DONANIM KURSU-6
Geçen sayıda basit transistör devreleriyle tanışmış ve bunların işlevlerini görmüştük. Bu ay ise Op-amp'lara ve sayısal entegre devrelere değineceğiz. Bir zamanlar elektronik mühendisleri zamanlarının çoğunu transistörlü yükselticilerin tasarımı için harcıyorlardı. Bunların en zoru ise kuplaj transistörü kullanmayan doğrudan kuplajlı yükselticilerdi. Doğrudan kuplajlı yükselticilerin avantajları frekans bantlarının geniş olması, çok düşük frekanslı sinyalleri ve hatta DC gerilimleri bile yükseltebilmeleridir. Yani girişe çok küçük bir DC gerilim tatbik edildiğinde çıkıştan daha büyük bir DC gerilim elde edilebilmektedir. Ancak bias gerilimde meydana gelebilecek en küçük bir değişiklik çıkış geriliminde büyük değişiklikler meydana getirebileceği için çok dikkatli olarak tasarımlanmaları gereklidir. Bugün bu zahmetlerin hepsi geride kalmıştır, çünkü artık entegre devre şeklinde hazır DC yükselteçler her yerde bulunmaktadır. Bu işin nasıl yapılacağını daha önce transistörleri incelerken görmüştük. Bildiğiniz gibi bir silikon parçasının direnci yabancı maddeler ile kirletilerek istenildiği gibi değiştirilebilir. Yine silikon plakaların üzerlerini oksitle kaplamak ve bunun da üzerine bir metal parça koymak suretiyle kondansatör elde edilebilmektedir (MOSFET'lerin GATE'leri gibi). Silikondan elektroniğin 4 ana elemanı (diyot, transistör, direnç ve kondansatör) elde edilebileceğine göre bunların birarada imal edilerek komple devreler elde edilmemesi için bir neden yoktur. Aslında bu fikir transistörün bulunuşu ile ortaya çıkmıştır, ancak o günlerin teknolojisi buna el vermemiştir. Günümüzde bu tip entegre fiyatları tek bir transistörün fiyatına yakındır. Bunun da nedeni böyle bir devrenin imali için transistörle aynı sayıda imalat safhasının yeterli olmasıdır.
DC kuplajlı entegre devre yükselticilerinin en popüleri kuşkusuz 741'dir ve bu sayımızda bu entegre devreyi ele alacağız. Bazı elektronikçiler 741'in iç yapısını da bilmeyi isterler. Ancak bir devre tasarımı için iç yapıyı bilmenin hiçbir faydası yoktur. Yani entegre devrelerin iç yapılarının (ki oldukça karmaşıktır) bilinmesi kişiye fazladan bir avantaj sağlamamaktadır. Bu yüzden entegre devreler bir kutu olarak gösterilir. Önemli olan giriş terminallerine bir sinyal tatbik edildiğinde çıkıştan ne gibi bir sonuç alınacağının bilinmesi.
Resim 1'de sembolü gösterilen 741, bir fark yükselticidir. (+) ve (—) olmak üzere iki girişi bulunmakta, bu iki girişteki sinyallerin farkı alınarak
2. VÜN hn MV LA
Resim 1: Fark amplifikasyonu.
ANIL GÜL yükseltilmektedir. Örneğin her iki girişe de aynı sinüs dalgası tatbik edildiğinde çıkış ucundaki gerilim sıfır olur, çünkü (+) ve (—) girişler arasındaki fark sıfırdır. Diğer taraftan girişlerden birine sinüs dalgası ters çevrildiğinde iki giriş arasındaki fark
- bu iki sinüs dalgasının iki katı olacağı için çıkışta da bunun epeyce yükseltilmişi belirir. Bu şekilde iki girişli yükselteç yapılmasının bazı avantajları bulunur. Birincisi dengeli sinyallerin yükseltilebilmeleri ve bu yükseltme esnasında şebeke gerilimden gelen distorsiyonun ortadan kaldırılabilmesidir. Dengeli sinyal demek birbirinin aynısı fakat fazları ters iki sinyal demektir. İki ayrı giriş bulunmasının diğer bir avantajı da yükselticinin iki türlü kullanılmasıdır. Giriş sinyali pozitif (veya çevirmeyen) girişe tatbik edildiğinde çıkış sinyalinin fazı giriş sinyali ile aynı fazda olur. Giriş sinyali negatif (çevirici) girişe tatbik edildiğinde ise çıkıştaki yükselmiş sinyal, giriştekine göre 180 derece faz farkı taşır. 741 entegre devresi çeşitli tip kılıflar içerisinde satılmaktadır. Bunların içinde en yaygın olanı Resim 2'de gösterilen 8 bacaklı kılıftır. 8 bacakta kullanılmamasına rağmen bacakların numaralandırılması ve tanınması kolaydır. Ayrıca entegre devrelerin büyük çoğunluğu DIL diye adlandırılan bu tip kılıfı kullanmaktadır. (+) ve (—) ile gösterilen bacakların besleme kaynağı ile bir ilgisi bulunmayıp, çevirici (negatif) ve çevirmeyen (pozitif) girişleri göstermektedir (2 ve 3 no'lu bacaklar). 6 no'lu bacak ise çıkış ucudur. (+) ve (—) besleme gerilimi uçları ise sırasıyla 7 ve 4 no'lu bacaklardır. 741'lerde genellikle (+) ve (—) simetrik besleme kaynağı kullanılmaktadır. Örneğin 7 no'lu bacağa +9 Volt, 4 no'lu bacağa —9 Volt gibi. Fakat ileride de anlatılacağı gibi 4 no'lu bacak sıfır Volt olacak şekilde 741'leri tek besleme kaynağından beslemek de mümkündür. 741'lerin DC ve AC gerilim kazançları 100.000 civarındadır. İlk bakışta bu kadar yüksek bir kazanç korkutucu ve işe yaramaz gibi gözükebilir. Resim 3'deki devre ile bir deney yaparsak bu konu hakkında daha detaylı bilgi sahibi olabiliriz. Burada ölçü aleti çıkış gerilimini ölçmektedir ve 741'in (—) girişi toprağa (0 volta) bağlanmıştır. 10 K potansiyometresi ile oynamak suretiyle 3 no'lu (+) girişi de 0 Volt yaparak çıkışı da sıfır yapmaya uğraşın. Ancak ölçü aleti ya +9 Volt, ya da —9 Volt gösterecektir. Eğer çıkışı 0 Volt yapabilirseniz bu değerin çok kısa bir süre sonra yine ya +9 Volt, ya da —9 Volt olduğunu göreceksiniz. Bunun nedenini anlamak pek zor değildir. Kazanç 100.000 civarında olduğu için çıkıştaki 1 Volt, girişte 1/100.000 Volt'a karşılık gelmektedir. Başka bir deyişle giriş uçları arasındaki 10 mikrovolt bile çıkışın doyuma ulaşmasına neden olmaktadır.
Resim 2: 8 bacaklı DIL kılıflı 741.
Kontrol altına alınması:
Takdir edeceğiniz gibi kazancı 100.000 olan bir yükseltici anahtarlama işlevi dışında pek bir işe yaramaz. AC sinyallerin kuvvetlendirilmesi için daha düşük kazançlar kullanılmalıdır. 741 Operasyonel amplifikatöründe (kısaca Op-Amp) kazanç, DC negatif besleme yolu ile istenilen değere düşürülebilir. Negatif geri besleme, çıkış ucundan (—) girişe bağlantı yapmak suretiyle elde edilir. Resim 4'deki devre ile hiçbir ayara gerek kalmadan çıkışta tam sıfır volt elde edilebilir. Görüldüğü gibi Op-Amp'ın (+) girişi topraklanmış, (—) ucu ise 100K'lık bir direnç ile çıkışa bağlanmıştır. Şimdi eğer çıkışta bir gerilim oluşursa (yani negatif ise), (+) girişteki potansiyel çıkışta pozitife doğru yükselecektir. Bu durumda çevirici giriş 100K'lık direnç ile çıkışa bağlı olduğu için bu girişteki gerilim de pozitife doğru yükselme eğilimi gösterecektir. Şimdi farzedelim çevirici girişteki gerilim sıfırlanacaktır. Böylece çıkıştaki gerilim değişimlerinin girişi ters yönde etkilemesi nedeni ile hem giriş, hem de çıkış tam sıfır voltta kalmak zorunda olacaktır.
2 ADET 9 VOLTLUK PİL İLE ELDE EDİLEN SİMETRİK ÇİFT BESLEME
Resim 3: Test devresi.
Resim 4: Negatif geri besleme ile biaslama.
Düşük Kazanç:
Daha önce belirttiğimiz gibi 741'in en fazla kullanıldığı devreler 100.000'e oranla çok daha düşük kazançlı devrelerdir. Bu devrelerin hepsinde de negatif geri besleme kullanılır. En kullanışlı kazanç düşürme devrelerinden biri Resim 5'de gösterilmiştir. Burada geri besleme R2 direnci ile gerçekleştirilmiş olup R1 direnci kazancın belirlenmesinde rol oynamaktadır. Böyle bir devrenin kazancı R2/R1'dir. Örneğin R2=100K, R1=1K olarak seçilirse devrenin toplam kazancı 100/1=100 olur. Bu yüzden yukarıdaki basit ve kullanışlı devre ile istenen her değerde kazanç elde edilebilir. DC geri beslemeden dolayı girişte hiçbir sinyal yokken çıkış gerilimi de sıfırdır. Görüldüğü gibi devre simetrik çift besleme kaynağından beslenmektedir. Ancak bir ufak değişiklikle tek kaynaktan beslenen bir devre de yapılabilir. Böyle bir yükseltici şeması Resim 6'da verilmiştir. Burada çevirmeyen (pozitif) giriş 4,5 Volt'a biaslanmıştır. R2 besleme direnci çevirici girişinin aynı gerilimde bulunmasını sağlamaktadır. Ancak bu tip kullanımda çevirici girişin DC gerilim değerini birkaç milivolt bile değiştirecek bağlantılardan kesinlikle kaçınılması gereklidir. Bu yüzden de uygulanacak sinyal şemada da görüldüğü gibi bir kondansatör üzerinden tatbik edilmelidir. Bu kondansatör tatbik edilecek sinyalin (eğer varsa) DC bileşenlerini süzecektir. Çevirici yükselteçlerin diğer alternatifi, çevirmeyen yükselteçlerdir. Burada giriş sinyali ile çıkış sinyali arasında faz farkı bulunmaz. Simetrik çift besleme kaynağı kullanılan böyle bir devre şeması da Resim 7'de gösterilmiştir. Çıkıştan çevirici girişe geribesleme R1 ve R2 dirençlerinden oluşan bir gerilim bölme devresi ile gerçekleştirilmiş, pozitif giriş ile toprak arasına yüksek değerde bir direnç (R3) bağlanmıştır. Bu devrenin kazancı, (R1 + R2)/R2'ye eşittir. Örneğin R1=100K, R2=10K olarak seçildiğinde kazanç, 110/10=11 olacaktır. Bu devrenin giriş direnci oldukça yüksek (1 MOhm veya daha büyük), çıkış direnci ise oldukça düşük (birkaç Ohm veya daha düşük) olabilir. Bu özelliğinden dolayı da hem AC, hem de DC devrelerde çok faydalıdır. Çevirici yükselteç gibi çevirmeyen yükselteç de simetrik çift kaynak yerine tek kaynak ile kullanılabilir. Tabii bunun sağlanabilmesi için devre değişiklikleri yapılması gerekebilir. Gerilim bölücüye rağmen çevirici girişin DC gerilimi ile çıkıştaki DC gerilim aynı olmalıdır. Bu amaca uygun bir devre Resim 8'de yer almaktadır. Pozitif giriş eşit değerde iki direnç olan R1 ve R3 dirençlerinden oluşan gerilim bölücü ile sağlanmış, ancak C3 kondansatörü ile bu girişin DC olarak topraktan izole olması sağlanmıştır. Böylece DC gerilimde bulunması mümkün olabilmektedir. AC sinyaller için ise C3 kondansatörü kısa devre gibi görev yaptığından, R3 direncinin alt ucu sanki toprağa bağlı gibi işlev görmektedir. Böylece R2 ve R3 dirençleri AC sinyaller için bir gerilim bölücü oluşturmakta, fakat DC sinyaller için bu işlev ortadan kalkmaktadır. Bu devrenin giriş direnci R1 ve R4 bias dirençleri yüzünden çift besleme kaynaklı devreye oranla daha düşüktür. Devrenin giriş direnci bu iki direncin paralel eş değeridir. Örneğin bu dirençlerin 100 K olması halinde devrenin giriş direnci 50 K olacaktır. 741'in bütün bu avantajları yanında bazı dezavantajları da bulunmaktadır. Bunlardan birisi de besleme gerilimindeki kısıtlama olup 18 Volt'tan büyük besleme kaynakları ile kullanılamazlar. Diğer bir husus, kazanç arttıkça bant genişliğinin azalmasıdır. Düşük frekanslı AC sinyalleri ile DC gerilimler için problem olmamakla birlikte, bu op-amp'ların yüksek frekanslı sinyaller ile kullanılma durumunda dikkatli olunmalıdır. Örneğin 741, kazancı 100 olan bir yükseltici olarak kullanıldığında, bant genişliği 0-10 KHz arasında olmaktadır. Yani bu kazanç değeri ile HI-FI ses devrelerinde kullanılamazlar. 741 çok kullanışlı ve faydalı bir entegre devredir. 741'den sonra ileri teknolojinin ürünü olan daha başka op-amp entegreleri de piyasaya sürülmüş olup kullanılış teknikleri bunlar ile aynıdır.
R2
*9V
Resim 5: 741'li tipik bir çevirici amplifikatör.
Resim 6: Tek beslemeli çevirmeyen amplifikatör.
Resim 7: Simetrik çift beslemeli çevirmeyen amplifikatör.
Resim 8: Tek besleme kaynağı kullanan çevirici yükseltici.
Bu aylık bu kadar. Hoşça kalın!