Evirmeyen Yükselteç (OPAMP) / Non-Inverting Operational Amplifier

Bu yazımızda, analog elektroniğin temel taşlarından biri olan **Evirmeyen Yükselteç (OPAMP) / Non-Inverting Operational Amplifier** konusunu tüm teorik detayları ve matematiksel altyapısıyla inceleyeceğiz. Bu konfigürasyonda, giriş sinyali () doğrudan op-amp’in evirmeyen (+) giriş terminaline uygulanır. Bir önceki yazımızda incelediğimiz “Eviren Yükselteç” devresinin aksine, bu devrenin kapalı çevrim gerilim kazancı pozitif bir değer alır. Bunun en önemli pratik sonucu, çıkış sinyalinin giriş sinyaliyle tamamen aynı fazda (eş evreli) olmasıdır.

Evirmeyen işlemsel yükseltecin kapalı çevrim kontrolü, çıkış voltajı sinyalinin küçük bir kısmının ve dirençlerinden oluşan bir potansiyel bölücü ağ üzerinden eviren (-) giriş terminaline geri beslenmesiyle (negatif geri besleme) sağlanır. Bu kapalı çevrim yapısı sayesinde; yüksek kararlılığa, ideal koşullarda op-amp giriş terminallerine akım akmadığı için sonsuza yaklaşan son derece yüksek bir giriş empedansına () ve oldukça düşük bir çıkış empedansına sahip nitelikli bir yükselteç devresi elde edilir.

Evirmeyen İşlemsel Amplifikatör Yapılandırması

Eviren yükselteç eğitiminde de belirttiğimiz gibi, ideal bir op-amp için analiz yaparken iki temel kuralı göz önünde bulundururuz: “Op-amp giriş terminallerine hiçbir akım akmaz” ve “Eviren ile evirmeyen girişlerin potansiyelleri birbirine eşittir ()”. Bu durum, op-amp’in yüksek açık çevrim kazancı ve negatif geri besleme mekanizmasının doğal bir sonucudur.

Dolayısıyla eviren (-) giriş düğümü, evirmeyen (+) girişteki gerilim seviyesini takip ederek bir **Sanal Kısa Devre** oluşturur. Bu sanal denge düğümü nedeniyle, çıkış hattına bağlı ve dirençleri, aşağıda gösterildiği gibi basit bir potansiyel bölücü ağ meydana getirir. Devrenin toplam gerilim kazancı da doğrudan bu dirençlerin oranına bağlı olarak belirlenir.

Eşdeğer Potansiyel Bölücü Ağı

Bu potansiyel bölücü ağın çıkış formülünü kullanarak, eviren (-) terminalde () oluşan gerilimi çıkış gerilimi () cinsinden şu şekilde ifade edebiliriz:

İdeal op-amp kuralları gereği, iki giriş terminali arasındaki fark gerilimi sıfırdır, yani eşitliği geçerlidir. Bu eşitliği yerine koyarak evirmeyen yükseltecin **Kapalı Çevrim Voltaj Kazancını** () elde ederiz:

Yukarıdaki kazanç denkleminden de açıkça görüleceği üzere, evirmeyen bir yükseltecin kapalı çevrim kazancı **her zaman 1’den (birlikten) büyüktür**. Kazanç hiçbir koşulda 1’in altına düşemez, işareti her zaman pozitif (+) yönlüdür ve değeri tamamen harici olarak seçilen ve dirençlerinin oranına bağlıdır.

Eğer geri besleme direncinin değeri sıfır seçilirse (), devrenin gerilim kazancı tam olarak 1’e (birlik kazanç) eşit olur. Diğer yandan direnci sonsuz (açık devre) yapılırsa kazanç teorik olarak sonsuza yaklaşır; ancak gerçek uygulamalarda bu sınır, op-amp’in kendi açık çevrim diferansiyel kazancı () ile sınırlı kalacaktır.

Giriş ve şase bağlantılarını uygun şekilde değiştirerek, eviren bir işlemsel yükselteç devresini kolayca evirmeyen bir yükselteç yapısına dönüştürebiliriz.

Gerilim Takipçisi (Birlik Kazanç Tamponu)

Geri besleme direncini sıfıra () ve direnç ‘yi sonsuza () eşitlersek, gerilim kazancı tam olarak “” (birlik) olan özel bir devre yapısı elde ederiz. Bu durumda çıkış voltajının tamamı eviren (-) giriş terminaline doğrudan geri beslenir. Bu özel konfigürasyona **Gerilim Takipçisi (Voltage Follower)** veya **Birlik Kazanç Tamponu (Unity Gain Buffer)** adı verilir.

Giriş sinyali doğrudan op-amp’in evirmeyen (+) girişine bağlandığı için çıkış sinyalinde herhangi bir faz terslemesi gerçekleşmez. Böylece çıkış voltajı, giriş voltajını birebir takip eder: . Bu mükemmel elektriksel izolasyon özelliği, gerilim takipçilerini empedans uyumu sağlamada, tamponlama uygulamalarında veya kararlı gerilim referans kaynaklarında vazgeçilmez kılar.

Birlik kazançlı gerilim takipçisinin en büyük avantajı, giriş empedansının son derece yüksek (tipik olarak veya üzeri) ve çıkış empedansının ise son derece düşük olmasıdır. Yüksek giriş direnci sayesinde kaynak devreden neredeyse hiç akım çekilmez (kaynak yüklenmez), düşük çıkış direnci sayesinde ise yükte meydana gelen değişimlerden çıkış gerilimi etkilenmez.

Evirmeyen Gerilim Takipçisi

Bu konfigürasyonda giriş empedansı ideal şartlarda sonsuza yükselirken, geri besleme empedansı sıfıra inmiştir. Çıkış doğrudan negatif giriş terminaline bağlı olduğundan %100 geri besleme mevcuttur. Gerilim kazancı ise şu basit ifadeyle gösterilir:

Evirmeyen giriş terminaline akım girmediği için giriş empedansı ideal olarak sonsuzdur. Geri besleme yolundan da teorik olarak akım geçmez. Bu sebeple devrenin çalışma karakteristiğini bozmadan geri besleme hattına koruma amaçlı düşük değerli dirençler (örneğin ) yerleştirilebilir. Bu dirençler üzerinde herhangi bir voltaj düşüşü veya güç kaybı oluşmaz.

Birlik kazanç tamponu gerilim kazancı sağlamasa da op-amp besleme raylarından güç çekerek yüke aktardığı için çok yüksek bir **Güç Kazancı** sağlar. Gerçek devrelerde parazitik kapasitansların ve kaçak akımların yol açabileceği kararsızlıkları engellemek için geri besleme döngüsüne küçük bir seri direnç eklenmesi pratik bir mühendislik yaklaşımıdır.

Gerilim takipçileri, hassas sinyal işleme sistemlerinde, özellikle Sallen-Key tipi aktif filtrelerde ve çok katlı yükselteç blokları arasında empedans eşleme ile katlar arası etkileşimi (yüklenmeyi) önlemek amacıyla yaygın şekilde tercih edilir.

Özetlemek gerekirse; açık çevrim gerilim kazancı teorik olarak sonsuz olan bir op-amp’i negatif geri besleme dirençleriyle kontrol ederek, kapalı çevrim kazancını ile sonsuz arasında istediğimiz herhangi bir değere hassas bir şekilde sabitleyebiliriz.

Şimdiye kadar tek giriş sinyaline sahip eviren ve evirmeyen temel yükselteç devrelerini detaylandırdık. Bir sonraki yazımızda, yükselticiye birden fazla giriş uygulayarak giriş sinyallerini toplayan ve mikser devrelerinde sıkça kullanılan **Toplama Yükselteci (Summing Amplifier)** yapılarını inceleyeceğiz.

Örnek bir OPAMP veri sayfasına buradan ulaşabilirsiniz.