deney no: 7 işlemsel kuvvetlendirici ve uygulamaları

1
DENEY NO: 7
İŞLEMSEL KUVVETLENDİRİCİ VE UYGULAMALARI
Malzeme ve Cihaz Listesi:
1. 270  direnç 1 adet
2. 1 k direnç 2 adet
3. 10 k direnç 2 adet
4. 15 k direnç 1 adet
5. 22 k direnç 1 adet
6. 47 k direnç 2 adet
7. 68 k direnç 1 adet
Deneyin Amacı:
8. 33 nF kapasitör 1 adet
9. 0.1 uF kapasitör 1 adet
10.Breadboard
11.Dijital Multimetre
12.Deney Seti (ACT-1 veya CADET I-II )
13.Pens, keski, montaj kablosu, krokodil
İşlemsel kuvvetlendiricilerin temel karakteristiklerini anlamak ve bu elemanı kullanarak
çeşitli uygulamalar yapmaktır.
Genel Bilgiler:
İşlemsel kuvvetlendiriciler, çarpma, bölme, toplama, çıkarma, türev ve integral alma gibi
matematiksel işlemleri yerine getirmek için tasarlamış aktif devre elemanlarıdır. Direnç,
kapasitör gibi hariçi devre elemanları uçlarına bağlandığında bu matematiksel işlemleri yerine
getirirler.
İşlemsel kuvvetlendiriciler, çeşitli ölçü ve kontrol sistemlerindeki regülatör, osilatör,
logaritmik kuvvetlendirici, tepe dedektörü ve gerilim karşılaştırıcısı gibi devrelerde de
kullanılmaktadır.
İşlemsel kuvvetlendiricinin gerilim kazancı çok yüksek olup farklı değerde olabilir. Tiplerine
bağlı olarak on binden, bir milyon arasıdır, fakat daha çok kazançlı olanları da bulunabilir.
Giriş dirençleri oldukça büyüktür: 103 ile 1015 Ohm arasındadır. Çıkış dirençleri ise çok küçük
olup 1 ile 1000 Ohm arasındadır. Frekans sınırları DC’den başlayıp, GHZ mertebelerine kadar
çıkmaktadır.
İşlemsel yükseltecin içinde yaklaşık 30 adet transistor, 10 adet direnç ve birkaç adet diyot
bulunur. Yapısı yarı iletken entegre şeklinde olup hacimleri küçük ve maliyetleri oldukça
düşüktür. Güç sarfiyatları az olup, kararlı oldukları için oldukça karmaşık sistemlerde çok
sayıda kullanılabilirler.
İdeal işlemsel kuvvetlendirici:
Inverting Input Vn
-
Noninverting Input Vp
+
Vo Output
Ref
Şekil 1 İşlemsel kuvvetlendiricinin devre sembolü
2
İdeal işlemsel kuvvetlendiricileri analiz etmek için kullanılan iki temel kural;
 İşlemsel kuvvetlendiricilerin giriş uçlarında akım akmamaktadır. (
)
 İşlemsel kuvvetlendiricilerin giriş uçları arasındaki gerilim düşümü sıfırdır.
(
)
İşlemsel yükseltecin iki giriş ve bir çıkış ucu vardır. Besleme kaynağı genellikle simetrik
olup, buralara +V ve –V gerilimleri uygulanır.
Offset Null
(top view)
1
Inverting Input 2
8 NC (= no connection)
7 Positive Supply Voltage
+
Noninverting Input 3
6 Output
Negative Supply Voltage 4
5
Offset Null
Şekil 1 Opamp 741 bacak bağlantıları
İşlemsel Kuvvetlendirici Uygulamaları:
 Gerilim Takipçisi (Voltage follower, Buffer):
İşlemsel kuvvetlendiricinin sonsuza yaklaşan giriş direnci ve sıfıra yaklaşan çıkış direnci
sayesinde Şekil 2’deki devre yardımıyla gerilim takipçisi devresi gerçekleştirilir.
+
Vo(t)
Vi(t)
Şekil 2 Gerilim takipçisi
Gerilim takipçisinde:
( )
( )
Gerilim takipçisinin giriş direnci çok büyük olduğu için kendisinden önceki devreyi
yüklemez. Çıkış direnci çok küçük olduğundan, kendisinden sonraki devre için ideal gerilim
kaynağı gibi davranır. Kazancı da birdir. Bu özelliklerinden dolayı buna izolasyon
amplifikatörü veya buffer adı da verilir.
 İşaret Değiştiren (Eviren) Kuvvetlendirici (Inverting Amplifier):
Bu devre Şekil 3’deki gibidir. Burada Ri giriş direnci, Rf geri besleme direnci olup, devrenin
girişine vi(t) gerilim kaynağı bağlandığında, çıkıştaki vo(t) gerilimi aşağıdaki şekilde bulunur.
3
Rf
Ri
Vo(t)
+
Vi(t)
Şekil 3 Eviren Kuvvetlendirici
Çıkış gerilimi:
( )
( )
Gerilim Kazancı:
( )
( )
 İşaret Değiştirmeyen (Evirmeyen) Kuvvetlendirici (Non-inverting Amplifier):
+
Vo(t)
Vi(t)
RB
RA
Şekil 4 Evirmeyen Kuvvetlendirici
Devreden hareketle;
( )
Gerilim Kazancı:
(
) ( )
( )
( )
Görüldüğü gibi evirmeyen kuvvetlendirici için gerilim kazancı her zaman 1’den büyüktür.
 Toplama Devresi:
Şekil 5’deki devre ile iki ya da daha çok bağımsız giriş işaretinin toplamı (daha açıkçası lineer
kombinezonu) elde edilir. Bu devre, aynı zamanda çok girişli eviren toplayıcı devresidir.
Rf
R1
R2
+
V1(t)
Vo(t)
V2(t)
Şekil 5 Toplama Devresi
Çıkış işaretinin denklemi iki giriş işareti için aşağıdaki şekilde olacaktır.
4
( )
[
( )
( )]
 İntegral Alıcı Devre (Integrater)
Şekil 3’deki eviren kuvvetlendirici devresinde Rf yerine C elemanı konularak Şekil 6’daki
integratör devresi elde edilir. Çıkış gerilimi, giriş geriliminin integrali biçiminde olur.
( )
∫
( )
C
Vi(t)
RA
Vo(t)
+
Şekil 6 İntegral Alıcı Devre
Şekil 6’deki devrede giriş off-set geriliminin işlemsel kuvvetlendiriciyi bir süre sonra doyuma
götürmesini engellemek için, C kapasitesine paralel bir RS direnci bağlanır. (Off-set gerilimi:
İşlemsel kuvvetlendiricilerde karşılaşılan sorunlardan birisi de giriş gerilimlerinin sıfır
olmasına rağmen, çıkış geriliminin sıfır olmamasıdır. Değişken işaretler kuvvetlendirilirken
önemli olmayan bu durum, özellikle doğru gerilim kuvvetlendiricilerinde ve büyük kazançlı
işlemsel kuvvetlendirici ile kurulan devrelerde sorun olur. Off-set gerilimi olarak adlandırılan
bu gerilim, özellikle giriş katını oluşturan elemanların tam olarak özdeş olamaması ve eleman
toleranslarından kaynaklanır.) Ayrıca giriş kutuplama akımlarının eşit olamayışından doğacak
off-set gerilimini ve bu gerilimin etkilerini gidermek için + uç ile toprak arsına R A direnci
bağlanır.
C
RS
Vi(t)
RA
RA
+
Vo(t)
Şekil 7 İntegral Alıcı Devre
Devrenin bir integral alıcı olarak görev yapabilmesi için girişine uygulanan işaretin frekansı
aşağıdaki gibi olmalıdır;
RS
olur.
RA
 Nonlineer Op – Amp Uygulaması (Karşılaştırıcı Devresi)
Karşılaştırıcı, bir giriş gerilimi ile bir referans gerilimini karşılaştıran devredir.
Karşılaştırıcının çıkışı giriş geriliminin referans geriliminden aşağıda yada yukarıda olduğunu
ifade eder. Giriş sinyali referans geriliminden büyükse çıkış pozitif besleme gerilimine,
küçükse negatif besleme gerilimine gider. Basit bir karşılaştırıcı devresi aşağıda verilmiştir.
fi < fC olduğunda, devre eviren yükselteç olarak çalışır ve kazanç,
5
+Vs
Vi
Vref
+
Vo
-Vs
Şekil 8 Karşılaştırıcı Devresi
İpucu:



LM741 entegresi breadboarda
şekildeki gibi bağlanmaktadır.
LM741 entegresinin çalışabilmesi
için 4 ve 7 numaralı bacaklara
doğru gerilim verilmektedir. Bu
gerilimin
değerine
entegrenin
datasheetinden bakılarak karar
verilmektedir.
LM741 entegresi için 4 numaralı
bacak VCC (-12V) ve 7 numaralı
bacak VEE (+12V)'dir.
Deney Öncesi Hazırlıklar:
1. LM741 tümdevresinin katolog bilgilerini inceleyiniz.
2. Deneyde kullanacağınız devreler için tabloda verilen direnç değerlerini kullanarak çıkış
gerilimlerini ve kazançları teorik olarak hesaplayınız. (İşlemsel kuvvetlendiricileri ideal
alınız.)
3. Opamın fark yükselteci olarak nasıl kullanıldığını araştırınız.
4. Opamlı toplama devresinin yapısını araştırınız.
5. Eviren yükselteçler ile evirmeyen yükselteçler arsındaki farklar nelerdir, araştırınız.
Deney Öncesi Hazırlık Raporunda İstenenler:
1. ORCAD 16.6 programını kullanarak deneyde gerçekleştireceğiniz bütün devrelerin
simülasyonunu( devrede bağlantı dışında kaynak ya da eleman değeri değişikliği varsa
da ayrı simülasyon sonucu olmalıdır.) deney sırasında yapılacaklar bölümünde
anlatılan şekilde yapınız ve elde ettiğiniz simülasyon sonuçlarını grafiksel olarak
raporunuza ekleyiniz. Tablolar varsa hesap sütunlarını doldurunuz. Bu ön çalışma,
laboratuvarda yapacağınız ölçümleri kontrol etmeniz açısından birinci derece önem
taşımaktadır.
2. Deneyde gerçekleştireceğiniz bütün devrelerin teorik (matematiksel) hesaplamalarını
yaparak deney öncesi hazırlık raporunuza ekleyiniz. Teorik hesaplamalarınızı ilgili
devrenin alt kısmına, her adımı göstererek yapınız.
Deney Sonrası Raporunda İstenenler:
1. Deney sonucu elde etmiş olduğunuz ölçüm sonuçlarını da tablolara ekleyerek her
tabloyu raporunuza ekleyiniz.
2. Sorular bölümündeki soruları ilgili alana cevaplayarak sorular sayfasını
cevaplanmış bir şekilde raporunuza ekleyiniz.
6
Deney Sırasında Yapılacaklar:
1.
Osiloskop
RB
Vi(t)
RA
2
3
CH1 CH2
VCC
+
741
6
Vo(t)
VK1=0.5sin(2π1000t)V
RA=10kΩ
RB=10kΩ
VEE
Şekil 9
a) Şekil 9’da verilen devreyi breadbord üzerine kurunuz. 7 ve 4 numaralı bacaklara sırasıyla
+12V ve –12 V doğru gerilim uygulayınız. (Bu değerleri ve diğer bacak bağlantılarını
entegrenin datasheetinden kontrol ediniz.)
b) Sinüzoidal kaynak gerilimini (tepeden tepeye) 1V’a, frekansını 1 kHz’e ayarlayınız.
c) Osiloskobun CH1 ve CH2 kanallarını uygun konuma getirdikten sonra CH1’i çıkışa (Vo(t))
ve CH2’i girişe (Vi(t)) bağlayarak Vo(t) ve Vi(t) gerilimlerinin zamanla değişimini çiziniz
ve aralarındaki farkın nedenini (genlik ve faz) olarak açıklayınız.
d) Girişte uyguladığınız V=0,5sin(2
) değerini değiştirmeden aşağıda verilen RB
direnç değerlerini sırasıyla uygulayarak Tablo 1’i doldurunuz.
e)
Tablo 1
Tepeden Tepeye VO
Kazanç
RB (k)
15k
47k
2.
Osiloskop
Vi(t)
3
2
CH1 CH2
VCC
+ 741 6
VEE
Vo(t)
VK1=0.5sin(2π1000t)V
RA=10kΩ
RB=10kΩ
RB
RA
Şekil 10
a) Önceki deneydeki ilk dört adımı Şekil10’daki devre için sırasıyla tekrarlayınız.
b) Tablo 1
RB (k)
22kΩ
68kΩ
Tepeden Tepeye VO
Kazanç
7
3.
C
Osiloskop
RS
RA
Vi(t)
2
3
RB
CH1 CH2
VCC
+
6
741
Vo(t)
VEE
RA=1kΩ
RB=1kΩ
RS=10kΩ
C=33nF
Şekil 11
a) Şekil 11’da verilen devreyi breadbord üzerine kurunuz. 7 ve 4 numaralı bacaklara sırasıyla
+12V ve –12 V doğru gerilim uygulayınız. (Bu değerleri ve diğer bacak bağlantılarını
entegrenin datasheetinden kontrol ediniz.)
b) İşaret üreteci ile girişe (tepeden tepeye) 1 V ve frekansı 5000 Hz olan bir kare dalga
uygulayınız. Osiloskobun CH1 ve CH2 kanallarını uygun konuma getirdikten sonra CH1’i
çıkışa (Vo(t)) ve CH2’i girişe (Vi(t)) bağlayarak çıkış ve giriş işaretlerini çiziniz. Çıkış
işareti girişin integrali midir?
c) Kaynak frekansı artırıldığında vo(t) çıkış geriliminin genliğinin küçüldüğünü görünüz ve
bunun nedenini açıklayınız.
d) Kaynak frekansını 100 Hz’e getiriniz ve çıkışı gözlemleyiniz.
4.
Osiloskop
RS
Vi(t)
RA
C
2
3
CH1 CH2
VCC
+
741
6
Vo(t)
RA=270Ω
RS=10kΩ
C=0.1uF
VEE
Şekil 12
a) Şekil 12’de verilen devreyi breadbord üzerine kurunuz. 7 ve 4 numaralı bacaklara sırasıyla
+12V ve –12 V doğru gerilim uygulayınız. (Bu değerleri ve diğer bacak bağlantılarını
entegrenin datasheetinden kontrol ediniz.)
b) İşaret üreteci ile girişe (tepeden tepeye) 1 V ve frekansı 1 kHz olan bir üçgen dalga
uygulayınız. Osiloskobun CH1 ve CH2 kanallarını uygun konuma getirdikten sonra CH1’i
çıkışa (Vo(t)) ve CH2’i girişe (Vi(t)) bağlayarak çıkış ve giriş işaretlerini çiziniz.
c) Çıkış işareti girişin türevi midir?
8
5.
Osiloskop
2
Vdc
Vi(t)
3 +
CH1 CH2
VCC
741
6
Vo(t)
VEE
Şekil 13
a) Şekil 12’de verilen devreyi breadbord üzerine kurunuz. 7 ve 4 numaralı bacaklara
sırasıyla +5V ve –5 V doğru gerilim uygulayınız.
b) İşaret üreteci ile girişe 5V 1kHz değerinde bir sinüs uygulayınız.
c) Sırasıyla 1V, 2V ve 3V değerinde Vdc gerilim değerlerini vererek çıkışı çiziniz ve ne
gibi değişimler olduğunu gözlemleyerek farklılıkları yorumlayınız.
Sorular:
1. İşaret değiştiren kuvvetlendiricinin giriş ve çıkış gerilimleri arasında kaç derecelik faz
farkı vardır?
2. 3. Bölümde yapılan deneyde kaynak frekansını 100 Hz’e getirdiğimizde çıkış geriliminin
üçgen dalga biçiminden daha çok kare dalgaya benzediğini gördük ve çıkış gerilimi de arttı.
Neden?
3. Kaynak frekansını 100 Hz’e getiriniz. Bu durumda, çıkış geriliminin üçgen dalga
biçiminden daha çok kare dalgaya benzediğini görmelisiniz. Bu arada çıkış gerilimi de artar.
Neden?