Bilgi Dağıtmak İçin El Ele
İşlemsel yükselteçler (Operational Amplifiers, kısaca OP-AMP) 196O 'lı yılların sonlarına doğru kullanılmaya başlanmıştır 741 ve 747 gibi entegre şeklinde üretilirler Bu entegrelere dışarıdan bağlanan devre elemanları ile geri beslemesi ve dolayısıyla yükselteç devresinin gerilim kazancı kontrol edilebilir Genel olarak OP-AMP, çok yüksek kazançlı bir DC yükselteçtir OP-AMP ile hemen hemen yapılamayacak devre yok gibidir Şekil 218 - Temel OP-AMP Sembolü Şekil 218 'de temel OP-AMP sembolü gösterilmiştir Bu sembolde gösterilmeyen bir de besleme voltaj uçları bulunur Genel olarak bir işlemsel yükseltecin iki giriş, bir çıkış, iki de besleme kaynağı ucu bulunur Sembolde, (-) işaretli giriş ucu tersleyen (eviren, inverting), (+) işaretli giriş ucu terslemeyen (evirmeyen, noninverting) giriş ucudur (-) işaretli giriş ucuna sinyal uygulandığında çıkıştan 180° faz farklı bir çıkış sinyali alınır Giriş sinyali (+) işaretli giriş ucuna uygulandığı zaman da çıkıştan alınan sinyalle girişe uygulanan sinyal arasında faz farkı olmaz Yani aynı fazda bir çıkış sinyali alınır OP-AMP, 5 önemli özelliğe sahiptir Bunlar; * Kazancı çok fazladır (Örneğin, 200000) * Giriş empedansı çok yüksektir (5 MΩ) * Çıkış empedansı sıfıra yakındır * Band genişliği fazladır (1MHz) * Girişe 0 Volt uygulandığında, çıkıştan yaklaşık 0 Volt elde edilir OP-AMP 'ın iki kazancı vardır Bunlar açık çevrim ve kapalı çevrim kazancıdır Kapalı çevrim kazancı, devreye harici olarak bağlanan geri besleme direnci ile belirlenir Açık çevrim kazancı ise OP-AMP 'ın kendi kazancıdır Yani direnç ile belirlenemeyen kazancıdır Her ne kadar OP-AMP 'ın kazancı yaklaşık 200000 gibi bir değerde olmasına rağmen bu kazanç OP-AMP 'a uygulanan besleme voltajına bağlıdır Örneğin, bir OP-AMP 'ın besleme voltajı ±12 Volt ve girişe 1 Volt yükseltilmek üzere bir giriş sinyali uygulansa, OP-AMP 'ın özelliğine göre çıkıştan bu kazançla orantılı olarak 200000 Volt alınmaz Çünkü, besleme voltajı ±12 Volt kullanılmışsa çıkıştan en fazla 12 Volt alınır Burada, açık çevrim kazancını etkileyen en önemli faktör besleme voltajının değeridir OP-AMP 'ın diğer özelliği 5MΩ 'a ulaşan giriş empedansıdır Giriş empedansının bu kadar büyük olması, bağlı olduğu sinyal kaynağını ve bir önceki devreyi yüklememesi, küçük bir giriş akımı ile kumanda edilmesi gibi üstünlükleri vardır OP-AMP 'ın çıkış empedansı idealde sıfır iken pratikte bu değer 100-150Ω arasındadır OP-AMP 'ın çıkış empedansının küçük olması, çıkış akımını arttırarak kısa devrelerden zarar görmemesini sağlar OP-AMP 'ın band genişliği 1MHz civarındadır OP-AMP 'a uygulanan sinyalin frekansı yükseldikçe kazanç düşer DC ve DC 'ye yakın sinyallerde OP-AMP 'ın kazancı yaklaşık 200000 'dir OP-AMP 'ın statik çalışmasında yani girişte sinyal yokken çıkışın 0 Volt olması gerekir Ancak, pratikte giriş uçları arasında, çok küçük de olsa bir offset gerilimi oluşur Bu küçük gerilim OP-AMP 'ın kazancı ile çarpılarak çıkışa aktarılır Bu nedenle, OP-AMP entegrelerinde offset sıfırlama uçları bulunur Şekil 219 - OP-AMP Offset Geriliminin Sıfırlanması Yüksek performans gereken yerlerde şekil 219 'da görüldüğü gibi harici bağlantılarda OP-AMP 'ın çıkış gerilimi boşta iken sıfır yapılır 741 entegresinin 1 ve 5 nolu uçlarına bir potansiyometre bağlanarak, orta ucu (-) voltaj kaynağına irtibatlandırılır 1- Offset sıfırlama 2- OP-AMP 'ın tesleyen giriş ucu 3- OP-AMP 'ın terslemeyen giriş ucu 4- (-) V, negatif besleme voltajı 5- Offset sıfırlama 6- OP-AMP çıkışı 7- (+) V, pozitif besleme voltajı 8- Boş uç Pin No Pin No 1- OP-AMP I 'in tersleyen giriş ucu 2- OP-AMP I 'in terslemeyen giriş ucu 3- OP-AMP I 'in offset sıfırlama ucu 4- (-) V, negatif besleme voltajı (İki OP-AMP için ortak) 5- OP-AMP II 'nin offset sıfırlama ucu 6- OP-AMP II 'nin terslemeyen giriş ucu 7- OP-AMP II 'nin tersleyen giriş ucu 8- OP-AMP II 'nin offset sıfırlama ucu 9- OP-AMP II 'nin+V besleme voltaj girişi 10- OP-AMP II 'nin çıkışı 11- Boş uç 12 OP-AMP I 'nin çıkışı 13- OP-AMP I 'nin +V besleme voltajı 14- OP-AMP I 'nin offset sıfırlama ucu Şekil 220 - IC 741 ve IC 747 Entegrelerinin İç Bağlantı Şemaları Şekil 220 'de görüldüğü gibi 741 entegresinde 1 OP-AMP bulunurken, 747 entegresinde 2 adet OP-AMP bulunur
Şekil 221 - OP-AMP 'ın Simetrik Kaynaktan Beslenmesi OP-AMP sembolünde +V ve -V uçları, besleme kaynağının bağlandığı uçlardır Bir OP-AMP 'a, ±5 V, ±12 V, ±15 V, ±18 V gibi besleme voltajı verilebilir OP-AMP 'ın AC sinyal yükseltmesinde tek güç kaynağı kullanmak yeterlidir Genellikle OP-AMP 'lar simetrik kaynaktan beslenir Şekil 221 'de bir OP-AMP 'ın simetrik kaynaktan beslenmesi görülmektedir, örneğin bir OP-AMP devresi olarak 741 entegresi kullanılacaksa, entegrenin 7 nolu ucuna pozitif besleme, 4 nolu ucuna ise negatif besleme uygulanır Şekil 221 'de görülen (+) giriş faz çevirmeyen giriş ucu, (-) giriş faz çeviren giriş ucunu gösterir OP-AMP 'ların Kullanıldığı Yerler Tersleyen Yükselteç (Faz Çeviren, Inverting Amplifier) Olarak Kullanılması Şekil 222 - Faz Çeviren Yükselteç OP-AMP 'ın özelliklerinden biri de (+) ve (-) giriş uçlarında potansiyel fark 0 Volttur Çünkü OP-AMP 'lann giriş empedansları çok yüksek olduğundan (+) ve {-) giriş uçlarından akan akım pratikte nanoamper seviyesindedir İdeal bir OP-AMP 'ta (+) ve (-) giriş uçlarından akım akmadığı kabul edilirse, (+) ve (-) giriş uçlarındaki voltaj farkı da sıfır olacaktır Bundan dolayı OP-AMP 'larda devreye giren akım, elemana girmez kabul edilir Şekil 222 'deki şekilde akım yönleri bu kurala göre çizilmiştir Şekil 222 'deki devrede giriş sinyali OP-AMP 'ın (-) ucu olan faz çeviren girişine uygulandığı için devrenin adı FAZ ÇEVİREN YÜKSELTEÇ 'tir Bu devrede R1 direnci giriş, Rf direnci ise geri besleme (feedback) direncidir Girişe AC veya DC sinyal uygulansa dahi bu yükselteç, girişine uygulanan sinyallerin seviyesine yükseltir, şiddetlendirir OP-AMP 'a harici dirençler bağlandığı için, bu yükselteç; açık çevrim kazancından bağımsız bir kapalı çevrim kazancına sahiptir Kapalı çevrim kazancı harici olarak bağlanan bu dirençlerin değerine bağlıdır OP-AMP 'ın özelliğinden dolayı x noktasındaki potansiyel 0 Volt 'tur (Vx = 0) Kirchhoff 'un akımlar kanununa göre bir düğüm noktasına gelen akımların toplamı, giden akıma eşit olduğu için Ii = If 'dir Dolayısıyla R1 'den akan akım Rf 'den de akacaktır Ii = (Vi - Vx) / R1 (Vx = 0 Volt olduğundan) Ii = Vi / R1 olur If = (Vx - Vo) / Rf (Vx = 0 Volt olduğundan) If = - (Vo / Rf) olur Ii ve If akımları birbirine eşit olduğundan; Ii = If (Vi / R1) = -(Vo / Rf) olur İçler dışlar çarpımı yaparsak; -VoR1 = ViRf elde edilir (Vo / Vi) = -(Rf / R1) Bu formülde çıkış voltajının, giriş voltajına oranı yükseltecin gerilim kazancını vereceği için; Av = -(Rf / R1) elde edilir Son olarak elde edilen formüldeki (-) işareti giriş ile çıkış arasında 180° faz farkı olduğunu gösterir Rf ve R1 dirençleri ile yükseltecin kazancı ayarlanabilir Bu bağlantıya göre kapalı çevrim kazancı, ayarlanabilir Bu bağlantıya göre kapalı çevrim kazancı, açık çevrim kazancından küçüktür Fakat, devrenin çalışması, kapalı çevrim kazancından daha kararlıdır Bu OP-AMP devresinin, geri beslemeli kazancı, geri beslemesiz kazancından daha küçük olduğu için kullanılan geri besleme NEGATİF GERİ BESLEME 'dir Pozitif geri besleme olsaydı, geri beslemeli kazanç, geri beslemesiz kazançtan daha büyük (200000 'den büyük) olurdu Av = -(Rf / R1) formülüne göre eğer Rf = R1 olarak seçilirse yükseltecin kazancı -l 'e eşit olur Bu gibi durumlarda, bu yükselteç girişine uygulanan sinyali yükseltmeden sadece polaritesini değiştirerek çıkışa aktarır Terslemeyen Yükselteç (Faz Çevirmeyen, Noninverting Amplifier) Olarak Kullanılması Şekil 223 - Faz Çevirmeyen Yükselteç ve Eşdeğer Devresi Şekil 223 'te görüldüğü gibi giriş sinyali, OP-AMP 'ın faz çevirmeyen (+) girişine uygulanmıştır Dolayısıyla çıkış sinyali ile giriş sinyali arasında faz farkı bulunmaz İdeal bir OP-AMP 'ın giriş empedansı sonsuz olduğundan faz çevirmeyen (+) ve faz çeviren (-) giriş uçları arasında akım sıfır olduğundan, (+) ve (-) giriş uçları arasındaki potansiyel farkı 0 Volt 'tur Şekil 223 'te görüldüğü gibi eşdeğer devrede Vi = 0 Volt yazılarak bahsedilen özellik kullanılmıştır Vi gerilimi, R1 üzerinden düşen gerilime eşittir Vi = [R1 / (R1 + Rf)]Vo Bu formülde Vo / (R1 + Rf) eşitliği R1 ve Rf dirençlerinden geçen akımı temsil eder Bu değer ile R1 'i çarparsak R1 üzerinde düşen gerilimi, dolayısıyla giriş gerilim değeri bulunur Vi = [R1 / (R1 + Rf)]Vo eşitliğinde her iki tarafı Vo 'ya bölersek; Vi / Vo = R1 / (R1 + Rf) olur Vo / Vi = (R1 + Rf) / R1 => Vo / Vi = 1 + (Rf / R1) Av = 1 + (Rf / R1) olarak bulunur Faz çevirmeyen yükselteç devresinde de kapalı çevrim kazancını direnç değerleri belirler Şekil 224 - Faz Çevirmeyen Yükselteçler Şekil 224 'te gösterilen şekiller de birer faz çevirmeyen yükselteçlerdir Bu şekillerin, şekil 123 'den farkı yoktur Faz çevirmeyen yükselteç ile faz çeviren yükselteç arasındaki farklar şunlardır: Faz çevirmeyen yükseltecin kazancı, faz çeviren yükselteçten 1 fazladır ve daima l 'den büyüktür Faz çevirmeyen yükseltecin giriş empedansı OP-AMP giriş empedansına eşit olup çok yüksektir Faz çeviren yükseltecin giriş empedansı ise R1 direnci kadardır Faz çevirmeyen yükselteçte giriş ve çıkış işaretleri aynı fazdadır Faz çeviren yükselteçte ise giriş ve çıkış işaretleri arasında 180° faz farkı vardır
Şekil 222 - Faz Çeviren Yükselteç OP-AMP 'ın özelliklerinden biri de (+) ve (-) giriş uçlarında potansiyel fark 0 Volttur Çünkü OP-AMP 'lann giriş empedansları çok yüksek olduğundan (+) ve {-) giriş uçlarından akan akım pratikte nanoamper seviyesindedir İdeal bir OP-AMP 'ta (+) ve (-) giriş uçlarından akım akmadığı kabul edilirse, (+) ve (-) giriş uçlarındaki voltaj farkı da sıfır olacaktır Bundan dolayı OP-AMP 'larda devreye giren akım, elemana girmez kabul edilir Şekil 222 'deki şekilde akım yönleri bu kurala göre çizilmiştir Şekil 222 'deki devrede giriş sinyali OP-AMP 'ın (-) ucu olan faz çeviren girişine uygulandığı için devrenin adı FAZ ÇEVİREN YÜKSELTEÇ 'tir Bu devrede R1 direnci giriş, Rf direnci ise geri besleme (feedback) direncidir Girişe AC veya DC sinyal uygulansa dahi bu yükselteç, girişine uygulanan sinyallerin seviyesine yükseltir, şiddetlendirir OP-AMP 'a harici dirençler bağlandığı için, bu yükselteç; açık çevrim kazancından bağımsız bir kapalı çevrim kazancına sahiptir Kapalı çevrim kazancı harici olarak bağlanan bu dirençlerin değerine bağlıdır OP-AMP 'ın özelliğinden dolayı x noktasındaki potansiyel 0 Volt 'tur (Vx = 0) Kirchhoff 'un akımlar kanununa göre bir düğüm noktasına gelen akımların toplamı, giden akıma eşit olduğu için Ii = If 'dir Dolayısıyla R1 'den akan akım Rf 'den de akacaktır Ii = (Vi - Vx) / R1 (Vx = 0 Volt olduğundan) Ii = Vi / R1 olur If = (Vx - Vo) / Rf (Vx = 0 Volt olduğundan) If = - (Vo / Rf) olur Ii ve If akımları birbirine eşit olduğundan; Ii = If (Vi / R1) = -(Vo / Rf) olur İçler dışlar çarpımı yaparsak; -VoR1 = ViRf elde edilir (Vo / Vi) = -(Rf / R1) Bu formülde çıkış voltajının, giriş voltajına oranı yükseltecin gerilim kazancını vereceği için; Av = -(Rf / R1) elde edilir Son olarak elde edilen formüldeki (-) işareti giriş ile çıkış arasında 180° faz farkı olduğunu gösterir Rf ve R1 dirençleri ile yükseltecin kazancı ayarlanabilir Bu bağlantıya göre kapalı çevrim kazancı, ayarlanabilir Bu bağlantıya göre kapalı çevrim kazancı, açık çevrim kazancından küçüktür Fakat, devrenin çalışması, kapalı çevrim kazancından daha kararlıdır Bu OP-AMP devresinin, geri beslemeli kazancı, geri beslemesiz kazancından daha küçük olduğu için kullanılan geri besleme NEGATİF GERİ BESLEME 'dir Pozitif geri besleme olsaydı, geri beslemeli kazanç, geri beslemesiz kazançtan daha büyük (200000 'den büyük) olurdu Av = -(Rf / R1) formülüne göre eğer Rf = R1 olarak seçilirse yükseltecin kazancı -l 'e eşit olur Bu gibi durumlarda, bu yükselteç girişine uygulanan sinyali yükseltmeden sadece polaritesini değiştirerek çıkışa aktarır Terslemeyen Yükselteç (Faz Çevirmeyen, Noninverting Amplifier) Olarak Kullanılması Şekil 223 - Faz Çevirmeyen Yükselteç ve Eşdeğer Devresi Şekil 223 'te görüldüğü gibi giriş sinyali, OP-AMP 'ın faz çevirmeyen (+) girişine uygulanmıştır Dolayısıyla çıkış sinyali ile giriş sinyali arasında faz farkı bulunmaz İdeal bir OP-AMP 'ın giriş empedansı sonsuz olduğundan faz çevirmeyen (+) ve faz çeviren (-) giriş uçları arasında akım sıfır olduğundan, (+) ve (-) giriş uçları arasındaki potansiyel farkı 0 Volt 'tur Şekil 223 'te görüldüğü gibi eşdeğer devrede Vi = 0 Volt yazılarak bahsedilen özellik kullanılmıştır Vi gerilimi, R1 üzerinden düşen gerilime eşittir Vi = [R1 / (R1 + Rf)]Vo Bu formülde Vo / (R1 + Rf) eşitliği R1 ve Rf dirençlerinden geçen akımı temsil eder Bu değer ile R1 'i çarparsak R1 üzerinde düşen gerilimi, dolayısıyla giriş gerilim değeri bulunur Vi = [R1 / (R1 + Rf)]Vo eşitliğinde her iki tarafı Vo 'ya bölersek; Vi / Vo = R1 / (R1 + Rf) olur Vo / Vi = (R1 + Rf) / R1 => Vo / Vi = 1 + (Rf / R1) Av = 1 + (Rf / R1) olarak bulunur Faz çevirmeyen yükselteç devresinde de kapalı çevrim kazancını direnç değerleri belirler Şekil 224 - Faz Çevirmeyen Yükselteçler Şekil 224 'te gösterilen şekiller de birer faz çevirmeyen yükselteçlerdir Bu şekillerin, şekil 123 'den farkı yoktur Faz çevirmeyen yükselteç ile faz çeviren yükselteç arasındaki farklar şunlardır: Faz çevirmeyen yükseltecin kazancı, faz çeviren yükselteçten 1 fazladır ve daima l 'den büyüktür Faz çevirmeyen yükseltecin giriş empedansı OP-AMP giriş empedansına eşit olup çok yüksektir Faz çeviren yükseltecin giriş empedansı ise R1 direnci kadardır Faz çevirmeyen yükselteçte giriş ve çıkış işaretleri aynı fazdadır Faz çeviren yükselteçte ise giriş ve çıkış işaretleri arasında 180° faz farkı vardır
Şekil 223 - Faz Çevirmeyen Yükselteç ve Eşdeğer Devresi Şekil 223 'te görüldüğü gibi giriş sinyali, OP-AMP 'ın faz çevirmeyen (+) girişine uygulanmıştır Dolayısıyla çıkış sinyali ile giriş sinyali arasında faz farkı bulunmaz İdeal bir OP-AMP 'ın giriş empedansı sonsuz olduğundan faz çevirmeyen (+) ve faz çeviren (-) giriş uçları arasında akım sıfır olduğundan, (+) ve (-) giriş uçları arasındaki potansiyel farkı 0 Volt 'tur Şekil 223 'te görüldüğü gibi eşdeğer devrede Vi = 0 Volt yazılarak bahsedilen özellik kullanılmıştır Vi gerilimi, R1 üzerinden düşen gerilime eşittir Vi = [R1 / (R1 + Rf)]Vo Bu formülde Vo / (R1 + Rf) eşitliği R1 ve Rf dirençlerinden geçen akımı temsil eder Bu değer ile R1 'i çarparsak R1 üzerinde düşen gerilimi, dolayısıyla giriş gerilim değeri bulunur Vi = [R1 / (R1 + Rf)]Vo eşitliğinde her iki tarafı Vo 'ya bölersek; Vi / Vo = R1 / (R1 + Rf) olur Vo / Vi = (R1 + Rf) / R1 => Vo / Vi = 1 + (Rf / R1) Av = 1 + (Rf / R1) olarak bulunur Faz çevirmeyen yükselteç devresinde de kapalı çevrim kazancını direnç değerleri belirler Şekil 224 - Faz Çevirmeyen Yükselteçler Şekil 224 'te gösterilen şekiller de birer faz çevirmeyen yükselteçlerdir Bu şekillerin, şekil 123 'den farkı yoktur Faz çevirmeyen yükselteç ile faz çeviren yükselteç arasındaki farklar şunlardır: Faz çevirmeyen yükseltecin kazancı, faz çeviren yükselteçten 1 fazladır ve daima l 'den büyüktür Faz çevirmeyen yükseltecin giriş empedansı OP-AMP giriş empedansına eşit olup çok yüksektir Faz çeviren yükseltecin giriş empedansı ise R1 direnci kadardır Faz çevirmeyen yükselteçte giriş ve çıkış işaretleri aynı fazdadır Faz çeviren yükselteçte ise giriş ve çıkış işaretleri arasında 180° faz farkı vardır