Fark Alıcı Yükselteç (OPAMP) / The Differential Amplifier

Bu yazımızda Fark Alıcı Yükselteç (OPAMP) / The Differential Amplifier konusunu işleyeceğiz. Şimdiye kadar diğer giriş toprağa bağlıyken tek bir giriş sinyalini yükseltmek için ya “dönüştüren” ya da “dönüştürmeyen” giriş terminalini kullanarak, yükselticiye bağlanmak için işlemsel yükselteç girişlerinden yalnızca birini kullandık.

Ancak standart bir işlemsel yükselticinin eviren ve evirmeyen olmak üzere iki girişi olduğundan, sinyalleri bu girişlerin her ikisine aynı anda bağlayabilir ve Diferansiyel Yükselteç adı verilen başka bir yaygın işlemsel yükselteç devresi üretebiliriz.

Temel olarak, işlemsel yükselteçlerle ilgili ilk derste gördüğümüz gibi tüm op-amp’ler +giriş yapılandırmaları nedeniyle “Diferansiyel Yükselteçlerdir”. Ancak bir giriş terminaline bir voltaj sinyali ve diğer giriş terminaline başka bir voltaj sinyali bağlayarak elde edilen çıkış voltajı, V1 ve V2’nin iki giriş voltajı sinyali arasındaki “Fark” ile orantılı olacaktır.

Daha sonra diferansiyel yükselteçler, iki gerilim arasındaki farkı yükselterek, bu tür işlemsel yükselteç devresini, giriş gerilimlerini ekleyen veya toplayan bir toplama yükselticisinin aksine bir Çıkarıcı yapar. Bu tür işlemsel yükselteç devresi genellikle Diferansiyel Yükselteç konfigürasyonu olarak bilinir ve aşağıda gösterilmiştir:

Diferansiyel Amplifikatör

Fark Alıcı Yükselteç
Diferansiyel Amplifikatör

Her girişi sırayla 0v toprağa bağlayarak, çıkış voltajı Vout’u çözmek için süperpozisyon kullanabiliriz. Daha sonra bir Diferansiyel Yükselteç devresi için transfer fonksiyonu şu şekilde verilir:

Fark Alıcı Yükselteç

R1 = R2 ve R3 = R4 olduğunda, diferansiyel yükselteç için yukarıdaki transfer fonksiyonu aşağıdaki ifadeye basitleştirilebilir:

Fark Alıcı Yükselteç Denklemi

Fark Alıcı Yükselteç
Diferansiyel Yükselteç Denklemi

Tüm dirençlerin hepsi aynı omik değere sahipse, yani: R1 = R2 = R3 = R4 o zaman devre Birlik Kazanç Diferansiyel Yükselticisi olacak ve yükselticinin voltaj kazancı tam olarak bir veya bir olacaktır. O zaman çıktı ifadesi basitçe Vout = V2 – V1 olacaktır. Ayrıca V1 girişi V2 girişinden yüksekse çıkış voltajı toplamının negatif olacağını ve V2 V1’den yüksekse çıkış voltajı toplamının pozitif olacağını unutmayın.

Diferansiyel Amplifikatör devresi çok kullanışlı bir op-amp devresidir. R1 ve R3 giriş dirençlerine paralel olarak daha fazla direnç eklenerek elde edilen devre, ilgili girişlerine uygulanan voltajları “Ekle” veya “Çıkar” şeklinde yapılabilir. Bunu yapmanın en yaygın yollarından biri, aşağıda gösterildiği gibi, genellikle Wheatstone Köprüsü olarak adlandırılan bir “Dirençli Köprü”yü amplifikatörün girişine bağlamaktır.

Wheatstone Köprüsü Diferansiyel Amplifikatör

Fark Alıcı Yükselteç
Wheatstone Köprüsü Diferansiyel Amplifikatör

Standart Diferansiyel Yükseltici devresi artık bir giriş voltajını diğeriyle “Karşılaştırarak” bir diferansiyel voltaj karşılaştırıcısı haline gelir. Örneğin, bir girişi dirençli köprü ağının bir ayağı üzerinde kurulmuş sabit bir voltaj referansına ve diğerini bir “Termistöre” veya bir “Işık Bağımlı Direnç”e bağlayarak, amplifikatör devresi düşük veya yüksek algılamak için kullanılabilir.

Işık Bağımlı Fark Alıcı Amplifikatör

Fark Alıcı Yükselteç
Işık Bağımlı Diferansiyel Amplifikatör

Burada yukarıdaki devre, LDR direnci tarafından algılanan ışık seviyesi önceden ayarlanmış bir değeri aştığında veya altına düştüğünde çıkış rölesini “AÇIK” veya “KAPALI” hale getiren ışıkla etkinleştirilen bir anahtar görevi görür. R1 – R2 voltaj bölücü ağı aracılığıyla op-amp’in ters çevirmeyen giriş terminaline sabit bir voltaj referansı uygulanır.

V1’deki voltaj değeri, anahtarlama histerezisini ayarlamak için kullanılan bir geri besleme potansiyometresi ile op-amp’lerin açma noktasını ayarlar. Bu, “AÇIK” için ışık seviyesi ile “KAPALI” için ışık seviyesi arasındaki farktır.

Diferansiyel yükselticinin ikinci ayağı, LDR olarak da bilinen standart bir ışığa bağlı dirençten, direnç değerini (dolayısıyla adını) hücresindeki ışık miktarıyla değiştiren fotodirençli sensörden oluşur, çünkü direnç değeri aydınlatmanın bir fonksiyonudur. .

LDR, güneş ışığında yaklaşık 500Ω ile karanlıkta yaklaşık 20kΩ veya daha fazla direnç aralığına sahip olan ortak NORP12 gibi herhangi bir standart kadmiyum-sülfür (cdS) fotoiletken hücre tipi olabilir.

NORP12 fotoiletken hücre, insan gözününkine benzer bir spektral tepkiye sahiptir ve bu da onu aydınlatma kontrol tipi uygulamalarda kullanım için ideal hale getirir. Fotosel direnci ışık seviyesiyle orantılıdır ve artan ışık yoğunluğu ile düşer, dolayısıyla V2’deki voltaj seviyesi de VR1’in konumu ile belirlenebilen anahtarlama noktasının üstünde veya altında değişecektir.

Ardından, VR1 potansiyometresi kullanılarak ışık seviyesi açma veya ayar konumu ve potansiyometre kullanılarak anahtarlama histerezisi ayarlanarak, VR2 hassas bir ışığa duyarlı anahtar yapılabilir. Uygulamaya bağlı olarak, op-amp’den gelen çıkış, yükü doğrudan değiştirebilir veya bir röleyi veya lambaları kontrol etmek için bir transistör anahtarı kullanabilir.

Işığa bağlı direnci bir termistörle değiştirerek bu tür basit devre konfigürasyonunu kullanarak sıcaklığı tespit etmek de mümkündür. VR1 ve LDR’nin konumları değiştirilerek devre, bir termistör kullanarak ışığı veya karanlığı veya ısıyı veya soğuğu algılamak için kullanılabilir.

Bu tip amplifikatör tasarımının önemli bir sınırlaması, giriş empedanslarının, örneğin ters çevirmeyen (tek uçlu giriş) bir amplifikatör gibi diğer operasyonel amplifikatör konfigürasyonlarına kıyasla daha düşük olmasıdır.

Her giriş voltajı kaynağının, yalnızca op-amp girişinden daha az toplam empedansa sahip olan bir giriş direnci üzerinden akımı sürmesi gerekir. Bu, yukarıdaki köprü devresi gibi düşük empedanslı bir kaynak için iyi olabilir, ancak yüksek empedanslı bir kaynak için çok iyi olmayabilir.

Bu sorunun üstesinden gelmenin bir yolu, her giriş direncine önceki öğreticide görülen voltaj takipçisi gibi bir Unity Gain Buffer Amplifier eklemektir. Bu daha sonra bize, çok yüksek giriş empedansına ve düşük çıkış empedansına sahip bir diferansiyel yükselteç devresi verir, çünkü bu devre iki ters çevirmeyen tampon ve bir diferansiyel yükselteçten oluşur. Bu daha sonra çoğu “Enstrümantasyon Amplifikatörü” için temel oluşturur.

Enstrümantasyon Amplifikatörü

Enstrümantasyon Amplifikatörleri (Instrumentation Amplifier), yüksek giriş empedansına ve tek uçlu bir çıkışa sahip çok yüksek kazançlı diferansiyel amplifikatörlerdir. Enstrümantasyon yükselteçleri esas olarak, motor kontrol sistemlerinde gerinim ölçerlerden, termokupllardan veya akım algılama cihazlarından gelen çok küçük diferansiyel sinyalleri yükseltmek için kullanılır.

Kapalı döngü kazançlarının, çıkış terminalleri ile bir giriş terminali arasına bağlı pozitif veya negatif bir harici dirençli geri besleme tarafından belirlendiği standart işlemsel yükselteçlerin aksine, “enstrümantasyon yükselteçleri”, giriş terminallerinden etkin bir şekilde izole edilmiş bir dahili geri besleme direncine sahiptir. giriş sinyali iki diferansiyel girişe, V1 ve V2’ye uygulandığından.

Enstrümantasyon amplifikatörünün ayrıca çok iyi bir ortak mod reddetme oranı vardır, CMRR (V1 = V2 olduğunda sıfır çıkış), DC’de 100dB’nin oldukça üzerindedir. Yüksek giriş empedansına ( Zin ) sahip üç op-amp enstrümantasyon amplifikatörünün tipik bir örneği aşağıda verilmiştir:

Yüksek Giriş Empedansı Enstrümantasyon Amplifikatörü

Fark Alıcı Yükselteç
Yüksek Giriş Empedansı Enstrümantasyon Amplifikatörü

İki ters çevirmeyen yükselteç, diferansiyel giriş sinyalleri için 1 + 2R2/R1 kazancı ve ortak mod giriş sinyalleri için birlik kazancı ile tampon yükselteçler olarak işlev gören bir diferansiyel giriş katı oluşturur. A1 ve A2 yükselticileri kapalı döngü negatif geri beslemeli yükselteçler olduğundan, Va’daki voltajın V1 giriş voltajına eşit olmasını bekleyebiliriz. Aynı şekilde, Vb’deki voltaj, V2’deki değere eşit olacaktır.

Op-amp’ler giriş terminallerinde (sanal toprak) akım almadığından, aynı akım op-amp çıkışlarına bağlı üç direnç R2, R1 ve R2 ağından akmalıdır. Bu, R1’in üst ucundaki voltajın V1’e ve R1’in alt ucundaki voltajın V2’ye eşit olacağı anlamına gelir.

Bu direnç R1 boyunca, V1 ve V2 girişleri arasındaki voltaj farkına, diferansiyel giriş voltajına eşit bir voltaj düşüşü üretir. Çünkü her amplifikatörün toplama bağlantısındaki voltaj, Va ve Vb, pozitif girişlerine uygulanan voltaja eşittir. .

Bununla birlikte amplifikatör girişlerine bir ortak mod voltajı uygulanırsa, R1’in her iki tarafındaki voltajlar eşit olacak ve bu dirençten hiçbir akım akmayacaktır. R1’den hiçbir akım geçmediğinden (ve dolayısıyla, her iki R2 direncinden de geçmediğinden, A1 ve A2 yükselticileri birlik kazanç izleyicileri (tamponlar) olarak çalışacaktır.A1 ve A2 yükselticilerinin çıkışlarındaki giriş voltajı, üç direnç ağı boyunca farklı olarak göründüğü için devrenin diferansiyel kazancı sadece R1’in değeri değiştirilerek değiştirilebilir.

Bir çıkarıcı görevi gören diferansiyel op-amp A3’ten gelen voltaj çıkışı, iki girişi (V2 – V1) arasındaki farktır. Ardından, enstrümantasyon amplifikatör devresinin genel voltaj kazancı için genel bir ifademiz var:

Enstrümantasyon Amplifikatör Denklemi

Fark Alıcı Yükselteç

İşlemsel Yükselteçlerle ilgili bir sonraki öğreticide, geri besleme direnci bir kapasitans biçiminde frekansa bağlı bir reaktans ile değiştirildiğinde çıkış voltajının, Vout’un etkisini inceleyeceğiz. Bu geri besleme kapasitansının eklenmesi, Entegre Yükselteç adı verilen doğrusal olmayan bir işlemsel yükselteç devresi üretir.