Op-Amp Devreleri — Temeller

Bir op-amp devresi, çıkışın girişe nasıl tepki vereceğini kontrol etmek için işlemsel yükselteç ile geri besleme elemanlarını birlikte kullanır. Temel fikir basittir: çıplak yükseltecin kazancı o kadar büyüktür ki davranışı öngörülebilir yapan şey dış devredir, özellikle de geri besleme ağıdır.

Sınıfta kullanılan formüllerin çoğu ideal op-amp modelinden gelir. Bu formüller yalnızca devrede negatif geri besleme varsa ve çıkış besleme rayları arasında kalıyorsa güvenilirdir; böylece op-amp doğrusal bölgede çalışmaya devam eder.

İdeal Op-Amp Kuralları Ne Zaman Geçerlidir?

Negatif geri beslemeli ve doğrusal çalışan ideal bir op-amp için iki kısayol tekrar tekrar kullanılır:

1. Giriş akımları sıfırdır.
2. Giriş gerilimleri neredeyse eşittir, yani $V_+ \approx V_-$.

İkinci kurala sık sık sanal kısa devre denir. Bu, girişlerin fiziksel olarak bağlı olduğu anlamına gelmez. Geri besleme, girişler arasındaki gerilim farkı çok küçük olana kadar çıkışı ayarlar.

Op-amp doyumdaysa veya devre negatif geri besleme kullanmıyorsa, $V_+ \approx V_-$ varsayımını yapmamalısınız.

Tersleyen Yükselteç Formülü

Standart tersleyen yükselteçte giriş sinyali, $R_{in}$ direnci üzerinden tersleyen uca gider; terslemeyen uç toprak gibi bir referansa bağlanır ve $R_f$ geri besleme direnci çıkıştan tersleyen uca bağlanır.

İdeal varsayımlar altında,

$$V_{out} = -\frac{R_f}{R_{in}} V_{in}$$

Eksi işareti, çıkışın girişe göre ters çevrildiği anlamına gelir.

Terslemeyen Yükselteç Formülü

Standart terslemeyen yükselteçte giriş sinyali terslemeyen uca uygulanır ve tersleyen uç bir dirençli geri besleme ağının içinde yer alır.

Aynı ideal varsayımlar altında,

$$V_{out} = \left(1 + \frac{R_f}{R_g}\right) V_{in}$$

Bu yapı, çıkışı girişle aynı fazda tutar ve ideal olarak çok büyük bir giriş empedansı sağlar.

Negatif Geri Besleme Neden Her Şeyi Değiştirir?

Bir op-amp son derece büyük bir açık çevrim kazancına sahiptir. $V_+$ ile $V_-$ arasındaki çok küçük bir fark bile çıkışı bir raya ya da diğerine doğru güçlü biçimde sürme eğilimindedir.

Negatif geri besleme bu davranışı kontrol altına alır. Çıkışın bir kısmını giriş ağına geri besler; böylece devre, gerekli giriş koşulunun sağlandığı bir çıkış değerinde dengelenir. Bu temel devrelerde kapalı çevrim kazancını genellikle çipin ham iç kazancı değil, direnç oranları belirler.

Çözümlü Örnek: Bir Tersleyen Devreyi Çözme

İdeal bir tersleyen yükselteçte $R_{in} = 2 \, \mathrm{k\Omega}$ ve $R_f = 10 \, \mathrm{k\Omega}$ olsun. Giriş gerilimi $V_{in} = 0.30 \, \mathrm{V}$ değerindedir.

Tersleyen yükselteç formülünü kullanın:

$$V_{out} = -\frac{R_f}{R_{in}} V_{in}$$

Direnç değerlerini yerine koyun:

$$V_{out} = -\frac{10 \, \mathrm{k\Omega}}{2 \, \mathrm{k\Omega}}(0.30 \, \mathrm{V})$$ $$V_{out} = -(5)(0.30 \, \mathrm{V}) = -1.5 \, \mathrm{V}$$

Buna göre tahmin edilen çıkış $-1.5 \, \mathrm{V}$ olur. Bu sonuç yalnızca güç kaynağı çıkışın bu değere kadar salınmasına izin veriyorsa doğrudur.

Kullanılabilir besleme rayları $-1.5 \, \mathrm{V}$ değerini destekleyemiyorsa, op-amp doyuma girer ve basit kazanç formülü artık gerçek çıkışı vermez.

Op-Amp Devrelerinde Yaygın Hatalar

• Negatif geri besleme olmasa bile her op-amp devresinde $V_+ \approx V_-$ kullanmak.
• Çıkışın besleme raylarını aşamayacağını unutmak.
• Tersleyen ve terslemeyen kazanç formüllerini karıştırmak.
• Tersleyen yükselteçte çıkışın işaretini göz ardı etmek.
• İdeal kuralları, her frekansta ve her çıkış seviyesinde tüm gerçek op-amp'lerin tam açıklaması gibi görmek.

Op-Amp Devreleri Nerelerde Karşımıza Çıkar?

Temel op-amp devreleri sensör koşullandırmada, ses ön yükselteçlerinde, aktif filtrelerde, gerilim izleyicilerinde ve ölçüm sistemlerinde görülür. Bir yükselteç ile birkaç pasif eleman, öngörülebilir biçimde kazanç, tamponlama veya filtreleme sağlayabildiği için yaygın olarak kullanılırlar.

İdeal model genellikle ilk adımdır. Bant genişliği, slew rate, giriş bias akımı, ofset gerilimi, gürültü veya çıkış salınım sınırları önemli hâle geldiğinde daha ayrıntılı analiz gerekir.

Benzer Bir Soru Deneyin

Aynı tersleyen yükselteci koruyun, ancak geri besleme direncini $20 \, \mathrm{k\Omega}$ yapın. Kapalı çevrim kazancının büyüklüğü iki katına çıkar; dolayısıyla op-amp hâlâ doğrusal bölgede kalabiliyorsa tahmin edilen çıkış $-3.0 \, \mathrm{V}$ olur. Benzer bir devreyi baştan çözmek isterseniz, farklı bir direnç oranıyla kendi örneğinizi kurun ve önce ray sınırlarının sonuca izin verip vermediğini kontrol edin.