İşlemsel Yükslteçler (Operational Amplifiers-OPAMPS) Elektronikte uzun yıllardır kullanılmakta. İşlemsel yükselteçler üçgen şeklinde sembol ile devrelerde gösterilir. İhtiyaca göre tekli, ikili, dörtlü gruplar halinde imal edilenleri vardır.
İki giriş ve bir çıkışları var. (+) giriş evirmeyen-non inverting, (-) giriş eviren-inverting giriş olarak bilinir. Ayrıca +V ve –V besleme gerilimine ihtiyaç duyarlar. -V gerilimi yerine GND-toprak bağlantısı yapılabilir. Ancak bu durumda çıkışta (-) sinyal gözlenemez.
Neden işlemsel yükselteç?
Çünkü toplama, çıkarma, integral ve diferansiyel alma gibi matematiksel işlemleri yapabiliyor. Zaten bunları yapabilmek için üretildi. Hatta sayısal elektronikten önce bu işlemleri yapabiliyorlardı. Bu işlemleri yaparken sadece donanımsal çalışırlar, herhangi bir yazılıma da ihtiyaç duymazlar. Bu anlamda tamamıyla analog devre elemanlarıdır. Halen de bu işlemler için çok sıklıkla kullanılırlar. Ayrıca yükselteç olmaları da önemlidir.
Yukarıdaki sembolde bir diferansiyel(fark) yükselteç olduğu görülmekte (Aslında tek başına bu şekilde diferansiyel yükselteç olarak kullanılmaz. İleriki bölümde bunu açıklayacağız). İki giriş arasındaki gerilim farkı işlemsel yükseltecin bir iç kazancı/katsayısı (gain) ile çarpılarak (yükseltilerek) çıkışa gönderilir. Bu kazanç katsayısı teorik olarak çok büyüktür (105-106 ). Ama mesela giriş farkı 1 volt iken çıkışın 1 milyon volt olması da beklenmez! O yüzden opamplar tek başlarına kullanılamaz! Çıkış geriliminin büyüklüğü en fazla +V ile –V arasında olabilir (hatta bu değerin de biraz altında- rail to rail olanlar besleme gerilimine en yakın değeri verirler). Ne kadar altında olduğu ilgili ürünün data sheet’inden bulunabilir). Bu duruma doyma noktası (saturation) denir. Bu arada kazanç dediğimiz şey her zaman çıkışın girişe oranıdır. Bu sadece burada değil bilimsel olarak tasarlanmış tüm bilimsel devre/araç/yapı her neyse hepsi için aynıdır!
Büyük kazançlarına rağmen çıkış gerilimlerinin besleme gerilimi ile sınırlı olması da avantaj olarak kullanılır. Nasıl mı? Karşılaştırıcı (comperator) olarak kullanılmaları bu dezavantacın sonucudur. Düşünün, opampın (+) girişine uygulanan gerilim (-) girişine uygulanandan daha büyükse çıkıştan +V, (-) girişe uygulanan gerilim (+) girişe uygulanan gerilimden birazcık büyükse çıkıştan -V alınır. Aynen sayısal elektronik gibi. Çıkış ya +V, ya da -V. Dolayısıyla gerilim değeri kıyaslanacak olan devrelerde pekala kullanılırlar. Yani girişe gör çıkış. İşlemsel yükselteçlerin bu şekilde kullanılmasına açık döngü (open loop) bağlantısı denir. Birazdan ne demek anlayacağız.
Negatif Geribesleme:
Eğer İşlemsel yükseltecin çıkışı, (–) girişe bağlanırsa buna negatif geribesleme (negative feedback) denilir. Artık çıkışı girişe bağladığımıza göre artık open loop değil!.
Bu arada işlemsel yükselteçler ile bilmemiz gereken en önemli şey giriş dirençlerinin teorik olarak sonsuz olduğu. Böylece işlemsel yükseltece hiç akım girmediği kabul edilir. Yani opamp üzerinden akım geçmez! Tamamen açık devredir. Bu her zaman geçerli olan bir kuraldır. Çıkış direnci ise teorik olarak 0’dır.
Bir başka önemli kural ise sadece geri besleme yapıldığında geçerli olan bir kuraldır. İşlemsel yükselteçler yapısı gereği İki girişini eşitleyecek şekilde çalışır. Yani geri besleme sayesinde (+) ve (–) girişler aynı olacak şekilde çıkış verir! Yoksa giriş giriştir, sadece çıkış ayarlanabilir.
Bu arada çıkışın (–) girişe bağlanması ile opamp bir tampon (buffer) devre olarak kullanılabilir (voltage follower olarak da anılır). Haydi bakalım bir de buffer çıktı?
Bu devrede (+) giriş ne ise (–) giriş’in de aynı olması için, opamp çıkışı (+) giriş ile aynı olmalıdır. Mesela (+) girişten 1 volt verilirse, opamp (-) girişi de 1 volt yapmaya çalışır. Çıkış direk (-) girişe bağlı olduğu için 1 volt çıkış verir. e ne oldu! (+) girişten ne girdiyse çıkıştan aynen çıktı. O zaman neden kullandık bunu? İşte tampon devreler bu işe yarar. Girişe bağlanan bir sensörden değeri okur. Ama akım çekmediği için onun ölçtüğü değeri etkilemez. Ya da bir gerilim bölücüden akım çekmeden gerilim elde edebilir. Çıkıştan aynı değeri verir, ama bir farkla! O da bu çıkış gerilimi kendinden sonra gelecek devreyi çalıştırmak/sürmek için yeterli akımı sağlar. Yani tampon sayesinde sensörden akım çekilmez ama sonraki devre bu sensörden alınan veri ile çalıştırılabilir. Çalıştırılan bu devre ile sensör arasında olan opamp bu arada kalma yüzünden tampon ismini alır. Tekrar ediyorum; bu şekilde kullanılabilmesinin sebebi giriş direncinin çok büyük olmasıdır. Yeri gelmişken opamplar alternatif akım (AA) ya da doğru akım (DA) giriş ile çalışabilir. Bu yüzden direnç yerine empedans kelimesini kullanmak belki daha uygun olur.
Negatif geri besleme bir direnç (R2) ile yapılırsa ne olur?
Yandaki devrede bir gerilim bölücü yapılmış ve çıkış geriliminin bir kısmı (-) girişe uygulanmıştır. Bu tür bağlanma ile evirmeyen işlemsel yükselteç elde edilir. Buradaki R2 direncinin adı “geri besleme(feedback)” direncidir. Geri besleme direnci(R2) her zaman R1’den büyük olmalıdır. Bu bağlantıda devrenin kazancı:
(Kazanç gain anlamına gelse de literatürde genelde Av olarak geçer)
Yani R1=1kΩ, R2=9kΩ yaparak giriş sinyalini 10 kat arttırabiliriz. Bu formül bize tampon olarak kullanılan devrenin kazancının neden 1 olduğunu da açıklar. (Eğer çıkışı (–) girişe direk bağlarsak bu 0 direnç demektir. R1 hiç olmadığı için sonsuz olur. Formülde de 0 bölü sonsuz, 0 olduğundan kazanç 1 çıkar.)
Şekildeki devrede yine negatif geri besleme yapılmıştır. Ancak bu kez (+) giriş toprağa bağlanmış, devre girişi R1 direnci üzerinden opampın (-) girişine yapılmıştır. Üstteki şekildeki +/- girişlerin yer değiştirmesi kafanızı karıştırmasın. İstediğiniz şekilde çizebilirsiniz. Şimdi girişe bir bakalım. İşlemsel yükselteç üzerinden akım geçmeyeceğinden, akımın izlediği yol R1 ve R2 dirençleri olmalı. Ancaak… İşlemsel yükselteçlerin çalışma prensibine göre eğer (+) giriş toprağa bağlıysa (0 voltsa), (-) giriş de sıfır volt olmalı!. Eğer (-) giriş 0 volt ise R2 direnci üzerinden akım geçmesinin tek yolu, opampın çıkışının (-) olması gerekir. Ki opamp da öyle çalışır ve çıkışını (-) yapar. E o zaman ne oldu; girişten uygulanan pozitif gerilim çıkışta negatif oldu! Eğer girişten negatif gerilim uygulasaydım da çıkış bu sefer pozitif olacaktı. İşte girişte uygulanan gerilimin işaretini ters döndürdüğü için bu işlemsel yükselteçlere eviren yükselteçler (inverting operational amplifiers) denir. Evirmesi demek; pozitif girişi negatife, negatif girişi de pozitife dönüştürmesi demektir. Yükseltecin (+) girişi toprağa bağlandığından ve yükselteç iki girişi de eşit yapacağından, (-) giriş bir nevi sanal toprak (virtual ground) olarak adlandırılır. Eviren yükseltecin kazancı:
olarak bulunur. Önündeki (-) işareti, girişi evirdiğinin göstergesidir. Her iki yükselteci kıyaslayacak olursak giriş çıkışlarını aşağıdaki gibi özetleyebiliriz:
Burada her iki tipte de çıkış gerilimlerinin, giriş gerilimlerinden büyük olduğu fark edilmelidir. Evirmeyen yükselteçlerde (+) giriş (+) olarak,(-) giriş de (-) olarak yükseltilirken, eviren yükselteçlerde (+) giriş (-) olarak, (-) giriş de (+) olarak yükseltilir. Tabi yukarıdaki grafikler yükseltecin +V ve -V gerilimleri ile beslenmeleri halinde gözlemlenebilir. Eğer yükselteci +V ve Gnd şeklinde beslersek grafiklerin alt kısmı maalesef görünmeyecektir. Peki böyle bir bağlantı ile tüm çıkış sinyalini, (-) kısım da dahil çıkış olabilmek mümkün değil mi?
Evet olabilir. Bunu yapmanın yolu tüm sinyali yukarı (pozitif bölgeye taşımaktır. Buna Offset deniliyor. Yöntem de oldukça mantıklı; yapmamız gereken yükseltecin (+) girişini 0 yerine belirli bir pozitif değere bağlamak. Peki hangi değer? Sinyalin tamamını görebilmek için altta kalan yatım kısım kadar. Yani tüm sinyalin yarısı kadar. Yani V+’nın yarısı kadar yükseltmek yeter. Hemen iki eşit değerli bir gerilim bölücü ile işimizi halledebiliriz.
İki tane R değerli direnç +V’yi eşit bölecek ve yükseltecin (+) girişi artık 0 değil +V/2 olacaktır. Tabi bu arada bahsettiğimiz sanal toprak da otomatik olarak sanal +V/2 olarak değişecektir. Ve yükselteç iki girişi eşitlemeye çalışacağından işlemcinin (-) girişini de +V/2 değerine getirmeye çalışacaktır. Bu durumda giriş ve çıkış değerlerini gösteren grafik aşağıdaki gibi olacaktır (Ofset işlemini evirmeyen yükselteçte yapmak için de (-) giriş ile Gnd arasındaki direncin Gnd ucunu toprak hattından çıkartıp bir ofset voltaj kaynağına (mesela +V/2 gibi)bağlamak gerekir). Ancak (+) girişteki +V/2 nin temiz bir sinyal olması şarttır. Buradaki en küçük dalgalanmanın (gürültünün de) yükseltileceğini unutmayın O yüzden pratik uygulamalarda (+) giriş ile Gnd arasına bir kondansatör takmak akıllıca olacaktır.
Teorik olarak yukarıdaki şeklin frekansı yükselteçler için sonsuz olsa da MHz seviyesine ulaşan yükselteç aslında iyi bir yükselteçdir.
Diferansiyel (Fark alan) Yükselteçeler:
Aslında işlemsel yükselteçlerin diferansiyel yükselteç olduklarını ama geri besleme olmadan bunu yapamadıklarını başta söylemiştik. Bunu sağlamak için ofset yapılmış eviren devreyi bir kez daha düşünelim. Ama bu kez ofset yapmak için kullandığımız (+) girişe bağlı direnci +V yerine giriş olarak kullanalım. Yani işlemcinin iki girişini de farkını alıp yükselteceğimiz girişler olarak kullanalım.
Burada dirençlerin; R1-R1 ve R2-R2 eşit olmaları önemli. Bu devrede iki giriş arasındaki fark (R2/R1) oranında yükseltilerek çıkış alınabilir. (-) uca bağlanan gerilim dehe büyükse sonuç negatif çıkar. Diferansiyel yükseltecin en yalın hali budur.
Toplayıcı (Summing) Yükselteçler:
Eviren yükselteçleri hatırlayalım. (+) giriş toprağa bağlanmış, çıkış bir geri besleme direnciyle (-) girişe bağlanmış ve bu uca başka bir direnç üzerinden giriş sinyali uygulanmıştı. Çalışırken iki prensip öne çıkmaktaydı; 1)İşlemsel yükselteç (+) ve (-) girişleri birbirine eşitlemeye çalışacak şekilde çıkış veriyordu. Yani (-) girişi de sıfırlamaya çalışıyordu (buna da sanal toprak demiştik). 2) Teorik olarak işlemsel yükselteç üzerinden akım geçmesi mümkün değildi. Ve girişten uyguladığımız sinyale göre akım geri besleme direnci üzerinden çıkışa iletilmekteydi. Peki (-) girişten bir sinyal/gerilim uygulamak yerine iki ya da daha fazla sinyal uygulansa ne olurdu. Yukarıda tekrar ettiğim eviren yükselteçte olanların aynısı. Sanal toprak olduğu için her iki girişten gelen akımlar yükseltecin (-) girişine akacak, ama içeri girmeleri mümkün olmadığı için mecburen geri besleme direnci üzerinden çıkışa ulaşabilecekler. Yani iki koldan gelen akımların toplamı geri besleme direncinden geçecek.
İntegral alan Yükselteçler:
İntegral en basit anlamda bizim bildiğimiz alan anlamına gelir. Genelde geometrik şekli dikdörtgen, daire gibi belli olup alanını hesap edemediğimiz diğer şekillerin alanını almak için kullanılan bir matematiksel işlemdir. Belli bir grafiğin yatay eksenle arasındaki alanı bulmak için kullanılır. Bunun konumuzla ne alakası var demeyin. Unutmayın devre elemanımızın adı işlemsel yükselteç! Eviren yükselteçteki R2 direncinin yerine bir kondansatör taktığımızda durum ne olur? Giriş sinyali bu kez R1 direnci ve C kondansatörü üzerinden çıkışa iletilecektir. Ama bu sefer kondansatörün dolma ve boşalma süreleri ve üzerindeki gerilimi de hesaba katmak gerekir. Kondansatör dolana kadar kondansatörün üzerindeki gerilim sıfırdan başlayıp sürekli artacaktır. Girişten sabit bir gerilim uyguladığımızda , çıkışta sürekli artan bir gerilim elde edilir.
Giriş sinyali ile t(zaman) ekseni arasındaki bölgenin alanı, zaman ilerledikçe düzgün artacaktır. Çünkü burası sürekli büyüyen bir dikdörtgendir. Dolayısı ile çıkışta gösterilen bu alan değeri zaman içerisinde sürekli artar. Ancak grafiğin negatif bölgede olmasının sebebi devrenin eviren bir yükselteç olmasındandır.
Bu yükseltecin girişine uygun kare dalga uygulandığında çıkış sinyali girişe göre ters yönde bir “testere dişi dalga” olur.
İşlemsel yükslteçlerin bazı kullanım şekilleri de aşağıda verilmiştir.
Türev Alan Yükselteçler (Differentiator):
Türev basitçe bir grafiğin yatayla yaptığı açı, eğim demektir. Bu devre integral alan devrenin yaptığı işin tersini yapar. Eviren yükseltecin girişindeki direncin yerine seri bir kondansatör eklenmiştir, Alternatif akımlar, kondansatör akımı gibi bizi aşan bilgilere burada girmiyoruz.
İşlemsel Yükselteçlerin Schmitt Trigger Olarak Kullanılması:
Schmitt Trigger kararlı bir sinyal üzerindeki titreşimleri yok ederek belli bir değerin (eşik-treshold) üzerinde çıktığında sabit bir gerilim değeri, belli değerin altına indiğinde ise başka bir sabit değeri (mesela 0 volt gibi) veren devre elemanlarıdır. Yani böyle bir devrenin çıkışında sadece iki değer vardır. Sayısal elektroniğe nasıl benzedi değil mi? Hele eşik değer üzeri 5V, bu değerin altında ise 0V verirse! Zaten bazı sensör çıkışlarında kesin veri (1 ya da 0) elde etmek için kullanılır. Sensörden gelen sinyaldeki gürültü (noise) ve küçük dalgalanmaları (fluctiation) ortadan kaldırır, devrenin kararlı çalışmasını sağlar. Nasıl mı?
Burada da pozitif geri besleme yapılır. Yani yükseltecin çıkışı, (+) girişe bir geri besleme direnci ile bağlanır. Burada eviren ya da evirmeyen bağlantılar kullanılabilir. Her iki durumda da devre aynıdır. Ancak, giriş yükseltecin (-) girişinden verilip, (+) giriş R1 üzerinden toprağa çekilirse eviren bir Schmitt Trigger elde ederiz. Giriş R1 üzerinden yükseltecin (+) girişine yapılıp, (-) giriş toprağa bağlandığında da evirmeyen elde edilir.
İşlemsel Yükselteçlerle yapılan Schmitt Trigger devrelerinde iki eşik değeri bulunur. Giriş sinyalinin genliği (büyüklüğü) üst eşik değerini (diyelim ki 3 volt) aştığında “1” çıkışı verir. Bir de alt eşik değeri vardır ki yükseltecin çıkışının “0” olması için giriş sinyalinin bu değerin (diyelim ki 2 volt) altına düşmesi gerekir. Burada ilginç olan şudur: giriş sinyali yükselirken, 3 volt ve üzerinde “1” çıkışı verir. Bu normal. Ama düşmeye başladığında 2 voltun altına inene kadar çıkış “1” dir! Yani 2 volt ile 1 volt arasındaki değer, önceki durum “1” ise yine “1”, önceki durum “0” ise yine “0”dır.
Yukarıdaki grafikler giriş sinyalinin değişimine göre çıkış sinyalini gösteriyor. Alt ve üst eşik değerleri arasındaki fark histeresis değeri olarak adlandırılır. Histeresis grafiği de en sağdaki gibidir. Toprağa bağlanan uçlara, toprak yerine belirli bir gerilim uygulayarak bu grafiğin yatay pozisyonu değiştirilebilir(ofset olayını hatırlayalım). alt ve üst eşik değerleri R1 ve R2 dirençlerinin değerleri ile ayarlanabilir. Bu arada yukarıdaki grafiklerin en sağdakine bakın. Bir de aşağıdaki Shmitt Trigger Sembolü’ne!
Şimdilik işlemsel yükselteçler hakkındaki bilgiler bu kadar. Schmitt Trigger devresindeki hesaplamalar ve türev/integral alan devrelerde ayrıntılardan özellikle kaçınılmıştır. Anlatımda geçen; “opamp”, “yükselteç” gibi kelimelerin hepsi “işlemsel yükselteç” anlamında kullanılmıştır.
Kaynaklar:
1)EEVblog:https://www.youtube.com/watch?v=7FYHt5XviKc&t=879s
2)David Williams: https://www.youtube.com/watch?v=NJOWyaA2KXw
3) All About Electronics:https://www.youtube.com/watch?v=5-ohKRWeod4&t=192s
Eğitim Şart 