شرح مُبسط لمبدأ عمل المكبر العملياتي (المضخم العملياتي) وتطبيقاته المختلفة

يُعتبر المضخم العملياتي (Operational Amplifier) من أكثر الدوائر المتكاملة إنتشارا في عالم الإلكترونيات وهذا طبعا بجانب المؤقت 555 الشهير نظرا لما يتميز به من سهولة إستعمال وسعره المنخفض، كما يمكننا إستخدامه في عدد لا يُحصى من التطبيقات والدوائر الإلكترونية، بإختصار فوائده لا حصر لها وإمكانياته لا حدود لها.

ما هي الدائرة المتكاملة:

قبل أن ندخل في شرح المُضخم العملياتي والوظائف التي يقوم بها دعونا أولا نتعرف على ماهية الدائرة المتكاملة فكثيرا ما نسمح هذا المصطلح الذي حتى لو ظننا أننا نعلم ما هو إلا أننا في الواقع قد لا نعلم إلا القليل عنه.

تتكون الدائرة المتكاملة من عدد كبير جدا من العناصر الإلكترونية المحتواة داخل رقاقة (شريحة) واحدة، وفي الغالب لا يجب علينا معرفة البنية الداخلية للدائرة المتكاملة حتى نستطيع إستخدامها، بل يجب علينا أخذ الخصائص الخارجية فقط بعين الإعتبار حتى نتمكن من ذلك.

في العادة يكون صنع دائرة كهربائية مبينة على الدوائر المتكاملة عملية سهلة وأبسط بكثير من بناء نفس الدائرة إعتمادا على عناصر إلكترونية بسيطة مثل المكثف والترانزستور، بالإضافة إلى هذا لا نحتاج سوى لضبط وتحديد قيمة بضعة عناصر إلكترونية خارجية من أجل التحكم بخصائص الدائرة المتكاملة والطريقة التي ستعمل بها.

ليس للدائرة المتكاملة عدد محدد من الأطراف، فلكل نوع منها عدد معين من الأرجل إلا أنه غالبا ما يكون لها 8 أو 14 طرف، تكون هذه الأطراف مرقمة ترقيما تصاعديًا (من 1 إلى 8 على سبيل المثال)، ويمكننا معرفة رقم كل طرف حسب ما توضح الصورة أدناه حيث توجد علامة تحدد مكان الطرف رقم 1 والذي سنبدأ منه العد تصاعديا:

غيرت الدوائر المتكاملة وجه الإلكترونيات وجعلت منها عالما مختلفا بشكل كبير عما كان عليه سابقا، وهذا في الميدانين الرقمي (digital) والتماثلي (analogue)، بالنسبة للمجال التماثلي لم تشكل أي دائرة متكاملة فرقا مثلما شكله المضخم العملياتي مثلما سنتعرف عليه ونرى ذلك من خلال أسطر هذه المقالة.

لمحة تاريخية سريعة عن المضخم العملياتي:

تم تطوير المضخمات العملياتية بشكل رئيسي خلال فترة الصمامات المفرغة الإلكترونية أي خلال عصر ما قبل الترانزستور، وكانت تستخدم في الحاسبات الثماثلية من أجراء العمليات الحسابية (وهذا هو سبب تسميتها بالمضخمات العملياتية) المتمثلة في الجمع والطرح والضرب والقسمة، ظهر أول صمام للتضخيم الإلكتروني سنة 1941.

المبادئ الرئيسية للمضخم العملياتي:

يستطيع المضخم العملياتي الوصول إلى عامل تكبير يصل في غالب الأحيان إلى 100,000 أو أكثر، يتميز بممانعة (impedance) دخله الكبيرة جدا التي تبلغ عدة ميغا أوم.

للمضخم العملياتي مدخلين إثنين، أحدهما يسمى بالمدخل العاكس و يتم تعليمه بالرمز "-" في الرسم التخطيطي للدائرة الإلكترونية، بينما يسمى الآخر بالمدخل الغير العاكس ويتم ترميزه بالعلامة "+" في تخطيط الدائرة.

يكتسب المدخلان الخاصان بمكبر العمليات إسمهما من الطريقة التي يقومان من خلالها بتكبير الإشارة:

• المدخل الغير عاكس: عند تطبيق جهد موجب على المدخل العاكس نلاحظ قيام المكبر العملياتي بتوليد هزة موجبة عند الخرج، إذا كانت الإشارة متغيرة كأن تكون إشارة جيبية على سبيل المثال فإن إشارة الخرج ستكون من نفس إشارة الدخل.
• المدخل العاكس: عند تطبيق جهد موجب على المدخل العاكس نلاحظ قيام المكبر العملياتي بتوليد هزة سالبة عند الخرج، إذا كانت الإشارة متغيرة كأن تكون إشارة جيبية على سبيل المثال فإن إشارة الخرج ستكون عكس إشارة الدخل.

ملاحظة: يحاول دائما المكبر العملياتي جعل الفرق بين المدخلين العاكس والغير العاكس مساويا للصفر.

مثل أي دائرة إلكترونية أخرى تحتاج الدوائر التي يدخل في تكوينها المضخم العملياتي إلى مصدر للطاقة، في العادة يحتاج مكبر العملياتي إلى مصدر ثنائي للتغذية (جهد موجب وجهد آخر سالب)

في أغلب الأحيان لا يحتاج المضخم العملياتي سوى إلى توصيل 5 من أطرافه الثمانية حتى يستطيع العمل بشكل جيد، هذه الأطراف هي: المدخل العاكس، والمدخل غير العاكس، والطرفان الخاصان بالتغذية، والمخرج، وفي حالات نادرة يتم إستعمال الأطراف الثلاثة الأخرى.

خصائص المكبر العملياتي:

للمكبر العملياتي العديد من الخصائص بعضها يعتبر بمثابة المزايا في حين بعضها الآخر يقوم بالحد من أداء هذا العنصر:

• معامل تكبير ضخم: من سمات المضخم العملياتي الرئيسية معامل تكبيره الضخم جدا، حيث يتراوح في صورته النموذجية بين 10,000 و100,000.
• ممانعة كبيرة للدخل: واحدة أخرى من الخصائص الرئيسية للمكبر العملياتي، نظريا ينبغي أن تكون المقاومة عند دخل مضخم العمليات لانهائية، وهذا ما يتجلى بصورة واضحة في المضخمات العملياتية التي نستعملها اليوم حيث تفوق ممانعة دخلها 0.25 ميغا أوم وهي قيمة كبيرة جدا لدرجة أنه يمكن إعتبارها لانهائية.
• ممانعة صغيرة للخرج: خاصية أخرى جد مهمة، في المضخمات العملياتية المثالية تكون ممانعة الخرج معدومة (مساوية للصفر)، أما على أرض الواقع فإنها تكون أقل من 100 أوم.
• نسبة رفض النسق المشترك (Common mode rejection): من الخصائص المهمة جدا أيضا، وتُشير إلى الحالة حيث يتم تطبيق نفس الإشارة على المدخلين الخاصين بالمكبر العملياتي، نظريا لا يمكن أن توجد إشارة على مستوى الخرج تحت هذه الظروف، ولكن تطبيقيا هذا غير ممكن، تُمثل نسبة رفض النسق المشترك (إختصارا CMMR) النسبة بين مستوى الخرج عند تطبيق نفس الإشارة للمدخلين معا مقارنة مع الخرج عند تطبيق الإشارة على أحد المدخلين فقط.
• عرض النطاق المحدود (Limited bandwidth): نظريا بإمكان المكبر العملياتي المثالي أن يكون له عرض نطاق لانهائي (غير محدود) ولكن لا يمكن الحصول على مثل هذا العرض في أرض الواقع، كما سيكون إستخدامه صعبا جدا من الناحية العملية. في الحقيقة للمضخمات العملياتية نطاق عرض محدود حيث لا تستطيع التعامل سوى مع ترددات محددة.

تطبيقات المكبر العملياتي:

على الرغم من أن المكبرات العملية عادة ما تستخدم كمكبر، إلا أنها يمكن أن تقوم بعديد الوظائف الأخرى حيث أنها تدخل كذلك في تركيب العديد من الدوائر التي بدورها تكون مخصصة من أجل تطبيقات متنوعة، كما أنها سهلة البناء والتصميم.

المكبر العملياتي كمقارن للجهد:

هذا هو التطبيق أو الإستعمال الخاص بالمكبر العملياتي الأسهل للفهم، بعد توصيل مصدَرَيْ الجهد مع طرف التغذية نقوم بتوصيل جهد مرجعي (Vref) مع المدخل العاكس وجهد آخر (Vin) مع المدخل الغير عاكس، في حالة ما إذا كان Vin أكبر من Vref سيكون الجهد عند الخرج موجب، أما في حلة ما إذا كان العكس (Vref أكبر من Vin) فإن جهد الخرج سيكون سالب.

المكبر العاكس:

ربما يكون المكبر العاكس أكثر دوائر المضخم العملياتي إستعمالا، فهذه الدائرة سهلة الإستخدام، وبإمكانها تزويدنا بممانعة صغيرة للدخل ستكون مفيدة للتطبيقات التي تتطلب هذه القيمة الصغيرة.

المكبر الغير العاكس:

تتميز دائرة المكبر الغير العاكس بقدرتها على تكبير الإشارة وكذلك ممانعة دخلها الكبيرة جدا.

الخلاصة:

تعرفنا في هذه المقالة على مضخم العمليات، وفترة إكتشافه، وخصائصه المختلفة، وبعض التطبيقات والدوائر البسيطة التي يدخل في تركيبها، أتمنى أن تكون قد أفادتكم ولو بالشيء القليل، في حالة ما إذا كان لا يزال لديك بعض الإلتباس أو هناك نقطة لم تفهما جيدا لا تتردد في طرح سؤالك في خانة التعليقات بالأسفل وسنجيبك عليها في أسرع وقت ممكن إن شاء الله.