TC SAKARYA ÜNİVERSİTESİ TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ELM ELEKTRONİK-II DERSİ LABORATUAR FÖYÜ DENEYİ YAPTIRAN: DENEYİN ADI: DENEY NO: DENEYİ YAPANIN ADI ve SOYADI: SINIFI: OKUL NO: DENEY GRUP NO: DENEY TARİHİ RAPOR TESLİM TARİHİ KONTROL DEĞERLENDİRME Ön Çalışma (%) Deney Sonuçları (%) Sözlü (%) Deney Performansı (%) Deney Raporu (%) TOPLAM Deney No: Program Çıktıları 19 1,, 3, 4, 5
DENEY 19: OP-AMP LARIN DİFERANSİYEL VE İNTEGRAL ALICI OLARAK KULLANIMI TANITIM ve AMAÇ: Op-Amp lara işlemsel yükselteç(operational Amplifier) denmesinin asıl sebebi, bu devre elemanlarının gerçekte matematiksel işlemler için kullanılmalarıdır. Örneğin toplama, çıkarma, diferansiyel ve integral alma gibi. Yüksek hızlı dijital bilgisayarların yaygınlaşmasından öne Op-Amplar analog bilgisayar uygulamalarında çok sık kullanılmışlardır. Bu uygulama bugün için görsel olarak kaybolmasına rağmen, burada kullanılan devreler bugün dahi çok fazla kullanım alanına sahiptir. Bu deney bir öneki Op-Amp tanıtım deneyinin geliştirilmesinden ibarettir. Temelde aynı devre kullanılmasının yanı sıra, devrede yapılan bir iki küçük değişiklik ile devrenin fonksiyonu bir öneki uygulamadan oldukça farklılaştırılmıştır. Öneki deney gibi, bu deneyde de yapılan ölçmeler kaydedileek ve osilaskopta görülen dalga şekilleri çizileektir. Bu işlemlerden sonra rapor tartışma ve sonuç bölümleri ile bitirileektir. DEVRELER: 1- Diferansiyel (Türev) Alıı devre: Şekil-1 de basit bir diferansiyel alıı devre şeması verilmiştir. Bu devre şekilden de görüldüğü gibi 1. deneyde yapılan eviren yükselteç devresi ile benzerlikler taşımaktadır. Arasındaki fark 1. deneyde kullanılan R 1 direni burada C 1 kondansatörü ile değiştirilmiştir. Devrenin çıkış gerilimini ifade eden formül aşağıda verilmiştir. dvi V o C 1 R dt (1) burada V i giriş gerilimidir. Bu sonuç teorik olarak ta gördüğümüz kondansatör üzerinden geçen ve dvi i C1 dt ile belirlenen akım değerinin bir sonuudur ve çıkış gerilimi, oransal olarak giriş sinyalindeki değişim oranına bağlıdır. R C1 IC1 IP 741 OP Şekil-1 İdeal Diferansiyel Alıı Devre Yaklaşık Diferansiyel Alıı: Pratikte Şekil-1 de verilen basit devre yetersiz kalmaktadır. Bunun nedeni çıkış geriliminin verilen denklemden de görülebileeği gibi, sabit bir giriş gerilimi için sıfır olmasıdır. Asıl problem giriş sinyalindeki ani değişimler ile ortaya çıkmaktadır. Formül 1 dende görülebileeği gibi, giriş sinyali çok küçük olsa dahi eğer giriş sinyalindeki hızlı değişim oranı çok büyük ise, çıkış gerilimi de büyük olaaktır. Tahmin edilebileeği gibi, pratikte sinyallerin büyük bir bölümü aynı zamanda istenmeyen gürültüler(noise) de içermektedir. Bu
gürültüler düzenli olabileeği gibi rastgelede değişebilmektedir. Buradan, eğer giriş sinyalindeki gürültü bileşeni çok hızlı bir şekilde değişirse Şekil-1 deki devre, çok büyük bir çıkış sinyali vereektir. Bunun anlamı devremiz girişteki gürültü bileşenini yükseltmektedir, bu ise istenmeyen bir durumdur. Bu problemi çözmek için Şekil- dende görüldüğü gibi R 1 direni C 1 kondansatörüne seri olarak bağlanmıştır. Bu, devrenin kazanını yüksek frekans değerlerinde -R /R 1 oranı ile kısıtlayaak ve böylee yüksek frekanslı gürültü bileşenleri yükseltme işlemine tabi tutulmayaaklardır. Bu devrenin dezavantajı ise, devrenin yalnıza eğer giriş sinyalindeki değişim yavaş ise yani frekans düşük ise diferansiyel alıı olarak çalışmasıdır. Bu yüzden bu devreye yaklaşık diferansiyel alıı devresi denmektedir. Buradan anlaşıldığı gibi devre iki çalışma bölgesine sahiptir, yani I. Bölgede devre diferansiyel alıı, II. Bölgede ise kazanı sabit bir yükselteç olarak çalışmaktadır. Bu iki bölgeyi ayıran ise kritik frekans f değeridir. f frekansından küçük frekans değerlerinde devre diferansiyel alıı olarak, f frekansından büyük frekans değerlerinde ise kazanı -R /R 1 değerinde sabit bir yükselteç devresi olarak çalışmaktadır. f kritik frekansının değeri, f 1 (Hz) () C R 1 1 formülünden bulunabilir. Burada C 1 Farad ve R 1 Ohm değerinde olaaktır. R C1 R1 1K IC1 IP 15n 1K R3 741 OP GND 1K GND - İntegral Alıı (Integrator): Şekil- Yaklaşık Diferansiyel Alıı Devre Tam İntegral Alıı: Şekil-3 te tam integral alıı devresinin şeması verilmiştir. Devre eviren yükselteç ile benzerlikler taşımaktadır, arasındaki fark, eviren yükselteç devresindeki R direni burada C kondansatörü ile değiştirilmiştir. Devrenin çıkış gerilimi 1 Vo vidt (3) C R 1 formülünden bulunabilir. C R1 IC1 IP 741 OP GND Şekil-3 İdeal(tam) İntegral Alıı Devre 3
İdeal diferansiyel alıı gibi bu devrenin de pratikte kullanımı çok zordur, çünkü çıkış zaman ile sürüleeği için, çıkış gerilimi Op-Amp doyuma gidineye kadar artaak, bundan sonrada devrenin aktif olarak çalışması duraaktır. Bu durumun daha iyi anlaşılması için örneğin V i giriş geriliminin sabit bir değerde olduğunu farz edelim. Bu durumda yukarıda verilen çıkış gerilimi formülünden çıkış gerilimi hesaplanır ise sonuun; 1 Vo vit (4) CR1 olduğu görüleektir. Burada integral sabitidir ve devrenin çıkış geriliminin t= olduğu andaki değerine eşittir. Bu formülden görüldüğü gibi çıkış gerilimi zaman ile artaaktır. Teorik olarak bu artış sonsuza dek devam edeek, pratikte ise bu artış devre doyuma ulaşınaya kadar yani çıkış gerilimi yaklaşık besleme kaynağının gerilimine ulaşınaya kadar devam edeek ve bundan sonrada bu değerde sabit kalaaktır. Bu durum giriş geriliminin çok küçük olduğu durumlarda dahi görüleektir, yalnıza bu durumda çıkış geriliminin doyum gerilimine ulaşması biraz daha uzun bir süre alaaktır. Hatta giriş gerilimi V i nin sıfır olduğu durumda dahi, Op-Amp içerisindeki transistörlerin karakteristik uyumsuzluklarından dolayı bir giriş offset voltajı oluşaağından, bu voltaj sanki Op-Amp ın girişinde küçük bir V i giriş sinyali varmış gibi davranaak ve devre doyum değerine ulaşınaya dek zamanla çıkış gerilimini arttıraaktır. Bu şartlar altında eğer pratikte bir tam integral alıı devresine ihtiyaç duyulursa, örneğin kontrol ve ölçü aletleri devreleri gibi, karakteristik özellikleri 741 Op- Amp ından daha iyi bir Op-Amp seçilmeli ve buna ilaveten devreye offset sıfırlama(offsetnull) devresi de ilave edilmelidir. Böylee devre tam integral alıı olarak çalıştırılabilir. Yaklaşık İntegral Alıı Devresi: Birçok uygulama için tam integral alıının zamanla sürülmesi problemi C kondansatörüne paralel bir R direni bağlamakla çözülebilmektedir. Bu durumda eğer giriş gerilimi sabit tutulsa devre, kazanı -R /R 1 olan bir yükselteç olarak çalışaaktır. Devrenin integratör olarak çalışması ise, eğer giriş gerilimi oldukça hızlı şekilde değişirse, yani frekans yüksek ise mümkün olaaktır. Bu yüzden bu devreye yaklaşık integral alıı denmektedir. Diferansiyel alıı devrede olduğu gibi, bu devre içinde iki çalışma bölgesini ayıran bir kritik frekans, f, değeri vardır. Bu değerden büyük frekans değerleri için devre integratör olarak çalışırken, küçük değerleri için kazanı R /R 1 olan bir yükselteç olarak çalışaaktır. f frekans değeri bu devre için 1 f (Hz) (5) C R formülünden bulunabilir. R C 1K R1 15n IC1 IP 1K R3 741 OP 1K GND Şekil-4 Yaklaşık İntegratör Devresi 4
3-Devrenin Montajı: Deney yapaak her grubun; 1 adet 741 Op-Amp entegresi 1 adet 15 nf kondansatörü adet 1 nf kondansatörü adet 1 K direni adet 1 K direni olaaktır. Sırası ile Şekil- ve Şekil-4 teki devreler Bread-board üzerine kurulaaktır. Devrenin montajı bittiğinde açık şema üzerinde gösterilmeyen 1 nf lık kondansatörler simetrik besleme kaynağının +V CC ve -V EE uçları ile şase (GND) arasına bağlanaaktır. Bu kondansatörlerin görevi güç kaynağından gelebileek parazitleri şaseye aktararak, devrenin performansını korumaktır. Bu kondansatörlere güç kaynağı dekuplaj kondansatörleri de denmektedir. Besleme kaynağı olarak 1V simetrik güç kaynağı kullanılaaktır. 741 entegresinin baak bağlantıları deney yapraklarının sonunda verileektir. 4-Test İşlemleri: Yaklaşık Diferansiyel alıı: 1- Osilaskobun I. Kanalını diferansiyel alıı devrenin girişine, II. Kanalını da çıkışına bağlayınız. Osilaskobun II. Kanalını terslemek için INV tuşuna basınız. - Yine sinyal jeneratörünü devre girişlerine bağlayarak, çıkışını 33 Hz üçgen dalga şekline ayarlayınız. 3- Sinyal jeneratörünün çıkış gerilimini osilaskop ile ölçerek 1 V p-p değerine ayarlayınız. Bu durumda devrenin çıkışında üst ve alt kısımları, giriş üçgen dalgasının yükselen ve düşen kenarları ile çakışan(eşzamanlı) bir kare dalga görmeniz gerekir. Bulduğunuz bu dalga şekli bir diferansiyel alıı devresinden beklediğiniz bir sonuç mudur? Eğer bu sizin için bir sürpriz oldu ise, üçgen dalganın öne pozitif sonra negatif olan ve eğimi sabit olan kenarlarını gözlemleyiniz, gözlem sonuunu raporda belirtiniz. 4- Teorik olarak diferansiyel alıı devresi çıkış geriliminin tepeden tepeye(peak to peak) değerini üçgen giriş dalgasının kenar eğimlerinden çıkarabiliriz. Sonuç V 4 fr C ) V ( 1 formülü ile bulunabilir. Burada f Hertz olarak frekansı, V i de giriş geriliminin tepeden tepeye olan değerini ifade eder. Şimdi bu formül yardımı ile bulduğunuz sonuu devreden ölçüm yoluyla elde ettiğiniz sonuçla karşılaştırınız. Pratik olarak ölçülen değer ile teorik olarak hesaplanan değer arasında önemli bir fark var mı? Varsa nedenleri ne olabilir? Ayrıa böyle bir fark size bu devre için normal midir? 5- Şimdi sinyal jeneratörünün frekansını 33 Hz in üzerine yavaş yavaş çıkarın ve çıkış gerilimindeki değişimi genlik ve dalga şekli olarak gözlemleyiniz. Çıkış dalga şeklini ölçekli olarak değişik frekanslar için milimetrik kâğıda çiziniz. Yine devrenin diferansiyel alıı olarak çalıştığı en yüksek frekansı çıkış dalga şeklini gözlemleyerek not ediniz. Şimdi bu değeri çizeeğiniz kazanç-frekans grafiği üzerinde işaretleyiniz. Bu frekans değeri daha öneden hesapladığınız kritik frekans değeri ile uyuşuyor mu? Frekanslar farklı ise sebebi ne olabilir? Kısaa tartışınız. i 5
Sinüs Dalga Testi: Bu bölümde diferansiyel alıı devrenin sinüs giriş sinyaline gösterdiği tepki ineleneektir. Deneyden de görüleeği üzere diferansiyel alıı devre sinüs giriş sinyaline daha öne yapılan eviren yükselteç devresinden çok farklı bir tepki göstereektir. Bu tepki sonuu kazanç sabit kalmayaak ve frekansla değişeektir. 1- Sinyal jeneratörünü diferansiyel devre girişine bağladıktan sonra frekansı 1 KHz e ayarlayınız. - Giriş sinyalinin genliğini sinyal jeneratöründen 1 V p-p olaak şekilde ayarlayınız. 3- Osilaskobun II. Kanalını devre çıkışına bağlayarak bu çıkışı osilaskop düğmelerini kullanarak tersleyiniz(tersleme işlemini o kanala ait fonksiyon düğmelerinden INV yazanı sağlayaaktır). 4- Bu durumda çıkış sinyali ile giriş sinyali yaklaşık aynı fazlı olmalıdır. 5- Şimdi çıkış gerilimini, V, osilaskop üzerinden ölçünüz ve devrenin kazanını V /Vi formülünden hesaplayınız. Bu değeri R / R1 değeri ile karşılaştırınız, bu iki değerin yaklaşık aynı olduğu görüleektir. 6- Şimdi giriş sinyalinin frekansını 4,6 KHz e genliğini de 1 V p-p değerine ayarlayınız. Bu durumda çıkış gerilimini ölçünüz ve V /V formülünden kazanı bulunuz. i 7- Bu son işlemi,khz, 1 KHz, 46 Hz, Hz ve 1 Hz için tekrarlayarak giriş ile çıkış arasındaki faz kaymasına dikkat ediniz. 8- Devrenin kazanç-frekans grafiğini çizmek için bu yedi frekans değerini x koordinat düzleminde aralarında eşit mesafe bırakarak işaretleyiniz. Bu işaretleme ile logaritmik frekans ölçeği elde edileek ve bu şekilde devrenin davranışı doğrusal (lineer) frekans ölçeğinden daha iyi bir şekilde görülebileektir. Her frekans değerine karşılık gelen kazanç değerlerini(öneki basamaklarda V /Vi formülünden bulduğunuz) y koordinatına işaretleyerek devrenin kazanç-frekans grafiğini tamamlayınız. 9- Şimdi bu grafik üzerinde daha öne formül- den hesapladığınız f frekansını işaretleyiniz. İntegral Devresi: Kare Dalga Testi: 1- Şekil-4 teki integral devresini kurunuz. - Sinyal jeneratörünü devre girişine bağlayarak 3,3 KHz, 1 V p-p değerinde kare dalgaya ayarlayınız. 6
3- Osilaskobun I. Kanalını devre girişine, II. Kanalını devre çıkışına bağlayınız, ve II. Kanalı tersleyiniz(inv tuşuna bas) 4- Devre çıkışında, yükselen ve düşen kenarları kare dalganın üst ve alt kısımları ile çakışan bir üçgen dalga görmeniz gerekmektedir. 5- Çıkışta gördüğünüz bu dalga şekli sizin bir integratör devresinden beklediğiniz bir sonuç mudur? Bu sonuu doğrulamak için 4 numaralı formülü, giriş kare dalga sinyalinin her ayrım periyodu için ayrı ayrı uygulayınız ve sonuçları raporda belirtiniz 6- İntegral devresi çıkış geriliminin tepeden tepeye değeri giriş sinyalinden bulunabilir. Vi Bunun için V formülünü kullanınız. Şimdi çıkış gerilimini devreden 4 fr1c ölçüm yolu ile bularak bu formülden bulduğunuz sonuç ile karşılaştırınız. 7- Giriş sinyalinin frekansını 3,3 KHz den aşağıya doğru kademeli olarak azaltınız, her kademede çıkış gerilimini gözlemleyerek değerlerini kaydediniz ve dalga şeklindeki değişikliklere dikkat çekiniz. Devrenin integratör olarak çalıştığı frekans değerini bularak not ediniz. Şimdi kaydettiğiniz kazanç ve frekans değerlerini kullanarak bir grafik çiziniz ve grafik üzerinde daha öne kaydettiğiniz ve devrenin iyi bir integratör olarak çalıştığı en düşük frekans değerini işaretleyiniz. Sinüs Dalga Testi: 1- Şimdi devre girişine tepeden tepeye genliği 1 V p-p ve frekansı 1 Hz olan bir sinüs dalgası uygulayınız(osilaskobun I. Kanalını bu sinyali ölçmek için kullanınız). - Aynı anda osilaskobun II. Kanalını da çıkışa bağlayarak her iki sinyalin yaklaşık aynı fazlı olduğunu görünüz. 3- Devrenin çıkış gerilimini ölçerek kaydediniz ve V /Vi formülünden devrenin kazanını hesaplayınız. Bulduğunuz bu değer ile R / R1 değerini karşılaştırınız, here iki değerin yaklaşık aynı olması gerekmektedir, eğer farklılık var ise devrenizi ve ölçümlerinizi kontrol ediniz. 4- Giriş sinyalinin frekansını Hz e yükseltiniz bu durumda giriş sinyalinin genliği 1 V p-p olmalıdır. Şimdi çıkış gerilimini ölçerek, devrenin kazanını, V /Vi formülünden hesaplayınız. 5- Bu son işlemleri 46 Hz, 1 Hz, Hz, 46 Hz ve 1 Hz için tekrarlayınız ve sonuçları kaydediniz. Frekans değeri yükseldikçe giriş sinyali ile çıkış sinyali arasında oluşan faz kaymasına dikkat çekiniz. 6- Diferansiyel alıı devrede olduğu gibi bu devrenin kazanç-frekans grafiğini çizmek için yukarıdaki yedi frekans değerini aralarında eşit mesafe olaak şekilde X koordinat düzlemine işaretleyiniz, böylee logaritmik frekans düzlemi elde etmiş ve lineer düzlemden daha fazla bir frekans aralığını aynı anda görme imkânını sağlamış oluyoruz. 7
Burada bulunan yedi frekans değeri için daha öneden hesapladığınız kazanç değerlerini Y düzlemine işaretleyerek devrenin kazanç-frekans grafiğini tamamlayınız. 7- Çizdiğiniz bu grafik üzerinde 5 numaralı formülden bulduğunuz kritik frekans değerini işaretleyiniz. Tartışma ve sonuç bölümlerinde bu frekans değerinden büyük ve küçük frekans değerleri için devrenin davranışını yazınız. Bu sonuçları teorik olarak olması gereken değerlerle karşılaştırınız ve eğer aralarında fark var ise sebepleri hakkında fikir yürüterek raporda yazınız. 8