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

b-Plastik kılıf c-Seramik kılıf

d-Seramik yüzey

montaj e-Seramik yüzey montaj f-Küçük entegre boyutları

Şematik Gösterimi

Vout

V2

+V

-V

V1

Vin = V1 - V2Zin

+

-

-+

Zout

AolVin

İç Yapısı

20 transistör11 direnc1 kapasitör

İçlerinde transistör,direnç,kondansatör vs. gibi devre elemanlarını barındırır.

Q1 Q2D1

D2

Q3

R2R1R3R4

Q5

C1

R5

Q4

-V

+V

Vin-

Vin+

Vout

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.

+–

+–

Vtime

Vtime

Tersine Çevirmeyen Giriş (+): Giriş sinyalinin fazını değiştirmeden olduğu gibi çıkışa verilir.

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 KazançYükselticiler bir sinyali A ile gösterilen kazanç ile çarpıp yükseltirler. Kazanç çıkış sinyalinin giriş sinyaline oranıdır.

opl= ∞

+

–V–

V+

Vout

İç kazanç:Bu kazanca open-loop kazancı yada iç kazanç denir. İç kazanç sonsuzdur.

in

out

vv

A

+–V–

V+

Vout

Tel

KapasitörDirenç

Diod

Ayarlanabilir Dış Kazanç:Op amp’a dışardan bağlanan dirençlerin oranı closed- loop kazancı yada dış kazanç denir.

Acl =Rf/Rin

Vout = – [Rf/Rin] Vin

Rf

+–Vin Vout

Rin

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 AmplifikatörEn sık kullanılan op-amp türüdür. Çıkış voltajı, giriş voltajının A kazancı ile çarpımının negatif değerine eşittir.

in

f

in

out

RR

VV

f

out

in

inBA R

VRVVV 0)3

VVVVV

A

f

outB

in

Bin

VRRR

i

0:

:)2

)

:

:1

2) Tersine Çevirmeyen Amplifikatör

g

f

in

out

RR

VV 1

RRVRg

gf

in

outout

gf

ginBA RV

VRR

VVV

)3

outgf

gB

inA

VRR

RV

VV

:

:)2

::)1

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.

Vfin

fA V

RRR

2

VoutR

in

f

R-V1

fin

f

RR

R2V

in

f in

RR R )(

invert noninvert

out

inR

RfV V1(V2 )

4) Voltaj Takipçisi (Follower)

+

–V–

Vin

Voutput

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

5)Türev Alıcı

Rf

+

–Vin Vo

Cin

•Giriş sinyalinin türevini alarak çıkışa verir.

•Giriş sinyalinin genliği değişmiyorsa çıkış sinyali görülmeyecektir.

•Böylece giriş sinyalindeki değişimler algılanmış olur.

Vo(t) = – Rf Cin dVin(t)/dt

Giriş sinyalinin eğimi yadadeğişim hızıdır.

6) İntegratör

Cf

+

–Vin Vo

RinReset switch

•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.

iin

V0 – 1Rin C f

Vin t dt0

t

Giriş sinyaline Göre Türev ve İntegrali Alınmış Çıkış Sinyali

7) Toplama Amplifikatörü

+

–

V1

Vo

RfR1

V2

R2

V3

R3

•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)

V0 –RfV1R1

V2R2

V3R3

- :

8)Komparatör (Karşılaştırıcı)•Bir komparatör devresi, giriş voltajının verilen bir referans voltajına göre büyük yada küçük olduğunu gösteren bir op amp devresidir.

Vin

-

+Vo

Vref

Vout=A(Vin – Vref)

Vin>Vref → Vpst

Vin<Vref → Vnst

•Bu devre giriş sinyalini karşılaştırarak kare dalgaya çevir.

• Genellikle bir trigger devresi olarak kullanılır.

Vcc

-Vee VIN

VREF

EKG deki QRS kompleksi

9) Enstrümantasyon Amplifikatörür•Diferansiyel amplifikatörünün giriş direncinin nispeten küçük olması ve devreyi dengelemedeki kazanç ayrımının zor yapılıyor olması gibi dezavantajları vardır.

• 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

kuvvetlendirilmesinde yaygın şekilde kullanılırlar.

V1

Vo

R6

R1 +–

V2

R2

R2

+–

+–

R6

R4

R4

A1

A2

A

V0 R6R4

R1 2 R2R1

V2 V1

•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

f = 0→ çıkış = 1

f → ∞ çıkış= 0

Alçak Geçiren Filitre

f

EoE +

E -Ed

CF

Ei

Ri Ii

RF

ZF

EE

RR R C

O

i

F

i F F

1

1 j

Aktif Filitreler

f = 0 → çıkış = 0

f →∞ çıkış =1

Yüksek Geçiren Filitre

f

EoE +

E -

EdEi

Ri IiCi

RFZi

EE

RR

jj

O

i

F

i

R C R C

i i

i i

1

Thermocouple (Isıl çift)

Vo = [Rf/Rin] (Vt - Vs) T(Vo)Rf

+

–Vo

Rin

Rin

RfStandard temperature

0 ˚C

Test temperature

?

Vs

Vt

copper

copperconstantan

LDR’ nin Opamplı Karşılaştırıcı Devrelerinde Kullanılması