ما هو الـ Op-Amp وكيف يعمل: من المقارن Comparator إلى متابع الجهد Voltage Follower
الفكرة الأساسية للـ Op-Amp
عشان نفهم الـ Op-Amp بشكله الرئيسي خلونا نفرض عندنا إشارتين: واحدة 5 ميكروفولت والثانية 2 ميكروفولت. لما أجي أقارن بينهم الفرق 3 ميكروفولت، وصعب جدًا أني ألاقي جهازًا يقرأ هذا الفرق. فإيش أسوي؟ آخذ الفرق وأضربه في مليون مثلًا، فلما أضرب 3 ميكروفولت، اللي هو الفرق بينهم، في مليون يطلع عندي 3 فولت، والآن أقدر أقرأه.
هذه الفكرة الأساسية في الـ Op-Amp بدون الـ Feedback: يقارن بين جهدين ويأخذ الفرق ويضربه في رقم عالٍ جدًا نسميه Gain.
حدود الخرج: +VCC و −VCC
النقطة اللي لازم نعرفها أيضًا عن الـ Op-Amp أن الـ Gain فيه عالٍ جدًا. تخيّل أن الفرق رقم عالٍ، يعني الفرق بين الإشارتين كان 5 فولت مثلًا، فلما نضرب 5 فولت في مليون يطلع معنا 5 مليون. هذا الكلام غير منطقي: أن يطلع من 5 فولت جهاز صغير يعطيني 5 مليون فولت.
طيب إذا ما كنا نقدر نوصل للملايين، فإيش الحدود اللي عندي؟ نقول إننا محدودون بالـ Power supply اللي نغذي فيه هذا الـ Op-Amp. غالبًا نغذي الـ Op-Amp بـ Power supply اثنين: واحد موجب والثاني سالب. نحط دائمًا الموجب فوق ويكون +VCC، والسالب نرسمه تحت ويكون −VCC. فهذا +VCC هو الحد الأعلى اللي ما يتعداه الـ Output تبع الـ Op-Amp، و−VCC هو الحد الأدنى اللي ما ينزل تحته الـ Output تبع الـ Op-Amp.
فالآن لو كان الفرق ما بين الإشارتين 2 V، يعني عدد كبير يعتبر 2 V، بعدين ضربته بمليون ما راح يوصل 2 مليون. الـ Output راح يرتفع لين يوصل إلى +VCC، خلّنا نقول مثلًا 15 V، راح يوقف عند 15 V وهذا السقف الأعلى له.
المدخلان: Inverting و Non-inverting
الآن لاحظ على المدخل تبع الـ Op-Amp عندنا Plus وMinus دائمًا. السالب هذا عبارة عن Inverting side، يعني نأخذ الـ Input ونعكسه، عشان كذا سميناه Inverting side. أما بالنسبة للموجب فهو Non-inverting، يعني يدخل الـ Input زي ما هو ما نعكسه.
الـ Op-Amp كمقارن Comparator
فالآن لما نقارن إشارتين، واحدة منهم تروح على السالب وواحدة تروح على الموجب: إذا كانت اللي على السالب أعلى فراح ينزل الـ Output إلى −VCC، أما إذا كانت الإشارة اللي على الموجب أعلى فراح يرتفع الـ Output إلى +VCC. فالآن صار عندنا الـ Op-Amp بشكله الرئيسي كأداة مقارنة.
التغذية الراجعة السالبة Negative Feedback
الخطوة اللي بعد كذا قررنا أن نأخذ من الـ Output سلكًا ونوصله في الـ Inverting side. الآن إيش اللي راح يصير معنا؟ نفرض أنه عند الـ Inverting side 5 V، وعند الـ Non-inverting، الموجب هنا، 2 V. فالآن الفرق بينهم 3 V، والـ Voltage الأعلى داخل على السالب، معناها أن الـ Output راح يحاول يروح إلى −VCC، فراح ينقص. وهذا الـ Output، وهو قاعد ينزل باتجاه −VCC، نأخذه ونرجّعه كمدخل أيضًا للسالب، معناها أنه نقص من المدخل الأعلى، لين يوصل إلى نقطة توازن لما يتساوى المدخلان.
وهذا يدخلنا على القاعدة الذهبية للـ Op-Amp: أن المدخلين دائمًا متساويان إذا كان فيه Negative feedback. ومن هنا جاء مصطلح Virtual short: كأن فيه Short ما بين المدخلين. إذا فيه Feedback فدائمًا المدخلان متساويان.
القاعدة الذهبية الأولى: لا يدخل تيار
نقطة أخيرة ومهمة عن الـ Op-Amp عشان نفهم تمامًا، اللي هي القاعدة الذهبية الأولى: أنه ما فيه أي تيار يدخل إلى الـ Op-Amp من المدخلين هذول، السالب والموجب؛ ما فيه مرور لأي تيار. فالتيار اللي يجي من هنا يطلع على طول عن طريق الـ Feedback. وهذه الميزة هي اللي تعطي الـ Op-Amp قوته في العزل، وتخلّينا نستخدم الـ Op-Amp كعازل للـ Voltage، أو نسميه Voltage follower.
مشكلة مقسم الجهد Voltage Divider
خلونا نرجع للمثال اللي تكلمنا عنه في الدروس السابقة عن الـ Voltage divider، لما سألنا: لو كان عندك 12 V وتبغى تشغّل مصباحًا مثلًا يشتغل على 6 V فقط، كيف تقسم هذا الجهد أو كيف تشغّل هذا المصباح؟ كان الجواب أننا نستخدم دائرة Voltage divider: نجيب 12 V، ولأننا محتاجين نصها نجيب مقاومتين متساويتين على التوالي ونربطهما في الـ Voltage source، فالآن 12 V ستتوزع بالتساوي على المقاومتين. بعد كذا نشبك المصباح على التوازي Parallel مع المقاومة اللي تحت.
وبعدين ذكرنا أن الموضوع هذا فيه إشكالية، لأن مقاومة المصباح راح تؤثر في توازن هذه الدائرة، فما راح يظل الجهد هنا 6 V، راح يقل غالبًا، إلا في حالة أن المصباح هذا مقاومته لا نهائية. والمقصود بمقاومة لا نهائية، بالنسبة للتيار، أنه ما فيه مرور لأي تيار كأنه Open circuit. وهذا الكلام غير واقعي بالنسبة للمصباح، لأن بالعكس ممكن تكون مقاومته ضئيلة جدًا، ولما نأخذ مقاومة صغيرة على التوازي مع مقاومة ثانية راح تؤثر في المقاومة المكافئة بشكل كبير، بينما لو أخذنا مقاومة لا نهائية مع مقاومة ثانية ما راح تؤثر فيها أبدًا.
الحل: متابع الجهد Voltage Follower
فالآن نستخدم الـ Op-Amp لحل هذه المشكلة، ونستخدم خاصية الـ Voltage follower: نجيب الجهد على المقاومة، اللي هو 6 V، ونشبكه في الـ Non-inverting side من الـ Op-Amp، وبنفس الوقت نشبك الـ Output من الـ Op-Amp على الـ Inverting side، نسوي Negative feedback. فالآن مهما نشبك حملًا على الـ Output من الـ Op-Amp لا تتأثر دائرتنا الرئيسية، لأن كما قلنا لا يوجد أي تيار يدخل الـ Op-Amp من هنا، كأنه Open circuit. والـ Feedback يضمن أن المدخلين متساويان: المدخل V input يصير نفسه يساوي V output، لذلك سميناه Voltage follower. وحققنا هدفنا أن الدائرة الرئيسية لا تتأثر لأنه لا يمر أي تيار. فهذا من الاستخدامات الذكية للـ Op-Amp.
عن هذا الدرس
ما هو الـ Op-Amp وكيف يعمل: يأخذ الفرق بين مدخليه ويضربه في كسب Gain عالٍ جدًا، والخرج محصور بين جهدي التغذية +VCC و−VCC. المدخل العاكس Inverting والمدخل… هذا الدرس ضمن مقدمة لمنهج الهندسة الكهربائية أساسيات الكهرباء في أكاديمية موسى.