T.C. ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK SİSTEMLER LABORATUVARI 1 OPAMP DEVRELERİ-1

Transkript

1 T.C. ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MEKATRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK SİSTEMLER LABORATUVARI 1 OPAMP DEVRELERİ-1 DENEY SORUMLUSU Arş. Gör. Memduh SUVEREN MART 2015 KAYSERİ

2 OPAMP DEVRELERİ 1. GİRİŞ Elektronik devrelerin temel yapı taşlarından olan op-amplar lineer ve lineer olmayan(nonlinear) devrelerde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Bir tümdevre, içerisinde çok sayıda transistör ve FET gibi aktif elemanlar ile çoğunlukla pasif elemanlar olarak resistörlerin bulunduğu çok katlı devrelerden meydana gelmektedir. Şekil 4.1 de bir opamp sembolik olarak gösterilmiştir. Şekil 4.1. Opamp ın sembolik Gösterimi. Burada birisi eviren(inverting) diğeri ise evirmeyen(non-inverting) olmak üzere iki girişli ve tek çıkışlı bir eleman olan opamp toprağa göre simetrik bir kaynaktan (+Vcc Vee ) beslenmiştir. Her bir giriş terminali ile toprak arasında ve giriş terminallerinin birbirleri arasında yüksek bir empedans görülmektedir. Bir opamp ın çıkışında elde edilen Vo ın polaritesi eviren ve evirmeyen girişler arasındaki voltaj farkına bağlıdır. Şekil 4.2 de opampın giriş ve çıkışları görülmektedir. Şekil 4.2. Opamp ın giriş ve çıkış voltajları Bir opamp hem AC hem DC işaretleri kuvvetlendirmede kullanılan bir elemandır. Opampın bu özelliği birçok uygulamada kullanılabilmesini mümkün kılmaktadır. Opampın girişindeki fark voltajı eşitlik (1) de görülmektedir. = (1) Opampın girişi ile çıkışı arasındaki ifadeyi tanımlayan bağıntı eşitlik (2) de görülmektedir. =. (2) 1

3 Bir opampın açık çevrim voltaj kazancının idealde sonsuz veya gerçekte çok büyük olması bu elemanların girişindeki her fark voltajına aynı oranda kuvvetlendireceği anlamına gelmemektedir. Yani kazancı =10^6 olan bir opampın girişindeki fark voltajı =+1mV ise =. = 1000 değerinde bir voltaj elde edilmez. Çünkü opamp çıkış voltajının alabileceği maksimum ve minimum voltajlar opampın satürasyon voltajlarını(, + ) geçemeyecektir. Gerçek opamplarda bu satürasyon voltajları Şekil 4.1 de görülen besleme voltajlarının değerlerinden birkaç Volt düşüğü olarak belirlenir. Bu sebeplerden dolayı yüksek çevrim kazancına sahip opamp elemanlarının açık çevrim olarak kullanılması kontrolsüzlüğe yol açabilmektedir. Tepe detektörü, Darbe genişliği modülatörü(pwm) gibi bazı özel uygulamalar dışında devrelerde kullanılan opampların kazancı kapalı çevrim kazancı ile sınırlandırılmaktadır ( ). * 2. DENEYİN AMACI Bu deneyde, elektronik uygulamalarında kullanılan lineer tümdevre elemanlarından opampın temel uygulama devreleri incelenecektir. Deneyde eviren ve evirmeyen kuvvetlendiriciler toplayıcılar ve fark alıcılar gibi temel devreler kurularak sisteme ait denklemler yazılacak daha sonra kurulan devre üzerinde voltaj ve akım ölçümleri gerçekleştirilerek yapılan analizlerin doğruluğu fiziksel olarak gösterilmiş olacaktır. 3. ÖN BİLGİ 3.1. Eviren ve Evirmeyen Kuvvetlendirici Devreleri Opampların açık çevrim kazançlarının çok yüksek olması, kullanıcılar tarafından kontrol edilmesini zorlaştıracak, opamp daha çabuk satürasyona gidecektir. Bunun için çoğu uygulamada opamp kazancını sınırlamak yani kapalı çevrimde opamp ı kontrol etmek gerekecektir. Şekil 4.3 ve Şekil 4.4 de opamp ın kapalı çevrimde kullanıldığı eviren kuvvetlendirici ve evirmeyen kuvvetlendirici devreleri görülmektedir. Şekil 4.3 Eviren Kuvvetlendirici devresi Eviren kuvvetlendiricide giriş işareti (Kuvvetlendirilecek voltaj), opamp ın inverting (-) terminaline bağlanır. Opamp ın pozitif terminali ise topraklanmıştır. Opamp ın giriş ve çıkış terminalleri arasına bağlanan Rf direnci, geri besleme direnci olarak anılır. Vin giriş işareti ile V0 çıkış işareti arasındaki bağıntı R1 ve RF dirençleri ile ifade edilir. Devrenin analizine geçilirse; 2

4 Opamp ihmal edilebilecek kadar küçük akım çektiği için ve giriş terminalleri arasındaki voltaj farkı 0 V olduğundan aşağıdaki denklemler yazılabilir. =, bu yüzden; =, olur. Sanal topraktan dolayı =0 olacaktır. Bu durumda eşitlik; = = = ç olacaktır. Opampların temel uygulamalarından bir diğeri ise evirmeyen yükselteç devresidir. Bu devrede yükseltilecek işaret opamp ın evirmeyen girişine uygulanmaktadır. Evirmeyen yükselteç devresinde giriş işareti ile çıkış işareti aynı fazdadır. Yani giriş ile çıkış işareti arasında faz farkı yoktur. Temel bir evirmeyen yükselteç devresi Şekil 8.y de verilmiştir. Şekil 4.4 Evirmeyen Kuvvetlendirici devresi Opamp ın eviren ve evirmeyen girişleri arasındaki potansiyel farkı 0V dur. Dolayısıyla R1 direnci üzerinde V1 gerilimini aynen görürüz. Devrede kirchoff yasalarından yararlanarak çıkış geriliminin alacağı değeri yazılacak olursa; =, bu yüzden; = ( + ) = ( ) ç = = Opamplı toplayıcı devreleri Opamplı toplayıcı devreleri eviren ve evirmeyen toplayıcı devreleri olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Şekil 4.5 te girişine uygulanan işaretleri evirerek toplayan bir devre görülmektedir. Böyle bir devrede girişteki işaretler hem AC hem DC veya karışık olabilmektedir. Opampın girişlerine herhangi bir akım akmayacağı düşünülürse girişteki her bir kaynağın meydana getireceği akımların toplamı geri besleme direnci üzerinden 3

5 akacaktır. gösterilmektedir. geri besleme direnci üzerinden akacak toplam akım denklem 3 te Şekil 4.5. Eviren (inverting) toplayıcı devresi * Elektronik Devre Tasarımında OP-AMP ve Lineer Tümdevreler, Prof. Dr. Mustafa ALÇI, Prof. Dr. Sadık KARA, Ufuk Kitabevi, 2008 = = (3) Opampın giriş terminalleri arasında her hangi bir potansiyel fark oluşmayacağı için eviren uca bağlı olan direncinin bu ucu doğrudan toprağa bağlanmış gibi düşünülebilir (sanal toprak). Bu durumda devre çıkışında görülecek voltajı denklem (3) te bulunan akım değeri ile geri besleme direnci değerinin çarpımının negatifi olacaktır. =. = (4) Devrede kullanılan giriş dirençleri özdeş seçilerek gerekli sadeleştirmeler yapıldıktan sonra eviren toplayıcı devresi için girişler ile çıkış arasındaki ilişkiyi tanımlayan ifade denklem (5) teki şekilde oluşacaktır. = ( ) (5) Diğer bir toplayıcı devresi olan evirmeyen toplayıcıya ait temel devre Şekil 4.6 da görülmektedir. 4

6 Şekil 4.6. Evirmeyen (non-inverting) toplayıcı devresi Bu şekle dikkat edilirse evirmeyen V+ voltajı bilinirse devre aslında basit bir evirmeyen kuvvetlendirici devresidir. Buna göre R1=R2=R3 ise çıkış voltajı denklem (6) da ki şekilde yazılabilir. = = ( ) (6) 3.3. Opamplı Fark Alıcı Devre Şekil 4.7'de, analog işaretlere ait çıkarma işleminin opamp elemanı tarafından gerçekleştirildiği devre düzeneği görülmektedir. Devreye süper pozisyon teoremi uygulandığında; den dolayı çıkış (V 01 ), den dolayı çıkış (V 02 ); =. (7) = = (8) Süper pozisyon uygulandığında çıkışı; 5

7 = + = (9) Eğer, devrede kullanılan direnç elemanları = = = seçilirse; = (10) 3.4. Opamplı Voltaj takipçi devresi Şekil 4.7. Opamplı fark alıcı devre Voltaj takipçi devresi Şekil 4.8 de kurulan devrede görülmektedir. Bu devrede giriş sinyali opamp ın evirmeyen bacağından verilmektedir. Geri besleme direnci olmadığından (0 olmasından dolayı) opamp ın kazancı 1 dir. Bu durumda Vo=Vin olacaktır. Peki o halde giriş çıkışa eşitse amaç nedir sorusu akla gelecektir. Bu sorunun cevabı aslında opamp ın iç yapısında gizlidir. Opamp bilindiği gibi yüksek giriş direncine, düşük çıkış direncine sahiptir. Bu yüzden diğer adı buffer olan bu voltaj takipçi devresi, empedans uygunlaştırma işleminde yüksek empedanslı bir devre ile düşük empedanslı bir devre arasında kullanılarak devrelerin uygunlaştırmasını sağlar. Şekil 4.8. Voltaj Takipçi devresi 6

8 4. DENEYİN YAPILIŞI 4.1. Şekil Şekil 4.9 da görülen devreyi deney bordu üzerine kurunuz. 2. Potansiyometre nin orta bacak geriliminin değişimine bağlı olarak opamp çıkış geriliminin nasıl değiştiğini yorumlayınız. 3. Opamp girişlerini (2 ve 3) değiştirerek 2. Adımı tekrarlayınız. 4. Bu deney hangi amaçla hazırlanmış olabilir yorumlayınız. 4.2 Şekil Şekil 4.10 da görülen devreyi deney bordu üzerine kurunuz. 2. Devrenin analizini yapıp kazancını hesaplayınız. 3. Giriş işareti ile opamp çıkış işaretini osiloskopta üst üste çizdiriniz. 4. R2 direnç değerini 10k olarak değiştirip 1,2 ve 3 nolu adımları tekrarlayınız. 5. Sin işaret giriş yerine toprak, 3 nolu bacaktaki toprak yerine sin işaret bağlayıp 1,2,3 ve 4 nolu adımları tekrarlayın. 7

9 4.3 Şekil Şekil 4.11 da görülen devreyi deney bordu üzerine kurunuz. 2. Devrenin analizini yapıp çıkış gerilimini hesaplayınız. 3. R1 girişini toprağa bağlayıp sadece 12 V giriş için çıkış voltajını ölçünüz. 4. R2 girişini toprağa bağlayıp sadece 5 V giriş için çıkış voltajını ölçünüz ve 4. Adımda bulduğunuz gerilim farkını her iki kaynak bağlı iken ölçünüz V DC kaynağı Sin AC kaynak ile değiştirip, farklılıkları yorumlayınız. 8