Ortalayıcı Yükselteç (OPAMP) / Passive Averager

Bugünkü yazımızda Toplama Amplifikatörleri hakkındaki öğreticide, bir ters çeviren işlemsel yükselteç devresinin çoklu girişlerine uygulanan voltajların veya sinyallerin tek bir çıkış üretmek için birlikte “toplanabileceğini” ve yükseltici konfigürasyonuna bağlı olarak, ters çeviren veya çevirmeyen, çıkış sinyali, tüm girişlerinin pozitif veya negatif toplamı olacaktır.

Ayrıca, toplama amplifikatörünün her giriş voltajını, Rƒ/RIN oranı, yani geri besleme direncinin (Rƒ) karşılık gelen giriş direncine (RIN) oranı ile belirlenen ağırlıklı kazancıyla çarptığını gördük.

Toplanan çıkış voltajı (veya sinyali), her giriş direncinin (RIN(1) ila RIN(n)) aynı değerlere sahip olduğu ve bu değerlere karşılık gelen doğrusal bir çıkış voltajı üreten doğrudan ekleme yönteminin sonucu olabilir veya her bir giriş değerinin “ağırlığına” tekabül eden kademeli bir çıkış voltajı üreten her giriş direncinin değerinin iki katına çıktığı ikili ağırlıklı yöntemin sonucu olabilir. Toplama amplifikatörleri, ses mikseri tasarımları veya analogdan dijitale dönüştürme (ADC), vb. gibi birçok elektronik uygulamaya sahiptir.

Ancak işlemsel yükselteçleri toplama yükselteçleri (toplama) veya diferansiyel yükselteçler (çıkarma) olarak kullanmanın yanı sıra, ortalama voltaj değerine karşılık gelen bir çıkış voltajı üretebilen bir Ortalama devresi olarak işlev görecek çok sayıda girişli işlemsel yükselteç devresini de yapılandırabiliriz. iki veya daha fazla giriş.

Pasif Ortalama

Pasif Ortalama Değeri, değeri tüm giriş voltajlarının matematiksel ortalamasına eşit olan bir çıkış voltajı sağlamak üzere yapılandırılmış, temel olarak dirençli bir ağ veya devredir. Pasif veya aktif bir ortalama devre oluşturmak için herhangi bir sayıda giriş kullanılabilir. Aşağıdaki 2 girişli dirençli devreyi düşünün.

Ortalayıcı Yükselteç
Pasif Ortalama

Burada iki direnç, R1 ve R2 birbirine bağlanmıştır, böylece her bir direncin bir ucu ortak bir bağlantı veya düğüm oluştururken, gösterildiği gibi her bir direncin diğer ucuna bir voltaj kaynağı uygulanır.

Bu daha sonra, dirençler aracılığıyla etkin bir şekilde birbirine bağlandıkları için iki giriş voltajının ortalama değerine eşit bir çıkış voltajı üreten pasif bir ortalama devresinin temelini oluşturur. Bu temel devre konfigürasyonu, toplama ve çıkarma devreleri için de kullanılabilir.

Kirchhoff’un akım yasası (KCL), bir devre bağlantısına veya düğümüne giren ve çıkan tüm elektrik akımlarının cebirsel toplamının sıfıra eşit olması gerektiğini belirtir. Böylece bu pasif dirençli devreden geçen akımların toplamı şuna eşit olacaktır: IT = IR1 + IR2.

Ortalayıcı Yükselteç

Bu temel olarak, dirençler voltaj kaynakları aracılığıyla birbirine paralel olarak etkin bir şekilde bağlandığından, VOUT’un giriş akımlarının toplamının ayrı dirençlerin karşılıklı değerine bölünmesine eşit olduğu anlamına gelir ve bu fikir Millman Teoreminin bir parçasını oluşturur. Bu V = I/G’dir, burada “G” iletkenliktir. Ardından, gösterildiği gibi birden fazla 3, 4 veya daha fazla direnç ve voltaj girişi olan dirençli devreler için bu temel 2 girişli pasif ortalama denklemini genişletebiliriz.

Ortalayıcı Yükselteç Denklemi

Ortalayıcı Yükselteç
Ortalayıcı Yükselteç Denklemi

Bu nedenle, ortak düğümde görülen voltaj, tüm giriş voltajlarının matematiksel ortalaması olan bir pasif ortalama devresi üretmek için herhangi bir sayıda giriş kullanılabilir.

Ortalayıcı Yükselteç Örneği

Birbirine bağlı 2kΩ ve 4kΩ direnç kullanılarak 2 girişli pasif ortalama devresi oluşturulur. 12 volt d.c’lik bir voltaj beslemesi varsa. 2kΩ direncin bir ucuna ve ikinci bir 6 volt d.c voltaj kaynağına bağlanır. 4kΩ direncin bir ucuna bağlanır. Ortak bağlantıdaki çıkış voltajını hesaplayın.

Öncelikle şunu varsayın: R1 = 2kΩ, R2 = 4kΩ, V1 = 12V ve V2 = 6V.

Ortalayıcı Yükselteç
Ortalayıcı Yükselteç

Böylece ortak düğüm bağlantı voltajı 10 volt olarak hesaplanmıştır. Ama orada oturup şunu düşünüyor olabilirsiniz: (12 + 6)/2 = 9 volt. Ortalama voltaj çıkışı 9 volt olmalıdır ve haklısınız. Bununla birlikte, bu örnekte kullanılan iki direnç, 2kΩ ve 4kΩ olmak üzere farklı değerlere sahiptir, bu nedenle, Ağırlıklı Ortalama Devresi olarak bilinen şeyi üreten dirençli ağdan akan akımları etkileyecektir. Yani her girdi, ortalaması alınmadan önce ağırlık faktörü ile çarpılır.

Aslında bu basit örnek için, IR1 bağlantıya akan (12-10)/2000 = +1mA ve bağlantıdan dışarı akan IR2: (6-10)/4000 = -1mA olacaktır. Bu, ortak bağlantı yoluyla daha büyük 12 voltluk beslemeden daha küçük 6 voltluk beslemeye 1mA akım akar.

Bununla birlikte, bu iki giriş direncini R1 = R2 = R olacak şekilde eşit değerde yaparsak, iki IR1 ve IR2 akımı aynı ancak zıt değer olduğundan bağlantıdan akan akım sıfır olur, bu nedenle iptal edin. O zaman yukarıdaki pasif ortalama denklemi de basitleşir:

Pasif Ortalama Denklemi

Ortalayıcı Yükselteç

Yani, farklı bireysel direnç değerleri yerine eşit direnç değerleriyle, ortak bağlantıdaki çıkış voltajı değeri, ayrı voltaj kaynaklarının ortalama değerine tam olarak eşit olacak ve onu gerçek bir pasif ortalama devresi yapacaktır. Ardından, yukarıdaki basit 2 girişli ortalama devremizi kullanarak, beklediğimiz gibi VOUT = (V1 + V2)/2 = (12 + 6)/2 = 9 volt.

Op-amp Ortalama Devresi

Yukarıdaki pasif ortalama devresinin bir ana dezavantajı, özellikle yük düşük empedanslıysa, çıkış voltajının bağlı bir yükten etkilenebilmesidir. Ancak Ortalayıcı Yükselteç devrenin ortalama çıkış voltajının doğru ve sabit kalmasını, çıkışına işlemsel bir yükselteç ekleyerek aktif ortalama devresine dönüştürerek sağlayabiliriz.

Bunu yapmanın en basit ve en kolay yolu, dirençli ortalama ağının çıkışını, ters çevirmeyen bir “voltaj takipçisi” olarak yapılandırılmış bir işlemsel yükselteç veya “op-amp” girişine bağlamaktır. Bir voltaj takipçisi temelde gösterildiği gibi pozitif bir çıkış voltajı üreten bir birlik kazanç tamponudur.

Gerilim Takipçisi Kullanan Ortalayıcı Yükselteç Devresi

Ortalayıcı Yükselteç

Önceki derslerde gördüğümüz gibi, bir op-amp’in giriş empedansı son derece yüksektir, bu nedenle ters çevirmeyen giriş terminaline akım akmaz. Op-amp çıkışı doğrudan ters çevirme girişine bağlı olduğundan, geri besleme bu nedenle %100 olacaktır, bu nedenle VIN, op-amp’e sabit bir “1” veya birlik kazanç vererek VOUT’a tam olarak eşittir.

Bu, VOUT = VIN, pozitif çıkış ortalama devresi üretir. Buradaki avantaj, bireysel girişlerin birbirinden ve dolayısıyla herhangi bir bağlı yükten etkin bir şekilde yalıtılmasıdır, böylece herhangi bir sayıda giriş kullanılabilir.

Ortalamayı Ters Çevirme

Negatif çıkış ortalama voltajı üretmek için işlemsel yükselticiyi ters çeviren bir yükseltici olarak da yapılandırabiliriz. Çıkış ve giriş terminalleri arasındaki geri besleme yolundan kaynaklanan kapalı döngü voltaj kazancı (AV(CL)) şu şekilde verilir:

AV(CL) = -Rƒ / RIN = VOUT / VIN

O zaman bunu şu şekilde yeniden yazabiliriz:

Ortalayıcı Yükselteç

Ama bizim ortalama yükselticimiz için, VIN = V1 + V2 + V3 + … + vb. Basitlik olması için 3 girişli bir ortalama devre kullanırsak, çıkış voltajının ifadesi şöyle olur:

Ortalayıcı Yükselteç

Böylece her giriş voltajı ortak bir -Rƒ/RIN faktörü ile çarpılır. Tüm direnç değerlerini eşit ve aynı yaparsak, bu geri besleme direnci Rƒ = RIN = “R” ve giriş sayısı 3’tür. O zaman Rƒ = RIN1 = RIN2 = RIN3 = R ve “n” = 3, o zaman yukarıdaki denklem şu hale gelir:

Ortalayıcı Yükselteç

İşlemsel yükselticinin kapalı döngü voltaj kazancının, bu verilen örnekte 3 olan giriş sayısının karşılıklı değerine eşit olarak ayarlanması, op-amp ortalama devresinden gelen çıkış voltajı ters çevrilecektir (-VOUT) ve gösterildiği gibi üç ayrı girişin matematiksel ortalama değeri.

Ortalamayı Ters Çevirme Devresi

Ortalayıcı Yükselteç
Ortalamayı Ters Çevirme Devresi