Deneyin Amacı: Deney 3: Opamp Opamp ın (işlemsel yükselteç) çalışma mantığının ve kullanım alanlarının öğrenilmesi, uygulamalarla pratik bilginin pekiştirilmesi. A.ÖNBİLGİ İdeal bir opamp (operational-amplifier) veya işlemsel yükseltecin gerilim kazancı sonsuz, giriş empedansı sonsuz, çıkış empedansı sıfırdır. Ayrıca osilasyon tehlikesi olmadan istenildiği kadar negatif geri besleme uygulanabilir. Pratikte bu koşulların tam olarak sağlanamayacağı açıktır. Fakat yaklaşık olarak bunların gerçekleştiğini kabul ederiz. İşlemsel yükselteçlerin bant genişliğinin sonsuz olması, çıkış geriliminin sıcaklıkla ve kaynak gerilimindeki değişmelerle değişmemesi beklenir. Giriş sıfır yapıldığında çıkış da sıfır olmalıdır. Bu istekler tam olarak hiçbir zaman gerçekleşmeyecek olmakla birlikte bunlara gittikçe daha çok yaklaşılmaktadır. Şekil 3.1 de işlemsel yükselteçlerin gösterilişi verilmiştir. Burada V 1 ve V 2 toprak potansiyeline göre girişlere uygulanan gerilimleri, V ÇIK ise kuvvetlendiricinin çıkış gerilimini, A kuvvetlendirici kazancını göstermektedir. Şekil 3.1- İşlemsel Yükselteç Gösterilişi Formülden A=100000 değeri ve fark gerilimi 100uV için çıkış gerilimi 10 V değerinde elde edilir. İşlemsel yükselteçlere genellikle +10V ve -10V besleme gerilimi verilir ve bu besleme gerilimi çıkış gerilimini sınırlar niteliktedir. Eğer fark gerilimi 100uV dan büyük olursa çıkış gerilimi 10V değerini aşacaktır. Bu durumda işlemsel yükselteç doyuma gider ve besleme gerilim değeri sınırlama yaparak 10V a çıkışı sabitler. Bu deneyde sırasıyla; *Eviren Yükselteç *Evirmeyen Yükselteç *Toplayıcı Yükselteç *Fark Alıcı Yükselteç *Gerilim İzleyici Yükselteç *Karşılaştırıcı Yükselteç *İntegral Alıcı Yükselteç *Türev Alıcı Yükselteç uygulamalarını yapıp işlemsel yükselteçlerin kullanım alanlarını ve çalışma mantığını anlamış olacağız. Sayfa - 1 - Toplam Sayfa - 7 -
1-Eviren Yükselteç Şekil 3.2- Eviren Yükselteç olmak üzere denklemler yazılırsa; Eviren yükselteç devresinde giriş gerilimi V 1, R 1 direnci ile opamp ın negatif terminaline uygulanmıştır. Opamp ın pozitif terminali ise topraklanmıştır. Opamp ın giriş ve çıkış terminalleri arasına bağlanan R 2 direnci, geri besleme direnci olarak anılır. V 1 giriş işareti ile V ÇIK çıkış işareti arasındaki bağıntı R 1 ve R 2 dirençleri ile ifade edilir. Devrede opamp ın ve + uçları arası gerilim farkı sıfırdır ve çok küçük bir akım akar. Genelde bu akım ihmal edilir. Buradan opamp ın girişinden akım akmayacağından R 1 üzerinden gelen akım R 2 üzerinden devam ederek gider. Buna bağlı V A (toprakta olduğu için sıfırdır) opamp giriş noktasındaki gerilim I 1 = I 2 veya I 1 I 2 = 0 (V 1 V A )/ R 1 + (V A V çık )/ R 2 = 0 V çık = V 1.(R 2 /R 1 ) Yukarıdaki denklemlerden görüldüğü üzere giriş gerilimi çıkışta değer alarak faz kayması yaratılmış oldu. Direnç değerleri seçimine göre de genlikte değişim sağlanır. 2-Evirmeyen Yükselteç 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-3.3 de verilmiştir. Evirmeyen yükselteç devresinin en önemli özelliklerinden birisi çok yüksek bir giriş direncine sahip olmasıdır. Eviren bir yükselteç devresinde giriş direnci, devrede kullanılan R 1 direncine bağlıdır ve değeri birkaç kω civarındadır. Evirmeyen yükselteç devresinde ise giriş direnci opamp ın giriş direncine eşittir. Bu değer ise yüzlerce mega ohm civarındadır. Çıkış gerilimini bulmak için denklemler kurarsak; I 1 = I 2 veya I 1 I 2 = 0 V çık = I 1 R 1 + I 2 R 2 ve I 1 = I 2 = V 1 / R 1 V çık = V 1. (1 + R 2 /R 1 ) olarak bulunur. Çıkış geriliminin önünde olmadığı için faz kayması yoktur. Şekil 3.3- Evirmeyen Yükselteç Sayfa - 2 - Toplam Sayfa - 7 -
3-Toplayıcı Yükselteç çıkış gerilimi; Şekil 4- Toplayıcı Yükselteç Şekil 3.4- Toplayıcı Yükselteç Temel eviren yükselteç devresindeki negatif terminale tek giriş yerine, Şekil 3.4'deki gibi birçok giriş işareti bağlanırsa opamp eviren toplayıcı olarak çalışır. Eviren toplayıcı devre, girişine uygulanan işaretleri toplayarak çıkışına aktarır. Eğer giriş gerilimleri sırası ile; V 1, V 2.. V n ise; ortak uç (negatif terminal) toprak potansiyelinde olduğu için opamp ın + ile - terminalleri arasında potansiyel fark yoktur. Bu durumda I 1 = V 1 / R 1 I 2 = V 2 / R 2 V çık = R 3. (I 1 + I 2 ) V çık = [(V 1 / R 1 ). R 3 + (V 2 / R 2 ). R 3 ] olarak bulunur. 4-Fark Alıcı Yükselteç Şekil 3.5- Fark Alıcı Yükselteç Fark alıcı devre, çıkarıcı amplifikatör (differance amplifier) veya farksal yükselteç olarak da isimlendirilir. Temel bir fark alıcı devresi Şekil-3.5'de gösterilmiştir. Devre dikkatlice incelendiğinde opamp ın her iki girişinin de kullanıldığı görülmektedir. Devrenin temel çalışma prensibi eviren ve evirmeyen girişlerine uygulanan işaretlerin farkını almasıdır. V çık = I 1. (R 1 + R 4 ) + V 1 V 2 = I 2. (R 2 + R 3 ), I 2 = V 2 /(R 2 + R 3 ) V 1 + I 1. R 1 V gir I 2. R 3 = 0 V gir 0 V çık = [ (R 1 + R 4 ) (R 2 + R 3 ) ]. (R 3/R 1 ). V 2 (R 4 /R 1 ). V 1 Sayfa - 3 - Toplam Sayfa - 7 -
5-Gerilim İzleyici Yükselteç Şekil 3.6- Gerilim İzleyici Yükselteç Gerilim izleyici devre, evirmeyen yükselteç devresinin özel bir halidir. Temel bir gerilim izleyici devre Şekil-6 da verilmiştir. Dikkat edilirse bu devrede geri besleme direnci kullanılmamış, geri besleme direkt yapılmıştır. Opamp girişleri arasında gerilim farkı olmadığından çıkış gerilimi V ÇIK, giriş gerilimi ile aynıdır (V ÇIK =V in ). Devrede gerilim kazancı yoktur. Bu nedenle bu tip devrelere gerilim izleyicisi denir. Gerilim izleyicilerinde giriş direnci çok büyük olduğu için bir önceki devreyi yüklemezler. Bu yüzden bunlara buffer veya izolasyon amplifikatörü de denir. V çık = V 1 6-Karşılaştırıcı Yükselteç Karşılaştırıcı yükselteçlerde girişten verilen iki gerilimin karşılaştırılması yapılır. R 2 =R 3 olduğu durumda; eğer V 1 gerilimi V 2 geriliminden büyükse çıkışta beslemeden verilen V gerilimi görülür. Eğer V 2 gerilimi V 1 geriliminden daha büyükse çıkışta beslemeden verilen +V değeri görülür. Bu şekilde bu devre ile girişten verilen iki gerilimin karşılaştırılması yapılmış olur. Şekil 3.7- Karşılaştırıcı Yükselteç 7-İntegral Alıcı Yükselteç İntegral alıcı devre, girişe uygulanan işaretin entegralini alarak çıkışa aktarır. Bu işlemi gerçekleştiren bir entegral alıcı devre Şekil-3.8 de gösterilmiştir. Görüldüğü gibi bu devrede geri besleme bir kondansatör yardımı ile yapılmaktadır. V 1 = I. R 2 I = C. (dv çık /dt) V 1 = R. C. (dv çık /dt) Şekil 3.8- İntegral Alıcı Yükselteç V çık = ( 1 RC ) V 1. dt + V çık (t = 0) Sayfa - 4 - Toplam Sayfa - 7 -
8-Türev Alıcı Yükselteç Türev alıcı devresi, genel olarak bir eviren yükselteç özelliğindedir. Fark olarak girişte R 2 direnci yerine C kondansatörü bulunmaktadır. Genel bir türev alıcı devresi Şekil-3.9 da verilmiştir. Türev alıcı, girişinden uygulanan işaretin türevini alarak çıkışa aktaran bir devredir. V çık = I. R 2 I = C. (dv 1 /dt) V çık = R 2. C. (dv 1 /dt) Şekil 3.9- Türev Alıcı Yükselteç Sayfa - 5 - Toplam Sayfa - 7 -
B.DENEY ÖNCESİ ÇALIŞMASI 1. LM741 entegresinin katalog bilgilerini araştırınız ve bağlantı uçlarını gösterir şeklini çiziniz. 2. Simetrik besleme nasıl yapılır, çizerek gösteriniz. Op-Amp beslemesinde neden simetrik beslemeye ihtiyaç duyulur? 3. CMRR ne demektir? Açıklayınız. Bir işlemsel yükselteçte CMRR nin yüksek olması ne anlama gelir? 4. Bir kare dalga üreteci devresinde Op-Amp kullanılmaktadır. Bu devre ile elde edilen kare dalganın 0 dan 1 e ve 1 den 0 a geçişlerinin yavaş olduğu görülmektedir. Buna sebep olan Op-Amp parametresi hangisidir? Sayfa - 6 - Toplam Sayfa - 7 -
C.DENEY ÇALIŞMASI Deney aşamalarına başlamadan önce Op-Amp ın besleme gerilimlerini (+15V ve -15V) simetrik besleme gerilimi yardımıyla sağlayınız. 1. Şekil 3.2 deki devrede R 2 = 22k, R 1 = 1k, R 3 =10k seçiniz ve giriş işaretini f = 1 khz ve V 1 =100mVp sinüs olacak şekilde ayarlayınız. Giriş ve çıkış işaretlerini aynı anda ekranda görünebilecek şekilde gözleyiniz. Kazancı hesaplayınız ve faz farkı varsa kaç derece olduğunu yazınız. Kazanç: Faz Farkı: 2. Şekil 3.3 deki devrede R 2 =22k, R 1 = 1k, R 3 =10k seçiniz ve giriş işaretini f = 1 khz ve V 1 =100mVp sinüs olacak şekilde ayarlayınız. Giriş ve çıkış işaretlerini aynı anda ekranda görünebilecek şekilde gözleyiniz. Kazancı hesaplayınız ve faz farkı varsa kaç derece olduğunu yazınız. Kazanç: Faz Farkı: 3. Yandaki devrede R 4 = R 5 = 1kOhm R 2 = R 6 = 10kOhm V 1 =100mVp 1kHz sinüs değerlerinde R 1 e 10kOhm ve 22kOhm değerleri vererek çıkış gerilimlerini ölçünüz. Teorik olarak deney içeriğinde yer alan formülleri kullanıp çıkış gerilimini bularak deneyde bulduğunuz değerler ile karşılaştırınız. Şekil 3.10- Toplayıcı Yükselteç Teori Hesabı : R 1 =10k için V çık : R 1 =22k için V çık : Ölçüm : R 1 =10k için V çık : R 1 =22k için V çık : 4. Şekil 3.8 deki devrede R 1 =10k, R 2 = 10kOhm, C= 10 nf seçiniz ve giriş işaretini f = 1kHz ve V 1 = 100mVp kare dalga olacak şekilde ayarlayınız. Giriş ve çıkış işaretlerini aynı anda gözleyiniz ve çiziniz. Giriş Çıkış Time/Div= Volt/Div= Time/Div= Volt/Div= Sayfa - 7 - Toplam Sayfa - 7 -