Deney 2: FARK YÜKSELTEÇ

Transkript

1 Deney : FARK YÜKSELTEÇ Fark Yükselteç (Differential Amplifier: Dif-Amp) Fark Yükselteçler, çıkışı iki giriş işaretinin cebirsel farkıyla orantılı olan amplifikatörlerdir. O halde bu tip bir amplifikatörün işlevi iki sinyalin farkını yükseltmektir. Birçok fiziki ölçümlemelerde asıl sinyal ile MHz seviyelerinde yüksek frekanslı sinyallerin birlikte kullanılması gerektiğinden dolayı bu tip yükselticilere ithiyaç duyulur. Ayrıca, bunlar fark sinyali girişli entegre işlemsel amplifikatörlerin (integrated operational amplifier) ana katını oluşturur. Şekil de girişinde v ve v çıkışında v 0 ile gösterilen sinyaller bulunan aktif doğrusal aygıt yer almaktadır. Buradaki voltajlar sıfır volt toprak referansına göre değerlendirilmiştir. İdeal bir fark yükselticide çıkış sinyali aşağıdaki şekilde ifade edilir: V 0 = A d (v v ) Burada A d fark yükselticinin kazancıdır. Burada görüldüğü gibi her iki girişe aynı sinyal geldiğinde bu durum çıkış voltajında hiç bir etki yaratmaz. Ancak, pratikte alınan sonuç yukarıdaki formül ile bulunan sonuca uymaz. Çünkü, çıkış voltajı yalnız giren iki sinyalin v d voltaj farklarına değil aynı zamanda ortak modlu sinyal olarak adlandırılan, v c ortalama değerine bağlıdır. Burada: V d = v v ve v c = (v + v ) Örneğin, eğer bir giriş sinyali 50 μv diğeri 50 μv ise, çıkış sanki v = 050 μv v = 950 μv imiş gibi alındığındaki sonucu vermez. Fakat her iki halde de v d = 00 μv doğrudur. Şekil.

2 Ortak Mod Bastırma Oranı Önceki paragraflardaki bilgileri biraz daha netleştirip entegre yükselticin yararlı bir gösterim şeklini vereceğiz. Şekil deki çıkış iki giriş voltajının doğrusal birleştirilmesi olarak ifade edilebilir. O halde: V 0 = A v A v Burada A (A ),. ve. girişten çıkışa () girişler topraklandığı andaki voltaj amplifikasyonlarıdır. v = v c + v d ve v = v c v d Eğer bunları bir önceki denklemde yerine koyarsak: V 0 = A d v d + A c v c elde ederiz. Burada: A d (A A ) A c A + A dir. Fark sinyalinin voltaj kazancı A d dir. Ortak moddaki sinyal için ise A c dir. v = v = 0,5 V yaparak ki bu durumda v d = V, v c = 0 olur, A d yi doğrudan ölçebiliriz. Bu şartlarda ölçülen çıkış voltajı ( v 0 ) fark sinyalinin kazancını verir. Benzer şekilde eğer v = v = V yaparsak v d = 0 V, v c = V ve v 0 = A c olacaktır. Çıkış voltajı ortak modun kazancını (A c ) doğrudan verir. Açıkça görüldüğü gibi A d nin büyük ve A c nin sıfır olması istenir. Burada ortak mod bastırma oranı (CMRR) olarak adlandıracağımız bir büyüklüğü tanımlayacağız ki, bu aynı zamanda fark amplifikatörlerinde yararlı bir ölçüt işlevi görür. Şöyle ki: CMRR Yukarıdaki denklemlerden faydalanarak çıkış voltajını şu şekilde yazabiliriz: Ad A C Vo AdV d V CMRR Vd c

3 Buradan, amplifikatör o şekilde tasarlanmalıdır ki, CMRR ortak mod sinyali ve fark sinyalinin her ikisi ile de karşılaştırılabilmelidir sonucunu çıkartabiliriz. Fark amplifikatörünün elektrik devresi Şekil de görülen devre emiter direnci R e nin büyük olması halinde mükemmel bir fark amplifikatörüdür. Bu durumun doğruluğu şu şekilde gösterilebilir: Eğer, V S = V S = V S ise, V d = V S V S = 0 ve v 0 = A c V S. Bununla beraber eğer R e = ise, şekil nin simetrisinden dolayı I e = I e =0. I b << I c olduğundan I c = I e dir. Bu da v 0 =0 anlamına gelir. O halde ortak modda kazanç A c = 0 dır ve simetrik devrede R e = olduğundan ortak modun bastırma oranı sonsuzdur. Şekil Genel Yapısı Fark amplifikatörlerinin özellikleri Bu tip amplifikatörler diğer tipler ile karşılaştırıldıklarında şu avantajları sağlarlar: o Devre simetrik olduğundan dengelenmiştir. o Çoğunlukla kullanılan türden amplifikatörlerin karakteristikleri sıcaklık artışından etkilenir. Bu durum fark amplifikatörlerinde daha azdır. Çünkü tamamen simetrik bir yapıda oldukları için sıcaklık farkının karakteristiklerinde meydana getirdiği değişimler telafi edilir, ya da dengelenir.

4 ÖN HAZIRLIK V CC V CC R R3 R8 R3 Q V OUT Q4 Q V OUT Q4 AC R4 AC R4 AC V EE V EE Şekil Şekil Orcad programında yukarıdaki devreleri kurup; her devre için giriş sinyallerini ve çıkış sinyallerini ayrı plot lar da göstertip inceleyiniz. V CC +V, V EE -V, dirençlerin hepsi kω, transistör BC547, AC sinüzoidal kaynağının frekansı khz, genliği ise 50mV seçilecektir. Üçüncü bir devre olarak da Q4 transistörüne giren AC sinyalinin genliğini 80mV yaparak giriş ve çıkış sinyallerini inceleyiniz. ÖZ HAZIRLIK BC547 elemanının datasheeti incelenip, içyapısı ve bacaklarının yerleşimi elle çizilecektir. Şekil deki devrenin, devre elemanlarının nasıl yerleştirileceği ve gerilimlerin-sinyallerin nerelerden verileceğini gösteren; breadboardun ve devre elemanlarının teknik kurallarına uyan taslak çizimi elle çizilecektir. DENEY YAPILIŞI ) Şekil deki devreyi kurun. Sonra V CC ve V EE beslemelerini ayarlayacağız; bunun için güç kaynağının çıkışlarını butonlar yardımıyla seri ayarına getireceğiz. Seri ayarından sonra gerilimi V a getiriyoruz. Daha sonra güç kaynağının ilk üçlü çıkışından, V EE -V gerilimini almak için - ucundan çıkış alıyoruz. V CC +V içinde ikinci üçlünün + ucundan çıkış alıyoruz. Son olarak ise devremizin bir toprağa ihtiyacı var. Butonlarla seri ayarı yaptığımız için artık güç kaynağının ilk üçlü çıkışının + çıkışı ile ikinci üçlünün - çıkışı toprak bağlantısı oldu. Bu ikisinden birini toprak olarak kullanabiliriz. ) İlk devrede Q4 transistörünün base i toprağa bağlı olacak. Yukarıdaki anlatılan toprak çıkışlarından biriyle bu bağlantıyı sağlıyoruz. 3) Sinyal Generatöründen frekansı KHz e ayarlayın. Genlik değerini ise a-b uçlarından osiloskop ile ölçerek bakacağımız çıkış dalga şekline göre ayarlayacağız. Çıkış dalga şeklinin, peak voltaj değerini 8V olacak şekilde sinyal generatörünün genlik değerini azaltınız. 4) Çıkış ve giriş sinyallerinin ayarlama işlemi tamamlandıktan sonra ayrı ayrı grafiklerini çiziniz. Her iki sinyal için Volt/div-Time/div değerlerini yazıp, ölçekli olarak grafik. ve. ye çiziniz.

5 5) İkinci devreye geçtiğimizde, bu sefer sinyal generatörünün.çıkışını da kullanacağız. İlk devrede kullandığımız sinyal çıkışının değerlerini değiştirmiyoruz. İkinci çıkışının da genlik ve frekans değerlerini bununla aynı yapıyoruz. 6) Bu ikinci sinyali, ilk devrede base i toprakta olan Q4 transistörün base ine veriyoruz. 7) Tekrar her iki giriş ve çıkış sinyalini Volt/div-Time/div değerleriyle birlikte grafik 3,4 ve 5 e çiziyoruz. 8) Son devrede ise.çıkışından verdiğimiz sinyalin genliğini değiştiriyoruz.. Sinyalin genliğini 80mV yapıyoruz. Sonra 7.adımdaki gibi grafik 6,7 ve 8 e çiziyoruz. NOT: Çizimlerde osiloskoptaki çıkan şeklin periyodu için çizilecektir. Grafik. Grafik. Grafik.3 Grafik.4 Grafik.5

6 Grafik.6 Grafik.7 Grafik.8.