Temel Op-Amp Devreleri (bu deney iki haftaliktir)

ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
ELE 201L
DEVRE ANALİZİ LABORATUVARI
Temel İşlemsel Kuvvetlendiriciler
Deney 3
1. Hazırlık
a. Ön-çalışma soruları laboratuvara gelmeden önce çözünüz. Ön-çalışma çözümleriniz asistan
Bürkan Tekeli'ye Z11'de EN GEÇ PAZARTESİ 17 HAZİRAN 2013, SABAH 1100'DE TESLİM
EDİLMELİDİR. Laboratuvara gelmeden once ön-çalışmanız asistan tarafından toplanıp kontrol
edilip lab vaktinizde size iade edilecektir. Ön-çalışmanızın okunaklı, çözümlerinizin de muntazam
ve tüm hesaplama basamakları gösteriyor olmaları önem arz etmektedir.
Laboratuvar
çalışmalarına devam edebilmek için ön-çalışmanızdan geçerli not (%40) almanız
gerekmektedir. Vaktinde teslim edilmeyen ön-çalışmalar puan verilmeyecektir.
b. Bu deneyi tamamlamak için 2 HAFTA SÜRENİZ olacaktır ve dolayısıyla toplam 200 puan
üzerinden notlandırılacaktır):
1. Hafta: Ön-Çalışmanın A - E kısımlarını, Deneyin A - D kısımlarıyla bitiriniz.
Ön-Çalışmanın A-E kısımlarını doğru olarak 10 Haziran 2013 en geç 1330’e kadar
asistanlara teslim edenlere BONUS 20 PUAN verilecektir.
2. Hafta: Ön-Çalışmanın F ve G kısımlarını, Deneyin E ve F kısımlarıyla bitiriniz.
c.
Laboratuvara gelirken Deney 3 Föyünü, cihazlarla ilgili referans bildirileri, 741 OP AMP data
sheet'i ve de bir hesap makinesi getiriniz.
2. Ön-Çalışma Kontrolu
Öğrenci ön-çalışmasını vaktinde teslim
Ön-Çalışma Notu :
□ etti
□ etmedi.
/ 100
Asistanın İsmi : ___________________________________________________________________
Asistanın İmzası : _________________________________________________________________
1
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
3. Ön-Çalışma Soruları
A. Eviren Kuvvetlendirici (Inverting Amplifier)
ŞEKİL 1: Eviren Kuvvetlendirici Devre
Şekil 1’deki eviren kuvvetlendirici devrenin gerilim kazancını V0 / Vin direnç değerlerine bağlı
olarak ifade ediniz.
V0 / Vin =
Aşağıdaki eksenlerde R1 = 10 k, R2 = 100 k, ve Vcc = 15 V için beklenen transfer
fonksiyonu çiziniz. Sonucunuzu PSPICE ile doğrulayınız, ve PSPICE çıktılarınızı önçalışmanıza ekleyiniz.
V0
Vin
2
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Deneylerde op-amp'ları için LM741 çipi kullanmanız gerekecektir. Aşağıda örnek bir
bağlantı, ve çipin pin tanımları gösterilmiştir. Çipin tüm özelliklerini ayrıntılı bir şekilde
verilen data sayfası dersinin internet sayfasından bulunabilir.
3
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Şekil 1'deki Eviren Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri
aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz.
4
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
B. Evirmeyen Kuvvetlendirici (Non-Inverting Amplifier)
ŞEKİL 2: Evirmeyen Kuvvetlendirici Devre
Şekil 2’deki devrenin gerilim kazancını ifade eden denklem nedir?
V0 / Vin =
Rs = 2 k, Rf = 6 k, Rg = 5 k, ve Vg = 10 V için PSPICE ile devreyi simüle edin, ve
sonuçlarınızı ön-çalışmanıza ekleyin.
5
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Şekil 2'deki Evirmeyen Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri
aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz.
6
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
C. Fark Kuvvetlendirici (Differential Amplifier)
ŞEKİL 3: Fark Kuvvetlendirici Devre
Şekil 3’deki devrenin çıkış gerilim kazancını giriş gerilimlerine ve dirençlere göre ifade eden
denklem nedir? R1 = 2 k, R2 = 4 k, R3 = 1 k, R4 = 9 kV1 = 5 V, ve V2 = 10 V için
PSPICE ile devreyi simüle edin, ve sonuçlarınızı ön-çalışmanıza ekleyin.
7
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Deney Föyün sonunda fark kuvvetlendiriler hakkında verilen ek-sayfaları okuyunuz.
Devrenin farksal mod gerilimi (differential mode input) nedir?
Devrenin ortak mod gerilimi (common mode input) nedir?
Devrenin ortak mod bastırma oranı (common mode rejection ratio, CMRR) nedir?
8
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Şekil 3'deki Fark Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki
deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz.
9
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
D. Toplayıcı Kuvvetlendirici (Summing Amplifier)
ŞEKİL 4: Toplayıcı Kuvvetlendirici Devre
Şekil 4’deki devrenin çıkış gerilim kazancını giriş gerilimlerine ve dirençlere göre ifade
eden denklem nedir? R1 = 2 k, R2 = 2 k, R3 = 4 k, V1 = 10 V, ve V2 = 5 V için
PSPICE ile devreyi simüle edin, ve sonuçlarınızı ön-çalışmanıza ekleyin.
10
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Şekil 4'deki Toplayıcı Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri
aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz.
11
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
E. Gerilim Takipçi
Diyelim ki bir yüke Vs değerinde sabit bir gerilim sağlamak istiyoruz. Önce Şekil 5'deki
devreyi ele alalım. Yüke bağlanan cihazın Thevenin eşdeğer devresi bir ideal gerilim
kaynağı Vs ve Thevenin direnci Rs ile modellenmektedir. Yük direncin gerilimi olan V0
için Vs, Rs, ve RL'e bağlı olan bir ifade bulunuz.
ŞEKİL 5: Gerilim Kaynağın Doğrudan Yüke Bağlandığı Devre
V0 =
Yük direncin değeri değiştikçe yüke sağlanan gerilim de değişiyor mu?
EVET
HAYIR
12
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Eğer Rs = 100 k ise sağlanan gerilimin Vs kaynağın %95'i olması için RL ne kadar
büyük olmalıdır?
Şimdi Şekil 6'daki devreyi ele alalım. Yük ile cihazın arasında bir gerilim takipçi devresi
yerleştirdiğimizde çıkış gerilimi V0'ın ifadesi nedir?
ŞEKİL 6: Gerilim Takipçinin Aracılığıyla Yüke Bağlanan Gerilim Kaynağı
V0 =
Şekil 5 ve Şekil 6’daki devreleri PSPICE da simüle edin. Vs = 12 V ve bir önceki soruda
bulduğunuz RL değeri için elde ettiğiniz sonuçlarızı ön-çalışmanıza ekleyin.
Yük direncin değeri değiştikçe yüke sağlanan gerilim de değişiyor mu?
EVET
HAYIR
13
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Gerilim takipçi devrenin üstelendiği görevi kısaca özetleyiniz.
F. Bağımlı Gerilim Kaynaklar İçeren Devrelerin Thevenin Eşdeğer Devreleri
Op-Amp'lar bağımlı kaynakların tasarımında da kullanılabilmektedir. Örneğin, Şekil 2'de
gösterilen Evirmeyen Kuvvetlendirici aynı zamanda gerilim kontrollu bir gerilim kaynağıdır.
Çıkış gerilimi giriş gerilimine bağlıdır çünkü. Şekil 7'deki devreyi ele alalım, ve ideal bağımlı
kaynak yerine pratik bir bağımlı kaynak olarak bir evirmeyen kuvvetlendirici kullanalım. Şekil
7'nın temsil ettiği devreyi gerçekte Şekil 8'deki pratik devreyle gerçekleştirebiliriz.
Şekil 7: Gerilim Kontrollu Gerilim Kaynağı İçeren Devre
ŞEKİL 8: Gerçek Gerilim Kontrollu Gerilim Kaynaklı Devre
14
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Şekil 7'daki ideal bağımlı kaynak içeren devrenin Thevenin eşdeğer direncini açık devre
gerilimin ve kısa devre akımın orantısını bularak hesaplayınız.
Voc =
Isc =
RTH =
15
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Test kaynak yöntemiyle Thevenin eşdeğer direnci bulunuz. Cevabınız daha önce hesapladığınız
direnç değeriyle aynı mı? Aşağıda cevabınızı işaretleyiniz.
EVET
HAYIR
RTH =
16
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Şekil 8'deki gerçekçi devrenin Thevenin eşdeğerini bulmak istiyoruz. Devre öğelerine bağlı
olarak Thevenin eşdeğerin geçerli olması için hangi şart veya şartların sağlanması
gerekmektedir? İp ucu: hangi şartlarda devre doğrusallık koşulunu sağlamaktadır?
Evirmeyen kuvvetlendirici devrenin direnç değerleri ne olmalıdır kazanç G'yi sağlamak için?
Cevabınız genel bir matematiksel ifade olarak vermelisiniz.
Non-ideal op-amp modelini kullanarak, Şekil 8'deki gerçekçi devrenin çıkıştan görülen
Thevenin eşdeğer direncini hesaplayınız.
17
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Şekil 8’deki gerçekçi devrenin Thevenin direncinin Şekil 7'daki ideal devrenin Thevenin
direncine eşit olması için direnç değerlerine bağlı olarak sağlanması gereken şartı nedir?
Sizce tasarladığımız op-amp’lı kaynağın ideal bağımlı kaynak olarak kullanılması
uygunmudur? Neden?
18
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
G. Bağımlı Akım Kaynaklar İçeren Devrelerin Thevenin Eşdeğer Devreleri
Şekil 9’de verilen devre gerilim kontrollu bir akım kaynağı içermektedir. Önce açık devre gerilimini ve
kısa devre akımını hesaplayarak Thevenin eşdeğer direnci bulunuz.
ŞEKİL 9: Gerilim Kontrollu Akım Kaynağı İçeren Devre
Vo =
Isc =
RTH =
19
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Test kaynak yöntemiyle Thevenin eşdeğer direncini bulunuz. Cevabınız daha önce hesapladığınız
direnç değeriyle aynı mı? Aşağıda cevabınızı işaretleyiniz.
EVET
HAYIR
RTH =
20
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Şekil 9’deki bağımlı akım kaynağı bildiğiniz devre ögeleriyle (dirençlerle ve op-amp’larla)
tasarlanabilmektedir. Şekil 10’deki op-amp devresini inceleyiniz ve girdi gerilimine göre çıktı akımını
yazınız. Çıktı akımı girdi gerilime bağlı olduğundan bu devre gerilim kontrollu bir akım kaynağı olarak
işlev görebilmektedir.
ŞEKİL 10: Op-Amp’lı Akım Kaynağı
21
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Şekil 10'deki gerçekçi akım kaynağı Şekil 11'deki gerilim kontrollu akım kaynağı yerine
konulursa, Şekil 11'da gösterilen devre elde edilir.
ŞEKİL 11: Gerçek Gerilim Kontrollu Akım Kaynaklı Devre
Şekil 11'deki gerçekçi devrenin Thevenin eşdeğerini bulmak istiyoruz. Devre öğelerine bağlı
olarak Thevenin eşdeğerin geçerli olması için hangi şart veya şartların sağlanması
gerekmektedir? İp ucu: hangi şartlarda devre doğrusallık koşulunu sağlamaktadır?
22
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Şekil 10 ve Şekil 11'daki devrelerin eşdeğer olmaları için kazanç G için Şekil 11'deki
dirençlere bağlı olan bir ifade bulunuz.
23
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Şekil 11’deki gerçekçi devrenin Thevenin direncinin Şekil 10'daki ideal devrenin Thevenin
direncine eşit olması için direnç değerlerine bağlı olarak sağlanması gereken şartı nedir?
Sizce tasarladığımız op-amp’lı kaynağın ideal bağımlı kaynak olarak kullanılması
uygunmudur? Neden?
24
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
4. Deneyler
A. Eviren Kuvvetlendirici (Inverting Amplifier)
Şekil 1'de gösterilen eviren kuvvetlendirici devrenin gerilim kazancını ölçünüz. Bunu
yapmak için sinyal kaynağını 1 kHz sinüssal bir sinyali sağlayacak şekilde ayarlayınız ve
girişin ve çıkışın tepeden tepeye gerilimini ölçünüz.
Ölçümünüzü ön-çalışmada
yaptığınız hesaplarla kıyaslayınız.
Ölçülen Gerilim Kazancı =
Şimdi sinyal kaynağının sağladığı sinüssal sinyalin genliğini artırınız. Belirli bir noktadan
sonra çıkış sinyal artık sinüssal olmayacaktır - neden işlemsel kuvvetlendiricinin çıkışı
artık sinüssal değil? Gözlemlediğiniz sinüssal olmayan çıkış sinyali aşağıda verilen
eksenlerde çiziniz. Çıktının sinüssal olması için girdi sinyalin genliği en fazla ne
olmalıdır?
V0
t
max(girdi genliği) =
25
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Salınımölçeri kullanarak, değişik giriş genlikleri için çıkışın genliğini ölçünüz.
Ölçümlerinizi aşağıdaki eksenlerde işaretleyerek devrenin transfer fonksiyonunu çiziniz.
V0
Vin
Giriş sinyalin genliğini değiştirdikçe gözlemlenen değişiklikleri - eğer varsa - not ediniz.
Ölçümünüz analitik olarak hesapladığınız transfer fonksiyonuyla uyumlu mu?
Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza
ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde
ettiğiniz sonuçlarınızla karşılaştırın.
26
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
B. Fark Kuvvetlendirici (Differential Amplifier)
Şekli 3'de gösterilen fark kuvvetlendirici için aşağıdaki giriş sinyalleri için çıkış sinyalini
ölçünüz ve aşağıda çiziniz. Direnç değerleri olarak R1 = 10 k, R2 = 20 kR3 = 30 k,
ve R4 = 40 kkullanınız. Ölçümleriniz analitik hesaplarınızla uyumlu mu?
V1 = 0 V ve V2 = 5 V:
V0
t
V1 = 0 V ve V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 kHz'lık sinüs:
V0
Vin
27
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
V1 = 5 V ve V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 kHz'lık sinüs:
V0
Vin
V1 = V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 kHz'lık sinüs:
V0
Vin
28
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Farksal mod kazancını ve ortak mod kazancını ölçerek, CMRR'ı hesaplayınız. Ölçümünüzü
ön-çalışmada yaptığınız analitik hesaplarla karşılaştırınız.
İp-ucu: Aşağıdaki şekilde farksal ve ortak mod gerilimler gösterilmektedir. Eğer Vcm
sıfırlanınca ölçülen kazanç sadece farksal gerilimlerden kaynaklanmış olacağından ölçülen
kazanç aslında farksal mod kazancıdır. Benzer bir şekilde, Vdm sıfırlanınca ölçülen
kazanç, ortak mod kazancıdır. Bu kazançların oranı ise CMRR olarak tanımlanmaktadır.
Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza
ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde
ettiğiniz sonuçlarınızla karşılaştırın.
29
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
C. Toplayıcı Kuvvetlendirici (Summing Amplifier)
Şekli 4'de gösterilen toplayıcı kuvvetlendirici için aşağıdaki giriş sinyalleri için çıkış
sinyalini ölçünüz ve aşağıda çiziniz. Direnç değerleri olarak R1 = 10 k, R2 = 20
kveR3 = 30 k kullanınız. Ölçümleriniz analitik hesaplarınızla uyumlu mu?
V1 = 0 V ve V2 = 5 V:
V0
t
V1 = 0 V ve V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 kHz'lık sinüs:
V0
Vin
30
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
V1 = 5 V ve V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 kHz'lık sinüs:
V0
Vin
V1 = V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 kHz'lık sinüs:
V0
Vin
31
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza
ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz
sonuçlarınızla karşılaştırın.
D. Gerilim Takipçi
Vs = 5 V, ve Rs = RL= 100 k için Şekil 5'deki devrenin çıkış gerilimini (V0) ölçünüz. Yüke sağlanan
gerilimin, gerilim kaynağında sağladığı gerilimden ne kadar çok düşük? Cevabınızı yüzde olarak
veriniz. Bir kaç farklı RL değeri için hesabınızı tekrarlayınız. Sizce Şekil 5'deki bağlantı şekli
etkilimidir gerilim sağlamak için? Değilse, devrenin dezavantajları nedir?
Şekil 5'deki Devre Ölçümleri
RL
V0
Hata Yüzdesi
100 k
Şimdi aynı deneyi gerilim takipçisinin kullanıldığı Şekil 6'deki devre üzerinde deneyiniz. Gerilim
takipçisi ne fayda sağliyor?
Şekil 6'deki Devre Ölçümleri
RL
V0
Hata Yüzdesi
100 k
Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza
ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz
sonuçlarınızla karşılaştırın.
32
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
E. Bağımlı Gerilim Kaynaklar İçeren Devrelerin Thevenin Eşdeğer Devreleri
Şekil 8’deki devreyi devre tahtanızda kurunuz. Açık devre gerilimini ve Thevenin direncini (gerilim bölücü
yöntemiyle) ölçünüz. Ön çalışmada gerçekleştirdiğiniz analitik sonuçlarla kıyaslayınız. Analitik ile
deneysel sonuçlarınız arasında fark var mı, var ise nedenleri neler olabilir?
Devrenizi kurarken aşağıdaki direnç değerleri kullanınız:
R1= 1KΩ
Rg= 10KΩ
R2= 2.7KΩ
Rs= 10KΩ
R3= 6.2KΩ
Rf = 10KΩ
R4= 22KΩ
Bağımsız gerilim kaynağı için Vs = 5 V kullanın, op-amp’ın kaynak gerilimi de Vcc = 15 V.
Şekil 7’deki Devrenin Thevenin Eşdeğer Devre Ölçümleri
Ölçüm
Analitik Hesap
Fark
Açık Devre Gerilim
%
Thevenin Direnç
%
Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza
ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz
sonuçlarınızla karşılaştırın.
33
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
F. Bağımlı Akım Kaynaklar İçeren Devrelerin Thevenin Eşdeğer Devreleri
Şekil 11’deki devreyi devre tahtanızda kurunuz. Açık devre gerilimini ve Thevenin direncini (gerilim
bölücü yöntemiyle) ölçünüz. Ön çalışmada gerçekleştirdiğiniz analitik sonuçlarla kıyaslayınız. Analitik ile
deneysel sonuçlarınız arasında fark var mı, var ise nedenleri neler olabilir?
Devrenizi kurarken aşağıdaki direnç değerleri kullanınız:
R1= 1KΩ
R4= 10KΩ
R2= 10KΩ
RD= 10KΩ
R3= 6.2KΩ
RL= 2.7KΩ
Bağımsız gerilim kaynağı için Vs = 5 V kullanın, op-amp’ın kaynak gerilimi de Vcc = 15 V.
Şekil 12’deki Devrenin Thevenin Eşdeğer Devre Ölçümleri
Ölçüm
Analitik Hesap
Fark
Açık Devre Gerilim
%
Thevenin Direnç
%
Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza
ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz
sonuçlarınızla karşılaştırın.
34
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
35
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
36
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
37
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
38
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
39
ELE 201L – Deney 3
İsim: _____________________ Şube: ________
40