ایده به کارگیری تقویت کننده‌های عملیاتی یا آپ امپ (به انگلیسی: op-amp یا Operational amplifier) اولین بار در دهه ۱۹۴۰ میلادی و در مدار کامپیوترهای آنالوگ مطرح شد. در این کاربرد با قرار دادن عناصر مختلف بین سرهای ورودی و خروجی تقوکننده عملیاتی مدارهای مختلف با کارایی‌های متفاوت طراحی می‌شد. با گسترش دامنه کاربرد الکترونیک، استفاده از تقویت کننده عملیاتی نیز توسعه فراوان یافت. در سال ۱۹۶۰ میلادی اولین بار تقویت کننده عملیاتی به صورت مدار مجتمع طراحی و ساخته شد و با حجم، وزن و قیمت به مراتب کمتر به بازار مصرف ارائه گردید. پیشرفت فناوری و مطرح شدن نیازهای متنوع تر و تخصصی تر، زمینه را برای عرضه تقویت کننده‌های عملیاتی خاص فراهم نمود. تقویت کننده عملیاتی در واقع یک تقویت کننده ولتاژ با بهره ولتاژ بسیار بالاست و معمولاً دارای یک سر خروجی و دو سر ورودی است که سرهای ورودی به صورت تفاضلی عمل می‌کنند. به عبارت دیگر این تقویت کننده اختلاف ولتاژ بین ورودی را تقویت می‌کند. یکی از دو سر، ورودی منفی (-) یا معکوس کننده نام دارد، زیرا تقویت کننده برای ورودی‌های اعمال شده به این سر دارای بهره منفی خواهد بود. سر دیگر ورودی مثبت (+) یا غیر معکوس کننده‌است و سیگنال‌های ورودی به این سر، در خروجی با بهره مثبت ظاهر می‌شوند. این تقویت کننده دارای مقاومت خروجی بسیار کوچک (حدود چند اهم) بوده و از مقاومت ورودی بسیار بزرگی (بیش از چند صد کیلو اهم) برخورداراست. چون تقویت کننده عملیاتی یک قطعه فعال است برای تأمین انرژی مصرفی و بایاس ترانزیستورهای داخلی خود به تغذیه DC نیاز دارد
آپ امپ ایده آل:
آپ امپ ایده آل با این خصوصیات تعبیر می شود:
- بهره ولتاژ بی نهایت دارد.
- مقاومت خروجی صفر دارد.
- مقاومت ورودی بی نهایت دارد.
- پهنای باند بی نهایت دارد.
- ولتاژ انحراف از میزان ورودی آن صفر است.
در حالی که هیچ‌یک از فرض‌های فوق با خواص تقویت کننده عملیاتی واقعی مطابقت کامل ندارد، اما نتایج به دست آمده از تجزیه و تحلیل مدارهای با مدل ایده‌آل، در فرکانس‌های پایین به نتایج واقعی بسیار نزدیک هستند.
آپ امپ واقعی:
در عمل، تقویت کننده عملیاتی نمی‌تواند دارای همه خصوصیات یاد شده در مورد حالت ایده‌آل آن باشد. چرا که تقویت کننده عملیاتی، خود از به هم پیوستن چند طبقه تقویت کننده ترانزیستوری (در ادامه مطلب اشاره شده‌است.) به وجود آمده‌است و ناگزیر دارای محدودیت‌هایی در بهره ولتاژ، مقاومت ورودی، جریان خروجی و… است. گرچه این‌گونه محدودیت‌ها که در تقویت کننده عملیاتی معمولی وجود دارند اساس طراحی‌های انجام شده بر مبنای حالت ایده‌آل را بر هم نمی‌زنند و فقط نتایج را با تقریب روبه رو می‌سازند، ولی تقویت کننده عملیاتی خاص با کارآیی بالا نیز در بازار یافت می‌شوند که در بعضی خصوصیت‌ها به وضعیت ایده‌آل بسیار نزدیک بوده و می‌تواند در طرح‌های ویژه به کار گرفته شوند. مثلاً تقویت کننده‌های عملیاتی ای ساخته می‌شوند که دارای سرعت زیاد، جریان خروجی زیاد و مقاومت ورودی بزرگ هستند. شناخت محدودیت‌های تقویت کننده عملیاتی واقعی نه تنها در درک عمیق تر عملکرد مدارهای طراحی شده با این تقویت کننده عملیاتی ما را یاری می‌کند، بلکه برای انتخاب تقویت کننده عملیاتی مناسب برای یک طرح مورد نظر نیز ضرورت دارد.
تقویت کننده عملیاتی به عنوان مقایسه کننده (آپ امپ بدون فیدبک):
آنچه در رباتیک از آپ امپ ها انتظار داریم، مقایسه ولتاژ پایه های سنسور با یک ولتاژ مرجع است تا بواسطه آن بتوانیم مدار منطق ربات را (ربات های آنالوگ و حتی در برخی موارد دیجیتال) شکل دهیم.
هنگامی که ولتاژ پایه مثبت (معکوس نکننده) از ولتاژ پایه منفی (معکوس کننده) بیشتر باشد، خروجی آپ امپ، برابر با تغذیه مثبت می‌شود (تغدیه مثبت در خروجی ظاهر می‌شود.)
و
هنگامی که ولتاژ پایه مثبت (معکوس نکننده) از ولتاژ پایه منفی (معکوس کننده) کمتر باشد، خروجی آپ امپ، برابر با تغذیه منفی می‌شود (تغدیه منفی در خروجی ظاهر می‌شود.)
به روابط توجه کنید.
