İşlemsel Yükselticiler
Operational Amplifiers
(Op-Amps)
İçerik
Giriş
Tariçe
Op-Amp’ın şematik gösterimi ve iç yapısı




Giriş çıkış terminalleri
Op-Amp beslemesi
Op-Amplarda Kazanç


İç kazanç

Dış kazanç

İdeal ve Gerçek bir Op-Amp’ın karakteristikleri

Op-Amp Çeşitleri ve kazanç hesaplanması


Tersine çeviren (inverting) ve çevirmeyen (noninverting)

Diferansiyel

Voltaj takipçisi

Türev alıcı

İntegratör

Toplama

Komparatör

Enstrümantasyon
Op-Amp’ların kullanım yerlerine örnekler
İşlemsel Yükselticiler (Op-Amps)

Tanım:
Zayıf giriş sinyalini,sinyalin temel dalga biçimi özelliklerini
koruyarak gerilimi, akımı veya gücün yükselten devreler
veya aygıtlardır.

Op-Amplar giriş sinyali üzerinde matematiksel işlemler
yaparlar:

Toplama

Çıkarma

Çarpma

Bölme


Türev ve İntegral alma…
Kullanıldığı Devreler:

Radyo ve TV alıcılarında

Tıbbi Araştırma ve Tanı Cihazlarında

Teknik Ölçüm ve Değişik Elektronik Aygıtlarda

Aktif Filitrelerde

Aktif Kontrol Devrelerinde

Analog-Dijital Arayüzlerde
Kısa tarihçe



1964 – İlk op-amp Bob Widlar tarafından dizayn edildi: µA702 .

Sadece 12 transistör kullanılmış ve kazancı 1000 den fazla.

Çok pahalı: $300
1965 – Yine Bob Widlar, µA709 adlı op-amp’ı geliştirdi

Ki bugünkü µA741 adlı op-amp’a çok daha benzer

Bu op-amp’ın open-loop kazancı yaklaşık 60,000.

709’un en büyük kusuru kısa devre korumasının yetersizliğidir.
1968 – Widlar dan sonra Dave Fullagar µA741 adlı op-amp’ı dizayn etti ki
bu günümüzde en sık kullanılan op-amp’dır.

O tarihten itibaren günümüze kadar onlarca çeşit op-amp geliştirilmiştir.

Op07C, Op07D, Op07Y

TL080,TL082,TL083
Dış Görünümü



Kapalı siyah bir kutu görünümünde kompakt bir yapı
şeklindedir.
Genellikle 8 bağlantılı (pin) ancak bağlantılardan 5’i en
sık kullanılır.
Pinler 1’den başlayıp artarak numaralandırılır.
İşlemsel yükselteç kılıf Şekilleri ve
boyutları
a-741 Metal Kılıf
d-Seramik yüzey
montaj
b-Plastik kılıf
e-Seramik yüzey montaj
c-Seramik kılıf
f-Küçük entegre boyutları
Şematik Gösterimi
+V
V2
Zin
Vin = V1 - V2
V1
Zout
+
AolVin
+
-
-V
Vout
İç Yapısı
İçlerinde transistör,direnç,kondansatör vs. gibi devre
elemanlarını barındırır.
20 transistör
11 direnc
1 kapasitör
R2
+V
R5
Q3
Vout
D1
Q1
Q2
Vin-
D2
C1
Q5
Vin+
R1
R3
R4
Q4
-V
Op-Amp’larda Giriş ve Çıkışlar

Op-amp’ın 2 girişi vardır:

Tersine Çeviren Giriş (inverting input) (-)
Tersine Çevirmeyen Giriş (noninverting input) (+)

Bir Çıkış (output) vardır.
Tersine Çeviren Giriş (-) : Giriş sinyali 180o faz farkı
ile çıkışa verilmektedir.
V
time
–
+
Tersine Çevirmeyen Giriş (+): Giriş sinyalinin fazını
değiştirmeden olduğu gibi çıkışa verilir.
V
time
–
+
Op-Amp Beslemesi

Bir op-amp’ın çalışabilmesi için dışardan bir güç kaynağına ihtiyaç
vardır.

Bu amaçla op-amp’a dışardan bir DC kaynağı bağlanır.

Tipik olarak bu kaynak (±5 ile ±15V) aralığındadır.

Girişe hiç bir sinyal verilmese dahi çıkış voltajı iç kayıplardan dolayı
1-2 V daha az görülür.
Saturated
Saturated
Op-Amplarda Kazanç
Yükselticiler bir sinyali A ile gösterilen kazanç ile çarpıp
yükseltirler. Kazanç çıkış sinyalinin giriş sinyaline oranıdır.
A =
v out
v in
İç kazanç:
Bu kazanca open-loop kazancı yada iç kazanç denir. İç kazanç
sonsuzdur.
Aopl= ∞
V–
–
V+
+
Vout
Ayarlanabilir Dış Kazanç:
Op amp’a dışardan bağlanan dirençlerin oranı closed- loop
kazancı yada dış kazanç denir.
Acl =Rf/Rin
Diod
Vout = – [Rf/Rin] Vin
Direnç
Kapasitör
Rf
Vin
Tel
Rin
–
+
Vout
V–
–
V+
+
Vout
İDEAL YÜKSELTİCİ
GERÇEK YÜKSELTİCİ

Kazanç A = ∞


Bant genişliği = ∞

Giriş empedansı Zin = ∞
Çıkış empedansı Zout = 0





Offset = 0
Sıcaklığa duyarlılık yok
…



100,000
0-MHz
100 Mohm
50 ohm
mikroV
mikroV/C
…
Op-Amp Çeşitleri ve Devre Analizi

Op-Amp Analizinde Altın Kurallar

Kural 1: VA = VB

Kural 2: IA = IB = 0
1) Tersine Çeviren Amplifikatör
En sık kullanılan op-amp türüdür.
Çıkış voltajı, giriş voltajının A kazancı ile çarpımının negatif
değerine eşittir.
1 ) -:
+:
V Vin - VB VB - Vout
=
=
R
Rin
Rf
+ : VA = 0
V in - V out
=
3) V A = V B = 0
R in
Rf
2) - : i =
R
Vout
=- f
Vin
Rin
2) Tersine Çevirmeyen Amplifikatör
1) + :
-:
2) + : VA = Vin
- : VB =
Rg
Vout
R f + Rg
3) VA = VB Vin =
Vout = + R f
1
Vin
Rg
Rg
Vout
R f + Rg
Vout = R f + Rg
Vin
Rg
3) Diferansiyel Amplifikatör
Diferansiyel (fark alan) op amp’ın her iki girişine de potansiyel
uygulanmaktadır. Uygulanan voltajlar birbirinden çıkartılır. Biyolojik sinyal
kaydında çok sık kullanılan op amp türüdür.
invert
Vout = -V1
VA = Rf V2
Rin + Rf
noninvert
Rf
Rf
V
+ 2
Rin
Rin + Rf
Vout = (V2 - V1 )
Rf
R in
(
Rf +R in
R in
)
4) Voltaj Takipçisi (Follower)
Op amp’ın çıkışı her hangi bir geri besleme direnci (Rf) olmaksızın girişin (–) ucuna
verilmesiyle sağlanır.
•A=1
•Vin=Vout
•Giriş sinyalini yükten ayıran bir tampon
vazifesi görmektedir
•Giriş direnci yüksek
•Çıkış direnci küçüktür
•Çıkış gücü yüksektir
V–
Vin
–
+
Voutput
5)Türev Alıcı
•Giriş sinyalinin türevini alarak çıkışa verir.
•Giriş sinyalinin genliği değişmiyorsa çıkış sinyali görülmeyecektir.
•Böylece giriş sinyalindeki değişimler algılanmış olur.
Rf
Vo(t) = – Rf Cin dVin(t)/dt
Cin
Vin
Giriş sinyalinin eğimi yada
değişim hızıdır.
–
+
Vo
6) İntegratör
•İntegral alma türev alma işleminin tersidir. Yani integral alan alma hesabıdır.
•Türev op amp’ında direnç ve kapasitörün yer değiştirilmesiyle elde edilir.
•İntegratörün çıkışı, zamana göre giriş eğrisinin altında kalan alanın bir
fonksiyonudur ve (Genlik x t) ile ifade edilir.
•Giriş eğrisinin altında kalan alan zamanla artarsa çıkış artar, zamanla azalırsa
çıkış da azalır.
Cf
t
1
V0 = –
 Vin (t ) dt
Rin C f 0
Vin
Rin
iin
Reset switch
–
+
Vo
Giriş sinyaline Göre Türev ve İntegrali Alınmış Çıkış
Sinyali
7) Toplama Amplifikatörü
-:
V1 V2 V3 
V0 = – R f  +
+

R
R
R
 1
2
3 
•Eğer R1 = R2 = R3 = R ise
Vo = – [Rf/R] (V1 + V2 + V3)
•Eğer R1 = R2 = R3 = Rf ise
Vo = – (V1 + V2 + V3)
•Eğer R1 = R2 = R3 = 3Rf ise
Vo = – [1/3] (V1 + V2 + V3)
V1
V2
V3
R1
R2
R3
Rf
–
+
Vo
8)Komparatör (Karşılaştırıcı)
•Bir komparatör devresi, giriş voltajının verilen bir
referans voltajına göre büyük yada küçük olduğunu
gösteren bir op amp devresidir.
Vout=A(Vin – Vref)
Vin>Vref → Vpst
Vin<Vref → Vnst
•Bu devre giriş sinyalini
karşılaştırarak kare dalgaya çevir.
• Genellikle bir trigger devresi
olarak kullanılır.
VREF
VIN
Vin
+
Vref
-
Vo
Vcc
-Vee
EKG deki QRS kompleksi
9) Enstrümantasyon Amplifikatörür
V1
• Bunu önlemek için her bir girişe bir voltaj
takipçisi (follower) bağlanır.
•Oldukça hassas
•düşük offset
•yüksek giriş dirençleri
•yüksek CMRR gibi özellikleri vardır.
•Bu özellikleri nedeniyle enstrümantasyon
amplifikatörler
• transdüser
• sensör
• biyopotansiyellerin
–
+
•Diferansiyel amplifikatörünün giriş
direncinin nispeten küçük olması ve devreyi
dengelemedeki kazanç ayrımının zor
yapılıyor olması gibi dezavantajları vardır.
R6
A1
R2
R4
R1
V2
–A
2
+
R2
R6
=
V0 
R4
R4
–A
+
Vo
R6
R1 + 2 R2 
 R
 (V2 - V1 )


1
kuvvetlendirilmesinde yaygın şekilde
kullanılırlar.
•A3 yükselticisi 1 kazançlı ise ve R6 = R4 ise Kazanç R1 ile kolaylıkla
ayarlanabilir. R1 direnci genellikle tüm devreye dışardan bağlanarak
ayarlanır.
v1
v2
Aktif Filitreler
Alçak Geçiren Filitre
EO
RF
1
=Ei
Ri RFCF jw +1
RF
CF
Ei
Ri
Ii
E-
Ed
E+
ZF
Eo
f = 0→ çıkış = 1
f → ∞ çıkış= 0
f
Aktif Filitreler
Yüksek Geçiren Filitre
RF
Zi
Ei
Ri
Ci Ii
EO
R F Ri C i j w
=Ei
Ri Ri C i j w + 1
EEd
Eo
E+
f = 0 → çıkış = 0
f →∞ çıkış =1
f
Thermocouple (Isıl çift)
Vo = [Rf/Rin] (Vt - Vs)  T(Vo)
Rf
Vs
copper
constantan
–
copper
Vt
Standard
temperature
0 ˚C
Rin
Test
temperature
?
+
Rin
Rf
Vo
LDR’ nin Opamplı Karşılaştırıcı
Devrelerinde Kullanılması
Download

Document