ELE 201L DEVRE ANALİZİ LABORATUVARI Deney 3 Temel İşlemsel Kuvvetlendiriciler 1. Hazırlık a. Ön-çalışma soruları laboratuvara gelmeden önce çözünüz. Ön-çalışma çözümleriniz asistan Bürkan Tekeli'ye Z11'de EN GEÇ PAZARTESİ 17 HAZİRAN 2013, SABAH 1100'DE TESLİM EDİLMELİDİR. Laboratuvara gelmeden once ön-çalışmanız asistan tarafından toplanıp kontrol edilip lab vaktinizde size iade edilecektir. Ön-çalışmanızın okunaklı, çözümlerinizin de muntazam ve tüm hesaplama basamakları gösteriyor olmaları önem arz etmektedir. Laboratuvar çalışmalarına devam edebilmek için ön-çalışmanızdan geçerli not (%40) almanız gerekmektedir. Vaktinde teslim edilmeyen ön-çalışmalar puan verilmeyecektir. b. Bu deneyi tamamlamak için 2 HAFTA SÜRENİZ olacaktır ve dolayısıyla toplam 200 puan üzerinden notlandırılacaktır): 1. Hafta: Ön-Çalışmanın A - E kısımlarını, Deneyin A - D kısımlarıyla bitiriniz. Ön-Çalışmanın A-E kısımlarını doğru olarak 10 Haziran 2013 en geç 1330 e kadar asistanlara teslim edenlere BONUS 20 PUAN verilecektir. 2. Hafta: Ön-Çalışmanın F ve G kısımlarını, Deneyin E ve F kısımlarıyla bitiriniz. c. Laboratuvara gelirken Deney 3 Föyünü, cihazlarla ilgili referans bildirileri, 741 OP AMP data sheet'i ve de bir hesap makinesi getiriniz. 2. Ön-Çalışma Kontrolu Öğrenci ön-çalışmasını vaktinde teslim etti etmedi. Ön-Çalışma Notu : / 100 Asistanın İsmi : Asistanın İmzası : 1
3. Ön-Çalışma Soruları A. Eviren Kuvvetlendirici (Inverting Amplifier) 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 2
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. 3
Şekil 1'deki Eviren Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz. 4
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. 5
Şekil 2'deki Evirmeyen Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz. 6
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. 7
Deney Föyün sonunda 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? 8
Şekil 3'deki Fark Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz. 9
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. 10
Şekil 4'deki Toplayıcı Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz. 11
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 12
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 13
Gerilim takipçi devrenin üstelendiği görevi kısaca özetleyiniz. 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 14
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 = 15
Test kaynak yöntemiyle Thevenin eşdeğer direnci bulunuz. Cevabınız daha önce hesapladığınız direnç değeriyle aynı mı? Aşağıda cevabınızı işaretleyiniz. EVET HAYIR R TH = 16
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. 17
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? 18
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 = 19 R TH =
Test kaynak yöntemiyle Thevenin eşdeğer direncini bulunuz. Cevabınız daha önce hesapladığınız direnç değeriyle aynı mı? Aşağıda cevabınızı işaretleyiniz. EVET HAYIR 20 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 21
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? 22
Şekil 10 ve Şekil 11'daki devrelerin eşdeğer olmaları için kazanç G için Şekil 11'deki dirençlere bağlı olan bir ifade bulunuz. 23
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? 24
4. Deneyler A. Eviren Kuvvetlendirici (Inverting Amplifier) Şekil 1'de gösterilen eviren kuvvetlendirici devrenin gerilim kazancını ölçünüz. Bunu yapmak için sinyal kaynağını 1 khz sinüssal bir sinyali sağlayacak şekilde ayarlayınız ve girişin ve çıkışın tepeden tepeye gerilimini ölçünüz. Ölçümünüzü ön-çalışmada yaptığınız hesaplarla kıyaslayınız. Ölçülen Gerilim Kazancı = Şimdi sinyal kaynağının sağladığı sinüssal sinyalin genliğini artırınız. Belirli bir noktadan sonra çıkış sinyal artık sinüssal olmayacaktır - neden işlemsel kuvvetlendiricinin çıkışı artık sinüssal değil? Gözlemlediğiniz sinüssal olmayan çıkış sinyali aşağıda verilen eksenlerde çiziniz. Çıktının sinüssal olması için girdi sinyalin genliği en fazla ne olmalıdır? V0 t max(girdi genliği) = 25
Salınımölçeri kullanarak, değişik giriş genlikleri için çıkışın genliğini ölçünüz. Ölçümlerinizi aşağıdaki eksenlerde işaretleyerek devrenin transfer fonksiyonunu çiziniz. V 0 V in Giriş sinyalin genliğini değiştirdikçe gözlemlenen değişiklikleri - eğer varsa - not ediniz. Ölçümünüz analitik olarak hesapladığınız transfer fonksiyonuyla uyumlu mu? Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz sonuçlarınızla karşılaştırın. 26
B. Fark Kuvvetlendirici (Differential Amplifier) Şekli 3'de gösterilen fark kuvvetlendirici için aşağıdaki giriş sinyalleri için çıkış sinyalini ölçünüz ve aşağıda çiziniz. Direnç değerleri olarak R 1 = 10 k, R 2 = 20 k R 3 = 30 k, ve R 4 = 40 k kullanınız. Ölçümleriniz analitik hesaplarınızla uyumlu mu? V1 = 0 V ve V2 = 5 V: V 0 t V1 = 0 V ve V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 khz'lık sinüs: V 0 V in 27
V1 = 5 V ve V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 khz'lık sinüs: V 0 V in V1 = V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 khz'lık sinüs: V 0 V in 28
Farksal mod kazancını ve ortak mod kazancını ölçerek, CMRR'ı hesaplayınız. Ölçümünüzü ön-çalışmada yaptığınız analitik hesaplarla karşılaştırınız. İp-ucu: Aşağıdaki şekilde farksal ve ortak mod gerilimler gösterilmektedir. Eğer Vcm sıfırlanınca ölçülen kazanç sadece farksal gerilimlerden kaynaklanmış olacağından ölçülen kazanç aslında farksal mod kazancıdır. Benzer bir şekilde, Vdm sıfırlanınca ölçülen kazanç, ortak mod kazancıdır. Bu kazançların oranı ise CMRR olarak tanımlanmaktadır. Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz sonuçlarınızla karşılaştırın. 29
C. Toplayıcı Kuvvetlendirici (Summing Amplifier) Şekli 4'de gösterilen toplayıcı kuvvetlendirici için aşağıdaki giriş sinyalleri için çıkış sinyalini ölçünüz ve aşağıda çiziniz. Direnç değerleri olarak R 1 = 10 k, R 2 = 20 k ve R 3 = 30 k kullanınız. Ölçümleriniz analitik hesaplarınızla uyumlu mu? V1 = 0 V ve V2 = 5 V: V 0 t V1 = 0 V ve V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 khz'lık sinüs: V 0 V in 30
V1 = 5 V ve V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 khz'lık sinüs: V 0 V in V1 = V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 khz'lık sinüs: V 0 V in 31
Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz sonuçlarınızla karşılaştırın. D. Gerilim Takipçi Vs = 5 V, ve Rs = R L = 100 k için Şekil 5'deki devrenin çıkış gerilimini (V 0 ) ölçünüz. Yüke sağlanan gerilimin, gerilim kaynağında sağladığı gerilimden ne kadar çok düşük? Cevabınızı yüzde olarak veriniz. Bir kaç farklı RL değeri için hesabınızı tekrarlayınız. Sizce Şekil 5'deki bağlantı şekli etkilimidir gerilim sağlamak için? Değilse, devrenin dezavantajları nedir? Şekil 5'deki Devre Ölçümleri RL V0 Hata Yüzdesi 100 k Şimdi aynı deneyi gerilim takipçisinin kullanıldığı Şekil 6'deki devre üzerinde deneyiniz. Gerilim takipçisi ne fayda sağliyor? Şekil 6'deki Devre Ölçümleri RL V0 Hata Yüzdesi 100 k Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz sonuçlarınızla karşılaştırın. 32
E. Bağımlı Gerilim Kaynaklar İçeren Devrelerin Thevenin Eşdeğer Devreleri Şekil 8 deki devreyi devre tahtanızda kurunuz. Açık devre gerilimini ve Thevenin direncini (gerilim bölücü yöntemiyle) ölçünüz. Ön çalışmada gerçekleştirdiğiniz analitik sonuçlarla kıyaslayınız. Analitik ile deneysel sonuçlarınız arasında fark var mı, var ise nedenleri neler olabilir? Devrenizi kurarken aşağıdaki direnç değerleri kullanınız: R1= 1KΩ Rg= 10KΩ R2= 2.7KΩ Rs= 10KΩ R3= 6.2KΩ Rf = 10KΩ R4= 22KΩ Bağımsız gerilim kaynağı için Vs = 5 V kullanın, op-amp ın kaynak gerilimi de Vcc = 15 V. Şekil 7 deki Devrenin Thevenin Eşdeğer Devre Ölçümleri Ölçüm Analitik Hesap Fark Açık Devre Gerilim % Thevenin Direnç % Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz sonuçlarınızla karşılaştırın. 33
F. Bağımlı Akım Kaynaklar İçeren Devrelerin Thevenin Eşdeğer Devreleri Şekil 11 deki devreyi devre tahtanızda kurunuz. Açık devre gerilimini ve Thevenin direncini (gerilim bölücü yöntemiyle) ölçünüz. Ön çalışmada gerçekleştirdiğiniz analitik sonuçlarla kıyaslayınız. Analitik ile deneysel sonuçlarınız arasında fark var mı, var ise nedenleri neler olabilir? Devrenizi kurarken aşağıdaki direnç değerleri kullanınız: R1= 1KΩ R4= 10KΩ R2= 10KΩ RD= 10KΩ R3= 6.2KΩ RL= 2.7KΩ Bağımsız gerilim kaynağı için Vs = 5 V kullanın, op-amp ın kaynak gerilimi de Vcc = 15 V. Şekil 12 deki Devrenin Thevenin Eşdeğer Devre Ölçümleri Ölçüm Analitik Hesap Fark Açık Devre Gerilim % Thevenin Direnç % Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz sonuçlarınızla karşılaştırın. 34
35
36
37
38
39
40