Toplayıcı Yükselteç (OPAMP) / The Summing Amplifier

Bu yazımızda Toplayıcı Yükselteç (OPAMP) / The Summing Amplifier konusunu detaylıca işleyeceğiz. Daha önce eviren işlem yükselticisinde, eviren yükselticisinin eviren giriş terminaline uygulanan tek bir giriş voltajına (Vin) sahip olduğunu gördük .Girişe her biri orijinal giriş direncine (Rin) eşit değerde daha fazla giriş direnci eklersek, bir Toplama Yükselticisi, “toplayıcı invertör” veya hatta gösterildiği gibi bir “gerilim toplayıcı” devresi olarak adlandırılan başka bir işlemsel yükseltici devresi ile sonuçlanırız. aşağıda detaylıca görebilirsiniz.

Toplayıcı Yükselteç Devresi

toplayıcı yükselteç
Toplama Yükseltici Devresi

Bu basit toplama amplifikatör devresindeki çıkış voltajı ( Vout ), giriş voltajlarının, V1, V2, V3, vb. toplamı ile orantılı hale gelir. Daha sonra, bu yenileri hesaba katmak için evirici amplifikatörün orijinal denklemini değiştirebiliriz.

toplayıcı yükselteç

Ancak tüm giriş empedansları ( RIN ) değer olarak eşitse, yukarıdaki denklemi aşağıdaki gibi bir çıkış voltajı verecek şekilde basitleştirebiliriz:

Amplifikatör Denklemini Toplama

toplayıcı yükselteç
Amplifikatör Denklemini Toplama

Artık her bir giriş voltajını yükseltecek ve üç ayrı giriş voltajı V1, V2 ve V3’ün cebirsel “TOPLAMI” ile orantılı bir çıkış voltajı sinyali üretecek bir işlemsel yükselteç devresine sahibiz.Her bir giriş kendi direncini “gördüğü” için gerekirse daha fazla giriş ekleyebiliriz, Rin tek giriş empedansı olarak.

Bunun nedeni, giriş sinyallerinin op-amp’in ters çevrilen girişindeki “sanal toprak” düğümü tarafından birbirinden etkin bir şekilde izole edilmesidir. Tüm dirençler eşit değerde olduğunda ve Rƒ, Rin’e eşit olduğunda, doğrudan bir voltaj ilavesi de elde edilebilir.

Toplama noktası op-amp’in ters çeviren girişine bağlandığında, devrenin herhangi bir sayıda giriş voltajının negatif toplamını üreteceğini unutmayın. Aynı şekilde toplama noktası op-amp’in ters çevirmeyen girişine bağlandığında, giriş voltajlarının pozitif toplamını üretecektir.

Bireysel giriş dirençleri eşit “DEĞİL” ise, Ölçekleme Toplama Yükselticisi yapılabilir. O zaman denklem şu şekilde değiştirilmelidir:

toplayıcı yükselteç

Matematiği biraz daha kolaylaştırmak için, geri besleme direncini Rƒ çıkış voltajını veren denklemin konusu haline getirmek için yukarıdaki formülü yeniden düzenleyebiliriz:

toplayıcı yükselteç

Bu giriş terminalini tersine çeviren amplifikatörlere daha fazla giriş direnci bağlanırsa çıkış voltajının kolayca hesaplanmasını sağlanır.

Bazen herhangi bir amplifikasyon olmadan iki veya daha fazla voltaj sinyalini bir araya getirmek için bir toplama devresine ihtiyaç duyarız. Yukarıdaki devrenin tüm dirençlerini aynı R değerine getirerek, op-amp, birlik bir voltaj kazancına ve gösterildiği gibi tüm giriş voltajlarının doğrudan toplamına eşit bir çıkış voltajına sahip olacaktır:

toplayıcı yükselteç

Toplama Amplifikatörü gerçekten çok esnek bir devredir ve birkaç bireysel giriş sinyalini etkin bir şekilde “Ekle” veya “Topla” (dolayısıyla adı) birlikte yapmamızı sağlar. Giriş dirençleri, R1, R2, R3 vb. hepsi eşitse, bir “birlik kazancı ters çeviren toplayıcı” yapılacaktır. Bununla birlikte giriş dirençleri farklı değerlere sahipse, giriş sinyallerinin ağırlıklı bir toplamını çıkaracak bir “ölçekleme toplama amplifikatörü” üretilir.

Toplayıcı Amplifikatör Devre Örneği

Aşağıdaki Toplama Yükseltici devresinin çıkış gerilimini bulunuz.

Toplayıcı Amplifikatörü

toplayıcı yükselteç
Toplama Amplifikatörü

Devrenin kazancı için daha önce bulunan formülü kullanabiliriz:

toplayıcı yükselteç

Şimdi devredeki dirençlerin değerlerini aşağıdaki gibi değiştirebiliriz:

toplayıcı yükselteç

Çıkış voltajının, güçlendirilmiş iki giriş sinyalinin toplamı olduğunu biliyoruz ve şu şekilde hesaplanıyor:

toplayıcı yükselteç

Daha sonra yukarıdaki Toplama Yükseltici devresinin çıkış voltajı -45 mV olarak verilir ve bir eviren yükselteç olarak negatiftir.

Evirmeyen Toplayıcı Amplifikatörü

Ancak, tersine çeviren toplama yükselteçleri oluşturmanın yanı sıra, işlemsel yükselticinin evirmeyen girişini de ters çevirmeyen bir toplama yükselticisi üretmek için kullanabiliriz. Yukarıda tersine çeviren bir toplama amplifikatörünün giriş voltajlarının negatif toplamını ürettiğini gördük, ardından ters çevirmeyen toplama amplifikatör konfigürasyonunun giriş voltajlarının pozitif toplamını üreteceğini takip ettik.

Adından da anlaşılacağı gibi, ters çevirmeyen toplama amplifikatörü, girişin (ac veya dc) ters çevirmeyen (+) terminale uygulanmasıyla, ters çevirmeyen işlemsel amplifikatör devresinin konfigürasyonuna dayanır. geri besleme ve kazanç, çıkış sinyalinin (VOUT) bir kısmının gösterildiği gibi evirici (-) terminale geri beslenmesi ile elde edilir.

Evirmeyen Toplayıcı Amplifikatörü

toplayıcı yükselteç

Öyleyse tersine çeviren toplama amplifikatörü konfigürasyonuna kıyasla, tersine çevirmeyen konfigürasyonun avantajı nedir? Op-amp çıkış voltajının VOUT’un girişi ile aynı fazda olduğu ve çıkış voltajının, direnç oranları tarafından belirlenen tüm girişlerinin ağırlıklı toplamı olduğu en açık gerçeğin yanı sıra, evirmeyen toplamın en büyük avantajı , giriş terminalleri arasında sanal toprak koşulu olmadığından, giriş empedansının standart evirici amplifikatör konfigürasyonundan çok daha yüksek olmasıdır.

Ayrıca op-amp’lerin kapalı döngü voltaj kazancı değiştirilirse, devrenin giriş toplama kısmı etkilenmez. Bununla birlikte, özellikle her biri farklı bir ağırlık faktörüne sahip ikiden fazla girdi varsa, toplama kavşağında her bir girdi için ağırlıklı kazançların seçilmesinde daha fazla matematik vardır. Bununla birlikte, tüm girdiler aynı direnç değerlerine sahipse, ilgili matematik çok daha az olacaktır.

Evirmeyen işlemsel yükselticinin kapalı döngü kazancı, toplam girişlerin sayısına eşit yapılırsa, op-amp’lerin çıkış gerilimi, tüm giriş gerilimlerinin toplamına tam olarak eşit olacaktır. Yani iki girişli bir ters çevirmeyen toplama amplifikatörü için, op-amp kazancı 2’ye eşittir. Üç girişli bir toplama amplifikatörü için op-amp kazancı 3’tür, vb. Bunun nedeni, her giriş direncinde akan akımların, tüm girişlerindeki voltajın bir fonksiyonu olmasıdır. Giriş dirençlerinin tümü eşit yapılırsa (R1 = R2), op-amp’in yüksek empedanslı ters çevirmeyen girişine akamayacakları için dolaşım akımları iptal olur ve çıkış voltajı girişlerinin toplamı olur.

2 girişli ters çevirmeyen toplama amplifikatörü için giriş terminallerine akan akımlar şu şekilde tanımlanabilir:

toplayıcı yükselteç

İki giriş direncini değer olarak eşit yaparsak, R1 = R2 = R olur.

toplayıcı yükselteç

Evirmeyen yükselticiler kapalı çevrim voltaj kazancı AV şu şekilde verilir: 1 + RA/RB. Bu kapalı çevrim gerilim kazancını RA = RB yaparak 2’ye eşit yaparsak, çıkış gerilimi VO gösterildiği gibi tüm giriş gerilimlerinin toplamına eşit olur.

Evirmeyen Toplayıcı Amplifikatörü Çıkış Gerilimi

toplayıcı yükselteç

Bu nedenle, 3 girişli bir ters çevirmeyen toplama amplifikatörü konfigürasyonu için, kapalı döngü voltaj kazancının 3’e ayarlanması VOUT’u üç giriş voltajının, V1, V2 ve V3’ün toplamına eşit yapacaktır. Benzer şekilde, dört girişli bir yaz için, kapalı çevrim voltaj kazancı 4 ve 5 girişli bir yaz için 5 olur ve bu böyle devam eder. Ayrıca, toplama devresinin yükselticisi, RA’nın sıfıra ve RB’nin sonsuza eşit olduğu bir birim takipçisi olarak bağlanırsa, voltaj kazancı olmadan, çıkış voltajı VOUT, tüm giriş voltajlarının ortalama değerine tam olarak eşit olacaktır. Bu VOUT = (V1 + V2)/2’dir.

Toplama Amplifikatörü Uygulamaları

Öyleyse, ters çeviren veya ters çevirmeyen toplama yükselteçlerini ne için kullanabiliriz. Bir toplama amplifikatörünün giriş dirençleri potansiyometrelere bağlanırsa, bireysel giriş sinyalleri değişen miktarlarda birlikte karıştırılabilir.

Örneğin, sıcaklığı ölçerken, çıkış voltajının veya ekranın donma noktasında “0” okumasını sağlamak için negatif bir ofset voltajı ekleyebilir veya farklı kaynak kanallarından (vokaller, enstrümanlar, vb.) tek tek dalga formlarını (sesleri) bir araya getirmek veya karıştırmak için bir ses mikseri üretebilirsiniz.

Toplayıcı Amplifikatörü Ses Karıştırıcısı

toplayıcı yükselteç

Toplama Yükseltecinin bir diğer kullanışlı uygulaması, ağırlıklı toplam dijital-analog dönüştürücü (DAC) şeklindedir. Toplama amplifikatörünün giriş dirençleri, rın değeri her giriş için iki katına çıkarsa, örneğin 1kΩ, 2kΩ, 4kΩ, 8kΩ, 16kΩ, vb.daha sonra bir dijital mantıksal voltaj, bir mantık seviyesi “0” veya bu girişlerdeki bir mantık seviyesi “1”, Dijital girişlerin ağırlıklı toplamı olan bir çıkış üretecektir. Aşağıdaki devreyi düşünün.

Dijitalden Analoga Dönüştürücü

toplayıcı yükselteç

Tabii bu basit bir örnektir. Bu DAC toplama amplifikatör devresinde, giriş veri kelimesini oluşturan bireysel bitlerin sayısı ve bu örnekte 4 bit, nihai olarak tam ölçekli analog çıkış voltajının bir yüzdesi olarak çıkış adım voltajını belirleyecektir.

Ayrıca bu tam ölçekli analog çıkışın doğruluğu, giriş bitlerinin voltaj seviyelerinin “0” için sürekli olarak 0V ve “1” için sürekli olarak 5V olmasının yanı sıra giriş dirençleri RIN için kullanılan direnç değerlerinin doğruluğuna bağlıdır.

Neyse ki, bu hataların üstesinden gelmek için, en azından bizim açımızdan, ticari olarak temin edilebilen Dijitalden Analoga ve Analogdan Dijitale cihazlar, halihazırda yerleşik olarak yüksek hassasiyetli rezistör merdiven ağları ile kolayca temin edilebilir.