DENEY NO: 9 ĐŞLEMSEL YÜKSELTEÇLE (OP-MP) E UYGULMLI GĐĐŞ: Lneer entere devre sınıında lan şlemsel yükselteçler kısaca Op- mp dye adlandırılırlar. Güç saryatlarının az, kararlılıklarının yüksek lması nedenyle ldukça karmaşık devrelerde ve çk sayıda kullanılırlar. Günümüzde; prses kntrl, haberleşme, blsayar, östere, test ve ölçü sstemler b alanlarda slatör, reülatör, lartmk yükselteç, tepe dedektörü, erlm karşılaştırıcısı, akt ltre, zamanlama devreler, tetkleme devreler b alanlarda kullanılmaktadır. Đşlemsel Yükseltecn Genel Özellkler: Đşlemsel yükselteç, kararlı br erlm kazancı sağlamak çn erlm beslemes kullanan çk yüksek kazançlı br ark yükseltecdr. Kullanılan yükselteç, aslında yüksek rş empedansı ve düşük çıkış empedansı le yüksek açık çevrm kazancına sahp br ark yükseltecdr. Đşlemsel yükseltecn tpk uyulamaları arasında tplama, çıkarma, nteral ve türev alma ve enstrümasyn (ölçüm yükseltec) devreler sayılablr Đşlemsel yükseltecn k rş, br çıkış, k besleme lmak üzere tplam beş ucu bulunmaktadır. Đşlemsel yükselteç Şekl 7. dek b metal veya plastk kılılar çnde bulunablrler. LM 74 Metal Kılı Plastk Kılı Şekl 7.. Br şlemsel yükseltecn semblü Şekl 7.2 dek b österlmştr. Grşler, evren ve evrmeyen rşler östermek çn sırasıyla ( - ) ve () le şaretlenmştr. rtı rşne uyulanan snyal, çıkışta aynı plartede ve yükseltlmş larak örünürken, eks ucuna uyulanan snyal çıkışta yükseltlmş ancak terslenmş larak örülecektr.
Evren rş - çıkış Evrmeyen rş Şekl 7.2 Đşlemsel yükseltecn temel devre bağlantısı Şekl 7.3 dek bdr. 0 0 - Şekl 7.3 Şekl 7.4 drenc üzernden eks ucuna br rş snyal uyulanır. Çıkış erlm drenc üzernden aynı rş ucuna beslenr. rtı rş ucu tprağa bağlıdır. Devrenn tplam kazancı / y bulmak stersek Op-mp ın eşdeğer devresne bakmak erekr. Şekl 7.3 dek şlemsel yükselteç yerne rş drençl çıkış erlm kaynaklı ve kaynak ç drencn çeren eşdeğer devre knulmuştur. Şekl 7.4 de keskl çzler çnde kalan böle Op-mp ın eşdeğer devresdr. Şekl 7.5 de se Şekl 7.3 dek şlemsel yükseltecn deal lması durumundak eşdeğer devres verlmştr. Bu durumda şlemsel yükselteç; snsuz rş drencne ( ), sıır çıkış drencne ( 0) ve snsuz erlm kazancına ( ) sahptr. Đdeal şlemsel yükselteç eşdeğer devresnn sadeleştrlmş hal Şekl 7.6 da verlmştr. 0 0 0 - - 0 - Şekl 7.5 Şekl 7.6 2
3 Süperpzsyn teremn kullanarak erlmn, kaynaklardan elecek lan bleşenler cnsnden bulablrz. Sadece kaynağı devrede ken; Sadece - kaynağı devrede ken; ) ( 2 Tplam erlm; ) ( 2 ) ( >> lduğundan ın yanındak ve >> lduğundan yanındak hmal edleblr. çn çözersek; çık çevrm kazancı: Op-mp a herhan br er besleme uyulanmağı zaman çıkış erlmnn rş erlmne ranı açık çevrm kazancı larak smlendrlr. erlm kazancı çk büyük değere sahptr. 74 n açık çevrm kazancı 200.000 kadardır. Bu kazanç DC den 5 Hz e kadar lan şaretler çn eçerldr. Daha yüksek rekanslarda kazanç 20 db/dekad lık br eğm le zayılar. Đdeal br Op-mp ın özellkler; Grş drenc, çıkış drenc 0, açık devre erlm kazancı Đk rş arasındak erlmler eşt se çıkış sıır lur. ve rşlerden çerye dğru akım akmaz ve bu özellkler sıcaklıkla değşmemeldr.
Đşlemsel Yükseltecn Đç Yapısı: Đşlemsel yükseltecn ç yapısı; deransyel yükselteç katı, kazanç katı, tampn (buer) ve sevye kaydırıcı katlar ve çıkış veya üç katı lmak üzere dört ayrı blk şeklnde nceleneblr. 2 Fark Yükseltec () Kazanç Katları (2) Buer ve Sevye Kaydırıcı (3) Çıkış Katı (4) Şekl 7.7. Fark Yükseltec: Đşlemsel yükseltecn lk katı lan ark yükseltec 0 Hz den brkaç MHz e kadar lan şaretlern arkını kuvvetlendren br yükselteçtr. Fark yükseltecnn ve 2 rş uçlarına ve 2 erlmler uyulanmış lsun. Fark yükseltecn kazancı d (d. kazanç) ve rtak md şaret c le österlrse c 2 ( 2) d ( -2) d d Böylece ve 2 değerler; d (d.) ve c (cmmn) cnsnden ade edlmş lur. c 2 d 2 c - 2 d Fark Yükseltec 2 2 2 2 Şekl 7.8. ve 2 nn ayrı ayrı uyulanması halnde (ark yükseltec kazançları ve 2 se) çıkış şaret aşağıdak b lur. 2 22 Daha önce bulunan ve 2 değerler yerne knursa; dd cc 4
Burada; d 2 ( - 2) c ( - 2) Fark mdu erlm kazancı Ortak md erlm kazancı Đdeal br yükselteçte d çk büyük ve c nn sıır lması erekr. Deransyel yükseltecn kaltesn ade etmek çn bu k kazanç arasındak rana bakılır. Ortak md bastırma ranı (Cmmn Mde ejectn at) dye smlendrlen bu ranın ades aşağıdak bdr; CM d c Kaltel br ark yükseltecnn özellklern şöyle sıralayablrz; CM ldukça yüksektr. Kuvvetlendrlecek şaretler drekt larak rşlere bağlanablr. Çıkış erlmndek kayma ldukça küçüktür. Grş kutuplama akımları ldukça küçüktür. 2. Kazanç Katları: kım Kaynakları ve kt Yükler Đşlemsel yükseltecn kazancının mümkün lduğu kadar büyük lması stenr. Bunu sağlamak çn de şlemsel yükseltecn lk katı ark yükseltecnn yapısında bulunan kllektör drencnn yüksek tutulması erekr. Entere devre teknğnde büyük değerl drenç azla yer kapladığından pas drencn kullanılması uyun değldr. Bunun yerne akt yük drenc lan sabt akım kaynağı kullanılır. kt yükler kazanç katlarında kullanıldığı b ark yükseltecnn kllektör yük drenc larak da kullanılır. 3. Tampn (Buer) ve Sevye Kaydırıcılar: Đşlemsel yükselteçte kapaste elemanı kullanılmadığından katlar drekt larak brbrne bağlanır. Bundan dlayı katlar lerledkçe, çalışma nktası aşağı veya yukarı kayar. Çalışma nktasındak bu kayma besleme erlmne kadar devam eder. Bundan snrak katlar çn çalışma nktası elde edlemez. Bunun dışında şlemsel yükseltecn rşnde şaret yk ken çıkışın sıır lması çnde sevye ayarlanması erekldr. Sevye kaydırıcı larak rş drenc büyük, çıkış drenc küçük lan emetör takpçs devre kullanılır. Bu devre tampn (buer) larak blnr. 4. Çıkış Katları: Đşlemsel yükseltecn çıkış drenc çk küçük lması erekr k klaylıkla ve yeter kadar br yük akımı sağlanablsn. Çıkış drencnn küçük lması çıkış katlarının temel br özellğdr. 5
Đşlemsel Yükselteçlernn Karakterstkler: D ve aa veya her ksn brlkte kuvvetlendrmek ayes le en çk kullanılan yükselteç şlemsel yükselteçtr. Özellkle D şaretlern kuvvetlendrlmesnde şlemsel yükselteç hatalı snuç vereblr. Đşlemsel yükseltecn çıkış şaret; rş şaret le kapalı çevrm kazancının çarpımına eşttr. Đşlemsel yükseltecn ç devrelerndek deneszlkten dlayı çıkış şaret arklı lablr. Bu ark azla değl se yapılan hata hmal edleblr aks halde se bu hatayı küçültmeye çalışmalıyız. D şaretlern kuvvetlendrlmesnde hata luşturan şlemsel yükselteç karakterstkler şunlardır; Grş önerlmleme akımı (nput bas current) Grş set akımı (nput set current) Grş set erlm (nput set vltae) Kayma (drt) Đşlemsel yükselteç aa şaretlern üçlendrlmesnde kullanıldığında, kapast bağlantıdan dlayı yukarıdak hata kaynakları yk lacaktır. aa yükselteç çn se aşağıdak hata kaynakları öneml lacaktır. Frekans cevabı (requency respnse) Değşm hızı (slew rate) a. Grş önerlmleme akımı, IB (nput bas current) Đşlemsel yükselteçlern kutuplamaları yan baz akımları ve kllektör emetör erlmler denel br şeklde yapılmalıdır. Bu durumda şlemsel yükseltecn rşlernden çk küçük değerl br kutuplama akımı akar. Şekl 7.9 da österldğ b rşten IB ve rşten IB - kutuplama akımı akar ve bu k akım brbrlerne eşt lmayablr. Bu k akımının mutlak değerlernn tplamlarının yarısına rş önerlmleme akımı denr. I B I B I B 2 I B - I B Şekl 7.9 6
b. Grş set akımı, IOS (nput set current) Đşlemsel yükseltecn çıkış erlm 0 lduğunda (veya yapıldığında) IB ve IB - akımlarının mutlak değerlernn arkına rş set akımı denr. I s I B I B c. Grş set erlm, ĐO (nput set vltae) Đdeal pamp da rş uçları tpraklandığında çıkış erlm sııra eşt lur. Pratkte se pamp ın çndek deneszlkten dlayı çıkış erlm sıırdan arklı br değerde lmaktadır. Çıkıştak bu hata erlm mkrvlt mertebesnden başlayıp ml vlt mertebesne kadar çıkablr. Çıkış erlmn sıır yapablmek çn k rş arasına uyulanması ereken erlme rş set erlm denr. Her pamp çn bu değer arklı lup 74 çn 2 m le 6 m arasındadır. d.kayma (drt) Çıkıştak hata erlm, deneszlk drencnn sıırlanması le mnmum yapılmaktadır. Bu ayarlama belrl br sıcaklık ve br an çn eçerldr. Oset akım ve erlm sıcaklıkla değştğ b devre elemanlarının zamanla değşmesnden de etklenmektedr. Bunlara laveten kaynak erlm de, bas ve set akımlarına etk eder. eülel br erlm kaynağı le bu hata yk edleblr. Sıcaklıktan etklenmemek çn se ya devrenn bulunduğu rtamdak sıcaklığın sabt tutulması, yada sıcaklıktan az etklenen Op-mp seçmek erekr. Grş set akım ve erlmnn sıcaklıkla değşmesne kayma (drt) denr. Oset akımındak kayma n/ C ve set vltajındak kayma se µ/ C mertebesndedr. e.frekans cevabı (requency respnse) Op-mp aa şaretlern kuvvetlendrlmesnde kullanıldığında aa şaretn enlğ öneml lmaktadır. Tepe değer tan küçük lan küçük şaret, büyük lan büyük şaret adını alır. Küçük şaretlerde öneml lan Op-mp ın karakterstğ, ürültü ve rekans cevabıdır. Büyük şaretlerde se değşm hızı öneml lup bzulma meydana elp elmeyeceğn österr. Brçk enel amaçlı ve özel amaçlı Op-Omp yüksek rekanslarda bzulmaya rmemeler çn kmpanze edlmşlerdr. Kmpanzasyn, Op-mp ın çne uyun br yere yerleştrlen 30 pf cvarında br kapaste le sağlanır. Op-mp ın çndek dğer kaçak kapasteler yanında kmpanzasyn kapastes daha büyüktür.. Değşm hızı (slew rate) Değşm hızı Op-mp ın çıkışının ne derece hızlı değşebldğn ade eder. Genel amaçlı 74 n değşm hızı 0.5 /µs dr. Yan çıkış erlm µs de 0.5 değşeblr. Değşm hızı Op-mp ın kazancına, kmpanzasyn kapastesne ve çıkış erlmnn pzte veya neate dşne bağlıdır. Değşm hızı en küçük değere brm kazançta ulaşır. Bundan dlayı değşm hızı brm kazançta verlr. 7
Đşlemsel Yükselteç Uyulamaları:. Evren Yükselteç: Op-mp ın en öneml uyulama alanı yükselteç yapımıdır. Yükselteç rşne uyulanan elektrksel şaret bzmadan kuvvetlendrerek çıkışına ulaştıran br sstemdr. Çıkış le neat uç arasında er besleme varsa bu neat er besleme adını alır. Böyle br yükselteç açık çevrm kazancından () bağımsız br kapalı çevrm kazancına (cl) sahptr. Bu kapalı çevrm kazancı devre elemanlarına bağlıdır. çık çevrm kazancının büyük lması bu bağımsızlığı daha da arttırır. Şekl 7.0 da evren br yükselteç österlmştr. rş şaret le arasındak bağıntı Şekl 7. dek eşdeğer devrede österldğ b ve drençler le ade edlr. Şekl 7.0 Şekl 7. Grşe uyulanan kaynağı aa veya D lablr. Her ksde aynı şeklde kuvvetlendrlr. (-) ve () uçlar arasındak erlm arkının sıır lması nedenyle (-) uç da tprak ptansyelndedr. Eğer rşe pzt erlm uyulanmış se drencnden akan akım I / lur. Kaynak drencnn n çnde lduğu kabul edlecektr. Op-mp ın uçlarından çerye dğru akım akmadığından (rş drenc çk büyük lduğundan) I akımının tümü er besleme drencnden akar. dek erlm düşümü; I dur n br ucu tprak ptansyelnde lduğundan uçlarındak erlm düşümü lur. Çıkış se dr. Buradan kapalı çevrm kazancı yazılırsa cl elde edlr. 8
(-) şaret le n ters azlı lduğunu österr. Bundan dlayı bu yükselteç evren yükselteç adını alır. 2. Evrmeyen Yükselteç: Şekl 7.2 de evrmeyen yükselteç örülmektedr. Bu devrelerde rş erlm le çıkış erlm aynı azdadır. Şekl 7.2 3. Gerlm Đzleyc: Şekl 7.3 de br erlm zleyc örülmektedr. Bu devrenn kazancı bre eşttr. aa uyulamalarda kullanıldığı zaman özellkle empedans uyumu çn yan yüksek ç drençl br kaynağı (devrey), küçük empedanslı (kapast de lablr) br yüke bağlamak çn kullanılır. Şekl 7.3 4. Đnteral lıcı: Şekl 7.4 de nteral alma devres örülmektedr. ( t) ( t) dt C Şekl4 Şekl 7.4. 9
5. Türev lıcı: Şekl 7.5 de türev alıcı br devre örülmektedr. d( t) ( t) C dt Şekl 7.5 Smetrk Besleme: Op-mp ı bazı uyulamalarında smetrk beslemek erekeblr. Smetrk beslemey söz le ade edersek; k kaynağı ser larak bağlayalım. Bağladıktan snra luşan (-) uç cc, () uç cc ve rtak uçlarda GND y temsl eder. Şematk larak österm aşağıdadır. - - -cc tprak cc ÖN HZILIK:. LM 324 enteresnn katal bllern araştırınız ve bağlantı şekln çznz. 2. Evrmeyen yükselteç devresnn transer nksynunu y bulunuz. 3. Türev ve nteral alma devresnn çıkış nksynu yu çıkartınız. 4. Smetrk besleme nasıl yapılır? Op-mp beslemesnde neden smetrk beslemeye htyaç duyulur? 5. CM ne demektr? çıklayınız. Br şlemsel yükselteçte CM nn yüksek lması ne anlama elr? 6. Br kare dala üretec devresnde Op-mp kullanılmaktadır. Bu devre le elde edlen kare dalanın 0 dan e ve den 0 a eçşlernn yavaş lduğu örülmektedr. Buna sebep lan Op-mp parametres hansdr? 7. Đşlemsel yükseltec luşturan blkları çznz ve her br blğu kısaca açıklayınız. 0
DENEYĐN YPILIŞI:. Şekl 7.0 dak devrede 00k, k seçnz ve rş şaretn khz ve 20 mp lacak şeklde ayarlayınız. Grş çıkış şaretn aynı anda özleynz ve çznz. Kazancı hesaplayınız. Grş şaretn çıkışta bzulma örünceye kadar arttınız ve bu değer nt ednz. Bu bzulmanın han değerde lduğunu öz önünde bulundurarak sebebn araştırınız. 2. Şekl 7.2 dek devrede 00k, k seçnz ve rş şaretn khz ve 20mp lacak şeklde ayarlayınız. Grş çıkış şaretn aynı anda özleynz ve çznz. Kazancı hesaplayınız. Grş şaretn çıkışta bzulma örünceye kadar arttınız ve bu değer nt ednz. Bu bzulmanın han değerde lduğunu öz önünde bulundurarak sebebn araştırınız.. aşamada bulduğunuz değerle karşılaştırıp aradak arkın neden kaynaklandığını düşününüz. 3. Şekl 7.3 dek devrede rş şaretn khz ve 20 mp lacak şeklde ayarlayınız. Grş çıkış şaretn aynı anda özleynz ve çznz. Kazancı hesaplayınız. Grş şaretn çıkışta bzulma örünceye kadar arttınız ve bu değer nt ednz. 4. Şekl 7.4 dek devrede 0kΩ luk pt, C 00 nf seçnz ve rş şaretn khz ve 50 mp lacak şeklde ayarlayınız. Grş çıkış şaretn aynı anda özleynz ve çznz. drencnn değern ölçünüz. Kazancı hesaplayınız. 5. Şekl 7.5 dek devrede 0 kω lık pt, C 00 nf seçnz ve rş şaretn khz ve 50 mp lacak şeklde ayarlayınız. Grş çıkış şaretn aynı anda özleynz ve çznz. drencnn değern ölçünüz. Kazancı hesaplayınız. 6. Op-amp ı 0 luk smetrk besleme le besleynz. Terslemeyen rş tprağa bağlayınız. Dğer rşe 5mp ve khz lık snüs şaret uyulayınız. Op-mp çıkışını ve rşn OSC da özleynz.