مضخم عمليات مثالي !... كل ما أريده هو مضخم يعمل، وبأقل جهدٍ ممكن.. فما السبيل إلى ذلك؟؟ هذا في الحقيقة ما يقوله معظم الناس عندما تطرح عليهم السؤال السابق، ولكننا -لحسن الحظ- لا نحتاج دائماً إلى مضخم عمليات مثالي، وإنما نحتاج إلى إعادة النظر في بعض المبادئ الأساسية.

إنَّ مبدأ عمل مضخم العمليات Operational Amplifier وداراته المختلفة، مشروحٌ بالتفصيل في الكتب التي تزخر بها مكتباتنا الجامعية، إذ تأخذك التصاميم الموجودة في هذه الكتب عبر عالم الحسابات والنظريات المختلفة لإيجاد الحلول المناسبة لمصائبك التماثلية (إذا صحَّ التعبير) وعلى رأسها طبعاً يقبع مضخم العمليات: وحدة البناء الأساسية في العالم التماثلي.
لو كنا نمتلك اليوم مضخمات مثالية، لكانت هذه التصاميم سهلة التطبيق. ولكن للأسف، لا يوجد لدينا مضخم مثالي حتى هذه اللحظة. وخلال التاريخ الطويل للنظم التماثلية، كانت دارات العالم التماثلي بحاجة إلى القليل (وأحياناً الكثير) من الحيطة والحذر في بعض النواحي التصميمية لجعل الدارة تعمل. إنَّ القليل من الحدس العام -والحدس المخبري بشكل خاص- مع بعض المعلومات المفيدة، ستمكِّنك من تجاوز العديد من المشاكل في تصميم مضخمك المناسب. وهذا ما سنحاول فعله في هذه السلسلة عبر تزويدك عزيزي القارئ/المصمم ببعض المعلومات المهمة فيما يتعلق بتصميم دارات مضخم العمليات وتطبيقاته المختلفة، لنثير انتباهك حول نقاط القوة والضعف في هذه التصاميم، ودون الغوص بشكل كبير في التفاصيل التصميمية التي نتركها للمراجع المتخصصة في هذا المجال.

كيف يبدو مضخم العمليات المثالي؟

بالنظر إلى الشكل 1، ستلاحظ أنه لا يختلف كثيراً عن أقرانه الحقيقيين سوى بخواصه الفريدة، إذ لا مجال لأية قيمة عددية بالظهور في هذه الخواص، إما صفر أو لانهاية!. وسيكون من المفيد لو ألقينا نظرة على هذه الخواص عن كثب :
تستخدم مرحلة الدخل في هذا المضخم المثالي ترانزستورات تجعل من الممكن تطبيق جهود على مداخل المضخم (+IN و-IN) بمستوى التغذية الكهربائية تماماً. في الحقيقة بإمكان بعض المضخمات أحادية التغذية حالياً أن تؤمن ذلك مع بعض الضجيج، ولكن المضخم المثالي لن يولِّد أي ضجيج. وإذا كان المضخم يقبل دخلاً بمستوى التغذية الكهربائية، عندها سيختفي خطر حدوث الإشباع (Saturation) في الدارة.
بالإضافة إلى ما سبق، فإنَّ مداخل المضخم لن تولد أو تصرف أي تيار، وذلك باعتبار ممانعة الدخل لانهائية. أي أن تيار الانحياز (Bias Current) للترانزستورات سيكون معدوماً وبالتالي الضياعات في الدخل ستكون أيضا معدومة، وهذا يعني أنَّ خطأ الإزاحة (خطأ الجهد المستمر) وخطأ الضجيج (خطأ الجهد المتناوب) سينعدمان أيضاً، وبانعدام هذين الخطأين لن تحتاج إلى القلق بشأن معايرة المضخم أبداً!.

الشكل 1: مواصفات مضخم العمليات المثالي

أما بالنسبة لاحتياجات المضخم من التغذية الكهربائية فهي معدومة!. كلنا نعلم أنَّ الصناعة الإلكترونية تتجه هذه الأيام نحو تخفيض جهود التغذية، وبالتالي تخفيض الاستطاعة المستهلكة من قبل العناصر الفعَّالة في الدارة، ومن المفترض أنَّ المضخم المثالي قادر على تضخيم إشارة الدخل دون أن يستهلك أي مقدار من الطاقة.
سيكون بمقدار خرج هذا المضخم التأرجح بين مستويي التغذية بشكلٍ كامل، وستكون ممانعة الخرج معدومة سواء في الإشارة المستمرة أو المتناوبة، مما يضمن عزلاً مثالياً للأجهزة الموصولة على دخل المضخم عن تلك الموجودة على خرجه. أيضاً، سيستجيب المضخم للإشارات المطبقة على دخله بشكل لحظي أي أنَّ معدل التغير (Slew Rate) سيكون لا نهائياً. بالإضافة إلى ذلك، بإمكان المضخم المثالي قيادة أي حمل مهما كان نوعه (أومياً أو سعوياً) مع المحافظة على تأرجح كامل لجهد الخرج بين مستويي التغذية، ومعامل ربح لانهائي (في الدارة المفتوحة). وهذا الربح اللانهائي يجب أن يكون على كامل المجال الترددي (بدءاً بالإشارات المستمرة ووصولاً إلى الترددات العالية)، كما أن عرض حزمة المضخم (Bandwidth) سيمتد من الصفر وحتى اللانهاية. وبالطبع يجب أن يكون سعر هذا المضخم معقولاً!...
مرحباً بكم في عالم الخيال!.. هذا هو مضخم العمليات الذي ندرسه في المقررات والكتب الجامعية!.
ربما تبدو دراسة خواص المضخم المثالي عملية غير مجدية بما أننا لا نملك واحداً، ولكنها تساعدنا على فهم خواص المضخم الحقيقي بشكل أفضل، كما توجِّه المصمم نحو استخدام المضخم الأمثل لكل تطبيق. ومن الممتع معرفة أنَّ معظم المشاكل في المضخم الحقيقي قد تم توظيفها من قبل مهندسين مبدعين لتحسين التصاميم الموجودة. فمثلاً، نستخدم دارات التضخيم ذات عرض الحزمة المحدود في تصفية الضجيج والحالات العابرة السريعة في الدارة. أيضاً، إنَّ معدل التغير اللانهائي ليس جيداً كما يبدو للوهلة الأولى، فغالباً ما يفضِّل المصممون معدلات تغير أبطأ لأنها تقلِّل من الضجيج على مسار الإشارة وتُبسِّط من مخطط الدارة المطبوعة. في النهاية، إنَّ المضخم المثالي يحتاج عالماً مثالياً، وبما أننا نحيا في العالم الحقيقي، فيجدر بنا البحث عن أفضل الطرق للاستفادة من المضخمات الموجودة بين أيدينا. إنَّ الخطوة الأولى في أي تصميم -بعد تحديد احتياجاتك من المضخم طبعاً- هي باختيار تقنية تصنيع المضخم، وأمامك خياران رئيسان : إمَّا تقنية CMOS أو تقنية Bipolar.

الخطوة الأولى: اختر تقنية التصنيع بحكمة

إنَّ أشهر تقنيتين في عالم تصنيع مضخمات العمليات وحيدة التغذية هما تقنيتا CMOS و Bipolar. ويُظهر الشكل 2 الفوارق الأساسية بين هاتين التقنيتين. بشكلٍ عام، إنَّ أهم الفوارق بين المضخمات المصنَّعة بتقنية CMOS وتلك المصنَّعة بتقنية Bipolar تكمن في ترانزستورات مرحلة الدخل، حيث تمتلك هذه الترانزستورات تأثيراً جوهرياً على الأداء المجمل لمضخم العمليات.
في حال استخدام تقنية CMOS، تؤمَّن هذه الترانزستورات ممانعة دخل أعلى وضجيجاً أقل على تيارات الدخل. وبسبب كون ممانعة الدخل أعلى من تلك الموجودة في مضخمات Bipolar، فإنَّ تيار الانحياز في الدخل سيكون أخفض بكثير، وهذه الخواص تجعل من مضخمات CMOS مثالية للتعامل مع المنابع ذات الممانعة العالية، كالحساسات الضوئية أو المزدوجة الحرارية ذات الترشيح السعوي.

الشكل 1: مواصفات مضخم العمليات المثالي

بالإضافة إلى ما سبق تتمتَّع المضخمات المصنعة بتقنية CMOS بمعامل ربح في الحلقة المفتوحة أعلى من نظيراتها ثنائية القطبية (Bipolar)، وبإمكان هذه الميزة تقليل أخطاء التضخيم في التطبيقات التي يكون فيها ربح الحلقة المفتوحة مرتفعاً جداً (60dB أو أكثر).
بعكس مضخِّمات CMOS تمتلك المضخمات ثنائية القطبية ضجيجاً أقل في جهد الدخل وجهد انزياح أخفض في درجة حرارة الغرفة، وعادةً ما تمتلك تيار خرج أعلى ونسبة رفض للنمط المشترك (CMRR) أعلى أيضاً، وهذا ما يمنح هذه المضخمات أفضلية في تطبيقات العزل والقيادة. إحدى المزايا المهمة الأخرى لمضخمات Bipolar هي تفوقها في التطبيقات عالية التردد، في حين أن التيار الذي تستهلكه مضخمات CMOS يتزايد بشكل أسي مع تزايد التردد. وبالرغم مما سبق، فإنَّ المضخمات ثنائية القطبية تعاني من قيم عالية لتيارات الانحياز في الدخل وللضجيج في تيارات الدخل. تتوفر نماذج عديدة من مضخمات العمليات ثنائية القطبية نذكر منها:

• AD706 من شركة Analog Devices
• LTC1051 من شركة Linear Technology

أما مضخمات العمليات ذات البنية CMOS فنجد منها :

• AD8500 من شركة Analog Devices
• LMC660 من شركة National Semiconductor
• MCP6041 من شركة Microchip Technology

تقوم بعض الشركات حاليا بتصنيع مضخمات عملياتية ذات تقنية مختلطة CMOS و Bipolar وتسمى بتقنية BiCMOS. في هذه التصاميم غالباً ما تكون ترانزستورات الدخل من نوع Bipolar وبذلك نستفيد من إمكانية تحقيق التماثل الكبير بين ترانزستوري المضخم التفاضلي وهو ما يقلل جهد الانزياح في الدخل بشكل كبير. أما بقية ترانزستورات المضخم العملياتي فتصنَّع بتقنية CMOS، وبذلك نكون قد حصلنا على أفضل المواصفات من كل تقنية.
ولكن هل تهمنا حقاً معرفة تقنية التصنيع لاختيار مضخم العمليات المناسب؟ خاصة إذا علمنا أن أكبر ثلاث شركات مصنعة للمضخمات العملياتية تمتلك ما يزيد عن 1600 منتج للاختيار فيما بينها! لذلك تبرز الحاجة إلى فرز وتقييم أولي لهذه المنتجات وفق معايير ومتطلبات التصميم، وهذا ما تمنحنا إياه تقنية التصنيع بسهولة.
نلقاكم في العدد القادم بإذن الله، مع الخطوة التالية في إيجاد مضخم العمليات الأمثل لدارتك... والخطوة الثانية: حلول صغيرة لمشاكل كبيرة.

  التعليقات (0)

إظهار/إخفاء التعليقات

أضف تعليق

إظهار/إخفاء صندوق مربع التعليقات

البريد الإلكتروني الاسم الموقع الإلكتروني		عنوان التعليق التعليق تصغير | تكبير
		أضف تعليق