Türev Alıcı Yükselteç (OPAMP) / The Differentiator Amplifier

Bu yazımızda Türev Alıcı Yükselteç (OPAMP) / The Differentiator Amplifier konusunu işleyeceğiz.

Burada kondansatörün ve direncin konumu tersine çevrilmiştir. Şimdi reaktans XC, evirici yükselticinin giriş terminaline bağlanırken, direnç Rƒ normal olarak işlemsel yükselteç boyunca negatif geri besleme elemanını oluşturur.

Bu işlemsel yükselteç devresi, Diferansiyelin matematiksel işlemini gerçekleştirir. Yani “giriş voltajının zamana göre değişim hızıyla doğru orantılı bir voltaj çıkışı üretir”. Başka bir deyişle, giriş voltajı sinyalindeki değişiklik ne kadar hızlı veya büyük olursa, giriş akımı o kadar büyük olur. Yani çıkış voltajı değişikliği o kadar büyük olursa, şekil olarak da daha fazla spike’a sebep olur.

Entegratör devresinde olduğu gibi, işlemsel yükselteç boyunca bir RC Ağı oluşturan bir direnç ve kapasitörümüz vardır ve kapasitörün reaktansı ( Xc ) bir Op-amp Türev Alıcı performansında önemli bir rol oynar.

Op-amp Türev Alıcı Devresi

Kondansatör herhangi bir DC içeriğini bloke eder. Böylece amplifikatör toplama noktasına akım akışı olmaz, X sıfır çıkış voltajına neden olur. Kondansatör sadece AC tipi giriş voltajı değişikliklerinin geçmesine izin verir ve frekansı giriş sinyalinin değişim hızına bağlıdır.

Düşük frekanslarda kapasitörün reaktansı “Yüksek” olup, düşük kazanç ( Rƒ/Xc ) ve op-amp’den düşük çıkış voltajı ile sonuçlanır. Daha yüksek frekanslarda, kapasitörün reaktansı çok daha düşüktür. Bu da Türev Alıcı yükselticiden daha yüksek kazanç ve daha yüksek çıkış voltajı ile sonuçlanır.

Ancak yüksek frekanslarda bir op-amp Türev Alıcı devresi kararsız hale gelir ve salınım yapmaya başlar. Bu esas olarak yüksek frekanslarda beklenenden çok daha yüksek bir çıkış voltajı veren ikinci dereceden bir yanıta neden olan op-amp devresinin frekans yanıtını belirleyen birinci derece etkisinden kaynaklanmaktadır. Bunu önlemek için devrenin yüksek frekans kazancının, geri besleme direnci Rƒ’ye ek bir küçük değerli kapasitör eklenerek azaltılması gerekir.

Tamam, neler olup bittiğini açıklamak için biraz matematik var! İşlemsel yükselticinin ters çeviren giriş terminalindeki düğüm gerilimi sıfır olduğundan, kapasitörden akan i akımı şu şekilde verilecektir:

Kondansatör üzerindeki yük eşittir.

Böylece bu yükün değişim oranı:

ancak dQ/dt kapasitör akımıdır;

Türev Alıcı op-amp için ideal bir voltaj çıkışına sahip olduğumuz eşitlik şu şekilde verilir:

Bu nedenle, çıkış gerilimi Vout sabit bir –Rƒ*C çarpı giriş geriliminin Vin zamana göre türevidir. Eksi işareti (–), giriş sinyali işlemsel yükselticinin ters çeviren giriş terminaline bağlı olduğu için 180 derece faz kaymasını gösterir.

Bahsedilmesi gereken son bir nokta, temel biçimindeki Türev Alıcı Op-amp devresinin önceki işlemsel yükselteç entegratör devresine kıyasla iki ana dezavantajı vardır. Birincisi, yukarıda bahsedildiği gibi yüksek frekanslarda kararsızlıktan muzdarip olması, diğeri ise kapasitif girişin onu rastgele gürültü sinyallerine çok duyarlı hale getirmesi ve kaynak devresinde bulunan herhangi bir gürültü veya harmoniklerin giriş sinyalinin kendisinden daha fazla yükseltilmesidir. Bunun nedeni, çıkışın giriş voltajının eğimi ile orantılı olmasıdır, bu nedenle kapalı döngü kararlılığını elde etmek için bant genişliğini sınırlamanın bazı yollarına ihtiyaç vardır.

Op-amp Türev Alıcı Dalga Formları

Türev Alıcı yükselteç devresinin girişine Kare dalga, Üçgen veya Sinüs dalga tipi sinyal gibi sürekli değişen bir sinyal uygularsak, ortaya çıkan çıkış sinyali değişecek ve nihai şekli Direncin RC zaman sabitine bağlı olacaktır.

İyileştirilmiş Op-amp Türev Alıcı Amplifikatör

Temel tek direnç ve tek kapasitör op-amp Türev Alıcı devresi, yukarıda belirtilen iki doğal hata, “Kararsızlık” ve “Gürültü” nedeniyle, Farklılaşmanın matematiksel işlevini yeniden düzenlemek için yaygın olarak kullanılmaz. Bu nedenle, yüksek frekanslarda devrenin genel kapalı döngü kazancını azaltmak için, aşağıda gösterildiği gibi girişe ekstra bir direnç, Rin eklenir.

İyileştirilmiş Op-amp Türev Alıcı Amplifikatör

Giriş direnci RIN’in eklenmesi, Türev Alıcıların kazanç artışını Rƒ/RIN oranında sınırlar. Devre artık düşük frekanslarda bir Türev Alıcı amplifikatör ve yüksek frekanslarda dirençli geri beslemeli bir amplifikatör gibi davranır ve çok daha iyi gürültü reddi sağlar.

Daha yüksek frekansların ilave zayıflaması, Türev Alıcıgeri besleme direnci Rƒ ile paralel olarak bir kondansatör Cƒ bağlanarak gerçekleştirilir. Bu daha sonra filtreler bölümünde daha önce gördüğümüz gibi Aktif Yüksek Geçişli Filtrenin temelini oluşturur.