Eviren Yükselteç (OPAMP) / Inverting Operational Amplifier

Bu yazımızda Eviren Yükselteç (OPAMP) / Inverting Operational Amplifier devrelerini inceleyeceğiz. Bir önceki yazımızda, işlemsel bir amplifikatörün Açık Döngü Kazancının (AVO) çok yüksek, 1.000.000 (120dB) veya daha fazla olabileceğini gördük.

Bununla birlikte, bu çok yüksek kazanç, amplifikatörü hem kararsız hem de kontrol edilmesi zor hale getirdiği için bizim için gerçek bir kullanım değildir. Çünkü giriş sinyallerinin en küçüğü, sadece birkaç mikro volt (μV), çıkış voltajının doymasına ve çıkışın tam kontrolünü kaybeden voltaj besleme raylarından birine veya diğerine doğru sallanmasına neden olmak için yeterli olacaktır.

İşlemsel bir amplifikatörün açık döngü DC kazancı son derece yüksek olduğundan, genel kazancı hem azaltmak hem de kontrol etmek için amplifikatör boyunca uygun bir rezistörü çıkış terminalinden ters çevirici giriş terminaline bağlayarak bu yüksek kazancın bir kısmını kaybetmeyi göze alabiliriz. Bu daha sonra genellikle Negatif Geri Besleme olarak bilinen etkiyi üretir.

Negatif Geri Besleme, çıkış sinyalinin bir kısmını girişe “geri besleme” sürecidir. Ancak geri beslemeyi negatif yapmak için harici bir Geri Besleme Direnci Rf olarak adlandırılır. Çıkış ve ters çeviren giriş terminali arasındaki bu geri besleme bağlantısı, diferansiyel giriş voltajını sıfıra doğru zorlar.

Bu etki, amplifikatöre kapalı bir döngü devresi üretir ve bu da amplifikatörün kazancının artık Kapalı Döngü Kazancı olarak adlandırılmasıyla sonuçlanır. Daha sonra bir kapalı döngü ters çevirici amplifikatör, amplifikatörün genel kazancını doğru bir şekilde kontrol etmek için negatif geri besleme kullanır. Ancak bunun maliyeti amplifikatör kazancının azalması ile sonuçlanacaktır.

Bu negatif geri besleme, giriş voltajı artı negatif geri besleme voltajının toplamı olacağından, giriş terminalinin üzerinde gerçek giriş voltajından farklı bir sinyale sahip olmasıyla sonuçlanır, buna bir Toplama Noktası etiketi veya terimi verir. Bu nedenle bir Giriş Direnci, Rin kullanarak gerçek giriş sinyalini evirme girişinden ayırmalıyız.

Pozitif ters çevirmeyen girişi kullanmadığımız için aşağıda gösterildiği gibi ortak bir toprak veya sıfır voltaj terminaline bağlanır. Ancak bu kapalı döngü geri besleme devresinin etkisi, ters çeviren girişteki voltaj potansiyelinin, girişteki voltaj potansiyeline eşit olmasına neden olur. Topraklanmış referans girişi ile aynı potansiyelde olacağından, bir sanal dünya toplama noktası üreten ters çevirmeyen giriş. başka bir deyişle, op-amp bir “diferansiyel yükselteç” haline gelir.

İşlemsel Amplifikatör Yapılandırmasını Tersine Çevirme

Bu Ters Çevirici Yükselteç devresinde, işlemsel yükselteç kapalı döngü işlemi üretmek için geri besleme ile bağlanır. İşlemsel yükselteçlerle uğraşırken, evirici yükselteçler hakkında hatırlanması gereken çok önemli iki kural vardır, bunlar: “Giriş terminaline akım akmaz” ve “V1 her zaman V2’ye eşittir”. Ancak gerçek dünyadaki op-amp devrelerinde bu kuralların her ikisi de biraz bozulur.

Bunun nedeni, giriş ve geri besleme sinyalinin ( X ) birleşiminin, sıfır voltta veya toprakta olan pozitif ( + ) giriş ile aynı potansiyelde olmasıdır. O zaman birleşme bir “Sanal Dünya”dır. Bu sanal toprak düğümü nedeniyle, amplifikatörün giriş direnci, giriş direncinin değerine eşittir, Rin ve evirici amplifikatörün kapalı döngü kazancı, iki harici direncin oranı ile ayarlanabilir.

• Giriş Terminallerine Akım Akışı Yok
• Diferansiyel Giriş Voltajı V1 = V2 = 0 (Sanal Toprak) olarak Sıfırdır

Daha sonra bu iki kuralı kullanarak, bir ters çeviren yükselticinin kapalı çevrim kazancını hesaplamak için denklemi türetebiliriz.

Akım ( i ) gösterildiği gibi direnç ağı üzerinden akar.

Daha sonra bir Evirici Yükselticinin Kapalı Çevrim Gerilim Kazancı olarak verilir.

ve bu, Vout’u şu şekilde vermek üzere aktarılabilir:

Denklemdeki negatif işaret, 180o faz dışı olduğu için girişe göre çıkış sinyalinin ters çevrildiğini gösterir. Bunun nedeni, geri beslemenin değer olarak negatif olmasıdır.

Çıkış gerilimi Vout denklemi ayrıca devrenin Vout = Vin x Gain olarak sabit bir amplifikatör kazancı için doğada lineer olduğunu gösterir. Bu özellik, daha küçük bir sensör sinyalini çok daha büyük bir voltaja dönüştürmek için çok faydalı olabilir.

Bir tersine çeviren yükselticinin bir başka kullanışlı uygulaması, bir “transdirenç yükselticisi” devresidir. “Transempedans amplifikatörü” olarak da bilinen bir Transdirenç Amplifikatörü, temel olarak bir akımdan voltaja dönüştürücüdür (Akım “giriş” ve Gerilim “çıkış”). Düşük güçlü uygulamalarda, bir foto diyot veya foto-algılama cihazı vb. tarafından üretilen çok küçük bir akımı, gösterildiği gibi giriş akımıyla orantılı olan kullanılabilir bir çıkış voltajına dönüştürmek için kullanılabilirler.

Transdirenç Amplifikatör Devresi

Yukarıdaki basit ışıkla etkinleştirilen devre, foto diyot tarafından üretilen akımı bir voltaja dönüştürür. Geri besleme direnci Rƒ, ters çevirme girişindeki çalışma voltajı noktasını ayarlar ve çıkış miktarını kontrol eder. Çıkış voltajı Vout = Is x Rƒ olarak verilir. Bu nedenle, çıkış voltajı, foto diyot tarafından üretilen giriş akımı miktarıyla orantılıdır.

Op-amp Soru Örneği

Aşağıdaki eviren yükselteç devresinin kapalı çevrim kazancını gelin hep beraber bulalım.

Devrenin kazancı için daha önce bulunan formülü kullanma

şimdi devredeki dirençlerin değerlerini aşağıdaki gibi değiştirebiliriz,

Rin = 10kΩ ve Rƒ = 100kΩ

ve devrenin kazancı şu şekilde hesaplanır: -Rƒ/Rin = 100k/10k = -10

Bu nedenle, yukarıdaki evirici amplifikatör devresinin kapalı döngü kazancı -10 veya 20dB (20log(10)) olarak verilmiştir.