GERÇEK DÜNYADA İŞLEMSEL YÜKSELTEÇLERİN ÖZELLİKLERİ

İdeal bir sistemin uygulamada aynı özellikleri göstermeyebileceği bir gerçektir.

A) ÇIKIŞ GERİLİMİ

İşlemsel yükselteç çıkışındaki gerilim devreye uygulanan simetrik besleme gerilimine bağlıdır. İşlemsel yükselteçlere uygulanan gerilim ± 15 v ise bu değer çıkışta maksimum (15>Vo=V_SAT ) 15 volt’dur. Bunun nedeni işlemsel yükseltecin kendi içindeki pasif devre elemanlarından kaynaklanan güç harcamasıdır. Çıkışta elde edilen değer maksimum çıkış gerilimidir. İdealde karşımıza çıkan ± sonsuz(¥)‘luk kavramı ± V_SAT’a eşittir..

B) GİRİŞ EMPEDANSI :

Kuvvetlendirici fark girişleri arasında görülen fark giriş direnci veya her bir giriş ile toprak arasında tanımlanan ortak mod giriş direnci olarak tanımlanabilir. Kataloglarda sadece giriş direnci olarak verilir. LM741 için R_in= 2 MW ve giriş kapasitesi Cin=1.4 pF, LM13741 için R_in= 5.10¹¹ W kadardır. Genelde bu değer 10⁶-10⁹ W arasında değişir.

C) ÇIKIŞ EMPEDANSI :

İşlemsel yükselteçler emitör çıkışlı bir devre elemanı olduğundan çıkış direnci (Ro) 10-10² W arasındadır.

D) KAZANÇ :

Bir işlemsel yükseltecin en temel işlevi gerilimi yükseltmesidir. Kazanç; çıkış voltajının giriş voltajına oranı olarak tanımlanır.

Kazanç belirli bir frekans için bulunur. Çünkü istenilen ve istenilmeyen etkiler kazancın başka frekanslarda farklı olmasına neden olacaktır. Bir çok yükseltici devresinde birkaç binlik kazanç esastır ve kazancın logaritmik terimlerle ifade edilmesi daha uygundur. Yükselticinin kazancı genelde çıkan ve giren güçlerin oranı olarak güç kazanç birimi olan desibel ile ifade edilir ve aşağıdaki formülle hesaplanır.

İdeal de kabul edilen açık çevrim gerilim kazancı bir işlemsel yükselteç için 200,000 ve üstüdür. Bu değer çok büyük olduğundan sonsuz (¥) kabul edilir.

E) AÇIK ÇEVRİM GERİLİM KAZANCI :

İşlemsel yükselteç bilindiği gibi eviren ve evirmeyen giriş uçları arasına uygulanan gerilimler arasındaki farkı yükselten bir yükselteçtir. Bu giriş uçlarının her ikisi de negatif veya pozitif gerilim değeri alabilir. Önemli olan nokta bu iki giriş arasındaki gerilim farkıdır. Fark gerilimi (Ef) aşağıdaki formül ile hesaplanır.

Bu formülde V(+) evirmeyen giriş ile toprak (GND) arasındaki gerilim, V(-) ise eviren giriş ile toprak (GND) arasındaki gerilimdir.

Vo’nun genliği ise temel fark kuvvetlendiricinin özelliğinden dolayı fark gerilimi pozitif ise çıkış (+)Vsat’a fark gerilimi negatif ise çıkış (-) Vsat’a eşittir.

Burada herhangi bir geri besleme elemanı kullanılmadığından kazanç(A) sınırlanmamıştır. Bu nedenle kazanç(A) işlemsel yükselteç kataloglarında verilen kazanç değeri kadar olmalıdır. Fakat pratikte Vo çıkış gerilimi hiçbir zaman besleme gerilimini aşamaz ve devrenin çıkış akımı hiçbir zaman kısa devre çıkış akımından fazla olamaz. Ayrıca ideal bir 0 Hz (Dc) ile çok yüksek frekanslar arasındaki bütün frekans spektrumunu eşit olarak şiddetlendirir. Fakat buda pratikte ulaşılan bir değer değildir, frekans yükseldikçe gerilim kazancı düşer.

F) KAPALI ÇEVRİM GERİLİM KAZANCI :

İşlemsel yükseltecin gerilim kazancı(A) çıkış geriliminin giriş gerilimine oranı ile hesaplanır. Bu nedenle çıkış gerilimi veya giriş geriliminde meydana gelen değişikliklerkazancında değişmesine neden olur. Bunu sağlamak için çıkıştan girişe veya giriş uçlarında gerilim bölücü dirençler kullanılarak kazanç ayarlanır.

G) BANT GENİŞLİĞİ :

Bir yükselticinin kazancı belirli bir frekans için tespit edilir ve frekans değiştiğinde kazançta değişir. Düşük empedanslarda yükseltecin katları arasında bulunan kuplaj kapasitörleri empedansı arttırır ve kazanç kaybına neden olur. Yüksek frekanslarda ise kazanç kaybı kapasitif parazitlerden ve transistörlerin yapısından kaynaklanır.Yükselticinin kullanılabildiği aralığa yükselticinin bant aralığı denir. Bu aralık genellikle güç kazancının 3 dB’den daha az olduğu frekans eksenindeki iki noktanın arasıdır, yani güç kazancının yarıya düştüğü aralıktır. Bant genişliği bu amaçla belirli frekansları kullanmak veya atmak için kullanılır.

H) GİRİŞ POLARMA AKIMI :

Giriş polarma akımı Ib ile temsil edilir. Bu akım , her iki girişten akan akımların ortalama değerleri toplamını yarısına eşittir. Giriş polarma akımının değeri çıkış dengesizlik gerilimini tayin eder.

Kullanılan işlemsel yükseltecin fark yükselteçlerinde kullanılan transistöre göre giriş polarma akımı değişir. Örneğin;fet transistörlü fark yükselteçleri için 1 pA(piko amper)‘den daha küçüktür. Bu değer transistörlü fark yükselteçleri için 80 nA (nano amper)’dir.

İ) GİRİŞ DENGESİZLİK AKIMI :

Vo=0 iken (bunun için Vg1 ve Vg2 aynı kaynaktan besleniyor olmalı veya ikisi de topraklanmalıdır.) Ib1 ve Ib2 giriş akımlarının ortalama değerlerinin farkına giriş dengesizlik (offset) akımı denir. Ios=(Ib1)-(Ib2) olarak gösterilir. Bu akım(offset) giriş dengesizlik gerilimini tayin eder.

J) GİRİŞ DENGESİZLİK GERİLİMİ :

İdeal işlemsel yükselteçlerde giriş gerilimleri arasındaki fark (bunun için Vg1 ve Vg2 aynı kaynaktan besleniyor olmalı veya ikisi de topraklanmalıdır.) sıfırdır. Ancak uygulama sırasında işlemsel yükselteç yapısındaki tüm elemanların tam uyum içinde olmaması nedeni ile giriş gerilimleri arasında farklılık vardır. Vo=0 değildir. Giriş dengesizlik gerilimi, giriş gerilimler arasındaki(Vo=0 iken) fark olarak tanımlanır. Kuvvetlendiricilerde giriş offset gerilimi özelliği daha çok kullanılır. Ve bu gerilim, çıkışı sıfır yapacak olan girişteki (Vg2-Vg1) fark gerilimi olarak tanımlanır. .

K) EĞİM ORANI :

İşlemsel yükseltecin çıkış değerinin ne kadar hızlı değiştiğini açıklar ve SR ile gösterilir. Bu özellik aktif filtrelerin tasarlanma aşamasında taşır. Çünkü eğim oranı artıkça bant genişliği artacaktır.

İşlemsel yükseltecin içinde osilasyonları önlemek için genelde küçük bir kompanzasyon(dengeleme) kapasitesi vardır veya bu kapasite dışarıdan ilave edilir. Bu kapasite içinden geçen akım devre elemanları tarafından sınırlanır. Değişim oranı bu kapasiteden geçen akımın kapasite değerine oranıdır.

Kapasite ne kadar küçük ise eğim oranı dolayısıyla bant genişliği o kadar büyüktür. Görüldüğü gibi osilasyonları engellemek için konulan kompanzasyon kapasitesi çıkışın değişimini etkilemektedir.

L) FREKANS CEVABI :

İşlemsel yükselteçlerin frekans cevabı eğim oranı ile sınırlanır. Eğim oranı arttıkça bant genişliği artacaktır. Kompanzasyon kapasitesinin kapasitif reaktansı Xc=1/ 2pfc dir. Buradan’da görüldüğü gibi band genişliği,yani frekans arttıkça kapasitif reaktans azalacaktır. Bir işlemsel yükseltecin kazanç bant genişliği aşağıdaki formül ile hesaplanır.

Kazanç bant genişliği eğrisiŞekildeki eğride de görüldüğü gibi kazanç bant genişliği sabittir.(1 MHz)

ORTAK GÜRÜLTÜYÜ BASTIRMA (CMRR)

İşlemsel yükseltecin en önemli özelliklerinden biri bazı istenmeyen sinyal türlerini bastırma ve giderme yeteneğidir. Bu istenmeyen sinyallere gürültü adı verilir. Gürültü toprak veya sinyal hatlarındaki kaçak manyetik alanların yarattığı gerilimler veya gerilim kaynaklarındaki gerilim dalgalanmaları nedeniyle ortaya çıkabilir. Burada önemli olan, gürültü sinyalinin fark yükseltecinde yükseltilmesi istenen sinyaller olmamasıdır. Bu tür yükselteçlerin en önemli özelliği giriş uçlarında yer alan fark yükselteçleri nedeniyle girişlerine uygulanan eş sinyallerin farkını almasıdır. Aynı polaritede olan ve her iki giriş ucunda da ortak olarak ortaya çıkan her istenmeyen sinyalin (gürültünün) fark yükseltecinin çıkışında büyük ölçüde bastırılacağını söyleyebiliriz. Bir yükseltecin farksal sinyalleri yükseltirken ortak modlu sinyalleri kabul etmemesine ortak mod bastırma oranı (CMRR) denir.

İdeal farklı işaretli çalışmada. Genel olarak bu sinyallerin tam olarak ters ve aynı polariteli bileşenler içerdiği düşünülebilir. İdeal çalışmada, sinyallerin ters polaritede bileşenleri için yüksek kazanç ve aynı polaritedeki bileşenleri için sıfır kazanç sağlayan bir fark yükselteci arzu edilir.Şekil A’ da I. uçtan II. uca ölçülen gerilim fark gerilim olarak düşünülebilir.

Şekil B ‘ deki giriş sinyalinin ortak bileşenlerini aşağıdaki gibi tanımlayabiliriz.

ideal durumda Vi1=Vi2 olur ve;

Yukarıdaki denklemlerden Vi₁ ve Vi₂ için aşağıdaki bağıntıları elde edebiliriz.Bu durumda çıkış gerilimleri;

(Ad: yükseltecin fark işaretli kazancı, Ac ise yükseltecin ortak işaretli kazancı )

TERS POLARİTELİ GİRİŞLER :

Girişler birbirine eşit ve ters polaritede ise;

Bu da, sadece fark işaretli çalışma olduğunu (ve toplam kazancın Ad değerinin iki katı olduğunu) gösterir.

AYNI POLARİTELİ GİRİŞ :

Eğer girişler birbirine eşit ve aynı polaritede yani;

Bu da sadece ortak işaretli çalışmanın olduğunu gösterir.

ORTAK İŞARETLİ BASTIRMA ORANI (CMRR)

Bir yükseltecin farksal sinyalleri yükseltirken ortak modlu sinyalleri kabul etmemesine ortak mod reddetme (CMRR) denir. Yukarıda görüldüğü gibi fark yükselteci devrelerinde Ad ve Ac’nin ölçülmesi için örneğin Ad’yi ölçmek için;Vd = 1V ve Vc = 0V olacak şekilde Vi₁ = (-)Vi₂ = Vs =0,5V seçin. Çıkış gerilimi Ad_x(1V) ve çıkış gerilimi de Ad’ye eşittir. Ac’yi ölçmek için Vd = 0 Vc = 1V olacak şekilde Vi1 = Vi2 = Vs = 1V seçin. Çıkış çıkış gerilimi Ac’ye eşittir. .Yükselteç için Ad ve Ac ölçüldüğüne göre bu yükselteç için ortak işareti (CMRR) bastırma oranı belirlenebilir.

İstenilen çalışmanın çok büyük Ad ve çok küçük Ac’ ye sahip olacağı açıktır. Yani ters polaritedeki sinyaller çıkış ucunda büyük oranda yükseltilmiş olarak görünürken, aynı polaritedeki sinyaller çoğunlukla bastırılacak ve dolayısıyla ortak işaret kazancı Ac, çok küçük olacaktır. İdeal olarak, Ad çok büyük ve Ac sıfırdır. Böylece CMRR değeri sonsuz olur. CMRR ne kadar büyükse, devrenin ortak işareti bastırma oranı o kadar iyi olacaktır. Çıkış gerilimi için aşağıdaki ifadeyi elde etmek mümkündür.

Girişlerde gerilim hem Vc, hem de Vd bileşenleri bulunsa bile (1/CMRR) (Vc/Vd) değeri çok küçük olacaktır. Çünkü CMRR çok büyüktür ve çıkış gerilimi yaklaşık olarak (Ad _*Vd) olacaktır.Başka bir deyişle çıkış neredeyse tamamen fark sinyalinden ve ortak işaret giriş sinyallerinden arındırılıyor. Bazı pratik örnekler bu bilgilerin netleşmesine yardımcı olacaktır.

Örnek: Vi₁= 150 mV ve Vi₂ = 100 mV giriş gerilimleri için fark yükseltecinin çıkış gerilimini bulun. Yükselteç, Ad = 1000’lik bir fark işaret kazancına sahiptir ve CMRR değeri şöyledir: a) 100 b) 105 Çözüm: Vd = Vi₁-Vi₂ = (150-100) mV = 50 mVVc = ½ (Vi₁+Vi₂) = (150+100) mV/2 = 125 mV

Ortak sinyalin, fark sinyalinden iki kat daha büyük olduğuna dikkat edin.

1. Vo = Ad.Vd (1+1/CMRR . Vc/Vd) = Ad.Vd (1+1/100.125/50) = Ad.Vd (1,025) = (1000) ´ (50 mV) ´ (1,025) = 51,25 MV çıkış 50 mV’ luk fark sinyali çıkışından yalnızca 0,025 mV yada diğer deyimle %2,5 daha büyüktür.
2. Vo = Ad ´ Vd(1+1/105 ´ 125/50) = Ad ´ Vd(1,000025) @ 100 ´ 50 mV
3. = 50 mV …