DENEY 7 OP-AMP Parametreleri ve Uygulamaları A. Amaç Bu deneyin amacı, op-amp (operational amplifier : işlemsel kuvvetlendirici) parametrelerini tanımak ve ölçümlerini deneysel olarak yapmaktır. Ayrıca op-amp'ın çalışma prensibinin açıklanarak eviren kuvvetlendirici, evirmeyen kuvvetlendirici, fark kuvvetlendiricisi ve gerilim takipçisi olarak kullanılmasıdır. B. Temel Bilgiler İdeal bir işlemsel kuvvetlendirici gerilim kazancı sonsuz, giriş empedansı sonsuz, çıkış empedansı sıfır, band genişliği sonsuz olan bir kuvvetlendiricidir. Bununla birlikte bahsi geçen özelliklere pratikte ulaşılamayacağı aşikardır. Ancak, her ne kadar ideal şartlar gerçekleştirilemese de bu ideal şartlara ne kadar yaklaşılırsa o derece iyi bir işlemsel kuvvetlendirici olacağı açıktır. Şekil 1’de iç yapısı gösterilen bir işlemsel kuvvetlendiricinin performansını karakterize eden bazı temel büyüklükler bulunmaktadır. Bu büyüklüklerin tanımları aşağıda verilmiştir. Şekil 1 LM741 işlemsel kuvvetlendiricisinin iç yapısı Çıkış Offset (Dengesizlik) Gerilimi, () : İşlemsel kuvvetlendiricinin girişlerinde işaret yokken çıkışında bulunan, giriş dengesizlik gerilimi ( ), ve giriş dengesizlik akımından ( ) kaynaklanan istenmeyen gerilime çıkış dengesizlik gerilimi denir.
20
Embed
A. Amaç · Çıkış Offset (Dengesizlik) Gerilimi, ... Piyasada açık çevre kazançları milyonlarla ifade edilebilen op-amp'ların mevcut olduğu bilinmelidir. Böylece girişine
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Evirmeyen, yani girişine uygulanan işaretin yönünü çıkışında ters çevirmeyen kuvvetlendiricinin temel
devresi Şekil 13’de verilmiştir. Şekle bakıldığında giriş işareti 𝑣1 doğrudan op-amp’ın evirmeyen
terminaline bağlanmış, 𝑅1 direnci ise bir ucu op-amp’ın eviren girişine diğer ucu ise toprağa
bağlanmıştır. Daha önce bahsedilen sanal toprak kavramı burada da göz önünde bulundurulmalıdır.
Şekil 13’de verilen devrede 𝑣1 = 𝑣2 olacaktır. Bu duruma ise sanal kısa devre adı verilir. Gerçek kısa
devreden farkı ise terminaller arasında akımın akabileceği bir yolun bulunmamasıdır.
Şekil 13 Evirmeyen op-amp kuvvetlendiricisi
Devrenin analizi yapılırken giriş terminalinden akım akmadığı kabulü yapılır. 𝑣1 = 𝑣2 ve 𝑣1 = 𝑣𝐼
olduğundan;
𝑖1 = −𝑣1
𝑅1= −
𝑣𝐼
𝑅1
şeklinde yazılır. 𝑖2 akımı ise;
𝑖2 =𝑣1 − 𝑣0
𝑅2=
𝑣𝐼 − 𝑣0
𝑅2
olacaktır. Önceden gösterildiği gibi 𝑖1 = 𝑖2 olduğundan;
−𝑣𝐼
𝑅1=
𝑣𝐼 − 𝑣0
𝑅2
yazılabilir. Buradan kapalı çevrim gerilim kazancı çekilirse;
𝐴𝑣 =𝑣0
𝑣𝐼= 1 +
𝑅2
𝑅1
ile ifade edilir. Bu eşitlikten çıkış işaretinin giriş işareti ile aynı fazda olduğu sonucuna varılır. Ayrıca
kazancın her zaman birden büyük olduğu gözden kaçmamalıdır.
Birim Kazançlı Kuvvetlendirici (Tampon, Gerilim Takipçisi):
Şekil 14’deki gibi bir op-amp devresi gerilim takipçisi, birim kazançlı kuvvetlendirici, tampon (buffer)
kuvvetlendiricisi veya izolasyon kuvvetlendiricisi gibi isimlerle anılır. Burada kullanılan op-amp için ideal
op-amp şartları düşünülürse, yani girişteki fark gerilimi ve giriş akımları sıfır alınırsa, evirmeyen giriş
terminaline bağlanacak giriş işaret geriliminin herhangi bir değişikliğe uğramadan çıkışta aynen elde
edilebileceği görülecektir. Şöyle ki, op-amp’ın girişindeki görünür toprak dikkate alınarak referans
toprak ile çıkış ucu arasındaki 𝑣0 gerilimi yazılacak olursa;
−𝑣𝐼 + 𝑣0 = 0 → 𝑣𝐼 = 𝑣0
olur. Gerilim takipçi devresinin kapalı çevrim gerilim kazancı;
𝐴𝑣 =𝑣0
𝑣𝐼= 1
olarak bulunur.
Şekil 14 Op-amp gerilim takipçisi
Gerilim takipçisinin girişine uygulanan işaret, kuvvetlendirilmeden, faz farkı meydana getirmeden veya
herhangi bir değişikliğe uğramadan devrenin çıkışından aynen alınması devrenin kullanım amacını
sorgulatabilir. Bu nedenle öncelikle ideal bir op-amp’ın özellikleri hatırlanmalı ve bir gerilim takipçisi
devresinde op-amp’ın yalın halde kullanıldığına dikkat edilmelidir. Bu nedenle ideal bir gerilim takipçi
devresinde de giriş direnci sonsuz, giriş akımı sıfır ve çıkış direnci sıfırdır. Pratikte de bu özelliklere
oldukça yaklaşılmıştır.
Giriş direncinin çok büyük çıkış direncinin çok küçük olması gerilim takipçisine bir tampon veya
izolasyon katı gibi kullanılma imkanı vermektedir. Örneğin bir dönüştürücüde (transducer) olduğu gibi
çıkış direnci büyük ve küçük genlikli bir işaret çıkışı olan bir elektronik devre düşünülsün. Bu devrenin
yükünün de giriş direnci küçük olan bir başka elektronik devre veya cihaz olduğu varsayılsın. Böyle bir
sistemde, ikinci devre veya yükün küçük değerli giriş direnci, çıkış direnci çok büyük olan birinci devreyi
aşırı yükleyecektir. Burada maksimum güç transferi gerçekleşemeyeceği gibi belki yük devresinin birinci
devreyi aşırı yüklemesinden dolayı bozabilecektir.
Bir elektronik devrenin çalışma şartlarını bozmadan ondan işaret alarak bu işareti kendisinden sonra
gelen devrenin giriş direncinden etkilenmeden çıkışa aktarabilmek için devrenin büyük bir giriş
direncine ve küçük bir çıkış direncine sahip olması gerekir. Bir gerilim takipçisi bu özelliklere sahip
olduğu için izolasyon kuvvetlendiricisi olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.
Fark Kuvvetlendiricisi (Difference Amplifier):
İdeal bir fark kuvvetlendiricisinin girişlerine uygulanan işaretlerin farkını kuvvetlendirdiği ve yine
girişlerine uygulanan ortak işareti bastırdığı daha önceki bölümlerde anlatılmıştır. Şekil 15(a) op-amp’lı
bir fark kuvvetlendirici devresini göstermektedir. Bu devreyi analiz etmek için süperpozisyon teoremi
uygulanacaktır.
Şekil 15(b)’deki devre Şekil 15(a)’nın süperpozisyon gereği 𝑣𝐼2 = 0 olduğu halidir. Bu durumda sanal
topraktan dolayı 𝑣2𝑎 = 0 olduğundan 𝑅3 ve 𝑅4 dirençleri üzerinden akım akmayacaktır. Sonuç olarak
devre daha önce bahsedilmiş olan eviren kuvvetlendirici devresine dönüşmüştür. Bu durumda;
𝑣01 = −𝑅2
𝑅1𝑣𝐼1
yazılabilir.
Şekil 5 (a)Op-amp fark kuvvetlendiricisi (b) 𝒗𝑰𝟐 = 𝟎 olduğu durum (c) 𝒗𝑰𝟏 = 𝟎 olduğu durum
Şekil 15(c) ise yine Şekil 15(a)’nın süperpozisyon gereği 𝑣𝐼1 = 0 olduğu halidir. Burada gerilim bölücüye
dikkat edilirse;
𝑣2𝑏 =𝑅4
𝑅3 + 𝑅4𝑣𝐼2
yazılır. Sanal kısa devreden 𝑣1𝑏 = 𝑣2𝑏 olduğundan devre evirmeyen kuvvetlendirici devresine
dönüşmüştür. Böylece;
𝑣02 = (1 +𝑅2
𝑅1) 𝑣1𝑏 = (1 +
𝑅2
𝑅1) 𝑣2𝑏
eşitliği yazılabilir. Bir önceki denklem yerine konulduğunda;
𝑣02 = (1 +𝑅2
𝑅1) (
𝑅4
𝑅3 + 𝑅4) 𝑣𝐼2
elde edilir. İfade düzenlendiğinde;
𝑣02 = (1 + 𝑅2 𝑅1) (𝑅4 𝑅3⁄
1 + 𝑅4 𝑅3⁄)⁄ 𝑣𝐼2
halini alır. Devrenin net çıkışı her ikisinin toplamı olduğundan;
𝑣0 = 𝑣01 + 𝑣02
ve buradan;
𝑣0 = (1 +𝑅2
𝑅1) (
𝑅4𝑅3
1 +𝑅4𝑅3
) 𝑣𝐼2 − (𝑅2
𝑅1) 𝑣𝐼1
elde edilmiş olur. Burada 𝑅2
𝑅1=
𝑅4
𝑅3 ise çıkış gerilimi;
𝑣0 =𝑅2
𝑅1(𝑣𝐼2 − 𝑣𝐼1)
ifadesi yazılabilir. Burada kuvvetlendiricinin fark kazancı 𝐴𝑑 = 𝑅2 𝑅1⁄ olur.
Deney No
Deney Adı
Öğrenci No Ad-Soyad İmza
D. Hazırlık Çalışması
𝑉+ = 12𝑉, 𝑉− = −15𝑉, 𝑅1 = 2.2𝑘𝛺, 𝑅2 = 22𝑘𝛺
1. Aşağıdaki devre için;
• 𝐴𝑣 ‘yi teorik olarak elde ediniz ve Tablo 1’e yazınız.
• 𝑣𝐼 = 1sin (2𝜋500𝑡) ise çıkış grafiğini çiziniz.
• 𝑣𝐼 = 2sin (2𝜋100𝑡) ise çıkış grafiğini çiziniz.
Tablo 1
Hesaplanan 𝐴𝑣
𝑅𝑖𝑛 𝑅𝑜𝑢𝑡
Deney No
Deney Adı
Öğrenci No Ad-Soyad İmza
E. Deney Çalışması
ÖN BİLGİLER
Temel opamp, iki girişli yüksek voltaj kazanç kuvvetlendiricisidir. Girişlerden biri terslendirmeyen
(noninverting) giriş olarak adlandırılır ve (+) işareti ile gösterilir. Diğer giriş ise terslendiren (inverting)
giriş olarak adlandırılır ve (-) işareti ile gösterilir. Opamp, iki giriş arasında görülen her voltaj farkını
kuvvetlendirir ve opampın açık çevrim kazancıyla çarpılarak çıkışa aktarılır.
Vo=Aol*(V1-V2)
Burada,
Vo: çıkış voltajı,
Ao1 : opampın açık çevrim kazancı,
V1 : terslendirmeyen girişteki voltaj,
V2 : terslendiren girişteki voltaj.
Çıkış ofset voltajı: İdeal durumda, opampın girişine 0V uygulandığında çıkış 0V olmalıdır. Fakat
gerçekte, giriş 0V olsa bile çıkışta küçük bir DC seviye vardır. Bu istenmeyen çıkış temelde iki sebebe
dayanır:
1.Giriş kutuplanma akımı
2.Giriş ofset voltajı
Giriş kutuplanma akımı: Çıkış geriliminin 0V olması halinde her iki giriş terminalinden akan akımın
ortalamasıdır.
Giriş dengeleme (offset) akımı: Çıkış geriliminin 0V olması halinde her iki giriş terminalinden giren
akımın farkıdır.
Giriş dengeleme (offset) voltajı: Çıkış gerilimini 0V yapabilmek için giriş terminalleri arasına
uygulanması gereken DC gerilimdir.
UYGULAMA 1- AÇIK ÇEVRİM KAZANCI
Üzerinde çalışacağımız devre Şekil 1’de verilmiştir. Verilen şemada devre elemanlarının değerleri yanlarına yazılmıştır. Devrelerde kullanılan LM741 tipi op-amp’a ait teknik veriler aşağıdaki gibidir.
A=100.000
Rin=2MΩ
Rout=75Ω
Sr=0.5 V/usn
Deneyin yapılışı
1.Deney seti üzerinde devre 1’e ait şalteri F konumuna getiriniz.
2. Kaynaklar kısmında bulunan V1 voltaj çıkışından 3V, V2 voltaj çıkışından 2V ayarlayarak devre girişinde yer alan 1.1 ve 1.2 girişlerine sıra ile uygulayınız ve bu değerleri not alınız.
3.Devrenin çıkış voltajını ölçüp not alınız ve sonucu yorumlayınız.
Şekil 1. Opamp uygulaması
Giriş Voltajı Çıkış Voltajı (Görülen) Çıkış Voltajı (Hesaplanan)
V1= ……… V V2= ……….V
………………… V
………………… V
Çıkış Voltajı Hesabı =
Yorum:
UYGULAMA 2- KAPALI ÇEVRİM KAZANCI
1. Set üzerinde bulunan (Şekil 1) 1.6 ve 1.7 noktaları arasına kısa devre elemanı koyunuz. Böylece geri besleme döngüsü kapanacaktır.
2. Devre üzerinde bulunan V1 kaynağından multimetre yardımıyla 0.3V ayarlayarak, op-amp’ın evirmeyen girişine uygulayınız ve bu değeri not alınız. Op-amp’ın eviren girişine toprak potansiyeli uygulayınız.
3. Op-amp çıkışındaki voltajı ölçünüz ve çıkan değeri not alarak yorumlayınız.
Giriş Voltajı Çıkış Voltajı (Görülen) Çıkış Voltajı (Hesaplanan)
V1= ……… V V2= 0 V
………………… V
………………… V Çıkış Voltajı Hesabı =
Yorum:
UYGULAMA 3- OFFSET AYARI
1.Set üzerinde bulunan 1.6 ve 1.7 noktaları arasına kısa devre elemanı koyunuz. Böylece geri besleme döngüsü kapanacaktır.
2.Op-amp’ın eviren ve evirmeyen girişlerini toprak potansiyeline getiriniz.
3.Devrenin çıkış voltajını ölçünüz, eğer 0V’tan farklı bir değer gözlemlerseniz PT1 potansiyometresini ayarlayarak çıkış voltajını 0 yapınız.
Ayarlanan Potansiyometre Değeri Çıkış Voltajı
UYGULAMA 4- SLEW RATE
Bir opampın çıkışının ulaşabileceği maksimum değişim hızı slew-rate olarak adlandırılır. Opamp girişine
mükemmel bir kare dalga uygulandığında çıkış bir seviyeden diğerine slewrate ile sınırlandırılan bir
eğim ile geçecektir. Frekans cevabı ile slew-rate doğrudan ilişkilidir. Yüksek frekans cevabı slew-rate
anlamındadır. Artan frekans kompanzasyonları slew-rate’ i düşürür.
Eğim oranı = Vpp/ Yükselme zamanı
Şekil 2. Çıkış İşaretinde Slew Rate Etkisi
Uygulama-4’ün yapılışı
1. Sinyal jeneratöründen 10mV/ 10 Hz değerinde kare dalga ayarlayınız. 2. Op-amp’ın eviren girişini toprak potansiyeline getiriniz. 3. Set üzerinde bulunan (Şekil 1) 1.6 ve 1.7 noktaları arasına kısa devre elemanı koyunuz.
Böylece geri besleme döngüsü kapanacaktır. 4. Op-amp’ın evirmeyen girişine bu sinyali uygulayarak osiloskop yardımıyla giriş ve çıkış
sinyallerini gözleyiniz. Daha sonra genlik sabit kalmak üzere, sırasıyla 50 Hz, 100Hz, 1kHz frekanslarına sahip sinyaller uygulayarak gözlemleyiniz ve sonucu giriş sinyali ile karşılaştırarak yorumlayınız.
Girişteki Frekans Değeri Yorum
10 Hz
50 Hz
100 Hz
1 KHz
UYGULAMA 5- EVİRİCİ YÜKSELTEÇ
Şekil 3. Eviren Kuvvetlendirici
Uygulama 5’in Yapılışı
1. Devre 2 üzerindeki şalteri N konumuna getiriniz. 2. Set üzerinde bulunan 2.1 noktasından sırasıyla 1 V ve -1 V voltaj uygulayınız ve op-amp
çıkışından ölçtüğünüz değeri not edip yorumlayınız. 3. Deney setini güç kaynağından ayırınız. Multimetre yardımıyla PT2 potansiyometresini 90 KΩ
değerine ayarlayınız ve güç kaynağını tekrar bağlayınız. 4. Set üzerindeki 2.3 ve 2.4 arasına kısa devre elemanı koyunuz. Böylece geri besleme döngüsü
kapanmış olacaktır. 5. Set üzerindeki 2.1 noktasından sırası ile -1V, 1V, -2V, 5V uygulayarak çıkış voltajını not ediniz
ve çıkan sonucu yorumlayınız.
Açık döngü Verilen Voltaj Çıkış Voltajı (Hesaplanan) Çıkış Voltajı (Ölçülen)
1 V
-1 V
Yorum:
Kapalı Döngü Verilen Voltaj Çıkış Voltajı (Hesaplanan) Çıkış Voltajı (Ölçülen)
-1 V
1V
-2V
5V
Yorum:
Deney No
Deney Adı
Öğrenci No Ad-Soyad İmza
F. Sonuç ve Tartışma
1. Giriş offset geriliminin nedenlerini yazınız.
2. Yüksek değerli bir slew-rate ne gibi bir avantaj sağlar? Açıklayınız.
3. Eviren yükselteçte ±𝑉𝐶𝐶 = 22𝑉 olsaydı çıkış için nasıl bir grafik elde etmeyi beklerdiniz?