ELE 201L DEVRE ANALİZİ LABORATUVARI Deney 4 Temel İşlemsel Kuvvetlendirici (Op-Amp) Devreleri 1. Hazırlık a. Dersin internet sitesinde yayınlanan Laboratuvar Güvenliği ve cihazlarla ilgili bildirileri okuyunuz. b. Ön-çalışma soruları laboratuvara gelmeden önce çözünüz. Ön-çalışmanızın okunaklı, çözümlerinizin de muntazam ve tüm hesaplama basamakları gösteriyor olmaları önem arz etmektedir. Laboratuvar çalışmalarına devam edebilmek için ön-çalışmanızı (Kısım 1) teslim etmiş olmanız ve de yapılacak kısa sınavdan en az %50 almanız gerekmektedir. a. Lab 4 Ön-Çalışma Kısım 1: Son teslim tarihi lab saatinizin başındadır. b. Lab 4 Ön-Çalışma Kısım 2: Lab 4 Raporunuzla birlikte teslim edilecektir. c. Vaktinde teslim edilmeyen ön-çalışmalar puan verilmeyecektir. d. Kısa lab sınavını geçmeyenlerin tekrar sınav olma şansları olmayacak ancak Cuma Akşamı saat 1830 itibariyle girilemeyen deneyi gerçekleştirme imkanları olacaktır. e. Laboratuvara gelirken Deney 4 Föyünü, cihazlarla ilgili referans bildirileri, ve de bir hesap makinesi getiriniz. 2. Ön-Çalışma Soruları A. Eviren Kuvvetlendirici (Inverting Amplifier) KISIM 1 ŞEKİL 1: Eviren Kuvvetlendirici Devre
Şekil 1 deki eviren kuvvetlendirici devrenin gerilim kazancını V 0 / V in direnç değerlerine bağlı olarak ifade ediniz. V 0 / V in = Aşağıdaki eksenlerde R1 = 10 k, R2 = 100 k, ve Vcc = 15 V için beklenen transfer fonksiyonu çiziniz. Sonucunuzu PSPICE ile doğrulayınız, ve PSPICE çıktılarınızı önçalışmanıza ekleyiniz. V 0 V in Deneylerde op-amp'ları için LM741 çipi kullanmanız gerekecektir. Aşağıda örnek bir bağlantı, ve çipin pin tanımları gösterilmiştir. Çipin tüm özelliklerini ayrıntılı bir şekilde verilen data sayfası dersinin internet sayfasından bulunabilir.
Şekil 1'deki Eviren Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz.
B. Evirmeyen Kuvvetlendirici (Non-Inverting Amplifier) ŞEKİL 2: Evirmeyen Kuvvetlendirici Devre Şekil 2 deki devrenin gerilim kazancını ifade eden denklem nedir? V 0 / V in = Rs = 2 k, Rf = 6 k, Rg = 5 k, ve Vg = 10 V için PSPICE ile devreyi simüle edin, ve sonuçlarınızı ön-çalışmanıza ekleyin.
Şekil 2'deki Evirmeyen Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz.
C. Fark Kuvvetlendirici (Differential Amplifier) ŞEKİL 3: Fark Kuvvetlendirici Devre Şekil 3 deki devrenin çıkış gerilim kazancını giriş gerilimlerine ve dirençlere göre ifade eden denklem nedir? R1 = 2 k, R2 = 4 k, R3 = 1 k, R4 = 9 k V1 = 5 V, ve V2 = 10 V için PSPICE ile devreyi simüle edin, ve sonuçlarınızı ön-çalışmanıza ekleyin.
Dersin web sayfasında fark kuvvetlendiriler hakkında verilen ek-sayfaları okuyunuz. Devrenin farksal mod gerilimi (differential mode input) nedir? Devrenin ortak mod gerilimi (common mode input) nedir? Devrenin ortak mod bastırma oranı (common mode rejection ratio, CMRR) nedir?
Şekil 3'deki Fark Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz.
D. Toplayıcı Kuvvetlendirici (Summing Amplifier) ŞEKİL 4: Toplayıcı Kuvvetlendirici Devre Şekil 4 deki devrenin çıkış gerilim kazancını giriş gerilimlerine ve dirençlere göre ifade eden denklem nedir? R1 = 2 k, R2 = 2 k, R3 = 4 k, V1 = 10 V, ve V2 = 5 V için PSPICE ile devreyi simüle edin, ve sonuçlarınızı ön-çalışmanıza ekleyin.
Şekil 4'deki Toplayıcı Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz.
E. Gerilim Takipçi Diyelim ki bir yüke Vs değerinde sabit bir gerilim sağlamak istiyoruz. Önce Şekil 5'deki devreyi ele alalım. Yüke bağlanan cihazın Thevenin eşdeğer devresi bir ideal gerilim kaynağı V s ve Thevenin direnci R s ile modellenmektedir. Yük direncin gerilimi olan V 0 için V s, R s, ve R L'e bağlı olan bir ifade bulunuz. ŞEKİL 5: Gerilim Kaynağın Doğrudan Yüke Bağlandığı Devre V 0 = Yük direncin değeri değiştikçe yüke sağlanan gerilim de değişiyor mu? EVET HAYIR
Eğer Rs = 100 k ise sağlanan gerilimin Vs kaynağın %95'i olması için R L ne kadar büyük olmalıdır? Şimdi Şekil 6'daki devreyi ele alalım. Yük ile cihazın arasında bir gerilim takipçi devresi yerleştirdiğimizde çıkış gerilimi V 0'ın ifadesi nedir? ŞEKİL 6: Gerilim Takipçinin Aracılığıyla Yüke Bağlanan Gerilim Kaynağı V 0 = Şekil 5 ve Şekil 6 daki devreleri PSPICE da simüle edin. Vs = 12 V ve bir önceki soruda bulduğunuz RL değeri için elde ettiğiniz sonuçlarızı ön-çalışmanıza ekleyin. Yük direncin değeri değiştikçe yüke sağlanan gerilim de değişiyor mu? EVET HAYIR Gerilim takipçi devrenin üstelendiği görevi kısaca özetleyiniz.
KISIM 2 F. Bağımlı Gerilim Kaynaklar İçeren Devrelerin Thevenin Eşdeğer Devreleri Op-Amp'lar bağımlı kaynakların tasarımında da kullanılabilmektedir. Örneğin, Şekil 2'de gösterilen Evirmeyen Kuvvetlendirici aynı zamanda gerilim kontrollu bir gerilim kaynağıdır. Çıkış gerilimi giriş gerilimine bağlıdır çünkü. Şekil 7'deki devreyi ele alalım, ve ideal bağımlı kaynak yerine pratik bir bağımlı kaynak olarak bir evirmeyen kuvvetlendirici kullanalım. Şekil 7'nın temsil ettiği devreyi gerçekte Şekil 8'deki pratik devreyle gerçekleştirebiliriz. Şekil 7: Gerilim Kontrollu Gerilim Kaynağı İçeren Devre ŞEKİL 8: Gerçek Gerilim Kontrollu Gerilim Kaynaklı Devre
Şekil 7'daki ideal bağımlı kaynak içeren devrenin Thevenin eşdeğer direncini açık devre gerilimin ve kısa devre akımın orantısını bularak hesaplayınız. Voc = Isc = R TH =
Test kaynak yöntemiyle Thevenin eşdeğer direnci bulunuz. Cevabınız daha önce hesapladığınız direnç değeriyle aynı mı? Aşağıda cevabınızı işaretleyiniz. EVET HAYIR R TH =
Şekil 8'deki gerçekçi devrenin Thevenin eşdeğerini bulmak istiyoruz. Devre öğelerine bağlı olarak Thevenin eşdeğerin geçerli olması için hangi şart veya şartların sağlanması gerekmektedir? İp ucu: hangi şartlarda devre doğrusallık koşulunu sağlamaktadır? Evirmeyen kuvvetlendirici devrenin direnç değerleri ne olmalıdır kazanç G'yi sağlamak için? Cevabınız genel bir matematiksel ifade olarak vermelisiniz. Non-ideal op-amp modelini kullanarak, Şekil 8'deki gerçekçi devrenin çıkıştan görülen Thevenin eşdeğer direncini hesaplayınız.
Şekil 8 deki gerçekçi devrenin Thevenin direncinin Şekil 7'daki ideal devrenin Thevenin direncine eşit olması için direnç değerlerine bağlı olarak sağlanması gereken şartı nedir? Sizce tasarladığımız op-amp lı kaynağın ideal bağımlı kaynak olarak kullanılması uygunmudur? Neden?
G. Bağımlı Akım Kaynaklar İçeren Devrelerin Thevenin Eşdeğer Devreleri Şekil 9 de verilen devre gerilim kontrollu bir akım kaynağı içermektedir. Önce açık devre gerilimini ve kısa devre akımını hesaplayarak Thevenin eşdeğer direnci bulunuz. ŞEKİL 9: Gerilim Kontrollu Akım Kaynağı İçeren Devre Vo = Isc = R TH =
Test kaynak yöntemiyle Thevenin eşdeğer direncini bulunuz. Cevabınız daha önce hesapladığınız direnç değeriyle aynı mı? Aşağıda cevabınızı işaretleyiniz. EVET HAYIR R TH =
Şekil 9 deki bağımlı akım kaynağı bildiğiniz devre ögeleriyle (dirençlerle ve op-amp larla) tasarlanabilmektedir. Şekil 10 deki op-amp devresini inceleyiniz ve girdi gerilimine göre çıktı akımını yazınız. Çıktı akımı girdi gerilime bağlı olduğundan bu devre gerilim kontrollu bir akım kaynağı olarak işlev görebilmektedir. ŞEKİL 10: Op-Amp lı Akım Kaynağı i L v g =
Şekil 10'deki gerçekçi akım kaynağı Şekil 11'deki gerilim kontrollu akım kaynağı yerine konulursa, Şekil 11'da gösterilen devre elde edilir. ŞEKİL 11: Gerçek Gerilim Kontrollu Akım Kaynaklı Devre Şekil 11'deki gerçekçi devrenin Thevenin eşdeğerini bulmak istiyoruz. Devre öğelerine bağlı olarak Thevenin eşdeğerin geçerli olması için hangi şart veya şartların sağlanması gerekmektedir? İp ucu: hangi şartlarda devre doğrusallık koşulunu sağlamaktadır?
Şekil 10 ve Şekil 11'daki devrelerin eşdeğer olmaları için kazanç G için Şekil 11'deki dirençlere bağlı olan bir ifade bulunuz.
Şekil 11 deki gerçekçi devrenin Thevenin direncinin Şekil 10'daki ideal devrenin Thevenin direncine eşit olması için direnç değerlerine bağlı olarak sağlanması gereken şartı nedir? Sizce tasarladığımız op-amp lı kaynağın ideal bağımlı kaynak olarak kullanılması uygunmudur? Neden?