elektron k ve haberle şme laboratuarı elektron k deneyler deney föyü

i
YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRONİK ve HABERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ
BÖLÜMÜ
ELEKTRONİK VE HABERLEŞME LABORATUARI
ELEKTRONİK DENEYLERİ
DENEY FÖYÜ
İstanbul 2013
ii
ÖNSÖZ
Bu kitap Yıldız Teknik Üniversitesi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü
öğrencileri için Elektronik ve Haberleşme Laboratuarı Dersi’nde kullanılmak üzere dersin
yürütücüleri Yrd. Doç. Dr. Burcu Erkmen, Yrd. Doç. Dr. Tuba Kıyan, Elektronik
Anabilimdalı araştırma görevlileri Arş. Gör. Dr. Nergis Tural Polat, Arş. Gör. Dr. Revna Acar
Vural, Arş. Gör. Arda Güney, Arş. Gör. Ali Rıza Yılmaz, Arş. Gör. Onur Can Kurban ve Arş.
Gör. İsmail Cantürk tarafından hazırlanmıştır.
iii
İçindekiler
Şekil Listesi................................................................................................................. 5
Tablo Listesi ............................................................................................................... 6
Toplu Malzeme Listesi................................................................................................ 6
DENEY 1 : FARK KUVVETLENDİRİCİLERİ............................................................... 7
1.1.Genel Bilgi ......................................................................................................... 7
1.1.1.DC Analiz..................................................................................................... 8
1.1.2.AC Analiz..................................................................................................... 8
1.2. Deney Öncesi Yapılacaklar ............................................................................ 13
1.3. Deneyde Yapılacaklar..................................................................................... 13
1.4. Deney Sonu Soruları ...................................................................................... 13
1.5. DENEY 1 Sonuç Sayfası ................................................................................ 14
DENEY 2:OPAMP’LI AKTİF FİLTRE UYGULAMASI................................................ 15
2.1. Genel Bilgi ...................................................................................................... 15
2.1.1. Filtre Türünün Tespiti................................................................................ 15
2.1.2. Filtre Karakteristikleri ................................................................................ 16
2.1.3. Filtre Transfer Fonksiyonları ve Devrelerinin Analizi................................. 17
2.1.4. Filtre Tasarım Kriterleri ............................................................................. 19
2.2. Deney Öncesi Yapılacaklar ............................................................................ 20
2.3. Deneyde Yapılacaklar..................................................................................... 21
2.4. Deney Sonu Soruları ...................................................................................... 22
2.5. DENEY 2 Sonuç Sayfası ................................................................................ 23
DENEY 3 : GERİBESLEMELİ KUVVETLENDİRİCİLER........................................... 25
3.1. Genel Bilgi ...................................................................................................... 25
3.1.1 Pozitif Geribesleme.................................................................................... 26
3.1.2 Negatif Geribesleme ................................................................................. 26
3.1.3. Geribesleme Bağlantı Türleri .................................................................... 27
3.1.4. Geribeslemenin Giriş ve Çıkış Empedanslarına Etkisi.............................. 27
3.2. Deney Öncesi Yapılacaklar ............................................................................ 28
3.3. Deneyde Yapılacaklar..................................................................................... 28
3.4. Deney Sonu Soruları ...................................................................................... 29
3.5. DENEY 3 Sonuç Sayfası ................................................................................ 30
DENEY 4: OSİLATÖR DEVRELERİ......................................................................... 31
4.1. Genel Bilgi ...................................................................................................... 31
4.1.1. Faz Kaymalı RC Osilatör .......................................................................... 32
4.1.2. Schmitt Tetikleyicili Karedalga Osilatör..................................................... 33
4.1.3. Opamplı Schmitt Osilatör.......................................................................... 34
4.1.4.Opamp’lı İntegratör Devresi....................................................................... 35
4.2. Deney Öncesi Yapılacaklar ............................................................................ 36
4.3. Deneyde Yapılacaklar..................................................................................... 36
4.3.1 RC Osilatör Deneyi .................................................................................... 36
4.3.2 Opamplı Schmitt Osilatör Deneyi............................................................... 37
4.4.Deney Sonu Soruları ....................................................................................... 38
4.5. DENEY 4 Sonuç Sayfası ................................................................................ 39
iv
ÖNEMLİ KATALOGLAR ........................................................................................... 41
1. BC 237.............................................................................................................. 41
2. LM 324 Bacak Bağlantıları................................................................................. 42
3. BD 135.............................................................................................................. 43
4. BD 136.............................................................................................................. 44
5. BC 108.............................................................................................................. 45
5
Şekil Listesi
Şekil 1.1 Temel Fark Kuvvetlendiricisi......................................................................................7
Şekil 1.2 Temel Fark Kuvvetlendiricisinin AC Eşdeğer Modeli .................................................8
Şekil 1.3 Girişlere fark işareti uygulanması durumu .................................................................9
Şekil 1.4 Girişlere ortak işaret uygulanması durumu ..............................................................11
Şekil 1.5 a.) RE Direnci ile Farksal Kuvvetlendirici ..................................................................12
b) RE Direnci Yerine Akım Aynası Kullanılarak Elde Edilen Farksal Kuvvetlendirici ...............12
Şekil 1.6 Şekil 1.5.a’ daki Devreye İlişkin Fark Modu ve Ortak Mod Çıkışı ............................14
Şekil 1.7 Şekil 1.5.b’deki devreye ilişkin Fark Modu ve Ortak Mod Çıkışı ..............................14
Şekil 2.1 Alçak Geçiren Filtre Karakteristikleri........................................................................16
a) İdeal Filtre
b) Pratik Filtre...............................................................................................16
Şekil 2.2 Yüksek Geçiren Filtre Karakteristikleri.....................................................................16
a) İdeal Filtre
b) Pratik Filtre...............................................................................................16
Şekil 2.3 Band Geçiren Filtre Karakteristikleri ........................................................................17
a) İdeal Filtre
b) Pratik Filtre...............................................................................................17
Şekil 2.4 Birinci Derece Alçak Geçiren Filtre ..........................................................................17
Şekil 2.5 Birinci Derece Yüksek Geçiren Filtre .......................................................................18
Şekil 2.6 Band Geçiren Filtre..................................................................................................19
Şekil 2.7 Butterworth vs. Chebyshev......................................................................................20
Şekil 2.8 (a) 1.Derece Alçak Geç. Filtre Dev. (b) 1.Derece Yüksek Geç. Filtre Dev. ............21
Şekil 2.9 2.Derece Band Geçiren Filtre Devresi .....................................................................22
Şekil 2.10 Alçak Geçiren Filtre için Kazanç(dB)-Frekans eğrisi..............................................23
Şekil 2.11 Yüksek Geçiren Filtre için Kazanç(dB)-Frekans eğrisi...........................................24
Şekil 2.12 Band Geçiren Filtre için Kazanç(dB)-Frekans eğrisi ..............................................24
Şekil 3.1 Geribeslemeli sistemin genel blok diyagramı...........................................................25
Şekil 3.2 Geribeslemeli (Af) ve geribeslemesiz kuvvetlendirici (Ao) kazanç-frekans
karakteristiği............................................................................................................................27
Şekil 3.3 Deney devresi..........................................................................................................28
Şekil 3.4 Geribeslemesiz devrenin kazancı............................................................................30
Şekil 3.5 Geribeslemeli devrelerin kazançları.........................................................................30
Şekil 4.1 Ortak Emetörlü Yükselteç Devresi...........................................................................32
Şekil 4.2 RC faz kaymalı osilatör devresi ...............................................................................32
Şekil 4.3 RC Faz Kaymalı Osilatör Devresi ............................................................................33
Şekil 4.4 Schmitt Tetikleyici Histerezis Karakteristiği .............................................................33
Şekil 4.5 Schmitt Tetikleyicili Osilatör Devresi........................................................................34
Şekil 4.6 Opamplı Schmitt Kare Dalga Osilatörü....................................................................34
Şekil 4.7 Opamp’lı Schmitt Tetikleyici histerezis eğrisi ...........................................................35
Şekil 4.8 Opamp’lı integratör devresi......................................................................................35
Şekil 4.9 Opamp’lı Schmitt Osilatör devresi ...........................................................................37
Şekil 4.10 Opamp’lı integratör devresi....................................................................................37
Şekil 4.11 İntegratörlü üçgen ve sinüs üreteci........................................................................38
Şekil 4.12 Osilatör çıkış işareti ...............................................................................................39
Şekil 4.13 A, B, C noktalarındaki işaretler ..............................................................................39
Şekil 4.14 Schmitt osilatörden elde edilen minimum ve maksimum çıkış frekansları .............40
Şekil 4.15 Schmitt osilatör ile kare-üçgen-sinüs osilatör sonuçları .........................................40
6
Tablo Listesi
Tablo 1.1 Farksal kuvvetlendiricinin kazanç ve CMRR ifadelerinin karşılaştırılması………….14
Tablo 2.1 Alçak Geçiren Filtrenin Kazanç Frekans Eğrisi için Elde Edilen Değerler………….23
Tablo 2.2 Yüksek Geçiren Filtrenin Kazanç Frekans Eğrisi için Elde Edilen Değerler………..23
Tablo 2.3 Band Geçiren Filtrenin Kazanç Frekans Eğrisi için Elde Edilen Değerler………….24
Tablo 3.1 Geribesleme Bağlantı Türlerine Göre Giriş Ve Çıkış Empedanslarının
Hesaplanması
.....…………………………………………………………………………………………2727
Tablo 3.2 Ölçüm sonuçları…………………………………………………………………………..30
Tablo 4.1 Çıkış işaretinin tepeden tepeye değerini ve frekansı
..................................................................................…………………………………399
Tablo 4.2 Hesaplanan osilasyon frekansı ile ölçülen osilasyon frekansının karşılaştırılması..39
Tablo 4.3 Osilatörün çıkış işareti ve transistörün bazındaki işaret arasındaki faz farkı……….39
Toplu Malzeme Listesi (Malzemeleri yedekli almanız tavsiye edilir.)
Direnç : 1 x 270kΩ, 1 x 22kΩ, 2 x 7.5kΩ
1 x 180kΩ, 2 x 15kΩ, 1 x 6.8kΩ,
1 x 68kΩ, 2 x 12kΩ, 3 x 5.6kΩ,
1 x 33kΩ, 1 x 11kΩ, 1 x 3.9kΩ,
1 x 27kΩ, 5 x 10kΩ, 1 x 3.3kΩ,
5 x 1kΩ
3 x 560Ω
1 x 270Ω
1 x 10kΩ POT
1 x 1kΩ POT
Kapasite: 1 x 47µF, 1 x 1µf, 1 x 47nF, 2 x 4.7 nF
2 x 10 µf, 2 x 100nF, 3 x10nF
Transistör : 4 x BC237, 2 x BC108
Entegre: 2 x LM324 veya 4 x LM741
7
DENEY 1 : FARK KUVVETLENDİRİCİLERİ
Malzeme Listesi :
Transistör : 4xBC237
Direnç : 1x22kΩ, 2x12kΩ, 1x11kΩ, 2x10kΩ, 2x1kΩ
Amaç:
1) Fark kuvvetlendiricisine ait DC ve AC analizlerin yapılarak DC çalışma noktasının bulunması, ortak
işaret ve fark işaret kazancının, ortak zayıflatma oranının bulunması
2) Akım aynasının kazanca etkisinin incelenmesi.
1.1.Genel Bilgi
Fark kuvvetlendiricileri genel olarak girişindeki AC işaret farkını yükselten kuvvetlendiricilerdir.
Fark yükselteci devresinin özellikle yüksek kazançlı kuvvetlendiricilerin giriş katı olarak
kullanılmasına neden olan çok yararlı çeşitli özellikleri mevcuttur. Kuvvetlendiricinin simetrik olması
nedeniyle eş özellikli transistörler seçerek (genellikle bu transistörler aynı silisyum kırmık üzerinde
gerçeklenirler) oldukça kararlı ve sürüklenmelere dayanıklı devreler oluşturulabilir. Çıkışta görülmek
istenen işaret büyük genlikli bir ortak DC gerilime sahip iki uçtan gelen işaretin farkı ise bu devre
idealdir. OPAMP devreleri de kaskat bağlanmış fark yükselteçleri kullanarak tasarlanır. Böylece
oldukça kararlı ve yüksek kazançlı kuvvetlendiriciler elde edilir.
Şekil 1.1 Temel Fark Kuvvetlendiricisi
Şekil 1.1’deki fark kuvvetlendiricisi devresindeki transistörlerin çalışma noktalarını bulmak için
DC analiz yapılmalıdır.
8
1.1.1.DC Analiz
Çıkış akımı ve gerilimlerini bulmak için gerekli olan denklemler aşağıda verilmiştir.
V1 = V2 = 0
(1.1)
VBE + I T R E − VEE = 0
IT =
VEE − VBE
(1.2)
(1.3)
RE
I E = I B + I C = (1 + β)I B
(1.4)
I T = 2I E ≅ 2I C
(1.5)
IC =
VEE - VBE
(1.6)
2R E
Çıkış Gerilimleri:
V − VBE
Vo1 = Vo2 = VCC − IC R C = VCC − ( EE
)R C
2R E
(1.7)
Vod = Vo1 − Vo2 = 0
(1.8)
İdeal bir fark kuvvetlendiricisinde girişler “0” iken çıkış gerilimleri arasındaki fark (VOD) “0”
olmalıdır.
1.1.2.AC Analiz
Devrenin AC modeli Şekil 1.2’de verilmiştir.
Şekil 1.2 Temel Fark Kuvvetlendiricisinin AC Eşdeğer Modeli
Kullanılan transistörler eşdeğer yapıda olduğu için gm1=gm2; rπ1= rπ2 ‘dir.

IC
g m =
VT

ve
rπ =
β 

gm 
(1.9)
9
Giriş işaretleri arasındaki farka “giriş fark işareti” denir. Vid ile gösterilir.
Vid = V1 − V2
(1.10)
Giriş işaretlerinin ortalama değerine “giriş ortak işareti” denir. Vic ile gösterilir.
V1 + V2
2
Devrenin çalışmasını ikiye ayırabiliriz.
1- V1 = -V2 haline fark işareti denir.
2- V1 = V2 haline ortak işaret denir.
Vic =
(1.11)
1.1.2.a. Giriş İşaretinin Fark İşareti Olması Durumu
V1 = −V2
V1 = Va (t)
V2 = − Va (t)
(1.12)
(1.13)
(1.14)
Bu durumda Vic ve Vid aşağıda gösterildiği gibi olur.
V1 + V2
=0
2
Vid = V1 − V2 = 2Va (t)
Vic =
(1.15)
(1.16)
Fark işareti uygulanması durumunda fark kuvvetlendiricisi devresinin eşdeğer modeli Şekil 1.3’de
verilmiştir.
Şekil 1.3 Girişlere fark işareti uygulanması durumu
E noktası için:
g π Vπ1 + g m Vπ1 + g m Vπ 2 + g π Vπ 2 = G E Ve
(1.17)
10
Vid
V
+ Vπ1 + Ve = 0 ⇒ Vπ1 = id − Ve
2
2
Vid
V
+ Vπ 2 + Ve = 0 ⇒ Vπ 2 = − id − Ve
2
2
−
(1.18)
(1.19)
Vπ1 + Vπ 2 = −2Ve
(1.20)
(Vπ1 + Vπ 2 )(g π + g m ) = G E Ve
(1.21)
(2g π + 2g m + G E )Ve = 0
(1.22)
Burada eşitsizliğin sağlanması için (2g π + 2g m + G E ) ≠ 0 olduğundan Ve = 0 olmalıdır.
Vid
V
− Ve = id
2
2
V
V
Vπ 2 = − id − Ve = − id
2
2
Vπ1 =
(1.23)
(1.24)
Devrenin çıkış gerilimleri aşağıda verilmiştir.
Vo1 = −g m Vπ1R C = −g m R C
Vid
R V
= − C id
2
re 2
(1.25)
V
R V
Vo 2 = −g m Vπ 2 R C = g m R C id = C id
2
re 2
Buradaki re değeri transistörün geçiş direncidir ve büyüklüğü re =
(1.26)
VTH
’dir.
IC
Çıkış fark işareti Vod = V1- V2 olduğuna göre
Vod = −
R C Vid R C Vid
R
−
= − C Vid olarak bulunur.
re 2
re 2
re
Fark işaret kazancı (Add) ise aşağıda verilmiştir.
A dd =
Vod
Vid
=−
Vic = 0
RC
re
(1.27)
11
1.1.2.b Giriş İşaretinin Ortak İşaret Olması Durumu
V1 = V2
(1.28)
V1 = Vb (t)
(1.29)
V2 = Vb (t)
(1.30)
Bu durumda Vic ve Vid aşağıda gösterildiği gibi olur.
V1 + V2
= Vb (t)
2
Vid = V1 − V2 = 0
Vic =
(1.31)
(1.32)
Ortak işareti uygulanması durumunda fark kuvvetlendiricisi devresinin eşdeğer modeli Şekil 1.4’de
verilmiştir.
Şekil 1.4 Girişlere ortak işaret uygulanması durumu
Vic = i b [ rπ + 2(1 + β)R E ] = Vb (t)
ib =
Vb (t)
rπ + 2(1 + β)R E
(1.33)
(1.34)
Devrenin çıkış gerilimleri aşağıda verilmiştir.
Vo1 = Vo2 = −β i b R C = −
β R C Vb (t)
β R C Vic
=−
rπ + 2(1 + β)R E
rπ + 2(1 + β)R E
Çıkış ortak işareti Voc =
Vo1 + Vo2
= Vo1 = Vo 2 olur.
2
(1.35)
12
Ortak işaret kazancı (Acc) ise aşağıda verilmiştir.
A cc =
Voc
Vic
=−
Vid = 0
βR C
RC
≅−
rπ + 2(1 + β)R E
re + 2R E
(1.36)
İdeal bir fark kuvvetlendiricisinde ortak işaret kazancı (Acc) sıfırdır. Fark işaret kazancının (Add),
ortak işaret kazancına oranına “Ortak İşaret Zayıflatma Oranı (Common Mode Rejection Ratio,
CMRR)” denir. Fark yükselteçlerinin yaygın kullanılan bir performans ölçütü olan CMRR şu şekilde
tanımlanır:
CMRR =
Ad
(1.37)
Ac
Yukarıdaki formülden de görüldüğü üzere CMRR değerinin büyük olması için RE direncini
büyütmek gerekir, ancak RE direnci arttırılırsa aynı IE akımı ile devreyi sürebilmek için gereken
besleme gerilimi değeri çok artacaktır. Bu nedenle devrede RE direnci yerine sabit akım kaynağı görevi
gören akım aynası (Şekil1.5) kullanılır.
(a)
(b)
Şekil 1.5 a.) RE Direnci ile Farksal Kuvvetlendirici
b) RE Direnci Yerine Akım Aynası Kullanılarak Elde Edilen Farksal Kuvvetlendirici
Doğru akım kaynağı küçük işaretler için yüksek direnç göstereceğinden (açık devre gibi
düşünülebilir) akım aynası kullanılan devrede VEE gerilimini arttırmaya gerek olmadan yüksek CMRR
elde edilebilir.
13
1.2. Deney Öncesi Yapılacaklar
1. Şekil 1.5a ve 1.5.b’ deki fark kuvvetlendiricisinin AC eşdeğer devrelerini ve çalışma prensiplerini
gözden geçiriniz.
2. Şekil 1.5a ve 1.5.b’ deki devrenin kazanç ifadelerini (Add ve Acc ) ve CMRR değerlerini föyde
verilen bilgileri kullanarak hesaplayınız. Hesaplamalarınız için SPICE programı kullanabilirsiniz.
Bu hesapladığınız değerleri deney sonunda bulduğunuz ölçüm sonuçlarıyla karşılaştıracaksınız.
Not: Teorik hesaplama sırasında akım aynalı yapı için Acc değerini “0” olarak alabilirsiniz.
1.3. Deneyde Yapılacaklar
1. Şekil 1.5.a’daki devreyi kurunuz. + ve – besleme gerilimlerini dikkatli bağlayınız, DC kaynakların
ve devrenizin toprak bağlantısının neresi olduğuna dikkat ediniz.
2. Devrenin Vi1 ve Vi2 girişlerine fark işareti (a) uygulayınız.
a. Vi1 = 10mV.sin(2π.103.t)
Vi2 = 0V
Farksal çıkış gerilimini (Vo1-Vo2) ölçerek kazancı (Add) ölçümlerinize göre bulunuz.
Not: Fark işaretini ölçerken 1 probun 2 ucu çıkış noktalarına bağlanacaktır.
3. Devrenin Vi1 ve Vi2 girişlerine ortak işaret (b) uygulayınız.
b. Vi1 = Vi2 = 10mV.sin(2π.103.t)
Ortak çıkış gerilimini (Vo1 veya Vo2 ) ölçerek kazancı (Acc) ölçümlerinize göre bulunuz.
4. Devrenin CMRR oranını ölçüm değerlerinden yararlanarak hesaplayınız ve ilgili tabloyu
doldurunuz.
5. Şekil 1.5.b’deki devre ile yukarıdaki adımları tekrarlayınız.
1.4. Deney Sonu Soruları
1. CMRR değerinin büyük olmasının önemi nedir? Açıklayınız.
2. Akım aynasının Add, Acc ve CMRR değerine etkisi ne olmuştur?
3. Şekil 1.5.b için bulunan CMRR değerini, Şekil 1.5.a’ da olduğu gibi akım kaynağı yerine dirençle
sağlayabilmek için gerekli VEE gerilimini hesaplayınız.
14
1.5. DENEY 1 Sonuç Sayfası
Şekil 1.6 Şekil 1.5.a’ daki Devreye İlişkin Fark Modu ve Ortak Mod Çıkışı
Şekil 1.7 Şekil 1.5.b’deki devreye ilişkin Fark Modu ve Ortak Mod Çıkışı
Tablo 1.1 Farksal kuvvetlendiricinin kazanç ve CMRR ifadelerinin karşılaştırılması
Ad
Ac
CMRR
Teorik Hesaplama
Deneysel Ölçüm
Şekil 1.5.a
Şekil 1.5.a
Şekil 1.5.b
Şekil 1.5.b
15
DENEY 2:OPAMP’LI AKTİF FİLTRE UYGULAMASI
Amaç: 1. dereceden alçak geçiren filtre, yüksek geçiren filtre ve 2 .dereceden band geçiren filtrelerin
aktif elemanlar ile gerçeklenmesi.
Malzeme Listesi:
Opamp: 2 x LM324 veya 4 x LM741
Direnç: 2 x 15kΩ, 2 x 7.5kΩ
Kapasite: 2 x 10 nF, 2 x 4.7 nF
2.1. Genel Bilgi
Elektrik devrelerinde çok kullanışlı yapılar olan analog devrelerin başında filtreler gelir. Filtre
yapıları elektriksel işaretlerin frekans spektrumlarına biçim vermek amacıyla kullanılan devrelerdir.
Pasif R, L, C elemanlarıyla gerçekleştirilen bu devreler aynı zamanda aktif elemanlarla (transistör,
opamp vs.) birlikte sadece R veya C elemanları veya bunların her üçünü birden kullanarak da
gerçekleştirilebilir.
Filtreler elektronik ve haberleşme sistemlerinde oldukça geniş bir uygulama alanı bulmaktadır.
Özellikle, sisteme uygulanan frekanslardan yalnızca istenenlerinin geçirilmesi amacıyla kullanılırlar.
Gerçeklenen transfer fonksiyonunun frekansla değişimine bağlı olarak alçak geçiren, yüksek geçiren,
band geçiren, band söndüren türden filtreler söz konusudur. Kesim frekansı, kalite faktörü, geçirme
bandı kazancı ise önemli filtre parametrelerindendir.
Pasif filtrelerde direnç, kapasite ve bobin kullanılır. RC filtrelerinde transfer fonksiyonunun kökleri reel
olur. Bu tip filtrelerde değer katsayısının küçük olduğu görülür. Büyük kalite faktörü elde edilmek
istendiğinde LC filtreleri kullanmak daha uygun olur. Ancak düşük frekanslarda gerekli bobin
indüktanslarının büyük olması gerekeceğinden hem devrenin kapladığı alan hem de maliyet artar. Bu
nedenle düşük frekanslarda daha çok aktif filtreler tercih edilir.
Aktif filtrelerin en önemli avantajları küçük ve hafif olmalarıdır. Ayrıca güvenirlikleri yüksek, seri
üretim nedeniyle ucuz ve küçük boyutları nedeniyle de parazitleri düşüktür. Buna karşın, aktif
elemanın sonlu band genişliği nedeniyle erişilebilecek kutup frekansları sınırlıdır. Ayrıca filtre
karakteristiğinin keskinliğini belirleyen kalite faktörü ile kutup frekansı ters orantılıdır. Dolayısıyla
optimum bir çözümün bulunması söz konusudur. Bunun dışında aktif filtrelerde, karakteristiklerinin
eleman değerlerindeki değişimlere duyarlığı daha yüksektir ve aktif eleman nedeniyle ayrıca bir
besleme devresi gerektirirler.
2.1.1. Filtre Türünün Tespiti
Genel olarak filtre transfer
fonksiyonlarının limitini s → ∞ ve s → 0 için alarak ne tür filtreye
ait oldukları bulunabilir. AGF’nin transfer fonksiyonunu limit işlemi uygulanırsa;
K
K
lim H AGF ( s ) = lim
=
=A
(2.1)
s →0
s →0 s + w
0 + wc
c
lim H AGF ( s ) = lim
s → wc
s → wc
K
K
=
=0
s →∞ s + w
∞ + wc
c
lim H AGF ( s ) = lim
s →∞
K
K
=
= 0.707 A
s + wc wc + wc
(2.2)
(2.3)
16
Burada A filtrenin maksimum kazancıdır. Limit işleminden görüldüğü gibi yüksek frekanslarda
filtrenin kazancı sıfır olmakta, düşük frekanslarda ise maksimum kazanca ulaşmaktadır. Diğer
filtrelerin transfer fonksiyonlarına basit bir limit işlemi ile analiz edilebilir.
2.1.2. Filtre Karakteristikleri
2.1.2.a Alçak Geçiren Filtre Karakteristikleri
Alçak geçiren filtre yapısında 0 Hz ile kesim frekansı ( f H ) arasında sabit bir kazanç vardır
(genellikle birim kazanç). Kesim frekansında, alçak frekans kazancı 3 dB azalır. 0 Hz ile kesim
frekansı ( f H ) arasındaki frekanslar band geçirme frekansı, f H ’dan büyük frekanslar ise band söndürme
frekansıdır. Band söndürme frekansında kazanç oldukça azalır.
(a)
(b)
Şekil 2.1 Alçak Geçiren Filtre Karakteristikleri
a) İdeal Filtre b) Pratik Filtre
2.1.2.b Yüksek Geçiren Filtre Karakteristikleri
Yüksek geçiren filtre yapısında kesim frekansından ( f L ) daha büyük frekanslarda sabit bir kazanç
vardır (genellikle birim kazanç). Kesim frekansında, yüksek frekans kazancı 3dB azalır. 0 Hz ile kesim
frekansı ( f L ) arasındaki frekanslar band söndürme frekansı, f L ’den büyük frekanslar ise band geçirme
frekansıdır. Band söndürme frekansında kazanç oldukça azalır.
Şekil 2.2 Yüksek Geçiren Filtre Karakteristikleri
a) İdeal Filtre b) Pratik Filtre
17
2.1.2.c Band Geçiren Filtre Karakteristikleri
Band geçiren filtre, sadece belirli frekans aralığını geçirir, diğerlerini söndürür. Band geçirme
aralığı, kesim frekansları ( f H , f L ) arasında kalan bölgeyi ifade eder. Filtrenin band genişliği
( β = f H − f L ) olarak ifade edilir.
Şekil 2.3 Band Geçiren Filtre Karakteristikleri
a) İdeal Filtre b) Pratik Filtre
2.1.3. Filtre Transfer Fonksiyonları ve Devrelerinin Analizi
2.1.3.a 1.Dereceden Alçak Geçiren Filtre: Birinci dereceden alçak geçiren filtrenin transfer
fonksiyonu aşağıda verilmiştir.
H AGF ( s ) =
K
s + wc
(2.4)
Burada K kazanç, wc AGF’nin kesim frekansıdır.
Şekil 2.4’de verilen alçak geçiren filtrenin analizi yapılıp, transfer fonksiyonu devre elemanlarına bağlı
olarak elde edilmiştir.
Şekil 2.4 Birinci Derece Alçak Geçiren Filtre
18
1
Vo
R2 C
( s) = −
1
Vi
s+
R1C
Burada
K=
1
R2C
(2.5)
ve
wc =
1
R1C
eşitlikleri bulunabilir.
2.1.3.b 1. Dereceden Yüksek Geçiren Filtre: Birinci dereceden yüksek geçiren filtrenin transfer
fonksiyonu aşağıda verilmiştir.
s
H YGF ( s ) = K
(2.6)
s + wc
Burada K kazanç, wc YGF’nin kesim frekansıdır.
Şekil 2.5’de verilen alçak geçiren filtrenin analizi yapılıp, transfer fonksiyonu devre elemanlarına bağlı
olarak elde edilmiştir.
Şekil 2.5 Birinci Derece Yüksek Geçiren Filtre
Vo
R
( s) = − 1
Vi
R2
Burada
R
K= 1
R2
ve
s
s+
1
R2 C
1
wc =
R2C
(2.7)
eşitlikleri bulunabilir.
2.1.3.c Band Geçiren Filtre : İkinci derece bir band geçiren filtrenin genel ifadeyle transfer
fonksiyonu aşağıda verilmiştir.
H BGF ( s ) = K
βs
s 2 + β s + wo2
Burada K kazanç,
β
band genişliği ve
(2.8)
wo
BGF’nin merkez frekansıdır. Band genişliği
β=
wo
Q
olarak
tanımlıdır. Burada Q kalite faktörüdür. Kalite faktörü ne kadar büyük olursa devrenin band genişliği
azalacak, kazancı artacaktır.
19
Şekil 2.6 Band Geçiren Filtre



Vo
1 
1
s

(s) = −
1
1 
Vi
R2 C1 
+
+
s
s

R2 C 2
R1C1 

(2.9)
ya da
1
s
Vo
R2 C1
(s) = −
Vi
 1
1 
1
s +
+
s 2 + 

R1 R2 C1C 2
 R2 C 2 R1C1 
(2.10)
Burada merkez frekansı ( f0 ) ve band genişliği ( β ) aşağıdaki eşitlikler ile bulunabilir.
f0 =
β=
1
2π R1R2C1C2
1
2π
 1
1 
+


R
C
R
C
 2 2
1 1
(2.11)
(2.12)
2.1.4. Filtre Tasarım Kriterleri
2.1.4.a Kazanç (Band-pass gain)
Aktif filtreler kullanılarak 1’den yüksek kazanç elde etmek mümkündür. Birçok aktif filtre yapısı
filtrenin kazancını belirleyen kazanç katsayısı içerirler. Düz band geçirme kazancına sahip filtreler
sıklıkla kullanılır. Bu karakteristiğe sahip filtreler, Butterworth filtre olarak adlandırılır. Diğer bir sınıf
olan Chebyshev filtreler ise band geçirme kazancında dalgalanmaya (ripple, overshoot) sebep olurlar.
20
Şekil 2.7 Butterworth vs. Chebyshev
2.1.4.b Kesim frekansları (Cut-off frequencies)
Kesim frekansları (fH, fL) filtre devresindeki kapasite ve direnç değerleri ile belirlenir.
2.1.4.c Frekans eğrisinin düşme eğimi (Roll-off rate)
Frekans eğrisinin düşme eğimi, filtre kazancının band söndürme bölgesindeki değişim oranıdır. Bu
oranın yüksek olması, frekans seçimini iyileştirmesini sağlar. Şekil 2.4’te de görüldüğü üzere
Chebyshev filtre yapısında bu oran Butterworth filtre yapısına göre daha yüksektir. Frekans eğrisinin
düşme eğimini, filtrenin derecesi belirler. Örneğin, 1. derece filtrede 20dB/decade değerinde bir eğim
varken, 2.derece bir filtrede bu değer 40dB/decade olur.
2.1.4.d Kalite Faktörü (Quality Factor)
Band geçiren filtreler için Q (kalite faktörü), merkez frekansın (
Q=
f o ),
band genişliğine ( β ) oranıdır.
fo
β
Alçak geçiren ve yüksek geçiren filtreler için Q, kutup kalitesini gösterir. Yüksek kalite faktörleri
grafiksel olarak 0 dB çizgisi ile filtrenin kazanç cevabının tepe noktası arasındaki mesafe olarak
gösterilebilir. Q en düşük 1 olarak seçilir.
2.2. Deney Öncesi Yapılacaklar
1. Deneye gelmeden önce LM741 katalogunu inceleyiniz.
2. Şekil 2.8 ve şekil 2.9’da verilen devrelerin SPICE programı kullanılarak aşağıda istenen
simülasyonlarını gerçekleyiniz.
3. AC analiz yapılarak alçak ve yüksek geçiren filtrelerin kesim frekansını ve maksimum
çıkış
genliğini, band geçiren filtrenin merkez frekansını, band genişliğini ve maksimum çıkış genliğini bulup
not alınız.
21
2.3. Deneyde Yapılacaklar
1- Alçak Geçiren Filtre
1. Şekil 2.8’de verilen 1. devreyi kurunuz.
2. Devrenin girişine Vinp-p=20mV uygulayınız. Devredeki Opamp‘lar için besleme gerilimleri
±12V’dur.
3. Devrenin kesim frekansını bulunuz. Giriş işaretinin frekansını tabloda verilen değerlere göre
ayarlayınız. Osiloskop ekranında gözlemlediğiniz değerlere göre Tablo 2.1’i doldurunuz.
4. Elde ettiğiniz değerlere göre kazanç(dB)-frekans eğrisini çiziniz (Şekil 2.10).
2- Yüksek Geçiren Filtre
1. Şekil 2.8’de verilen 2. devreyi kurunuz.
2. Devrenin girişine Vinp-p=20mV uygulayınız. Devredeki Opamp‘lar için besleme gerilimleri
±12V’dur.
3. Devrenin kesim frekansını bulunuz. Giriş işaretinin frekansını tabloda verilen değerlere göre
ayarlayınız. Osiloskop ekranında gözlemlediğiniz değerlere göre Tablo 2.2’yi doldurunuz.
4. Elde ettiğiniz değerlere göre kazanç(dB)-frekans eğrisini çiziniz (Şekil 2.11).
3- Band Geçiren Filtre
1. Şekil 2.9’de verilen devreyi kurunuz.
2. Devrenin girişine Vinp-p=20mV uygulayınız. Devredeki Opamp’lar için besleme gerilimleri
±12V’dur.
3. Devrenin merkez, alt ve üst kesim frekanslarını bulunuz. Giriş işaretinin frekansını tabloda verilen
değerlere göre ayarlayınız. Osiloskop ekranında gözlemlediğiniz değerlere göre Tablo 2.3’ü
doldurunuz.
4. Elde ettiğiniz değerlere göre kazanç(dB)-frekans eğrisini çiziniz (Şekil 2.12).
(a)
(b)
Şekil 2.8 (a) 1.Derece Alçak Geç. Filtre Dev. (b) 1.Derece Yüksek Geç. Filtre Dev.
22
Şekil 2.9 2.Derece Band Geçiren Filtre Devresi
2.4. Deney Sonu Soruları
1. Pasif ve aktif filtre devrelerinin birbirlerine göre avantaj ve dezavantajlarını sıralayınız.
2. Endüktans elemanının özelliklerini sıralayarak devre içinde kullanımının avantajları ve
dezavantajlarını belirtiniz.
3. Alçak geçiren filtre devrelerinin uygulama alanlarını araştırınız.
4. Band geçiren filtre devrelerinin uygulama alanlarını araştırınız.
5. Band söndüren filtre devrelerinin uygulama alanlarını araştırınız.
6. Yüksek dereceli alçak geçiren elde etmek için daha düşük dereceli alçak geçiren filtreler nasıl
bağlanabilir?
7. Alçak geçiren filtre kullanarak band geçiren filtre elde etmek için ne yapılmalıdır,
açıklayınız.
8. İdeal bir Opamp’ın giriş ve çıkış dirençleri nedir?
9. Opamp kullanarak integratör ve türev alıcı yapıları tasarlayınız. Transfer fonksiyonlarını belirtiniz.
23
2.5. DENEY 2 Sonuç Sayfası
Tablo 2.1 Alçak Geçiren Filtrenin Kazanç Frekans Eğrisi için Elde Edilen Değerler
Şekil 2.10 Alçak Geçiren Filtre için Kazanç(dB)-Frekans eğrisi
Tablo 2.2 Yüksek Geçiren Filtrenin Kazanç Frekans Eğrisi için Elde Edilen Değerler
24
Şekil 2.11 Yüksek Geçiren Filtre için Kazanç(dB)-Frekans eğrisi
Tablo 2.3 Band Geçiren Filtrenin Kazanç Frekans Eğrisi için Elde Edilen Değerler
Şekil 2.12 Band Geçiren Filtre için Kazanç(dB)-Frekans eğrisi
25
DENEY 3 : GERİBESLEMELİ KUVVETLENDİRİCİLER
Amaç : Geribeslemeli kuvvetlendirici devre yapısını ve çalışmasını deney yoluyla öğrenmek.
Geribeslemenin kuvvetlendiriciler üzerindeki etkilerini incelemek.
Malzeme Listesi :
Transistör: 2xBC108
Kondansatör : 1x1µf, 1x10µf
Direnç : 1x180kΩ, 1x27kΩ, 1x10kΩ, 1x1kΩ, 1x270Ω, 1x3.9kΩ, 1x5.6kΩ
Geribesleme devresi için dirençler: 1x33kΩ, 1x68kΩ, 1x270kΩ
3.1. Genel Bilgi
Geribeslemeli devreler elektronikte oldukça geniş bir kullanım alanı olan bir konudur. Bir
elektronik devrede, çıkıştan alınan işaretin bir örneğinin aynı fazda veya zıt fazda girişe aktarıldığı
devrelere Geribeslemeli Devreler diyoruz. Giriş işaretine zıt fazda gelen işarete dayalı devrelere negatif
geribesleme devreleri, işleme negatif geribesleme, giriş işaretine eş fazda gelen işarete dayalı devrelere
pozitif geribesleme devreleri, işleme pozitif geribesleme denir. Geribeslemeli sistemin genel blok
diyagramı Şekil 3.1’de görülmektedir. Vs giriş sinyali, bir karıştırma devresine uygulanır ve bu arada
βVo geribesleme sinyali ile birleştirilir. Bu sinyallerin farkı olan Vi, daha sonra yükseltece giriş gerilimi
olarak uygulanır. Yükselteç çıkışının bir kısmı, giriş karıştırıcı devresine geribesleme sinyalini
uygulayan geri besleme devresine (β) bağlanır.
Şekil 3.1 Geribeslemeli sistemin genel blok diyagramı
Geribeslemeli sisteme ilişkin transfer fonksiyonu:
Ao
Af =
1 + βAo
(3.1)
Burada Ao , geribeslemesiz kuvvetlendirici devresinin kazancı olup aynı zamanda açık çevrim
kazancı olarak da ifade edilir. Af ise Geribeslemeli kuvvetlendirici devresinin kazancıdır. Transfer
fonksiyonunda yer alan βAo (βAo : Döngü Kazancı) büyüklüğüne bağlı olarak sistemden elde edilen
performans farklılık gösterir.
26
Transfer fonksiyonuna göre eşitliğin paydasındaki βAo terimi incelenecek olursa;
•
•
•
•
βAo = 0 ise sistemde geribesleme yoktur.
βAo > 0 ise sistemde negatif geri besleme vardır.
βAo < 0 ise sistemde pozitif geri besleme vardır.
βAo = -1 ise sistem osilasyon yapar.
Transfer fonksiyonuna göre döngü kazancı 1’den oldukça büyük olması durumunda (βAo>>1)
negatif geribeslemeli kuvvetlendirici devresinin kazancı tümüyle açık çevrim kazancından bağımsızdır.
A
1
βAo >> 1
⇒
(3.2)
Af = o =
βAo β
3.1.1 Pozitif Geribesleme
Af > Ao, transfer fonksiyonundaki paydanın modülü 1’den küçükse pozitif geribesleme söz
konusudur. Pozitif geribesleme bazı özel durumlarda (darbe şekillendiriciler, osilatörler, aktif
süzgeçler) kullanılır. Elde edilen kazanç geribeslemesiz kuvvetlendiriciden elde edilen kazanca göre
yüksektir.
3.1.2 Negatif Geribesleme
Af < Ao, transfer fonksiyonundaki paydanın modülü 1’den büyükse negatif geribesleme söz
konusudur. Negatif geri besleme sistemler üzerinde bazı iyileştirici etkileri olduğundan oldukça sık
karşılaşılan bir uygulamadır. Negatif geri besleme ile elde edilen gerilim kazancı, geribeslemesiz
gerilim kazancına oranla oldukça düşüktür. Ancak bu kazanç kaybına karşılık yüksek bir giriş
empedansı, düşük bir çıkış empedansı, daha kararlı bir kuvvetlendirici kazancı ve daha yüksek bir
kesim frekansı elde etmek mümkündür. Kararlılığın artması ile birlikte aktif devre elemanındaki ısıl
değişimler, zamanla parametrelerdeki değişimler ve gürültülerin etkisi azaltılmış olur. Negatif
geribeslemeli devrelerin iyileştirici etkileri aşağıda özetlenmiştir.
•
•
•
•
•
Daha yüksek giriş empedansı elde edilir. (Uygun bir negatif geribesleme topololojisi ile
sağlanabilir.)
Daha düşük çıkış empedansı elde edilir. (Uygun bir negatif geribesleme topololojisi ile
sağlanabilir.)
Frekans cevabı daha iyidir. Band-genişliği arttığından daha geniş bir frekans alanında girişin
kuvvetlenmesi sağlanır. Geribeslemeli ve geribeslemesiz kuvvetlendiricilerden elde edilen
kazanç-frekans karakteristiği Şekil 3.2’de verilmiştir.
Çıkıştaki distorsiyon ve gürültü etkileri negatif geribesleme ile en aza indirilir. (1+βAo) faktörü
hem giriş gürültüsünü hem de sonuçta ortaya çıkan doğrusal olmayan bozulmayı önemli ölçüde
azaltarak belirgin bir şekilde iyileştirme sağlar. Ancak toplam kazancında azaldığını belirtmek
gerekir. Kazancı geribeslemesiz kazanç düzeyine çıkarmak için ilave katların kullanılması
halinde, bu ilave katın ve/veya katların sisteme, geribesleme yükseltecinin azalttığı kadar
gürültü ekleyebileceği bilinmelidir.
Kararlılık artar. Böylece devreden elde edilen kazanç, ısıl değişimlerden ve zamanla
parametrelerdeki değişimlerden bağımsız hale gelir.
27
Şekil 3.2 Geribeslemeli (Af) ve geribeslemesiz kuvvetlendirici (Ao) kazanç-frekans karakteristiği
3.1.3. Geribesleme Bağlantı Türleri
Geribesleme sinyalini bağlamanın 4 temel yolu vardır. Hem gerilim hem de akım girişe seri ya da
paralel olarak uygulanabilir.
•
•
•
•
Seri-gerilim geribeslemesi
Seri-akım geribeslemesi
Paralel-gerilim geribeslemesi
Paralel-akım geribeslemesi
Buna göre gerilim, geribesleme devresine giriş olarak bağlanan çıkış gerilimini, akım, geribesleme
devresinden akan çıkış akımını göstermektedir. Seri terimi, geri besleme sinyalinin, giriş sinyal gerilimi
ile seri şekilde bağlandığını, paralel terimi ise geri besleme sinyalinin giriş akım kaynağına paralel
bağlandığını gösterir.
3.1.4. Geribeslemenin Giriş ve Çıkış Empedanslarına Etkisi
Seri geribesleme bağlantıları, giriş direncini yükseltme, paralel geribesleme bağlantıları ise giriş
direncini düşürme eğilimi gösterir. Gerilim geribeslemesi çıkış empedansını düşürür, akım
geribeslemesi ise çıkış empedansını yükseltir. Tipik olarak kaskat bağlı yükselteçlerin çoğunda yüksek
giriş ve düşük çıkış empedansı arzu edilir. Geribeslemenin giriş ve çıkış empedanslarına etkisi
aşağıdaki Tablo 3.1’de özetlenmiştir.
Tablo 3.1 Geribesleme Bağlantı Türlerine Göre Giriş Ve Çıkış Empedanslarının Hesaplanması
Zif
Zof
Seri-Gerilim
Geribeslemesi
Seri-Akım
Geribeslemesi
Paralel-Gerilim
Geribeslemesi
Paralel-Akım
Geribeslemesi
Z i (1 + βA)
(artar)
Z i (1 + βA)
(artar)
Zi
1 + βA
(azalır)
Zi
1 + βA
(azalır)
Zo
1 + βA
(azalır)
Z o (1 + βA)
(artar)
Zo
1 + βA
(azalır)
Z o (1 + βA)
(artar)
28
3.2. Deney Öncesi Yapılacaklar
1. BC108 transistörünün katalog bilgilerini inceleyip bacak bağlantılarını ve transistörün DC
şartlardaki önemli parametrelerini öğreniniz.
2. Şekil 3.3’deki geribeslemeli kuvvetlendirici devresinin küçük işaret eşdeğer modelini çiziniz
(Transistörler h-parametreleri ile modellenecektir).
3. Bu devrenin açık çevrim kazancı (Ao), döngü kazancı (βAo) ve geribeslemeli devrenin kazancı (Af)
değerlerini hesaplayınız.
4. Aynı devrenin giriş empedansı (Zi) ve çıkış empedansını (Zo) hesaplayınız.
5. Şekil 3.3’deki devrenin SPICE simulasyonunu yapınız. Frekans analizi ile geribeslemesiz (Rf den
oluşan kol açık devre iken) ve geribeslemeli (Rf = 33k) devrenin genlik BODE diyagramlarını aynı
grafikte üst üste (bunu yapamazsanız ayrı ayrı da olur) çizdiriniz, geribeslemenin kazanca etkisini
gösteriniz.
3.3. Deneyde Yapılacaklar
1. Şekil 3.3’deki devreyi kurunuz. Girişe 10KHz frekansında 20mV genlikli sinüsoidal gerilim
uygulayınız.
2. Geribeslemesiz devrenin kazancını gözleyiniz.
3. Geribesleme devresini ekleyiniz. Rf nin farklı değerleri için ölçtüğünüz kazanç değerlerini Tablo
3.2’ye yazınız. Her bir direnç değeri için döngü kazancını (βA0) hesaplayınız.
4. Geribeslemesiz devre ve geribeslemeli (üç farklı direnç değeri ile) devrelerin alt ve üst frekansını
deneysel yolla belirleyiniz ve Şekil 3.4 ve Şekil 3.5 üzerine çiziniz.
5. Ölçtüğünüz kazanç değerleri ile hesapladığınız değerleri karşılaştırarak tutarlılığını yorumlayınız.
Şekil 3.3 Deney devresi
29
3.4. Deney Sonu Soruları
1. Şekil 3.3’deki devrenin topolojisinden devrenin türünü belirleyiniz.
2. Negatif ve pozitif geribeslemeli devrelerin uygulama alanlarını belirtiniz.
3. Açık çevrim kazancı A=−100, giriş direnci 10kΩ, çıkış direnci 20 kΩ olan kuvvetlendirici
devresine, geribesleme faktörü β=−0.1 olan, seri-gerilim geribeslemesi uygulanmıştır. Buna göre
geribeslemeli kuvvetlendiricinin gerilim kazancını, giriş ve çıkış empedansını hesaplayınız.
4. Açık çevrim kazancı Ao = 1000 ve geribesleme faktörü β=1/10 olan geribeslemeli kuvvetlendirici
devresinin kazancını (Af) bulunuz. Açık çevrim kazancının,
a. Ao = 500’e indiğini varsayalım
b. Ao = 250’ye indiğini varsayalım
Her iki durumda geribeslemeli devrenin kazancını (Af) hesaplayınız. Geribeslemesiz ve geribeslemeli
devrenin kazancındaki yüzde değişim oranlarını hesaplayınız.
30
3.5. DENEY 3 Sonuç Sayfası
Tablo 3.2 Ölçüm sonuçları
Şekil 3.4 Geribeslemesiz devrenin kazanç eğrisi
Şekil 3.5 Geribeslemeli devrelerin kazanç eğrileri
31
DENEY 4: OSİLATÖR DEVRELERİ
Amaç:
Osilatörlerin çalışma mantığı ve osilatör çeşitlerinin öğrenilmesi, Faz Kaymalı RC Osilatör ve Schmitt
Tetikleyicili Karedalga Osilatör uygulamalarının yapılması.
Malzemeler:
Transistör: 1xBC108
Direnç: 5x10kΩ, 1x3.3kΩ, 3x5.6kΩ, 1x6.8kΩ, 3x560Ω, 1x1kΩ POT, 1x10kΩ POT.
Kondansatör: 3x10nF, 1x47nF, 2x100nF, 1x1µF, 1x10µF, 1x47µF.
Entegre: LM324
4.1. Genel Bilgi
DC gerilimi istenilen frekansta işaretlere dönüştüren devrelere osilatör denir. Osilatörler DC
gerilim kaynakları ile beslenirler. Bir osilatör devresi; osilasyonu başlatan rezonans devresi, yükselteç
ve geribesleme katlarından oluşmaktadır. Temel osilatör devrelerinden sinüsoidal çıkış alınır. Fakat
çıkışlarında kare, üçgen v.b dalga biçimleri elde edilebilen osilatör tasarımı da yapılabilir. Osilatörler;
kullanım amaçları ve özelliklerine bağlı olarak çeşitli şekillerde tasarlanabilirler. Osilasyonun
başlamasını sağlayan rezonans devreleri genellikle; R-C veya R-L pasif devre elemanlarından oluşur.
Aşağıda popüler ve yaygın kullanım alanları bulunan bazı osilatör tipleri sıralanmıştır.
• RC Faz kaymalı osilatör
• Wien Köprü osilatör
• Kolpits osilatörü
• Hartley osilatör
• Kristal osilatör
• Schmitt Tetikleyicili Osilatör
Osilatörler, dijital devreler, alıcı ve verici devreleri, anahtarlamalı güç kaynakları gibi yerlerde
çoğunlukla kullanılırlar.
Bir osilatör devresinin oluşturulabilmesi için önce tank devresi (rezonans devresi) ve yükselteç
devresine gereksinim vardır. Ayrıca osilasyonun sürekliliğini sağlamak için yükselteç devresinde
pozitif geribesleme yapılmalıdır. Şekil 4.1’de ortak emetörlü bir yükselteç devresi görülmektedir. Bu
yükselteç devresini geliştirerek bir osilatör devresine dönüştürebiliriz. Ortak emetörlü yükselteç
devresinde; yükselteç girişine uygulanan işaret ile çıkışından alınan işaret arasında 180O faz farkı
olduğunu biliyoruz. Ortak emetörlü yükselteç devresini bir osilatör haline dönüştürmek için; yükselteç
çıkışından alınacak işaretin bir kısmı, pozitif geribesleme ile yükselteç girişine uygulanmalıdır. Bu
osilasyonun sürekliliği için gereklidir.
32
Şekil 4.1 Ortak Emetörlü Yükselteç Devresi
4.1.1. Faz Kaymalı RC Osilatör
Yükselteç çıkış gerilimini; girişe geri besleyerek osilasyon elde edebilmek için, çıkış işaretini 180o
faz kaydırmak gerekmektedir. RC faz kaymalı osilatör devresinin temel prensibi bu koşula
dayanmaktadır. Şekil–4.2’de RC faz kaymalı osilatör devresi verilmiştir. Devre dikkatlice
incelendiğinde çıkış işaretinin bir kısmının RC geri besleme elemanları ile girişe geri besleme yapıldığı
görülmektedir. Her bir RC hücresi; çıkış işaretini 600 faz kaydırmaktadır. Çıkış ile giriş arasında 3 adet
faz kaydırma devresi kullanılmıştır. Dolayısıyla çıkış işaretinin fazı 1800 kaydırılarak girişe pozitif
geribesleme yapılmıştır.
Şekil 4.2 RC faz kaymalı osilatör devresi
Her bir RC devresinin 600 faz kaydırması istenirse R1=R2=Rg ve C1=C2=C3 olarak seçilmelidir.
Rg, ortak emetörlü yükseltecin giriş empedansıdır. Giriş empedansının R1 ve R2'ye eşit olması
gerekmektedir. Bu koşullar sağlandığı zaman, çıkış işaretinin frekansı aşağıdaki formül yardımı ile
bulunur.
f=
1
2
2πC 6R 1 + 4R1R C
(4.1)
33
Osilasyonların genliği, geri besleme oranına ve yükseltecin kazancına bağlıdır. Geri besleme oranı
seri RC devrelerinin toplam empedansına bağlıdır. Bu empedans arttıkça geri besleme oranı düşecek ve
çıkış işaretinin (osilasyonun) genliği azalacaktır.
Şekil 4.3 RC Faz Kaymalı Osilatör Devresi
4.1.2. Schmitt Tetikleyicili Karedalga Osilatör
Dijital devrelerde, dijital devre elemanlarının hepsinin belirlenmiş bir düzen dahilinde çalışması
istenir. Çünkü her devre elemanı görevini zamanın belli bir bölgesinde yapar. Birkaç entegreden oluşan
bir sistemi çalıştırdığımızda sistemin düzgün çalışması ancak bu entegrelerin senkron çalışmasıyla
mümkündür. Bu senkronizasyon osilatör yardımıyla sağlanır. Osilatör ürettiği karedalga işareti düm
dijital devre elemanlarına göndererek senktonizasyonu sağlar.
Bir karedalga işareti üretmenin pek çok yolu vardır. Bunlardan bir tanesi evirici (Schmitt
Tetikleyici) ile yapılan osilatördür. Burdada Schmitt Tetikleyici çok önemlidir çünkü onun yerine
normal bir evirici kullanırsak devre osilasyon yapmayacaktır. Bunun sebebi Schmitt Tetikleyicinin
histerezis özelliğidir.
74HC14 entegresi, içerisinde 6 tane Schmitt özellikli evirici buffer bulunduran Si-gate CMOS bir
entegredir. Schmitt özelliğinden kasdedilen aslında Şekil 4.4’de görülen histerezis özelliğidir.
Şekil 4.4 Schmitt Tetikleyici Histerezis Karakteristiği
34
Bir schmitt tetikleyicinin sabit yüksek (High) ve düşük (Low) gerilim seviyeleri ve bunların
yanısıra yüksek ve düşük eşik seviyeleri vardır. Şekil 4.4’te VT- ile düşük eşik seviyesi, VT+ ile yüksek
eşik seviyesi gösterilmiştir. Giriş işareti Low iken çıkış High seviyededir. Giriş arttırılıp yüksek eşik
seviyesini geçtiği anda çıkış Low’a düşer. Bu anda giriş işareti seviyesi tekrar düşmeye başlarsa çıkış
ancak düşük eşik seviyesinin altında tekrar High seviyeye geçecektir. İşte bu özellik, Schmitt
tetikleyiciyi normal bir eviriciden ayıran histerezis özelliğidir.
Şekil 4.5 Schmitt Tetikleyicili Osilatör Devresi
Başlangıçta yani devreye enerji verildiğinde kondansatörün boş olduğunu varsayalım. A noktası
yani tetikleyicinin girişi “0” V olduğundan çıkış yani B noktası “5” V seviyesindedir. Çıkış High
seviyede olduğundan buradan kondansatöre doğru akan akım kondansatörü direnç üzerinden şarj
etmeye başlar. Kondansatör gerilimi yüksek eşik seviyesi VT+’ye ulaştığında çıkış konum değiştirir ve
Low seviyeye düşer. Çıkış gerilimi “0” V olduğundan bu kez kondansatörden çıkışa doğru bir akım
akar ve kondansatör direnç üzerinden deşarj olmaya başlar. A noktasındaki gerilim VT- düşük eşik
seviyesine ulaştığında çıkış tekrar konum değiştirir ve High seviyeye çıkar. Bu noktadan sonra
kondansatörün VT+ ile VT- arasında sürekli şarj ve deşarj olmasıyla çıkışta karedalga işaret oluşması
sağlanır.
4.1.3. Opamplı Schmitt Osilatör
Şekil 4.6’da Opamp’lı Schmitt Kare Dalga Osilatörü devresi görülmektedir.
Şekil 4.6 Opamplı Schmitt Kare Dalga Osilatörü
35
Bu devrede VA noktası gerilimi,
VA =
VO
R1
R1 + R f
(4.2)
olarak hesaplanır.
Opampın çıkış geriliminin “VO” maksimum V+, minimum V- olabileceği için Schmitt Tetikleyici
histerezis eğrisi Şekil 4.7’deki gibi elde edilir.
Şekil 4.7 Opamp’lı Schmitt Tetikleyici histerezis eğrisi
İlk anda C kondansatörünün boş olduğu düşünülürse VO = V+ olur. Bu durumda VA > 0 dır ve bu
VA gerilimi Schmitt osilatörün pozitif eşik seviyesidir (VT+). Boş olan kondansatör VO gerilimi ve R
direnci üzerinden şarj olmaya başlar. VC > VA olduğunda opamp çıkışı konum değiştirir ve VO = Volur. Bu durumda VA < 0 olmuştur ve VA = -VA dır. Bu kez kondansatör R direnci üzerinden deşarj
olmaya başlar. VC < VA olduğunda çıkış gerilimi yeniden VO = V+ olur ve yukarıdaki olaylar
tekrarlanır. Böylece devre çıkışında bir kare dalga elde edilmiş olur. Kare dalganın frekansı R*C
zaman sabitiyle ayarlanır.
4.1.4.Opamp’lı İntegratör Devresi
İntegral devresi, girişine uygulanan işaretin integralini alır. Eğer giriş işareti kare dalga ise çıkış
üçgendir, giriş üçgen ise çıkışta sinüsoidal işaret elde edilir. Opamp’lı integral alıcı devre Şekil 4.8’de
görülmektedir.
Şekil 4.8 Opamp’lı integratör devresi
36
Şekil 4.8’deki opamplı integratör devresi için akım ve gerilim denklemleri yazılırsa,
I1 = (Vi – VA) / R1 = Vi / R1
(4.3)
T
Vo = (1/Cf)
∫
If dt , If = - I1
(4.4)
0
T
Vo = - (1 / Cf)
∫
I1 dt
(4.5)
(Vi / R1) dt'
(4.6)
0
T
Vo = - (1 / Cf)
∫
0
T
Vo = - [1 / (R1.Cf)]
∫
Vi dt
(4.7)
0
olarak bulunur. Bu denklemden devrenin giriş işaretinin integralini aldığı görülmektedir.
Devrede, giriş ofset geriliminin Opamp’ı doyuma götürmesini engellemek için geribesleme
kondansatörüne paralel Rf direnci bağlanmıştır. Giriş offset gerilimini ve etkilerini gidermek amacıyla
da R2 direnci eklenmiştir.
R2 = R1 // Rf seçilir.
İntegral devresinin çalışabilmesi için aşağıdaki iki şartın yerine gelmesi gerekir.
1. fgiriş ≥ 1/2πRfCf (giriş işaretinin frekansı kritik frekanstan büyük ya da eşit olmalı)
2. Devrenin zaman sabiti (T=RxC) giriş sinyaline eşit ya da yakın bir değerde olmalıdır.
4.2. Deney Öncesi Yapılacaklar
1. BC108C transistörünün katalog bilgilerini inceleyip bacak bağlantılarını ve transistörün DC
şartlardaki önemli parametrelerini öğreniniz.
2. LM324 entegresinin katalog bilgilerini inceleyerek Opamp’lı Schmitt Tetikleyici devresinin, max
çıkış gerilimi (VOH), min çıkış gerilimi (VOL), yüksek eşik gerilimi (VT+) ve düşük eşik gerilimi (VT-)
değerlerini tespit ediniz.
3. Deney devrelerinin spice simülasyonlarını yaparak çıkışlarında osilasyon oluştuğunu gösteriniz.
İzlenecek Yol: Devre başlangıçta osilasyona girmeyip pozitif feedback etkisiyle bir süre sonra
osilasyona girecektir. Bütün bu aşamaları gösterecek şekilde çıkış işaretini gösterin.
4.3. Deneyde Yapılacaklar
4.3.1 RC Osilatör Deneyi
1. Şekil 4.3'deki faz kaymalı osilatör devresini kurunuz. Osilatörün çıkış işaretini gözlemlemek için
gerekli osiloskop bağlantısını yapınız.
2. Osilatör çıkış işaretini (Vç) ölçüp şekil 4.12’ye, A, B, C noktalarındaki işaretleri ölçüp Şekil-4.13'e
ölçekli olarak çiziniz.
37
3.
Çıkış işaretinin tepeden tepeye değerini ve frekansını ölçerek Tablo 4.1’e kaydediniz.
Hesapladığınız osilasyon frekansı ile ölçtüğünüz frekansı Tablo 4.2’ye kaydederek karşılaştırınız.
4. Osilatörün çıkış işareti ile transistörün bazındaki işareti aynı anda osiloskopta gözleyiniz. Bu iki
işaret arasındaki faz farkını Tablo 4.3’e kaydediniz ve yorumlayınız.
4.3.2 Opamplı Schmitt Osilatör Deneyi
1. Şekil 4.9’daki Opamp’lı Schmitt osilatör devresini LM324 entegresi içindeki birinci opampı
kullanarak kurunuz.
Şekil 4.9 Opamp’lı Schmitt Osilatör devresi
2. VO ve VC noktalarındaki dalga şekillerini osiloskop ekranında dual modda izleyerek yorumlayınız.
3. R3 potansiyometresinin değerini değiştirerek çıkış işaretindeki değişimi yorumlayınız.
4. Potansiyometrenin minimum ve maksimum değerleri için elde ettiğiniz çıkış işaretlerini şekil
4.14’e ölçekli olarak kaydediniz.
5. Şekil 4.9’daki karedalga osilatörü ve şekil 4.10’daki opamplı integratör devresini kullanarak şekil
4.11’de blok şeması verilen kare-üçgen-sinüs osilatör devresini board üzerinde kurunuz.
Şekil 4.10 Opamp’lı integratör devresi
38
Şekil 4.11 İntegratörlü üçgen ve sinüs üreteci
6. Her katın çıkışını ayrı ayrı ve osiloskobun dual modunda birlikte inceleyerek üç farklı çıkışı şekil
4.15’e ölçekli olarak çiziniz.
7. İntegratör devresinin çalışabilmesi için gerekli iki şartın yerine getirilip getirilmediğini gerekli
hesaplamaları ve ölçümleri yaparak gösteriniz.
4.4.Deney Sonu Soruları
1. RC Osilatör devresinin osilasyona başlaması için çıkış ve geri beslenen giriş işaretleri arasındaki faz
farkı nasıl sağlanmıştır? Açıklayınız.
2. RC Osilatörün çalışmasına RE direncinin etkisini belirtiniz? RE direncinin değişimi osilatör çıkış
işaretinde ne gibi değişimler sağlar? Açıklayınız.
3. Şekil 5.5’de görülen Schmitt Tetikleyicili Karedalga Osilatörü devresinin çıkış işaretinde duty
cycle’ın % 50 olamamasının nedenlerini açıklayınız.
4. Schmitt Tetikleyicili Karedalga Osilatörü devresini gerçeklerken Schmitt Tetikleyici yerine normal
bir evirici kullanıldığında osilasyon yapmamasının sebebini açıklayınız.
5. Şekil 4.14’te blok şeması verilen sistemin çıkışına bir integral alıcı devre daha eklenirse nasıl bir
çıkış elde edilir yorumlayınız.
6. RC osilatör devresi çıkışındaki sinüsoidal işaretten üçgen ve kare dalga elde etmek için bir sistem
tasarlayınız. Tasarladığınız sisteme ait blok şemayı (şekil 4.14’deki gibi) ve devre topolojisini çiziniz.
39
4.5. DENEY 4 Sonuç Sayfası
Şekil 4.12 Osilatör çıkış işareti
Şekil 4.13 A, B, C noktalarındaki işaretler
Tablo 4.1 Çıkış işaretinin tepeden tepeye değerini ve frekansı
Vp-p (V)
f (Hz)
RC Osilatör
Tablo 4.2 Hesaplanan osilasyon frekansı ile ölçülen osilasyon frekansının karşılaştırılması
Hesap
Ölçüm
RC Osilatör
f(Khz)
Tablo 4.3 Osilatörün çıkış işareti ve transistörün bazındaki işaret arasındaki faz farkı
φ (giriş-çıkış)
RC Osilatör
40
Şekil 4.14 Schmitt osilatörden elde edilen minimum ve maksimum çıkış frekansları
fmin = …………………..
fmax = …………………..
Şekil 4.15 Schmitt osilatör ile kare-üçgen-sinüs osilatör sonuçları
41
ÖNEMLİ KATALOGLAR
1. BC 237
42
2. LM 324Bacak Bağlantıları
43
3. BD 135
44
4. BD 136
45
5. BC 108
46