DENEY NO :5 DENEYİN ADI :İşlemsel Kuvvetlendirici - OPAMP Karakteristikleri DENEYİN AMACI :İşlemsel kuvvetlendiricilerin performansını etkileyen belli başlı karakteristik özelliklerin ölçümlerini yapmak. Deneyle İlgili Ön Bilgi: İşlemsel kuvvetlendiriciler( Operational Amplifier ), transistörlü diferansiyel kuvvetlendiricilerin bir araya getirilmesiyle yüksek gerilim kazancı elde edilmiş ve uygun bir çıkış kuvvetlendiricisi ile sonlandırılmış tek bir devre elemanıdır. Şu anda analog elektroniğin en önemli ve popüler uygulamaları OPAMP lar ile gerçekleştirilmektedir. Şekil 5.1 de bir OPAMP ın sembolik gösterimi ve eşdeğer devresi verilmiştir. Şekil 5.1 Opamp Blok Şeması ve Eşdeğer Devresi Şekil 5.1 de görüldüğü gibi Opamp simetrik değerli ( + ve - ) iki dc gerilim kaynağı ile beslenir. Faz döndürmeyen (evirmeyen ) girişi - Vg 1 ile Faz döndüren (eviren ) girişi - Vg 2 ve bir de çıkışı bulunmaktadır. İdeal bir Opamp şu belirgin özelliklere sahip olmalıdır. Girişine uygulanan gerilim sıfır iken çıkış gerilimi sıfır olur. Vg = 0 v. Vç = 0 v. Giriş direnci sonsuzdur. Ri = Çıkış direnci sıfırdır. Ro = 0 Açık çevrim gerilim kazancı sonsuzdur. Kv = Ancak gerçek bir Opampta bu özelliklerin hiç biri tam olarak bulunmaz. Zira Opamp, özelliklerini bildiğimiz ideal olmayan direnç, diyot ve transistör gibi devre elemanlarından oluşmaktadir. Bu nedenle bu elemanların oluşturduğu bileşke devrelerin yukarıda verilen ideal özellikleri vermemesi normaldir. Tasarımcılar geliştirdikleri devrelerle bu özelliklere yaklaşmaya çalışırlar. Bununla birlikte çoğu uygulamalarda elde edilen sonuçlar yeterli olabilmektedir. Tipine ve kalitesine göre Opampların giriş dirençleri 10 5-10 15, çıkış direnci 16
birkaç ile birkaç yüz arasında ve açık çevrim gerilim kazancı 10 4-10 10 arasında değişmektedir. Örneğin pratikte çok kullanılan 741 li Opampların giriş direnci 0.3-2 M, çıkış direnci 75 ve açık çevrim kazancı 50000-200000 dir. En temel işlemsel kuvvetlendirici devreleri faz çeviren kuvvetlendirici (inverting amplifier) ve faz çevirmeyen kuvvetlendirici (noninverting amplifier) dir. Şekil 5.2 de faz çeviren kuvvetlendirici devresi ve eşdeğeri görülmektedir. Şekil 5.2. Faz çeviren kuvvetlendirici Eşdeğer devreden; Vg - Kv * Vi = (R 1 + R 2 )* ig ve Vg = R 1 * ig - Vi kullanılarak, Vç = - R 2 * Vg / [R 2 / Kv + (1 + 1/Kv) * R 1 ], Kv = olursa, Vç/Vg = - R 2 / R 1 elde edilir. Faz çevirmeyen kuvvetlendirici ve eşdeğer devreleri Şekil 5.3 te verilmiştir. Eşdeğer devreden; Kv * Vi = (R 1 + R 2 ) * i 1 Şekil 5.3. Faz çevirmeyen kuvvetlendirici ve Vg = Vi + R 1 * i 1 kullanılarak, Vç / Vg = 1 / [ 1/ Kv + R 1 / (R 1 + R 2 )] elde edilir. Kv = konursa, Vç / Vg = 1 + R 2 / R 1 olur. 17
İşlemsel kuvvetlendiricilere ait bazı parametreler : 1. Giriş kutuplama akımı ( Input Bias Current - I IB ) Giriş gerilimi sıfır iken her iki girişten akan akımların ortalamasıdır. Vg = 0 v. I IB = ( I IB+ + I IB- ) / 2 2. Giriş dengeleme akımı (Input Offset Current - I IO ) Çıkış geriliminin sıfır olması halinde her iki girişten akan akımların farkıdır. Vç = 0 v. I IO = I IB+ - I IB- 3. Giriş dengeleme akımı sürüklenmesi ( Input Offset Current Drift ) Giriş dengeleme akımının sıcaklıkla değişimidir. I IO / T 4. Giriş dengeleme gerilimi (Input Offset Voltage - V IO ) İdeal bir OPAMP ta giriş gerilimi sıfır iken çıkışta sıfır olmalıdır. Gerçek OPAMP ta bunu sağlamak için girişler arasına küçük bir dc gerilim uygulanır. Bu gerilime giriş dengeleme gerilimi denir. 741 tipi OPAMP ta çıkış gerilimini sıfırlamak için 1 ile 5 nolu girişlere bu gerilim uygulanır. 5. Çıkış dengeleme gerilimi (Output Offset Voltage - V OO ) OPAMP ın girişleri topraklandığında çıkışta oluşan gerilim değeridir. 6. Giriş dengeleme gerilimi sürüklenmesi (Input Offset Voltage Drift ) Giriş dengeleme geriliminin sıcaklıkla değişimidir. ( V IO / T ) 7. Giriş gerilimi genişliği ( Input Voltage Range - V I ) OPAMP ın doğru şekilde kuvvetlendirmek şartıyla her iki girişe uygulanabilecek maksimum gerilim değeridir. 8. Çıkış geriliminin maksimum salınımı ( Maximum Peak to Peak Output Voltage Swing - V OPP ) Dengelenmiş halde OPAMP çıkışının distorsiyonsuz olarak alabileceği maksimum tepeden tepeye değer. 9. Büyük sinyal fark gerilimi kazancı - Açık çevrim kazancı ( Large Signal Differential Voltage Amplification or Open Loop Differential Voltage Gain - K VD ) Geri beslemesiz halde, tepeden tepeye çıkış gerilimi değişiminin diferansiyel giriş gerilimine oranıdır. 18
10. Giriş direnci (Input Resistance -Ri ) Opampın girişlerinden biri toprak yapıldığında diğer girişten görülen dirençtir. 11. Çıkış direnci (Output Resistance - Ro ) Çıkış ile toprak arasından görülen dirençtir. 12. Giriş kapasitesi ( Input Capasitance - Ci ) Girişler arasındaki eşdeğer kapasite değeri 13. Ortak işareti zayıflatma oranı ( Common Mode Rejection Ratio - CMRR ) Fark (diferansiyel ) işaret kazancının, ortak işaret kazancına oranıdır. Genellikle bu oranın loaritması alınıp ifade edilir. CMRR = 20 log [Kd / Kc].. db. 14. Besleme gerilimi hassasiyeti ( Supply Voltage Sensitivity ) Besleme gerilimindeki değişimin dengeleme gerilimine etkisidir. 15. Kısa devre çıkış akımı ( Short Circuit Output Current - Ios ) Çıkışın toprak yapılması halinde çıkıştan akacak akımdır. Opampların kısa devre koruması vardır. Bu nedenle çıkış akımı belli bir değerin üzerine çıkamaz. Böylece entegrenin aşırı ısınarak bozulması engellenmiştir. 16. Sükunet akımı - boşta çekilen akım ( Supply Current - Ib ) Opampın girişine bir işaret uygulanmazken kaynaktan çektiği akımdır. 17. Yükselme zamanı ( Rise Time -tr ) Girişe birim darbe fonksiyonlu bir işaret uygulandığında, çıkış maksimum genliğinin %10 dan %90 a ulaşıncaya kadar geçen süredir. 18. Yükselme Hızı ( Slew Rate - SR ) Opampın birim kazançlı bir kuvvetlendirici olarak çalışması ve girişine birim basamak fonksiyonlu bir işaret uygulanması halinde, çıkış geriliminin mikrosaniye başına aldığı voltaj değeridir. Deneyle İlgili Ön Çalışma: 1. Opamp olarak 741 li entegre kullanılacaktır. 741 in yukarıda verilen opamp karakteristik parametrelerini kataloglardan bularak kaydedin. 2. CMRR ve Slew Rate kavramlarını araştırın. 3. OPAMP kullanan devre ve sistemlere örnekler veriniz. 19
Deneyin Yapılışı: OPAMP Bacak Bağlantı Uç Numaraları NOT: OPAMP devre çizimlerinde simetrik besleme bağlantıları gösterilmez!!! Besleme bağlantılarını yapmayı unutmayın! 1. R 2 = 100 k ve R 1 = 10 k ve 47 k gibi değerlerde olmak üzere Şekil 5.2 de verilen faz çeviren kuvvetlendirici devresini kurunuz. Girişe 1 khz. lik sinüsoydal bir gerilim uygulayarak çıkışta kırpılmasız gerilim elde edilene kadar giriş geriliminin genliğini artırın. DİKKAT! Opamp ın simetrik beslemelerini (±12 V) kontrol etmeyin unutmayın!!! Girişe OSİLATÖRDEN Sinüs sinyali uygulayın Çıkışa OSİLOSKOP ile bakarak sinyal genliğini ölçün. R 2 = 100 k ve R 1 = 10 k ve 47 k gibi değerlerde olmak üzere Şekil 5.3 te verilen faz çevirmeyen kuvvetlendirici devresini kurunuz. Girişe 1 khz. lik sinüsoydal bir gerilim uygulayarak çıkışta kırpılmasız gerilim elde edilene kadar giriş gerilimininin genliğini artırın. 20
DİKKAT! Opamp ın simetrik beslemelerini (±12 V) kontrol etmeyin unutmayın!!! Girişe OSİLATÖRDEN Sinüs sinyali uygulayın Çıkışa OSİLOSKOP ile bakarak sinyal genliğini ölçün. Şekil 5.3 te verilen faz çevirmeyen kuvvetlendirici devresini kullanarak Tablo 5.1 de verilen direnç değerleri için kazançları hesaplayarak devrenin alt kesim frekansı, üst kesim frekansı ve band genişliğini bulunuz. Tablo 5.1 R 1 (k ) R 2 (k ) Alt kesim frekansı (Hz) Üst kesim frekansı (Hz) Bant Genişliği 1 220 220 220 2. Ortak işareti zayıflatma oranını ölçmek için Şekil 5.4 te verilen devreyi kurunuz. Aşağıdaki formüllerden faydalanarak CMRR oranını hesaplayarak kaydediniz. R 1 = 100, R 2 = 100 k ise = 1001* Vs / Vç = CMRR = 20 log CMRR =... 21
Şekil 5.4 CMRR ölçümü Çalışma Soruları: 1. 741 li OPAMP ın katalog bilgilerini kullanarak 1. ve 2. basamaklardaki devreler için gerçek kazancını hesaplayın. Sonuçları karşılaştırarak yorumlayın. 2. Şekil 5.4 te verilen devre için CMRR eşitliğinin doğruluğunu gösteriniz. 3. Açık çevrim kazancı, giriş direnci ve çıkış direncinin deneysel ölçümünü yapabilecek yöntemler öneriniz. 4. Slew Rate i deneysel olarak nasıl ölçebilirsiniz. Malzeme Listesi: 741 OP-AMP x2 100Ω (2 adet) 1kΩ 10kΩ 47kΩ 100kΩ (2 adet) 220kΩ (2 adet) 22