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 op-amp 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 2MW, gerilim kazancı 100.000 ve çıkış empedansı 75 W�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 = 2bre

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 kW

7,5uA

741�de girişteki her transistörün b�sı tipik olarak b=300 olduğuna göre giriş empedansı:

ri= 2 (300) . (3,3K) = 2mW

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 W�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 W olduğuna göre yük direnci 7,5 kW�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 op-ampın 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. Op-ampın  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 kW�luk yük direnci uçlarındaki gerilim 30 V olacaktır. Ancak bu gerilim 741C�nin çıkış katından dolayı genelde 27V ve 10 kW yük direncinde 27V, 1 kW�luk yük uçlarında 25 V ve 100 W 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 b�da değerleri iki beyz gerilimini 3 ve 2 nolu ayaklardaki farkını transfer etmektedirler.

Vgiriş = +2mV +(20nA) . (220 kW) = +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. Op-amp 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.