Gerilim Karşılaştırıcı Yükselteç (Op-Amp Comparator); bir analog gerilim seviyesini başka bir analog gerilim seviyesiyle ya da önceden belirlenmiş sabit bir referans gerilimi (
) ile kıyaslayarak, bu karşılaştırmanın sonucuna göre dijital (ikili) bir çıkış sinyali üreten önemli devre bloklarıdır. Diğer bir deyişle, voltaj karşılaştırıcısı iki gerilim girişinin büyüklüklerini kıyaslar ve hangisinin daha büyük olduğunu tespit eder.
Önceki yazılarımızda, işlemsel yükselteçlerin doğrusal (lineer) bölgedeki çıkış sinyalinin büyüklüğünü kontrol etmek amacıyla negatif geri beslemeyle kullanıldığını incelemiştik. Ayrıca standart bir op-amp’in açık çevrim gerilim kazancı (
) ile karakterize edildiğini ve çıkış voltajının
denklemiyle verildiğini görmüştük (
evirmeyen girişi,
ise eviren giriş potansiyelini temsil eder).
Buna karşın gerilim karşılaştırıcıları, çıkış gerilimini iki doymuş sınır seviyesi arasında hızla anahtarlamak amacıyla ya pozitif geri beslemeyle çalıştırılır ya da hiç geri besleme yapılmadan (açık çevrim modu) kullanılır. Açık çevrim modunda yükseltecin gerilim kazancı doğrudan op-amp’in devasa açık çevrim kazancına (
) eşittir. Bu son derece yüksek kazanç sebebiyle, giriş sinyali belirlenen eşik değerini en küçük miktar dahi geçtiğinde, karşılaştırıcı çıkışı yıldırım hızıyla ya pozitif besleme sınırına (
) ya da negatif besleme sınırına (
veya şaseye /
) fırlayarak doyuma (saturation) girer.
Açık çevrim op-amp karşılaştırıcısı, doğrusal olmayan çalışma bölgesinde görev yapan kararlı bir analog devredir. İki analog girişteki değişimler, çıkışı sadece iki olası doymuş seviyeye zorladığından devre, dijital çift kararlı (bistable) bir bellek hücresi gibi davranır.
Analizimize başlamak için aşağıdaki temel op-amp gerilim karşılaştırıcı şemasını ele alalım.
Op-amp Karşılaştırıcı Yükselteç Devresi

Yukarıdaki devreye atıfta bulunarak analiz yaparsak; ilk önce giriş geriliminin referans gerilim seviyesinden daha düşük olduğunu varsayalım (
). Karşılaştırıcının evirmeyen (+) girişi, eviren (-) girişinden daha az potansiyele sahip olduğundan çıkış seviyesi doğrudan negatif besleme sınırı olan
‘ye (negatif doyma) kilitlenecektir.
Eğer
gerilimini, eviren girişteki
referans eşiğini aşacak şekilde artırırsak (
), çıkış voltajı milisaniyeler içinde pozitif besleme gerilimi
seviyesine (pozitif doyma) fırlayacaktır. Giriş voltajını tekrar referans eşiğinin altına düşürdüğümüzde ise çıkış hızla negatif doyma gerilimine geri dönecektir. Bu çalışma biçimi, devrenin hassas bir eşik detektörü (threshold detector) olarak işlev görmesini sağlar.
Görüldüğü üzere op-amp karşılaştırıcısı; evirmeyen (+) girişteki voltaj daha yüksek olduğunda YÜKSEK (doyum) seviyesi üreten, evirmeyen giriş eviren giriş potansiyelinden daha düşük olduğunda ise DÜŞÜK (deşarj) seviyesine kilitlenen, girişlerin durumuna bağımlı bir cihazdır. Bu temel kural, giriş sinyalinin karşılaştırıcının hangi terminaline bağlandığından bağımsız olarak daima geçerlidir.
Ayrıca pratik uygulamalarda çıkış geriliminin genliğinin tamamen op-amp besleme sınırlarına bağlı olduğunu görürüz. Teorik olarak op-amp’in sonsuz kazancı sebebiyle çıkış genliği sonsuz (
veya
) olabilir; ancak fiziksel olarak çıkış daima
ve
besleme rayları ile sınırlıdır.
Temel karşılaştırıcı yapısında referans gerilim seviyesini (
) ayarlamak amacıyla genellikle dirençli bir voltaj bölücü şebeke tercih edilir. Ancak gereksinime göre değişken referans seviyeleri için bir pil kaynağı, zener diyot kararlı referansı veya hassas ayarlı bir potansiyometre de kullanılabilir.
Karşılaştırıcı Referans Voltajları

Teorik olarak karşılaştırıcı referans voltajı
ile besleme gerilimi arasında herhangi bir değere ayarlanabilir. Ancak kullanılan op-amp modelinin ortak mod giriş gerilimi sınırlarına (common-mode input range) bağlı olarak pratik sınırlandırmalar mevcuttur.
Pozitif ve Negatif Gerilim Karşılaştırıcılar
Temel op-amp karşılaştırıcısı; referans kaynağını ve giriş gerilim sinyalini op-amp’in hangi terminaline bağladığımıza bağlı olarak **Pozitif Eşik Algılayıcı (Ters Çevirmeyen)** ya da **Negatif Eşik Algılayıcı (Ters Çeviren)** olarak yapılandırılabilir. Yukarıdaki ilk analizimizde referans potansiyelini eviren (-) girişe bağlayıp, giriş sinyalini ise evirmeyen (+) girişe uygulayarak analiz yapmıştık.
Ancak, giriş terminallerini tam tersi şekilde bağlayarak çıkış sinyalinin mantıksal davranışını kolaylıkla evirebiliriz (tersine çevirebiliriz).
Pozitif Gerilim Karşılaştırıcısı (Ters Çevirmeyen Karşılaştırıcı)
Ters çevirmeyen karşılaştırıcı olarak da bilinen pozitif gerilim karşılaştırıcısı; giriş sinyali (
) referans seviyesi
‘ten YÜKSEK (daha pozitif) olduğunda çıkışında YÜKSEK (
) seviyesi üreten devre konfigürasyonudur.
Ters Çevirmeyen Karşılaştırıcı Devre

Bu evirmeyen yapıda referans voltajı op-amp’in eviren (-) girişine, giriş sinyali ise evirmeyen (+) girişe uygulanmıştır. Analizi kolaylaştırmak için potansiyel bölücüyü oluşturan iki direnci eşit kabul edelim (
). Bu durumda referans voltajımız tam olarak besleme geriliminin yarısına eşit olacaktır:
.
gerilimi
‘ten büyük olduğunda çıkış
pozitif doyma rayına oturur.
gerilimi
‘ten küçük olduğunda ise çıkış hızla şaseye /
seviyesine (veya simetrik beslemede
‘ye) konumlanarak durum değiştirir.
Negatif Gerilim Karşılaştırıcısı (Ters Çeviren Karşılaştırıcı)
Ters çeviren karşılaştırıcı olarak da adlandırılan negatif gerilim karşılaştırıcısı; giriş sinyali (
) referans gerilim seviyesi
‘ten daha DÜŞÜK (daha negatif) olduğunda çıkışında YÜKSEK (
) seviyesi üreten devre konfigürasyonudur.
Karşılaştırıcı Devresini Ters Çevirme (Eviren Karşılaştırıcı)

Yukarıdaki devrenin tam simetriği olan bu yapıda; giriş sinyali eviren (-) girişe uygulanırken, referans gerilimi ise evirmeyen (+) girişe bağlanmıştır. Bu durumda
olduğunda çıkış gerilimimiz
pozitif doyma sınırında kalacaktır.
Giriş sinyali referans eşiğini aştığı an (
) op-amp çıkışı durum değiştirerek hızla
(veya negatif besleme rayı
) seviyesine çökecektir.
Böylece op-amp giriş terminallerini uygun şekilde yapılandırarak çıkışta eviren veya evirmeyen lojik karakterler elde edebiliriz. Bu iki temel yapıyı tek bir kat üzerinde birleştirerek, belirli bir gerilim bandı veya aralığını algılayan gelişmiş bir **Pencere Karşılaştırıcısı (Window Comparator)** tasarlayabiliriz.
Pencere Karşılaştırıcı
Pencere Karşılaştırıcısı, temelde eviren ve evirmeyen iki karşılaştırıcı katının paralel bağlanmasıyla elde edilen işlevsel bir devredir. Giriş voltajının tek bir referans eşiğinin üstünde ya da altında olduğunu algılamak yerine; girişin önceden belirlenmiş alt ve üst limit gerilimleri arasındaki “pencere” (voltaj bandı) içinde kalıp kalmadığını denetler.
Pencere karşılaştırıcısında tek bir referans yerine iki farklı eşik referansı bulunur. Üst voltaj sınırını belirleyen
seviyesi üstteki karşılaştırıcıyı kontrol ederken, alt voltaj sınırını belirleyen
seviyesi ise alttaki karşılaştırıcıyı yönetir. Bu iki limit arasındaki güvenli bölgeye “Pencere” adı verilir.
Dirençli bölücü ağımızda üç adet eşit değerli direnç kullanırsak (
), son derece basit ve kararlı bir pencere karşılaştırıcısı kurabiliriz. Dirençlerin eşit olması sebebiyle, her direnç üzerindeki gerilim düşümü besleme geriliminin tam üçte birine (
) eşit olur. Bu durumda üst referans sınırımız
seviyesine, alt referans sınırımız ise
seviyesine otomatik olarak kilitlenecektir.
Bu yapının tam devre şeması aşağıda gösterilmiştir:
Pencere Karşılaştırıcı Devresi

Devrenin başlangıç durumunda;
op-amp’inin açık kollektör çıkışı “KAPALI” (yalıtımda),
op-amp’inin açık kollektör çıkışı ise “AÇIK” (akım çeken/iletimde) durumdadır. Bu sebeple ortak çıkış düğümümüz
seviyesindedir.
Giriş gerilimi
, alt limit gerilimi olan
‘ın (
) altındayken çıkış DÜŞÜK (
) seviyesinde kalır. Giriş voltajı bu
alt sınırını aştığı an, alttaki karşılaştırıcı bunu algılar ve açık kollektör transistörünü kesime götürerek (yalıtım) çıkışını YÜKSEK empedansa çeker. Artık iki karşılaştırıcının çıkış transistörleri de yalıtımdadır. Dışarıya bağlı
pull-up direnci üzerinden akım akamayacağı için çıkış gerilimi doğrudan besleme hattına (
) tırmanır.
Giriş gerilimi
yükselmeye devam edip üst limit gerilimi olan
sınırını (
) geçtiği an, bu kez üstteki
karşılaştırıcısı devreye girer ve açık kollektör transistörünü aniden iletime sokarak çıkış düğümünü tekrar toprağa (
) çeker.
Böylece üst ve alt referans sınırları (bu örnekte
aralığı) arasında kalan gerilim bölgesi, devremizin aktif çalışma penceresini meydana getirir.
Aynı deşarj döngüsü giriş geriliminin maksimumdan (
) aşağıya doğru süzüldüğü durumlarda da simetrik olarak çalışır. Sonuç olarak;
sinyali iki karşılaştırıcı tarafından belirlenen pencerelerin dışına çıktığında çıkış DÜŞÜK, pencere sınırları içinde kaldığında ise çıkış YÜKSEK seviyesini alacaktır.
Bu örnekte dirençleri eşit seçerek sınırları
ve
besleme oranlarına sabitledik; ancak direnç değerlerini değiştirerek dilediğimiz özel pencereleri ve alt-üst eşikleri kolayca oluşturabiliriz.
Eğer simetrik çift güç kaynağı kullanarak pencere sınırlarını
olarak ayarlarsak ve girişe sinüzoidal bir alternatif akım (AC) sinyali uygularsak, bu pencere karşılaştırıcı devresi harika bir **Sıfır Geçiş Dedektörü (Zero Crossing Detector)** olarak çalışacaktır. Çıkışımız, sinüs dalgası sıfır volt hattını pozitif veya negatif yönde her geçtiğinde durum değiştirecektir.
Voltaj eşiği algılama prensibini bir adım daha ileri götürerek, tek bir giriş sinyaline paralel bağlı çok sayıda karşılaştırıcı katı ekleyebiliriz. Her karşılaştırıcının referans eşiğini dirençli bölücü ağ üzerinden kademeli olarak farklı seviyelere sabitlediğimizde bir **Gerilim Seviye Göstergesi** devresi elde ederiz.
Karşılaştırıcı Voltaj Seviye Dedektörü

Yukarıdaki şemada görüldüğü gibi direnç ağı, her bir karşılaştırıcı katı için kademeli referans seviyeleri üretmektedir. Dört adet tetikleme referansı için beş adet seri direnç kullanılmıştır. Eşit değerli dirençler tercih edildiğinde alt koldaki ilk bağlantı noktası
referansını üretir. Sonraki katlar sırasıyla
,
ve
seviyelerine kilitlenir.
Giriş gerilimi kademeli olarak yükseldikçe, karşılaştırıcılar sırasıyla en alttaki
katından başlayarak durum değiştirir ve çıkışlarına bağlı olan LED’leri tek tek yakarlar. Bu sayede direnç oranlarını ayarlayarak dilediğimiz hassas gerilim seviyesi göstergelerini (örneğin akü voltaj durum monitörleri, VU-metre ses göstergeleri) tasarlayabiliriz.
Gösterge hassasiyetini artırmak için zincirdeki karşılaştırıcı sayısı artırılabilir. Örneğin sisteme sekiz adet paralel karşılaştırıcı bağlayıp çıkışlarını
kodlayıcı (encoder) dijital entegresine beslersek, analog sinyalleri doğrudan 3-bitlik ikili (binary) dijital verilere dönüştüren son derece hızlı bir **Flash ADC (Analog-Digital Converter)** elde etmiş oluruz.
Pozitif Geri Beslemeli Op-amp Karşılaştırıcısı (Schmitt Tetikleyici)
İşlemsel yükselteçlerin açık çevrim modunda gerilim karşılaştırıcısı olarak harika çalıştığını gördük; ancak bu durum sadece giriş sinyalinin hızlı değiştiği gürültüsüz ortamlar için elverişlidir. Giriş geriliminin çok yavaş yükseldiği veya sinyal üzerinde yüksek frekanslı elektriksel gürültülerin bulunduğu durumlarda op-amp, giriş gerilimi referans eşiğinin (
) etrafında gezinirken çıkışını kontrolsüzce
ve
arasında saniyede binlerce kez anahtarlayarak kararsız salınımlara yol açar. Bu kritik sorunu çözmenin yolu, karşılaştırıcı çevresine bir miktar **Pozitif Geri Besleme (Positive Feedback)** eklemektir.
Pozitif geri besleme; çıkış sinyalinin bir kısmının op-amp’in evirmeyen (+) giriş terminaline zıt olmayan (aynı fazda) şekilde, dirençli bir voltaj bölücü ağ üzerinden geri beslenmesi tekniğidir.
Karşılaştırıcı çevresinde pozitif geri besleme kullanıldığında, çıkış bir kez doyum seviyesine fırladıktan sonra, çıkış durumunu tekrar eski haline getirebilmek için giriş geriliminin ters yönde belirgin bir miktar değişmesi gerekir. Çıkışın “AÇIK” ve “KAPALI” konumlarına geçiş yaptığı bu iki farklı gerilim eşiği arasındaki farka **Histerezis (Hysteresis)**, bu histerezis karakterine sahip devrelere ise **Schmitt Tetikleyici (Schmitt Trigger)** adı verilir.
Histerezisli Op-amp Karşılaştırıcısını Ters Çevirme

Yukarıdaki histerezisli eviren karşılaştırıcı şemasında, giriş sinyali op-amp’in eviren (-) giriş terminaline uygulanmıştır.
ve
dirençleri çıkış ile evirmeyen (+) giriş arasında pozitif geri besleme yolunu oluşturan bir potansiyel bölücü ağ meydana getirir. Evirmeyen girişe geri beslenen voltaj kesri (
) şu formülle belirlenir:
Gerilim Bölücü Denklemi
![]()
Giriş sinyali referans eşiğinden küçükken (
) çıkış YÜKSEK (
) seviyesindedir. Çıkış pozitif doyumda olduğu için evirmeyen girişteki referans sınırımız **Üst Eşik Noktası (UTP – Upper Trip Point)** adını alır ve şu değere eşitlenir:
.
Giriş gerilimi
yükselip bu
üst sınırını geçtiği an, op-amp çıkışı aniden yön değiştirerek negatif doyum (
veya
) seviyesine kilitlenir.
Çıkış negatif doyma sınırına kaydığı an, evirmeyen girişteki referans gerilimi de aniden yer değiştirerek negatif yönlü yeni bir değer alır. Bu yeni sınıra **Alt Eşik Noktası (LTP – Lower Trip Point)** adı verilir:
. Çıkışı tekrar eski pozitif konumuna döndürebilmek için giriş sinyalinin bu yeni alt sınırın (
) altına inmesi gerekecektir.
Böylece, çıkış durum değiştirdiğinde referans eşiğinin de dinamik olarak yer değiştirdiğini görürüz. Bu sayede iki farklı eşik noktası (
ve
) elde edilmiş olur. Bu iki eşik gerilimi arasındaki elektriksel farka Histerezis Gerilimi (
) denir.
Pozitif geri besleme sayesinde kurulan histerezis bandı, giriş sinyali üzerindeki elektriksel gürültülerin veya yavaş gerilim değişimlerinin çıkışta parazitik salınımlara yol açmasını mükemmel bir şekilde engeller. Çıkış, kararsız bölgeden geçerken sadece bir kez net bir adım atarak temiz, keskin kare dalgalar üretir.
Histerezis geriliminin (
) genel matematiksel ifadesi şu şekildedir:
![]()
Giriş ve referans bağlantı terminallerinin yerlerini değiştirerek, benzer şekilde histerezis karakteristiğine sahip evirmeyen karşılaştırıcı devreleri de tasarlayabiliriz:
Histerezisli Ters Çevirmeyen Op-amp Karşılaştırıcısı

Özel Gerilim Karşılaştırıcı Entegreleri
Laboratuvarda UA741 gibi genel amaçlı op-amp’leri gerilim karşılaştırıcısı olarak çalıştırabilsek de, bu entegreler aslında doğrusal (lineer) çalışma bölgeleri için optimize edilmiştir. Giriş terminallerinin elektriksel olarak daima aynı potansiyelde tutulacağı negatif geri beslemeli uygulamalar için tasarlanmışlardır; bu sebeple doymadan çıkma süreleri (recovery time) ve anahtarlama hızları karşılaştırma işlemleri için oldukça yavaştır.
Buna karşın, özel gerilim karşılaştırıcı entegreleri; giriş terminalleri arasındaki en küçük diferansiyel farkta dahi çok hızlı bir şekilde tam doyuma gidecek biçimde doğrusal olmayan çalışma prensibine göre tasarlanmış özel cihazlardır. Çıkış katları doğrusal op-amp’lerden farklı olarak kesintisiz doymuş çalışma moduna göre optimize edilmiştir. Çıkış seviyesi daima besleme sınırlarına çok yakındır ve geçiş süreleri mikrosaniyelerin altındadır.
Sektörde sıkça kullanılan popüler LM311 (tekli karşılaştırıcı), LM393 (çiftli karşılaştırıcı) veya LM339 (dörtlü karşılaştırıcı) gibi ticari entegreler tek veya çift besleme rayıyla kararlı bir şekilde çalışabilen özel gerilim karşılaştırıcılarıdır. Bu entegrelerin çıkış katlarında anahtarlama hızını maksimuma çıkarmak amacıyla özel hızlı anahtarlama transistörleri tercih edilir.
Ayrıca, analog gerilim seviyelerini lojik/dijital devrelere doğrudan aktarmak amacıyla bu entegrelerin çıkışları genellikle gerilim seviyelerinden ziyade, sadece “AÇIK-KAPALI” konumlarına sahip birer **Açık Kollektör (Open Collector / Open Drain)** transistör anahtarı şeklinde tasarlanır. Bu sayede çıkışa bağlanacak bir pull-up direnci vasıtasıyla karşılaştırıcıyı
,
veya dilediğimiz herhangi bir lojik seviyedeki mikrodenetleyici sistemlerine doğrudan bağlayabiliriz.
Gerilim Karşılaştırıcı Yükselteç Devresi (Açık Kollektör Çıkış)

Yorum yapma özelliği, forum tarafından gelen istek sebebiyle kapatılmıştır. Lütfen tartışmalar ve sorularınız için topluluk forumumuza katılın.

