close

Enter

Log in using OpenID

3.1 Özet ve Motivasyon - yarbis

embedDownload
Yıldız Teknik Üniversitesi - Elektrik Mühendisliği Bölümü
Elektroniğe Giriş Laboratuvarı
Deneyin Amacı
İşlemsel kuvvetlendiricinin çalışma prensibinin anlaşılması ile çeşitli OPAMP devrelerinin uygulanması ve incelenmesi
3.1 Özet ve Motivasyon
Pratikte yapılan uygulamalarda elde edilen sonuçlar düşük
frekanslarda, ideal op-amp tanımına göre yapılan
hesaplamalar ile yakın sonuçlar vermektedir. Ancak gerçek
bir op-amp’da kazanç hiçbir zaman sonsuz olmadığı gibi,
giriş ve çıkış dirençleri de belirli bir değere sahiptir. Böylece
gerçek bir op-amp için çıkış gerilimi aşağıdaki bağıntı ile
bulunur.
3.1.1 Operasyonel Amplifikatör (Op-Amp)
Vs+
+Vs
V+
- input
Output
+ input
+
Vin_ Rin
Rout
GVin
Vout
+
_
V-
-Vs
Vs-
vout = G ( v in + − vin − )
vout = Gvin
Gerçek bir op-amp’da uygulamalarda, op-amp’ın iç
yapısında kullanılan elemanların kapasiteleri, frekans
yükseldikçe kazancın düşmesine sebep olmaktadır. Bu
durum op-amp’ın kalitesini belirlemektedir. Op-amp
kataloglarında frekans ile kazanç eğrisi dikkate alınarak,
çalışma frekansı belirlenmelidir. (Örnek bir çalışma
frekansı-kazanç eğrisi Şekil 3.3’de verilmiştir). Çalışma
frekansı belirlenirken dikkat edilmesi gereken diğer bir
parametre slewrate(SR) yani yükselme hızıdır. Bu değer
birim zamanda gerilimin artabileceği maksimum değeri
gösterir ve hesaplanan değer katalogda belirtilen değerin
üzerinde olmamalıdır.
Şekil 3.1 : Op-Amp devresi genel gösterimi , Şekil 3.2 : Op-Amp
devresi iç yapısı
Şekil 3.2’de iç yapısı verilen bir OP-AMP için genellikle Şekil 3.1’de
verilen gösterim kullanılmaktadır. Buna göre klasik bir OP-AMP’ın
iki giriş ucu, iki besleme ucu ve bir çıkış ucu bulunmaktadır. Giriş
uçları için ” +” uç eviren ve “–“ uç evirmeyen olarak da
tanımlanabilir. Böylece Şekil 1’de verilen devre yapısı için v+
eviren, v- evirmeyen giriş gerilimleri, vin giriş gerilimleri farkı, Vs+
ve Vs- besleme geriliminin pozitif ve negatif bileşeni, Rin ve Rout
giriş ve çıkış dirençleri, G kazanç ve vout çıkış gerilimidir.
Herhangi bir işlemsel kuvvetlendiricinin çıkış ile girişi arasındaki
bağıntı ideal op-amp tanımına göre yapılmaktadır. Buna göre ideal
op-amp, giriş direnci sonsuz, çıkış direnci sıfır ve kazancı sonsuz
olan bir işlemsel kuvvetlendiricidir. Buna göre ideal bir op-amp’da,
giriş uçlarından akım akmadığı ve giriş gerilimlerinin eşit olduğu
varsayılır.
i in + = i in − = 0A
v in + = v in −
Şekil 3.3 : Kazanç-Frekans eğrisi (UA741-ST)
deney 3
OP-AMP(operasyonal amplifikatör) veya işlemsel kuvvetlendirici,
ilk olarak toplama, çıkarma, çapma, ortalama alma gibi çeşitli
matematiksel işlemlerin gerçekleştirilmesi amacıyla geliştirilmiştir.
İlk başlarda oldukça büyük hacimlerde ve maliyetli olarak üretilen
OP-AMP’lar, zamanla yarı iletken teknolojisindeki gelişmelere
bağlı olarak entegre olarak üretilmeye başlanmıştır. Böylece
1960’lı yıllardan itibaren işlemsel kuvvetlendiriciler daha az
maliyetle ve daha düşük hacimlerde çeşitli ölçüm, haberleşme,
kontrol sistemleri v.b .uygulama alanlarında yaygın bir şekilde
kullanılmaktadır.
Yıldız Teknik Üniversitesi - Elektrik Mühendisliği Bölümü
Op-amp devreleri girişine uygulanan sinyale göre isimlendirilir.
Buna göre pozitif uca sinyal uygulandığında eviren op-amp ve
negatif uca sinyal uygulandığında evirmeyen op-amp ismini
almaktadır. Her iki uca sinyal uygulandığında op-amp, fark
gerilim kuvvetlendiricisi olarak çalışmaktadır.
deney 3
3.2 Uygulama Bölümü :
Elektroniğe Giriş Laboratuvarı
3.2.3 Eviren OP-AMP Deneyi
İşlemsel kuvvetlendirici kullanılarak, girişe uygulanacak
herhangi bir gerilimden çıkışta negatif kazançlı bir gerilim
elde etmek mümkündür. Bunun için Şekil 3.4’de gösterilen
op-amp devresi kurulabilir. Sunulan devrede besleme
gerilimleri gösterilmemiş olup, devre çift kaynak ile
beslenmektedir.
R2
3.2.1 Deneyden Önce Yapılması Gerekenler
İstenen bilgileri yaptığınız araştırmalardan anladığınız şeyleri
özetleyerek el yazınız ile cevaplayınız. Bu bilgileri ön rapor
olarak hazırlayıp deneye beraberinizde getiriniz.
1
Deneylere gelmeden önce, ideal op-amp tanımına uygun
olarak, EVİRMEYEN, TOPLAYICI VE TÜREV ALICI op-amp
deneylerinin giriş ve çıkış gerilimleri arasındaki bağlantıyı
çıkartınız.
2
OP-AMP devreleri için birim kazanç-bant genişliği ne
demektir?
iR2
R1
Vgr
-
iR1
Vçk
+
Şekil 3.4 : Eviren OP-AMP devresi
3
İşlemsel kuvvetlendiricilerin tek kaynak ile beslenmesi
durumda ne gibi sorunlar oluşur? Nasıl giderilir?
Sunulan devrenin çıkış gerilimi ile giriş gerilimi arasındaki
bağıntı, ideal op-amp tanımına göre aşağıdaki gibi
yapılmaktadır.
V− = V+ = 0V
4
5
V gr
İşlemsel kuvvetlendiricilerin lineer olmayan uygulamaları
nelerdir?
i R1 =
Karşılaştırıcı devresi ne demektir? Hangi uygulamalarda
kullanılır?
iR1+ iR 2 = 0 A
3.2.2 Gerekli Cihaz ve Elemanlar
741 Op-amp entegresi
1 adet 100 kΩ direnç
1 adet 4.7 kΩ direnç
1 adet 100 kΩ direnç
1 adet 1 kΩ direnç
1 adet 47 kΩ direnç
1 adet 100 nF (kutupsuz kondansatör)
Breadboard
Multimetre
İletkenler
ve
R1
i− = i+ = 0 A
iR 2 =
Vçk
R2
için
i R1= − i R 2
V gr
R1
=−
V çk
R2
V çk
V gr
=−
R2
R1
Yukarıdaki ifadelere göre çıkış gerilimi ile giriş gerilimi
arasında dirençlere bağlı olarak negatif kazanç elde
edilmektedir.
Yıldız Teknik Üniversitesi - Elektrik Mühendisliği Bölümü
Elektroniğe Giriş Laboratuvarı
V çk
R2
=1+
V gr
R1
Deneyin Yapılışı
Masanın elektriksel bağlantısını kontrol ediniz. (Osiloskop,
sinyal jeneratörünün elektriksel bağlantısı yapılmış olmalıdır.)
2
Besleme gerilimi olarak ±15V elde ettiğinizden emin olunuz.
3
Şekil 3.4 ‘de verilen op-amp devresini, R1=10kΩ ve
R2=100kΩ olacak şekilde ve deney föyünün sonunda verilen
LM_741 op-amp entegresinin bacak bağlantılarını dikkate
alarak, board üzerine kurunuz. (Board üzerinde ortada
bulunan soketlerin yukardan aşağıya doğru kısa devre
olduğunu unutmayınız.)
Deneyin Yapılışı
1
2
Masanın elektriksel bağlantısını kontrol ediniz.
(Osiloskop, sinyal jeneratörünün elektriksel
bağlantısı yapılmış olmalıdır.)
Besleme gerilimi olarak ±15V elde ettiğinizden
emin olunuz.
3
Şekil 3.5 ‘de verilen op-amp devresini, R1=10kΩ
ve R2=47kΩ olacak şekilde ve deney föyünün
sonunda verilen LM_741 op-amp entegresinin
bacak bağlantılarını dikkate alarak, board
üzerine kurunuz. (Board üzerinde ortada
bulunan soketlerin yukardan aşağıya doğru kısa
devre olduğunu unutmayınız.)
4
Sinyal jeneratöründen 1 V/ 1 khz değerlerine sahip sinüs
dalgası elde ederek, Vgr gerilimini devrede ilgili yere
bağlayınız.
5
Sinyal jeneratörünün ilgili sinyal çıkışını aktif ediniz.
4
Sinyal jeneratöründen 3 V DC gerilim elde
ederek, Vgr gerilimini devrede ilgili yere
bağlayınız.
6
Osiloskobun birinci kanalı ile giriş gerilimini, ikinci probu ile
çıkış gerilimi aynı anda ölçerek ilgili alana çiziniz.
5
Sinyal jeneratörünün ilgili sinyal çıkışını aktif
ediniz.
6
Çıkış gerilimini multimetre ile ölçerek raporda
belirtiniz.
7
Rapor: Aşağıda verilen devrenin çıkış geriliminin
bağıntısını çıkartarak, R1=10kΩ ve R2=100kΩ ile
Vgr=1V/ 1kHz sinüs gerilim olacak şekilde
simulasyon devresini kurunuz ve çıkış gerilimini
elde ederek raporda sununuz. Elde edilen
gerilimin tepe değerini yazınız.
7
Rapor: Aynı devreyi R2= 10 kΩ ve 47 kΩ için simulasyon
programında oluşturunuz. Elde ettiğiniz çıkış gerilimlerini
kaydederek raporda belirtiniz. Kazanç değerlerini yazınız.
3.2.4 Evirmeyen OP-AMP Deneyi
İşlemsel kuvvetlendirici kullanılarak, girişe uygulanacak herhangi
bir gerilimden çıkışta pozitif kazançlı bir gerilim elde etmek
mümkündür. Bunun için Şekil 3.5’de gösterilen op-amp devresi
kurulabilir. Sunulan devrede besleme gerilimleri gösterilmemiş
olup, devre çift kaynak ile beslenmektedir.
Vgr
-
+
-
R2
R1
Vgr
Vçk
R2
Vçk
+
Şekil 3.5 : Pozitif Kazançlı OP-AMP devresi
R1
Elde ettiğiniz sonucu “Eviren OP-AMP” deneyi ile
karşılaştırarak temel 2 farkı yazınız.
deney 3
1
Yıldız Teknik Üniversitesi - Elektrik Mühendisliği Bölümü
3.2.5 Toplayıcı OP-AMP Deneyi
deney 3
İşlemsel kuvvetlendirici kullanılarak, girişe uygulanacak
gerilimleri toplayarak çıkışta negatif kazançlı bir gerilim elde
etmek mümkündür. Bunun için Şekil 3.6’de gösterilen op-amp
devresi kurulabilir. Sunulan devrede besleme gerilimleri
gösterilmemiş olup, devre çift kaynak ile beslenmektedir.
Vgr2
6
Çıkış gerilimini multimetre ile ölçerek raporda
belirtiniz
7
Rapor: Aşağıda verilen devrenin çıkış gerilimi
bağıntısını ideal op-amp bağıntılarını dikkate alarak
çıkartınız. Giriş gerilimlerinizi sırasıyla 10V ve 3V ile
tüm dirençleri 10 kΩ alarak çıkış gerilimi sayısal
olarak bulunuz.
Rf
Rf
R1
Vgr1
Elektroniğe Giriş Laboratuvarı
-
R2
Vçk
Vgr1
R1
Vgr2
R2
-
Vçk
+
+
R3
Şekil 3.6 : Negatif Kazançlı OP-AMP devresi
V
V
Vçk
= −( gr1 + gr 2 )
Rf
R1 R 2
Deneyin Yapılışı
1
2
3
3.2.6 Türev Alıcı OP-AMP Deneyi
İşlemsel kuvvetlendirici kullanılarak, girişe uygulanacak
işaretin türevini almak mümkündür. Bunun için Şekil
3.7’de gösterilen op-amp devresi kurulabilir. Sunulan
devrede besleme gerilimleri gösterilmemiş olup, devre çift
kaynak ile beslenmektedir.
Masanın elektriksel bağlantısını kontrol ediniz.
(Osiloskop, sinyal jeneratörünün elektriksel bağlantısı
yapılmış olmalıdır.)
Besleme gerilimi olarak ±15V elde ettiğinizden emin
olunuz.
Şekil 3.5 ‘de verilen op-amp devresini, R1= R2= R3= 10kΩ
olacak şekilde ve deney föyünün sonunda verilen
LM_741 op-amp entegresinin bacak bağlantılarını
dikkate alarak, board üzerine kurunuz. (Board üzerinde
ortada bulunan soketlerin yukardan aşağıya doğru kısa
devre olduğunu unutmayınız.)
Rf
Cgr
iF
Vgr
x
iGR
-
Vçk
+
Şekil 3.7 : Türev Alıcı OP-AMP devresi
4
Sinyal jeneratörünün her iki kanalını kullanarak 3 V ve
5V DC gerilim elde ederek, Vgr1 ve Vgr2 gerilimlerini
devrede ilgili yere bağlayınız.
5
Sinyal jeneratörünün ilgili sinyal çıkışını aktif ediniz.
ܸç݇ = −ܴ݂. ‫ ݎ݃ܥ‬.
݀(ܸ݃‫)ݎ‬
݀‫ݐ‬
Yıldız Teknik Üniversitesi - Elektrik Mühendisliği Bölümü
Yukarıda verilen çıkış gerilimi bağıntısına göre türev alıcı devre,
giriş geriliminin türevini alıp, -Rf.Cgr sabiti ile çarparak çıkış
gerilimi elde edilmektedir. Bu tür devrelerde çıkış geriliminin elde
edilmesi açısından sadece bu önemli değildir. Aynı zamanda
yüksek frekanslarda kondansatör kısa devre olacağından
yükselticin kazancı oldukça yükselmektedir. Bu devrenin düzgün
bir şekilde çalışabilmesi için;
Giriş işaretinin frekansı;
7
Rapor: Aynı devreyi girişine sinüs dalgası uygulayarak
simulasyonda koyunuz. Elde edeceğiniz çıkış ve giriş
gerilimlerini alt alta alarak yorumlayınız.
Türev alıcı devrenin yüksek frekanslarda çalıştırılması
sonucunda kondansatörün kısa devre olması ve kazancın
yüksek değerler alması nasıl engellenir? Devre şemasını
çizerek açıklayınız.
Aşağıda verilen devrenin adını, çıkış geriliminin ifadesini
bulunuz. Ayrıca simulasyon devresini kurarak girişine
kosinüs işareti (1kHz/ 2Vt-t) uygulayarak çıkış gerilimini
elde ediniz.
olmalıdır. Bu değerden büyük değerlere sahip işaretlerde devre
düzgün bir şekilde çalışamaz.
R1=100 k
Devrede zaman sabiti olarak tanımlanan Rf, Cgr
çarpımına bağlı olarak giriş işaretinin periyodu bulunan değere
yakın olmalıdır.
Cf=0.01uF
Rgr
Deneyin Yapılışı
2
Vgr
1
Masanın elektriksel bağlantısını kontrol ediniz. (Osiloskop,
sinyal jeneratörünün elektriksel bağlantısı yapılmış
olmalıdır.)
2
Besleme gerilimi olarak ±15V elde ettiğinizden emin olunuz.
3
Şekil 3.5 ‘de verilen op-amp devresini, Rf=10kΩ ve
Cgr=0,1µF olacak şekilde ve deney föyünün sonunda
verilen LM_741 op-amp entegresinin bacak bağlantılarını
dikkate alarak, board üzerine kurunuz. (Board üzerinde
ortada bulunan soketlerin yukardan aşağıya doğru kısa
devre olduğunu unutmayınız.
4
Sinyal jeneratörünü kullanarak 1 kHz, Vt-t=2V olacak şekilde
üçgen dalga elde ediniz.
5
Sinyal jeneratörünün ilgili sinyal çıkışını aktif ediniz.
6
Giriş ve çıkış gerilimlerini osiloskop ile ölçerek raporda
belirtiniz.
7
741
10 k
Vçk
6
3.2.7 Buffer OP-AMP Deneyi
Buffer veya gerilim izleyici devreler, giriş ve çıkış gerilimleri
arasında kazancın 1 ve faz farkının olmadığı uygulamalardır.
Özellikle sinyal izolasyonlarında kullanılır
Vgr
+
Şekil 3.8 : BUFFER devresi
Vçk
deney 3
1
݂݃‫≤ ݎ‬
= ݂‫ܥ‬
2. ߨ. ܴ݃‫ ݎ‬. ‫ݎ݃ܥ‬
Elektroniğe Giriş Laboratuvarı
Yıldız Teknik Üniversitesi - Elektrik Mühendisliği Bölümü
Elektroniğe Giriş Laboratuvarı
deney 3
Deneyin Yapılışı
1
Masanın elektriksel bağlantısını kontrol ediniz.
(Osiloskop, sinyal jeneratörünün elektriksel
bağlantısı yapılmış olmalıdır.)
2
Besleme gerilimi olarak ±15V elde ettiğinizden emin
olunuz.
3
Şekil 3.8 ‘de verilen op-amp devresini, deney föyünün
sonunda verilen LM_741 op-amp entegresinin bacak
bağlantılarını dikkate alarak, board üzerine kurunuz.
(Board üzerinde ortada bulunan soketlerin yukardan
aşağıya doğru kısa devre olduğunu unutmayınız.)
4
Sinyal jeneratörünü kullanarak 1 kHz, Vt-t=2V olacak
şekilde üçgen dalga elde ediniz.
5
Sinyal jeneratörünün ilgili sinyal çıkışını aktif ediniz.
6
Giriş ve çıkış gerilimlerini osiloskop ile ölçerek raporda
belirtiniz.
Türev Alma Devresi Giriş Gerilimi
Çizilecek Grafikler
ÇIKIŞDevresi
GERİLİMİÇıkış Gerilimi
Türev Alma
Eviren OP-AMP Devresi Çıkış Gerilimi
(her iki gerilimi de periyodu dikkate alarak çiziniz)
BUFFER Devresi Çıkış Gerilimi
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
1
File Size
447 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content