط تقاس بالأرض.

يحتوي المضخم التفاضلي الأساسي على مدخلين، غالبا ما يطلق عليهما V1 وV2، ومخرج واحد. يتغير الإخراج بناء على الفرق بين المدخلين. إذا ارتفع أو هبط كلا المدخلين معا بسبب الضوضاء أو التداخل، يحاول المضخم رفض تلك الإشارة المشتركة ويزيد فقط من الفرق المفيد.

يمكن التعبير عن الفكرة الأساسية كالتالي:

Vout = Ad(V2 − V1)

حيث Vout هو جهد الخرج، وAd هو الكسب التفاضلي، وV2 − V1 هو فرق الجهد بين الإشارتين الداخلتين.

ما هو مضخم الأجهزة؟

مضخم الأجهزة هو مضخم دقيق مصمم لتضخيم الإشارات التفاضلية الصغيرة جدا مع رفض الضوضاء أو الإشارات غير المرغوب فيها التي تظهر بالتساوي في كلا المدخلين. يستخدم عادة عندما تأتي الإشارة من الحساسات، لأن العديد من الحساسات تنتج تغييرات ضعيفة في الجهد تحتاج إلى تضخيم دقيق قبل المعالجة.

يحتوي مضخم الأجهزة على طرفين للإدخال وعادة طرف إخراج واحد. مثل المضخم التفاضلي، فإنه يضخم الفرق بين جهدي الإدخال. ومع ذلك، فإنه يوفر مقاومة إدخال أعلى، ورفض أفضل في الوضع المشترك، وكسبا أكثر استقرارا من المضخم التفاضلي الأساسي. هذا يساعد في منع تحميل المستشعرات ويحسن دقة القياس.

يمكن التعبير عن الفكرة الأساسية كالتالي:

Vout = G(V2 − V1)

حيث Vout هو جهد الخرج، G هو كسب المضخم، وV2 − V1 هو جهد الإدخال التفاضلي.

مضخم عمليات مقابل مضخم تفاضلي مقابل مضخم أجهزة

عوامل أداء المضخمات الرئيسية التي يجب أخذها في الاعتبار

إعداد الكسب ودقة الكسب

يشرح إعداد الكسب كيفية التحكم في كسب خرج المضخم، بينما تشرح دقة الكسب مدى قرب الكسب الفعلي من القيمة المتوقعة.

• في دائرة مضخم العمليات (op-amp)، عادة ما يتم ضبط الكسب بواسطة مقاومات تغذية راجعة خارجية. على سبيل المثال، مضخم العمليات غير العاكس يستخدم نسبة المقاومات حول مسار التغذية الراجعة لضبط الكسب. هذا يجعل مضخمات العمليات مرنة جدا لأن نفس الجهاز يمكن استخدامه للتخزين المؤقت، الكسب المنخفض، الكسب العالي، التصفية، أو تكييف الإشارة.

• في المضخم التفاضلي، يعتمد الكسب أيضا على نسب المقاومات، لكن مطابقة المقاومات تصبح أكثر أهمية. إذا لم تكن نسب المقاومات متطابقة بشكل وثيق، فقد ينتج المضخم خطأ في الكسب ورفض أضعف في النمط المشترك. بالنسبة للدوائر التفاضلية الدقيقة، غالبا ما يستخدم المصممون مقاومات ذات تسامح ضيق مثل أجزاء 0.1٪ أو 0.01٪ بدلا من المقاومات القياسية 1٪.

• في مضخم الأجهزة، غالبا ما يتم ضبط الكسب بواسطة مقاومة خارجية واحدة أو شبكة ضبط الكسب الداخلية، مما يسهل تحقيق كسب مستقر في دوائر الحساس والقياس. تشير Analog Devices إلى أن مضخمات العمليات يتم تكوينها من خلال عدة مكونات خارجية، بينما عادة ما يتم ضبط مضخمات الأجهزة للكسب عبر مقاومة واحدة أو نقاط كسب قابلة للاختيار.

رفض الوضع المشترك ورفض الضوضاء

يصف رفض الوضع المشترك مدى كفاءة المضخم في رفض الإشارات التي تظهر على كلا المدخلين في نفس الوقت. وهذا مهم لأن الدوائر الحقيقية غالبا ما تلتقط ضوضاء مشتركة من خطوط الطاقة، المحركات، مزودات الطاقة التحويلية، أسلاك المستشعرات الطويلة، أو الدوائر الرقمية القريبة. إذا كان المضخم يعاني من رفض ضعيف في الوضع المشترك، فقد يظهر بعض الضوضاء غير المرغوب فيها عند المخرج ويقلل من دقة الإشارة.

• يمكن لمضخمات العمليات رفض إشارات الوضع المشترك، لكن أدائها الفعلي يعتمد على تكوين الدائرة وتصميم التغذية الراجعة.

• تم تصميم المضخم التفاضلي خصيصا لتضخيم الفرق بين مدخلين، لكن CMRR الخاص به يعتمد بشكل كبير على مطابقة المقاومات. إذا لم تكن شبكة المقاومات متوازنة، يصبح رفض الضوضاء في الوضع المشترك أضعف.

• عادة ما توفر مضخمات الأجهزة أقوى رفض في الوضع المشترك لأنها مصممة للإشارات التفاضلية الصغيرة في البيئات المزعجة. في العديد من تطبيقات حساسات الدقة، قد تكون قيم مضخمات الأجهزة من CMRR تتراوح بين 80 ديسيبل وأكثر من 120 ديسيبل، حسب الكسب ونوع الجهاز.

لهذا السبب غالبا ما يفضل لأجهزة استشعار الجسور، والتركيبات الحرارية، وإشارات القياس الطبية أو الصناعية. تصف Analog Devices مضخمات الأجهزة بأنها كتل كسب تفاضلي تستخدم عادة عندما تكون هناك حاجة لممانعة إدخال عالية ورفض الوضع المشترك.

مقاومة الإدخال وتحميل المصدر

مقاومة الإدخال تظهر مدى تأثير المضخم على مصدر الإشارة. المقاومة العالية تعني أن المضخم يأخذ تيارا قليلا جدا من المصدر، لذا يتم الحفاظ على الإشارة الأصلية بشكل أفضل. يمكن لممانعة الإدخال المنخفضة أن تحمل المصدر، وتقلل الجهد المقاس، وتسبب خطأ في الإشارة قبل أن يبدأ التضخيم حتى.

• عادة ما تكون مضخمات العمليات ذات مقاومة إدخال عالية، خاصة أنواع مدخلات CMOS وJFET. وهذا يجعلها مفيدة لتخزين الجهد المؤقت وتكييف الإشارة بشكل عام.

• يمكن أن تكون لمضخمات الإدخال التفاضلية مقاومة فعالة أقل لأن إشارة الإدخال غالبا ما تمر عبر شبكات المقاومات. يمكن أن تصبح هذه مشكلة عندما تكون إشارة المصدر ضعيفة أو تأتي من حساس عالي المقاومة.

• عادة ما توفر مضخمات الأجهزة مقاومة إدخال عالية ومتوازنة جدا على كلا المدخلين، مما يساعد على منع تحميل المستشعرات.

الإزاحة، الانحراف، ودقة القياس

جهد الإزاحة هو خطأ صغير غير مرغوب فيه يظهر عند مدخل المضخم. حتى عندما تكون الإشارتان متساويتان، قد ينتج المضخم الحقيقي خطأ إخراج صغير بسبب عدم التوازن الداخلي. يصبح هذا الخطأ أكثر خطورة عند قياس إشارات صغيرة جدا، مثل مخرجات المستشعرات على مستوى الميكروفولت أو الميلي فولت.

الانجراف يعني أن الإزاحة أو الكسب يتغير مع تغير درجة الحرارة مع مرور الوقت. هذا مهم في دوائر القياس الصناعية والسيارات والدقيقة لأن المضخم قد لا يبقى عند درجة حرارة ثابتة واحدة. قد تكون مضخمات العمليات العامة مقبولة لضبط الإشارة الأساسية، لكن مضخمات العمليات الدقيقة ومضخمات الأجهزة تكون أفضل عندما يكون الإزاحة والانحراف منخفضا جدا. على سبيل المثال، بعض مضخمات العمليات الدقيقة ذات الانجراف الصفري يمكن أن يكون لديها جهد إزاحة في نطاق الميكروفولت وانحراف منخفض يصل إلى 0.005 ميكروفولت/°C، حسب الجهاز. عائلة مضخمات OPAx189 الدقيقة من TI هي مثال يدرج قيم انحراف وانحرافات منخفضة جدا لقياس الإشارة بدقة.

عرض النطاق الترددي 5.5، معدل الدوران، واستجابة الإشارة

عرض النطاق الترددي يظهر مدى الترددات التي يمكن للمضخم التعامل معها دون فقدان كبير للإشارة. معدل الدوران يوضح مدى سرعة تغير جهد الخرج، وعادة ما يقاس بوحدة V/μs. هذان العاملان يحددان ما إذا كان المضخم قادرا على تتبع إشارات الإدخال سريعة التغير بدقة. إذا كان عرض النطاق الترددي منخفضا جدا، تصبح الإشارات عالية التردد أضعف. إذا كان معدل الانحراف منخفضا جدا، قد يبدو الخرج مشوها عندما تتغير الإشارة بسرعة.

بالنسبة لمضخمات العمليات، غالبا ما يرتبط عرض النطاق الترددي بحاصل ضرب الكسب-عرض النطاق الترددي. وهذا يعني أنه مع زيادة كسب الحلقة المغلقة، عادة ما ينخفض عرض النطاق الترددي القابل للاستخدام. على سبيل المثال، إذا كان مضخم التشغيل ذو التغذية الراجعة للجهد له حاصل ضرب كسب وعرض نطاق ترددي 10 ميجاهرتز، فقد يوفر حوالي 10 ميجاهرتز عند كسب 1، ولكن فقط حوالي 1 ميجاهرتز عند كسب 10، في حالة مبسطة. يعد كسب الحلقة المغلقة ومنتج عرض النطاق الترددي معيدا أساسيا للعديد من مضخمات العمليات ذات التغذية الراجعة للجهد.

المضخمات التفاضلية وأجهزة القياس لها أيضا حدود عرض النطاق الترددي، خاصة عند الكسب الأعلى. غالبا ما تكون مضخمات الأجهزة محسنة للدقة ورفض الضوضاء بدلا من السرعة العالية جدا، لذا يمكن أن يصبح عرض النطاق الترددي فيها أضيق مع زيادة الكسب. للإشارات السريعة، يجب عليك التحقق من عرض النطاق الترددي ومعدل الانحراف في ورقة البيانات. يجب أن يكون عرض النطاق الترددي الكامل عادة أعلى بعدة مرات من أقصى تردد إشارة خرج لتجنب التشويه في تصاميم المضخمات عالية السرعة

التطبيقات الواقعية لكل نوع من المضخمات

تطبيقات المضخمات التشغيلية

تستخدم المضخمات التشغيلية على نطاق واسع عندما تحتاج الدائرة إلى تحكم مرن في الإشارة. يمكنها تضخيم إشارات الجهد الضعيف، أو تخزين مؤقت لمرحلة دائرة عن أخرى، أو تصفية الترددات غير المرغوب فيها، أو ضبط إشارة قبل أن تنتقل إلى محول ADC أو متحكم دقيق أو دائرة تناظرية أخرى. نظرا لأن الكسب والوظيفة يتم تحديدهما بواسطة مكونات تغذية الفعل الخارجية، يمكن لدائرة تشغيل واحدة دعم العديد من أدوار الدائرة المختلفة.

مثال شائع هو LM358. وهو مضخم مزدوج التشغيل يستخدم غالبا في الدوائر التناظرية الحساسة للتكلفة. تدرج شركة تكساس إنسترومنتس LM358 كمضخم تشغيلي مزدوج بجهد 30 فولت وبدقة 700 كيلوهرتز، مما يجعله مناسبا لكيفية تكييف الإشارة العامة، والتضخيم منخفض التردد، ودوائر واجهة المستشعرات، وأنظمة التحكم التناظرية الأساسية. على سبيل المثال، يمكن استخدام LM358 لتضخيم جهد حساس صغير قبل أن يقرأه المتحكم الدقيق (microcontroller)، أو يمكن أن يعمل كمخزن جهد حتى لا تحمل المرحلة التالية من الدائرة مصدر الإشارة.

المضخمات التشغيلية شائعة أيضا في المرشحات النشطة، ومضخمات الصوت المسبقة، ومتابعات الجهد، ومضخمات الأخطاء في مزودات الطاقة، ودوائر كشف الإشارات الشبيهة بالمقارنة. عادة ما تكون هذه هي الخيار الأفضل عندما تحتاج الدائرة إلى مرونة بدلا من أداء قياس دقيق للغاية.

تطبيقات المضخمات التفاضلية

تستخدم المضخمات التفاضلية عندما تحتاج الدائرة لقياس الفرق بين نقطتي جهد بدلا من قياس جهد واحد بالنسبة للأرضي. وهذا يجعلها مفيدة في استشعار التيار، وطرح الجهد، واستقبال الإشارة المتوازنة، وردود فعل التحكم في المحرك، والدوائر التي تظهر فيها الضوضاء غير المرغوب فيها على كلا خطي الإدخال. من خلال التركيز على فرق الجهد، يمكن للمضخم التفاضلي تقليل الضوضاء المشتركة واستخراج الإشارة المفيدة.

مثال حقيقي على الدوائر المتكاملة هو AD8276 من شركة Analog Devices. AD8276 هو مضخم فرق كسب وحدة مصمم لتعديل الإشارات بدقة في التطبيقات منخفضة الطاقة. يشمل مقاومات داخلية مقصوصة بالليزر، مما يساعد على تحسين دقة الكسب والرفض في الوضع المشترك مقارنة بمضخم تفاضلي بسيط بمقاومة منفصلة. تدرج Analog Devices مضخمات AD8276/AD8277 كمضخمات فرق عامة ذات نسبة رفض مشتركة 86 ديسيبل وانحراف كسب منخفض.

في الدوائر الحقيقية، يمكن استخدام جهاز مثل AD8276 لاستشعار التيار، وقياس الجهد بدقة، والتحويل من الطرف الواحد إلى التفاضلي، وتكييف الإشارة الصناعية. يكون مفيدا عندما يحتاج المصمم إلى طرح دقيق بين إشارتين لكنه لا يحتاج إلى أداء قياس المستشعر الكامل لمضخم الأجهزة.

تطبيقات مضخمات الأجهزة

تستخدم مضخمات الأجهزة عندما يجب على الدائرة قياس إشارات تفاضلية صغيرة جدا بدقة، خاصة عند وجود ضوضاء. وهي شائعة في أنظمة الحساسات لأنها توفر مقاومة إدخال عالية، وكسب مستقر، ورفض قوي في الوضع المشترك. يساعد ذلك في منع تحميل أو تشويه إشارات المستشعر الضعيفة قبل التضخيم.

مثال شائع هو INA333 من شركة تكساس إنسترومنتس. INA333 هو مضخم أجهزة منخفض القدرة ودقيق مصمم لقياس الإشارة بدقة. تذكر TI أنها تستخدم تصميم مضخم أجهزة بثلاثة أمب تشغيلي، وأن مقاومة خارجية واحدة يمكنها ضبط الكسب. وهذا يجعله مفيدا للتطبيقات المحمولة والمعتمدة على أجهزة الاستشعار حيث تحتاج الإشارات الصغيرة إلى تضخيم نظيف.

غالبا ما تستخدم مضخمات الأجهزة مع خلايا الحمل، ومقاييس الإجهاد، وحساسات الجسور، والمجموعات الحرارية، وحساسات الضغط، وأجهزة الاستشعار الطبية الحيوية، وأنظمة جمع البيانات. على سبيل المثال، قد تنتج خلية التحميل إشارة صغيرة فقط بمستوى ملي فولت عند تطبيق الوزن. يمكن لمضخم الأجهزة مثل INA333 تضخيم تلك الإشارة التفاضلية الصغيرة مع رفض الضوضاء التي تلتقطها أسلاك المستشعر.

اختيار المضخم النموذجي الحقيقي

الخاتمة

تخدم المضخمات التشغيلية، والمضخمات التفاضلية، ومضخمات الأجهزة احتياجات إشارة مختلفة. استخدم مضخم عمليات للتضخيم المرن، والتخزين المؤقت، والتصفية، وتكييف الإشارة بشكل عام. استخدم مضخم تفاضلي عندما تحتاج الدائرة إلى مقارنة نقطتي جهد أو تقليل الضوضاء المشتركة. استخدم مضخم أجهزة قياس عند قياس إشارات حساسات صغيرة جدا تتطلب دقة عالية، وممانعة إدخال عالية، ورفض ضوضاء قوي. اختيار المضخم المناسب يعتمد على نوع الإشارة، ومستوى الضوضاء، والدقة، والسرعة، ومتطلبات الدائرة.