Multivibratör(Astable) Yükselteç (OPAMP) / Op-amp Multivibrator

Operasyonel Amplifikatör veya kısaca Op-amp, voltaj yükselticilerinden filtrelere ve sinyal koşullandırıcılara kadar çeşitli farklı elektronik devrelerde ve uygulamalarda kullanılabilen çok yönlü bir cihazdır. Ancak, herhangi bir genel amaçlı işlemsel amplifikatöre dayalı çok basit ve son derece kullanışlı bir op-amp devresi, Kararsız Op-amp Multivibratördür.

Sequential Logic hakkındaki eğitimlerimizde transistörler, mantık kapıları veya NE555 zamanlayıcı gibi özel yongalardan multivibratör devrelerinin oluşturulabileceğini gördük. Ayrıca kararsız multivibratörün herhangi bir harici tetiklemeye ihtiyaç duymadan iki kararsız durumu arasında sürekli geçiş yaptığını gördük.

Ancak kararsız bir multivibratör devresi üretmek için bu bileşenleri kullanmanın sorunu, transistör tabanlı kararsızlar için birçok ek bileşenin gerekli olmasıdır. Dijital kararsızlar genellikle yalnızca dijital devrelerde kullanılabilir ve 555 zamanlayıcı kullanımı bize her zaman bir sonuç vermeyebilir. Bununla birlikte Op-amp Multivibratör devresi, sadece dört bileşen, üç direnç ve bir zamanlama kondansatörü kullanarak bize iyi bir dikdörtgen dalga sinyali sağlayabilir.

Op-amp Multivibratör, işlemsel yükselticinin ters çeviren girişine bağlı bir RC zamanlama ağı ve diğer ters çevirmeyen girişe bağlı bir voltaj bölücü ağı kullanarak dikdörtgen bir çıkış dalga formu üreten kararsız bir osilatör devresidir.

Monostable veya bistable’dan farklı olarak, kararsız multivibratörün iki durumu vardır, bunların hiçbiri kararlı değildir, çünkü her durumda harcanan zaman bir direnç aracılığıyla kapasitörün şarj edilmesi veya boşaltılmasıyla kontrol edilen bu iki durum arasında sürekli geçiş yapar.

Op-amp multivibratör devresinde, op-amp bir analog karşılaştırıcı olarak çalışır. Bir op-amp karşılaştırıcısı, iki girişindeki voltajları karşılaştırır ve girişin bazı referans değerlerinden, VREF’den büyük veya küçük olmasına bağlı olarak pozitif veya negatif çıkış verir.

Bununla birlikte, açık döngü op-amp karşılaştırıcısı girişlerindeki voltaj değişikliklerine karşı çok hassas olduğundan, giriş voltajı ne zaman olursa olsun çıkış pozitif, +V(sat) ve negatif, -V(sat) besleme rayları arasında kontrolsüz bir şekilde geçiş yapabilir. Ölçülen referans voltajına, VREF’e yakındır.

Düzensiz veya kontrolsüz anahtarlama işlemlerini ortadan kaldırmak için multivibratör devresinde kullanılan op-amp, kapalı döngü Schmitt Tetikleyici devresi olarak yapılandırılmıştır. Aşağıdaki devreyi düşünün.

Op-amp Schmitt Karşılaştırıcı

Multivibratör
Op-amp Schmitt Karşılaştırıcı

Yukarıdaki op-amp karşılaştırıcı devresi, histerezis oluşturmak için R1 ve R2 dirençleri tarafından sağlanan pozitif geri beslemeyi kullanan bir Schmitt tetikleyicisi olarak yapılandırılmıştır. Bu dirençli ağ, amplifikatör çıkışı ile evirmeyen (+) giriş arasına bağlandığından, Vout pozitif besleme rayında doyduğunda, op-amp’lerin evirmeyen girişine pozitif bir voltaj uygulanır. Benzer şekilde, Vout negatif besleme rayına doyduğunda, op-amp’lerin evirmeyen girişine negatif bir voltaj uygulanır.

İki direnç, op-amp çıkışı boyunca bir voltaj bölücü ağ olarak yapılandırıldığından, referans voltajı 1( Vref) bu nedenle, ters çevirmeyen girişe geri beslenen çıkış voltajının kesrine bağlı olacaktır. Bu geri besleme kesri, β şu şekilde verilir:

Multivibratör

+V(sat) pozitif op-amp DC doyma gerilimi ve -V(sat) negatif op-amp DC doyma gerilimidir.

Sonra pozitif veya üst referans voltajının, +Vref’in (yani, ters çevirme girişindeki voltaj için maksimum pozitif değer) şu şekilde verildiğini görebiliriz: +Vref = +V(sat)β iken, negatif veya daha düşük referans voltajı (yani ters çevirme girişindeki voltaj için maksimum negatif değer) şu şekilde verilir: -Vref = -V(sat)β.

Böylece Vin +Vref’i aşarsa, op-amp durumu değiştirir ve çıkış voltajı negatif DC doyma voltajına düşer. Aynı şekilde, giriş gerilimi -Vref’in altına düştüğünde, op-amp anahtarları bir kez daha duruma geçer ve çıkış gerilimi, negatif doyma geriliminden pozitif DC doyma gerilimine geri döner. İki doyma gerilimi arasında geçiş yaparken Schmitt karşılaştırıcısı tarafından verilen yerleşik histerezis miktarı, iki tetikleme referans gerilimi arasındaki farkla tanımlanır: VHİSTEREZ = +Vref – (-Vref).

Sinüsoidalden Dikdörtgen Dönüşme

Bir op-amp multivibratör dışında Schmitt tetikleme karşılaştırıcısının birçok kullanımından biri, onu herhangi bir periyodik sinüzoidal dalga biçimini, sinüzoidin değerinin voltaj referans noktasından daha büyük olması koşuluyla dikdörtgen bir dalga biçimine dönüştürmek için kullanabilmemizdir.

Aslında Schmitt karşılaştırıcısı, giriş sinyali dalga biçiminden bağımsız olarak her zaman dikdörtgen bir çıkış dalga biçimi üretecektir. Başka bir deyişle, voltaj girişi sinüzoid olmak zorunda değildir. Herhangi bir dalga şekli veya karmaşık dalga şekli olabilir. Aşağıdaki devreyi düşünün:

Sinüsoidal – Dikdörtgen Dönüştürücü

Multivibratör
Sinüsoidal – Dikdörtgen Dönüştürücü

Giriş dalga biçimi periyodik olacağından ve referans voltajından (Vref) yeterince büyük bir genliğe sahip olacağından, çıkış dikdörtgen dalga biçimi her zaman giriş dalga biçimiyle aynı periyoda, T’ye ve dolayısıyla frekansa, ƒ’ye sahip olacaktır.

Direnç R1 veya R2’yi bir potansiyometre ile değiştirerek, geri besleme fraksiyonunu, β’yi ve dolayısıyla ters çevirmeyen girişteki referans voltaj değerini ayarlayarak op-amp’in her bir yarım döngünün sıfırdan 90o’ya kadar herhangi bir yerde durumunu değiştirmesine neden olabiliriz. referans voltajı olarak Vref, giriş sinyalinin maksimum genliğinin altında kaldı.

Op-amp Multivibratör

Sinüzoidal girişi op-amp çıkışına bağlı bir RC zamanlama devresi ile değiştirerek periyodik bir dalga biçimini dikdörtgen bir çıkışa dönüştürme fikrini bir adım daha ileri götürebiliriz. Bu sefer, op-amp’i tetiklemek için kullanılan sinüzoidal bir dalga biçimi yerine, gösterildiği gibi op-amp’in çıkış durumunu değiştirmek için kapasitör şarj voltajını, Vc’yi kullanabiliriz.

Op-amp Multivibratör Devresi

Multivibratör
Op-amp Multivibratör Devresi

Peki nasıl çalışır. İlk olarak, kapasitörün tamamen boşaldığını ve op-amp çıkışının pozitif besleme rayında doymuş olduğunu varsayalım. Kondansatör, C, RC zaman sabiti tarafından belirlenen bir oranda çıkış voltajından, Vout rezistörden, R’den şarj olmaya başlar.

RC devreleri hakkındaki öğreticilerimizden, kapasitörün beş zaman sabiti içinde Vout değerine (+V(sat) olan) tam olarak şarj etmek istediğini biliyoruz. Bununla birlikte, op-amp’lerin ters çevirme (-) terminalindeki kondansatör şarj voltajı, ters çevirmeyen terminaldeki voltaja eşit veya daha büyük olur olmaz (op-amp’lerin çıkış voltajı fraksiyonu dirençler R1 ve R2 arasında bölünür), çıkış durumu değiştirecek ve karşıt negatif besleme rayına sürülecektir.

Ancak pozitif besleme rayına (+V(sat)) doğru mutlu bir şekilde şarj olan kapasitör, şimdi plakalarında -V(sat) negatif bir voltaj görüyor. Çıkış voltajının bu ani tersine çevrilmesi, kapasitörün RC zaman sabiti tarafından yeniden dikte edilen bir hızda Vout’un yeni değerine doğru boşalmasına neden olur.

Op-amp Multivibratör Voltajları

Multivibratör
Op-amp Multivibratör Voltajları

Op-amp ters çevirme terminali, ters çevirmeyen terminalde yeni negatif referans voltajına, -Vref’e ulaştığında, op-amp bir kez daha durum değiştirir ve çıkış, karşıt besleme rayı voltajına, +V(sat) sürülür. Kondansatör şimdi plakalarında pozitif bir voltaj görüyor ve şarj döngüsü yeniden başlıyor. Böylece, kapasitör sabit bir op-amp multivibratör çıkışı oluşturarak sürekli olarak şarj olur ve boşalır.

Çıkış dalga formunun periyodu, iki zamanlama bileşeninin RC zaman sabiti ve referans voltaj seviyesini belirleyen R1, R2 voltaj bölücü ağı tarafından oluşturulan geri besleme oranı tarafından belirlenir. Amplifikatörün doyma geriliminin pozitif ve negatif değerleri aynı büyüklüğe sahipse, t1 = t2 olur ve salınım periyodunu verecek ifade şöyle olur:

Multivibratör

Burada: R Direnç, C Kapasitans, ln( ) geri besleme fraksiyonunun Doğal Logaritmasıdır, T saniye cinsinden periyodik zamandır ve ƒ Hz cinsinden salınım Frekansıdır.

O zaman yukarıdaki denklemden bir Op-amp Multivibratör devresi için salınım frekansının sadece RC zaman sabitine değil aynı zamanda geri besleme fraksiyonuna da bağlı olduğunu görebiliriz. Bununla birlikte, 0.462’lik bir geri besleme kesri (β = 0.462) veren direnç değerleri kullansaydık, devrenin salınım frekansı gösterildiği gibi sadece 1/2RC’ye eşit olurdu çünkü lineer log terimi bire eşit olur.

Op-amp Multivibratör Örneği

Aşağıdaki bileşenler kullanılarak bir op-amp multivibratör devresi oluşturulur. R1 = 35kΩ, R2 = 30kΩ, R = 50kΩ ve C = 0.01uF. Devrelerin salınım frekansını hesaplayın.

Multivibratör
Multivibratör

Daha sonra salınım frekansı 1kHz olarak hesaplanır. β = 0.462 olduğunda, bu frekans doğrudan şu şekilde hesaplanabilir: ƒ = 1/2RC. Ayrıca iki geri besleme direnci aynı olduğunda, yani R1 = R2 olduğunda, geri besleme oranı 3’e eşittir ve salınım frekansı: ƒ = 1/2.2RC olur.

Bu op-amp multivibratör devresini, gösterildiği gibi değişken frekanslı bir op-amp multivibratör üretmek için geri besleme dirençlerinden birini bir potansiyometre ile değiştirerek bir adım daha ileri götürebiliriz.

Değişken Op-amp Multivibratör

Multivibratör
Değişken Op-amp Multivibratör

Merkezi potansiyometreyi β1 ve β2 arasında ayarlayarak çıkış frekansı aşağıdaki miktarlarda değişecektir.

β1’de potansiyometre:

Multivibratör

β2’de potansiyometre:

Multivibratör

Daha sonra bu basit örnekte, 100Hz’den 1.2kHz’e kadar değişken çıkışlı dikdörtgen dalga formu veya sadece RC bileşen değerlerini değiştirerek ihtiyaç duyduğumuz herhangi bir frekans aralığı üretebilen bir işlemsel yükseltici multivibratör devresi üretebiliriz.

Yukarıda 741 gibi standart bir işlemsel yükselteç ve birkaç ek bileşen kullanılarak bir Op-amp Multivibratör devresinin kurulabileceğini gördük. Bu voltaj kontrollü sinüzoidal olmayan gevşeme osilatörleri genellikle birkaç yüz kilo-hertz (kHz) ile sınırlıdır. Çünkü op-amp gerekli bant genişliğine sahip değildir ancak yine de mükemmel osilatörler yaparlar.