تصميم الدوائر الإلكترونية


(ماجد عباس محمد) #81

توصيل الموسفيت على التوالى MOSFET series connection :

هل يمكن توصيل الترانزيستورات الموسفيت على التوالى لزيادة الفولت؟!! قد يبدو الأمر أسهل من الترانزيستورات الثنائية – أو أصعب حسب ما ترى!!
لو نظرنا لهذه الدائرة سنجد أمرا سهلا جدا ، فالتحكم من بوابة Gate ترانزيستور واحد فقط عكس ما كان متوقعا، نعم و لهذا فهى أسهل …

عندما تكون الترانزيستورات فى وضع القطع أى أن جهد بوابة الترانزيستور 1 = صفر Vg1=0 فإن حسب المفترض سيكون كلاهما فى حال القطع.
من المفترض (ولى تحفظ على هذا) أن مقاومة الترانزيستورين متساوية فى حال القطع ومن ثم سينتصف جهد التغذية بينهما أى بجهد تغذية 120 فولت سيكون على كل منهما 60 فولت.
الجهد على بوابة الموسفيت العلوى يجب أن لا يزيد عن 60 فولت + جهد التوصيل وهو غالبا حوالى 4 فولت (إرجع للداتا شيت للترانزيستور الذى ستستخدمه و ستجده بمسمى VGS(th)Gate Threshold Voltage وهو الحد الذى سيبدأ عنده الترانزيستور الفتح) . هذا دور المقاومتان 1،2 فمن قانون كيرشوف و نظرية الإستبدال فى الجزء الأول (الأساسيات) نجد الجهد 120 فولت سيضع
120 × م1 ÷ مجموع م1+م2 وهو = 54 فولت و يضاف إليه ما يسببه المصدر 15 فولت وهو
15 × م2 ÷ مجموع م1+م2 وهو = 8.24 فولت و المجموع
54 فولت + 8.24 فولت = 62.24 فولت أى أعلى من جهد المصدر Source بقيمة 2.24 فولت فيكون أيضا الترانزيستور 2 مغلق.
نلاحظ هنا أن قيمة الحمل Rload صغيرة جدا بالنسبة للمقاومات 1 ميجا الخ لذا تهمل.
الآن عندما تأتى النبضة (الجزء الأخضر) لفتح الموسفيت 1 سيوصل و يهبط جهد المصب Drain من 60 فولت إلى صفر أو 1 فولت حسب مقاومته الداخلية و التيار المار و طبعا الهبوط ليس فجائيا ولكنه فى زمن قصير جدا.
هذا الهبوط سيجعل مصدر Source الموسفيت 2 أيضا مساويا له لحظيا فيفتح الموسفيت العلوى بنفس المعدل جاعلا جهد مصب Drain الموسفيت 2 العلوى أيضا صفر أو 2 فولت أيضا حسب مقاومته الداخلية و التيار المار به فينخفض جهد البوابة Gate له و يصبح المصدر 15 فولت فقط هو ما يبقيه مفتوحا لأنه يسبب فولتا
15 × م2 ÷ مجموع م1+م2 وهو = 8.24 فولت وهو كافى
عند الإغلاق تعود الدائرة لسابق عهدها.
المكثفات C1,C2 هى للتسريع و كل شرطها أن R1C1=R2C2 و يجب أن لا تزيد قيمتها فتبطء الإستجابة.
قبل أن نناقش التحفظات، هل يمكن أن نزيد عدد الموسفيت؟
حسنا المرة القادمة نناقش الدائرة بثلاث ترانزيستورات إن شاء الله


(ماجد عباس محمد) #82

ثلاث موسفيت على التوالى:

بنفس الشرح الذى قلناه المرة الماضية يمكن أن نستخدم ثلاث ترانزيستورات على التوالى ولا ننسى أن الفولت ارتفع من 120 إلى 180 فولت هكذا

الموسفيت الأول كالسابق تماما
الموسفيت الثانى أيضا مطابق إلا أن المقاومة م2 (وهى هنا باسم م4) قد نقصت قيمتها لأن م2 كانت تأخذ من 120 فولت أما المقاومة م4 فتأخذ من 180 فولت.
الآن الترانزيستور الثالث بنفس الطريقة و نفس اسلوب الحساب.
هنا استخدم مصدر 20 فولت وليس هذا حتميا و لكن سنرى المرة القادمة دائرة أخرى لها مصدر بوابة واحد.

أيضا يمكن إرجاع مقاومات الترانزيستور الأوسط (م3) لمصبه Drain بدلا من مصدر التغذية كما سنرى لاحقا.

الآن لنناقش التحفظات التى نوهت عنها، كل المواقع تنص على أن عندما تكون الموسفيتات فى حال القطع ستكون المقاومة الداخلية عالية جدا ولكنها متساوية و من هنا الفولت ينقسم بالتساوى عليها، حسنا من يضمن هذا؟ لذا من الأفضل أن نضع مقاومات كبيرة و متساوية 200ك إلى 1 ميجا بين كل Drain-Source مصدر مصب لكل ترانزيستور (المبينة باللون الأحمر) – متساوية لتقوم بالتوزيع المتساوى بين الترانزيستورات.
التحفظ الثانى هو عندما نعلو بالفولت كثيرا كأن نستخدم ترانزيستورات 400 فولت للوصول إلى 1200 فولت، فإن استخدام مقاومات كمجزء جهد يجب أن يكون بحيطة كبيرة فالفرق بين البوابة و المصدر لا يعدو 4 فولت وهى بالنسبة للموسفيت العلوى 4 : 1200 أى دقة 0.33% وهذا صعب تحقيقة، و هناك تحايل على هذا الأمر أن مدى تحمل بوابة الموسفيت هو +/-20 فولت لذا يراعى عند القطع أن يكون جهد بوابة الموسفيت بالنسبة لمصدره Vgs فى حدود -10 فولت إلى -15فولت مما يجعل 15 فولت :1200 نسبة 1% وهى أفضل .


(ماجد عباس محمد) #83

ثلاث موسفيت على التوالى – طريقة أخرى:

هذه طريقة أخرى مرفوعة فى هذا الموقع
http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/etd-12092010-221223/unrestricted/Wang_W_T_2010.pdf
و بها بعض الإختلافات التى تشكل فرقا فى سهولة الضبط و التنفيذ إلا انها تستخدم مكونات أكثر قليلا.

نلاحظ هنا أن المصمم استخدم الدائرة التقليدية لبوابة الموسفيت إلا أن القيم اختلفت و أضاف هنا ثنائى سريع القطع لكل ترانزيستور ( الثنائى D5 للموسفيت Q3 و الثنائى D4 للموسفيت Q2 فقط ) . المصدر V3هو ما يمد بوابات الموسفيت Gates بجهد الفتح المناسب.
المصدر V1هو ما يمد الدائرة و الحمل بجهد التشغيل المستمر و لنفترض أنه مثلا 1200 فولت و كما سبق سيكون على كل ترانزيستور 400 فولت.
المصدر V2هو ما يمد الدائرة بنبضات الفتح و الغلق + 15 فولت.
عندما يكون V2 = صفر و الدائرة مغلقة، سنجد على النقطة 1 جهد 400 فولت و على النقطة 2 جهد 800 فولت على النقطة 3 جهد 1200 فولت.
كما ذكرنا سابقا فحساب جهد القاعدة لأى ترانزيستور يكون بحساب جهد المصدر مع مجزء الجهد من مقاومتين مضافا إليه جهد الفتح V3 مجزء بنفس المقاومتين فمثلا لأول ترانزيستور Q1 لا نحسب له و مقاومته R1 هى المقاومة العادية فى أى دائرة.
لننسى للحظة الدايودات فى الدائرة، بالنسبة للموسفيت Q2 و حيث أن جهد بوابته يأخذ من جهد مصدره Source النقطة 1 إلى المصدر V3 وهو 15 فولت، فالجهد على قاعدته نسبة إلى مصدره Vgs2 سيكون دوما أقل من جهد المصدر 400 فولت، لذا و بالأخذ فى الإعتبار أن أقصى تحمل للبوابة هو 20 فولت أقل من جهد المصدر source (من الداتا شيت) سنحسب قيم المقاومات التى تضع على البوابة نصف مدى التحمل أى أقل بقيمة 10 فولت أى 390 فولت كما بالرسم.
جهد البوابة كالمثال السابق = 400 × م2 ÷ مجموع م2،م4 + 15 × م4 ÷ مجموع م2،م4
لو افترضنا قيمة م2 = ا ميجا أوم
جهد البوابة 390 = 400 × 1 ÷ مجموع 1،م4 + 15 × م4 ÷ مجموع 1،م4
(1+م4) × 390 = 400 + 15 × م4
390 + 390 ×م4 = 400 + 15 × م4
375 × م4 = 10
إذن م4 = 10 ÷ 375 = 0.0266 ميجا أى 27 ك أوم
و بالمثل نفترض م3 = 1 ميجا
790 = 800 ÷ المجموع + 15 × م5 ÷ المجموع
790 + 790 × م5 = 800 + 15 × م5
775 × م5 = 10
م5 = 13ك أوم

الآن عندما تكون قيمة V2 = +10 فولت لفتح الترانزيستور Q1 فإن جهد المصب نتيجة التوصيل سيصبح صفرا أو قريبا من ذلك ، و هنا مصدر Q2سيصبح صفرا أيضا و يصبح المصدر V3 بقيمة 15 فولت هو المهيمن الآن مسببا له أن يفتح أيضا فيصبح قصر كما باللون الأخضر مسببا للموسفيت Q3 أن يفتح و يكون قصر أيضا ، و تتكرر نفس العملية مع Q3 أيضا و يفتح.
لكن هناك نقطة هامة وهى أن المقاومة م4 = 27 ك فقط بجوار م2 = 1 ميجا وهو مجزء جهد لا يبقى ما يكفى لفتح الموسفيت، هذا صحيح وهنا يأتى دور الدايود D4 الذى يفصل ما بين م4 و م2 عند التوصيل و الدايود D5 ليفصل بين م3 و م5 ، لذا هذه الدايودات يجب أن تكون تتحمل الجهد العالى و أيضا سرعة القطع و التوصيل، مثلا UF4005 وهو سريع جدا و يتحمل جهد عالى و التيار هنا قليل جدا لذا 1 أمبير أكثر من كافى.
بقى الزينر م8 و الدايود D7 فمعذرة لا يجوز توصيل زينر على التوازى مع مصدر فلو زاد المصدر عن جهد الزينر سينهار الزينر مسببا قصر على المصدر و لو كان المصدر أقل فلا دور للزينر، أما الدايود D7 فهو فقط حماية لو انهارت بوابة أى موسفيت لأى سبب فلا يذهب الجهد العالى للمصدر وليس بالضرورة أن يكون سريع.
باقى الدايودات 1،2،3 هى الموجودة داخل كل موسفيت ولا تضاف خارجيا.

المرة القادمة إن شاء الله سنضع أبسط الطرق وهى تعديل من كل النسق السابقة


(ماجد عباس محمد) #84

ثلاث موسفيت على التوالى – طريقة أخرى:

هذه الدائرة هى الأبسط ولا تحتاج كثير من الحسابات ، فكل موسفيت متصل بمقاومة بين البوابة و المصدر Gate Source كما بالرسم وهى أى قيمة تكفى لغلق الموسفيت مثلا 100ك أوأقل حتى 20ك .

الآن الثلاثة فى حال الغلق و نظرا لكون D1 يعزل و يمنع V3 من التفاعل مع الدائرة، لذا سيكون جهد بوابة Q2 هو 400 فولت و بالمثل مع D2 سيكون جهد بوابة Q3 800 فولت.

الآن عندما يكون V2 فى حال الفتح أى +10 فولت أو أعلى، سيفتح Q1 و يكون جهد مصبه = صفر و هنا سيكون مصدر Q2 أيضا مساوى صفرا و كذا بوابته تنخفض لكن الدايود D1 سيفتح واضعا 15 فولت من V3 على بوابة Q2 فيفتح و يصبح قصرا أيضا جاعلا جهد مصبه صفرا أيضا فيتكرر نفس الشيء مع Q3 فيفتج أيضا.

الدايودات D1,D2 توفران العزل ضد انهيار بوابة أى موسفيت لو استخدمت UF4005 .
عندما يعود V2 للصفر أى وضع القفل، سيبدأ جهد مصبه Drain فى الإرتفاع، و فور ارتفاعه عن 15 فولت قيمة V3 سيقفل الدايود D1 فاصلا بوابة Q2 و أيضا D2 فاصلا بوابة Q3 من ثم سيغلق كلا من , Q3 Q2 معا و تعود الدائرة لوضعها الأصلى.

المرة القادمة إن شاء الله نتكلم عن موضوع آخر كالملح فى كل وجبة وهو Noise and distortion الخلاص من الضوضاء المتولدة فى المكبرات و تفادى تشويه الإشارة فى المكبرات


(ماجد عباس محمد) #85

:Noise and distortion

الضوضاء خاصية مصاحبة لكل شيء يمر فيه تيار كهربى و يزيد بزيادة المقاومة.
أما سببها فهو حركة الإلكترونات داخل الجسم.
عند توصيل جهد كهربى، تتسارع الإلكترونات منجذبة للطرف الموجب حتى تصدم أقرب ذرة فتنزل سرعته للصفر و تبدأ من جديد، أو تنحرف فى مسارها مغيرة سرعتها حتى تعود لمسارها الأول – كل إلكترون له ظروفه لذا تنتج آلاف الحركات وكل منها تمثل تيار لحظى صغير.
نظرا لكونها غير منتظمة فهى تغطى النطاق الترددى بكامله ، من أدنى قيمة تتوقعها حتى أعلى تردد تفكر أن تبنى له دائرة مكبر.
الضوضاء مشكلة أى جهاز استقبال عالى الحساسية أو مكبر لمصدر إشارة ضعيفة عالى الكسب فما لم تكن الإشارة أكبر من الضوضاء، يكون تكبيرها أصعب ما لم يكن مستحيلا.
لهذا قامت دراسات و استحقت شهادات و جوائز للتغلب على الضوضاء – فقط تخيل محاولة استقبال ما ترسله مجسات الفضاء منذ سنوات ، و تخيل استقبال ما ترسله المجسات على سطح الكواكب – طبعا لا يمكن أن تكون محطة الإرسال قوية فالطاقة عنصر حيوى هناك و أيضا قدرة المرسل تتناسب مع وزنه و كل جرام يكلف ملايين لإرساله لكوكب فى المنظومة الشمسية – الأفضل أن نزيد قدرة المستقبل.
حسنا إذن الأفضل أن نكتفى بدوائر ترددها مناسب لنبتعد عنها!!
حقا؟ هل رفعت صوت المسجل دون شريط أو أى مكبر دون إشارة و شمعت صوت أشبه بسقوط سيل من الرمال على ورقة؟ هذا تأثير الضوضاء.

كيف التخلص من الضوضاء؟
بل قل كيف نحد من تأثيرها، كلما قلت مقاومة المصدر قلت ضوضاؤه و المسالة تنطبق أيضا على مقاومة دخول المكبر لذا يلجا دوما إلى استخدام المقاومة المناسبة.
لتقليل تأثير الضوضاء كما ذكرت هناك أبحاث عديدة فى طبيعتها من حيث أنها عفوية و محاولة استغلال ذلك و لنذكر مثال بسيط عن كيفية استخلاص إشارة من ضوضاء اعلى منها
لو استخدمت مكبر ما ليكبر إشارة فى وسط ذو ضوضاء عالية ستنتج إشارة مكبرة مع ضوضاء مكبرة.
ولو استخدمت مكبر آخر ليكبر نفس الإشارة ستنتج نفس الإشارة مكبرة مع ضوضاء أخرى مكبرة. لا تنسى أن الضوضاء تتولد فى دخول المكبر وهى خاصية له
ولو استخدمت مكبر ثالث ليكبر نفس الإشارة ستنتج نفس الإشارة مكبرة مع ضوضاء ثالثة مكبرة.
لو جمعنا خرج الأول والثانى سينتج بالتأكيد ضعف الإشارة، لكن هل ينتج ضعف الضوضاء؟
لأن طبيعة الضوضاء عفوية لن تكون لحظيا بنفس القيمة والوجه مما يجعل بعضها يضيف والآخر يطرح و بالحساب و التجربة وجد أنها تنتج جذر 2 أى 1.414 وليس الضعف
لو جمعنا الثلاثة نحصل على جذر 3 أى 1.7 مقابل ثلاث أضعاف الإشارة وكذا
بالطبع هناك العديد من الأساليب الحديثة و المتقدمة للتغلب على هذه الحالة
المرة القادمة إن شاء الله نتكلم عن التشويه


(ماجد عباس محمد) #86

التشويه:

التشويه هو اختلاف الإشارة المكبرة من خرج المكبر عن إشارة الدخول فى أى صفة من صفاتها
صفات الإشارة هى قيمة ، تردد ، وجه ولهذا نجد لدينا ثلاث أنواع من التشويه
تشويه القيمة هو خروج مجموعة الترددات بقيم ليست مساوية للدخول
تشويه التردد وهو خروج الترددات بنسب غير نسب الترددات التى دخلت
تشويه وجه هو اختلاف علاقة الوجه بين الترددات المختلفة فى الخروج عنه فى الدخول

تشويه القيمة Amplitude Distortion:

حينما تكون العلاقة بين الدخول والخروج غير خطية، فإن أجزاء الإشارة الداخلة لا تكبر بنفس النسبة و عليه تخرج الإشارة بشكل غير مطابق لما دخلت به
أهم أسبابه هو تشبع المكبر أى وصوله لمنطقة لا يستطيع الاستجابة بعدها فمثلا:
لو أن التغذية لمرحلة الخرج +/- 30 فولت والكسب =10 فأقصى ما تستطيع تكبيره هو نظريا +/- 3 فولت و ما زاد عن ذلك لا يستطيع المكبر التجاوب معه و عمليا فإن آخر فولت أو اثنين ربما لا يقدر المكبر أن يكون مثاليا خلالهما.


أيضا من أسبابه استخدام مكونات غير خطية مثل الثنائيات و الترانزستورات لذلك استخدام التغذية الخلفية السالبة من أهم الوسائل لتقليل تأثير تشويه القيمة.
تعمد حدوث هذا التشويه يستخدم أحيانا لعمل مزج بين إشارتين إحداهما ضعيفة و يصعب تكبيرها على ما هى عليه إما للصعوبة أو ارتفاع الكلفة مثال وحدة LNB فى طبق الاستقبال ، مستقبل الرادار ألخ

تشويه التردد Frequency distortion :

عند دخول مجموعة ترددات مكبر ما، فالمفروض أن تخرج كلها مكبرة بنفس القيمة و أول أسباب تشويه التردد هو عرض النطاق للمكبر، فلو كان اقل من الترددات المطلوبة سيكبر بعضها بكامل النسبة و التى على حدود النطاق سيقل الكسب عندها و التى خارج النطاق ربما لا تكبر إطلاقا
فى مكبرات التردد الصوتى هذا الأمر أساسى لكن فى مكبرات الموسيقى قد يفعل ذلك عن عمد حسب ذوق المستمع و أكبر دليل على هذا التشويه هو ما يسمى Sub Woofer حيث تكبر الترددات المنخفضة لمستويات غير طبيعية لرغبة مستمع لا يدرى ماذا يفعل بجسده
طبعا التغذية الخلفية تقلل من أثرة و يفعل عمدا فى المكبرات لتحقيق الإنتقائية مثل مكبرات التردد الحامل للصوت فى التليفزيون حيث ينتقى تردد 5.5 ميجا هيرتز ويرفض ما هو خارج النطاق المطلوب، و انتقاء 38ك هرتز القادم من الريموت لجهاز الاستقبال

تشويه الوجه Phase Distortion :

تشويه الوجه هو اختلاف علاقة الوجه بين الترددات المختلفة فى الخروج عنه فى الدخول ويحدث كلما اقتربنا من حدود النطاق الترددى لمكبر و السبب أن ما يحد النطاق كما سبق و شرحنا و حسبنا هو المكثفات و الملفات والمقاومات فى الدوائر وكلها تسبب تأخير (راجع موضوع المقاومة والمكثف و موضوع الملف والمقاومة)، هذا التأخير يحدث لهذه الترددات دون غيرها مسببا تأخير و اختلاف فى الوجه
أيضا التغذية الخلفية السالبة تقلل من تأثيره وهو فى الترددات الصوتية تسبب إضعاف بعض الأصوات إن أتت للأذن فى أوقات متعاكسة أما فى الرؤية فأثرها كبير ففى نظام التلفيزيون الأمريكى يتسبب فى تغيير اللون وفى بعض الأنظمة الأخرى يقلل من شدة الإضاءة إذا جمعت
أحيانا يضاف عمدا لإحداث مؤثرات مثل الرنين Reverberation
المرة القادمة إن شاء الله سنتكلم عن كيفية الربط بين المراحل ربطا يتيح تكبير الجهد المستمر وهو الخطوة الأولى لمكبر العمليات Operational Amplifier و مرحبا بالدوائر المتكاملة.


(ماجد عباس محمد) #87

المكبر التفاضلى Differential Amplifier :

المكبر التفاضلى من أهم المكبرات لدراسة الدوائر المتكاملة المعروفة باسم مكبر العمليات Operational Amplifiers فإن فهمتها لن تجد صعوبة فى التعامل مع المكبرات وإلا ستجد دوما تصرفات غير متوقعة للمكبرات لن تعرف لها سببا – حسنا – إن شئت فهو انك لم تستوعب المكبرات التفاضلية جيدا

كمل فى شكل 1 سنجد انه مكون من 2 ترانزيستور ومقاومات ، ليس لآيها أفضلية أو تميز فلو وضعت مرآة فى المنتصف سترى التماثل
لكى نضع تمايز يحدد لنا أيها نتحدث عنه ، سنجد أن الترقيم لا يقودنا لشيء ، لذلك فلنفترض أرقاما من أجل الحوار و نرى لاحقا كيف نكون التمييز
نفترض لسهولة الحساب أن مصدرى التيار المستمر +VEE,-Vcc متساويان عدديا و اختلاف التسمية لتمييز اختلاف القطبية حيث أحدهما موجب والآخر سالب

نتحدث أولا عن حالة السكون حيث الأمور كما بالرسم فقط
نجد مقاومات المجمع متساويتان و مقاومة الباعث مشتركة ، ونجد أيضا أن التماثل يقود لتساوى تيارى المجمع و مجموعها يمر فى مقاومة الباعث المشتركة ، و من ثم جهد المجمع متساوى لكلاهما.
هل تريد حسابها ؟ قانون أوم طريقنا دوما
جهد القاعدتين يساوى صفر بسبب المقاومتان Rb1,Rb2 و عليه جهد الباعث هو سالب 0.6 فولت
تيار المقاومة المشتركة R سيكون فرق الجهد مقسوما على المقاومة (Vee-0.6)/R
هذا التيار ينقسم لنصفين متساويين نصف لكل ترانزيستور وهو يمر عبره و لنسميه Ic1 خلال المقاومة Rc1 والآخر نسميه Ic2 يمر عبر المقاومة Rc2 ومن قانون أوم أيضا جهد المجمع على نفس الأساس يكون
(Vcc- Ic*Rc)
ولا يهم وضع رقم 1 أو 2 فما يصير على هذا يتكرر فى ذاك
نلاحظ هنا الاتزان العجيب لهذه الدائرة وهو ناتج من التماثل ، فلو زاد التيار لأى سبب كان فى أحد الترانزيستورين سيزيد التيار فى المقاومة المجمعة R ويزيد الجهد عليها فيقل انحياز قاعدة الثانى ويقل التيار به بنفس القيمة تقريبا و من ثم زيادة تيار المجمع للأول هو نقصان تيار المجمع للثانى والعكس و نفس الشرح لجهد المجمع أى أن زيادة جهد الأول هى نقص جهد الثانى
مهلا أعلم انك تقول لو أن التيار فى المقاومة المجمعة R كان ثابتا لا يتغير لن يشعر الترانزيستور الثانى بشيء ولن تتغير جهوده

حقا أصبت ولكنى قلت “تقريبا” وهذا الفارق الطفيف يقل كلما زاد معامل الكسب بيتا و أيضا كلما زادت قيمة المقاومة المجمعة R – فقط تذكر هذه الجملة

لو أدخلنا إشارة متغيرة لقاعدة الترانزيستور Q1 و لفهم الأحداث نتحدث عنها لحظيا كأنها آلاف اللحظات أو النقاط حيث نستطيع اعتبار أن الجهد لا يكاد يتغير ، فعندها نجد الحوار السابق سارى هنا و يمكننا أن نتذكر عبارة زيادة جهد الأول هى نقصان جهد الثانى والعكس – أى أن الإشارة تخرج من الاثنين ولكن بوجه معاكس وهذا ما يميزه فإشارة Q1 تخرج من مجمع Q1 بوجه معاكس و من مجمع Q2 بوجه مساوى - وأيضا فإشارة Q2 تخرج من مجمع Q2 بوجه معاكس و من مجمع Q1 بوجه مساوى

الظاهرة السابقة (خرجين متعاكسين) جعلهم يطلقون الأسماء أطراف الدخول الطرف الموجب والسالب – مهلا فالتسمية خادعة فلا يوجد هنا موجب أو سالب ولكن المقصود أن هذا الطرف نسبة للطرف الذى نأخذ منه الخرج يعطى خرجا غير معكوس (و يسمى لذلك موجبا) أما الآخر فيعطى خرجا معكوس (موجبه سالبا وسالبه موجبا ويسمى لذلك سالبا) والسبب أن عكس الوجه دوما يعبر عنه حسابيا بالإشارة السالبة كما ذكرنا فى التغذية العكسية سابقا

الكسب؟ كما حسبنا سابقا لو حسبنا تيار المجمع – الباعث ومنه مقاومة الباعث كما سبق 25 مللى فولت أو 32 مللى فولت مقسوما على التيار مللى أمبير - فقط المقاومة مضاعفة هنا لأن التيار فى المقاومة ينقسم على باعث Emitter 2 ترانزيستور - سيكون الكسب التقريبى يساوى مقاومة المجمع RC مقسومة على ضعف هذه المقاومة Rbe
بما أن Rbe تساوى 0.032 ÷ تيار الباعث لترانزيستور واحد أو 0.32 ÷ نصف تيار المقاومة R
إذن نتحكم فى الكسب إما بتغيير المقاومة R أو بتغيير تيار الباعث لو فكرنا فى استبدال المقاومة بشيء ما.
قبل أن نترك هذه النقطة البالغة الأهمية – نكرر أن الكسب تقريبا نسبة مقاومتين أحداهما تعتمد أساسا على تيار المجمع/باعث Collector-Emitter وهو بدوره كما ذكرنا يعتمد أساسا على قيمة مقاومة الباعث R وهى حقيقة هامة جدا – تذكر هذه الحقيقة فلها استخدامات سحرية
لأهمية هذا الموضوع سنركز على النقاط الهامة
• لكى تعمل الدائرة لابد من مرور تيار فى القاعدة Base لكل ترانزيستور
• تيار القاعدة Base سيكون داخلا للقاعدة Base للأنواع س م س NPN وخارجا من القاعدة Base للأنواع م س م PNP
• الكسب يزيد بزيادة كل من مقاومة المجمع و مقاومة الباعث المشتركة أو تيار الباعث
• أحد الأطراف يعطى خرجا “موجبا” بينما الآخر يعطى خرجا مساويا “سالبا” أى معكوس الوجه

لكون هذه الدائرة مدخل كل دوائر مكبرات العمليات سنرى المرة القادمة إن شاء الله كيف نحسنها وفى انتظار أى استفسارات


(ماجد عباس محمد) #88

Long Tail Differential Amplifier

كما علمنا سنجد أن المكبر التفاضلى عبارة عن تابع باعث Emitter Follower يليه مكبر ذو قاعدة مشتركة.
بالنسبة للأول، فزيادة مقاومة الباعث RE1 تزيد مقاومة الدخول مما يحسن من خواص المكبر إلا أنه يزيد من الكسب و يقربه من الواحد الصحيح لتابع الباعث Emitter Follower فقط. أما مقاومة المجمع فلا تؤثر كثيرا على أداؤه و لكنها تقلل كسب المرحلة ككل .

بالنسبة لمكبر القاعدة المشتركة فالمقاومة RE1 هى جزء من المكبر السابق أو Emitter Follower وبذلك لا تؤثر كثيرا على أداؤه و إنما مقاومة المجمع هى التى تزيد من كسبه – يمكن الرجوع للمقالات السابقة لمعرفة الكسب.
لهذا نرى أن من الأفضل زيادة كل من المقومات RE1 و RC1 و RC2 - إذن ما المشكلة؟
تيار المجمع / الباعث يمر فيها وبالتالى حسب قانون أوم إما نزيد الجهد المستخدم لوحدتى التغذية VCC,VEE
أو نقلل التيار
الحل الأخير يبدو أفضل إلا أن التيار لن يقل كثيرا مثلا 1 مللى ثم 0.1 مللى و ماذا بعد !!
لو أعدنا النظر فى الدائرة سنجد الحل إذا عرفنا ماذا نريد
ما نريد هو مقاومة كبيرة جدا لتكبير الإشارة (أى الجهد المتغير) و مقاومة صغيرة جدا للتيار المستمر حتى لا نحتاج لجهد عالى - أليست هذه صفات مصدر التيار الثابت Constant Current Source الذى يعطيك تيار ما ويرفض تغييره ؟ حسنا هذا هو الحل ولكن كيف نكون مصدر تيار ثابت ؟
حسنا – لو نظرنا للترانزيستور العادى سنجد أن تيار المجمع / الباعث = مقدار (ثابت) = حاصل ضرب تيار القاعدة فى معامل التكبير β
أي لو ثبتنا تيار القاعدة سنحصل على تيار ثابت يقاوم التغيير وهو ما نحتاجه وتصبح الدائرة

الآن قمنا بحل مشكلة و أضفنا أخرى – حلت مشكلة المقاومة الكبيرة الصغيرة و اضطررنا لإضافة مصدر تغذية ثالث لقاعدة الترانزيستور Q3 ناهيك عن صعوبة حساب وضبط قيمة التيار !!!
هناك دائرة درسناها فى تطبيقات قانون أوم لعلكم تذكرونها وهى أربع مقاومات على أضلاع مربع تسمى قنطرة هويتستون ، عندما تتناسب قيمها لا يمر تيار عبر القطر لتساوى فرق الجهد
ماذا لو استبدلنا فرعين منها بموحدين متماثلين ؟ سيبقى القانون ساريا فقط سيكون أحد الموحدين هو موحد القاعدة/باعث للترانزيستور Q3 والآخر أقرب ما يكون مثل 1N914, 1N4148 الخ

بما أنهما من نفس الخامة (سيليكون) سيكون الجهد تقريبا واحد 0.6 فولت وتيار القاعدة صغير جدا بالنسبة لتيار الباعث و من توازى القنطرة نجد أن تيار الموحد مساوى (إلى حد كبير) تيار الباعث
أهم ما فى هذه الدائرة – حتى وإن اختلف التيار قليلا إلا أن التيار يظل ثابتا مهما تغيرت الظروف و أخطرها درجة الحرارة – حيث لو تغيرت سيتغير الموحد بنفس قدر الوصلة قاعدة/باعث و تظل التيارات ثابتة إلى حد بعيد جدا.
إن شئت تقليل الفروق بين الموحد والترانزستور يمكن إضافة مقاومتين صغيرتين متساويتين على التوالى كما أن استخدام مقاومة RD2 أكبر من RE1 يمكن من جعل تيار Id أقل من Ic بنفس نسبة المقاومتين

وهذا هو الحل الأمثل كمكبر دخول لمكبر العمليات مثل LM741 ومثيلاته
قبل أن نترك المجال يجب ألا ننسى أن ما قيل على مقاومة الباعث RE1 ينطبق على مقاومتى المجمع RC1,RC2 ومن ثم سنستخدم نفس الدائرة كمثبت تيار بدلا من كل مقاومة و هذا ما يجعل شكل مكبر العمليات يبدو معقدا ولكن فى الحقيقة هو بالبساطة التى ذكرناها
المرة السابقة تحدثنا كثيرا عن الكسب و إمكانية تغييره بتغيير تيار الباعث E و دوائر سحرية!!!
انظر لهذه الدائرة والترانزيستور الثالث الذى أضيف. ماذا يحدث لو غيرنا جهد القاعدة Base Voltage ؟ سيتغير التيار المار فيه و يغير الكسب – ألا يذكرنا هذا بشيء؟ - هل تذكر دوائر تحكم الكسب الآلى AGC ؟ حسنا لو أخذنا جزء من الخرج ووحدناه بموحد ووضعنا الجهد المستمر الناتج معكوسا (سالب) على هذه القاعدة سيؤدى هذه الوظيفة.
إن زاد الخرج يزيد الجهد السالب فيقل انحياز القاعدة Base ويقل التيار وقلل كسب المرحلة والعكس بالعكس.
ماذا لو وضعنا على القاعدة إشارة أخرى بدلا من الجهد المستمر؟
الخرج سيتناسب مع حاصل ضرب الإشارة على هذه القاعدة والإشارة على قاعدة الترانزيستور Q1 أو Q2
أليس الضرب عملية حسابية؟؟


(ماجد عباس محمد) #89

مزيد من خواص المكبر التفاضلى CMMR, Supply Rejection Ratio

تحدثنا فى المرة السابقة عن المكبر التفاضلى و تحسينه بما يسمى “الذيل الطويل” Long tail Differential amplifier باستخدام ترانزيستور يعمل كمصدر تيار ثابت بدلا من مقاومة الباعث Emitter و أيضا زيادة الكسب بتبنى نفس الفكرة بدلا من مقاومة المجمع Collector و يهمنا هنا أن نلقى الضوء على الحقائق التى يجب أن نتذكرها حين نتحدث عن مكبر العمليات
الحوار التالى يفترض إشارة الدخول (الجهد المطلوب تكبيره) يكون تقليديا أى متماثل حول الصفر أى اعلى قيمه موجبة مساوية لأعلى قيمة سالبة
أولا : من الدوائر السابقة نجد الحاجة إلى مصدر تغذية موجب وآخر سالب - ليس من الضرورى أن يكونا متساويين حيث كل منها يؤثر فى جزء ولكن من الأفضل و الأسهل عمليا أن يكونا متساويين و أن تنسب القاعدة للأرضى ( صفر فولت) حتى يسهل ربطها بالدوائر الأخرى
ثانيا : تساوى جهدى المصدرين يحقق فائدة كبيرة وهى التكبير لنصفى الإشارة يمكن أن يصل لقيم متماثلة
مثلا لو كانت إشارة دخول = +/- 0.1 فولت و سنكبر 100 مرة سيكون الخرج +/- 10 فولت لذا وجب أن تكون مصادر التغذية اعلى قليلا من هذه القيمة أما لو كان واحد 10 فولت وآخر 5 فولت لن نستطيع أن نحصل على خرج اعلى من جهد المصدر مسببا “قص” الخرج Clipping – ولكن هناك دوائر هذا دورها بالضبط – لهذا ليس هنا تصميما خطأ وآخر صواب ولكن هل يؤدى الغرض أم لا ؟
و بالمثل لو كان واحد 10 فولت والآخر 20 سيكون هناك جهد غير مستغل
ثالثا : يمكن أن نستخدم مصدر تغذية واحد و هنا ستكون القاعدة منسوبة لنصف الجهد للسبب المذكور سابقا
رابعا : القاعدة يجب أن تجد مسار للأرضى أو لنصف الجهد (كما فى بند ثالثا) هذا المسار سيمر منه تيار القاعدة(تيار مستمر) ، إذا انقطع هذا المصدر توقف المكبر عن العمل لدخول الترانزيستور مرحلة القطع Cut Off فمثلا
لو احتجنا للربط بمكثف لعزل مركبة الجهد المستمر من مرحلة سابقة ، لا بد من توفير هذا المسار من خلال مقاومة أخرى
خامسا : فى حال الربط بدون مكثف ، يجب أن يسمح مصدر الإشارة بمرور تيار القاعدة خلاله أو نوفر مسارا آخر لتيار القاعدة (هناك بعض المصادر لا تمرر التيار المستمر مثل الكريستال) و يراعى هنا نوع الترانزيستور المستخدم حيث لو كان س م س NPN سيكون التيار داخل إلى القاعدة أى المصدر يسمح بخروج التيار منه وإن كان م س م PNP سيكون التيار خارجا من القاعدة .
طبعا فى حال عدم تماثل الإشارة حول الصفر يمكنك أن تتغاضى عن بعض القيود مادام الغرض يتحقق والغاية تبرر الوسيلة هنا ليس عيبا.
بقى أن نذكر أن الجهد على القاعدتين معا يمكن أن يزاد أو ينقص و بملاحظة أن القاعدة الأولى ستنتج جهدا معكوسا على المجمع لنفس الترانزيستور الأول و بنفس القيمة ولكن فى نفس الاتجاه على مجمع الترانزيستور الثانى أى باستخدام المثال السابق سينقص جهد المجمع الأول 10 فولت فى حين الثانى يزيد 10 فولت

و لأن نفس الجهد مطبق على الترانزيستور الثانى سيتولد جهد معاكس على الترانزيستورين فيلاشى كل منها الآخر ولهذا يسمى النظام المتماثل أو المتشابه أو المشترك Common Mode
نظرا لأن الترانزيستورين ليسا متطابقين تماما مهما حاولنا ولأن الكسب لكل منها لن يصل للحد الكافى وأيضا كما قلنا فى أول مقاله لن تتساوى قيم المقاومات و سيبقى هناك نسبة سماح فلن يكون الخارج متطابق تماما و سيبقى هناك نسبة من الجهد المشترك على القاعدتين ستجد طريقها للخرج لهذا تسمى هذه النسبة نسبه رفض الجهد المشترك Common Mode Rejection Ratio (CMRR) وهى أحد القيم الهامة فى الدوائر المتكاملة ، ويمكن تحسينها بإضافة أكثر من مرحلة إما على التتابع أو بنظام دارلنجتون Darlington أو بهما معا.
نظام دارلنجتون سيحسن من الكسب و يزيد من مقاومة الدخول لكن هناك حالات تيار القاعدة يعتبر عاليا مهما قللنا من قيمته مثل مفاتيح اللمس الخ و بعض مصادر الإشارة مثل ثنائيات الأشعة تحت الحمراء و الكريستالات لذا يمكننا استخدام FET/MOSFET بدلا من الترانزستورين Q1,Q2 لتحقيق ذلك دون تغيير يذكر فى الدائرة.
أيضا تحدثنا عن جهود التغذية يجب أن تتساوى لكن لو ارتفع جهد المنبع الموجب مثلا - سنجد أن الترانزيستور مصدر تيار ثابت أى لن يتأثر جهد المجمع C نهائيا. لهذا لن نحتاج لمصدر تغذية مثبت الجهد وغالى التكلفة. ولكن للأسباب المذكورة أيضا لن يتصرف الترانزيستور بالمثالية المتوقعة و الأسوأ لن يتصرف الاثنان بتطابق مما ينتج قليلا من الفارق عن المثالية وهذه النسبة أيضا تسمى نسبة رفض التغذية Supply Rejection Ratio اختصارا لرفض تأثير تغير جهد التغذية ، وهى أيضا من القيم الهامة للدوائر المتكاملة
هل ذكرنا الكسب فى الدوائر المتكاملة؟ عجبا ، ليس له هذه الأهمية حيث أن أقلها كسبا له قيمة أعلى مما نحتاج وذلك ببساطة لتعدد المراحل داخل الوحدة لزيادة جودة الأداء العام
هل نبدأ فى الدوائر المتكاملة الآن ونحن مستعدون أم نذكر كلمة أو اثنتين عن تصنيع الدوائر ذاتها فقد تكشف لنا بعض القيود و نعرف إجابات “لماذا” قبل أن نسأل؟
وإلى اللقاء إن شاء الله فى المرة القادمة


(ماجد عباس محمد) #90

كيف تصنع الدوائر المتكاملة؟

منذ أيام الصمامات الإلكترونية و الجهود متواصلة للتصغير وتقليل الحجم والوزن و محاولة استخدام جهد تشغيل أقل مما أدى لإنتاج صمامات فى قطر القلم الرصاص وطبعا الهدف عمل أجهزة رادار محمولة جوا وباقى الأجهزة اللاسلكية خاصة فى الحرب العالمية الثانية ، و لكن كان على وشك الولادة طفل صغير يعمل بنظرية تحويل المقاومة أى Transfer Resistor و اختصر اسمه إلى الترانزيستور – كان أصغر جدا ويعمل على جهود أقل
كان أنسب طبعا للعمل على ترددات أعلى و التسليح و توجيه الصواريخ و استخدام الأجهزة المحمولة على الطائرات وفى الصواريخ
و كان من ضمن هذه الجهود ما كان يسمى الدوائر المتكاملة وهى تجميع المقاومات والمكثفات اللازمة للتشغيل فى عبوة صغيرة مغمورة بالإيبوكسى (مادة غير قابلة للفك أو الصهر أو الإذابة و مقاومة للحرارة أكثر من الدوائر التى بداخلها) لتحسين الأداء و عدم توضيح أسرار الدوائر الخ وكانت فعالة
كانت تشمل المقاومات والملفات و المكثفات الصغيرة لأن الكبيرة قليلا ما تضاف حتى لا يكون الحجم ضخما.
مع دخول الترانزيستور وكانت من الجيرمانيوم دخلت الثنائيات أيضا و أمكن تصغير حجم المكثفات لانخفاض الجهود المستخدمة و تحسن التكنولوجيا باكتشاف البلاستيك و الراتنجات كمواد عازلة.
بالطبع عند استخدام السيليكون والذى تخلص من عيوب الجيرمانيوم الأساسية فى حساسيته المفرطة لتغير الحرارة و قله اعتماديته Reliability أصبح من الممكن شموله فى الدوائر المتكاملة و هنا نرى التسمية من كون الدائرة الناتجة متكاملة جاهزة للأداء.
ظهرت تلك المحتوية على ترانزيستورات و سميت الطبقة السميكة Thick Film ثم الطبقة الرقيقة Thin Film و الهجين Hybrid و الأخير مازال يستخدم فى وحدات القدرة العالية مثل مكبرات القدرة

بعد ذلك أدت الأبحاث لإنتاج الترانزيستور السيليكون بصورة أقل كلفة، للتغيير الكلى فى شكل إنتاجه - فبعد أن كان بلورة رأسية من ثلاث طبقات تحول لشريحة أفقية من ثلاث طبقات كثلاث علب داخل بعضها

طبعا الرسم يبالغ فى سمك القاعدة B للتوضيح و يجب أن تكون رقيقة جدا كما ذكرنا فى مرات سابقة وإلا لن يعمل الترانزيستور
أدى هذا الأسلوب لطفرة كبيرة فى صناعة الترانزيستور فأمكن لأول مرة عمل قرص من السيليكون النقى الرقيق و استخدام أسلوب التصوير الضوئى – كما فى صناعة البوردات - لتخليق مئات ثم آلاف من الوحدات على نفس الشريحة بعملية صناعية واحدة تستخدم الغازات الساخنة “لتشريب” السيليكون بالشوائب السالبة ثم الموجبة ثم السالبة أو العكس ثم تقطيع الترانزستورات و تعبئة كل واحد سليم فى صورته النهائية أما ما به عيب فى الصناعة يترك - حيث أمكن اختباره قبل القص والتقطيع
لاحظ تتابع التشريب أى أن الخامة تنقلب من N Type إلى P Type و العكس حسب نسبة الشوائب الغالبة (ليس بالضرورة أن تكون الشوائب N Type أو P Type و لكن تعادل الشوائب بعضها و الفائض يحدد نوع الخامة) وهو – لو تذكر – أساس بعض أنواع الدايودات
ثم نشأت الفكرة لماذا نقطع الترانزستورات – بل نتركها و نجمع عليها باقى الدوائر – حسنا لا بأس ولكن هذا الحل مكلف
إذن لماذا لا نستخدم خامة السيليكون ذاتها لتكوين المقاومات المطلوبة – حل لا بأس به ولكن السيليكون النقى المستخدم أغلى بكثير من الكربون الذى تصنع منه المقاومات و الأهم من ذلك أن السيليكون بعد تصنيعه بهذه الطريقة يكون مكلفا جدا و كلما أنتج عددا أكبر من المنتج النهائى على نفس الشريحة، قل سعره للمستهلك و الأخطر من ذلك أن السيليكون لا تستطيع أن تنتج منه مقاومات ذات قيم دقيقة مما يجعل الدوائر قليلة الإعتماديه Reliability
الحل ؟
ما هى المشكلة لنقترح الحل!
المشكلة أن تحديد نسبة الشوائب التى تغير السيليكون من خام إلى “س أو م P Type or N Type” ما كانت يوما ما دقيقة و قيمة التوصيل (تحوله إلى مادة اكثر توصيلا) لا يمكن التوقع بنتائجها بدقة فالترانزيستور يعتمد على الخلاف بين الشوائب و النسب بينها - أكثر بكثير من القيمة المطلقة لأى منها ، على عكس قيمة المقاومة الأومية تعتمد أساسا على القيمة المطلقة لهذه الشوائب! فضلا عن أن التكرارية لن تحقق القيم ذاتها – هناك دوما تفاوت!! والأسوأ ، تغير درجة الحرارة له علاقة كبيرة مع قيمة المقاومة!!!
حسنا – الأمور ليست بهذا السوء
لو أعدنا النظر لدوائر الترانزيستور سنجد شيئا هاما جدا – لا يهم قيمة المقاومات التى تحدد جهد القاعدة مثلا، طالما الجهد عليها ثابتا فلو استخدمنا مجزئ جهد 10ك إلى 100ك لن يؤثر على الأداء كونه 12ك إلى 120ك أو 14ك إلى 140ك المهم أن تظل النسبة واحد إلى عشرة وأيضا لا تتغير إلى النصف أو الضعف
كما أن الكسب نسبة بين مقاومة المجمع إلى مقاومة الباعث
وهذا هو الحل - فقيمة المقاومة المصنعة من نفس خامة قرص السيليكون تعتمد على شكلها لأن العمق ثابت ورقيق جدا ، أى لو ثبتنا العرض يكون الطول دالة فى القيمة – كلما زاد الطول زادت المقاومة بنفس النسبة و على أى الأحوال القيمة تحولت إلى مساحة وهى يمكن تصنيعها بدقة عالية – وبذلك أصبح من الممكن أن نصنع مقاومتان نسبتهما إلى بعضهما دقيقة إلى 1% لكن قيمة كل منها قد تتغير 20% أو أكثر قليلا
أول مشكله قد حلت والآن ماذا عن التكلفة؟
حقا إنها عائق لا بأس به فالمقاومة التى تصل 100ك يمكن عمل بذات السيليكون المستخدم فيها الكثير من الترانزستورات – ما الحل؟
الحلقة قبل الماضية تحدثنا عن الترانزيستور كمصدر تيار ثابت و كيف باستخدام مقاومة أصغر مع ثنائى يمكننا الحصول على مقاومة كبيرة و فعلا تكلفة هذه الدائرة أقل بكثير من إهدار كمية السيليكون للحصول على المقاومة المكافئة – وجب هنا أن نغير نمط النظر للكلفة، فكلفة عمل ترانزيستور واحد هى كلفة عمل عشرة آلاف هى كلفة تصنيع هذا القرص الواحد من السيليكون بكاملة حيث يخضع كله لذات العمليات مرة واحدة.
فإن استفدنا من السيليكون كمساحة لتصنيع دوائر أكثر أصبح العائد أكبر فالثمن هنا للسيليكون وليس ما تشكل عليه و لو استطعت أن تكسر دائرة متكاملة لفحص ما بداخلها مثل 741 ستجد مساحة السيليكون بالكاد ملليمتر مربع واحد وللقطعة 747 المحتوية أربع دوائر تجدها أكبر قليلا (ليس 4 مرات) وثمنها مقارب للأولى والسبب أن استهلاك السيليكون لتخليق أطراف توصيل يكاد يكون أكبر من المكبر ذاته فى القطع الصغيرة مثل المكبرات.

المكثفات ؟ هى حقا مشكله سنتحدث عنها المرة القادمة إنشاء الله أما الملفات Coils فمما سبق نرى أنها مشكلة لا حل لها و علينا أن ندور حولها ونتجنبها ، أو نوصلها من الخارج.
وإلى اللقاء إن شاء الله


(ماجد عباس محمد) #91

المكثفات:

كما نعلم من المقالات الأول أن المكثف ببساطة عبارة عن لوحين موصلين بينهما عازل ، و تكون قيمته متناسبة مع مساحة الألواح و مقسومة على المسافة أى أن المسافة لو نقصت للنصف زادت السعة للضعف.
إذن كيف نستطيع أن نركب هذا المكثف ، نعلم أن لدينا السيليكون كأحد الألواح – كيف سنضع العازل و اللوح الثانى ؟
الحل بسيط وهو كما نصنع الوصلات العادية
إذن كيف نصنع الوصلات العادية – كيف نقوم بتوصيل الترانزستورات والمقاومات العديدة الموجودة لنكون الدائرة الإلكترونية التى نريد ؟
يجب أن نغطى المجموعة بمادة عازلة نضع فوقها الوصلات – لكى نخرج من حفرة نقع فى بئر
كيف نضع طبقة عازلة بالقوة الكافية لوضع مادة موصلة و ما هى المادة الموصلة و كيف نوصلها مع ترانزيستورات بمساحات مجهرية لا ترى بالعين ولا بمجهر بسيط ؟
إذن يجب وضع الموصل كما نشكل الترانزستورات ، لذا سيكون بخار الألومنيوم هو الحل لكي يكثف مكونا رقيقة من الألومنيوم تغطى السيليكون ثم بنفس عملية التصوير والنحت نبقى ما نريد و نزيل ما يزيد.
حسنا حلت مشكلة و أغلقت الأبواب أمام الأخرى – أى مادة عازلة تلك التى تتحمل بخار الألومنيوم ولو لفترة وجيزة جدا تكفى لهذه العملية ؟
لا أفضل من أكسيد السيليكون ( ثانى أكسيد السيليكون) والذى نجده بكثرة على الشواطئ – الرمل تقريبا لا يؤثر فيه شئ - هل تذكر ترانزيستورات MOSFET
بمجرد تمرير أكسجين نشط ساخن على سطح الشريحة – تتغطى الأجزاء المكشوفة بطبقة رقيقة من أكسيد السيليكون تتيح باقى العمليات المذكورة .
بنفس هذه الطريقة نستطيع عمل مكثف بتشكيل عازل من أكسيد السيليكون و نطلى فوقه طبقة من الألومنيوم وهو أفضل من الثنائى المعكوس و الذى يعمل أيضا كمكثف لأنه لا قطبية له فيتيح التعامل مع الجهود المترددة فضلا على أن قيمته لا تتأثر بتغير الجهد الواقع عليه كما فى حال الدايود ( الثنائى) ، المشكلة فى المساحة المطلوبة للحصول على قيم معلومة لذا تكون قاصرة على قيم حتى 50 بيكو فاراد ولا تستخدم إلا للضرورة.

الملفات :

تعتمد أساسا على عدة لفات وقلب من الفرايت وهذا ما لم يتيسر حتى الآن إلا مكونات مستقلة ، و لذلك تستبدل دوائره بأخر تؤدى نفس الوظائف لذلك فقط القطع المسماة Hybrid أى الهجين تحتوى على ملفات و تكون قطع منفصلة مجمعة على الشريحة.
هذا ملف يشرح بالتفصيل كيفية تصنيع هذه القطع لمن يهمه التفصيل و هنا نكتفى بالإمكانيات و ما يمكننا عمله ولا يمكننا عمله
http://www.ifm.liu.se/courses/TFYA39/Lecture%2012.pdf
كما يمكن البحث فى جوجل عن monolithic is fabrication للمزيد من النتائج و الصور عن الدوائر المتكاملة وهذا لتقنية الهجين Hybrid

المرة القادمة إن شاء الله نبدأ فى الدوائر المتكاملة - مرحبا بمكبر العمليات


(ماجد عباس محمد) #92

مكبر العمليات :

ما معنى مكبر عمليات و لماذا عمليات ؟ – هل مكبر فقط أو مكبر عالى الكسب اسم غير مستحب ، و أى عمليات تلك التى يقوم بها ؟
المسألة لها تاريخ و للطرافة أيضا لها علاقة بالحاسب الآلى – أقدم مما نتصور .
منذ قديم الأزل يحاول الإنسان صنع آلة حاسبة و ربما أقدم آلة عرفت هى آلة الخرز الصينية و لكن كلها كانت آلات بسيطة و تعمل يدويا و غير قابلة للبرمجة ولكن حاجة الإنسان لآلة حاسبة سريعة – هى حاجة قديمة قدم الحضارة .
أول آلة ميكانيكية كانت من اختراع الفرنسى باسكال و تعتمد على التروس و الروافع و كانت سريعة بالنسبة للحساب اليدوى و كانت تصلح فقط للأربع عمليات الأساسية – الجمع والطرح والضرب و القسمة فكلها مشتقات لعملية واحدة هى الجمع و التى يمثلها حركة ترس (مسنن ) فى اتجاه واحد و الطرح هى حركته عكسيا
و لترجمة العمليات بمفهوم الجمع نجد أن :
الطرح : 9-7 = ؟ يمكن صياغتها كم يجب أن أجمع على 7 لأصل إلى 9
الضرب : 3 × 5 = 3 مجموعة على نفسها خمسة مرات
القسمة : 6 ÷ 2 = أجمع 2 على نفسها كم مرة لأحصل على 6
مع تطور الصناعة زادت الحاجة للحسابات الآلية و أصبح لا مفر من إدخال حساب المثلثات و جداول اللوغاريتمات فى العمليات الحسابية فالحياة ليست كلها جمع وطرح وضرب و قسمة و عمليات التوجيه عن بعد و استخدام الآليات (الروبوت والمسمى خطأ إنسان آلى - فهى آلة قابلة للبرمجة ولا علاقة لها بالإنسانية) – حتم استخدام تلك الدوال الحسابية .
بدأت الأشكال المسماة “كآمة” وهو شكل ميكانيكى أشبه بقرص ولكنه ليس دائريا بل يتغير نصف قطرة مع الزاوية ليعطى القيمة المطلوبة مع الزاوية مثل تلك القطع التى تتحكم فى صمامات البنزين والعادم فى موتورات السيارات ولكنها قاصرة وابعد ما تكون عن السرعة و تحقيق الدقة والمدى .
أدى اختراع الصمام الإلكترونى لطفرة فى عالم الحاسبات – كل ما سبق سمى حاسبات أيضا حتى ولو ولم تكن تلعب Games ولا تدخل ألشات ولكنها كانت تحسب و تحل معادلات معقدة – و كانت الصمامات (تقوم بعمل الترانزيستور الآن) بالتكبير و التكبير ببساطة هو عملية الضرب فعند تكبير جهد 5 مرات فقد ضربته فى 5 وكما سبق الشرح فى المكبر التفاضلى يمكن به ضرب متغيرين .
القسمة: يؤديها مجزئ الجهد فعند حصولك على ربع الجهد فهى القسمة على 4
الجمع : كان يقتضى إضافة مجموعة الجهود على مدخل الدائرة من خلال مقاومات و التى تؤثر بعضها على بعض مقللة قيمة كل منها مما يضطرنا للتعويض بمكبر
الطرح : كما هو الحال فى الترانزيستور فالمرحلة الواحدة تعكس الإشارة و بإضافتها فإنها تطرح بدل أن تجمع
الوحيدة التى لا تستخدم صمام هى القسمة و لكن لعزلها عن ما يليها أو ما يسبقها يفضل استخدام دائرة مماثلة لما شرحناها باسم تابع الباعث Emitter Follower و كان اسمها cathode follower لأنها مصنوعة بالصمامات الإلكترونية و من هنا أصبح لدينا العمليات الأربع الأساسية
التفاضل والتكامل باستخدام دوائر المقاومة والمكثف والمكبرات للعزل وتحسين الأداء

بتشكيل جزء داخل الصمام من السهل جعل تصرفه لوغاريتمى تماما كما فى الترانزيستور و فى الواقع يبذل المصممون جهدا لجعل أى وسيلة تتصرف خطيا وهكذا تحقق اللوغاريتمى
ماذا عن حساب المثلثات
يمكن تركيب شبكة مقاومات لتقريب العلاقات المثلثية بنسبة خطأ مقبولة خاصة و أن أى جهد متردد هو فى الواقع علاقة جيب زاوية Sine Wave و بترحيلة 90 درجة نحصل على جيب التمام Cosine Wave و الظل يأتى بالقسمة
أخذا فى الاعتبار حجم الصمامات الكبير و كمية الحرارة و حاجتها لمصدر تغذية قوى و قاعدة (شاسيه) كبير للتثبيت كان يصنع مكبر للجمع مستقل وآخر للطرح مستقل و ثالث للضرب و هكذا و من هنا سمى مكبر العمليات Operational Amplifier لأته يقوم بالعمليات الحسابية – كل شاسيه له عملية
وهكذا نشأت أوائل الحاسبات وكان قابل للبرمجة بتركيب الوحدات أو رفعها داخل راك و تغيير أسلوب التوصيل وكان خطيا أو تمثيليا (ليس رقميا) أى أن الإشارة تعالج داخله تماثليا وفى الزمن الفعلى Real Time حيث كانت الذاكرة – حين ذاك – معضلة حلت باستخدام الريلاى حيث صنعت وحدات مازالت تستخدم للآن ذات سوسته داخلية أشبه بمفتاح الإضاءة تحركه حتى نقطة ما فينقلب والعكس وسمى فلب فلوب Flip Flop وكان ذاك الريلاى يعمل بالملف ،عند تطبيق نبضة يقوم بالتوصيل و يحتاج نبضة عكسية أو على ملف ثان ليقوم بالفصل و نظرا لاحتياجه فقط لنبضه تغير حالته فانقطاع التيار لا يغير وضعه – أشبه ما يكون بالمذبذب المتعدد Flip Flop
و نشأت الوحدات القابلة للبرمجة بسهوله عن طريق وضع كل الوحدات فى رآك (دولاب معدنى قياسى عرضه 19 بوصة تصفف داخله الوحدات) و يتم التوصيل بواسطة مقابس Plugs مثل بدالات الهاتف القديمة كما أمكن “تخزين” أو تبنى إن شئت القول ، عدة برامج والاختيار بينها بمجموعة من الريلاى
مواصفات مكبر العمليات ؟
كسب عالى كافى لتعويض أى فقد فى العملية المطلوبة
معاوقة دخول عالية جدا حتى لا تؤثر على ما قبلها
معاوقة خروج صغيرة جدا حتى لا تؤثر على ما يليها
المرة القادمة بإذن الله سنرى كيف تحقق هذا باستخدام الترانزستورات – رجاء مراجعة المكبرات التفاضلية


(ماجد عباس محمد) #93

مكبر العمليات – و أشهرها 741

كما سبق أن شرحنا يتكون من مكبر تفاضلى Long Tail Differential Amplifier للحصول على أكبر كسب و لزيادة التكبير نريد مقاومة مجمع كبيرة – وكما ذكرنا هناك مشاكل جمة فى المقاومات الكبيرة، و استخلصنا أن باستخدام ترانزيستور و مقاومة صغيرة و موحد ثنائى أن نحصل على مصدر تيار ثابت
استخدمت كل هذه الأشياء معا للحصول على مكبر ذو كسب عالى ثم تليه مرحلة تكبير أخرى و مرحلة خروج دفع وجذب Push Pull كما سبق الشرح.
كانت مشاكل هذه الوحدات أن زيادة جهد الدخول عن قيمة البطارية المستخدمة فى التغذية يضع جهدا زائدا على الترانزستورات و مع وجود الشريحة التى تصنع منها القطعة كطبقة رابعة تنقلب الترانزستورات إلى ثايريستور و يتوقف المكبر عن العمل إن لم يتلف كليا فى ظاهرة تسمى Latch Up و بعد التطوير و تجنب هذه الظروف المؤسفة نتج المكبر المعروف بالرقم 741 والذى لقى نجاحا كبيرا ونظرا لثباته و كفاءة أداؤه سمى قياسيا أو Industrial Standard بمعنى أن يرجع إليه عند مقارنة الآخرين أو الأحدث منه ، كأن نقول هذا أفضل 10 مرات من القياس الصناعى 741 و يقصد طبعا هذا المكبر.
لنرى الآن مم يتركب هذا المكبر – الدائرة من وضع شركة ناشيونال سيميكوندكتور الأمريكية National أحد المنتجين له

http://www.datasheetspdf.com/PDF/LM741/53979/1

لقد قمت بتلوين بعض الأجزاء حتى تبدو الوظائف واضحة


مرحلة الخرج هى من طراز مزدوج أى 2 ترانزيستور تسمى الدفع والجذب Push Pull (راجع هذا الشرح) وهما . Q14 , Q20
بافتراض توحيد جهد القاعدة لهما فإن زيادة جهد القاعدة المشتركة يزيد تيار أحدهما Q14 لزيادة جهد القاعدة الباعث بينما يقل الآخر Q20 لانخفاض جهد القاعدة الباعث نظرا لكونهما معكوسين أى أن أحدهما “يدفع” التيار للحمل (خارج المكبر) بينما الآخر “يجذبه” وهذه التركيبة تعطى خرجا أفضل من حيث القدرة و قلة التشويه
لكن لو وصلنا فعلا القاعدتين سيكون كلا الترانزيستورين فى وضع عدم التوصيل لذا يجب أن نمد على الأقل بالقيمة 0.6 فولت اللازمة لفتح كلا الترانزيستورين!!
هناك أيضا المقاومتان R9,R10 يجب أن نعمل لهما حساب – أولا يجب أن نعرف فائدتهما
عند حدوث قصر فى نقطة الخرج رقم 6 المسماة Output فبدلا من أن يكون الترانزيستور Q14 أو Q20 فى حالة توصيل و يمر تيار كبير يسبب تلفه ، تتدخل هاتان المقاومتان للحد من هذا التأثير – كما أن لدينا ثلاث دوائر باللون الأخضر هدفها حماية الوحدة من التلف و سنتكلم عن إحداها الآن وهى Q15 والباقى فى حينه
عند زيادة التيار الخارج عن 20 مللى أمبير يبدأ الجهد على R9 يصل لحد أن يبدأ الترانزيستور Q15 فى التوصيل ساحبا التيار من قاعدة الترانزيستور Q14 مقللا من توصيله حاميا له من التلف
بعد معرفة أن هناك جهدا مستمرا يجب أن يكون بين القاعدتين نجد أن الترانزيستور Q16 والمقاومتين R7,R8 يوفران الجهد المطلوب للحفاظ على جهد التوصيل للترانزيستورين Q14 , Q20 نلاحظ أيضا أنه باللون الأخضر أى هو الدائرة الثانية من دوائر الحماية
كيف يعمل؟
بسيطة الترانزيستور Q16 يجب أن يكون غير موصل و عليه فالمقاومتان تحددان الجهد المطلوب
لماذا وضع الترانزيستور إذن
بسيطة – إن بدأ التوصيل فهذا معناه أن التيار زاد عما يجب وهنا يتدخل الترانزيستور لتقليل توصيل الترانزيستورين Q14 , Q20 أيضا و لكن ماذا يسبب زيادة التيار – عادة لن تكون الإشارة المراد تكبيرها ولكن ارتفاع درجة الحرارة لأى سبب – إما درجة حرارة الجو أو استمرار سحب تيار من الخرج أكثر مما هو مسموح به

لدينا ثلاث دوائر أخرى باللون الأزرق كل منها عبارة عن مصدر تيار ثابت من ترانزيستور و دايود و مقاومة
من سبق كلامنا عن الترانزيستور و كيفية تصنيعه فى الدوائر المتكاملة سنجد أن من الصعب عمل دايود منفردا لاحتياجه لإطار عازل حوله سيكون بمثابة مجمع لترانزيستور لذا من الأسهل أن نصنع ترانزيستور أو هو ذا المتاح ثم نضع قصرا بين المجمع والقاعدة لنبقى على الموحد المكون من القاعدة والباعث
لاحظ أيضا أن لو أردنا عمل مصدرين تيار ثابت لا مانع من وضع الموحدين على التوالى لتوفير المساحة والجهد
أرجو لمن لا يتذكر أن يراجعها فى المشاركات السابقة

و المكبر التفاضلى هنا

بدأ من المشاركة 87
حتى لا يكون الشرح طويلا مملا ربما يكون من المناسب أن نقسمه إلى مرتين
المرة القادمة بإذن الله باقى المهمة


(ماجد عباس محمد) #94

741 جزء 2

بعد أن راجعنا المكبر التفاضلى و مصدر التيار الثابت ، فلو نظرنا للدوائر باللون الأزرق سنجد 3 مصادر تيار ثابت
Q8,Q11,Q12 هى الثنائيات الثلاثة بالطريقة السابق ذكرها ترانزيستور و قصر بين المجمع والقاعدة
الثنائيان Q11,Q12 متصلان على التوالى من خلال المقاومة R5 مما يجعل التيار فيهما واحد
بما أن التيار فى الترانزيستور مساوى للتيار فى الثنائى إذن بالتبعية يجب أن يكون التيار فى Q13 مساويا للتيار فى Q10
أيضا بما أن التيار فى Q10 مار أيضا فى Q8 إذن لا بد أن يكونا متساويين
أى أن تيار Q8 مساويا لتيار Q10 مساويا لتيار Q13
نلاحظ أن Q9 يكون مع Q8 مصدر تيار ثابت أى تيار كل منها مساوى لتيار الآخر
إذن تيار Q8 مساويا لتيار Q13 .
هكذا لدينا ثلاث مصادر تيار متساوية تحت كل الظروف مثل تغير درجات الحرارة ، تغير جهد التغذية الخ
هذا ما تكلمنا عنه سابقا أثناء التصنيع حين قلنا أن تحقيق النسب أدق بكثير من تحقيق قيمة محددة حيث هنا لدينا ثلاث مصادر متساوية التيار و تتابع بعضها Good Tracking
تكلمنا المرة السابقة عن الترانزستورات ,Q20 Q14,Q15,Q16 – الآن Q13 دخل فى اللعبة و اصبح معروفا
ولكن أين المكبر الذى يغذى أو يقود مرحلة الخرج هذه ؟
المكبر هو زوج من الترانزستورات بنظام المسمى دارلنجتون حيث المجمع مشترك و تيار باعث الأول يكون تيار القاعدة للثانى وهما هنا Q18 ، Q17 - طبعا لا بد من استخدام مقاومة للمجمع – و المقاومة الأكبر تعطى كسبا أكبر و تسبب نقصا فى الجهد أعلى – وكما سبق الحل هو مصدر تيار ثابت أو Q13 و الآن عرفنا وظيفته و فيما يستخدم .
لتحقيق ثبات أفضل للمكبر دارلنجتون ، يفضل استخدام مقاومة باعث لكل ترانزيستور هما R11,R12
أيضا لو زاد التيار فى هذا المكبر خاصة Q18 لأن تياره يكبر بواسطة Q17 و أيضا بسبب الحرارة فحتى لا يزيد تيار Q18 عن المسموح فإن َQ22 يتدخل – ببساطة التيار يسبب ارتفاع الجهد على R11 ثم يبدأ الترانزيستور فى التوصيل ساحبا التيار من قاعدة Q18
وصلنا الآن لأن مدخل المراحل الأخيرة من المكبر هى قاعدة Q18 ، أليست كأى ترانزيستور تحتاج جهد وتيار للقاعدة ليعمل؟ نعرف أنه من الرسم سيأخذ ما يريد من المكبر التفاضلى والذى يشكل مرحلة الدخول !

هيييييه مهلا هنا - هذا ليس مكبر تفاضلى والقصة مختلفة تماما

معذرة لنعود للوراء خطوة واحدة فقط !!
ذكرنا سابقا أن الترانزيستورين Q9، Q10 يمر فيهما نفس التيار وهذا يعنى أن الجهد على كل منهما مساوى للآخر أى أن النقطة التى تربط المجمع مع الآخر و المعطاة لونا بنفسجيا تساوى نصف المسافة بين خطى التغذية أى نصف المسافة بين +15فولت و –15 فولت أى بالضبط صفر فولت – وهذه لهذا تسمى الأرضى الافتراضى أو Virtual Ground حيث تتصرف كما لو كانت متصلة بالأرضى (نقطة الصفر أو التعادل) دون أن تكون متصلة فعليا به وهى ثابتة مهما تغير جهدى التغذية معا
وجب التنويه للحاجة إليها
قلنا أيضا عن Q8 أن التيار أيضا مساويا لهما – هذا التيار ينقسم لقسمين متساويين فى Q1,Q2 وهما المكبرين التفاضليين فقط هنا لعبة صغيرة
نريد زيادة مقاومة الدخول – قلنا سابقا نستخدم تابع مهبطى Emitter Follower وهذا بالضبط دور Q1,Q2 فنحن نأخذ الخرج من المهبط
إذن لا كسب ؟!! – نعم ولكن مقاومة دخول عالية ونحقق الكسب فى مرحلة أخرى و للحفاظ على كونها مكبر تفاضلى نجعل كل مرحله متصلة بأخرى للتكبير
انظر إلى Q3,Q4 ستجد أن كل منها يأخذ دخوله من الباعث Emitter و يعطى الخرج من المجمع Collector و نقطة القاعدة مثبته عند جهد = صفر أى أرضى (الأرضى الافتراضى)
أليس هذا مكبر ذو قاعدة مشتركة ؟ Common Base Amplifier و الذى يحقق كسبا عاليا و يناسب الترددات العالية أيضا ؟ - لقد ضربنا ثلاث عصافير بحجر وهما الكسب العالى التردد العالى و أخيرا التخلص من مقاومات الانحياز اللازمة للتشغيل باعتمادنا على خرج تابع مهبط Emitter Follower
إذن بدمج تابع مهبط Emitter Follower مع مكبر ذو قاعدة عامة Common Base Amplifier أضفنا للعصافير الثلاثة مقاومة الدخول العالية .
أعلم أنك ستقول مقاومة المجمع Collector لكل من Q3,Q4 هى ترانزيستور آخر و هى Q5,Q6 و لكن Q5,Q6 ليسا مصدر تيار ثابت ولا يوجد معها دايود
حقا كل هذا صحيح فالترانزيستور Q7 لا يمثل دايود بأى حال !!
لنتتبع الإشارة منذ دخولها من العالم الخارجى على الطرف رقم 3 والمسمى NON-INVERTING INPUT
لنأخذ مثلا لحظه ازدياد الجهد (والانخفاض بنفس التتابع)
زيادة الجهد تزيد التيار فى تابع المهبط Q1 فيزداد أيضا جهد الباعث وهذا يزيد جهد الباعث للترانزيستور Q3 أيضا بحكم أنه ذو قاعدة مشتركة Q3 فيزداد تيار المجمع Collector له – هذا يسبب ازدياد تيار القاعدة للترانزيستور Q7 وهو تابع مهبط Emitter Follower و من ثم تيار المهبط فيغذيها لكل من قاعدتى Q5,Q6 لتكبر مرة أخرى على المجمعين Q5,Q6
بقى أن نذكر الطرفين 1،5 المسميان Offset Null فى حالة أن نستخدم الوحدة فى كسب عالى و نتيجة لاستحالة التطابق التام بين كل المكونات التى نقول أنها متساوية قد نتوقع أن يكون الخرج صفرا بدون دخول و لكن لا يحدث ذلك فنستخدم هذان الطرفان لتحقيق التعويض اللازم
الآن قد فهمنا كل ما بداخل المكبر 741 هل كنا بحاجة لكل هذا العناء لكى نستخدمه؟؟!! – سبق أن نفذنا العديد من الدوائر بدون كل هذا الصداع !!
حقا لكن ما كنا نعرف عندما لا تعمل الدائرة ماذا كان السبب!!
يجب أن نستخلص بعض النقاط الهامة التى توضح الأخطاء الشائعة
أولا : دخول المكبر هو زوج من الترانزيستور إما س م س أو م س م NPN or PNP هنا كانا NPN و فى LM324 من النوع الآخر PNP و القاعدة دوما غير متصلة بشىء ما لم يذكر غير ذلك صراحة
هذا يعنى أنه لا بد من وجود مسار للتيار المستمر لتوفير تيار القاعدة حتى تعمل ترانزيستورات الدخول وهو إما مباشرة أو من خلال مقاومة إما للأرضى (صفر فولت) أو أحد مصادر التغذية أو الخرج فالخرج يوفر هذا التيار أيضا
ثانيا : يجب أن نعلم من صحيفة المواصفات Data Sheet هل هذا التيار خارج من الطرف أم داخلا إليه وهو فى حال ترانزيستورات NPN يجب أن يدخل إليها و PNP يخرج منها
فى الواقع تفترض دوما التيارات داخلة للأطراف لذلك حينما يكون التيار داخلا للطرف يكتب بقيمة موجبة و حينما يكون خارجا منه يكتب بقيمة سالبة
أو يذكر ذلك صراحة مثل فى 324 فى الرابط التالى سيذكر قيمته ثم يكتب Note9 حيث تجد شرحها لاحقا يذكر أن التيار خارج من الطرف نتيجة ترانزيستورات PNP

http://www.datasheetspdf.com/PDF/LM324/49381/1

ما الفرق فالمقاومة التى توصل لا يعنيها اتجاه التيار
حقا لكن إن استخدمت مصدرا يعطى تيار أو يأخذ تيار يجب أن تعرف كيف توصله مثلا لو أردت أن تكبر تيار من ثنائى ضوئى سيكون توصيله مع 741 عكس توصيله مع 324 وغيره من التطبيقات الكثير
ثالثا : التيارات فى الداخل تعتمد مباشرة على قيمة مصادر التغذية فمصادر التيار الثابت ثنائى و مقاومة لذلك احرص على هذه المعلومة – اقرأ ورقة المواصفات Data Sheet جيدا و ما لم يذكر صراحة أن الوحدة تقبل تغذية متعددة من كذا إلى كذا فالأفضل ألا تستخدم إلا الجهد المرجح المذكور وهو غالبا +/- 15 فولت و الذى يمكن النزول به إلى +/- 10 فولت و قد تعمل عند +/-5فولت لكن لن تكون بنفس الكفاءة فضلا عن إن استبدلت الوحدة بأخرى بنفس الرقم لأى سبب قد لا تعمل ولا تقل عندها السابقة عملت!! فهذا شأنها وقد ولت
المرة القادمة إن شاء الله سنتحدث عن خصائصه و معنى كل قيمة منها و كيف نستغلها أو نتجنب مشاكلها


(ماجد عباس محمد) #95

مكبر العمليات جزء 3

أرجو لتسهيل متابعة الشرح أن نقوم بتحميل صفحة المواصفات للمكبر LM741 من الموقع
http://www.datasheetspdf.com/PDF/LM741/53979/1

أرجو أن تختار National حتى يتطابق الشرح مع ما لديك – فضلا عن أنها تحتوى بعض الدوائر المفيدة
الصفحة الأولى بها شرح مختصر لها والدائرة التى قمنا بدراستها المرتين السابقتين
أول الصفحة الثانية ستجد جملة
Absolute Maximum Ratings (Note 1)
Supply Voltage : +/- 22V
لو قرأت الملحوظة المرفقة (Note 1) ستعنى أن هذه القيم هى أعلى ما تتحمله القطعة و يجب أن تجد فى مكان ما جملة
Recommended Operating Conditions
Supply Voltage : +/-15V
وهو يعنى أن هذا هو الجهد المقترح استخدامه – و مادام مقترح من المنتج إذن فهو أسلوب مهذب لكلمة الواجب استخدامه
قبل أن تبحث وتقول أين هى – معذرة ربما سقطت من هذه القطعة لشهرتها الواسعة و كونها أصبحت مقياسا صناعيا Industrial Standard – بمعنى انك ستجد مقولة مثل "هذا الرقم يعتبر ذو معاوقة دخول 10 مرات مثل 741 "
قبل أن نترك هذه النقطة يجب ألا ننسى نقطة هامة وهى أن جهد التغذية له قيمة واحدة فقط ( لا تنسى أن الجهد الموجب مساوى للسالب ) وهذا يعنى أنه لا يصح أن تستخدم جهدا أقل من ذلك فعند استخدامك لجهد أقل من +/-10فولت ستبدأ خصائصه فى التغير و عند جهد أقل ستجد قطعة تعمل فى دائرة ما و أن استبدلتها ربما الأخرى لا تعمل– لا تقل أنها تالفة
إن شئت استخدام جهد أقل مثل بطارية 9 فولت – هناك أرقام أخرى تبدأ من 3 فولت و ستجد القيمة
Supply Voltage : Min +/-1.5 : Max +/-15V
مثل المكبر LM324 مثلا
http://www.datasheetspdf.com/PDF/LM324/49381/1

مما سبق علمنا أن كل مدخل من مدخلى مكبر العمليات الشهير LM741 هو ترانزيستور NPN س م س . وبالتحديد طرف القاعدة – لذا لو عدنا قليلا للوراء نجد أن التيار يجب أن يدخل إلى قاعدة الترانزيستور NPN حتى يعمل الترانزيستور ، و هذا يفرض علينا شيئا وهو تيار القاعدة – حسنا لنسمه كذلك.
ماذا لو شئنا تغيير ترانزيستور الدخول لتحسين الأداء هل سنغير الاسم أيضا و يصير لدينا اسم لكل نوع لتسهيل الضياع بين الأسماء ؟ لماذا لا نسمه تيار انحياز الدخول ؟ فتيار القاعدة يصطلح على تسميته تيار الانحياز فهو أما " يحيد " الترانزيستور نحو التوصيل أو القطع أو التشبع فليكن تيار انحياز الدخول Input Bias Current و مهما تغير نوع ترانزيستور الدخول سيظل يحتاج لتيار انحياز – هذا أفضل
إذن لو قرأنا الجدول فى نهاية الصفحة الثانية سنجد قيمته هى من 80 إلى 500 نانو أمبير
هيه مهلا - من أين آتيت بهذا الكلام ؟ هناك خانات عديدة ولا معنى لكل هذا !!!
أخى – المسألة بسيطة : الجدول مقسم لثلاث أقسام كل قسم لفصيلة من فصائل المكبر وهى
LM741A/LM741E
LM741
LM741C
الأولى أفضلها و التيار أقل ثم الثانية ثم الثالثة
و سنجد أن كل جزء من الثلاث و لكل خاصية للمكبر لها ثلاث قيم Min Typ Max
وهى تعنى Minimum أى الأقل ، Typical أى الفعلية أو المتوقعة ، و أخيرا Maximum أى العظمى


عذرا قد وضعت بعض الخطوط و لونا لكل مدى منها لزيادة الإيضاح
و لماذا كل هذا التعقيد ؟ لماذا لا يصنعون الكل على افضل مواصفات مثل LM741A/LM741E ونرتاح من وجع القلب هذا
عند التصنيع – توضع شريحة السيليكون كما سبق الشرح فى الحلقات السابقة ، ثم بالتصوير تخلق المساحات المشكلة لكل ترانزيستور

سنجد أن مهما أخذنا من احتياطات سيظل طول المسافة من المصباح للوسط أقل منها للطرف مما يجعل الصورة فى المنتصف أدق و أضبط من الأطراف لذا الناتج من الجزء الأوسط دوما أعلى جودة من الأطراف و بينهما منطقة “نصف - نصف” ولهذا ستجد دوما ثلاث جداول لثلاث درجات من نفس الرقم لأى قطعة إلكترونية
أما عن القيمة الصغرى و الفعلية و العظمى فغالبا ما تذكر قيمتان منها حسب نوع المواصفة فمثلا تيار انحياز الدخول يفضل أن يكون قليلا لذا تذكر القيمة الفعلية و العظمى له لأن لو زادت عن العظمى سيتضرر أداء دائرتك أما لقيمة مثل مقاومة الدخول Input Resistance ستجد القيمة الأقل و الفعلية و ذلك لأن المكبر المثالى له مقاومة دخول مالا نهاية لذا انخفاض مقاومة الدخول عن حد معين قد يضر بأداء دائرتك لذا يقول الجدول لك أنها فعليا 2 ميجا أوم ولكن لن تقل عن كذا. ولكن هناك من يضع القيم الثلاث مثل Analog Devices .
ما هذا الكلام تقول فعليا كذا ولن تقل عن كذا – آلا تستطيع أن تقول قيمة واحدة؟؟؟
أخى – احضر عشرة دايودات من نفس الرقم و آفو رقمى و قم بقياس مقاومتهم فى وضع التوصيل – لن تجدهم متماثلين – ثم خذ أعلاهم مقاومة و أثناء القياس قم بتسخينه بلهب ولاعة أو عود ثقاب مثلا ستجد أنه انخفض لأقل من أقل واحد منهم – ثم يعود عندما يبرد – هذا هو سبب هذا التغيير
لاحظ أن الجدول به صفان و هناك عمود بعنوان Conditions أى شروط القياس و ستجد قيمة لدرجة 25 مئوى و مدى مناظر لمدى درجات الحرارة – كما أن الأرقام الثلاثة من المكبر تختلف فى مدى درجات الحرارة الممكن استخدامه فيها.
من المهم أن نعرف كيف نستغل المعلومات المدونة بصفحة البيانات
فى المرة القادمة عن شاء الله سنكمل البيانات


(ماجد عباس محمد) #96

خواص مكبر العمليات 741:

فى المرة الماضية وجدنا أن المكبر 741 له ثلاث مستويات
LM741A/LM741E
LM741
LM741C
ولكن لو نظرنا للمكبر 324 سنجد أن صحيفة البيانات تحتوى ثلاث أرقام
124،224،324 هذا أسلوب أشمل للتقسيم إلى ثلاث مستويات
124 تنتمى للمستوى الأفضل المسمى العسكرى Military Grade و هو صالح للاستخدام فى نطاق الحرارة من –25 إلى 125 درجة مئوية
الأوسط مثل 224 تنتمى للمستوى الأوسط المسمى الصناعى Industrial Grade و هو صالح للاستخدام فى نطاق الحرارة من صفر إلى مائة درجة مئوية
الأقل مثل 324 تنتمى للمستوى الأقل المسمى التجارى Commercial Grade و هو صالح للاستخدام فى نطاق الحرارة من صفر إلى 70 درجة مئوية
طبعا ينطبق نفس التدرج فى جودة الخواص على الأقسام الثلاث

مهما تحسن المستوى فهى لا تستخدم فى أجهزة دعم الحياة Life Support Systems مثل منظم ضربات القلب و غيرة ، هذه الأنظمة لها مكونات ذات اعتمادية أعلى من كل ما سبق ويجب مخاطبة الشركة المنتجة بخصوصها.

نلاحظ أن بعض القيم تحتوى القيمة الفعلية و العظمى و أخرى الفعلية والصغرى – أليس هذا غريبا ؟
كلا بل منطقى جدا فهو يعرض دوما أسوأ الأحوال حتى إذا أخذتها فى حسابك حصلت على أفضل من توقعاتك – كيف؟
إذا كانت الخاصية يفضل أن تكون أعلى ما يمكن ، إذن أسوأ الأوضاع هى أقلها مثل مقاومة الدخول تفضل أن تكون ما لا نهاية لذا يعطيك أقلها احتمالا
و إذا كانت الخاصية يفضل أن تكون صفر أو أقل ما يمكن مثل تيار انحياز الدخول أو اختلاف تيار الدخول المسمى Input Offset Current تكون أسوأ أوضاعها أعلاها لذا يكتب لك أعلاها.
لم ننتهى بعد من الأول حتى نذكر الثانى
لم نقدم جديدا على أية حال فالأول هو التيار الذى تحتاجه قاعدة الترانزيستور لكى تعمل و كما نعلم الكمال لله وحدة هذه التيارات ليست متساوية على مستوى المنتج ولا على مستوى الترانزيستورين داخل نفس القطعة
لذلك نجد لتيار انحياز الدخول قيمة كبرى و قيمة نمطية و هى كل الوحدات المصنعة يجب ألا تتعدى هذه الحدود أما اختلاف تيار الدخول المسمى Input Offset Current فهو الاختلاف بين المدخلين داخل نفس القطعة
و ما هذا الاختلاف ؟
مهما كانت دقة التصنيع لن تصل لحد الكمال، لذا فلابد أن يكون هناك خلاف ولو طفيف؟
وما أهمية هذا الاختلاف الطفيف؟
لا أستطيع أن أحدد إن كان ذو أهمية أو لا ، وحدك فقط الذى يحدد.
كيف؟ المسألة تعود للتصميم الذى تقوم به، فتيار القاعدة لكل من الترانزيستورين يمر فى الدائرة الخارجية و يسبب جهد و فرق التيار يسبب أيضا فرق فى الجهد.
إن كانت الدائرة ستكبره إذن سيسبب مشاكل و يجب أخذ الحيطة لمعادلة الجهد الناتج من تيار القاعدة.
أما فرق التيار فللأسف لا نستطيع تحديد قيمته ولا اتجاهه بمعنى هل هو لصالح هذا الطرف أم ذاك ، ولذلك إن كان هذا الفرق يسبب مشكلة كأن يكون المكبر يكبر جهود مستمرة من حساسات أو خلافه ، يمكن معادلة فرق التيار Input Offset Current بالطرفين 1 - 5 و المسمى كل منهما Offset Null أو “تصفير الفرق” و الدائرة مرسومة فى ذيل الصفحة الأولى من صفحة البيانات
نفس الكلام ينطبق على الجهد حيث نجد Input Offset Voltage وهو لو عملت قصر بين المدخلين، المفروض أن يكون الخرج = صفر أيضا ولكن هذا لا يحدث نتيجة أن هناك ذلك الفرق الطفيف ولكن المكبر ذو كسب عالى جدا و نتيجة هذا التكبير يظهر هذا الخرج، وهو جزء مما يعالج أيضا بالطرفين 1 – 5 السابق ذكرهما.
الآن بقى قبل أن نصمم دوائر نفهم بعض الخواص الهامة لهذا المكبر والتى تميزه عن غيره – ليس بالضرورة للأحسن و لكن لنعرف ماذا نبحث عنه حين نريد تصميم دائرة ما.
الأولى : Input Resistance ونجدها قبل آخر صفحة رقم 2 وهى مقاومة الدخول لهذا المكبر وهى من0.3 ميجا فى LM741 و حتى 1ميجا فى LM741E كأقل قيمة وقد اتفقنا على أن مقاومة الدخول نختار الحد الأدنى لها.
هذه القيمة تحدد ما هى الاستخدامات المناسبة لهذا المكبر فلو لدينا حساس أو مصدر إشارة له معاوقة قريبة من هذه القيمة فبالتأكيد لا يصلح هذا المكبر ، مثل مستقبلات الأشعة تحت الحمراء فى الريموت و مستقبلات الموجات فوق السمعية الخ
الثانية : Input Voltage Range ونجدها فى آخر صفحة رقم 2 وهى المدى المسموح لإشارة الدخول . أيضا +/- 12 فولت وهذا يعنى أنه لو لدينا إشارة مطلوب تكبيرها مرتين من 15 فولت إلى 30 فولت – وجب أن نبحث عن حل آخر.
الثالثة : Large Signal Voltage Gain ونجدها قبل أول صفحة رقم 3 وهى مقدار الكسب للإشارة الكبيرة – ونلاحظ أن القيمة عند جهد التغذية +/- 20 فولت أعلى قليلا من +/- 15 فولت و على أى حال أقل قيمة هى 10 فولت/مللى فولت وهذا أسلوب غريب ولكنه الوسيلة المتبعة لقولهم أنها 10000 مرة وهى ببساطة كل مللى فولت فى الدخل يعطى 10 فولت فى الخرج و بالقسمة ينتج المطلوب. إلا أنها حقيقة ذات فائدة كبيرة لأنها تقول لك أن مللى فولت واحد قد يكفى لجعل الخرج يصل تقريبا لآخر مداه – كن حذرا. لاحظ أنها دوما أقل من جهد التغذية.
الرابعة : Output Voltage Swing ونجدها التالية فى الصفحة رقم 3 وهى المدى الذى يمكن أن يصله خرج هذا المكبر وهو يعتمد على جهد التغذية أيضا ونجد أنه ±15 أو ±10 حسب جهد التغذية وهذا يعنى لو نريد إشارة تصل إلى ±12 فولت يجب أن يكون جهد التغذية ±20 ولو نحتاج أعلى من ±15 يجب أن نبحث عن حل آخر.
الخامسة : Output Short Circuit Current ونجدها التالية فى الصفحة رقم 3 وهى أقصى تيار يمرره هذا المكبر ولو وضعت قصر على الخرج و سبق أن ذكرنا أن هناك حماية ضد القصر فلن يتلف وذلك بأن تحد التيار لحدود آمنة – وهو أيضا يعطينا فكرة عن أقصى تيار يمكن استخدامه و من الأفضل دوما ألا ندفع الأمور لأقصى حد لأن التكبير لن يكون مثاليا قرب هذه الحدود.
فى المرة القادمة إن شاء الله سنكمل البيانات


(ماجد عباس محمد) #97

تحدثنا المرة السابقة عن خمس صفات للمكبر والآن نكمل و ستبدو أهمية هذه الخواص حين نبدأ فى التصميم إن شاء الله
السادسة : Common-Mode Rejection Ratio ونجدها التالية (الخانة الرابعة) فى الصفحة رقم 3
المفروض أن المكبر يكبر الفرق بين المدخلين ولهذا لو وصلنا الطرفين معا ، يجب أن يكون الخرج = صفر، إلا أن هذه الحالة المثالية لا تحدث، و ما يحدث هو أن هذه الإشارة المتماثلة تقل قيمتها بدلا من أن تتلاشى نهائيا وهذه قيمة الاضمحلال الذى يحدث . القيمة بالديسبل و نحن نعرف أن
Gain = 20 log (Vout/Vin) …………… in decibel or db
القيمة بالديسبل = 20 لو (نسبة الفولت) = 10 لو ( نسبة القدرة) إذن
70= 10 لو ( الخرج إلى الدخل) إذن 7 = لو( الخرج إلى الدخل)
نسبة الخرج إلى الدخل = 10 مرفوعة إلى 7 = 10000000 أى 10 مليون مرة
أى لو وضعنا 10 فولت على الدخول مشتركة سيخرج منها 1 ميكرو فولت وهذا شيء مرغوب فيه بالتأكيد لأن هذا الفولت المشترك يأتى غالبا من مصادر غير مرغوب فيها كالمجالات المحيطة مثلا…
السابعة : Supply Voltage Rejection Ratio ونجدها التالية (الخانة الخامسة) فى الصفحة رقم 3
نفس ما قيل عن البند السابق و لكن هذه المرة هذا الجهد يوجد على مصدر التغذية أى لو أن +15فولت عليها +/-1فولت كم سيظهر من هذا الفولت فى الخرج، و نفس الوحدات بالديسبل
الثامنة : Transient Response Time ونجدها التالية (الخانة السادسة) فى الصفحة رقم 3 وتنقسم إلى Rise Time وهو الزمن الذى يصعد فيه الخرج من أقل قيمة لأعلى قيمة باعتبار أن الكسب = 1 و الدخول انتقل لحظيا من أقل قيمة لأعلى قيمة و الكسب = -1 و الخرج تحرك عكسيا، هذا العامل يهم فقط فى حال استخدام المكبر كمقارن وهو يحدد كم مرة يستطيع الاستجابة فى الثانية لعمليات الفتح والقفل.
الجزء الثانى هو Over Shoot وهو نتيجة الانتقال الفجائى من مستوى لآخر يحدث اهتزاز يسبب بعض الذبذبات، أقصى قيمة لأكبر اهتزازة (الأولى) هو هذه القيمة.
التاسعة : Band Width ونجدها التالية (الخانة السابعة) فى الصفحة رقم 3 وهى أعلى تردد يمكن لهذا المكبر أن يكبره وهو هنا من 437 ك ذ/ث كحد أدنى حتى 1.5ميجا و طبعا يجب الاعتماد على الحد الأدنى لأن ليس مضمونا أن كل الوحدات تعمل عند 1.5ميجا
العاشرة : Slew Rate ونجدها التالية (الخانة الثامنة) فى الصفحة رقم 3 وهى معدل استجابة الخرج عند تغيير الدخل تغيرا فجائيا – طبعا ستقول الخاصية الثامنة مماثلة سأقول لك السابقة عندما يعمل كمقارن و نريد للخرج أن ينتقل مرة واحدة من مستوى لآخر لكن هذه عند عمله كمكبر وهى دلالة هل لو حاولنا أن نأخذ من هذا المكبر خرجا = كذا فولت ، ما هو أقصى تردد يستطيع أن يتجاوب معه أو بصورة مقابلة لو أردنا لهذا المكبر أن يكبر تردد كذا كيلو ذ/ث كم فولت يستطيع أن يعطى هذا المكبر قبل أن يحدث تشويه للخرج؟
العلاقة التى تربط معاملات المكبر هى
أقصى فولت فى الخرج = Slew Rate مقسوما على ( 2 × ط × التردد )
لذا كلما أردنا فولت أعلى أو تردد أعلى نبحث عن مكبر ذو قيمة أكبر فى هذه الخاصية.
لمزيد من الشرح و الإثبات حمل هذا الملف

http://www.national.com/ms/LB/LB-19.pdf

أو ابحث عنه هكذا
http://www.national.com/JS/searchDocument.do?textfield=lb-19

بقى خاصتين أحدهما Supply Current وهو سحب التيار من كل من المصدرين و الثانية استهلاك الطاقة وهما عند الاستخدام فى درجات حرارة مرتفعة يجب تخفيض العوامل حتى لا تسخن أكثر مما يجب.
الآن نفكر كيف نصمم دائرة مكبر باستخدام LM741 و طبعا ما يطبق هنا يطبق على أى رقم آخر بالاستعانة بصفحة الخواص Data Sheet
أول شيء ستقوله – لا أحتاج تصميم دائرة، سأستفيد بكل هذا الكسب وهو 50000 كحد أدنى ولا أريد شيء آخر!
مهلا – هذا الكسب مبنى على أن الخرج سيغطى كل المدى المسموح به للخرج
أجل وهذا ما أريده
مهلا – مرة أخرى! هذا المدى تحكمه خاصية النطاق الترددى Band Width والتى بجوارها ملحوظة رقم 5 أو Note5 وهذه الملحوظة تقول (تجدها أسفل الجدول بصفحة 3) أنه محسوب على أساس 0.35 ÷ Rise Time إذن نعود لهذا المدعو Rise Time نجده عند كسب = 1
هذا ما يسمى معامل الجودة أو Figure of merit و لكى تزيد الكسب عن 1 سيقل هذا النطاق بنفس النسبة لذا فلو أردت نطاق 437ك سيكون الكسب=1 أو 43ك عند كسب = 10 أو 4ك فقط عند كسب = 100 أو 437ذ/ث عند كسب = 1000 و هكذا – وهذه أول مشكلة.
كيف إذن نقلل الكسب ونتحكم فيه
هل تذكر موضوع التغذية الخلفية أو العكسية السالبة؟؟ هل تذكر حين قلنا أن لو كان حاصل ضرب Aβ أكبر كثيرا من 1 عندها سيكون الكسب = 1 ÷ β أى مقلوب نسبة β ؟ هذا هو الحل
بما أن A كبيرة جدا =50000 على الأقل فحاصل ضربها مع أى نسبة β سيكون أكبر كثيرا من 1 لذا يكون الكسب = مقلوب نسبة β
فى المرة القادمة إن شاء الله سنصمم بعض الدوائر


(ماجد عباس محمد) #98

تصميم دائرة مكبر باستخدام 741 LM741 Op-Amp Amplifier

من الخواص السابقة نجد أن التكبير عالى جدا (200000) و النطاق الترددى قليل جدا ( حوالى 10 ذ/ث).
هذا الوضع قليل الاستخدام لأنه مناسب للجهد المستمر والترددات حتى 10 ذ/ث لذلك سنحاول تقليل الكسب و نزيد النطاق الترددى.
للبدء بالتصميم نحدد أولا النطاق الترددى المطلوب فكما علمنا أن حاصل ضرب النطاق × الكسب = مقدار ثابت ويسمى معامل الجودة Figure Of Merit.
لو الكسب غير كافى إما نختار رقم مكبر آخر ذو معامل جودة أعلى أو نستخدم أكثر من وحدة لكن لو كان النطاق غير كافى – لا حل .
لذلك نبدأ بالنطاق المطلوب. سنفترض أننا نريد مكبر لإشارة صوتية أى نطاق تردد الصوت وهو من 20 إلى 20000 ذ/ث.
من المواصفات نعلم أن المكبر 741 له معامل الجودة = 1 ميجا، إذن للحصول على نطاق 20000 ذ/ث
نقسم 1 ميجا ÷ 20000 = 50
إذن بهذا النطاق نستطيع الحصول على كسب حتى 50 مرة لا أكثر - يمكن أقل إن دعت الحاجة و لا بأس بالنطاق الأوسع لأنه غالبا لا يضر و يمكن تقليله باستخدام مكثفات حسب معادلات النطاق الترددى للمكبرات و التى شرحت فى مقالات سابقة.
الآن علمنا أننا يمكن أن نحصل على كسب قدره 50 مرة لكن هل نكبر 0.2 فولت لتصبح 10 أم 0.2 مللى فولت لتصبح 10 مللى فولت؟
هل تذكر Slew Rate السابق و قلنا أنه 0.5 فولت/ميكرو ثانية وأيضا قلنا أن
الفولت = ج ÷ (2×ط ×التردد) بالتعويض للحصول على الفولت (ج هنا رمز لمعامل الإستجابة Slew Rate السابق) نجد

الفولت = 500000 ÷ (2×3.14×20000) لا تنسي أن ميكرو تحول بالقسمة على مليون
الفولت = 3.98 فولت وهو أقصى خرج يمكن أن يعطيه هذا المكبر فى هذه الظروف
لو أردت المزيد يجب استخدام مكبر آخر له معامل أكبر مثلا لو أردت 12 فولت، سنحتاج لثلاث أضعاف هذا المعامل أى على الأقل 1.5 فولت/ ميكرو ثانية. نستخدم مثلا LM301
الآن علمنا أننا يمكن أن نحصل على كسب =50 على ألا يزيد الخرج عن 4 فولت متردد قيمة عظمى وليست جذر متوسط التربيع وهى تساوى 2.8 فولت ج.م.ت.
طبعا نذكر من موضوع التغذية العكسية أن الكسب = مقلوب نسبة المقاومات لذا نستخدم مثلا 1 أوم مع 50 أوم إلى 1 ميجا مع 50 ميجا – كيف نختار قيمة مناسبة
ننظر للدائرة حتى نستوعب الأمور
الملف المرفق به مجموعة دوائر و كلها تغيرات للمكبر التقليدى لأهداف سيأتى شرحها في المقالات التالية
الآن ننظر لشكل رقم 1

لو نذكر أن مقاومة الدخول للمكبر كانت 0.3 ميجا كحد أدنى و من الطبيعى أن تزيد مع التغذية العكسية لذا لن تؤثر معنا فى التصميم و سيكون العامل المؤثر هنا معاوقة خرج المصدر المولد للإشارة
فمثلا لو ميكروفون ، نقرأ صحيفة خواصه . هل معاوقة خرجه صغيرة أم كبيرة وهذا ما يجعل بعض المكبرات لها مفتاح (سويتش) مكتوب علية LO/HI وهو يعنى تغيير معاوقة الدخول لتكون صغيرة أو كبيرة حسب الحاجة.
دوما يفضل استخدام معاوقة أكبر من معاوقة المنبع على الأقل 10 مرات حتى لا تتسبب معاوقة دخول المكبر فى تقليل الجهد الخارج من المصدر (مجزئ جهد عادى و قانون أوم) وهذا سيجعلها كبيرة القيمة .
مثلا لو كانت معاوقة خرج الميكروفون أو المصدر 10ك سنحتاج مقاومة دخول المكبر 100ك ومعها مقاومة 5ميجا
بالتأكيد 5 ميجا مقاومة كبيرة خاصة وأن الخرج يتكون عليها و تسبب ضوضاء أيضا – لذا ربما فى المراحل الأول، نضطر لتجنب الضوضاء أن نضحى بالكسب قليلا أو نستخدم دائرة تقلل من المعاوقة حتى لا نحتاج مقاومات ذات أوم عالى خاصة للمصادر ذات الخرج الضعيف جدا.
أما إن كانت مقاومة الخرج صغيرة و أقل من جزء من 10 من قيمة معاوقة الدخول فيمكن استخدامها مباشرة.

هيه لكن أنا دوما استخدمها دون اعتبار لهذه النقطة ودوما تعمل بكفاءة!!! لم كل هذا الصداع؟
أخى لم أقل لن تعمل و لكن هناك دوما فرق بين الوضع المثالى و الوضع المتاح و غالبا يمكنك تعويض هذا بمفتاح الكسب (Volume) لكن لو تنوي تصميم مكبر يتعامل مع حساس مثلا أو غيره فربما حقا تؤثر، عندها تذكر ما قلناه هنا و اعرف السبب و حاول علاجه.
من الأفضل أن نذكر هنا كل شيء و استخدم ما تحتاجه أفضل من أن تتعرض لموقف ولا تجد له تفسيرا.
فى المرة القادمة إن شاء الله سنتحدث عن مزيد من الدوائر ثم لاحقا نتحدث عن تحسين الخواص.
الملف المرفق


(ماجد عباس محمد) #99

قلنا فى المرة السابقة أن المكبر سيكون كما بالشكل رقم1 و تكون المقاومة 2 تساوى 50 مثل المقاومة1 و المقاومة 1 يحددها مصدر الإشارة بحيث تكون 10 أمثال المصدر حتى لا نفقد جزء من إشارته.
لنفترض أن المصدر له معاوقة خرج = 1ك أوم فيمكن استخدام المقاومة 1 بقيمة 10ك و مقاومة التغذية 50 مثل المقاومة1 للحصول على كسب 50 فتكون 500ك أوم.
طبعا المكبر يحتاج لتغذية و لهذا نحتاج لجهدين +12فولت و -12فولت (المسمى N12V فى الرسم)
لماذا لا تحتوى هذه الدائرة أى مكثفات؟ كل الدوائر تشمل مكثفين أو أكثر!!!
حسنا! المسألة مرهونة بالاستخدام و ظروف التشغيل و تحديدا تأثير الجهد المستمر على أداء الدائرة ككل والتى فيها هذا المكبر أول مرحلة.
فى بعض التطبيقات مثل مكبر الفيديو و مكبرات الحساسات ذات التغيير البطيء جدا مثل حساسات الحرارة و تتبع ضوء الشمس الخ نحتاج لأن يمتد مدى التكبير حتى الجهد المستمر ولهذا يجب ألا نستخدم مكثفات للربط
أما فى حال أن يكون المصدر يحتوى جهد متغير ولكن عليه جهد مستمر مثل ثنائى استقبال أشعة تحت الحمراء من الريموت كنترول، فيجب استخدام مكثف لعزل الجهد المستمر الكبير (4-5 فولت مثلا) عن الجهد المتردد الصغير جدا كذا مللى فولت.
فيما عدا ذلك فالمسألة اختيارية بحته.
حسنا، أريد الآن أن استغل كل إمكانية التكبير ما دمت لا أريد أن احصل على تردد عالى.
لو تذكرنا الشرح السابق سنجد أن تيار القاعدة لترانزيستورات الدخول لابد له أن يمر، لذا يمر أحدهما فى المقاومة1 بينما الآخر يمر إلى الأرض فورا. مرور التيار فى المقاومة1 يسبب جهد حسب قانون أوم
فولت الدخول= Input Bias Current × المقاومة1
من المواصفات نجد أن Input Bias Current = 30 نانو إلى 800 نانو أمبير وهذا تراوح كبير ولكنه يعتمد على جودة الوحدة المستخدمة (حسب الرقم من الجدول) و المدى الحرارى الذى ستستخدمها فيه (هل جو مكيف مثبت الحرارة أم لا)
سنجد Input Bias Current ينقسم إلى خانتان الأولى عند درجة 25 مئوى و الثانية تغطى المدى الحرارى الكامل و لهذا لو كنت تنوى الاستخدام فى جو مكيف يمكنك اختيار القيمة الأولى الأقل و إلا يجب أن تستخدم القيمة الثانية الأعلى و يجب أن لا ننسى أن هذه القيمة ليست ثابتة بمعنى أنك توصل الجهاز الآن - ستأخذ قيمة كذا و تبقى كما هى ، كلا فكل أشباه الموصلات مربوطة بالحرارة أى أن أى خاصية تبدأ بقيمة و تتغير مع تغير الحرارة ثم تستقر عندما تستقر درجة الحرارة بعد حوالى 20 دقيقة من بدء التشغيل.
أيضا كما سبق الشرح القطعة منها 3 درجات لذا الجدول مقسم لثلاث أعمدة.
إذن هذه مشكلة لا حل لها فلو حسبنا وسيلة التعويض لقطعة، مجرد تغييرها يفسد كل شيء.
كلا هناك لعبة صغيرة تحل غالبية المشكلة وهى أن و لله الحمد الطرفان متماثلان لذلك لو وضعنا مقاومة مكافئة على الطرف الآخر فإن التيار فى كل طرف يكاد يتعادل مع الآخر. وهذا يقودنا للشكل2 و بإضافة المقاومة3 يتعادل التيارين.
ولكن المفروض أنها تساوى 10ك، لماذا استخدمت 8.2ك؟ - لا تنسى أن المقاومتان5،4 على التوازى و يجب أن نأخذهما فى الحساب سويا.
هذا الأسلوب له أثره أيضا فى تحسين الضوضاء الناتجة من تيار الدخول حيث الضوضاء المتولدة من أحدهما تقلل – ولا تلغى- أثر الثانى.
حسنا! هل نستطيع أن نحصل على أعلى كسب؟ - ليس بعد.
بند Input Offset Current وهو كسابقة له مدى و يتراوح ما بين 3 إلى 300 نانو أمبير وهو الفرق بين التيارين السابق ذكرهما أى أن التيارين لم يصلا حد الكفاءة التامة و التماثل المطلق.
وجب هنا أن نذكر احتياطات التصميم وهى
إن كان هذا التأثير هاما (نحن نتكلم عن التكبير بقيم عالية وبالتالى أى اختلاف صغير فى الدخول سيولد خطا كبير فى الخرج أو عدم استقرار) يجب أن نختار القطعة الأفضل مثلا LM741A و ليست LM741C حيث تتراوح القيمة الأولى من 30 إلى 80 فقط و الثانية من 3 إلى 30 ثم نستخدم جو مكيف لتثبيت الحرارة عند 25مئوى، أما إن كان كل هذا لا يكفى و نريد استخدام حلولا أفضل فهناك أرقام أخرى أفضل بكثير.
باستخدام LM741A حيث القيمة Input Offset Current لا تتعدى 30 نانو أمبير فالجهد المتولد
الفولت = 30 نانو × 8.2ك = 0.000246 فولت أى أن تكبير 10000 مرة يسبب خطأ لا يزيد عن 2.46فولت فى الخرج.
ولكن تكبير 100000 يسبب 24.6فولت وهذا غير مقبول!! (تذكر أن الكسب الكلى لهذا المكبر من 50000 إلى 200000)
هذا أيضا له حل، وهو موضوع المرة القادمة إن شاء الله


(ماجد عباس محمد) #100

هل حقا يمكن أن نصل بالكسب لأعلى قيمة فى حين الخرج لا يعانى أى انحراف عن الصفر؟
لو عدنا لصفحة الخواص أو البيانات سنجد Input Offset Voltage ينقسم إلى خانتان كالسابق، وهو كما سبق الشرح، فرق جهد ناتج يظهر فى الدخول لو عملنا قصر بينهما وهو ناتج من اختلاف الترانزستورات كمكون من المكونات. وطبعا يعتمد على الطراز و مدى درجات الحرارة. وهو على أقصى تقدير 7 مللى فولت من الجدول.
هيه 7 مللى فولت × 1000 فقط تكفى لكى نتوقف عما نحاول فعله!!!
مهلا هناك شيء لم نتحدث عنه للآن، يقودنا للشكل رقم3 والذى يحتوى على مقاومة ضبط بين طرفى 1،5 و الطرف المتحرك متصل بالجهد السالب (لاحظ أننى قلت الجهد السالب ولم أقل -12فولت).
طبعا لو رجعنا للرسم الذى يشرح التركيب الداخلى لها سنجد أنها متصلة بين باعث E للترانزستورين 5،6 بين المقاومتين 1،2 المتصلتين بالجهد السالب.
بالرجوع للمواصفات نجد طرفى 1،5 لهما اسم Offset Null أى معادلة الإزاحة، ومن الجدول نجد
Input Offset Voltage Adjustment Range
و قيمته كحد أدنى +/- 10 مللى فولت و قياسيا +/- 15 مللى فولت، إذن يكفى لمعادلة القيمة القصوى 7 مللى فولت المذكورة و يبقى ما يكفى لمعادلة فرق التيار من المرة السابقة.
إذن شكل 3 يناسب المكبرات ذات المدى للجهد المستمر وخاصة ذات الكسب العالى. هذا بالرغم أن شكل 3 لم نعدل فيه المقاومات لتعطى كسبا عاليا.
لو دخلنا فى التطبيقات سنجد أن مقاومة التغذية العكسية أرقام 2،5،8 فى الدوائر السابقة، تأخذ جزء من الخرج و تضعه على الطرف السالب و مطروحا منه لاختلاف الوجه مما يجعل هذا الطرف بينه و بين الطرف الموجب تقريبا جهد = صفر و ذلك بمعنى أن الطرف السالب يتبع الطرف الموجب وليس العكس. فى الدوائر السابقة ينسب دوما الطرف الموجب للصفر مما يجعل جهد الطرف السالب أيضا يساوى صفرا عمليا ولو حاولت القياس لن تجد شيئا يذكر سواء مستمر أم متردد.
للتذكرة: الجهد ما بين طرفى الدخول = جهد الخرج ÷ الكسب الكلى للمكبر وليس للدائرة كمكبر (200000).
و بفرض أعلى قيمة للخرج هى 12 فولت، فقيمة التغذية ÷ 200000 = 60 مايكرو فولت
لهذا السبب لو وصلت المصدر كما فى الدوائر السابقة سيكون عمليا متصل بالأرض عبر المقاومات 1،4،7 فى الدوائر السابقة. وهى تعتبر معاوقة الدخول بالنسبة للدائرة. هذه النقطة تجعل إضافة مصدر آخر ممكن و تحقق نتيجة هامة أن كل مصدر لن يتأثر بوجود الآخرين معه وهذا يقودنا للدائرة شكل 4، قبل أن تسأل فقد ناقشنا كل شيء بحيث نعلم يقينا أن خطوط التغذية موجودة وموصلة لتغذية المكبر و طرفى 5،1 غير متصلة إلا عند اللزوم ولا داعى لتكرارها ثانية. عادة تخفى كل غالبية برامج الرسم خطوط التغذية لتبسيط الرسم فى حين تأخذها فى الاعتبار فى تحليل أخطاء التوصيل والقصر بين الدوائر الخ، لذا يجب تحديدها أثناء الرسم و تحدد ما إذا كنت ترغب فى إظهارها من عدمه.
أنا شخصيا أتبع مبدأ بسيط وهو كتابة قيمة الجهد صراحة ولا أعتمد القيم الافتراضية مثل VCC,VEE,VDD والسبب أنه فى الصيانة قد يكون السبب هو عدم صحة قيمة الجهد و وجودة بالرسم يوفر حسابه أو البحث عنه ويكون مرة واحدة ظاهرا فى كل مكون مثلا لو قطعة بها 4 مكبرات تكفى واحدة و بالمثل فى الدوائر المنطقية.
سبب آخر قد يكون لديك VDD,VCC فى الدائرة وهما بنفس القيمة وهذا يسبب إرباكا كثيرا فلو قمت بتوصيلهما معا سيربك ذلك البرنامج مولدا رسائل خطأ تضطر للتغاضى عنها وهذا خطر حيث قد تتغاضى سهوا عن خطأ آخر معوق للدائرة.
فى شكل 4 لدينا 3 مصادر إشارة V وأرقام 1،2،3 كل منها تكبر إشارته بقيمة مختلفة حسب نسبة المقاومات فمثلا
الأول تكبر إشارته بنسبة 50÷10=5
الثانى 50÷20=2.5
الثالث بنسبة 1
والخرج يساوى حاصل جمع الثلاث إشارات المكبرات.
ولكن هل يمكن عمل دائرة لا تعكس الوجه أى الخرج فى نفس وجه الدخول و مكبرا فى آن؟
نعم فقط لو أدخلنا الإشارة على الطرف الموجب بدلا من السالب و طبعا هنا يجب أن يظل متصلا بالأرض لإيجاد مسار لتيار القاعدة السابق ذكره Input Bias Current ويجب ألا يكون موصلا بها حتى لا يكون قصر على مصدر الإشارة، بمعنى لابد من إدخال مقاومة كما فى الشكل 5
الكسب هنا من قوانين التغذية العكسية السابقة = 1 + نسبة المقاومات = 1 + ( مقاومة14 ÷ مقاومة13)
1+ (500÷10) = 51
هنا يمكن أن نجعل مقاومة الدخول عالية جدا فمثلا هنا المقاومة 1 ميجا و يمكن أن تزيد لو لا يؤثر ذلك على انحياز الخرج كما سبق الشرح فى المرة السابقة، أما إن أردت تحقيق اتزان التيارات كما فى الشكل 2 فيمكنك استخدام 82ك بدلا من 1 ميجا
لاحظ أن شكل5 هو البديل لشكل1 و 6 بديل للشكل2 أى أن كل دائرة ستجد النظير تحتها للدائرة بدون عكس للوجه.
نلاحظ أن شكل4 ليس له نظير فى الدوائر الغير عاكسة للوجه ولو حاولت وضع أكثر من مصدر سيؤثر بعضها على بعض.
ماذا أفعل لو لدى بطارية وأود استخدام مكبر عمليات؟ أى ليس لدى مصدرين للتغذية!!!
هذا موضوع المرة القادمة عن شاء الله