المضخم غير المعكوس

فهم المضخم غير المعكوس باستخدام المضخم التشغيلي: النظرية، التصميم، والتطبيقات

تُعد المضخمات التشغيلية (Op-Amps) من اللبنات الأساسية في الإلكترونيات التناظرية، ومن أكثر تكويناتها استخدامًا هو المضخم غير المعكوس. في هذا المقال، سنتعرف على كيفية عمل هذا التكوين، ومعادلة كسب الجهد، وطريقة بنائه، وبعض التطبيقات العملية.

1. ما هو المضخم غير المعكوس؟

المضخم غير المعكوس هو تكوين يتم فيه توصيل إشارة الدخل إلى المدخل غير المعكوس (+) للمضخم التشغيلي. ونتيجة لذلك، تكون إشارة الخرج بنفس طور إشارة الدخل، ولكنها مضخّمة بمقدار يمكن التنبؤ به.

وعلى عكس المضخم المعكوس، فإن هذا التكوين لا يعكس القطبية، مما يجعله مناسبًا في الحالات التي تحتاج فيها إلى تضخيم الإشارة دون تغيير طورها.

2. تكوين الدائرة

يتكون المضخم غير المعكوس من العناصر التالية:

• دائرة متكاملة لمضخم تشغيلي (مثل LM741 أو TL081 أو LM358)
• مقاومتان: R1 (بين الخرج والمدخل المعكوس) و R2 (بين المدخل المعكوس والأرضي)
• توصيل إشارة الدخل إلى المدخل غير المعكوس

يتحكم نسبة المقاومتين R1 وR2 في مقدار الكسب، ويتم أخذ الخرج مباشرة من مخرج المضخم.

3. معادلة كسب الجهد

يتم تحديد كسب الجهد (Av) في المضخم غير المعكوس من خلال شبكة التغذية الراجعة:

• R1: المقاومة بين الخرج والمدخل المعكوس
• R2: المقاومة بين المدخل المعكوس والأرضي

تشير هذه المعادلة إلى أن الكسب يكون دائمًا أكبر من أو يساوي 1.

مثال:

إذا كانت R1 = 10kΩ و R2 = 2kΩ:

أي أن إشارة دخل بمقدار 1 فولت ستعطي خرجًا بمقدار 6 فولت (ما لم يتشبع المضخم).

نصائح مهمة:

• تأكد من توصيل أطراف التغذية بشكل صحيح (Vcc و GND أو Vee)
• استخدم مكثف تجاوز 0.1µF بين Vcc والأرضي
• حاول تقليل الضوضاء باستخدام تخطيط مناسب على اللوحة التجريبية أو الدائرة المطبوعة

4. اعتبارات عملية

• مزود الطاقة: معظم المضخمات تحتاج إلى تغذية مزدوجة (±12V)، لكن بعض الأنواع مثل LM358 يمكن أن تعمل بتغذية واحدة (مثلاً 0–5V).
• تيار انحياز الدخل: يجب التأكد من وجود مسار تيار مستمر نحو الأرضي لمدخلات المضخم.
• نطاق التردد ومعدل التغير: عند استخدام كسب عالٍ أو ترددات عالية، قد تظهر قيود أداء في المضخم.
• الثبات: استخدم مكثفات تجاوز قرب أطراف التغذية لتقليل التشويش والاهتزازات.

5. تطبيقات المضخم غير المعكوس

يُستخدم هذا التكوين في العديد من التطبيقات، مثل:

• تضخيم إشارات الصوت: مثل إشارات الميكروفون أو الخط.
• مراحل العزل أو التوسيط: بسبب مقاومة الدخل العالية.
• تكييف إشارات الحساسات: مثل إشارات الحرارة أو الضوء أو الضغط.
• معالجة الإشارات قبل تحويلها إلى رقمية (ADC).

6. استخدام مصدر تغذية مفرد مقابل تغذية مزدوجة

يمكن تشغيل المضخمات التشغيلية إما باستخدام تغذية مزدوجة (±12V مثلاً) أو تغذية مفردة (0 إلى 5V مثلاً)، لكن سلوك الدائرة يتغير حسب نوع التغذية، مما يؤثر على مدى الدخل وسعة الخرج وتحيز الإشارة.

التغذية المزدوجة (±V)

• يمكن للمضخم أن يتعامل مع إشارات موجبة وسالبة.
• يخرج إشارة يمكن أن تتأرجح فوق وتحت الصفر (حول 0V).
• مناسب جدًا لتضخيم الإشارات المتناوبة (AC) دون تشويه.
• لا حاجة إلى تحييز إضافي.

التغذية المفردة (0 إلى +V)

• المضخم يعمل فقط في النطاق الإيجابي، مثل 0–5V.
• الخرج لا يمكن أن ينخفض عن 0V، وفي كثير من الأحيان لا يصل حتى إلى 0 أو إلى Vcc بالكامل.

التأثيرات:

• احتمالية تقليم الإشارة (Clipping): إذا حاولت الإشارة الدخول أو الخروج خارج النطاق، سيتم اقتطاعها مما يشوه الموجة.
• ضرورة التحييز (Biasing): يجب رفع إشارة الدخل إلى منتصف الجهد (مثلاً 2.5V في حالة 5V) حتى تبقى الإشارة ضمن النطاق المسموح.
• استخدام مكثفات الربط: لإزالة التحييز المستمر عند الدخل والخرج، مما يسمح بتمرير الإشارة المتناوبة فقط.

مثال:

إذا كنت تضخم إشارة متناوبة بقيمة 1V مركزها 0V باستخدام تغذية 0–5V، يجب عليك تحييز الإشارة لتكون مركزها عند 2.5V. إن لم تفعل، فسيتم اقتطاع الجزء السالب من الموجة ولن يتم تضخيمه.

الخلاصة

المضخم غير المعكوس هو تكوين بسيط وفعال باستخدام المضخم التشغيلي، يسمح بتضخيم الإشارة دون تغيير طورها، مما يجعله مناسبًا للعديد من التطبيقات مثل الصوت، والقياسات، والإشارات التناظرية. فهم هذا التكوين يُعد خطوة أساسية لكل من يعمل في مجال الإلكترونيات.

أو بإمكانك إستكشاف تصنيفات أخرى

عالم الإلكترونيات

الفيزياء وميكانيكا الطيران

استكشف العالم الخفي تحت المجهر