KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ TEKNİK EĞİTİM FAKÜLTESİ ELEKTRİK ÖĞRETMENLİĞİ 4. SINIF ELK 435 ENDÜSTRİYEL ELEKTRONİK LABORATUAR UYGULAMALARI HAZIRLAYANLAR Doç.Dr. Engin ÖZDEMİR Arş.Gör. Mehmet UÇAR EKİM 2009 İÇİNDEKİLER Deneysel Çalışma 1: İşlemsel yükselteçleri (op-amp) tanımak ve önemli parametrelerini incelemek. 747 op-amp’ını kullanarak, giriş ofset gerilimini ve giriş polarlama akımını ölçmek. (Sayfa: 2) Deneysel Çalışma 2: Op-amp uygulaması olarak eviren yükselteci (inverting amplifier) incelemek. (Sayfa: 10) Deneysel Çalışma 3: Op-amp uygulaması olarak evirmeyen yükselteci (non-inverting amplifier) incelemek. (Sayfa: 14) Deneysel Çalışma 4: Op-amp uygulaması olarak gerilim izleyici (voltage follower) devresini incelemek. (Sayfa: 18) Deneysel Çalışma 5: Op-amp uygulaması olarak toplar yükselteci (summing amplifier) incelemek. (Sayfa: 20) Deneysel Çalışma 6: Op-amp uygulaması olarak çıkartma yapan devreyi (difference amplifier) incelemek. (Sayfa: 22) Deneysel Çalışma 7: Op-amp uygulaması olarak türevleyici (differentiator) devresini incelemek. (Sayfa: 25) Deneysel Çalışma 8: Op-amp uygulaması olarak integratör devresini incelemek. (Sayfa: 32) Deneysel Çalışma 9: Kıyaslayıcı (comparator) devresini incelemek. (Sayfa: 35) Deneysel Çalışma 10: PWM üretici SG3524 ile Buck (azaltan) çevirici devresini incelemek. (Sayfa: 39) Deneysel Çalışma 11: Op-amp kullanarak hassas tam dalga doğrultmaç yapmak. (Sayfa: 42) Deneysel Çalışma 12: Op-amp kullanarak gerilim regülatörü yapmak ve çalışmasını incelemek. (Sayfa: 45) 1 DENEYSEL ÇALIŞMA ----- 1 ----KONU: İşlemsel yükselteçleri (operational amplifier) tanımak ve önemli parametrelerini incelemek. 747 op-amp’ını kullanarak, giriş ofset gerilimi ve giriş polarlama akımını ölçmek. ÖN BİLGİ: İşlemsel yükselteçle (kısaca op-amp) 1940’lı yıllardan beri bilinmekle beraber, asıl yaygın kullanım alanına 1960’lı yılların sonlarına doğru, tümleşik devre teknolojisi ile üretilmeye başlandığı zaman kavuşmuştur. Bugün artık op-amp denildiğinde tümleşik devre durumunda olanlar akla gelir. Genel olarak op-amp, çok yüksek kazançlı bir DC yükselteçtir. Çeşitli özellikleri, devreye dışarıdan bağlanan devre elemanları ve bunların bağladığı geri besleme ile kontrol altına alınabilir. Op-amp devresi tek başına düşünüldüğünde 5 önemli özelliğe sahiptir. Bunlar: - Kazancı çok fazladır (örneğin 200.000) - Giriş empedansı çok yüksektir (5 Mohm) - Çıkış empedansı sıfıra yakındır - Band genişliği fazladır (1 MHz gibi) - Girişe 0V uygulandığında çıkışta yaklaşık 0V elde edilir. Op-amp devresinin iki tür sembolik gösterilişi vardır. Bunlar Şekil 1.1’de çizilmişlerdir. Genellikle kullanılan sembol Şekil 1.1(a)’dekidir. Şekil 1.1 Op-amp devrelerinde, genel olarak, birbirine ters polaritede iki kaynak kullanılır. Bu kaynaklar devre şemalarında her zaman gösterilmezler. Daha ziyade girişler ve çıkış belirtilir. 2 Şekil 1.1’de de görüldüğü gibi op-amp devresinin biri (+) diğeri (-) ile işaretlenmiş 2 girişi vardır. (+) girişe uygulanan işaret çıkışa aynı fazda; (-) girişe uygulanan işaret ise 180 derece ters fazda aktarılır. İki girişe birden uygulanan aynı işaret çıkışa aktarılmaz. (-) giriş “eviren (inverting)’’, (+) giriş ise “evirmeyen (non-inverting)” giriş olarak isimlendirilmiştir. Devre özellikleri giriş ucu olarak hangi ucun kullanıldığına ve çıkıştan girişe yapılan geri belsem miktarına bağlıdır. Şekil 1.2(a)’da giriş ucu olarak (+) uç kullanılmıştır. Bu devreye “evirmeyen yükselteç” denilir. Şekil 1.2(b)’de ise giriş (-) uçtan yapılmıştır ve devre “eviren yükselteç” olarak bilinir. Her iki yükselteç de ileriki denetlerde ayrıntılı olarak incelenecektir. Burada yükselteç kazançlarının farklı olduğuna dikkat çekilmekle yetinilecektir. Şekil 1.2 Bu deneyde op-amp devresinin önemli parametrelerini üzerinde çalışma yapılacaktır. Bu parametrelerden aşağıda kısa kısa söz edilmiştir. Deney sırasında sadece bazı parametrelerin ölçümü yapılacak, diğerlerinin ise, ölçüm zorlukları nedeniyle ölçümleri yapılmayacaktır. Giriş Ofset Gerilimi (Vio): Op-amp’ın (+) ve (-) girişler arasında ideal olarak “0” volt olması gerekir. Ancak pratikte giriş uçlarının bağlı oldukları transistörlerin tam uyum içinde olmamaları nedeniyle giriş uçları arasında, çok küçük de olsa, bir ofset gerilimi oluşur.Bu gerilim op-amp kazancı ile çarpılarak çıkışına aktarılır ve çıkışı V0 çıkış ofset gerilimi meydana gelir.V0 gerilimi devrenin kazancına bağlı olmasına rağmen Vi0 gerilimi sabittir. V0 ölçüldüğünde, Vi0 giriş ofset gerilimi, V0 = Vi 0 (1 + R2 ) R1 Formülünden bulunur. Bu formül, op-amp devresinin eviren veya evirmeyen yükselteç olarak çalışmasına bağlı değildir. Her iki durum için de geçerlidir. (Şekil 1.2’ye bakınız). 3 Op-amp devresinin kazancı yüksek tutulduğunda (R2/R1 oranı büyük seçilerek) çıkışta oluşturulacak ofset gerilimi istenmeyen boyutlarda olabilir. Bu nedenle op-amp’ların çoğunda dılarıdan ofset sıfırlama uçları bulunur. Bu uçlar arasında Şekil 1.3’deki gibi bağlanacak bir potansiyometre ile çıkış ofset gerilimini sıfırlamak mümkündür. Sıcaklığın giriş ofset gerilimi üzerinde etkisi vardır. Transistör tekniği ile imal edilen op-amp’larda her bir santigrad derece sıcaklık artışında ofset gerilimi 5-10 uV gösterilir. Giriş polarlama akımı (Ib): Her iki girişten op-amp devresine akan akımların ortalama değeridir. Vi0 gerilimi gibi çıkışta istenmeyen DC seviye oluşumuna yol açar. Şekil 1.3’teki devrede Vgr 0 iken akım yönleri görülüyor. Burada; Şekil 1.3 I b = I 1 + I 2 olmaktadır. I b = Vb Vçk − Vb + olur. Vb’nin çok küçük olduğu göz önüne R1 R2 alınırsa; Vçk = I b R2 olur. Şu halde polarma akımının çıkış ofset gerilimine olan katkısı bu şekilde bulunabilir. Giriş polarma akımının çıkışa yol açacağı ofset gerilimi oluşumunu minimum düzeye indirmek için Şekil 1.4(a) ve (b)’deki yöntemler kullanılabilir. Rp = R1R 2 R1 + R 2 Şekil 1.4 Giriş ofset akımı ( Ii0 ): Vçk=0V olduğunda her iki giriş polarma akımı arasındaki farktır ve çıkışa, Vçk = R2 I i 0 kadar ilave bir ofset geriliminin oluşmasına yol açar. 4 Giriş empedansı ( Zi ): Girişlerden birinden bakıldığında (diğeri topraklanmış durumda iken) görülen empedanstır. Çok yüksektir. Çıkış empedansı ( Z0 ): Çıkıştan bakıldığında görülen empedanstır. Oldukça düşüktür. Çıkış kısa devre akımı ( Iosc ): Op-amp devresinden çekilebilecek maksimum akımdır. Geri besleme yok iken gerilim kazancı (Avo): Op-amp devresine dışardan her hangi bir geri besleme sağlanmadığı zaman ki çıkış geriliminin giriş gerilimine oranıdır. Ortak mod tepki oranı (common mode rejection ratio-CMRR): Op-amp devresinin, her iki girişine de ortak olan işareti kabul etmeme özelliğidir. Her iki girişe aynı anda uygulanan işaretin, çıkış işaretine oranına (dB cinsinden ) eşittir. Kanal ayırımı: Bazı tümleşik op-amp devrelerinde birden fazla op-amp bir arada bulunabilir. Örneğin deneylerde kullanılacak 747 nolu op-amp bünyesinde iki adet birbirinden bağımsız op-amp vardır. Bu tür op-amp devrelerinde,op-amplardan birinin girişine uygulanan işaret, diğerinin çıkışında çok küçükte olsa bir işaret oluşturur. Bu işaret ne kadar küçük ise kanal ayrımı o kadar iyidir. Genellikle dB cinsinden oran ifadesi kullanılır. Slew rate: Op-amp’ın band genişliği ile ilgili parametredir. Bu parametre V/µsn cinsinden ifade edilir. Op-amp’ın ne kadar çabuk durum değiştireceği hakkında bilgi verir. Bu değer ne kadar büyük ise op-amp o kadar geniş bandlıdır ve girişine uygulanan çabuk değişen işaretleri bozmadan yükselterek çıkışa aktarır. Örnek olarak söz konusu parametrelerin 747 op-amp’ı için tipik değerleri Tablo 1.1’de verilmiştir. İnceleyiniz. Tablo 1.1 Vi 0 IB Ii0 Zi Z0 I osc Avo CMRR 1mV 30nA 70nA 2MΩ 75Ω 25mA 200.000 90dB Kanal ayrımı 120dB Slow rate 0,5V/msn Ön bilgi bölümünün başlarında op-amp devresine dışarıdan geri besleme sağlamak suretiyle devrenin özelliklerini kontrol altına alma olanağı olduğu belirtilmişti. Şekil 1.5’te op-amp devresinin çıkışından (-) girişe R2 direni ile geri besleme yapılmıştır. Bu durumda devrenin kazancı artık Avo değildir. Yeni kazanç, Av=R2/R1 5 Şekil 1.5 Şeklinde formüle edilir. R2 ve R1 direnç oranını ayarlamak suretiyle kazanç kontrol altına alınır. Av daima Avo 'dan küçüktür. Örneğin, R2 = 1 M, R1 = 10 K ise Av = 100 olur. Avo~200.000 sayısı yanında bu değer oldukça küçük kalmaktadır. Bu konuya ileriki deneylerde daha etraflıca değinilecektir. Burada üzerinde durulması gereken bir diğer önemli nokta da op-amp devresinin DC ve DC’ye yakın frekanslarda yüksek kazanç göstermesidir. Avo~ 200.000 sayısı sadece DC ve çok düşük frekanslardaki işaret uygulamaları için geçerlidir. Op-amp devresine uygulanan işaretin frekansı yükseldikçe Avo düşer. Şekil 1.6’da bu durum 741 op-amp'ı için grafiksel olarak izah edilmiştir. Dikkat edilecek olursa; Şekil 1.6 Kazanç x Band Genişliği = Sabit olmaktadır. Bu sabite 1 MHz dir. Yine Şekil 1.6’dan hemen görüleceği gibi, 5–6 Hz'e kadar Avo 200.000 civarındadır. Bu frekanstan sonra hemen hemen doğrusal bir şekilde azalmakta ve 1 MHz civarında Avo=1 olmaktadır. Bu frekans fT ile gösterilir ve “1 kazanç frekansı” olarak tanımlanır. Deneylerde 747 op-amp tümleşik devresi kullanılacaktır. Bu devrenin yapısında 2 adet birbirinden bağımsız op-amp vardır. Şekil 1.7’de 747 op-amp tümleşik devresinin bacak tanımlaması görülmektedir. 6 Şekil 1.7 Şekil 1.8 741 op-amp devresi deneylerimizde kullanılmamakla beraber çok sık olarak rastlanır. Bu nedenle Şekil 1.8’deki bu devrenin bacak tanımlaması da verilmiştir. 747 op-amp devresindeki her op-amp’ın özellikleri Tablo 1.2’de verilmiştir, inceleyiniz. Tablo 1.2 Parametre Giriş Ofset Gerilimi Giriş Ofset Akımı Giriş Polarma Akımı CMRR Belseme Akımı Çıkış Kısa Devre Akımı Giriş Empedansı Çıkış Empedansı Kanal Ayrımı Slew Rate Güç Harcaması Geri Beslemesiz Gerilim Kazancı Koşullar Minimum Tipik 1 7. 0,03 70 90 2 25 0,3 2 7,5 120 Ry>=2K 0,5 50 Ry>=2K 2500 Maksimum 7,5 300 0,8 3,3 85 Birim mV nA µA dB mA mA MΩ Ω dB V/µsn mW 2.105 ÖN ÇALIŞMA: 1. Şekil 1.9’daki devrede Vo=100 mV olduğuna göre giriş ofset gerilimini nasıl hesaplarsınız? ( I b = 0,1 µ A Ii0 = 0,02 µ A varsayılacaktır.) 2. Şekil 1.10’daki devrede VA = 20 mV VB = 15 mV ölçülüyor. Giriş ofset akımını hesaplayınız. (Vo=0 V) 7 Şekil 1.9 Şekil 1.10 DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLAR: 2 adet 10 K direnç 1 adet 470 K direnç Yeteri kadar kısa devre elemanı 1 adet 747 tümleşik op-amp devresi 1 adet sayısal multimetre DENEY: 1. Deneyi Şekil 1.11’deki gibi kurunuz. 2. (+) ve (-) besleme kaynaklarını ± 12 V ayarlayınız. Her ikisini aynı anda devrenize uygulayınız. 3. Sayısal multimetreyi mV düzeyinde gerilim ölçmeye hazırlayınız. a). Vo çıkış gerilimini ölçüp not ediniz. b). Ölçtüğünüz bu gerilim çıkış ofset gerilimidir. Bu gerilimi oluşturan ana 3 faktörü yazınız. 4. Besleme gerilimlerini devreden kesip op-amp’ın iki nolu ucu ile toprak arasına R3=10K direnç yerleştiriniz. Bu direncin konulma amacı nedir? Açıklayınız? 5. Yaptığınız değişiklikten sonra besleme gerilimlerini tekrar devrenize uygulayınız. 6. Sayısal multimetre ile a). Vo gerilimini ölçüp not ediniz. b). Bu değer öncekine kıyasla küçüldü mü? Niçin? Çıkış ofset gerilimi oluşturan faktörlerden hangisi etkisizleştirilmiştir. c). Polarma akımının ortalama değeri yaklaşık olarak hesaplayınız? 8 7. Besleme gerilimlerini kesiniz ve devreyi Şekil 1.12’deki duruma getiriniz. P potansiyometresi başlangıçta orta konumda olmalıdır. Devrede yapılan bu değişliğin amacı nedir? 8. Yaptığınız değişiklikten sonra devrenize gerilim uygulayınız. 9. P potansiyometresi ile oynamak sureti ile Vo ~ 0 mV yapınız. a) Va ve Vb gerilimlerini ölçüp not ediniz. b) Va V ve b değerleri neyi verir. Buna göre Iio akımı yaklaşık ne kadardır. R1 R3 c) Bu durumda Iio akımından dolayı çıkışta oluşan ofset gerilimini hesaplayabilir misiniz? d) Ib ve Iio akımlarından dolayı çıkışta meydana gelen ofset gerilimleri bilindiğine göre giriş ofset gerilimlerinden kaynaklanan çıkış ofset gerilimlerini bulunuz. e) Bu durumda giriş ofset gerilimi ne kadardır? f) Bulduğunuz Ib, Iio ve Vio değerlerini Tablo 1.2’de verilenlerle karşılaştırınız? Bulduğunuz sonuçlar normal mi? Şekil 1.11 Şekil 1.12 9 DENEYSEL ÇALIŞMA ----- 2 ----KONU: Op-amp uygulaması olarak eviren yükselteci (inverting amplifier) incelemek. ÖN BİLGİ: Şekil 2.1’de, op-amp devresinin eviren yükselteç olarak kullanımı görülüyor. Burada işaret (-) girişe uygulanmıştır. R1 giriş direnci, R2 geri besleme direncidir. Op-amp devresinin özelliğinden dolayı X noktasındaki gerilim 0 volta yakındır. Vgr=Igr.R1 yazılabilir. Benzer şekilde Vçk = -If.V2 olur. If = Igr olduğundan Vçk = − I gr R2 = −( V gr R1 ) R2 Av = Vçk V gr =− R2 olur. R1 Şu halde eviren yükseltecin gerilim kazancı –R2/R1 oranına eşit olmaktadır. İfadenin önündeki (-) işareti eviren yükseltecin giriş ve çıkışı arasında 180° faz farkı olduğunu göstermektedir. Eviren yükseltecin giriş empedansı R1 direnç değerine eşittir. Çıkış empedansı ise çok küçüktür ve Av ile ters orantılıdır. R2 = R1 olarak seçildiğinde devrenin kazancı 1 olur. Böyle bir devre genellikle bir işaretin polaritesini değiştirilmek istendiğinde kullanılır. Şekil 2.1 R2 direnç değerini değiştirmek suretiyle, Şekil 2.1’de görüldüğü gibi kazancı kontrol edilebilir bir yükselteç oluşturulabilir. K komütatörünün bulunduğu konuma göre devre kazancı değişik değerler alacaktır. Daha önceki deneyde op-amp geri beslemesiz olarak kullanıldığında kazancın DC ve DC’ye yakın frekanslarda çok yüksek olduğu, frekans artıkça kazancın 1’e yaklaştığı belirtilmişti. Bu durum Şekil 2.2’de yinelenmiştir. 10 Şekil 2.2 Genellikle op-amp devrelerinin Av (Geri besleme varken ki kazanç) gerilim kazançlarının ne olması gerektiği şu şekilde belirlenir. İstenilen band genişliğinde Avo’un değeri (Şekil 2.2’den yada benzer grafiklerden) bulunur. Emniyet payı düşünülerek Av=Avo/10 olarak saptanır. Örneğin band genişliğinin 10 KHz olması isteniyorsa (741 veya 747 op-amp kullanarak) Şekil 2.2’den Avo=100 bulunur. Buna göre Av=100/10=10 olur. Şu halde 741 (veya 747) kullanılarak 10 KHz band genişlikli bir yükselteç yapılacak ise, bu yükseltecin gerilim kazancı 10 olacak şekilde R1 ve R2 dirençleri seçilmelidir. Kazanç daha büyük olacak şekilde yapılacak R1 ve R2 seçimi bandı daraltacaktır. ÖN ÇALIŞMA: 1. Şekil 2.3’deki devrenin DC gerilim kazancı R2=10K, R2=33K, R2=100K değerleri için ayrı ayrı bulunuz. 2. Şekil 2.4’deki devrenin kazancını ve band genişliğini hesaplayınız. Şekil 2.3 Şekil 2.4 DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELAMANI VE CİHAZLAR: 2 adet 10 K direnç 1 adet 33 K direnç 11 1 adet 100 K direnç 1 adet 747 op-amp 1 adet işaret üretici 1 adet osiloskop Yeterince kısa devre elemanı DENEY: 1. Devreyi Şekil 2.5’deki gibi kurunuz. R2=10K olacaktır. 2. Güç kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sıra ile +12 volta ve -12 volta ayarlayınız. 3. ±12 besleme gerilimlerini devreye uygulayınız. 4. İşaret üreteci çıkışını, Frekans 1 KHz, Genliği 1 V(t-t) olan bir sinüsoidal dalgaya ayarlayınız. 5. Osiloskobunuzun A kanalına giriş işaretini, B kanalına da çıkış işaretini uygulayınız. Her iki kanalı da, frekansı 1 KHz genliği 2 Volt olabilecek bir işareti en iyi şekilde görüntüleyebilecek biçimde ayarlayınız (B kanalı için daha sonra yeniden ayarlama yapmak gerekebilir). 6. İşaret üreteci çıkışını devre girişine uygulayınız. a). Vçk ve Vgr işaretlerini osiloskop ekranında bir arada gözleyiniz. Aralarında faz farkı var mı? Ne kadar? b). Devrenin gerilim kazancını bulup, Tablo 2.1'de ilgili haneye not ediniz. Tablo 2.l R2(K) 10 33 100 Av 7. R2 direncini 33 K yapınız. Devrenin gerilim kazancı, bu durumda ne kadar oluyor? Tablo 2.1’de ilgili haneye yazınız. 8. R2 direncini 100 K yapınız. Devrenin gerilim kazancını bulup, Tablo 2.1’de ilgili haneye yazınız. 12 9. Tablo 2.1' in incelenmesi sonucu: a). Av = R2 oluyor mu ? R1 b). Deneysel olarak bulduğunuz sonuçları ön çalışma 1’deki bulduklarınız ile karşılaştırınız. 10. R1 = 10 K R2 = 100 K iken, işaret üretecinin frekansının yavaş yavaş artırınız. Çıkış işaretinin genliği, hangi frekansta 1 KHz'deki genlik değerinin üçte ikisine iniyor? Bu değeri (yükseltecin band genişliği) not ediniz ve ön çalışma 2’de bulduğunuz sonuç ile karşılaştırınız. Farklılık varmı? niçin? 11. R1 = 10 K R2 = 33K yapınız. İşaret üreteci frekansını 1 KHz’e ayarlayınız. Sonra frekansı yavaş yavaş artırınız. a) Bu durum için, devrenin band genişiğini belirleyiniz. b) Önceki işlemde bulduğunuz (Av=10) band genişliği ile bu işlemde bulduğunuz (Av=3.3) band genişliğini karşılaştırınız. Gerilim kazancının miktarı band genişliğini etkiliyor mu? Nasıl ve ne ölçüde? Şekil 2.5 13 DENEYSEL ÇALIŞMA ----- 3 ----KONU: Op-amp uygulaması olarak evirmeyen yükselteci (non-inverting amplifier) incelemek. ÖN BİLGİ: Şekil 3.l'de, op-amp devresinin evirmeyen yükselteç olarak kullanılması görülüyor. Burada işaret (+) girişe uygulanmıştır. Giriş ile çıkış işaretleri aynı fazdadırlar. Devrenin gerilim kazancı Av = Vçk V gr = (1 + R2 ) olarak ifade edilebilir. Bu bağlantıda çıkış empedansı oldukça R1 yüksektir. Şekli 3.1’deki devrenin bir diğer çizilmiş şekli de Şekil 3.2’de gösterilmiştir. Her iki devrenin de birbirinin aynı dikkat ediniz. Şekli 3.1 Şekil 3.2 Evirmeyen yükselteç daha önceden incelenen eviren yükselteç arasındaki belli başlı farklar şunlardır: - Evirmeyen yükselteçte giriş ve çıkış işaretleri aynı fazdadır. Eviren yükselteçte ise arlarında 180° faz farkı vardır. - Evirmeyen yükseltecin giriş empedansı op-amp giriş empedansına eşit olup çok yüksektir. Eviren yükseltecin giriş empedansı ise R1 kadardır. - Evirmeyen yükseltecin kazancı, eviren yükseltecinkinden daima 1 fazladır, daima da 1’den büyüktür. Çıkış empedansı, band genişliği gibi diğer özellikler bakımında aralarında fazla fark yoktur. ÖN ÇALIŞMA: 1. Şekil 3.3’deki devrenin gerilim kazancı, R2=10K, R2=33K, R2=100K değerleri için ayrı ayrı bulunuz. 2. Şekil 3.4'deki devrenin band genişliğini, yaklaşık olarak, hesaplayınız. 14 Şekil 3.3 Şekil 3.4 DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLAR: 2 adet 10 K direnç 1 adet 33 K direnç 1 adet 100 K direnç Yeterince kısa devre elemanı 1 adet 747 op-amp 1 adet işaret üreteci 1 adet osiloskop. DENEY: 1. Devreyi Şekil 3.5'deki gibi kurunuz. R2=10 K olacaktır. 2. Giriş kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sırasıyla +12 volta ve -12 volta ayarlayınız. 3. +12 volt besleme gerilimlerini devreye uygulayınız. 4. İşaret üretecinin çıkışını, Frekansı 1 KHz, Genliği 1V(t-t) olan bir sinüssoidal işarete ayarlayınız. 5. Osiloskobunuzun A kanalına giriş işaretini, B kanalına da çıkış işaretini uygulayınız.Her iki kanalı da, frekansı 1 KHz genliği 1 volt olabilecek bir işareti en iyi şekilde görüntüleyebilecek biçimde ayarlayınız. (B kanalı için daha sonra yeniden ayarlama yapmak gerekebilir). 6. İşaret üretici çıkışı devre girişine uygulayınız. 15 a). Vgr ve Vçk işaretlerini osiloskop ekranında bir arada gözleyiniz. Aralarında faz farkı var mı? b). Devrenin gerilim kazancını bulup Tablo 3.l'de ilgili haneye not ediniz. 7. R2 direncini 33K yapınız. Devrenin gerilim kazancı, bu durumda ne kadar oluyor? Tablo 3.1’de ilgili haneye yazınız. Tablo 3.1 R2(K) 10 33 100 Av 8. R2 direncinin değerini 100K yapınız. Devrenin gerilim kazancını bulup, Tablo 3.1’de ilgili haneye yazınız. 9. Tablo 3.1’deki sonuçlara göre; a). Av = 1 + R2 oluyor mu? R1 b). Deneysel olarak bulduğunuz sonuçları ön çalışma 1’deki bulduklarınız ile karşılaştırınız. 10. Eviren yükselteç için bulduğunuz sonuçları hatırlayarak. Evirmeyen yükselteç kazancının aynı şartlar altında, eviren yükselteç kazancından daima 1 fazla olduğunu gözlediniz mi? 11. R1= 10K ve R2= 100K iken, işaret üretecinin frekansını yavaş yavaş artırınız. Çıkış işareti, hangi frekans değerinde 1 KHz'deki genliğinin üçte ikisine iniyor? Bu değeri not ediniz ve ön çalışma 2’de bulduğunuz sonuç ile karşılaştırınız. Farklılık var mı? Niçin? 12. Eviren yükselteç için bulduğunuz sonucu hatırlayınız. Eviren ve evirmeyen yükselteçlerin, yaklaşık aynı gerilim kazançlarında, benzer band genişliğine sahip olduklarını gözlemlediniz mi? 16 Şekil 3.5 17 DENEYSEL ÇALIŞMA ----- 4 ----KONU: Op-amp uygulaması olarak gerilim izleyici (Voltage follower) sini incelemek. ÖN BİLGİ: Gerilim izleyici devresi, isminden de anlaşılacağı gibi, gerilim kazancının 1 ve giriş-çıkış işaretlerinin aynı fazda olduğu bir yükselteçtir. Bu özellikler, kazancı 1 olan evirmeyen yükselteç ile sağlanabilir. Böyle bir devre Şekil 4.1’de görülmektedir.Bu devrenin kazancı 1 olduğu için band genişliği de oldukça yüksektir, empedansı büyük, çıkış empedansı ise çok küçüktür. Şekil 4.1 ÖN ÇALIŞMA: 1. 747 op-amp'ı kullanılarak yapılan bir gerilim izleyici devresinin band genişliğini hesaplayınız. 2. Daha önceki deneylerde incelenen transistor devrelerinden emiter izleyici devresi ile op- amp’lı gerilim izleyici devresini karşılaştırıp benzerlikleri sıralayınız. DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CIHAZLAR: 1 adet 74 7 op-amp 1 adet işaret üreteci 1 adet osiloskop. DENEY: 1. Devreyi Şekil 4.2’deki gibi kurunuz. 2. Güç kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sırasıyla +12 volta ve -12 volta ayarlayınız. 18 3. ±12 volt besleme gerilimlerini devreye uygulayınız. 4. İşaret çıkışını, Frekansı 1 KHz, Genliği 1 V(t-t) olan bir sinusoidal dalgaya ayarlayınız 5. Osiloskobunuzun A kanalına giriş işaretini, B kanalına da çıkış işaretini uygulayınız. Her iki kanalı da, frekansını 1 KHz genliğini 1 volt olabilecek bir işareti en iyi şekilde görülecek biçimde ayarlayınız. 6. İşaret üretici çıkışını devre girişine uygulayınız. Vgr ve Vçk işaretlerini osiloskop ekranında bir arada gözleyiniz. İşaretler her bakımdan birbirinin aynısı mı? 7. İşaret üretecinin frekansını yavaş yavaş artırınız. Çıkış işaretinin genliği hangi frekans değerinde 1 KHz'dekinin üçte ikisine iniyor? Bu değeri not ediniz ve daha önceki deneylerde bulunan çeşitli op-amp devrelerine ait band genişlikleri ile karşılaştırınız. Şekil 4.2 19 DENEYSEL ÇALIŞMA ----- 5 ----KONU: Op-amp uygulaması olarak ‘toplar yükselteci’ (summing amplifier) incelemek. ÖN BİLGİ: Şekil 5.1’de, op-amp devresinin toplar yükselteç olarak kullanımı görülmektedir. Burada op-amp eviren yükselteç olarak çalışmakta olup çıkış: Vçk = ( Rf R1 V gr1 + Rf R2 V gr 2 ) olarak yazılabilir. Rf=R1=R2 seçilirse Vçk = V gr1 + V gr 2 olur. Burada (-) işaret op-amp'ın eviren yükselteç olarak çalışmasından kaynaklanmaktadır. Şekil 5.1 ÖN ÇALIŞMA: 1. Şekil 5.2’deki devrenin çıkışında kaç volt gözleriz. Hesaplayınız. 2. Aynı soruyu Şekil 5.3'deki devre için de cevaplayınız. Şekil 5.2 Şekil 5.3 20 DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLAR: 1 adet 1 K direnç 1 adet 2,2 K direnç 3 adet 10 K direnç 2 adet 33 K direnç Yeterince kasa devre elemanı 1 adet 747 op-amp 1 adet sayısal multimetre. DENEY: 1. Devreyi Şekil 5.4'deki gibi kurunuz. 2. Güç kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sırasıyla,+12 volta ve -12 volta ayarlayınız. 3. ±12 volt besleme gerilimlerini devreye uygulayınız. Sayısal multimetre kullanarak; a) V gr1 , V gr 2 , Vçk gerilimlerini not ediniz. Vçk = V gr1 + V gr 2 oluyor mu? b) Bulduğunuz sonucu, ön çalışma 1'de bulduğunuz sonuç ile karşılaştırınız. 4. Rf = 33 K yapınız. Sayısal multimetre kullanarak; a) V gr1 , V gr 2 , Vçk gerilimlerini ölçüp not ediniz. Vçk = V gr1 + V gr 2 eşitliği hala geçerli mi? Değil ise niçin? Açıklayınız. b) Bulduğunuz sonucu, ön çalışma 2'de bulduğunuz sonuç ile karşılaştırınız. Şekil 5.4 21 DENEYSEL ÇALIŞMA ----- 6 ----KONU: Op-amp uygulaması olarak çıkartma yapan devreyi (difference amplifier) incelemek. ÖN BİLGİ: Şekil 6.1’de op-amp devresinin çıkartma işlemini nasıl yaptığına ait devre görülmektedir. Devrede superpozisyon teoremi uygulandığında; Vgr1 'den dolayı V ı çk = − Rf R1 V gr1 olur. V gr 2 'den dolayı; V ıı çk = (V gr 2 R3 R )(1 + F ) R 2 + R3 R1 V ıı çk = V gr 2 ( R3 R )(1 + F ) R2 + R3 R1 Vçk = V ıı çk + V ı çk = − Rf R1 V gr1 + V gr 2 ( R3 R )(1 + F ) olarak bulunur. R2 + R3 R1 Şekil 6.1 Eğer R1=R2=R3=Rf ise: Vçk = V gr 2 − V gr1 olur.görüldüğü gibi dever girişine uygulanana gerilimleri farkını almaktadır. R3=Rf ve R1=R2 olarak seçmek suretiyle, devreyi fark yükselteci haline getirmek mümkündür. Örneğin, R3=Rf=100 K ve R1=R2=10 K ise devre çıkışında giriş işaretleri arasındaki farkın 10 katı görülecektir. ÖN ÇALIŞMA: 1. Şekil 6.2’deki devre çıkışı kaç volttur? Hesaplayınız. 2. Aynı soruyu, Şekil 6.3’deki devre içinde cevaplayınız. 22 Şekil 6.2 Şekil 6.3 DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLARI: 1 adet 2.2 K direnç 1 adet 5,6 K direnç 4 adet 10 K direnç 3 adet 33 K direnç Yeterince kısa devre elemanı 1 adet 747 op-amp 1 adet sayisal multimetre. DENEY: 1. Devreyi Şekil 6.4’deki gibi kurunuz. 2. Güç kaynağının(+) ve (-) bölümlerini sırasıyla, +12 volta ve -12 volta ayarlayınız. 3. ±l2 volt besleme gerilimlerini devreye uygulayınız. 4. Sayısal multimetre kullanarak; a) V gr1 , V gr 2 , Vçk gerilimlerini not ediniz. Vçk = V gr 2 − V gr1 oluyor mu? b) Bulduğunuz sonucu, ön çalışma l'de bulduğunuz sonuç ile karşılaştırınız. 5. R3=Rf=33 K yapınız. Sayısal multimetre kullanarak, a) V gr1 , V gr 2 , Vçk gerilimlerini not ediniz Vçk = V gr 2 − V gr1 hala geçerli mi? Değilse niçin? Açıklayınız. b) Bulduğunuz sonucu ön çalışma 2'de bulduğunuz sonuç ile karşılaştırınız. 23 c) Devre fark yükselteci olarak çalışıyor mu? Şekil 6.4 24 DENEYSEL ÇALIŞMA ----- 7 ----KONU: Op-amp uygulaması olarak türevleyici (differentiator) devresini incelemek. ÖN BİLGİ: Türevleyici devresi, genel olarak bir eviren yiikselteç özelliğindedir (Şekil 7.l). Fark olarak girişte direnç yerine kondansatör (Cgr ) bulunmaktadır. Devre, girişine Şekil 7.1 uygulanan periyodik işaretin türevini alarak çıkışa aktarır. Bu işlem formüllerle, kısaca, şu şekilde açıklanabilir. Op-amp devresinin giriş empedansı çok yüksek olduğundan X noktasındaki gerilim yaklaşık, 0 volt (+ uçtaki gerilim) civarındadır. Buna göre; C kondansatörü üzerinden akacak akım; Igr =Cgr.dVgr/dt olur. Şekil 7.1 Çıkış gerimi ise; Vçk = R f İ f olarak yazılabilir (X noktası yaklaşık 0 V olduğundan). Vçk = − R f C gr dV gr dt olacaktır. Görüldüğü gibi, Şekil 7.1’deki devre girişine uygulanan Vgr işaretinin türevini alıp dVgr dt belirli bir sabit ile (Rf Cgr) çarparak çıkışına aktarmaktadır. Şekil 7.1'deki devre uygulamada bu haliyle yeterli değildir. Çünkü Cgr kondansatörü yüksek frekanslardaki işaretlere kısa devre gibi davranacağından yükselticin kazancı artar, çıkış bu frekanslar için yüksek değerlere ulaşır.Vgr işaretinin frekansı yüksek olmasa bile beraberinde görültü mevcut olabilir. Gürültü işareti çok geniş frekans tayfına sahip olduğundan, Şekil 7.1’deki devre gürültünün yüksek frekans bölümü olduğu gibi yükseltebilir. Bu ise istenmeyen bir durumdur. Bu nedenle op-amp devresi kazancına yüksek 25 frekanslar için bir sınır koymak gerekir. Bu işlem Şekil 7.2’de görüldüğü gibi bir Rgr direncinin eklenmesi ile sağlabilir. Artık devrenin maksimum kazancı Rf/Rgr olarak sınırlandırılmıştır. Şekil 7.2 Bu devrenin türevleyici olarak çalışabilmesi için 2 koşulun sağlanması gerekir. 1. Giriş işaret frekansı; f gr ≤ 1 = fc 2πR gr C gr olmalıdır. Bu değerden frekansa sahip frekanslar için devre türevleyici olarak çalışmaz. 2. Devrede Rf Cgr çarpımı ‘zaman sabitesi olarak isimlendirilir. Giriş işaretinin peryodu yaklaşık bu değer civarında olmalıdır. Örnek: Şekil 7.3’deki devre frekansı 1 KHz bir sinüsoidal işaret için türevleyici olarak çalışabilirmi? Şekil 7.3 fc = 1 1 10 4 Bu durumda fgr<fc olur. = = 2πR gr C gr 2π ∗ 10 3 ∗ 0,1 ∗ 10 −6 2π Devrenin zaman sabitesi, C gr R f = 0,1 * 10 −6 * 10 * 10 3 = 1 msn 26 Giriş işaretinin peryodu, Tgr = 1 1 = = 1msn . f gr 1KHz Görüldüğü gibi, giriş işaretinin peryodu, devrenin zaman sabitine eşittir. Şu halde, devre 1 KHz frekansı sinüsoidal işaret için türevleyici olarak çalışabilir. Şekil 7.3’deki devrenin söz konusu işaret için türevleyici olarak çalışabileceğini kanıtladıktan sonra, devre girişine 0,5 V genlikli ve 1 KHz frekanslı bir sinüsoidal uygulandığında çıkışta görülecek işaretin ne tip bir işaret olduğunu araştıralım; Giriş işaretini, V gr = 0,5 * sin 2πft V gr = 0,5 * sin 2π (1000)t olarak formülize etmek mümkündür. Vçk = − RfCgr dVgr olduğuna göre dt Vçk = −(10 K )(0,1µF ) d (0,5 sin 2π (1000)t ) dt Vçk = −(10 K )(0,1µF )(0,5 * 2π * 1000)(cos 2π (1000)t ) Vçk = −3,14 cos 2π (1000)t olur. Şu halde çıkış işareti, 3,14 V tepe değerli ve 1 KHz frekanslı bir cosinüs eğrisidir. NOT: d sin 2π f t = 2π f cos 2 π f t olur. dt ÖN ÇALIŞMA: 1. Şekil 7.4’deki devre girişine, Şekil 7.5’deki işaret uygulandığında devre türevleyici olarak görev yapar mı? fc ve fgr frekanslarını ve devre sabiti ile Tgr değerini karşılaştırarak bu sonuçlara dayandırınız. 27 Şekil 7.4 Şekil 7.5 Şekil 7.4’deki devre girişine, Şekil 7.5’deki işaret uygulandığında çıkış işaretinin şekli, frekansı ve genliği ne olur açıklayınız? Vgr ve Vçk işaretlerini alt alta çiziniz. Yol Gösterme: Şekil 7.5’deki işaretin genel çizimi Şekil 7.6’da gösterilmiştir. Şekil 7.6 Burada a b arasındaki doğru parçası t1 msn kadar süre içinde –V den + V’ye çıkmaktadır. Denklemi Vab = −V + 2 V * t olarak yazılabilir. Çünkü t=0 olduğunda Vab=-V t = t1 t1 olduğunda Vab= +V olmaktadır. bc arasındaki doğru parçası ise t1 ile 2t1 arasıda +V den –V ye inmektedir. Denklemi, Vbc = +V − 2 V (t − t1 ) olur. Çünkü, t = t1 olduğunda Vbc = +V t1 t = 2t 1 olduğunda Vbc = −V olmaktadır. V gr = Vab = −V + 2 Vçk = RF C gr V t olduğunda, t1 d V (−V + 2 t ) dt t1 28 V Vçk = − RF C gr ( ) t1 Vçk = −2 RF C gr V olur. t1 V gr = Vbc = +V − 2 Vçk = − R F C gr V (t − t1 ) olduğunda ise, t1 d V (V − 2 (t − t1 )) t1 dt V Vçk = RF C gr (−2 ) t1 Vçk = 2 RF C gr V olur. t1 Buna göre Vçk işaretinin ( V gr ’in tamamı için) genliği, 2 RF C gr V olan bir kare dalga olacağı t1 açıktır. Bu bilgilerin ışığı altında ön çalışma 2’yi cevaplayınız. DENEYDE KULLANILCAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLARI: 1 adet 10 K direnç Yeterince kısa devre elemanı 1 adet 10 nF kondansatör 1 adet 747 op-amp 1 adet işaret üretici 1 adet osiloskop DENEY: 1. Devreyi Şekil 7.7’deki gibi kurunuz. 2. Güç kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sırasıyla +12 V’a ve -12 V’a ayarlayınız. ± besleme gerilimlerini devreye uygulayınız. 29 3. İşaret üretici çıkışını, Frekansı 1 KHz, Genliği 2 Vt −t olan bir üçgen dalgaya ayarlayınız. 4. Osiloskobun A kanalına giriş işaretini, B kanalına ise çıkış işaretini uygulayınız. Her iki kanalı da; frekansı 1 KHz, genliği 1 volt olabilecek bir işareti en iyi şekilde görüntüleyecek biçimde ayarlayınız. 5. İşaret üreteci çıkışını, devre girişine uygulayınız. a) V gr ve Vçk işaretlerini birlikte gözleyip, aralarındaki farkları not ediniz. Devre türev alıcı olarak çalışmışmıdır? b) Vçk işaretinin tepe genliğini ölçüp net ediniz. Bu sonucu, ön çalışma 2’de bulduğunuz sonuç ile karşılatırınız. 6. Girişi uygulanan üçgen dalganın genliği aynı kalmak koşuluyla frekansını yarıya indiriniz. (0,5 KHz). 7. Çıkışta gözlediğiniz işarette ne gibi değişiklikler oldu? Bu değişiklikleri nasıl açıklarsınız? 8. Girişe uygulanan üçgen dalganın genliği aynı kalmak koşuluyla frekansını 20 KHz yapınız. Çıkış işaret şekli, öncekilere kıyasla değişti mi? Niçin? Devrenin gerilim kazancı ne kadar? Bu kazanç Av = RF 10 K = = 10 sonucuna yakın mı? Devre sadece eviren yükselteç 1K R gr gözüyle bakılabilir mi? Niçin? Açıklayınız. Şekil 7.7 30 DENEYSEL ÇALIŞMA ----- 8 ----KONU: Op-amp uygulaması olarak integratör devresini incelemek. ÖN BİLGİ: İntegratör devresi, genelde, girişine uygulanan işaretin integralini alır ve çıkışa aktarır. Bu işlemi yapan bir op-amp devresi Şekil 8.1’de görülmektedir. Dikkat edilecek olursa, türevleyici devresindeki direnç ve kondansatörlerin yerlerini değiştirmek suretiyle integratör devresi elde edilmektedir. Bu devrede de x noktasındaki gerilim op-amp çıkış özelliğinden dolayı, 0 V civarındadır. Şekil 8.1 Bu durumda; İ gr = 1 Vçk = CF Vçk = − V gr R gr yazılabilir. t ∫İ f dt ve İ f = − İ gr olduğuna göre 0 1 CF t ∫ İ gr dt = 0 t 1 V gr dt C F ∫0 R gr t 1 Vçk = − V gr dt C F R gr ∫0 Olarak bulunur. Bilindiği gibi integral anlam olarak bir eğrinin altında kalan alana karşılık gelmektedir. Op-amp devresindeki giriş ofset geriliminin giderek op-ampı doyuma götürmesini önlemek için Şekil 8.1’deki devre de değişiklik yapmak gerekir. Bu değişiklik 31 Cf kondansatörüne paralel bir R1 direnci bağlanarak yapılır (Şekil 8.2). Giriş polarma akımlarının eşit olmayışından doğacak ofset gerilimini ve dolayısıyla bu gerilimin etkilerini gidermek amacıyla Şekil 8.3’te görüldüğü üzere R2 direnci kullanılır. Şekil 8.2 Bu direncin değeri R2 = R1 // R gr Şekil 8.3 R2 = R1 R gr R1 + R gr olmalıdır. Devrenin bir integratör olarak görev yapabilmesi için girişine uygulanan frekansı (fgr) f gr ≥ f c = Ayrıca devrenin zaman sabitesi ( 1 olmalıdır. 2πR1C f 1 ) ile girişine uygulanan işaretin peryodu birbirlerine R gr C f yakın değerde olmalıdırlar. fgr<fc olduğunda devre eviren yükselteç olarak çalışır ve çıkışta girişin R1 kadar yükseltilmişi görülür. İntegral alma işlemi türev almanın tersi olduğundan R gr bir integratör girişine kare dalga uygulandığında çıkışta üçgen dalga elde edilir. ÖN ÇALIŞMA: 1. Şekil 8.4’deki devre girişine Şekil 8.5’deki işaret uygulandığında devre integratör olarak çalışır mı? fc ile fgr frekanslarını ve devrenin zaman sabiti ile Tgr değerini karşılaştırarak cevabınızı bu sonuçlara dayandırınız. 2. Şekil 8.4’deki devre girişine Şekil 8.5’deki işaret uygulandığında çıkış işaretinin şekli, frekansı ve genliği ne olur? Açıklayınız. Vgr ve Vçk işaretlerini alt alta çiziniz. 32 Şekil 8.4 Şekil 8.5 Yol Gösterme: 0 ile 0,5 msn arasında t Vçk = − 1 V gr dt C F R gr ∫0 Bu bir − Vçk = − 1 C F R gr t ∫ İ dt Vçk = − 0 1 t R gr C f 1 eğimli doğru denklemidir ve tepe değerini t = t1 = 0,05 * 10 −3 sn anında alır. R gr C F −3 0 , 05*10 1 t I = −0,5 V olur. 0,05 msn ile 0,1 msn Bu durumda Vçk (tepe) = − 0 10 * 10 3 * 0,01 * 10 −6 arasındaki durum buna benzer şekilde hesaplanabilir. DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELAMANI VE CİHAZLAR: 3 adet 10 K direnç 1 adet 100 K direnç Yeterince kısa devre elamanı 1 adet 0,01 µF kondansatör 1 adet 747 op-amp 1 adet işaret üreteci 1 adet osiloskop DENEY: 1. Deneyi Şekil 8.6’daki gibi kurunuz. Kurduğunuz devreyi öğretmenize kontrol ettiriniz. 2. Güç kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sırasıyla +12V ve -12V ‘a ayarlayınız. ±12V besleme gerilimlerini devreye uygulayınız. 3. İşaret üreteç çıkışını, Frekans 10KHz, Genliği 2V(t-t) olan bir kare dalga ayarlayınız. 33 4. Osiloskobunuzun A kanalına giriş işaretini B kanalına ise çıkış işaretini uygulayınız. Her iki kanalıda frekansı 1KHz genliği 1V olabilecek işareti en iyi şekilde görüntüleyecek biçimde ayarlayınız. 5. İşaret üretici çıkışını, devre girişine uygulayınız. a) Vgr ve Vçk işaretlerini birlikte gözleyip aralarındaki farkları not ediniz. Devre integral alıcı olarak çalışmıdır? b) Vçk işaretinin tepe genliği ölçüp not ediniz. Bu sonucu ön çalışma-2’deki bulduğunuz sonuç ile karşılaştırınız? c) Vçk gerilimi 0V etrafında mı salınıyor? Niçin? R1=100K direncine paralel 10K bağlayınız ne oldu? Niçin? 6. Girişe uygulanan kare dalganın genliği aynı kalmak koşuluyla frekansını 5KHz yapınız. Çıkışta gözlediğiniz işarette ne gibi değişiklikler oldu? Bu değişiklikleri nasıl açıklarsınız? 7. Girişe uygulanan kare dalganın genliği aynı kalmak koşuluyla frekansını 50 Hz yapınız. Çıkış işaret şekli öncekilere kıyasla değişti mi? Niçin? Devrenin gerilim kazancı ne kadar bu kazanç Av = R1 100 = = 10 sonucuna yakın mı? Devreye artık sadece eviren yükselteç 10 R gr gözüyle bakmak doğru olur mu? Niçin? Açıklayınız. Şekil 8.6 34 DENYESEL ÇALIŞMA ----- 9 ----KONU: Kıyaslayıcı (comparator) devesini incelemek. ÖN BİLGİ: Op-amp devresine dışarıdan geri besleme uygulanmadığı sürece kazancı çok yüksektir. Şekil 9.1’de Vgr ve Vref gerilimleri arasında çok küçükte olsa fark varsa bu fark op-ampın açık devre kazancı( 20 000 civarında ) ile çarpılır ve çıkışa yaklaşık olarak +V ve –V görülür. Şekil 9.1 Şekil 9.1’deki kıyaslayıcı, evirmeyen özelliktedir. Çünkü Vgr(+) uca uygulanmıştır. Vgr>Vref olduğunda Vçk= + V ( yaklaşık ) Vgr<Vref olduğunda Vçk=-V (yaklaşık) olur. Tersi durumda eviren kıyaslayıcı elde edilir. Eğer kıyaslayıcı devresi bir TTL devreyi sürecek ise o zaman Şekil 9.2’de görülmektedir. Şekil 9.2 Vgr>Vref olduğunda: Vçk= 5 V Vgr< Vref olduğunda: Vçk=- 0.6 V olur. Bu şekilde kıyaslayıcı çıkışı TTL devre girişine bağlanabilir. Deneylerde kullanılacak 747 op-amp devresinin maksimum dayanabileceği diferansiyel giriş ± 30V civarındadır. Buna 35 göre Vgr ile Vref arasındaki gerilim farkı hiçbir zaman 30 voltu aşmamalıdır. Örneğin Vgr=18 V Vref=-18 V olması halinde op-amp hasara uğrar. Kıyaslayıcı devresi A/D (analog to digital) çeviricilerde delta modülatörlerinde ve daha bir çok alanda kullanılan önemli bir devredir. ÖN ÇALIŞMA: 1. Şekil 9.3’deki devrede Vgr=0.8 V Vref= 0.7 V olduğuna göre Vçk gerilimini bulunuz. Devre ne tür kıyaslayıcıdır? Şekil 9.3 2. Aynı soruyu Zd diyotu nu yok varsayarak cevaplayınız. 3. R1, R2, R3 dirençleri niçin gereklidir? DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLAR: 1 adet 270 Ω direnç 2 adet 1 K direnç 3 adet 10 K direnç 1 adet 33 K direnç 1 adet 10 K potansiyometre Yeteri kadar kısa devre elemanı 1 adet 747 tümleşik op-amp devresi 1 adet 1N4002 diyot 1 adet BC238B transistör 1 adet led 1 adet 3 V zener 1 adet sayısal multimetre 36 DENEY: 1. Devreyi Şekil 9.4’deki gibi kurunuz. R1=R2=10K olmalıdır dikkat ediniz. 2. Besleme gerilimleri +12 V ve -12 V’a ayarlayınız. 3. Kurduğunuz devreye gerilim uygulayınız. 4. Sayısal multimetreyi DC gerilim ölçümüne hazırlatıp devre çıkışına bağlayınız. 5. P potasiyometresini saat yönü olarak sonuna kadar çeviriniz. 6. Vgr , Vref ve Vçk gerilimlerini ölçüp not ediniz. Durum kurumsal bilgilerle uyum içinde mi? Devre evirmeyen kıyaslayıcı olarak mı çalışıyor? 7. Vçk gerilimi +12 V’luk kaynak gerilimine ulaşana kadar potansiyometreyi saat yönüne ters olarak çevirininiz. Tam geçiş anındaki Vgr , Vref ve Vçk değerlerini kaydediniz. Bu Vgr değerini ölçünüz. Bu değeri Vref ile kıyaslayınız. Durum kurumsal bilgilerle uyumlu mu? 8. Devreyi Şekil 9.5’deki duruma getiriniz. R3= 10K olduğunda emin olunuz. Daha küçük değer op-amp’ın yanmasına neden olur. 9. Vgr= 6 V ve Vref = 3 V için LED’in durumunu gözleyiniz. Bu devrede D diyotunun görevi nedir? Devrenin çalışmasını kısaca açıklayınız. 10. Vref gerilimini hassas biçimde ölçüp not ediniz. Vgr gerilimini, Vref geriliminin 20 mV üstüne ayarlayıp LED’in durumuna bakınız. Aynı işlemi, Vgr gerilimini Vref geriliminin 230 mV altına ayarlayıp yineleyiniz. Devre 20 mV’luk farkı dahi değerlendirebiliyor mu? 37 Şekil 9.4 Şekil 9.5 38 DENEYSEL ÇALIŞMA ----- 10 ----KONU: PWM üretici SG3524 ile Buck (azaltan) çevirici devresini incelemek. ÖN BİLGİ: DA çeviricilerin en önemli uygulamaları anahtarlamalı güç kaynakları ve DA motor sürme devreleridir. Bu uygulamada, DA çeviricinin anahtarlama sinyalleri darbe genişlik modülasyonlu (PWM) çıkış sinyali üreten SG3524 entegresi ile sağlanmaktadır. Belli frekanstaki bir sinyalin çalışma oranının (D) başka bir giriş sinyali ile kontrol edilmesi olayına darbe genişlik modülasyonu denir. Çalışma oranı D Şekil 10.1’ de gösterildiği gibi zamanının periyot uzunluğuna (Ts) oranı olarak tanımlanır. Şekil 10.1 Değişik çalışma oranları bir Vs doğru geriliminin testere dişi bir dalgayla karşılaştırılması ile elde edilir (Şekil 10.2). Şekil 10.2 39 PWM üretici SG3524 ile Buck (azaltan) çevirici çalışma prensibi Şekil 10.3’de ve çalışma oranı D %25 ve %75 iken PWM ve ortalama çıkış sinyalleri Şekil 10.4’de gösterilmektedir. Şekil 10.3 Şekil 10.4 DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLAR: 1 adet 270 nF kondansatör 1 adet 1000 uF kondansatör 1 adet 1 K direnç 1 adet 10 K direnç 1 adet 100 uH bobin 1 adet 10 K potansiyometre 1 adet 22 K potansiyometre Yeteri kadar kısa devre elemanı 1 adet SG3524 entegresi 1 adet BA158 diyot 1 adet BC516 transistör 1 adet sayısal multimetre DENEY: 1. Devreyi Şekil 10.5’deki gibi kurunuz. 2. Besleme gerilimleri +12 V’a ayarlayınız. 3. Kurduğunuz devreye gerilim uygulayınız. 40 4. Sayısal multimetreyi ve osiloskobu DC gerilim ölçümüne hazırlatıp devre çıkışına bağlayınız. 5. P1 ve P2 potansiyometresini çeviriniz. 6. Görev devrini (D) değiştirerek Vçk gerilimlerini ölçüp not ediniz ve osiloskop dalga şekillerini çiziniz. P1 P2 Şekil 10.5 Şekil 10.6. SG 3524 blok diyagramı (iç yapısı). 41 DENEYSEL ÇALIŞMA ----- 11 ----KONU: Op–amp kullanarak hassas tam dalga doğrultmaç yapmak. ÖN BİLGİ: Hassas, tam dalga doğrultmaç devresi Şekil 11.1’de görülmektedir. Burada 1. op-amp hassas yarı dalga doğrultmaç olarak, 2. op-amp ise toplar devre (eviren) olarak görev yapmaktadırlar. Şekil 11.1 Vgr işaretinin negatif alternansları doğrultulmakta ve pozitif olarak 1. op-amp çıkışına (V1) aktarılmaktadır. Bu sırada op-amp’ ın gerilim kazancı 1’dir. 2.op-amp’ ın (-) ucuna hem Vgr ve hem de V1 işaretleri birlikte gelmektedirler. Normal olarak, R4=2R5 seçilir. Böylece Vgr’in pozitif alternanslarında V1=0’dır ve Vçk = -Vgr olur (R6=R4 seçilir). Vgr‘in negatif alternanslarında ise, Vçk = - (2V1+Vgr ) olur (R6=2R5 olduğundan). Bu sırada V1=Vgr olduğundan, Vçk= -(-2Vgr + Vgr) = Vgr olur. bu sırada Vgr negatiftir. Anlatılanlar Şekil 11.2’de çizilmişlerdir inceleyiniz. Şekil 11.2 42 ÖN ÇALIŞMA: Şekil 11.3’deki devrede, D1 ve D2 diyotlarının yönleri çevrilirse çıkış işaretinden ne gibi bir değişiklik meydana gelir? Kısaca açıklayınız. DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLAR: 1 adet 2,2 K direnç 1 adet 4,7 K direnç 4 adet 10 K direnç Yeterince kısa devre elemanı 2 adet BA158 diyot 1 adet 747 tümleşik op-amp 1 adet işaret üreteci 1 adet osiloskop DENEY: 1. Deneyi Şekil 11.4’deki gibi kurunuz. 2. (+)ve (-) kaynakları +12 V ve –12V değerlerine ayarlayınız. 3. Kurduğunuz devreye (+) ve (-) gerilimleri aynı anda devrenize uygulayınız. 4. İşaret üretecinizin çıkışını 1 V (t-t) genlikli ve 500 Hz frekanslı bir sinüsoidala ayarlayınız. 5. Osiloskobun A kanalına Vgr işaretini, B kanalına da V1 işaretini uygulayıp birlikte gözleyiniz. Her iki kanal girişi de DC konumda olmalıdır. Vgr ve V1 işaretlerini, genlik değerlerini de belirterek alt alta çiziniz. İlk op-amp yarım dalga doğrultmaç olarak çalışıyor mu? 6. Osiloskobun B kanalından V1 işaretini ayırıp Vçk işaretini bağlayınız. Vçk işaretini Vgr ve V1 işaretlerinin altına çiziniz. 7. Devre tam dalga doğrultmaç olarak çalışmış mıdır? İkinci op-amp eviren toplar yükselteç olarak görev yapıyor mu? 43 8. Giriş işaretinin genliği 200 mV (t-t) değere düşürünüz. Devre hala tam dalga doğrultmaç olarak çalışmakta mı? Bu kadar küçük genlikli AC işareti normal diyotlarla doğrultmaya imkan var mı? 9. Giriş işaretinin genliği yeniden 1 V (t-t) yapınız. R5 direncini (1,5K’yı kısa devre ederek) 3,6 K yapınız. Vçk işaretinde meydana gelen değişikliği ve nedenini yazınız. 10. Devrenin ±12 V besleme gerilimlerini kesiniz. R5 direncini tekrar ilk değerine getiriniz. 11. D1 ve D2 diyotlarının yönlerini ters çeviriniz. 12. Tekrar ±12 V gerilimlerini devreye uygulayınız. 13. Vgr ve Vçk işaretlerini osiloskopta gözleyiniz. Dalgaların yönü pozitifleşti mi? Bu durum ön çalışmada bulduğunuz sonuç ile uyum içinde mi? 14. Op-amp kullanılan yarım ve tam dalga doğrultmaçlar çok küçük genlikli AC işaretlerini doğrulta bildiklerine göre; Sayısal multimetreler de bu tip devreler kullanılır mı? Şekil 11.4 44 DENEYSEL ÇALIŞMA ----- 12 ----KONU: Op-amp kullanarak gerilim regülatörü yapmak ve çalışmasını incelemek. ÖN BİLGİ: Op-amp kullanılarak çok çeşitli gerilim regülatörleri yapmak mümkündür. Şekil 12.1’de böyle bir devre görülmektedir. Devrede regüle edilecek gerilim Vgr olarak op-amp’ın (+V) ucuna uygulanır. Op-amp (-V) ucu toprağa bağlanır. Şu halde, bu devrede tek polariteli besleme gerilimi kullanılmaktadır. Vgr gerilimi devreye uygulandığında Vçk işareti pozitifleşmeye başlar. Vçk<Vz olduğu sürece zener diyot yalıtkandır. Şekil 12.1 Vçk>Vz olunca zener diyot iletkenleşir ve kırılma gerilimine eşit bir gerilim x noktasında oluşur. ( V REF = V z olur). Artık bundan sonra op-amp’ın pozitif girişine sabit V REF gerilimi uygulanmaktadır. Vçk = V REF (1 + Bu sırada op-amp evirmeyen yükselteç olarak çalıştığından; R2 ) olur. Bu durumda hem Vçk ve hem de Vz gerilimleri regüleli R1 olduklarından Zd içinden akan akım oldukça kararlıdır. Bu durum, hep Vref’in ve dolayısıyla da, Vçk’ın kararlı olmasına yol açar. R2 ve R1 dirençleri ile Vçk gerilim değerini ayarlamak mümkündür. ÖN ÇALIŞMA: Şekil 12.1’deki devrede Vz=3 V R2=2,2 K, R1=3,3 K, R3=370 Ohm olduğuna göre Vgr’in 10 ile 20 V arasında değişmesi sırasında Vçk ne değer alır? Zener içinden aka akımı hesaplayınız. 45 DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELAMANI VE CİHAZLARI: 1 Adet 100 ohm direnç 1 Adet 270 ohm direnç 1 Adet 2,2 K direnç 1 Adet 3,3 K direnç 2 adet 33 K direnç 1 adet 3 V zener Yeterince kısa devre elamanı 1 adet 747 tümleşik op-amp deversi 1 adet sayısal multimetre DENEY: 1. Devreyi Şekil 12.2’deki gibi kurunuz. 2. Güç kaynağını çıkışını +12 V’a ayarlayınız. 3. Rk1=Rk2=33 K dirençleri devre girişlerini korumak için konumlulardır. Doğru bağlandıklarını kontrol ediniz. 4. Kurduğunuz devreye gerilim uygulayınız. 5. Sayısal multimetre ile Vçk gerilimini ölçünüz. Sonucu Tablo 12.1’de ilgili haneye not ediniz. 6. Tablo 12.1’de verilen diğer Vgr değerlerini sıra ile oluşturup her seferinde Vçk gerilimini ölçünüz. Sonuçları Tablo 12.1’de ilgili hanelere yazınız. 7. Tablo 12.1’deki sonuçlara göre; a) Örnek 1’deki devre çıkışında, geriş 10 V ile 20V arasında değişirken sabit gerilim görülüyor mu? b) Bu durumda devre gerilim regülatörü olarak görev yapmış mıdır? c) Vçk geriliminin değerini ön çalışmada bulduğunuz değer ile karşılaştırınız. Fark varsa, bu neden kaynaklanmaktadır? Ölçüm yaparak kanıtlayınız. R1 = 2,2 K yaparak R2 oranını büyültünüz. R1 46 Bu durumda Vçk gerilimi ne oldu? Bu gerilimdeki artışın 2 nedenini yazınız. Cevabınızı ölçüm yaparak kanıtlayınız. Tablo 12.1 Vgr(V) 10 12 16 18 20 Vçk(V) Şekil 12.2 47 DENEYDE KULLANILAN OPAMP BACAK BAĞLANTILARI LM747 LM741 48 ELK 435 ENDÜSTRİYEL ELEKTRONİK LABORATUVAR DENEY ELEMANLARI LİSTESİ OPAMP (2’şer adet) LM 741 LM 747 SG 3524 Entegre (1 Adet) DİRENÇ 100 Ω (2 ADET) 270 Ω (2 ADET) 1 K; (3 ADET) 2.2 K; (3 ADET) 4.7 K; (3 ADET) 5.6 K; (3 ADET) 10 K; (10 ADET) 33 K; (4 ADET) 100 K; (3 ADET) 470 K; (3 ADET) KONDANSATÖR (2’şer ADET) 10 nf 100 nf 1000 µF (1 adet) BOBİN (1 ADET) 100 µH DİYOT (2’şer ADET) 3V Zenerdiyot 1N4002 diyot BA158 diyot TRANSİSTÖR (1’er ADET) BC516 BC238 POTANSİYOMETRE (1’er ADET) 10 K 22 K 49 ELK 435 ENDÜSTRİYEL ELEKTRONİK LABORATUARI DENEY RAPORU İstenenler (devamı arka sayfaya) CH1 (Volt/Div): CH2 (Volt/Div): Time/Div: CH1 (Volt/Div): CH2 (Volt/Div): Time/Div: Sonuçlar: No Deneyin Adı No Öğrencinin Adı Soyadı Aldığı Not OPAMPLAR OPERASYONEL KUVVETLENDİRİCİLER Fairchild 1965 yılında, en çok kullanılan Ua709 elemanı piyasaya sunmuştur. Aslında başarısının yanında, bu elemanın birçok dezavantajları da vardı. Bu nedenle de uA741 olarak bilinen op-amp geliştirilmiştir. UA741 çok ucuz ve kolay kullanımı, ayrıca üstün yetenekleri nedeniyle tercih edilmiştir. Değişik firmalar da uaA741 dizaynlarını gerçekleştirmişlerdir. Örneğin Motorolo MCI741 National Semiconductor LM741 ve Texas Instruments SN72741 üretmişlerdir. Bütün bu (monolithic) tek elemanlı işlemsel kuvvetlendiriciler uA741’in eşdeğerleridir. Çünkü bunlar katologlarda da aynı özelliklere sahiptirler. Çoğunlukla insanlar opamp’tan bahsediyorlarsa akıllarına gelen ilk eleman 741 olmaktadır. 741 elemanı endüstri standartlarına uygun hale getirilmiştir. Kural olarak yapacağınız dizaynlarda opamp kullanılmışsa bunların yerine 741 olarak devreyi kurabilirsiniz. Op-amp olarak 741’in kullanımını anlamışsanız diğer opampları da kolaylıkla kullanabilirsiniz. Sırası gelmişken 741 farklı versiyon numaralarına sahiptir. 741, 741A, 741C, 741E, 741N, ve diğerleri... Bu farklılıklar bunların gerilim kazançları, sıcaklık farklılıkları, gürültü seviyeleri ve diğer karakteristikleridir. 741C ( Ticari tipte bir elemandır.) çok ucuz ve çok geniş alanlarda kullanılmaktadır. Bunun giriş empedansı 2M, gerilim kazancı 100.000 ve çıkış empedansı 75 ’dur. 741’İN ŞEMATİK DİYAGRAMI Şekil 15-1, 741’in basitleştirilimiş şematik diyagramını göstermektedir. Bu devre 741’in eşdeğer devresi olup sonradan üretilen op-ampların temelini teşkil eder. Devre dizaynlarında her türlü ayrıntılı özellikleri anlamaya ihtiyaç yoktur. Fakat op-amp’ın nasıl çalıştığı hakkında genel bir fikre sahip olabilirsiniz. 741’in ardındaki temel düşünce şudur: Giriş katı Q1 ve Q2 PNP transistörlerinden oluşturulumuş bir fark kuvvetlendiricidir. Bildiğiniz gibi emiterdeki bağlantı elemanları nedeniyle bu devre, akım kaynağı olarak çalıştığı farz edilmiştir. 741’in içinde Q14 akım kaynağı olup emiter direnci yerine geçmektedir. R2 ve Q4’ün polarmasını kontrol ederek fark kuvvetlendiricinin akımını üretir. Fark kuvvetlendirici de kollektör direnci yerine normal direnç kullanarak bunu yük direnci yerine kullanabiliriz. Bu aktif yük Q4 için oldukça yüksek empedanslı bir akım kaynağı olarak çalışır. Bu sebepten fark kuvvetlendiricinin gerilim kazancı daha büyük olmaktadır. Beyz DC Dönüş Elemanları Şekil 15-1’de görüldüğü gibi giriş beyzleri boşluktadır. İşlemsel kuvvetlendirici her iki girişe beyz dirençleri RB ve toprak arasındaki DC bağlantılar yoksa çalışmayacaktır. Bu dönüş yolları işlemsel kuvvetlendiriciyi süren devrenin, Thevenin dirençleri tarafından temin edilir. Eğer sürücü devreler kapasitif kublajlı ise mutlaka beyz dönüş dirençlerine ihtiyaç vardır. Bu düşüncenin anahtarı her giriş için beyzden toprağa bir bağlantı olmalıdır. Eğer beyzden toğrağa da bir yol yoksa op-ampın transitörleri kesimde olacaktır. GİRİŞ EMPEDANSI Fark yükselticinin giriş empedansı şu şekilde ifade edilir. Rgiriş = 2re Fark yükselticideki ortak emiterli bağlantı nedeniyle işlemsel kuvvetlendirici oldukça yüksek giriş empedansına sahiptir. Örneğin 741’in giriş fark kuvvetlendirici (tail) akımı yaklaşık olarak 15uA’dir. Her emiter bu akımın yarısını üzerinden akıtır. 25mV ré= _______________= 3.33 k 7,5uA 741’de girişteki her transistörün ’sı tipik olarak =300 olduğuna göre giriş empedansı: ri= 2 (300) . (3,3K) = 2m Bu 741’in kataloglarında tesbit edilen giriş direnci değeridir. Eğer daha yüksek giriş empedansları gerekiyorsa dizayn yapan kişi BIFET (fetgirişli) op-amp kullanma zorunluluğu vardır. Bu op-amp fet’in ve bipolar transitörlerin bir araya getirilmesiyle oluşturulmuştur. Örneğin LF12741-741 olarak modife edilmiş JFET kaynak takip edicinin çıkışı normal 741 op-amp sürmektedir. Bu kombinasyon 741 diğer karakteristikleri ile JFET kaynak takip edici giriş avantajlarını meydana getirmektedir. Bu sebepten LF13741 standart 741 için yedek olarak kullanılabilir. ŞEMATİK SEMBOLLER Bir op-ampın şematik sembolü Şekil 15-2 de görülmektedir. A op-ampın gerilim kazancıdır. Faz terslemeyen giriş V1, farz tersleyen giriş ise V2’dir Fark girişi Vgiriş = V1 - V2 V1, V2 gerilimleri ve çıkış gerilim noktalarına dikkat ediniz. Bunun anlamı ölçümlerin daima toprakla bu noktalar yapılmasıdır. Fark girişi Vgiriş iki giriş gerilimi V1, V2 arasındaki farktır. Biz çoğu zaman Şekil 15-2 de görülen toprak hattını çizerek göstermeyiz. Bunun anlamı toprak noktası olmasa da ölçülen değerlerin toprağa göre olmasıdır. Vçıkış = A . Vg,iriş Vçıkış Vgiriş = ________________________ A 741 için A= 100.000 dir ve çıkış empedansı Zçıkış = 75 ’dur. Genellikle opampın çıkışına bağlanan yük direnci Zçıkış ‘dan küçüktür. Vçıkış yaklaşık olarak Vth = Vçıkış değerine eşittir. Örnek 15-1 Bir 741 giriş gerilimi 1uv’tur. Bu opampın çıkışındaki gerilim ne kadardır? Çözüm Giriş gerilimini, gerilim kazancı ile çarptığımızda 741C’nin kazancı 100.000 olduğuna göre çıkış gerilimi: Vçıkış = 100.000 . (1uV)= 0.1V Bu cevaptan op-amp çıkışına yük direnci bağlanmadığı farzedilmiştir. Eğer yük direnci kullanılmış ise Thevenin çıkış geriliminin bir kısmı bu yük üzerinde düşecektir. Eğer yük direnci op-amp çıkış direnci değerinden 100 defa daha fazla ise çıkış direnci üzerinde meydana gelen gerilim düşümünü ihmal edebilirsiniz. 741C’nin çıkış empedansı 75 olduğuna göre yük direnci 7,5 k’dan büyük ise yükleme etkisi dikkate alınmayabilir. Örnek 15-2 Bir 741C’nin çıkış gerilimi 5V ise kazancı 100.000 olan op-ampın giriş gerilimi ne kadardır. 5V Vgiriş = ________________ = 50 uV 100.0000 OP-AMP KARAKTERİSTİKLERİ Op-amp bir yükselticidir. Ancak problemlerin analizinde ve op-amp devrelerinin dizaynlarında AC ve DC karakteristikleri gözönünde bulundurmamız gerekmektedir. Bu bölümde, ofset problemlerine ve opampın performansını etkileyen diğer karakteristikler açıklanacaktır. ÜÇ ÖNEMLİ KARAKTESTİK Daha evvel (CMRR) sinyali bastırma oranı tanımlanmıştı. 741C için CMRR= 90 Db düşük frekanslar için uygundur. Common mode sinyalinde arzı edilen sinyal 90Db daha büyüktür. Bunun anlamı yükseltilecek sinyal ortak gürültü CMRR’nin Şekil 18-15’da görüldüğü gibi azalmasına neden olur. Dikkat edilirse CMRR yaklaşık 1KHz’de 75db, 10 KHz’de 56db’dir. Maksimum tepeden tepeye değeri yükselticinin çıkışından kırpılmadan alınan en büyük değerdir. Opampın girişinde herhangi bir sinyal yoksa çıkış ideal olarak sıfırdır. AC çıkış gerilimi pozitif ve negatif yönde salınım yapar. Yük direncinin Zçıkış empedansından büyük olması halinde çıkış gerilimi besleme geriliminde salınım yapar. Örneğin VCE = + 15 V ve V ve VEE = - 15 V olan devrede 10 k’luk yük direnci uçlarındaki gerilim 30 V olacaktır. Ancak bu gerilim 741C’nin çıkış katından dolayı genelde 27V ve 10 k yük direncinde 27V, 1 k’luk yük uçlarında 25 V ve 100 yük uçlarındaki gerilim ise 7 V kadar olacaktır. FREKANS TEPKİSİ 741C’nin Şekil 15-5c’de küçük sinyal frekans tepkisi görülmektedir. Orta bandın gerilim kazancı 100.000’dir. 741’in kritik frekansı fc= 10 Hz’dir Şekilde görüldüğü gibi 10 Hz seviyesinde gerilim kazancı %70 kazanç değerini -3 db noktasından düşmektedir. Kritik frekansın üzerinde gerilim kazancı her dekat artışı için 20 db düşmektedir. Gerilim kazancının bire düştüğü frekans 1 MHz’dir. Kataloglarda bu değer genellikle belirtilir. Çünkü bu değer op-ampın faydalı kazanç üst değerini temsil etmektedir. Örneğin kataloglarda 741C listelerinde f1= 1 MHz. Bunun anlamı 741C sinyali 1 MHz kadar yükselir. Bunun üzerindeki değerlerde çıkış azalmaya başlar. Örneğin LM318’in f1 = 15 MHz’dir. Bunun anlamı op-amp 15 MHz’e kadar çıkışında kazanç verebilir. Bunun üzerindeki değerlerde çıkış azalarak gider. YÜKSELME HIZI BOZULMASI ( Slew Rate ) Bir 741’in kompanzasyon kapasitesinden dolayı fark yükseltici çıkışı verilen slew rate değerinden daha hızlı değişemez. It Sr = ________________ Cc Bir 741C’de It = 15 mA ve Cc = 30 pF’tır. Bu sebepten 741’in slew rate yükselme hızı, 15 mA Sr = _____________= 0,5 V/us’dir. 30 pF Bu 741C’nin büyük sinyal sınırıdır. Bunun çıkış gerilimi 0,5 V/us’den daha hızlı değişmez. Bildiğimiz gibi bir op-ampın yükselme hızı (slew rate) büyük sinyal yüksek frekans tepkisi sınırlar. Eğer sinüs dalganın yükseltilmesindeki başlangıç eğitimi op-ampın yükselme hızından daha büyük ise çıkış küçülmeye başlar ve girişteki sinüsodial dalga üçgen olarak görülmeye başlar. Daha evvel biz bu eşitliği güç band genişliği olarak ifade ettik. Sr fmax = ___________ 2n Vp Bu yüksek frekansta yükselme hızı oranında bir bozulma olmadan 2n değerine bölünerek elde edilen tepe geriim değeridir. Faydalı olan alternatif eşitlik: Sr Vp = _______________ 2n fmax Örnek 15-3 Şekil 15-6, 741C’nin ayak numaralarını göstermektedir. 3 Nolu giriş faz çevirmeyen giriştir. 7 ve 4 nolu ayaklar güç kaynağı bağlantılarıdır. 6 nolu ayak ise çıkıştır. Bir 741C’nin en kötü şartlar altında kataloglarda verilen değerleri VBE = 2 mV, lgiriş = 80 nA ve Igiriş = 20 nA En kötü durumdaki istenmeyen giriş gerilimi toplamı nedir? Çıkış ofset gerilimi nedir? Çözüm İstenmeyen giriş geriliminde iki farklı kompanent vardır. Önce farklı VBE eğrilerini etkileyen faktör. İkinci olarak farklı ’da değerleri iki beyz gerilimini 3 ve 2 nolu ayaklardaki farkını transfer etmektedirler. Vgiriş = +2mV +(20nA) . (220 k) = +6.4mV Bunun anlamı istenmeyen giriş gerilimleri - 6,4 mV ile + 6.4 mV arasında herhangi bir yerde olabilir. En kötü durumda bunun büyüklüğü 6.4 mV olabilir. 741C lineer bölgede çalışıyorsa ve onun gerilim kazancı 100.000’dir. Buna göre ofset gerilimini hesaplayacak olursak Vçıkış = 100.000 (+ 6.4 mV) = +640V Bu cevap saçmalık örneği olarak ve azaltılması gereken bir değer olarak gözönüne alınmalıdır. Çünkü 640V imkansızdır. Bu saçma sonuçtan sonra şunu söyleyebiliriz: Sonuçta op-amp doyuma ulaşmıştır ve op-amp lineer bölgede çalışmaktadır ve bu doğrudur. Oysa bir 741C’nin maksimum (tepe to tepe) tepeden tepeye vereceği çıkış +27 V olabilir. Yani -13,5 V ile +13,5 V volt arasında salınım yapar. Giriş gerilimi +6,4 V olduğu zaman op-ampın çıkışı 13,5 V’ta gider. Giriş gerilimi olduğu zaman çıkış -13,5 V’ta gider. Örnek 15-4 Bir önceki örnekte kullanılan katalog bilgilerini kullanarak op-amp çıkışını doyuma götürecek ofset giriş gerilimini bulunuz. Çözüm Pozitif taraftan bakılacak olursa op-amp +13,5 V doyuma ulaşmadan (swing) salınım yapılacaktır. Opamp kazancı 100.000 olduğuna göre giriş gerilimi 13,5 V Vgiriş =_______________=0,13 mV 100000 Bu en kötü durum olarak ifade edilen değerden 6,4mV’tan çok küçüktür. Örnek 15-5 Bir 741C’nin yükselme hızı 0,5 V/usn’dir Çıkış gerilimi tepe değeri 10 V ise band genişliği nedir? Çözüm Yükselme hızında bir bozulma olmadan hesaplanan maksimum değer 0,5 V/us fmax = ________________=7,96 kHz 2n . 10V Bu frekansta op-amp bozulmamış sinüsodial çıkış sinyali tepe değeri 10V’tur. Eğer giriş frekansını 7,96 kHz’in üzerine çıkarırsanız çıkıştaki değerde bir azalım başlar. Girişin sinüsodial olmasına karşın çıkışta üçgen dalgalar görülmeye başlar. Örnek 15-6 50 kHz’lik giriş sinyallerinde çıkışta alınan sinyallerin bozulmadan alınabilecek değeri nedir? 0,5 V/usn VP = _______________=1,59 V 2n . (50 kHz ) Bunun anlamı op-amp frekansı 50 kHz ve giriş sinyalinin tepe değeri 1,59 V olan sinyalin çıkıştan bozulmadan alınabilir demektir. ENTEGRE DEVRELERİNİN DİĞER LİNEER KULLANIMLARI Aslında op-amplar çok önemli entegre devreleridir. Onları birçok değişik kullanımlar için genişletebilirsiniz. Burada birkaç kullanım özet olarak verilmiştir. SES YÜKSELTİCİLER Ön yükselticiler çıkış gücü 50mW’tan daha az olan bu ses yükselticilerdir. Ön yükselticiler oldukça düşük gürültü seviyesine sahip olmalıdırlar. Çünkü bunlar ses sistemlerinin girişinde kullanılmakta olup, manyetik band kristallerden ve mikrofonlardan gelen zayıf sinyalleri yükseltmektedir. Entegre edilmiş ön yükselticiye örnek LM381 düşük gürültülü çiftli bir ön yükselticidir. Her bir yükseltici birbirinden tamamen farklıdır. LM381’in gerilim kazancı 112 db’dir ve 10V’da güç band genişliği 74kHz ve 9V’tan 40V’ta kadar pozitif besleme ile çalışır. Giriş empedansını 100 k, çıkış empedansı 150 ’du. Lm381’in giriş katı, fark kuvvetlendirici olup tekli çıkışa sahiptir. Ses güç yükselticiler çıkışlarından 500 mW’tan fazla güç alınmaktadır. Bunlar phonograph yükselticiler AM, FM radyolar ve diğer kullanımları bulunur. LM380 bir örnektir. Bunun gerilim kazancı 34db band genişliği 100 kHz ve çıkış gücü 8W’tir. Video Yükselticiler Bir video veya geniş band yükseltici geniş bir frekans bandında sabit gerilimi kazancı düz bir tepki gösterir. Tipik olarak band genişliği MHz bölgesindedir. Video yükselticilerde DC yükselticiler gerekli değildir. Fakat çok düşük frekanslarda çok yüksek frekanslara kadar (range) değere sahiptirler. Örneğin bir çok osilaskoplarda frekans değeri 0’dan 100-MHz’e kadar gider. Bu tür cihazlarda video yükselticiler kullanılması sinyal genliğini arttırır. Diğer bir örnek televizyon alıcılarıdır. Kullanılan frekans yaklaşık 0’dan 4MHz’e kadardır. RF ve IF Yükselticiler Bir radyo frekans ( RF) yükseltici TV alıcılarında veya AM-FM alıcılarda umumiyetle ilk kattır. Orta frekans (IF) yükselticilerde tipik olarak orta katlardadırlar. Entegre devreler LM703 RF ve IF yükselticiler aynı chip içinde bulunurlar. Yükselticiler ayarlı yapılmak suretiyle yalnız dar band frekansında kullanılabilirler. Bu televizyon ve radyo istasyonlarının arzu edilen sinyallerinin alınmasına (tuning) ayar devreleri ile mümkün kılar. Daha evvel bahsedildiği gibi büyük kondansatör ve self değerlerinin chip içine yerleştirilememesi nedeniyle dışarıdan LS ve CS elemanlar ayar yükselticilerine bağlanırlar. GERİLİM REGÜLATÖRLER Bölğm 4’te doğrultmalı güç kaynakları açıklanmıştı. Filtre işleminden sonra DC gerilimde biraz daha riplle kalmaktadır. Bu DC gerilim hat gerilimi ile orantılıdır. Hat gerilimi %10 değişirse bu da seviye de %10’luk değişmeye sebep olur. Birçok uygulamalarda %10’luk değişme DC gerilim değeri oldukça fazladır ve bu sebepten DC regülasyon gereklidir. Yeni entegre devrelerde LM340 serileri bu iş için kullanılmaktadır. Bu tipte chipler çıkış DC gerilimini %0,01 olarak hat geriliminin ve yük direncinin değişmesini tutarlar. Diğer bir özellik olarak pozitif ve negatif ayarlanabilen çıkış gerilimleri ve kısa devre koruma sağlarlar. OP-AMPLARIN TEMEL KULLANIMLARI İşlemsel kuvvetlendiriciler terim olarak analog bilgisayarların alan örneklerindendir. Bu tipteki yükselticiler matematiksel işlemlerin, toplama, çıkartma, çarpma, bölme, integral, türev ve logoritma alma gibi uygulamalarında başarılı bir şekilde kullanılmışıtır. Aslında op-amplar çok geniş bir alanda kullanılmalarına karşın hala orijinal isimleri kullanılmaktadır. Temelde op-amp yüksek gerilim kazancı DC fark kuvvetlendiriciler olup aşağıdaki karakteristikleri taşımaktadır. Sonsuz band genişliği, Sonsuz giriş empedansı, Sıfır çıkış empedansı, Şekil 15-8 a’da görülen op-amp (+) pozitif noninvert ve (-) negatif invert girişli ve tek çıkışa sahiptir. İlave olarak op-amp normalde çift kaynaklı + 5 V’dan + 18V’a kadar gerilim uygulanan bir elemandır. Tek besleme kullanıldığında + 5 V’dan +15 ve -5 V’dan -15V’a kadar toprakla arasında bağlantı yapılan bir beslemeye sahiptir Aslında op-amp tek bir pozitif polarite ile de beslenebilir. Ancak, op-ampların daha çok çift kaynakla beslemek adet olmuştur. Şekillerde besleme uçları bağlantı gösterilmeden görebilirsiniz. Daha evvel bahsedildiği gibi op-amp iki girişi sahiptir. Bu iki giriş arasındaki fonksiyon fark aşağıda izah edildiği gibidir. Eğer sinyal op-ampların (+) noninvert girişine uygulanmış ise çıkış girişte aynı fazda olacaktır. Giriş sinyali pozitife gittiği zaman çıkışta pozitife gider. Eğer sinyal op-ampların (-) girişine (invert) uygulanmış ise çıkış 180 C faz farklı olarak veya yarım saykıl olarak çıkacaktır. Bunun anlaöı giriş sinyali pozitife gittiği zaman çıkış negatife gider veya girişin tersi olan çıkış alınır. Şekil 15-10’da görülüyor. Bu bölümde op-amp devrelerin aktif olarak ve geri besleme elemanları ile çıkış sinyalinin giriş sinyaline göre nasıl değiştiğini, op-amp karakteristikleri üzerinde duracağız. TERSLEYİCİ YÜKSELTİCİ Op-ampın bir tersleyici yükseltici olarak kullanımı Şekil 15-11 deki bağlantısında görülmektedir.RA ve RB geri besleme elemanı olarak isimlendirilir. Bu devre için her iki elemanda dirençtir. Giriş topraklanmıştır. RB direnci çıkış geriliminden geri besleme olarak tersleyici girişine bağlanmıştır. RA ve RB terimleri çıkış geriliminin saptanmasında kullanılır. RB Vçıkış = ___________________ . Vgiriş RA Sonuç olarak gerilim kazancı, çıkış geriliminin giriş gerilimine oranıdır. Vçıkış RB Gerilim kazancı = ___________=__________ Vgiriş RA GERİLİMİ TAKİP EDİCİ Gerilim takip edici bazen tampon emiter takip edici veya katod takip edici ile aynı fonksiyona sahiptir. Bu sebepten oldukça yüksek giriş empedansı ( 100 k’dan büyük ) ve çok düşük çıkış empedansı ( 750 ’dan küçük ) değere sahiptir. Gerilim takip edici faz terslemeyen yükselticiye benzemekte ancak, RA= Sonsuz ve RB = 0 bu sebepten de gerilim kazancı daima eşittir. TOPLAMA YÜKSELTİCİSİ İki veya daha bağımsız giriş sinyalini toplamak istiyorsak toplama yükseltici devresini Şekil 15-14’de kurmak gerekmektedir. Bu devre tersleyici yükseltici devreye iki girişi hariç V1 ve V2 aynıdır. Gerilim kazancı her giriş için geri besleme RB direnci ile giriş direnci tarafından sağlanır. Vçıkış RB Gerilim kazancı A = _________=___________ V1 R1 Vçıkış RB Gerilim kazancı AV = ___________=______________ V2 R2 Böylece çıkış gerilimi, RB RB Vçıkış = ________________ . V1 + __________________ . V2 R1 R2 Daha faydalı devre, Şekil 15-14’da görülen devredir. Aslında bu devre biraz daha karmaşık görülmektedir. Analiz oldukça basit olup, bu bölümde öğrendiklerimizle halledebiliriz. Önce V3 noktasının toprağa kısa devre olduğunu farz edelim. Bu durumda, devreniz toplama devresidir. Şekil 15-14’de görüldüğü gibi toplama yükseltici çıkış gerilimi eşitliğinde verilmiştir. İkinci olarak giriş sinyalleri V1 ve V2 toprağa kısa devredir. Şimdi de bir faz terslemeyen yükseltici olup R1 ve R2 dirençleri paralel duruma getirmişti,r. Bu ifade Şekil 15-14’de RA olarak görülmektedir. R1 . R2 RA= __________________ R1 + R2 Gerçek faz terslemeyen giriş gerilimi ki op-amp V3 görür ki gerilim bölücü eşitliğinin V3 ile ilişkisidir. R4 V3= ______________ . V3 R3 + R4 Faz terslemeyen çıkış gerilimi eşitliğinden, RF Vçıkış = (1 + ______________ ) V3 RA Daha evvelki eşitlikleri nazarı dikkate alırsak; R1.R2.RF.R1+R1.R2 R4 Vçıkış = (_________________________________) ( __________________________) V3 R1 . R2 R3+R4 İNTEGRAL Tersleyici yükseltici devrenin geri besleme direncinin bir kondansatörle değiştirilmesi Şekil 15-15 ‘daki İntegral devresi oluşturulmuş olur. Giriş sinyali integral eğrisinin altındaki alanı temsil etmektedir. Çıkış gerilimi aşağıdaki eşitlikle verilmiştir. 1 Vçıkış = _____________________ Vgiriş. DT RA. C0 1 ________ terimi en küçük giriş frekansı beklenen değere uygun olmalıdır. Böylece ; RA. C 1 RA . C = _____________________ 2n Fmin İntegral sonuç olarak çıkışta ofset gerilimi yaratılmasına sebep olacaktır. Bunun sebebi de beyz akım ofsetidir. Çıkış ofset gerilimini minimuma indirebilmek için faz terslemeyen girişe RA değerinde bir dirençle toprağa bağlantı yapılır. TÜREV DEVRESİ İntegral devresi olarak kullandığımız şemada girişe kondansatör çıkışa ise direnç ilave ettiğimizde yani integral devresindeki dirençle kondansatörü yer değiştirdiğimizde elde edilen devre türev devresidir. Türev çıkışı giriş sinyalinin türevi ile orantılıdır. Görülen devrede F= 2000 Hz, 2.5 V, üçgen dalga çıkış A 10 V kare dalgadır. Girişe verilen kare dalgalar çıkışa aşağıdaki görülen pasler biçiminde transfer edilecektir. F= 2 Khz V = 10 V V1 = 0.5 V Çıkış= 7V Philips Semiconductors Product specification SMPS control circuit SG3524 DESCRIPTION PIN CONFIGURATION This monolithic integrated circuit contains all the control circuitry for a regulating power supply inverter or switching regulator. Included in a 16-pin dual-in-line package is the voltage reference, error amplifier, oscillator, pulse-width modulator, pulse steering flip-flop, dual alternating output switches and current-limiting and shut-down circuitry. This device can be used for switching regulators of either polarity, transformer-coupled DC-to-DC converters, transformerless voltage doublers and polarity converters, as well as other power control applications. The SG3524 is designed for commercial applications of 0°C to +70°C. D, F, N Packages INVERT INPUT 1 16 VREF NON-INV INPUT 2 15 VIN OSC OUTPUT 3 14 EMITTER B (+)CL SENSE 4 13 COLLECTOR B (–)CL SENSE 5 12 COLLECTOR A RT 6 11 EMITTER A CT 7 10 SHUTDOWN GROUND 8 FEATURES • Complete PWM power control circuitry • Single ended or push-pull outputs • Line and load regulation of 0.2% • 1% maximum temperature variation • Total supply current is less than 10mA • Operation beyond 100kHz 9 COMPENSATION TOP VIEW SL00174 Figure 1. Pin Configuration ORDERING INFORMATION TEMPERATURE RANGE ORDER CODE DWG # 16-Pin Plastic Dual In-Line Package (DIP) DESCRIPTION 0 to +70°C SG3524N SOT38-4 16-Pin Ceramic Dual In-Line Package (CERDIP) 0 to +70°C SG3524F 0582B 16-Pin Small Outline (SO) Package 0 to +70°C SG3524D SOT109-1 BLOCK DIAGRAM VREF 16 VIN 15 REF REG +5V TO ALL INTERNAL CIRCUITRY +5V OSCILLATOR 3 OUTPUT FLIP FLOP +5V RT 6 CT 7 (RAMP) 12 OSC 11 13 +5V + 14 E B – INV INPUT 1 +5V ERROR – AMP N.I. INPUT 2 + CB NOR COMPARATOR GROUND 8 (SUBSTRATE) CA NOR +5V + CL – 9 1k 4 +SENSE 5 –SENSE COMPENSATION 10 SHUTDOWN 10k SL00175 Figure 2. Block Diagram 1994 Aug 31 1 853-0891 13721 Philips Semiconductors Product specification SMPS control circuit SG3524 ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS SYMBOL PARAMETER RATING UNIT VIN Input voltage 40 V IOUT Output current (each output) 100 mA IREF Reference output current 50 mA Oscillator charging current 5 mA PD Power dissipation Package limitation 1000 mW Derate above 25°C 8 mW/°C 0 to +70 °C -65 to +150 °C TA Operating temperature range TSTG Storage temperature range DC ELECTRICAL CHARACTERISTICS TA=0°C to +70°C, VIN=20V, and f=20kHz, unless otherwise specified. SYMBOL PARAMETER TEST CONDITIONS LIMITS UNIT Min Typ Max 4.6 5.0 5.4 V Reference section VOUT ISC Output voltage Line regulation VIN=8 to 40V 10 30 mV Load regulation IL=0 to 20mA 20 50 mV Ripple rejection f=120Hz, TA=25°C 66 dB Short circuit current limit VREF=0, TA=25°C 100 mA Over operating temperature range 0.3 TA=25°C 20 mV/kHz kHz Temperature stability Long-term stability 1 % Oscillator section fMAX CT=0.001 µF, RT=2kΩ 300 Initial accuracy RT and CT constant 5 Voltage stability VIN=8 to 40V, TA=25°C 1 Over operating temperature range 2 Maximum frequency Temperature stability Output amplitude Output pulse width % % % Pin 3, TA=25°C 3.5 VP CT=0.01 µF, TA=25°C 0.5 µs Error amplifier section VOS Input offset voltage VCM=2.5V 2 10 mV IBIAS Input bias current VCM=2.5V 2 10 µA Open-loop voltage gain 68 VCM Common-mode voltage TA=25°C CMRR Common-mode rejection ratio TA=25°C BW Small-signal bandwidth VOUT Output voltage 80 1.8 dB 3.4 70 AV=0dB, TA=25°C 3 TA=25°C 0.5 % each output “ON” 0 V dB MHz 3.8 V 45 % Comparator section Duty cycle IBIAS Input threshold Zero duty cycle 1 Input threshold Maximum duty cycle 3.5 V 1 µA Input bias current V Current limiting section Sense voltage Pin 9=2V with error amplifier set for maximum out, TA=25°C 180 Sense voltage T.C. VCM 1994 Aug 31 200 220 0.2 Common-mode voltage -1 2 mV mV/°C +1 V Philips Semiconductors Product specification SMPS control circuit SG3524 DC ELECTRICAL CHARACTERISTICS (Continued) TA = 0°C to +70°C, VIN = 20V, and f = 20kHz, unless otherwise specified. SYMBOL PARAMETER LIMITS TEST CONDITIONS Min Typ Max UNIT Output section (each output) Collector-emitter voltage (breakdown) 40 V Collector-leakage current VCE=40V 0.1 50 µA Saturation voltage IC=50mA 1 2 V Emitter output voltage VIN=20V 17 18 V tR Rise time RC=2kΩ, TA=25°C 0.2 µs tF Fall time RC=2kΩ, TA=25°C 0.1 µs VIN=40V 8 Total standby current (excluding oscillator charging current, error and current limit dividers, and with outputs open) 10 mA connecting Pins 15 and 16 together to the input voltage. In this configuration, the maximum input voltage is 6.0V. THEORY OF OPERATION Voltage Reference This reference regulator may be used as a 5V source for other circuitry. It will provide up to 50mA of current itself and can easily be expanded to higher currents with an external PNP as shown in Figure 3. An internal series regulator provides a nominal 5V output which is used both to generate a reference voltage and is the regulated source for all the internal timing and controlling circuitry. This regulator may be bypassed for operation from a fixed 5V supply by Q1 SG3524 REFERENCE SECTION 100Ω 15 +VIN VREF 16 IL to 1.0A DEPENDING ON CHOICE FOR Q1 + 8 10µF GND SL00176 Figure 3. Expanded Reference Current Capability TEST CIRCUIT IS 2k 1W VIN OSC OUT 15 3 VREF 16 SG3524 8 6 7 2 RAMP 1 N.I. INPUT 9 INV. INPUT 10 VIN 8–40V 0.1 RT CT 4 COMP SHUT DOWN 2k 10k 10k 1k 12 13 11 5 14 2k 1W OUTPUTS CURRENT LIMIT 2k SL00177 Figure 4. Test Circuit 1994 Aug 31 3 Philips Semiconductors Product specification SMPS control circuit SG3524 OUTPUT DEAD TIME – microseconds 3.6 V ÷ RT and should be kept within the approximate range of 30µA to 2mA; i.e., 1.8k<RT<100k. The range of values for CT also has limits as the discharge time of CT determines the pulse-width of the oscillator output pulse. This pulse is used (among other things) as a blanking pulse to both outputs to insure that there is no possibility of having both outputs on simultaneously during transitions. This output dead time relationship is shown in Figure 5. A pulse width below approximately 0.5µs may allow false triggering of one output by removing the blanking pulse prior to the flip-flop’s reaching a stable state. If small values of CT must be used, the pulse-width may still be expanded by adding a shunt capacitance (≅100pF) to ground at the oscillator output. [(Note: Although the oscillator output is a convenient oscilloscope sync input, the cable and input capacitance may increase the blanking pulse-width slightly.)] Obviously, the upper limit to the pulse width is determined by the maximum duty cycle acceptable. Practical values of CT fall between 0.001 and 0.1 µF. 10 5 3 2 1.0 0.5 0.3 .001 .002 .005 .01 .02 .05 1 TIMING CAPACITOR VALUE (C–)–(µF) SL00178 TIMING RESISTOR (R T ) kohms Figure 5. Output Stage Dead Time as a Function of the Timing Capacitor Value The oscillator period is approximately t=RTCT where t is in microseconds when RT=Ω and CT=µF. The use of Figure 6 will allow selection of RT and CT for a wide range of operating frequencies. Note that for series regulator applications, the two outputs can be connected in parallel for an effective 0-90% duty cycle and the frequency of the oscillator is the frequency of the output. For push-pull applications, the outputs are separated and the flip-flop divides the frequency such that each output’s duty cycle is 0-45% and the overall frequency is one-half that of the oscillator. 100 50 20 10 5 External Synchronization 2 If it is desired to synchronize the SG3524 to an external clock, a pulse of ≅+3V may be applied to the oscillator output terminal with RTCT set slightly greater than the clock period. The same considerations of pulse-width apply. The impedance to ground at this point is approximately 2kΩ. 1 5 10 20 50 100 200 5001ms2ms OSCILLATOR PERIOD (µs) SL00179 If two or more SG3524s must be synchronized together, one must be designated as master with its RTCT set for the correct period. The slaves should each have an RTCT set for approximately 10% longer period than the master with the added requirement that CT(slave)=one-half CT (master). Then connecting Pin 3 on all units together will insure that the master output pulse—which occurs first and has a wider pulse width—will reset the slave units. Figure 6. Oscillator Period as a Function of RT and CT VOLTAGE GAIN - dB RL = 30MΩ Error Amplifier 80 60 RL = 1MΩ 40 RL = 300kΩ RL = 100kΩ This circuit is a simple differential input transconductance amplifier. The output is the compensation terminal, Pin 9, which is a high-impedance node (RL≅ 5MΩ). The gain is RL = 30kΩ A V g MR L 20 RL = RESISTANCE FROM PIN 9 TO GND 0 10 100 1k 10k 100k 1M FREQUENCY - (Hz) 2kT 0.002R L and can easily be reduced from a nominal of 10,000 by an external shunt resistance from Pin 9 to ground, as shown in Figure 7. 10M SL00180 In addition to DC gain control, the compensation terminal is also the place for AC phase compensation. The frequency response curves of Figure 7 show the uncompensated amplifier with a single pole at approximately 200Hz and a unity gain crossover at 5MHz. Figure 7. Amplifiers Open-Loop Gain as a Function of Frequency and Loading on Pin 9 Typically, most output filter designs will introduce one or more additional poles at a significantly lower frequency. Therefore, the best stabilizing network is a series RC combination between Pin 9 and ground which introduces a zero to cancel one of the output filter poles. A good starting point is 50kΩ plus 0.001µF. Oscillator The oscillator in the SG3524 uses an external resistor (RT) to establish a constant charging current into an external capacitor (CT). While this uses more current than a series-connected RC, it provides a linear ramp voltage on the capacitor which is also used as a reference for the comparator. The charging current is equal to 1994 Aug 31 8 IC RL 4 Philips Semiconductors Product specification SMPS control circuit SG3524 One final point on the compensation terminal is that this is also a convenient place to insert any programming signal which is to override the error amplifier. Internal shutdown and current limit circuits are connected here, but any other circuit which can sink 200µA can pull this point to ground, thus shutting off both outputs. VREF R2 5k While feedback is normally applied around the entire regulator, the error amplifier can be used with conventional operational amplifier feedback and is stable in either the inverting or non-inverting mode. Regardless of the connections, however, input common-mode limits must be observed or output signal inversions may result. For conventional regulator applications, the 5V reference voltage must be divided down as shown in Figure 8. The error amplifier may also be used in fixed duty cycle applications by using the unity gain configuration shown in the open-loop test circuit. 5k POSITIVE OUTPUT VOLTAGES 2 + 1 – R1 GND VREF R1 5k Current Limiting 2 + 1 – NEGATIVE OUTPUT VOLTAGES 5k The current limiting circuitry of the SG3524 is shown in Figure 9. R2 GND By matching the base-emitter voltages of Q1 and Q2, and assuming a negligible voltage drop across R1: SL00181 Threshold=VBE(Q1)+I1R2-VBE(Q2) Figure 8. Error Amplifier Biasing Circuits =I1R2 ≅ 200mV 9 Although this circuit provides a relatively small threshold with a negligible temperature coefficient, there are some limitations to its use, the most important of which is the ±1V common-mode range which requires sensing in the ground line. Another factor to consider is that the frequency compensation provided by R1C1 and Q1 provides a roll-off pole at approximately 300Hz. RAMP ERROR AMPLIFIER t1 C1 COMPARATOR R1 R1 Q1 Since the gain of this circuit is relatively low, there is a transition region as the current limit amplifier takes over pulse width control from the error amplifier. For testing purposes, threshold is defined as the input voltage required to get 25% duty cycle with the error amplifier signaling maximum duty cycle. Q2 5 – + SENSE 4 SL00182 In addition to constant current limiting, Pins 4 and 5 may also be used in transformer-coupled circuits to sense primary current and to shorten an output pulse, should transformer saturation occur. Another application is to ground Pin 5 and use Pin 4 as an additional shutdown terminal: i.e., the output will be off with Pin 4 open and on when it is grounded. Finally, foldback current limiting can be provided with the network of Figure 10. This circuit can reduce the short-circuit current (ISC) to approximately one-third the maximum available output current (IMAX). Figure 9. Current Limiting Circuitry of the SG3524 VO = 5V SA/SB R1 R2 RS – SENSE 5 4 + I MAX + I NOTE: SC + 1 R S V TH ) V 0R 2 R1 ) R2 V TH R S where VTH = 200mV Foldback current limiting can be used to reduce power dissipation under shorted output conditions. Figure 10. Foldback Current Limiting 1994 Aug 31 5 SL00183