Temel OPAMP devreleri 1 (evirmeyen yükselteç, non-inverting amplifier)

[malazgirt]

Elektronikle uğraşanlar ve bunun eğitimini alanlar, temel opamp devrelerinin çeşitleri, işlevleri ve kazanç hesabı ile ilgili teorik bilgiye sahip olurlar. Ama o teorinin gerçek hayata yansıdığını görmek ve teorik öngörülerin gerçek devrede karşılık bulduğunu farketmek çok önemlidir. İşte bu nedenle temel opamp devreleri ile ilgili bir dizi konu açmaya karar verdim. Her bir konuda, temel bir opamp devresini breadboard üzerinde kuracağız ve gerçek bir opamp'in değişik şartlar altında nasıl davrandığını göreceğiz. Yaptığımız hesapların öngördüğü sonuçları gerçek devrede görünce kendimize güvenimiz artacak. Ama bazı şartlar altında öngörülerimizin doğru çıkmadığını göreceğiz ve bunun da sebebini anlayacağız.

Evet, şimdi fazla uzatmadan, temel opamp devrelerinin en temeli olan ve "evirmeyen yükselteç" (non-inverting amplifier) ile başlayalım.

Bu yükseltecin kazancı, aşağıdaki bağıntı ile ifade edilir:

[math]G = 1 + \frac{R_2}{R_1}[/math]
Kurduğumuz devrede, R₁ = R₂= 9.76 kΩ. Girişe 1 kHz, 2Vpp lik bir sinüs sinyali uyguluyoruz, ve çıkışta da bu sinyalin iki katı genliğe sahip bir sinüs sinyali alıyoruz. Girişteki sinyalin faz açısı ile çıkıştaki sinyalin faz açısı da tam olarak örtüşüyor, yani giriş çıkış arasında bir faz farkı yok, "evirmeyen" (non inverting) tabiri de bunu ifade ediyor.

 

[malazgirt]

Girişteki sinyalin genliğini artırdığımızda, çıkıştaki sinyalin genliği de artacaktır. Eğer girişe 8Vpp bir sinüs sinyal uygularsak, çıkışta 16Vpp bir sinüs alacağız. Peki girişe 14Vpp bir sinyal uygularsak, çıkışta ne alacagız? Görelim:

Görüldüğü üzere, çıkışta 28V almadık,onun yerine tepeleri kesik, bozulmuş bir sinüs çıkışı aldık. Almamız da zaten mantıklı değil, çünkü +12V ve -12V bir besleme veriyoruz, 28V nasıl alacağız? Ama 24Vpp alabilir miyiz acaba? Girişe 12V verip görelim:

Evet görüldüğü üzere, 24V bile alamıyoruz. LM741 gibi çok eski opamp'lerde çıkıştan alınabilecek maksimum gerilim, besleme voltajının epey altında kalmaktadır. Deneyerek görüyoruz ki, en fazla 10.6V verebiliyoruz çıkıştaki sinüs sinyali bozmadan. Modern opamp'lerde besleme voltajına çok daha yakın çıkış değerleri almak mümkündür.

 

[malazgirt]

Şimdiye kadar kurduğumuz devrede, opamp'i +12V ve -12V çift besleme voltajı ile çalıştırdık. Peki tek bir besleme voltajı ile çalıştırırsak ne olur? Negatif beslemeyi kaldıralım ve onun olduğu yeri şase yapalım. Yani GND, Vcc- olan yere bağlı.

Sonra da 1Vpp, 1 KHz verelim:

Evet, bu şekilde tek besleme voltajı ile ne olduğunu analiz edersek, bir kere çıkış sinyalinin tamamen kullanılamaz hale geldiğini görüyoruz. Bunun nedeni, girişteki voltajın hem pozitif hem de negatife gitmesi. Yani 1Vpp lik bir sinüsoidal sinyal, +0.5V ile -0.5V arasında salınım yapar. Osiloskop ekranının sol tarafındaki sarı şase işaretlerine dikkat edin. Ama opamp çıkışı hep pozitif kalıyor (yeşil şase işaretine dikkat edin).

Burada da ilgili kuralı koyalım hemen: Eğer bir opamp girişine, GND ye göre hem pozitif hem de negatif voltajlar gelecek ise, o zaman mutlaka çift besleme voltajı kullanmalıyız. Eğer kullanmazsak, opamp'in çıkışı tamamen kullanılamaz bir hale geliyor.

Peki, biz her zaman için opamp girişine pozitif bir voltaj vereceğimizden emin isek? Yani giriş bizim kontrolümüz altında ve her zaman pozitif olduğunu garantiliyoruz. İşte o zaman tek besleme voltajı kullanılabilir. Bunu kanıtlamak için de girişteki 1Vpp sinyali 1V kadar yukarı kaydırıyoruz. Yani giriş sinyalinin tepeden tepeye değeri gene 1V, ama sinyal +0.5V ile +1.5V arasında salınım yapıyor. Yani giriş sinyali her zaman pozitif. Böyle bir sinyal verince opamp kendine geliyor ve tek besleme ile normal çalışmaya başlıyor. Çıkıştaki voltaj da beklendiği gibi +1V ile +3V arasında salınım yapıyor (gene şase işaretlerine dikkat edin ve sinyalin nasıl değiştiğini görün).

 

[malazgirt]

Son olarak da, kazancı 1 olan özel bir evirmeyen yükselteci inceleyelim. Bu devreye aynı zamanda girişi takip eden yükselteç (voltage follower) da denir. Peki hiçbir kazanç sağlamayan bu yükseltecin amacı nedir? Buradaki tek amaç, giriş sinyalini sağlayan devreyi yüklememek. Evirmeyen yükselteçlerin giriş empedansı çok yüksektir, o yüzden girişteki devre için neredeyse hiç yük teşkil etmezler. Ama opamp'ler çıkışlarında belli bir yüklemeyi tolere edebilirler. Yani, yük teşkil eden, giriş empedansı düşük olan bir devreyi, herhangi bir yük kaldıramayan, çıkışı yüksek empedanslı bir devreye bağlamak gerektiğinde, bu 1 kazançlı giriş takipçisini kullanabiliriz.

Giriş takipçisini de çift besleme ve tek besleme olarak kullanabiliriz. Aşağıdaki devrede çift beslemeli olarak kullanıyoruz, çünkü giriş voltajı pozitif ve negatif arasında salınım yapıyor.

Devreyi denediğimizde, beklenen davranışı gösterdiğini anlıyoruz: