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 b-Plastik kılıf c-Seramik kılıf a-741 Metal Kılıf d-Seramik yüzey montaj e-Seramik yüzey montaj f-Küçük entegre boyutları

Şematik Gösterimi +V - V Z - + Z A V V V = V - V V + -V 2 out ol in 1 2 V 1 + -V

İç Yapısı İçlerinde transistör,direnç,kondansatör vs. gibi devre elemanlarını barındırır. 20 transistör 11 direnc 1 kapasitör

+V Vout Vin- Vin+ -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. 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

Op-Amplarda Kazanç Yükselticiler bir sinyali A ile gösterilen kazanç ile çarpıp yükseltirler. Kazanç çıkış sinyalinin giriş sinyaline oranıdır. in out v A = 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 Vout = – [Rf/Rin] Vin Diod Direnç Kapasitör Rf + – Vin Vout Rin + – V– V+ Vout Tel

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 - A f out B in R i = + : ) 2 - f out in B A R V = ) 3 in f out R V - =

2) Tersine Çevirmeyen Amplifikatör - + : ) 1 out g f B in A V R + = - : ) 2 + R V g f in out B A = ) 3 g f in out R V + = 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. invert noninvert R in f -V 1 f in R + 2 V in f R + ) ( V out = + out in R Rf V = V1 (V2 - ) V f in A R + = 2

4) Voltaj Takipçisi (Follower) Op amp’ın çıkışı her hangi bir geri besleme direnci (Rf) olmaksızın girişin (–) ucuna verilmesiyle sağlanır. + – V– Vin Voutput A=1 Vin=Vout Giriş sinyalini yükten ayıran bir tampon vazifesi görmektedir Giriş direnci yüksek Çıkış direnci küçüktür Çıkış gücü yüksektir Note that we observed that drawing current from a source will drop its output voltage and skew the measurement. A voltage follower nicely compensates for that by measuring the input voltage through its high input impedance and then delivering the same voltage from its internal power supply through its low impedance output. Note how this system delivers a gain of 1 (unity) even though we are using a device with an open loop gain of a million. When negative feedback is employed, we force the amplifier gain to depend upon the external circuitry.

5)Türev Alıcı Rf Cin – Vin Vo + Giriş sinyalinin türevini alarak çıkışa verir. Giriş sinyalinin genliği değişmiyorsa çıkış sinyali görülmeyecektir. Böylece giriş sinyalindeki değişimler algılanmış olur. Rf + – Vin Vo Cin Vo(t) = – Rf Cin dVin(t)/dt Giriş sinyalinin eğimi yada değişim hızıdır. An additional input resistor tends to low pass filter the input, effectively limiting the high frequency gain, making the unit less susceptible to high frequency noise. The output voltage is large when the rate of change of the input voltage is large. This circuit can be used for detecting “spikes” in a signal that need to be identified or guarded against or eliminated.

6) İntegratör Cf Rin – Vin Vo + ò ( ) 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 V = – 1 R in C f t ( ) d ò Rin Reset switch – Vin iin Vo These circuits can be used to produce active filters (in contrast to the passive RC circuits mentioned before. They are also important as ramp generators. In a lot of instrumentation, it is necessary to scan a parameter (spectrometer grating, electrochemical cell potential, mass spectrometer m/e potential, etc. This circuit, with a constant input voltage, produces a nice output voltage ramp in time. Another resistor across the capacitor - a shunt resistor - limits the low frequency gain of the integrator, so that very small offset errors do not accumulate over time and ultimately swamp the output. +

Giriş sinyaline Göre Türev ve İntegrali Alınmış Çıkış Sinyali

7) Toplama Amplifikatörü - : + – V1 Vo Rf R1 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) Can arrange a summer with gain, a summer with unity gain, or an averaging circuit. Eğer R1 = R2 = R3 = 3Rf ise Vo = – [1/3] (V1 + V2 + V3)

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 Vin - + Vo Vref Vcc -Vee VIN VREF •Bu devre giriş sinyalini karşılaştırarak kare dalgaya çevir. • Genellikle bir trigger devresi olarak kullanılır. 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 R4 A1 A2 A V = R 6 4 1 + 2 é ë ê ù û ú æ è ç ö ø ÷ - ( ) 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 E R C = - + 1 w j f = 0→ çıkış = 1 f → ∞ çıkış= 0 Alçak Geçiren Filitre E R C O i F = - + 1 w j Eo E + E - Ed CF Ei Ri Ii RF ZF f f = 0→ çıkış = 1 f → ∞ çıkış= 0

Aktif Filitreler f = 0 → çıkış = 0 f →∞ çıkış =1 Yüksek Geçiren Filitre Eo E + E - Ed Ei Ri Ii Ci RF Zi E R j O i F = - + C w 1 f f = 0 → çıkış = 0 f →∞ çıkış =1

Thermocouple (Isıl çift) Vo = [Rf/Rin] (Vt - Vs)  T(Vo) Rf + – Vo Rin Standard temperature 0 ˚C Test temperature ? Vs Vt copper constantan More modern devices include an electronic ice point, which produces the voltage at the reference temperature. The difference voltage is then passed on to another amplifier whose gain function can convert the signal to milivolts such that its numerical value is the same as the temperature in ˚C.

LDR’ nin Opamplı Karşılaştırıcı Devrelerinde Kullanılması