kocaeli üniversitesi teknik eğitim fakültesi elektrik

KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ
TEKNİK EĞİTİM FAKÜLTESİ
ELEKTRİK ÖĞRETMENLİĞİ
4. SINIF
ELK 435
ENDÜSTRİYEL ELEKTRONİK
LABORATUAR UYGULAMALARI
HAZIRLAYANLAR
Doç.Dr. Engin ÖZDEMİR
Arş.Gör. Mehmet UÇAR
EKİM 2009
İÇİNDEKİLER
Deneysel Çalışma 1: İşlemsel yükselteçleri (op-amp) tanımak ve önemli parametrelerini
incelemek. 747 op-amp’ını kullanarak, giriş ofset gerilimini ve giriş polarlama akımını
ölçmek.
(Sayfa: 2)
Deneysel Çalışma 2: Op-amp uygulaması olarak eviren yükselteci (inverting amplifier)
incelemek.
(Sayfa: 10)
Deneysel Çalışma 3: Op-amp uygulaması olarak evirmeyen yükselteci (non-inverting
amplifier) incelemek.
(Sayfa: 14)
Deneysel Çalışma 4: Op-amp uygulaması olarak gerilim izleyici (voltage follower)
devresini incelemek.
(Sayfa: 18)
Deneysel Çalışma 5: Op-amp uygulaması olarak toplar yükselteci (summing amplifier)
incelemek.
(Sayfa: 20)
Deneysel Çalışma 6: Op-amp uygulaması olarak çıkartma yapan devreyi (difference
amplifier) incelemek.
(Sayfa: 22)
Deneysel Çalışma 7: Op-amp uygulaması olarak türevleyici (differentiator) devresini
incelemek.
(Sayfa: 25)
Deneysel Çalışma 8: Op-amp uygulaması olarak integratör devresini incelemek.
(Sayfa: 32)
Deneysel Çalışma 9: Kıyaslayıcı (comparator) devresini incelemek.
(Sayfa: 35)
Deneysel Çalışma 10: PWM üretici SG3524 ile Buck (azaltan) çevirici devresini incelemek.
(Sayfa: 39)
Deneysel Çalışma 11: Op-amp kullanarak hassas tam dalga doğrultmaç yapmak.
(Sayfa: 42)
Deneysel Çalışma 12: Op-amp kullanarak gerilim regülatörü yapmak ve çalışmasını
incelemek.
(Sayfa: 45)
1
DENEYSEL ÇALIŞMA
----- 1 ----KONU:
İşlemsel yükselteçleri (operational amplifier) tanımak ve önemli parametrelerini incelemek.
747 op-amp’ını kullanarak, giriş ofset gerilimi ve giriş polarlama akımını ölçmek.
ÖN BİLGİ:
İşlemsel yükselteçle (kısaca op-amp) 1940’lı yıllardan beri bilinmekle beraber, asıl yaygın
kullanım alanına 1960’lı yılların sonlarına doğru, tümleşik devre teknolojisi ile üretilmeye
başlandığı zaman kavuşmuştur. Bugün artık op-amp denildiğinde tümleşik devre durumunda
olanlar akla gelir.
Genel olarak op-amp, çok yüksek kazançlı bir DC yükselteçtir. Çeşitli özellikleri, devreye
dışarıdan bağlanan devre elemanları ve bunların bağladığı geri besleme ile kontrol altına
alınabilir. Op-amp devresi tek başına düşünüldüğünde 5 önemli özelliğe sahiptir. Bunlar:
-
Kazancı çok fazladır (örneğin 200.000)
-
Giriş empedansı çok yüksektir (5 Mohm)
-
Çıkış empedansı sıfıra yakındır
-
Band genişliği fazladır (1 MHz gibi)
-
Girişe 0V uygulandığında çıkışta yaklaşık 0V elde edilir.
Op-amp devresinin iki tür sembolik gösterilişi vardır. Bunlar Şekil 1.1’de çizilmişlerdir.
Genellikle kullanılan sembol Şekil 1.1(a)’dekidir.
Şekil 1.1
Op-amp devrelerinde, genel olarak, birbirine ters polaritede iki kaynak kullanılır. Bu
kaynaklar devre şemalarında her zaman gösterilmezler. Daha ziyade girişler ve çıkış
belirtilir.
2
Şekil 1.1’de de görüldüğü gibi op-amp devresinin biri (+) diğeri (-) ile işaretlenmiş 2 girişi
vardır. (+) girişe uygulanan işaret çıkışa aynı fazda; (-) girişe uygulanan işaret ise 180 derece
ters fazda aktarılır.
İki girişe birden uygulanan aynı işaret çıkışa aktarılmaz. (-) giriş “eviren (inverting)’’, (+)
giriş ise “evirmeyen (non-inverting)” giriş olarak isimlendirilmiştir. Devre özellikleri giriş
ucu olarak hangi ucun kullanıldığına ve çıkıştan girişe yapılan geri belsem miktarına
bağlıdır. Şekil 1.2(a)’da giriş ucu olarak (+) uç kullanılmıştır. Bu devreye “evirmeyen
yükselteç” denilir. Şekil 1.2(b)’de ise giriş (-) uçtan yapılmıştır ve devre “eviren yükselteç”
olarak bilinir. Her iki yükselteç de ileriki denetlerde ayrıntılı olarak incelenecektir. Burada
yükselteç kazançlarının farklı olduğuna dikkat çekilmekle yetinilecektir.
Şekil 1.2
Bu deneyde op-amp devresinin önemli parametrelerini üzerinde çalışma yapılacaktır. Bu
parametrelerden aşağıda kısa kısa söz edilmiştir. Deney sırasında sadece bazı parametrelerin
ölçümü yapılacak, diğerlerinin ise, ölçüm zorlukları nedeniyle ölçümleri yapılmayacaktır.
Giriş Ofset Gerilimi (Vio): Op-amp’ın (+) ve (-) girişler arasında ideal olarak “0” volt
olması gerekir. Ancak pratikte giriş uçlarının bağlı oldukları transistörlerin tam uyum içinde
olmamaları nedeniyle giriş uçları arasında, çok küçük de olsa, bir ofset gerilimi oluşur.Bu
gerilim op-amp kazancı ile çarpılarak çıkışına aktarılır ve çıkışı V0 çıkış ofset gerilimi
meydana gelir.V0 gerilimi devrenin kazancına bağlı olmasına rağmen Vi0 gerilimi sabittir.
V0 ölçüldüğünde, Vi0 giriş ofset gerilimi,
V0 = Vi 0 (1 +
R2
)
R1
Formülünden bulunur. Bu formül, op-amp devresinin eviren veya evirmeyen yükselteç
olarak çalışmasına bağlı değildir. Her iki durum için de geçerlidir. (Şekil 1.2’ye bakınız).
3
Op-amp devresinin kazancı yüksek tutulduğunda (R2/R1 oranı büyük seçilerek) çıkışta
oluşturulacak ofset gerilimi istenmeyen boyutlarda olabilir. Bu nedenle op-amp’ların
çoğunda dılarıdan ofset sıfırlama uçları bulunur. Bu uçlar arasında Şekil 1.3’deki gibi
bağlanacak bir potansiyometre ile çıkış ofset gerilimini sıfırlamak mümkündür. Sıcaklığın
giriş ofset gerilimi üzerinde etkisi vardır. Transistör tekniği ile imal edilen op-amp’larda her
bir santigrad derece sıcaklık artışında ofset gerilimi 5-10 uV gösterilir.
Giriş polarlama akımı (Ib): Her iki girişten op-amp devresine akan akımların ortalama
değeridir. Vi0 gerilimi gibi çıkışta istenmeyen DC seviye oluşumuna yol açar. Şekil 1.3’teki
devrede Vgr 0 iken akım yönleri görülüyor. Burada;
Şekil 1.3
I b = I 1 + I 2 olmaktadır. I b =
Vb Vçk − Vb
+
olur. Vb’nin çok küçük olduğu göz önüne
R1
R2
alınırsa; Vçk = I b R2 olur. Şu halde polarma akımının çıkış ofset gerilimine olan katkısı bu
şekilde bulunabilir. Giriş polarma akımının çıkışa yol açacağı ofset gerilimi oluşumunu
minimum düzeye indirmek için Şekil 1.4(a) ve (b)’deki yöntemler kullanılabilir.
Rp =
R1R 2
R1 + R 2
Şekil 1.4
Giriş ofset akımı ( Ii0 ): Vçk=0V olduğunda her iki giriş polarma akımı arasındaki farktır ve
çıkışa, Vçk = R2 I i 0 kadar ilave bir ofset geriliminin oluşmasına yol açar.
4
Giriş empedansı ( Zi ): Girişlerden birinden bakıldığında (diğeri topraklanmış durumda
iken) görülen empedanstır. Çok yüksektir.
Çıkış empedansı ( Z0 ): Çıkıştan bakıldığında görülen empedanstır. Oldukça düşüktür.
Çıkış kısa devre akımı ( Iosc ): Op-amp devresinden çekilebilecek maksimum akımdır.
Geri besleme yok iken gerilim kazancı (Avo): Op-amp devresine dışardan her hangi bir
geri besleme sağlanmadığı zaman ki çıkış geriliminin giriş gerilimine oranıdır.
Ortak mod tepki oranı (common mode rejection ratio-CMRR): Op-amp devresinin, her
iki girişine de ortak olan işareti kabul etmeme özelliğidir. Her iki girişe aynı anda uygulanan
işaretin, çıkış işaretine oranına (dB cinsinden ) eşittir.
Kanal ayırımı: Bazı tümleşik op-amp devrelerinde birden fazla op-amp bir arada
bulunabilir. Örneğin deneylerde kullanılacak 747 nolu op-amp bünyesinde iki adet
birbirinden bağımsız op-amp vardır. Bu tür op-amp devrelerinde,op-amplardan birinin
girişine uygulanan işaret, diğerinin çıkışında çok küçükte olsa bir işaret oluşturur. Bu işaret
ne kadar küçük ise kanal ayrımı o kadar iyidir. Genellikle dB cinsinden oran ifadesi
kullanılır.
Slew rate: Op-amp’ın band genişliği ile ilgili parametredir. Bu parametre V/µsn cinsinden
ifade edilir. Op-amp’ın ne kadar çabuk durum değiştireceği hakkında bilgi verir. Bu değer
ne kadar büyük ise op-amp o kadar geniş bandlıdır ve girişine uygulanan çabuk değişen
işaretleri bozmadan yükselterek çıkışa aktarır.
Örnek olarak söz konusu parametrelerin 747 op-amp’ı için tipik değerleri Tablo 1.1’de
verilmiştir. İnceleyiniz.
Tablo 1.1
Vi 0
IB
Ii0
Zi
Z0
I osc
Avo
CMRR
1mV
30nA
70nA
2MΩ
75Ω
25mA
200.000
90dB
Kanal
ayrımı
120dB
Slow rate
0,5V/msn
Ön bilgi bölümünün başlarında op-amp devresine dışarıdan geri besleme sağlamak suretiyle
devrenin özelliklerini kontrol altına alma olanağı olduğu belirtilmişti. Şekil 1.5’te op-amp
devresinin çıkışından (-) girişe R2 direni ile geri besleme yapılmıştır. Bu durumda devrenin
kazancı artık Avo değildir. Yeni kazanç, Av=R2/R1
5
Şekil 1.5
Şeklinde formüle edilir. R2 ve R1 direnç oranını ayarlamak suretiyle kazanç kontrol altına
alınır. Av daima Avo 'dan küçüktür. Örneğin, R2 = 1 M, R1 = 10 K ise Av = 100 olur.
Avo~200.000 sayısı yanında bu değer oldukça küçük kalmaktadır. Bu konuya ileriki
deneylerde daha etraflıca değinilecektir.
Burada üzerinde durulması gereken bir diğer önemli nokta da op-amp devresinin DC ve
DC’ye yakın frekanslarda yüksek kazanç göstermesidir. Avo~ 200.000 sayısı sadece DC ve
çok düşük frekanslardaki işaret uygulamaları için geçerlidir. Op-amp devresine uygulanan
işaretin frekansı yükseldikçe Avo düşer. Şekil 1.6’da bu durum 741 op-amp'ı için grafiksel
olarak izah edilmiştir. Dikkat edilecek olursa;
Şekil 1.6
Kazanç x Band Genişliği = Sabit olmaktadır. Bu sabite 1 MHz dir. Yine Şekil 1.6’dan
hemen görüleceği gibi, 5–6 Hz'e kadar Avo 200.000 civarındadır. Bu frekanstan sonra hemen
hemen doğrusal bir şekilde azalmakta ve 1 MHz civarında Avo=1 olmaktadır. Bu frekans fT
ile gösterilir ve “1 kazanç frekansı” olarak tanımlanır.
Deneylerde 747 op-amp tümleşik devresi kullanılacaktır. Bu devrenin yapısında 2 adet
birbirinden bağımsız op-amp vardır. Şekil 1.7’de 747 op-amp tümleşik devresinin bacak
tanımlaması görülmektedir.
6
Şekil 1.7
Şekil 1.8
741 op-amp devresi deneylerimizde kullanılmamakla beraber çok sık olarak rastlanır. Bu
nedenle Şekil 1.8’deki bu devrenin bacak tanımlaması da verilmiştir. 747 op-amp
devresindeki her op-amp’ın özellikleri Tablo 1.2’de verilmiştir, inceleyiniz.
Tablo 1.2
Parametre
Giriş Ofset Gerilimi
Giriş Ofset Akımı
Giriş Polarma Akımı
CMRR
Belseme Akımı
Çıkış Kısa Devre Akımı
Giriş Empedansı
Çıkış Empedansı
Kanal Ayrımı
Slew Rate
Güç Harcaması
Geri Beslemesiz Gerilim
Kazancı
Koşullar Minimum Tipik
1
7.
0,03
70
90
2
25
0,3
2
7,5
120
Ry>=2K
0,5
50
Ry>=2K 2500
Maksimum
7,5
300
0,8
3,3
85
Birim
mV
nA
µA
dB
mA
mA
MΩ
Ω
dB
V/µsn
mW
2.105
ÖN ÇALIŞMA:
1. Şekil 1.9’daki devrede Vo=100 mV olduğuna göre giriş ofset gerilimini nasıl
hesaplarsınız? ( I b = 0,1 µ A Ii0 = 0,02 µ A varsayılacaktır.)
2. Şekil 1.10’daki devrede VA = 20 mV VB = 15 mV ölçülüyor. Giriş ofset akımını
hesaplayınız. (Vo=0 V)
7
Şekil 1.9
Şekil 1.10
DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLAR:
2 adet 10 K direnç
1 adet 470 K direnç
Yeteri kadar kısa devre elemanı
1 adet 747 tümleşik op-amp devresi
1 adet sayısal multimetre
DENEY:
1. Deneyi Şekil 1.11’deki gibi kurunuz.
2. (+) ve (-) besleme kaynaklarını ± 12 V ayarlayınız. Her ikisini aynı anda devrenize
uygulayınız.
3. Sayısal multimetreyi mV düzeyinde gerilim ölçmeye hazırlayınız.
a). Vo çıkış gerilimini ölçüp not ediniz.
b). Ölçtüğünüz bu gerilim çıkış ofset gerilimidir. Bu gerilimi oluşturan ana 3 faktörü
yazınız.
4. Besleme gerilimlerini devreden kesip op-amp’ın iki nolu ucu ile toprak arasına R3=10K
direnç yerleştiriniz. Bu direncin konulma amacı nedir? Açıklayınız?
5. Yaptığınız değişiklikten sonra besleme gerilimlerini tekrar devrenize uygulayınız.
6. Sayısal multimetre ile
a). Vo gerilimini ölçüp not ediniz.
b). Bu değer öncekine kıyasla küçüldü mü? Niçin? Çıkış ofset gerilimi oluşturan
faktörlerden hangisi etkisizleştirilmiştir.
c). Polarma akımının ortalama değeri yaklaşık olarak hesaplayınız?
8
7. Besleme gerilimlerini kesiniz ve devreyi Şekil 1.12’deki duruma getiriniz. P
potansiyometresi başlangıçta orta konumda olmalıdır. Devrede yapılan bu değişliğin amacı
nedir?
8. Yaptığınız değişiklikten sonra devrenize gerilim uygulayınız.
9. P potansiyometresi ile oynamak sureti ile Vo ~ 0 mV yapınız.
a) Va ve Vb gerilimlerini ölçüp not ediniz.
b)
Va
V
ve b değerleri neyi verir. Buna göre Iio akımı yaklaşık ne kadardır.
R1
R3
c) Bu durumda Iio akımından dolayı çıkışta oluşan ofset gerilimini hesaplayabilir misiniz?
d) Ib ve Iio akımlarından dolayı çıkışta meydana gelen ofset gerilimleri bilindiğine göre
giriş ofset gerilimlerinden kaynaklanan çıkış ofset gerilimlerini bulunuz.
e) Bu durumda giriş ofset gerilimi ne kadardır?
f) Bulduğunuz Ib, Iio ve Vio değerlerini Tablo 1.2’de verilenlerle karşılaştırınız?
Bulduğunuz sonuçlar normal mi?
Şekil 1.11
Şekil 1.12
9
DENEYSEL ÇALIŞMA
----- 2 ----KONU:
Op-amp uygulaması olarak eviren yükselteci (inverting amplifier) incelemek.
ÖN BİLGİ:
Şekil 2.1’de, op-amp devresinin eviren yükselteç olarak kullanımı görülüyor. Burada işaret
(-) girişe uygulanmıştır. R1 giriş direnci, R2 geri besleme direncidir. Op-amp devresinin
özelliğinden dolayı X noktasındaki gerilim 0 volta yakındır. Vgr=Igr.R1 yazılabilir. Benzer
şekilde Vçk = -If.V2 olur.
If = Igr olduğundan Vçk = − I gr R2 = −(
V gr
R1
) R2 Av =
Vçk
V gr
=−
R2
olur.
R1
Şu halde eviren yükseltecin gerilim kazancı –R2/R1 oranına eşit olmaktadır. İfadenin
önündeki (-) işareti eviren yükseltecin giriş ve çıkışı arasında 180° faz farkı olduğunu
göstermektedir. Eviren yükseltecin giriş empedansı R1 direnç değerine eşittir. Çıkış
empedansı ise çok küçüktür ve Av ile ters orantılıdır. R2 = R1 olarak seçildiğinde devrenin
kazancı 1 olur. Böyle bir devre genellikle bir işaretin polaritesini değiştirilmek istendiğinde
kullanılır.
Şekil 2.1
R2 direnç değerini değiştirmek suretiyle, Şekil 2.1’de görüldüğü gibi kazancı kontrol
edilebilir bir yükselteç oluşturulabilir. K komütatörünün bulunduğu konuma göre devre
kazancı değişik değerler alacaktır. Daha önceki deneyde op-amp geri beslemesiz olarak
kullanıldığında kazancın DC ve DC’ye yakın frekanslarda çok yüksek olduğu, frekans
artıkça kazancın 1’e yaklaştığı belirtilmişti. Bu durum Şekil 2.2’de yinelenmiştir.
10
Şekil 2.2
Genellikle op-amp devrelerinin Av (Geri besleme varken ki kazanç) gerilim kazançlarının
ne olması gerektiği şu şekilde belirlenir. İstenilen band genişliğinde Avo’un değeri (Şekil
2.2’den yada benzer grafiklerden) bulunur. Emniyet payı düşünülerek Av=Avo/10 olarak
saptanır.
Örneğin band genişliğinin 10 KHz olması isteniyorsa (741 veya 747 op-amp kullanarak)
Şekil 2.2’den Avo=100 bulunur. Buna göre Av=100/10=10 olur. Şu halde 741 (veya 747)
kullanılarak 10 KHz band genişlikli bir yükselteç yapılacak ise, bu yükseltecin gerilim
kazancı 10 olacak şekilde R1 ve R2 dirençleri seçilmelidir. Kazanç daha büyük olacak
şekilde yapılacak R1 ve R2 seçimi bandı daraltacaktır.
ÖN ÇALIŞMA:
1. Şekil 2.3’deki devrenin DC gerilim kazancı R2=10K, R2=33K, R2=100K değerleri için
ayrı ayrı bulunuz.
2. Şekil 2.4’deki devrenin kazancını ve band genişliğini hesaplayınız.
Şekil 2.3
Şekil 2.4
DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELAMANI VE CİHAZLAR:
2 adet 10 K direnç
1 adet 33 K direnç
11
1 adet 100 K direnç
1 adet 747 op-amp
1 adet işaret üretici
1 adet osiloskop
Yeterince kısa devre elemanı
DENEY:
1. Devreyi Şekil 2.5’deki gibi kurunuz. R2=10K olacaktır.
2. Güç kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sıra ile +12 volta ve -12 volta ayarlayınız.
3. ±12 besleme gerilimlerini devreye uygulayınız.
4. İşaret üreteci çıkışını, Frekans 1 KHz, Genliği 1 V(t-t) olan bir sinüsoidal dalgaya
ayarlayınız.
5. Osiloskobunuzun A kanalına giriş işaretini, B kanalına da çıkış işaretini uygulayınız. Her
iki kanalı da, frekansı 1 KHz genliği 2 Volt olabilecek bir işareti en iyi şekilde
görüntüleyebilecek biçimde ayarlayınız (B kanalı için daha sonra yeniden ayarlama yapmak
gerekebilir).
6. İşaret üreteci çıkışını devre girişine uygulayınız.
a). Vçk ve Vgr işaretlerini osiloskop ekranında bir arada gözleyiniz. Aralarında faz farkı var
mı? Ne kadar?
b). Devrenin gerilim kazancını bulup, Tablo 2.1'de ilgili haneye not ediniz.
Tablo 2.l
R2(K)
10
33
100
Av
7. R2 direncini 33 K yapınız. Devrenin gerilim kazancı, bu durumda ne kadar oluyor?
Tablo 2.1’de ilgili haneye yazınız.
8. R2 direncini 100 K yapınız. Devrenin gerilim kazancını bulup, Tablo 2.1’de ilgili haneye
yazınız.
12
9. Tablo 2.1' in incelenmesi sonucu:
a). Av =
R2
oluyor mu ?
R1
b). Deneysel olarak bulduğunuz sonuçları ön çalışma 1’deki bulduklarınız ile karşılaştırınız.
10. R1 = 10 K R2 = 100 K iken, işaret üretecinin frekansının yavaş yavaş artırınız.
Çıkış işaretinin genliği, hangi frekansta 1 KHz'deki genlik değerinin üçte ikisine iniyor? Bu
değeri (yükseltecin band genişliği) not ediniz ve ön çalışma 2’de bulduğunuz sonuç ile
karşılaştırınız. Farklılık varmı? niçin?
11. R1 = 10 K R2 = 33K yapınız. İşaret üreteci frekansını 1 KHz’e ayarlayınız. Sonra
frekansı yavaş yavaş artırınız.
a) Bu durum için, devrenin band genişiğini belirleyiniz.
b) Önceki işlemde bulduğunuz (Av=10) band genişliği ile bu işlemde bulduğunuz (Av=3.3)
band
genişliğini karşılaştırınız. Gerilim kazancının miktarı band genişliğini etkiliyor mu?
Nasıl ve ne ölçüde?
Şekil 2.5
13
DENEYSEL ÇALIŞMA
----- 3 ----KONU:
Op-amp uygulaması olarak evirmeyen yükselteci (non-inverting amplifier) incelemek.
ÖN BİLGİ:
Şekil 3.l'de, op-amp devresinin evirmeyen yükselteç olarak kullanılması görülüyor. Burada
işaret (+) girişe uygulanmıştır. Giriş ile çıkış işaretleri aynı fazdadırlar. Devrenin gerilim
kazancı Av =
Vçk
V gr
= (1 +
R2
) olarak ifade edilebilir. Bu bağlantıda çıkış empedansı oldukça
R1
yüksektir. Şekli 3.1’deki devrenin bir diğer çizilmiş şekli de Şekil 3.2’de gösterilmiştir. Her
iki devrenin de birbirinin aynı dikkat ediniz.
Şekli 3.1
Şekil 3.2
Evirmeyen yükselteç daha önceden incelenen eviren yükselteç arasındaki belli başlı farklar
şunlardır:
-
Evirmeyen yükselteçte giriş ve çıkış işaretleri aynı fazdadır. Eviren yükselteçte ise
arlarında 180° faz farkı vardır.
-
Evirmeyen yükseltecin giriş empedansı op-amp giriş empedansına eşit olup çok
yüksektir. Eviren yükseltecin giriş empedansı ise R1 kadardır.
-
Evirmeyen yükseltecin kazancı, eviren yükseltecinkinden daima 1 fazladır, daima da
1’den büyüktür.
Çıkış empedansı, band genişliği gibi diğer özellikler bakımında aralarında fazla fark yoktur.
ÖN ÇALIŞMA:
1. Şekil 3.3’deki devrenin gerilim kazancı, R2=10K, R2=33K, R2=100K değerleri için ayrı
ayrı bulunuz.
2. Şekil 3.4'deki devrenin band genişliğini, yaklaşık olarak, hesaplayınız.
14
Şekil 3.3
Şekil 3.4
DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLAR:
2 adet 10 K direnç
1 adet 33 K direnç
1 adet 100 K direnç
Yeterince kısa devre elemanı
1 adet 747 op-amp
1 adet işaret üreteci
1 adet osiloskop.
DENEY:
1. Devreyi Şekil 3.5'deki gibi kurunuz. R2=10 K olacaktır.
2. Giriş kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sırasıyla +12 volta ve -12 volta ayarlayınız.
3. +12 volt besleme gerilimlerini devreye uygulayınız.
4. İşaret üretecinin çıkışını, Frekansı 1 KHz, Genliği 1V(t-t) olan bir sinüssoidal işarete
ayarlayınız.
5. Osiloskobunuzun A kanalına giriş işaretini, B kanalına da çıkış işaretini uygulayınız.Her
iki kanalı da, frekansı 1 KHz genliği 1 volt olabilecek bir işareti en iyi şekilde
görüntüleyebilecek biçimde ayarlayınız. (B kanalı için daha sonra yeniden ayarlama yapmak
gerekebilir).
6. İşaret üretici çıkışı devre girişine uygulayınız.
15
a). Vgr ve Vçk işaretlerini
osiloskop ekranında bir arada gözleyiniz. Aralarında
faz
farkı var mı?
b). Devrenin gerilim kazancını bulup Tablo 3.l'de ilgili haneye not ediniz.
7. R2 direncini 33K yapınız. Devrenin gerilim kazancı, bu durumda ne kadar oluyor? Tablo
3.1’de ilgili haneye yazınız.
Tablo 3.1
R2(K)
10
33
100
Av
8. R2 direncinin değerini 100K yapınız. Devrenin gerilim kazancını bulup, Tablo 3.1’de
ilgili haneye yazınız.
9. Tablo 3.1’deki sonuçlara göre;
a). Av = 1 +
R2
oluyor mu?
R1
b). Deneysel olarak bulduğunuz sonuçları ön çalışma 1’deki bulduklarınız ile karşılaştırınız.
10. Eviren yükselteç için bulduğunuz sonuçları hatırlayarak. Evirmeyen yükselteç
kazancının aynı şartlar altında, eviren yükselteç kazancından daima 1 fazla olduğunu
gözlediniz mi?
11. R1= 10K ve R2= 100K iken, işaret üretecinin frekansını yavaş yavaş artırınız. Çıkış
işareti, hangi frekans değerinde 1 KHz'deki genliğinin üçte ikisine iniyor? Bu değeri not
ediniz ve ön çalışma 2’de bulduğunuz sonuç ile karşılaştırınız. Farklılık var mı? Niçin?
12. Eviren yükselteç için bulduğunuz sonucu hatırlayınız. Eviren ve evirmeyen
yükselteçlerin, yaklaşık aynı gerilim kazançlarında, benzer band genişliğine sahip
olduklarını gözlemlediniz mi?
16
Şekil 3.5
17
DENEYSEL ÇALIŞMA
----- 4 ----KONU:
Op-amp uygulaması olarak gerilim izleyici (Voltage follower) sini incelemek.
ÖN BİLGİ:
Gerilim izleyici devresi, isminden de anlaşılacağı gibi, gerilim kazancının 1 ve giriş-çıkış
işaretlerinin aynı fazda olduğu bir yükselteçtir. Bu özellikler, kazancı 1 olan evirmeyen
yükselteç ile sağlanabilir. Böyle bir devre Şekil 4.1’de görülmektedir.Bu devrenin kazancı 1
olduğu için band genişliği de oldukça yüksektir, empedansı büyük, çıkış empedansı ise
çok küçüktür.
Şekil 4.1
ÖN ÇALIŞMA:
1. 747 op-amp'ı kullanılarak yapılan bir gerilim izleyici devresinin band genişliğini
hesaplayınız.
2. Daha önceki deneylerde incelenen transistor devrelerinden emiter izleyici devresi ile op-
amp’lı gerilim izleyici devresini karşılaştırıp benzerlikleri sıralayınız.
DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CIHAZLAR:
1 adet 74 7 op-amp
1 adet işaret üreteci
1 adet osiloskop.
DENEY:
1. Devreyi Şekil 4.2’deki gibi kurunuz.
2. Güç kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sırasıyla +12 volta ve -12 volta ayarlayınız.
18
3. ±12 volt besleme gerilimlerini devreye uygulayınız.
4. İşaret çıkışını, Frekansı 1 KHz, Genliği 1 V(t-t) olan bir sinusoidal dalgaya ayarlayınız
5. Osiloskobunuzun A kanalına giriş işaretini, B kanalına da çıkış işaretini uygulayınız. Her
iki kanalı da, frekansını 1 KHz genliğini 1 volt olabilecek bir işareti en iyi şekilde görülecek
biçimde ayarlayınız.
6. İşaret üretici çıkışını devre girişine uygulayınız. Vgr ve Vçk işaretlerini osiloskop
ekranında bir arada gözleyiniz. İşaretler her bakımdan birbirinin aynısı mı?
7. İşaret üretecinin frekansını yavaş yavaş artırınız. Çıkış işaretinin genliği hangi frekans
değerinde 1 KHz'dekinin üçte ikisine iniyor? Bu değeri not ediniz ve daha önceki deneylerde
bulunan çeşitli op-amp devrelerine ait band genişlikleri ile karşılaştırınız.
Şekil 4.2
19
DENEYSEL ÇALIŞMA
----- 5 ----KONU:
Op-amp uygulaması olarak ‘toplar yükselteci’ (summing amplifier) incelemek.
ÖN BİLGİ:
Şekil 5.1’de, op-amp devresinin toplar yükselteç olarak kullanımı görülmektedir. Burada
op-amp eviren yükselteç olarak çalışmakta olup çıkış:
Vçk = (
Rf
R1
V gr1 +
Rf
R2
V gr 2 ) olarak yazılabilir.
Rf=R1=R2 seçilirse Vçk = V gr1 + V gr 2 olur. Burada (-) işaret op-amp'ın eviren yükselteç
olarak çalışmasından kaynaklanmaktadır.
Şekil 5.1
ÖN ÇALIŞMA:
1. Şekil 5.2’deki devrenin çıkışında kaç volt gözleriz. Hesaplayınız.
2. Aynı soruyu Şekil 5.3'deki devre için de cevaplayınız.
Şekil 5.2
Şekil 5.3
20
DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLAR:
1 adet 1 K direnç
1 adet 2,2 K direnç
3 adet 10 K direnç
2 adet 33 K direnç
Yeterince kasa devre elemanı
1 adet 747 op-amp
1 adet sayısal multimetre.
DENEY:
1. Devreyi Şekil 5.4'deki gibi kurunuz.
2. Güç kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sırasıyla,+12 volta ve -12 volta ayarlayınız.
3. ±12 volt besleme gerilimlerini devreye uygulayınız. Sayısal multimetre kullanarak;
a) V gr1 , V gr 2 , Vçk gerilimlerini not ediniz. Vçk = V gr1 + V gr 2 oluyor mu?
b) Bulduğunuz sonucu, ön çalışma 1'de bulduğunuz sonuç ile karşılaştırınız.
4. Rf = 33 K yapınız. Sayısal multimetre kullanarak;
a) V gr1 , V gr 2 , Vçk gerilimlerini ölçüp not ediniz. Vçk = V gr1 + V gr 2 eşitliği hala geçerli mi?
Değil ise niçin? Açıklayınız.
b) Bulduğunuz sonucu, ön çalışma 2'de bulduğunuz sonuç ile karşılaştırınız.
Şekil 5.4
21
DENEYSEL ÇALIŞMA
----- 6 ----KONU:
Op-amp uygulaması olarak çıkartma yapan devreyi (difference amplifier) incelemek.
ÖN BİLGİ:
Şekil 6.1’de op-amp devresinin çıkartma işlemini nasıl yaptığına ait devre görülmektedir.
Devrede superpozisyon teoremi uygulandığında; Vgr1 'den dolayı
V ı çk = −
Rf
R1
V gr1 olur. V gr 2 'den dolayı;
V ıı çk = (V gr 2
R3
R
)(1 + F )
R 2 + R3
R1
V ıı çk = V gr 2 (
R3
R
)(1 + F )
R2 + R3
R1
Vçk = V ıı çk + V ı çk = −
Rf
R1
V gr1 + V gr 2 (
R3
R
)(1 + F ) olarak bulunur.
R2 + R3
R1
Şekil 6.1
Eğer R1=R2=R3=Rf ise: Vçk = V gr 2 − V gr1 olur.görüldüğü gibi dever girişine uygulanana
gerilimleri farkını almaktadır. R3=Rf ve R1=R2 olarak seçmek suretiyle, devreyi fark
yükselteci haline getirmek mümkündür. Örneğin, R3=Rf=100 K ve R1=R2=10 K ise devre
çıkışında giriş işaretleri arasındaki farkın 10 katı görülecektir.
ÖN ÇALIŞMA:
1. Şekil 6.2’deki devre çıkışı kaç volttur? Hesaplayınız.
2. Aynı soruyu, Şekil 6.3’deki devre içinde cevaplayınız.
22
Şekil 6.2
Şekil 6.3
DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLARI:
1 adet 2.2 K direnç
1 adet 5,6 K direnç
4 adet 10 K direnç
3 adet 33 K direnç
Yeterince kısa devre elemanı
1 adet 747 op-amp
1 adet sayisal multimetre.
DENEY:
1. Devreyi Şekil 6.4’deki gibi kurunuz.
2. Güç kaynağının(+) ve (-) bölümlerini sırasıyla, +12 volta ve -12 volta ayarlayınız.
3. ±l2 volt besleme gerilimlerini devreye uygulayınız.
4. Sayısal multimetre kullanarak;
a) V gr1 , V gr 2 , Vçk gerilimlerini not ediniz. Vçk = V gr 2 − V gr1 oluyor mu?
b) Bulduğunuz sonucu, ön çalışma l'de bulduğunuz sonuç ile karşılaştırınız.
5. R3=Rf=33 K yapınız. Sayısal multimetre kullanarak,
a) V gr1 , V gr 2 , Vçk gerilimlerini not ediniz
Vçk = V gr 2 − V gr1 hala geçerli mi? Değilse niçin? Açıklayınız.
b) Bulduğunuz sonucu ön çalışma 2'de bulduğunuz sonuç ile karşılaştırınız.
23
c) Devre fark yükselteci olarak çalışıyor mu?
Şekil 6.4
24
DENEYSEL ÇALIŞMA
----- 7 ----KONU:
Op-amp uygulaması olarak türevleyici (differentiator) devresini incelemek.
ÖN BİLGİ:
Türevleyici devresi, genel olarak bir eviren yiikselteç özelliğindedir (Şekil 7.l). Fark olarak
girişte direnç yerine kondansatör (Cgr ) bulunmaktadır. Devre, girişine Şekil 7.1 uygulanan
periyodik işaretin türevini alarak çıkışa aktarır. Bu işlem formüllerle, kısaca, şu şekilde
açıklanabilir. Op-amp devresinin giriş empedansı çok yüksek olduğundan X noktasındaki
gerilim yaklaşık, 0 volt (+ uçtaki gerilim) civarındadır. Buna göre; C kondansatörü
üzerinden akacak akım;
Igr =Cgr.dVgr/dt olur.
Şekil 7.1
Çıkış gerimi ise; Vçk = R f İ f olarak yazılabilir (X noktası yaklaşık 0 V olduğundan).
Vçk = − R f C gr
dV gr
dt
olacaktır. Görüldüğü gibi, Şekil 7.1’deki devre girişine uygulanan Vgr
işaretinin türevini alıp
dVgr
dt
belirli bir sabit ile (Rf Cgr) çarparak çıkışına aktarmaktadır.
Şekil 7.1'deki devre uygulamada bu haliyle yeterli değildir. Çünkü Cgr kondansatörü yüksek
frekanslardaki işaretlere kısa devre gibi davranacağından yükselticin kazancı artar, çıkış bu
frekanslar için yüksek değerlere ulaşır.Vgr işaretinin frekansı yüksek olmasa
bile
beraberinde görültü mevcut olabilir. Gürültü işareti çok geniş frekans tayfına sahip
olduğundan, Şekil 7.1’deki devre gürültünün yüksek frekans bölümü olduğu gibi
yükseltebilir. Bu ise istenmeyen bir durumdur. Bu nedenle op-amp devresi kazancına yüksek
25
frekanslar için bir sınır koymak gerekir. Bu işlem Şekil 7.2’de görüldüğü gibi bir Rgr
direncinin eklenmesi ile sağlabilir. Artık devrenin maksimum kazancı Rf/Rgr olarak
sınırlandırılmıştır.
Şekil 7.2
Bu devrenin türevleyici olarak çalışabilmesi için 2 koşulun sağlanması gerekir.
1. Giriş işaret frekansı; f gr ≤
1
= fc
2πR gr C gr
olmalıdır. Bu değerden frekansa sahip
frekanslar için devre türevleyici olarak çalışmaz.
2. Devrede Rf Cgr çarpımı ‘zaman sabitesi olarak isimlendirilir. Giriş işaretinin peryodu
yaklaşık bu değer civarında olmalıdır.
Örnek: Şekil 7.3’deki devre frekansı 1 KHz bir sinüsoidal işaret için türevleyici olarak
çalışabilirmi?
Şekil 7.3
fc =
1
1
10 4
Bu durumda fgr<fc olur.
=
=
2πR gr C gr 2π ∗ 10 3 ∗ 0,1 ∗ 10 −6 2π
Devrenin zaman sabitesi, C gr R f = 0,1 * 10 −6 * 10 * 10 3 = 1 msn
26
Giriş işaretinin peryodu, Tgr =
1
1
=
= 1msn .
f gr 1KHz
Görüldüğü gibi, giriş işaretinin peryodu, devrenin zaman sabitine eşittir. Şu halde, devre 1
KHz frekansı sinüsoidal işaret için türevleyici olarak çalışabilir. Şekil 7.3’deki devrenin söz
konusu işaret için türevleyici olarak çalışabileceğini kanıtladıktan sonra, devre girişine 0,5 V
genlikli ve 1 KHz frekanslı bir sinüsoidal uygulandığında çıkışta görülecek işaretin ne tip bir
işaret olduğunu araştıralım; Giriş işaretini,
V gr = 0,5 * sin 2πft
V gr = 0,5 * sin 2π (1000)t
olarak formülize etmek mümkündür.
Vçk = − RfCgr
dVgr
olduğuna göre
dt
Vçk = −(10 K )(0,1µF )
d
(0,5 sin 2π (1000)t )
dt
Vçk = −(10 K )(0,1µF )(0,5 * 2π * 1000)(cos 2π (1000)t )
Vçk = −3,14 cos 2π (1000)t olur.
Şu halde çıkış işareti, 3,14 V tepe değerli ve 1 KHz frekanslı bir cosinüs eğrisidir.
NOT:
d
sin 2π f t = 2π f cos 2 π f t olur.
dt
ÖN ÇALIŞMA:
1. Şekil 7.4’deki devre girişine, Şekil 7.5’deki işaret uygulandığında devre türevleyici olarak
görev yapar mı? fc ve fgr frekanslarını ve devre sabiti ile Tgr değerini karşılaştırarak bu
sonuçlara dayandırınız.
27
Şekil 7.4
Şekil 7.5
Şekil 7.4’deki devre girişine, Şekil 7.5’deki işaret uygulandığında çıkış işaretinin şekli,
frekansı ve genliği ne olur açıklayınız? Vgr ve Vçk işaretlerini alt alta çiziniz.
Yol Gösterme: Şekil 7.5’deki işaretin genel çizimi Şekil 7.6’da gösterilmiştir.
Şekil 7.6
Burada a b arasındaki doğru parçası t1 msn kadar süre içinde –V den + V’ye çıkmaktadır.
Denklemi Vab = −V + 2
V
* t olarak yazılabilir. Çünkü t=0 olduğunda Vab=-V t = t1
t1
olduğunda Vab= +V olmaktadır. bc arasındaki doğru parçası ise t1 ile 2t1 arasıda +V den
–V ye inmektedir.
Denklemi,
Vbc = +V − 2
V
(t − t1 ) olur. Çünkü, t = t1 olduğunda Vbc = +V
t1
t = 2t 1 olduğunda Vbc = −V olmaktadır.
V gr = Vab = −V + 2
Vçk = RF C gr
V
t olduğunda,
t1
d
V
(−V + 2 t )
dt
t1
28
V
Vçk = − RF C gr ( )
t1
Vçk = −2 RF C gr
V
olur.
t1
V gr = Vbc = +V − 2
Vçk = − R F C gr
V
(t − t1 ) olduğunda ise,
t1
d
V
(V − 2 (t − t1 ))
t1
dt
V
Vçk = RF C gr (−2 )
t1
Vçk = 2 RF C gr
V
olur.
t1
Buna göre Vçk işaretinin ( V gr ’in tamamı için) genliği, 2 RF C gr
V
olan bir kare dalga olacağı
t1
açıktır. Bu bilgilerin ışığı altında ön çalışma 2’yi cevaplayınız.
DENEYDE KULLANILCAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLARI:
1 adet 10 K direnç
Yeterince kısa devre elemanı
1 adet 10 nF kondansatör
1 adet 747 op-amp
1 adet işaret üretici
1 adet osiloskop
DENEY:
1. Devreyi Şekil 7.7’deki gibi kurunuz.
2. Güç kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sırasıyla +12 V’a ve -12 V’a ayarlayınız. ± besleme
gerilimlerini devreye uygulayınız.
29
3. İşaret üretici çıkışını, Frekansı 1 KHz, Genliği 2 Vt −t olan bir üçgen dalgaya ayarlayınız.
4. Osiloskobun A kanalına giriş işaretini, B kanalına ise çıkış işaretini uygulayınız. Her iki
kanalı da; frekansı 1 KHz, genliği 1 volt olabilecek bir işareti en iyi şekilde görüntüleyecek
biçimde ayarlayınız.
5. İşaret üreteci çıkışını, devre girişine uygulayınız.
a) V gr ve Vçk işaretlerini birlikte gözleyip, aralarındaki farkları not ediniz. Devre türev alıcı
olarak çalışmışmıdır?
b) Vçk işaretinin tepe genliğini ölçüp net ediniz. Bu sonucu, ön çalışma 2’de bulduğunuz
sonuç ile karşılatırınız.
6. Girişi uygulanan üçgen dalganın genliği aynı kalmak koşuluyla frekansını yarıya
indiriniz. (0,5 KHz).
7. Çıkışta gözlediğiniz işarette ne gibi değişiklikler oldu? Bu değişiklikleri nasıl
açıklarsınız?
8. Girişe uygulanan üçgen dalganın genliği aynı kalmak koşuluyla frekansını 20 KHz
yapınız. Çıkış işaret şekli, öncekilere kıyasla değişti mi? Niçin? Devrenin gerilim kazancı ne
kadar? Bu kazanç Av =
RF 10 K
=
= 10 sonucuna yakın mı? Devre sadece eviren yükselteç
1K
R gr
gözüyle bakılabilir mi? Niçin? Açıklayınız.
Şekil 7.7
30
DENEYSEL ÇALIŞMA
----- 8 ----KONU:
Op-amp uygulaması olarak integratör devresini incelemek.
ÖN BİLGİ:
İntegratör devresi, genelde, girişine uygulanan işaretin integralini alır ve çıkışa aktarır. Bu
işlemi yapan bir op-amp devresi Şekil 8.1’de görülmektedir. Dikkat edilecek olursa,
türevleyici devresindeki direnç ve kondansatörlerin yerlerini değiştirmek suretiyle integratör
devresi elde edilmektedir. Bu devrede de x noktasındaki gerilim op-amp çıkış özelliğinden
dolayı, 0 V civarındadır.
Şekil 8.1
Bu durumda; İ gr =
1
Vçk =
CF
Vçk = −
V gr
R gr
yazılabilir.
t
∫İ
f
dt ve İ f = − İ gr olduğuna göre
0
1
CF
t
∫ İ gr dt = 0
t
1 V gr
dt
C F ∫0 R gr
t
1
Vçk = −
V gr dt
C F R gr ∫0
Olarak bulunur. Bilindiği gibi integral anlam olarak bir eğrinin altında kalan alana karşılık
gelmektedir. Op-amp devresindeki giriş ofset geriliminin giderek op-ampı doyuma
götürmesini önlemek için Şekil 8.1’deki devre de değişiklik yapmak gerekir. Bu değişiklik
31
Cf kondansatörüne paralel bir R1 direnci bağlanarak yapılır (Şekil 8.2). Giriş polarma
akımlarının eşit olmayışından doğacak ofset gerilimini ve dolayısıyla bu gerilimin etkilerini
gidermek amacıyla Şekil 8.3’te görüldüğü üzere R2 direnci kullanılır.
Şekil 8.2
Bu direncin değeri R2 = R1 // R gr
Şekil 8.3
R2 =
R1 R gr
R1 + R gr
olmalıdır. Devrenin bir integratör olarak
görev yapabilmesi için girişine uygulanan frekansı (fgr) f gr ≥ f c =
Ayrıca devrenin zaman sabitesi (
1
olmalıdır.
2πR1C f
1
) ile girişine uygulanan işaretin peryodu birbirlerine
R gr C f
yakın değerde olmalıdırlar. fgr<fc olduğunda devre eviren yükselteç olarak çalışır ve çıkışta
girişin
R1
kadar yükseltilmişi görülür. İntegral alma işlemi türev almanın tersi olduğundan
R gr
bir integratör girişine kare dalga uygulandığında çıkışta üçgen dalga elde edilir.
ÖN ÇALIŞMA:
1. Şekil 8.4’deki devre girişine Şekil 8.5’deki işaret uygulandığında devre integratör olarak
çalışır mı? fc ile fgr frekanslarını ve devrenin zaman sabiti ile Tgr değerini karşılaştırarak
cevabınızı bu sonuçlara dayandırınız.
2. Şekil 8.4’deki devre girişine Şekil 8.5’deki işaret uygulandığında çıkış işaretinin şekli,
frekansı ve genliği ne olur? Açıklayınız. Vgr ve Vçk işaretlerini alt alta çiziniz.
32
Şekil 8.4
Şekil 8.5
Yol Gösterme: 0 ile 0,5 msn arasında
t
Vçk = −
1
V gr dt
C F R gr ∫0
Bu bir −
Vçk = −
1
C F R gr
t
∫ İ dt
Vçk = −
0
1
t
R gr C f
1
eğimli doğru denklemidir ve tepe değerini t = t1 = 0,05 * 10 −3 sn anında alır.
R gr C F
−3
0 , 05*10
1
t
I = −0,5 V olur. 0,05 msn ile 0,1 msn
Bu durumda Vçk (tepe) = −
0
10 * 10 3 * 0,01 * 10 −6
arasındaki durum buna benzer şekilde hesaplanabilir.
DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELAMANI VE CİHAZLAR:
3 adet 10 K direnç
1 adet 100 K direnç
Yeterince kısa devre elamanı
1 adet 0,01 µF kondansatör
1 adet 747 op-amp
1 adet işaret üreteci
1 adet osiloskop
DENEY:
1. Deneyi Şekil 8.6’daki gibi kurunuz. Kurduğunuz devreyi öğretmenize kontrol ettiriniz.
2. Güç kaynağının (+) ve (-) bölümlerini sırasıyla +12V ve -12V ‘a ayarlayınız. ±12V
besleme gerilimlerini devreye uygulayınız.
3. İşaret üreteç çıkışını, Frekans 10KHz, Genliği 2V(t-t) olan bir kare dalga ayarlayınız.
33
4. Osiloskobunuzun A kanalına giriş işaretini B kanalına ise çıkış işaretini uygulayınız. Her
iki kanalıda frekansı 1KHz genliği 1V olabilecek işareti en iyi şekilde görüntüleyecek
biçimde ayarlayınız.
5. İşaret üretici çıkışını, devre girişine uygulayınız.
a) Vgr ve Vçk işaretlerini birlikte gözleyip aralarındaki farkları not ediniz. Devre integral
alıcı olarak çalışmıdır?
b) Vçk işaretinin tepe genliği ölçüp not ediniz. Bu sonucu ön çalışma-2’deki bulduğunuz
sonuç ile karşılaştırınız?
c) Vçk gerilimi 0V etrafında mı salınıyor? Niçin? R1=100K direncine paralel 10K
bağlayınız ne oldu? Niçin?
6. Girişe uygulanan kare dalganın genliği aynı kalmak koşuluyla frekansını 5KHz yapınız.
Çıkışta gözlediğiniz işarette ne gibi değişiklikler oldu? Bu değişiklikleri nasıl açıklarsınız?
7. Girişe uygulanan kare dalganın genliği aynı kalmak koşuluyla frekansını 50 Hz yapınız.
Çıkış işaret şekli öncekilere kıyasla değişti mi? Niçin? Devrenin gerilim kazancı ne kadar bu
kazanç Av =
R1 100
=
= 10 sonucuna yakın mı? Devreye artık sadece eviren yükselteç
10
R gr
gözüyle bakmak doğru olur mu? Niçin? Açıklayınız.
Şekil 8.6
34
DENYESEL ÇALIŞMA
----- 9 ----KONU:
Kıyaslayıcı (comparator) devesini incelemek.
ÖN BİLGİ:
Op-amp devresine dışarıdan geri besleme uygulanmadığı sürece kazancı çok yüksektir. Şekil
9.1’de Vgr ve Vref gerilimleri arasında çok küçükte olsa fark varsa bu fark op-ampın açık
devre kazancı( 20 000 civarında ) ile çarpılır ve çıkışa yaklaşık olarak +V ve –V görülür.
Şekil 9.1
Şekil 9.1’deki kıyaslayıcı, evirmeyen özelliktedir. Çünkü Vgr(+) uca uygulanmıştır.
Vgr>Vref olduğunda Vçk= + V ( yaklaşık ) Vgr<Vref olduğunda Vçk=-V (yaklaşık) olur.
Tersi durumda eviren kıyaslayıcı elde edilir. Eğer kıyaslayıcı devresi bir TTL devreyi
sürecek ise o zaman Şekil 9.2’de görülmektedir.
Şekil 9.2
Vgr>Vref olduğunda: Vçk= 5 V
Vgr< Vref olduğunda: Vçk=- 0.6 V olur.
Bu şekilde kıyaslayıcı çıkışı TTL devre girişine bağlanabilir. Deneylerde kullanılacak 747
op-amp devresinin maksimum dayanabileceği diferansiyel giriş ± 30V civarındadır. Buna
35
göre Vgr ile Vref arasındaki gerilim farkı hiçbir zaman 30 voltu aşmamalıdır. Örneğin
Vgr=18 V Vref=-18 V olması halinde op-amp hasara uğrar.
Kıyaslayıcı devresi A/D (analog to digital) çeviricilerde delta modülatörlerinde ve daha bir
çok alanda kullanılan önemli bir devredir.
ÖN ÇALIŞMA:
1. Şekil 9.3’deki devrede Vgr=0.8 V Vref= 0.7 V olduğuna göre Vçk gerilimini bulunuz.
Devre ne tür kıyaslayıcıdır?
Şekil 9.3
2. Aynı soruyu Zd diyotu nu yok varsayarak cevaplayınız.
3. R1, R2, R3 dirençleri niçin gereklidir?
DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLAR:
1 adet 270 Ω direnç
2 adet 1 K direnç
3 adet 10 K direnç
1 adet 33 K direnç
1 adet 10 K potansiyometre
Yeteri kadar kısa devre elemanı
1 adet 747 tümleşik op-amp devresi
1 adet 1N4002 diyot
1 adet BC238B transistör
1 adet led
1 adet 3 V zener
1 adet sayısal multimetre
36
DENEY:
1. Devreyi Şekil 9.4’deki gibi kurunuz. R1=R2=10K olmalıdır dikkat ediniz.
2. Besleme gerilimleri +12 V ve -12 V’a ayarlayınız.
3. Kurduğunuz devreye gerilim uygulayınız.
4. Sayısal multimetreyi DC gerilim ölçümüne hazırlatıp devre çıkışına bağlayınız.
5. P potasiyometresini saat yönü olarak sonuna kadar çeviriniz.
6. Vgr , Vref ve Vçk gerilimlerini ölçüp not ediniz. Durum kurumsal bilgilerle uyum içinde
mi? Devre evirmeyen kıyaslayıcı olarak mı çalışıyor?
7. Vçk gerilimi +12 V’luk kaynak gerilimine ulaşana kadar potansiyometreyi saat yönüne
ters olarak çevirininiz. Tam geçiş anındaki Vgr , Vref ve Vçk değerlerini kaydediniz.
Bu Vgr değerini ölçünüz. Bu değeri Vref ile kıyaslayınız. Durum kurumsal bilgilerle
uyumlu mu?
8. Devreyi Şekil 9.5’deki duruma getiriniz. R3= 10K olduğunda emin olunuz. Daha küçük
değer op-amp’ın yanmasına neden olur.
9. Vgr= 6 V ve Vref = 3 V için LED’in durumunu gözleyiniz. Bu devrede D diyotunun
görevi nedir? Devrenin çalışmasını kısaca açıklayınız.
10. Vref gerilimini hassas biçimde ölçüp not ediniz. Vgr gerilimini, Vref geriliminin 20 mV
üstüne ayarlayıp LED’in durumuna bakınız. Aynı işlemi, Vgr gerilimini Vref geriliminin
230 mV altına ayarlayıp yineleyiniz. Devre 20 mV’luk farkı dahi değerlendirebiliyor mu?
37
Şekil 9.4
Şekil 9.5
38
DENEYSEL ÇALIŞMA
----- 10 ----KONU:
PWM üretici SG3524 ile Buck (azaltan) çevirici devresini incelemek.
ÖN BİLGİ:
DA çeviricilerin en önemli uygulamaları anahtarlamalı güç kaynakları ve DA motor sürme
devreleridir. Bu uygulamada, DA çeviricinin anahtarlama sinyalleri darbe genişlik
modülasyonlu (PWM) çıkış sinyali üreten SG3524 entegresi ile sağlanmaktadır. Belli
frekanstaki bir sinyalin çalışma oranının (D) başka bir giriş sinyali ile kontrol edilmesi
olayına darbe genişlik modülasyonu denir. Çalışma oranı D Şekil 10.1’ de gösterildiği gibi
zamanının periyot uzunluğuna (Ts) oranı olarak tanımlanır.
Şekil 10.1
Değişik çalışma oranları bir Vs doğru geriliminin testere dişi bir dalgayla karşılaştırılması
ile elde edilir (Şekil 10.2).
Şekil 10.2
39
PWM üretici SG3524 ile Buck (azaltan) çevirici çalışma prensibi Şekil 10.3’de ve çalışma
oranı D %25 ve %75 iken PWM ve ortalama çıkış sinyalleri Şekil 10.4’de gösterilmektedir.
Şekil 10.3
Şekil 10.4
DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLAR:
1 adet 270 nF kondansatör
1 adet 1000 uF kondansatör
1 adet 1 K direnç
1 adet 10 K direnç
1 adet 100 uH bobin
1 adet 10 K potansiyometre
1 adet 22 K potansiyometre
Yeteri kadar kısa devre elemanı
1 adet SG3524 entegresi
1 adet BA158 diyot
1 adet BC516 transistör
1 adet sayısal multimetre
DENEY:
1. Devreyi Şekil 10.5’deki gibi kurunuz.
2. Besleme gerilimleri +12 V’a ayarlayınız.
3. Kurduğunuz devreye gerilim uygulayınız.
40
4. Sayısal multimetreyi ve osiloskobu DC gerilim ölçümüne hazırlatıp devre çıkışına
bağlayınız.
5. P1 ve P2 potansiyometresini çeviriniz.
6. Görev devrini (D) değiştirerek Vçk gerilimlerini ölçüp not ediniz ve osiloskop dalga
şekillerini çiziniz.
P1
P2
Şekil 10.5
Şekil 10.6. SG 3524 blok diyagramı (iç yapısı).
41
DENEYSEL ÇALIŞMA
----- 11 ----KONU:
Op–amp kullanarak hassas tam dalga doğrultmaç yapmak.
ÖN BİLGİ:
Hassas, tam dalga doğrultmaç devresi Şekil 11.1’de görülmektedir. Burada 1. op-amp hassas
yarı dalga doğrultmaç olarak, 2. op-amp ise toplar devre (eviren) olarak görev
yapmaktadırlar.
Şekil 11.1
Vgr işaretinin negatif alternansları doğrultulmakta ve pozitif olarak 1. op-amp çıkışına (V1)
aktarılmaktadır. Bu sırada op-amp’ ın gerilim kazancı 1’dir. 2.op-amp’ ın (-) ucuna hem Vgr
ve hem de V1 işaretleri birlikte gelmektedirler. Normal olarak, R4=2R5 seçilir. Böylece
Vgr’in pozitif alternanslarında V1=0’dır ve Vçk = -Vgr olur (R6=R4 seçilir). Vgr‘in
negatif alternanslarında ise, Vçk = - (2V1+Vgr ) olur (R6=2R5 olduğundan). Bu sırada
V1=Vgr olduğundan, Vçk= -(-2Vgr + Vgr) = Vgr olur. bu sırada Vgr negatiftir. Anlatılanlar
Şekil 11.2’de çizilmişlerdir inceleyiniz.
Şekil 11.2
42
ÖN ÇALIŞMA:
Şekil 11.3’deki devrede, D1 ve D2 diyotlarının yönleri çevrilirse çıkış işaretinden ne gibi bir
değişiklik meydana gelir? Kısaca açıklayınız.
DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELEMANI VE CİHAZLAR:
1 adet 2,2 K direnç
1 adet 4,7 K direnç
4 adet 10 K direnç
Yeterince kısa devre elemanı
2 adet BA158 diyot
1 adet 747 tümleşik op-amp
1 adet işaret üreteci
1 adet osiloskop
DENEY:
1. Deneyi Şekil 11.4’deki gibi kurunuz.
2. (+)ve (-) kaynakları +12 V ve –12V değerlerine ayarlayınız.
3. Kurduğunuz devreye (+) ve (-) gerilimleri aynı anda devrenize uygulayınız.
4. İşaret üretecinizin çıkışını 1 V (t-t) genlikli ve 500 Hz frekanslı bir sinüsoidala
ayarlayınız.
5. Osiloskobun A kanalına Vgr işaretini, B kanalına da V1 işaretini uygulayıp birlikte
gözleyiniz. Her iki kanal girişi de DC konumda olmalıdır. Vgr ve V1 işaretlerini, genlik
değerlerini de belirterek alt alta çiziniz. İlk op-amp yarım dalga doğrultmaç olarak çalışıyor
mu?
6. Osiloskobun B kanalından V1 işaretini ayırıp Vçk işaretini bağlayınız. Vçk işaretini Vgr
ve V1 işaretlerinin altına çiziniz.
7. Devre tam dalga doğrultmaç olarak çalışmış mıdır? İkinci op-amp eviren toplar yükselteç
olarak görev yapıyor mu?
43
8. Giriş işaretinin genliği 200 mV (t-t) değere düşürünüz. Devre hala tam dalga doğrultmaç
olarak çalışmakta mı? Bu kadar küçük genlikli AC işareti normal diyotlarla doğrultmaya
imkan var mı?
9. Giriş işaretinin genliği yeniden 1 V (t-t) yapınız. R5 direncini (1,5K’yı kısa devre ederek)
3,6 K yapınız. Vçk işaretinde meydana gelen değişikliği ve nedenini yazınız.
10. Devrenin ±12 V besleme gerilimlerini kesiniz. R5 direncini tekrar ilk değerine getiriniz.
11. D1 ve D2 diyotlarının yönlerini ters çeviriniz.
12. Tekrar ±12 V gerilimlerini devreye uygulayınız.
13. Vgr ve Vçk işaretlerini osiloskopta gözleyiniz. Dalgaların yönü pozitifleşti mi? Bu
durum ön çalışmada bulduğunuz sonuç ile uyum içinde mi?
14. Op-amp kullanılan yarım ve tam dalga doğrultmaçlar çok küçük genlikli AC işaretlerini
doğrulta bildiklerine göre; Sayısal multimetreler de bu tip devreler kullanılır mı?
Şekil 11.4
44
DENEYSEL ÇALIŞMA
----- 12 ----KONU:
Op-amp kullanarak gerilim regülatörü yapmak ve çalışmasını incelemek.
ÖN BİLGİ:
Op-amp kullanılarak çok çeşitli gerilim regülatörleri yapmak mümkündür. Şekil 12.1’de
böyle bir devre görülmektedir. Devrede regüle edilecek gerilim Vgr olarak op-amp’ın (+V)
ucuna uygulanır. Op-amp (-V) ucu toprağa bağlanır. Şu halde, bu devrede tek polariteli
besleme gerilimi kullanılmaktadır. Vgr gerilimi devreye uygulandığında Vçk işareti
pozitifleşmeye başlar. Vçk<Vz olduğu sürece zener diyot yalıtkandır.
Şekil 12.1
Vçk>Vz olunca zener diyot iletkenleşir ve kırılma gerilimine eşit bir gerilim x noktasında
oluşur. ( V REF = V z olur). Artık bundan sonra op-amp’ın pozitif girişine sabit V REF gerilimi
uygulanmaktadır.
Vçk = V REF (1 +
Bu
sırada
op-amp
evirmeyen
yükselteç
olarak
çalıştığından;
R2
) olur. Bu durumda hem Vçk ve hem de Vz gerilimleri regüleli
R1
olduklarından Zd içinden akan akım oldukça kararlıdır. Bu durum, hep Vref’in ve
dolayısıyla da, Vçk’ın kararlı olmasına yol açar. R2 ve R1 dirençleri ile Vçk gerilim
değerini ayarlamak mümkündür.
ÖN ÇALIŞMA:
Şekil 12.1’deki devrede Vz=3 V R2=2,2 K, R1=3,3 K, R3=370 Ohm olduğuna göre Vgr’in
10 ile 20 V arasında değişmesi sırasında Vçk ne değer alır? Zener içinden aka akımı
hesaplayınız.
45
DENEYDE KULLANILACAK DEVRE ELAMANI VE CİHAZLARI:
1 Adet 100 ohm direnç
1 Adet 270 ohm direnç
1 Adet 2,2 K direnç
1 Adet 3,3 K direnç
2 adet 33 K direnç
1 adet 3 V zener
Yeterince kısa devre elamanı
1 adet 747 tümleşik op-amp deversi
1 adet sayısal multimetre
DENEY:
1. Devreyi Şekil 12.2’deki gibi kurunuz.
2. Güç kaynağını çıkışını +12 V’a ayarlayınız.
3. Rk1=Rk2=33 K dirençleri devre girişlerini korumak için konumlulardır. Doğru
bağlandıklarını kontrol ediniz.
4. Kurduğunuz devreye gerilim uygulayınız.
5. Sayısal multimetre ile Vçk gerilimini ölçünüz. Sonucu Tablo 12.1’de ilgili haneye not
ediniz.
6. Tablo 12.1’de verilen diğer Vgr değerlerini sıra ile oluşturup her seferinde Vçk gerilimini
ölçünüz. Sonuçları Tablo 12.1’de ilgili hanelere yazınız.
7. Tablo 12.1’deki sonuçlara göre;
a) Örnek 1’deki devre çıkışında, geriş 10 V ile 20V arasında değişirken sabit gerilim
görülüyor mu?
b) Bu durumda devre gerilim regülatörü olarak görev yapmış mıdır?
c) Vçk geriliminin değerini ön çalışmada bulduğunuz değer ile karşılaştırınız. Fark varsa, bu
neden kaynaklanmaktadır? Ölçüm yaparak kanıtlayınız.
R1 = 2,2 K yaparak
R2
oranını büyültünüz.
R1
46
Bu durumda Vçk gerilimi ne oldu? Bu gerilimdeki artışın 2 nedenini yazınız. Cevabınızı
ölçüm yaparak kanıtlayınız.
Tablo 12.1
Vgr(V)
10
12
16
18
20
Vçk(V)
Şekil 12.2
47
DENEYDE KULLANILAN OPAMP BACAK BAĞLANTILARI
LM747
LM741
48
ELK 435 ENDÜSTRİYEL ELEKTRONİK LABORATUVAR
DENEY ELEMANLARI LİSTESİ
OPAMP (2’şer adet)
LM 741
LM 747
SG 3524 Entegre (1 Adet)
DİRENÇ
100 Ω (2 ADET)
270 Ω (2 ADET)
1 K; (3 ADET)
2.2 K; (3 ADET)
4.7 K; (3 ADET)
5.6 K; (3 ADET)
10 K; (10 ADET)
33 K; (4 ADET)
100 K; (3 ADET)
470 K; (3 ADET)
KONDANSATÖR (2’şer ADET)
10 nf
100 nf
1000 µF (1 adet)
BOBİN (1 ADET)
100 µH
DİYOT (2’şer ADET)
3V Zenerdiyot
1N4002 diyot
BA158 diyot
TRANSİSTÖR (1’er ADET)
BC516
BC238
POTANSİYOMETRE (1’er ADET)
10 K
22 K
49
ELK 435 ENDÜSTRİYEL ELEKTRONİK LABORATUARI DENEY RAPORU
İstenenler (devamı arka sayfaya)
CH1 (Volt/Div):
CH2 (Volt/Div):
Time/Div:
CH1 (Volt/Div):
CH2 (Volt/Div):
Time/Div:
Sonuçlar:
No
Deneyin
Adı
No
Öğrencinin
Adı Soyadı
Aldığı Not
OPAMPLAR
OPERASYONEL KUVVETLENDİRİCİLER
Fairchild 1965 yılında, en çok kullanılan Ua709 elemanı piyasaya sunmuştur. Aslında başarısının
yanında, bu elemanın birçok dezavantajları da vardı. Bu nedenle de uA741 olarak bilinen op-amp
geliştirilmiştir. UA741 çok ucuz ve kolay kullanımı, ayrıca üstün yetenekleri nedeniyle tercih edilmiştir.
Değişik firmalar da uaA741 dizaynlarını gerçekleştirmişlerdir. Örneğin Motorolo MCI741 National
Semiconductor LM741 ve Texas Instruments SN72741 üretmişlerdir. Bütün bu (monolithic) tek
elemanlı işlemsel kuvvetlendiriciler uA741’in eşdeğerleridir. Çünkü bunlar katologlarda da aynı
özelliklere sahiptirler. Çoğunlukla insanlar opamp’tan bahsediyorlarsa akıllarına gelen ilk eleman 741
olmaktadır.
741 elemanı endüstri standartlarına uygun hale getirilmiştir. Kural olarak yapacağınız dizaynlarda opamp kullanılmışsa bunların yerine 741 olarak devreyi kurabilirsiniz. Op-amp olarak 741’in kullanımını
anlamışsanız diğer opampları da kolaylıkla kullanabilirsiniz.
Sırası gelmişken 741 farklı versiyon numaralarına sahiptir. 741, 741A, 741C, 741E, 741N, ve
diğerleri... Bu farklılıklar bunların gerilim kazançları, sıcaklık farklılıkları, gürültü seviyeleri ve diğer
karakteristikleridir. 741C ( Ticari tipte bir elemandır.) çok ucuz ve çok geniş alanlarda kullanılmaktadır.
Bunun giriş empedansı 2M, gerilim kazancı 100.000 ve çıkış empedansı 75 ’dur.
741’İN ŞEMATİK DİYAGRAMI
Şekil 15-1, 741’in basitleştirilimiş şematik diyagramını göstermektedir. Bu devre 741’in eşdeğer devresi
olup sonradan üretilen op-ampların temelini teşkil eder.
Devre dizaynlarında her türlü ayrıntılı özellikleri anlamaya ihtiyaç yoktur. Fakat op-amp’ın nasıl
çalıştığı hakkında genel bir fikre sahip olabilirsiniz. 741’in ardındaki temel düşünce şudur:
Giriş katı Q1 ve Q2 PNP transistörlerinden oluşturulumuş bir fark kuvvetlendiricidir. Bildiğiniz gibi
emiterdeki bağlantı elemanları nedeniyle bu devre, akım kaynağı olarak çalıştığı farz edilmiştir. 741’in
içinde Q14 akım kaynağı olup emiter direnci yerine geçmektedir. R2 ve Q4’ün polarmasını kontrol ederek
fark kuvvetlendiricinin akımını üretir. Fark kuvvetlendirici de kollektör direnci yerine normal direnç
kullanarak bunu yük direnci yerine kullanabiliriz. Bu aktif yük Q4 için oldukça yüksek empedanslı bir
akım kaynağı olarak çalışır. Bu sebepten fark kuvvetlendiricinin gerilim kazancı daha büyük olmaktadır.
Beyz DC Dönüş Elemanları
Şekil 15-1’de görüldüğü gibi giriş beyzleri boşluktadır. İşlemsel kuvvetlendirici her iki girişe beyz
dirençleri RB ve toprak arasındaki DC bağlantılar yoksa çalışmayacaktır. Bu dönüş yolları işlemsel
kuvvetlendiriciyi süren devrenin, Thevenin dirençleri tarafından temin edilir. Eğer sürücü devreler
kapasitif kublajlı ise mutlaka beyz dönüş dirençlerine ihtiyaç vardır. Bu düşüncenin anahtarı her giriş
için beyzden toprağa bir bağlantı olmalıdır. Eğer beyzden toğrağa da bir yol yoksa op-ampın
transitörleri kesimde olacaktır.
GİRİŞ EMPEDANSI
Fark yükselticinin giriş empedansı şu şekilde ifade edilir.
Rgiriş = 2re
Fark yükselticideki ortak emiterli bağlantı nedeniyle işlemsel kuvvetlendirici oldukça yüksek giriş
empedansına sahiptir. Örneğin 741’in giriş fark kuvvetlendirici (tail) akımı yaklaşık olarak 15uA’dir.
Her emiter bu akımın yarısını üzerinden akıtır.
25mV
ré= _______________= 3.33 k
7,5uA
741’de girişteki her transistörün ’sı tipik olarak =300 olduğuna göre giriş empedansı:
ri= 2 (300) . (3,3K) = 2m
Bu 741’in kataloglarında tesbit edilen giriş direnci değeridir.
Eğer daha yüksek giriş empedansları gerekiyorsa dizayn yapan kişi BIFET (fetgirişli) op-amp kullanma
zorunluluğu vardır. Bu op-amp fet’in ve bipolar transitörlerin bir araya getirilmesiyle oluşturulmuştur.
Örneğin LF12741-741 olarak modife edilmiş JFET kaynak takip edicinin çıkışı normal 741 op-amp
sürmektedir. Bu kombinasyon 741 diğer karakteristikleri ile JFET kaynak takip edici giriş avantajlarını
meydana getirmektedir. Bu sebepten LF13741 standart 741 için yedek olarak kullanılabilir.
ŞEMATİK SEMBOLLER
Bir op-ampın şematik sembolü Şekil 15-2 de görülmektedir. A op-ampın gerilim kazancıdır. Faz
terslemeyen giriş V1, farz tersleyen giriş ise V2’dir Fark girişi
Vgiriş = V1 - V2
V1, V2 gerilimleri ve çıkış gerilim noktalarına dikkat ediniz. Bunun anlamı ölçümlerin daima toprakla
bu noktalar yapılmasıdır. Fark girişi Vgiriş iki giriş gerilimi V1, V2 arasındaki farktır.
Biz çoğu zaman Şekil 15-2 de görülen toprak hattını çizerek göstermeyiz. Bunun anlamı toprak noktası
olmasa da ölçülen değerlerin toprağa göre olmasıdır.
Vçıkış = A . Vg,iriş
Vçıkış
Vgiriş = ________________________
A
741 için A= 100.000 dir ve çıkış empedansı Zçıkış = 75 ’dur. Genellikle opampın çıkışına bağlanan
yük direnci Zçıkış ‘dan küçüktür. Vçıkış yaklaşık olarak Vth = Vçıkış değerine eşittir.
Örnek 15-1
Bir 741 giriş gerilimi 1uv’tur. Bu opampın çıkışındaki gerilim ne kadardır?
Çözüm
Giriş gerilimini, gerilim kazancı ile çarptığımızda 741C’nin kazancı 100.000 olduğuna göre çıkış
gerilimi:
Vçıkış = 100.000 . (1uV)= 0.1V
Bu cevaptan op-amp çıkışına yük direnci bağlanmadığı farzedilmiştir.
Eğer yük direnci kullanılmış ise Thevenin çıkış geriliminin bir kısmı bu yük üzerinde düşecektir. Eğer
yük direnci op-amp çıkış direnci değerinden 100 defa daha fazla ise çıkış direnci üzerinde meydana
gelen gerilim düşümünü ihmal edebilirsiniz. 741C’nin çıkış empedansı 75  olduğuna göre yük direnci
7,5 k’dan büyük ise yükleme etkisi dikkate alınmayabilir.
Örnek 15-2
Bir 741C’nin çıkış gerilimi 5V ise kazancı 100.000 olan op-ampın giriş gerilimi ne kadardır.
5V
Vgiriş = ________________ = 50 uV
100.0000
OP-AMP KARAKTERİSTİKLERİ
Op-amp bir yükselticidir. Ancak problemlerin analizinde ve op-amp devrelerinin dizaynlarında AC ve
DC karakteristikleri gözönünde bulundurmamız gerekmektedir. Bu bölümde, ofset problemlerine ve opampın performansını etkileyen diğer karakteristikler açıklanacaktır.
ÜÇ ÖNEMLİ KARAKTESTİK
Daha evvel (CMRR) sinyali bastırma oranı tanımlanmıştı. 741C için CMRR= 90 Db düşük frekanslar
için uygundur. Common mode sinyalinde arzı edilen sinyal 90Db daha büyüktür. Bunun anlamı
yükseltilecek sinyal ortak gürültü CMRR’nin Şekil 18-15’da görüldüğü gibi azalmasına neden olur.
Dikkat edilirse CMRR yaklaşık 1KHz’de 75db, 10 KHz’de 56db’dir.
Maksimum tepeden tepeye değeri yükselticinin çıkışından kırpılmadan alınan en büyük değerdir. Opampın girişinde herhangi bir sinyal yoksa çıkış ideal olarak sıfırdır. AC çıkış gerilimi pozitif ve negatif
yönde salınım yapar. Yük direncinin Zçıkış empedansından büyük olması halinde çıkış gerilimi besleme
geriliminde salınım yapar. Örneğin VCE = + 15 V ve V ve VEE = - 15 V olan devrede 10 k’luk yük
direnci uçlarındaki gerilim 30 V olacaktır. Ancak bu gerilim 741C’nin çıkış katından dolayı genelde
27V ve 10 k yük direncinde 27V, 1 k’luk yük uçlarında 25 V ve 100  yük uçlarındaki gerilim ise 7
V kadar olacaktır.
FREKANS TEPKİSİ
741C’nin Şekil 15-5c’de küçük sinyal frekans tepkisi görülmektedir. Orta bandın gerilim kazancı
100.000’dir. 741’in kritik frekansı fc= 10 Hz’dir Şekilde görüldüğü gibi 10 Hz seviyesinde gerilim
kazancı %70 kazanç değerini -3 db noktasından düşmektedir. Kritik frekansın üzerinde gerilim kazancı
her dekat artışı için 20 db düşmektedir.
Gerilim kazancının bire düştüğü frekans 1 MHz’dir. Kataloglarda bu değer genellikle belirtilir. Çünkü
bu değer op-ampın faydalı kazanç üst değerini temsil etmektedir. Örneğin kataloglarda 741C listelerinde
f1= 1 MHz. Bunun anlamı 741C sinyali 1 MHz kadar yükselir. Bunun üzerindeki değerlerde çıkış
azalmaya başlar. Örneğin LM318’in f1 = 15 MHz’dir. Bunun anlamı op-amp 15 MHz’e kadar çıkışında
kazanç verebilir. Bunun üzerindeki değerlerde çıkış azalarak gider.
YÜKSELME HIZI BOZULMASI ( Slew Rate )
Bir 741’in kompanzasyon kapasitesinden dolayı fark yükseltici çıkışı verilen slew rate değerinden daha
hızlı değişemez.
It
Sr = ________________
Cc
Bir 741C’de It = 15 mA ve Cc = 30 pF’tır. Bu sebepten 741’in slew rate yükselme hızı,
15 mA
Sr = _____________= 0,5 V/us’dir.
30 pF
Bu 741C’nin büyük sinyal sınırıdır. Bunun çıkış gerilimi 0,5 V/us’den daha hızlı değişmez.
Bildiğimiz gibi bir op-ampın yükselme hızı (slew rate) büyük sinyal yüksek frekans tepkisi sınırlar. Eğer
sinüs dalganın yükseltilmesindeki başlangıç eğitimi op-ampın yükselme hızından daha büyük ise çıkış
küçülmeye başlar ve girişteki sinüsodial dalga üçgen olarak görülmeye başlar. Daha evvel biz bu
eşitliği güç band genişliği olarak ifade ettik.
Sr
fmax = ___________
2n Vp
Bu yüksek frekansta yükselme hızı oranında bir bozulma olmadan 2n değerine bölünerek elde edilen
tepe geriim değeridir. Faydalı olan alternatif eşitlik:
Sr
Vp = _______________
2n fmax
Örnek 15-3
Şekil 15-6, 741C’nin ayak numaralarını göstermektedir. 3 Nolu giriş faz çevirmeyen giriştir. 7 ve 4 nolu
ayaklar güç kaynağı bağlantılarıdır. 6 nolu ayak ise çıkıştır. Bir 741C’nin en kötü şartlar altında
kataloglarda verilen değerleri
VBE = 2 mV, lgiriş = 80 nA ve Igiriş = 20 nA
En kötü durumdaki istenmeyen giriş gerilimi toplamı nedir? Çıkış ofset gerilimi nedir?
Çözüm
İstenmeyen giriş geriliminde iki farklı kompanent vardır. Önce farklı VBE eğrilerini etkileyen faktör.
İkinci olarak farklı ’da değerleri iki beyz gerilimini 3 ve 2 nolu ayaklardaki farkını transfer
etmektedirler.
Vgiriş = +2mV +(20nA) . (220 k) = +6.4mV
Bunun anlamı istenmeyen giriş gerilimleri - 6,4 mV ile + 6.4 mV arasında herhangi bir yerde olabilir.
En kötü durumda bunun büyüklüğü 6.4 mV olabilir.
741C lineer bölgede çalışıyorsa ve onun gerilim kazancı 100.000’dir. Buna göre ofset gerilimini
hesaplayacak olursak
Vçıkış = 100.000 (+ 6.4 mV) = +640V
Bu cevap saçmalık örneği olarak ve azaltılması gereken bir değer olarak gözönüne alınmalıdır. Çünkü
640V imkansızdır.
Bu saçma sonuçtan sonra şunu söyleyebiliriz: Sonuçta op-amp doyuma ulaşmıştır ve op-amp lineer
bölgede çalışmaktadır ve bu doğrudur.
Oysa bir 741C’nin maksimum (tepe to tepe) tepeden tepeye vereceği çıkış +27 V olabilir. Yani -13,5 V
ile +13,5 V volt arasında salınım yapar. Giriş gerilimi +6,4 V olduğu zaman op-ampın çıkışı 13,5 V’ta
gider. Giriş gerilimi olduğu zaman çıkış -13,5 V’ta gider.
Örnek 15-4
Bir önceki örnekte kullanılan katalog bilgilerini kullanarak op-amp çıkışını doyuma götürecek ofset giriş
gerilimini bulunuz.
Çözüm
Pozitif taraftan bakılacak olursa op-amp +13,5 V doyuma ulaşmadan (swing) salınım yapılacaktır. Opamp kazancı 100.000 olduğuna göre giriş gerilimi
13,5 V
Vgiriş =_______________=0,13 mV
100000
Bu en kötü durum olarak ifade edilen değerden 6,4mV’tan çok küçüktür.
Örnek 15-5
Bir 741C’nin yükselme hızı 0,5 V/usn’dir Çıkış gerilimi tepe değeri 10 V ise band genişliği nedir?
Çözüm
Yükselme hızında bir bozulma olmadan hesaplanan maksimum değer
0,5 V/us
fmax = ________________=7,96 kHz
2n . 10V
Bu frekansta op-amp bozulmamış sinüsodial çıkış sinyali tepe değeri 10V’tur. Eğer giriş frekansını 7,96
kHz’in üzerine çıkarırsanız çıkıştaki değerde bir azalım başlar. Girişin sinüsodial olmasına karşın
çıkışta üçgen dalgalar görülmeye başlar.
Örnek 15-6
50 kHz’lik giriş sinyallerinde çıkışta alınan sinyallerin bozulmadan alınabilecek değeri nedir?
0,5 V/usn
VP = _______________=1,59 V
2n . (50 kHz )
Bunun anlamı op-amp frekansı 50 kHz ve giriş sinyalinin tepe değeri 1,59 V olan sinyalin çıkıştan
bozulmadan alınabilir demektir.
ENTEGRE DEVRELERİNİN DİĞER LİNEER KULLANIMLARI
Aslında op-amplar çok önemli entegre devreleridir. Onları birçok değişik kullanımlar için
genişletebilirsiniz. Burada birkaç kullanım özet olarak verilmiştir.
SES YÜKSELTİCİLER
Ön yükselticiler çıkış gücü 50mW’tan daha az olan bu ses yükselticilerdir. Ön yükselticiler oldukça
düşük gürültü seviyesine sahip olmalıdırlar. Çünkü bunlar ses sistemlerinin girişinde kullanılmakta
olup, manyetik band kristallerden ve mikrofonlardan gelen zayıf sinyalleri yükseltmektedir.
Entegre edilmiş ön yükselticiye örnek LM381 düşük gürültülü çiftli bir ön yükselticidir. Her bir
yükseltici birbirinden tamamen farklıdır. LM381’in gerilim kazancı 112 db’dir ve 10V’da güç band
genişliği 74kHz ve 9V’tan 40V’ta kadar pozitif besleme ile çalışır. Giriş empedansını 100 k, çıkış
empedansı 150 ’du. Lm381’in giriş katı, fark kuvvetlendirici olup tekli çıkışa sahiptir.
Ses güç yükselticiler çıkışlarından 500 mW’tan fazla güç alınmaktadır. Bunlar phonograph yükselticiler
AM, FM radyolar ve diğer kullanımları bulunur. LM380 bir örnektir. Bunun gerilim kazancı 34db band
genişliği 100 kHz ve çıkış gücü 8W’tir.
Video Yükselticiler
Bir video veya geniş band yükseltici geniş bir frekans bandında sabit gerilimi kazancı düz bir tepki
gösterir. Tipik olarak band genişliği MHz bölgesindedir. Video yükselticilerde DC yükselticiler gerekli
değildir. Fakat çok düşük frekanslarda çok yüksek frekanslara kadar (range) değere sahiptirler. Örneğin
bir çok osilaskoplarda frekans değeri 0’dan 100-MHz’e kadar gider. Bu tür cihazlarda video
yükselticiler kullanılması sinyal genliğini arttırır. Diğer bir örnek televizyon alıcılarıdır. Kullanılan
frekans yaklaşık 0’dan 4MHz’e kadardır.
RF ve IF Yükselticiler
Bir radyo frekans ( RF) yükseltici TV alıcılarında veya AM-FM alıcılarda umumiyetle ilk kattır. Orta
frekans (IF) yükselticilerde tipik olarak orta katlardadırlar. Entegre devreler LM703 RF ve IF
yükselticiler aynı chip içinde bulunurlar. Yükselticiler ayarlı yapılmak suretiyle yalnız dar band
frekansında kullanılabilirler. Bu televizyon ve radyo istasyonlarının arzu edilen sinyallerinin alınmasına
(tuning) ayar devreleri ile mümkün kılar. Daha evvel bahsedildiği gibi büyük kondansatör ve self
değerlerinin chip içine yerleştirilememesi nedeniyle dışarıdan LS ve CS elemanlar ayar yükselticilerine
bağlanırlar.
GERİLİM REGÜLATÖRLER
Bölğm 4’te doğrultmalı güç kaynakları açıklanmıştı. Filtre işleminden sonra DC gerilimde biraz daha
riplle kalmaktadır. Bu DC gerilim hat gerilimi ile orantılıdır. Hat gerilimi %10 değişirse bu da seviye de
%10’luk değişmeye sebep olur. Birçok uygulamalarda %10’luk değişme DC gerilim değeri oldukça
fazladır ve bu sebepten DC regülasyon gereklidir.
Yeni entegre devrelerde LM340 serileri bu iş için kullanılmaktadır. Bu tipte chipler çıkış DC gerilimini
%0,01 olarak hat geriliminin ve yük direncinin değişmesini tutarlar. Diğer bir özellik olarak pozitif ve
negatif ayarlanabilen çıkış gerilimleri ve kısa devre koruma sağlarlar.
OP-AMPLARIN TEMEL KULLANIMLARI
İşlemsel kuvvetlendiriciler terim olarak analog bilgisayarların alan örneklerindendir. Bu tipteki
yükselticiler matematiksel işlemlerin, toplama, çıkartma, çarpma, bölme, integral, türev ve logoritma
alma gibi uygulamalarında başarılı bir şekilde kullanılmışıtır. Aslında op-amplar çok geniş bir alanda
kullanılmalarına karşın hala orijinal isimleri kullanılmaktadır.
Temelde op-amp yüksek gerilim kazancı DC fark kuvvetlendiriciler olup aşağıdaki karakteristikleri
taşımaktadır.
 Sonsuz band genişliği,
 Sonsuz giriş empedansı,
 Sıfır çıkış empedansı,
Şekil 15-8 a’da görülen op-amp (+) pozitif noninvert ve (-) negatif invert girişli ve tek çıkışa sahiptir.
İlave olarak op-amp normalde çift kaynaklı + 5 V’dan + 18V’a kadar gerilim uygulanan bir elemandır.
Tek besleme kullanıldığında + 5 V’dan +15 ve -5 V’dan -15V’a kadar toprakla arasında bağlantı
yapılan bir beslemeye sahiptir
Aslında op-amp tek bir pozitif polarite ile de beslenebilir. Ancak, op-ampların daha çok çift kaynakla
beslemek adet olmuştur. Şekillerde besleme uçları bağlantı gösterilmeden görebilirsiniz.
Daha evvel bahsedildiği gibi op-amp iki girişi sahiptir. Bu iki giriş arasındaki fonksiyon fark aşağıda
izah edildiği gibidir.
Eğer sinyal op-ampların (+) noninvert girişine uygulanmış ise çıkış girişte aynı fazda olacaktır. Giriş
sinyali pozitife gittiği zaman çıkışta pozitife gider.
Eğer sinyal op-ampların (-) girişine (invert) uygulanmış ise çıkış 180 C faz farklı olarak veya yarım
saykıl olarak çıkacaktır.
Bunun anlaöı giriş sinyali pozitife gittiği zaman çıkış negatife gider veya girişin tersi olan çıkış alınır.
Şekil 15-10’da görülüyor. Bu bölümde op-amp devrelerin aktif olarak ve geri besleme elemanları ile
çıkış sinyalinin giriş sinyaline göre nasıl değiştiğini, op-amp karakteristikleri üzerinde duracağız.
TERSLEYİCİ YÜKSELTİCİ
Op-ampın bir tersleyici yükseltici olarak kullanımı Şekil 15-11 deki bağlantısında görülmektedir.RA ve
RB geri besleme elemanı olarak isimlendirilir. Bu devre için her iki elemanda dirençtir. Giriş
topraklanmıştır. RB direnci çıkış geriliminden geri besleme olarak tersleyici girişine bağlanmıştır. RA ve
RB terimleri çıkış geriliminin saptanmasında kullanılır.
RB
Vçıkış = ___________________ . Vgiriş
RA
Sonuç olarak gerilim kazancı, çıkış geriliminin giriş gerilimine oranıdır.
Vçıkış
RB
Gerilim kazancı = ___________=__________
Vgiriş
RA
GERİLİMİ TAKİP EDİCİ
Gerilim takip edici bazen tampon emiter takip edici veya katod takip edici ile aynı fonksiyona sahiptir.
Bu sebepten oldukça yüksek giriş empedansı ( 100 k’dan büyük ) ve çok düşük çıkış empedansı ( 750
’dan küçük ) değere sahiptir.
Gerilim takip edici faz terslemeyen yükselticiye benzemekte ancak, RA= Sonsuz ve RB = 0 bu sebepten
de gerilim kazancı daima eşittir.
TOPLAMA YÜKSELTİCİSİ
İki veya daha bağımsız giriş sinyalini toplamak istiyorsak toplama yükseltici devresini Şekil 15-14’de
kurmak gerekmektedir. Bu devre tersleyici yükseltici devreye iki girişi hariç V1 ve V2 aynıdır.
Gerilim kazancı her giriş için geri besleme RB direnci ile giriş direnci tarafından sağlanır.
Vçıkış
RB
Gerilim kazancı A = _________=___________
V1
R1
Vçıkış
RB
Gerilim kazancı AV = ___________=______________
V2
R2
Böylece çıkış gerilimi,
RB
RB
Vçıkış = ________________ . V1 + __________________ . V2
R1
R2
Daha faydalı devre, Şekil 15-14’da görülen devredir.
Aslında bu devre biraz daha karmaşık görülmektedir. Analiz oldukça basit olup, bu bölümde
öğrendiklerimizle halledebiliriz. Önce V3 noktasının toprağa kısa devre olduğunu farz edelim. Bu
durumda, devreniz toplama devresidir. Şekil 15-14’de görüldüğü gibi toplama yükseltici çıkış gerilimi
eşitliğinde verilmiştir.
İkinci olarak giriş sinyalleri V1 ve V2 toprağa kısa devredir. Şimdi de bir faz terslemeyen yükseltici
olup R1 ve R2 dirençleri paralel duruma getirmişti,r. Bu ifade Şekil 15-14’de RA olarak görülmektedir.
R1 . R2
RA= __________________
R1 + R2
Gerçek faz terslemeyen giriş gerilimi ki op-amp V3 görür ki gerilim bölücü eşitliğinin V3 ile ilişkisidir.
R4
V3= ______________ . V3
R3 + R4
Faz terslemeyen çıkış gerilimi eşitliğinden,
RF
Vçıkış = (1 + ______________ ) V3
RA
Daha evvelki eşitlikleri nazarı dikkate alırsak;
R1.R2.RF.R1+R1.R2
R4
Vçıkış = (_________________________________) ( __________________________) V3
R1 . R2
R3+R4
İNTEGRAL
Tersleyici yükseltici devrenin geri besleme direncinin bir kondansatörle değiştirilmesi Şekil 15-15 ‘daki
İntegral devresi oluşturulmuş olur.
Giriş sinyali integral eğrisinin altındaki alanı temsil etmektedir. Çıkış gerilimi aşağıdaki eşitlikle
verilmiştir.
1
Vçıkış = _____________________ Vgiriş. DT
RA. C0
1
________ terimi en küçük giriş frekansı beklenen değere uygun olmalıdır. Böylece ;
RA. C
1
RA . C = _____________________
2n Fmin
İntegral sonuç olarak çıkışta ofset gerilimi yaratılmasına sebep olacaktır. Bunun sebebi de beyz akım
ofsetidir.
Çıkış ofset gerilimini minimuma indirebilmek için faz terslemeyen girişe RA değerinde bir dirençle
toprağa bağlantı yapılır.
TÜREV DEVRESİ
İntegral devresi olarak kullandığımız şemada girişe kondansatör çıkışa ise direnç ilave ettiğimizde yani
integral devresindeki dirençle kondansatörü yer değiştirdiğimizde elde edilen devre türev devresidir.
Türev çıkışı giriş sinyalinin türevi ile orantılıdır. Görülen devrede F= 2000 Hz, 2.5 V, üçgen dalga çıkış
A 10 V kare dalgadır.
Girişe verilen kare dalgalar çıkışa aşağıdaki görülen pasler biçiminde transfer edilecektir.
F= 2 Khz V = 10 V V1 = 0.5 V Çıkış= 7V
Philips Semiconductors
Product specification
SMPS control circuit
SG3524
DESCRIPTION
PIN CONFIGURATION
This monolithic integrated circuit contains all the control circuitry for
a regulating power supply inverter or switching regulator. Included in
a 16-pin dual-in-line package is the voltage reference, error
amplifier, oscillator, pulse-width modulator, pulse steering flip-flop,
dual alternating output switches and current-limiting and shut-down
circuitry. This device can be used for switching regulators of either
polarity, transformer-coupled DC-to-DC converters, transformerless
voltage doublers and polarity converters, as well as other power
control applications. The SG3524 is designed for commercial
applications of 0°C to +70°C.
D, F, N Packages
INVERT INPUT 1
16 VREF
NON-INV INPUT 2
15 VIN
OSC OUTPUT 3
14 EMITTER B
(+)CL SENSE 4
13 COLLECTOR B
(–)CL SENSE 5
12 COLLECTOR A
RT
6
11 EMITTER A
CT
7
10 SHUTDOWN
GROUND 8
FEATURES
• Complete PWM power control circuitry
• Single ended or push-pull outputs
• Line and load regulation of 0.2%
• 1% maximum temperature variation
• Total supply current is less than 10mA
• Operation beyond 100kHz
9
COMPENSATION
TOP VIEW
SL00174
Figure 1. Pin Configuration
ORDERING INFORMATION
TEMPERATURE RANGE
ORDER CODE
DWG #
16-Pin Plastic Dual In-Line Package (DIP)
DESCRIPTION
0 to +70°C
SG3524N
SOT38-4
16-Pin Ceramic Dual In-Line Package (CERDIP)
0 to +70°C
SG3524F
0582B
16-Pin Small Outline (SO) Package
0 to +70°C
SG3524D
SOT109-1
BLOCK DIAGRAM
VREF 16
VIN 15
REF
REG
+5V TO ALL
INTERNAL CIRCUITRY
+5V
OSCILLATOR
3
OUTPUT
FLIP FLOP
+5V
RT 6
CT 7
(RAMP)
12
OSC
11
13
+5V
+
14 E
B
–
INV INPUT 1
+5V
ERROR
–
AMP
N.I. INPUT 2
+
CB
NOR
COMPARATOR
GROUND
8
(SUBSTRATE)
CA
NOR
+5V
+
CL
–
9
1k
4
+SENSE
5 –SENSE
COMPENSATION
10
SHUTDOWN
10k
SL00175
Figure 2. Block Diagram
1994 Aug 31
1
853-0891 13721
Philips Semiconductors
Product specification
SMPS control circuit
SG3524
ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS
SYMBOL
PARAMETER
RATING
UNIT
VIN
Input voltage
40
V
IOUT
Output current (each output)
100
mA
IREF
Reference output current
50
mA
Oscillator charging current
5
mA
PD
Power dissipation
Package limitation
1000
mW
Derate above 25°C
8
mW/°C
0 to +70
°C
-65 to +150
°C
TA
Operating temperature range
TSTG
Storage temperature range
DC ELECTRICAL CHARACTERISTICS
TA=0°C to +70°C, VIN=20V, and f=20kHz, unless otherwise specified.
SYMBOL
PARAMETER
TEST CONDITIONS
LIMITS
UNIT
Min
Typ
Max
4.6
5.0
5.4
V
Reference section
VOUT
ISC
Output voltage
Line regulation
VIN=8 to 40V
10
30
mV
Load regulation
IL=0 to 20mA
20
50
mV
Ripple rejection
f=120Hz, TA=25°C
66
dB
Short circuit current limit
VREF=0, TA=25°C
100
mA
Over operating temperature range
0.3
TA=25°C
20
mV/kHz
kHz
Temperature stability
Long-term stability
1
%
Oscillator section
fMAX
CT=0.001 µF, RT=2kΩ
300
Initial accuracy
RT and CT constant
5
Voltage stability
VIN=8 to 40V, TA=25°C
1
Over operating temperature range
2
Maximum frequency
Temperature stability
Output amplitude
Output pulse width
%
%
%
Pin 3, TA=25°C
3.5
VP
CT=0.01 µF, TA=25°C
0.5
µs
Error amplifier section
VOS
Input offset voltage
VCM=2.5V
2
10
mV
IBIAS
Input bias current
VCM=2.5V
2
10
µA
Open-loop voltage gain
68
VCM
Common-mode voltage
TA=25°C
CMRR
Common-mode rejection ratio
TA=25°C
BW
Small-signal bandwidth
VOUT
Output voltage
80
1.8
dB
3.4
70
AV=0dB, TA=25°C
3
TA=25°C
0.5
% each output “ON”
0
V
dB
MHz
3.8
V
45
%
Comparator section
Duty cycle
IBIAS
Input threshold
Zero duty cycle
1
Input threshold
Maximum duty cycle
3.5
V
1
µA
Input bias current
V
Current limiting section
Sense voltage
Pin 9=2V with error amplifier set for maximum out,
TA=25°C
180
Sense voltage T.C.
VCM
1994 Aug 31
200
220
0.2
Common-mode voltage
-1
2
mV
mV/°C
+1
V
Philips Semiconductors
Product specification
SMPS control circuit
SG3524
DC ELECTRICAL CHARACTERISTICS (Continued)
TA = 0°C to +70°C, VIN = 20V, and f = 20kHz, unless otherwise specified.
SYMBOL
PARAMETER
LIMITS
TEST CONDITIONS
Min
Typ
Max
UNIT
Output section (each output)
Collector-emitter voltage (breakdown)
40
V
Collector-leakage current
VCE=40V
0.1
50
µA
Saturation voltage
IC=50mA
1
2
V
Emitter output voltage
VIN=20V
17
18
V
tR
Rise time
RC=2kΩ, TA=25°C
0.2
µs
tF
Fall time
RC=2kΩ, TA=25°C
0.1
µs
VIN=40V
8
Total standby current
(excluding oscillator charging current,
error and current limit dividers, and
with outputs open)
10
mA
connecting Pins 15 and 16 together to the input voltage. In this
configuration, the maximum input voltage is 6.0V.
THEORY OF OPERATION
Voltage Reference
This reference regulator may be used as a 5V source for other
circuitry. It will provide up to 50mA of current itself and can easily be
expanded to higher currents with an external PNP as shown in
Figure 3.
An internal series regulator provides a nominal 5V output which is
used both to generate a reference voltage and is the regulated
source for all the internal timing and controlling circuitry. This
regulator may be bypassed for operation from a fixed 5V supply by
Q1
SG3524
REFERENCE
SECTION
100Ω
15
+VIN
VREF
16
IL to 1.0A
DEPENDING
ON CHOICE
FOR Q1
+
8
10µF
GND
SL00176
Figure 3. Expanded Reference Current Capability
TEST CIRCUIT
IS
2k
1W
VIN
OSC OUT
15
3
VREF
16
SG3524
8
6
7
2
RAMP
1
N.I.
INPUT
9
INV.
INPUT
10
VIN
8–40V
0.1
RT
CT
4
COMP
SHUT
DOWN
2k
10k
10k
1k
12
13
11
5 14
2k
1W
OUTPUTS
CURRENT
LIMIT
2k
SL00177
Figure 4. Test Circuit
1994 Aug 31
3
Philips Semiconductors
Product specification
SMPS control circuit
SG3524
OUTPUT DEAD TIME – microseconds
3.6 V ÷ RT and should be kept within the approximate range of 30µA
to 2mA; i.e., 1.8k<RT<100k.
The range of values for CT also has limits as the discharge time of
CT determines the pulse-width of the oscillator output pulse. This
pulse is used (among other things) as a blanking pulse to both
outputs to insure that there is no possibility of having both outputs
on simultaneously during transitions. This output dead time
relationship is shown in Figure 5. A pulse width below approximately
0.5µs may allow false triggering of one output by removing the
blanking pulse prior to the flip-flop’s reaching a stable state. If small
values of CT must be used, the pulse-width may still be expanded
by adding a shunt capacitance (≅100pF) to ground at the oscillator
output. [(Note: Although the oscillator output is a convenient
oscilloscope sync input, the cable and input capacitance may
increase the blanking pulse-width slightly.)] Obviously, the upper
limit to the pulse width is determined by the maximum duty cycle
acceptable. Practical values of CT fall between 0.001 and 0.1 µF.
10
5
3
2
1.0
0.5
0.3
.001 .002 .005 .01 .02
.05 1
TIMING CAPACITOR VALUE (C–)–(µF)
SL00178
TIMING RESISTOR (R T ) kohms
Figure 5. Output Stage Dead Time as a Function of the Timing
Capacitor Value
The oscillator period is approximately t=RTCT where t is in
microseconds when RT=Ω and CT=µF. The use of Figure 6 will allow
selection of RT and CT for a wide range of operating frequencies.
Note that for series regulator applications, the two outputs can be
connected in parallel for an effective 0-90% duty cycle and the
frequency of the oscillator is the frequency of the output. For
push-pull applications, the outputs are separated and the flip-flop
divides the frequency such that each output’s duty cycle is 0-45%
and the overall frequency is one-half that of the oscillator.
100
50
20
10
5
External Synchronization
2
If it is desired to synchronize the SG3524 to an external clock, a
pulse of ≅+3V may be applied to the oscillator output terminal with
RTCT set slightly greater than the clock period. The same
considerations of pulse-width apply. The impedance to ground at
this point is approximately 2kΩ.
1
5 10 20 50 100 200 5001ms2ms
OSCILLATOR PERIOD (µs)
SL00179
If two or more SG3524s must be synchronized together, one must
be designated as master with its RTCT set for the correct period.
The slaves should each have an RTCT set for approximately 10%
longer period than the master with the added requirement that
CT(slave)=one-half CT (master). Then connecting Pin 3 on all units
together will insure that the master output pulse—which occurs first
and has a wider pulse width—will reset the slave units.
Figure 6. Oscillator Period
as a Function of RT and CT
VOLTAGE GAIN - dB
RL = 30MΩ
Error Amplifier
80
60
RL = 1MΩ
40
RL = 300kΩ
RL = 100kΩ
This circuit is a simple differential input transconductance amplifier.
The output is the compensation terminal, Pin 9, which is a
high-impedance node (RL≅ 5MΩ). The gain is
RL = 30kΩ
A V g MR L 20
RL = RESISTANCE FROM
PIN 9 TO GND
0
10
100
1k
10k
100k 1M
FREQUENCY - (Hz)
2kT
0.002R L
and can easily be reduced from a nominal of 10,000 by an external
shunt resistance from Pin 9 to ground, as shown in Figure 7.
10M
SL00180
In addition to DC gain control, the compensation terminal is also the
place for AC phase compensation. The frequency response curves
of Figure 7 show the uncompensated amplifier with a single pole at
approximately 200Hz and a unity gain crossover at 5MHz.
Figure 7. Amplifiers Open-Loop Gain as a Function of
Frequency and Loading on Pin 9
Typically, most output filter designs will introduce one or more
additional poles at a significantly lower frequency. Therefore, the
best stabilizing network is a series RC combination between Pin 9
and ground which introduces a zero to cancel one of the output filter
poles. A good starting point is 50kΩ plus 0.001µF.
Oscillator
The oscillator in the SG3524 uses an external resistor (RT) to
establish a constant charging current into an external capacitor (CT).
While this uses more current than a series-connected RC, it
provides a linear ramp voltage on the capacitor which is also used
as a reference for the comparator. The charging current is equal to
1994 Aug 31
8 IC RL
4
Philips Semiconductors
Product specification
SMPS control circuit
SG3524
One final point on the compensation terminal is that this is also a
convenient place to insert any programming signal which is to
override the error amplifier. Internal shutdown and current limit
circuits are connected here, but any other circuit which can sink
200µA can pull this point to ground, thus shutting off both outputs.
VREF
R2
5k
While feedback is normally applied around the entire regulator, the
error amplifier can be used with conventional operational amplifier
feedback and is stable in either the inverting or non-inverting mode.
Regardless of the connections, however, input common-mode limits
must be observed or output signal inversions may result. For
conventional regulator applications, the 5V reference voltage must
be divided down as shown in Figure 8. The error amplifier may also
be used in fixed duty cycle applications by using the unity gain
configuration shown in the open-loop test circuit.
5k
POSITIVE
OUTPUT
VOLTAGES
2
+
1
–
R1
GND
VREF
R1
5k
Current Limiting
2
+
1
–
NEGATIVE
OUTPUT
VOLTAGES
5k
The current limiting circuitry of the SG3524 is shown in Figure 9.
R2
GND
By matching the base-emitter voltages of Q1 and Q2, and assuming
a negligible voltage drop across R1:
SL00181
Threshold=VBE(Q1)+I1R2-VBE(Q2)
Figure 8. Error Amplifier Biasing Circuits
=I1R2 ≅ 200mV
9
Although this circuit provides a relatively small threshold with a
negligible temperature coefficient, there are some limitations to its
use, the most important of which is the ±1V common-mode range
which requires sensing in the ground line. Another factor to consider
is that the frequency compensation provided by R1C1 and Q1
provides a roll-off pole at approximately 300Hz.
RAMP
ERROR
AMPLIFIER
t1
C1
COMPARATOR
R1
R1
Q1
Since the gain of this circuit is relatively low, there is a transition
region as the current limit amplifier takes over pulse width control
from the error amplifier. For testing purposes, threshold is defined as
the input voltage required to get 25% duty cycle with the error
amplifier signaling maximum duty cycle.
Q2
5
–
+
SENSE
4
SL00182
In addition to constant current limiting, Pins 4 and 5 may also be
used in transformer-coupled circuits to sense primary current and to
shorten an output pulse, should transformer saturation occur.
Another application is to ground Pin 5 and use Pin 4 as an additional
shutdown terminal: i.e., the output will be off with Pin 4 open and on
when it is grounded. Finally, foldback current limiting can be
provided with the network of Figure 10. This circuit can reduce the
short-circuit current (ISC) to approximately one-third the maximum
available output current (IMAX).
Figure 9. Current Limiting Circuitry of the SG3524
VO = 5V
SA/SB
R1
R2
RS
–
SENSE
5
4
+
I MAX +
I
NOTE:
SC
+
1
R
S
V
TH
)
V 0R 2
R1 )
R2
V TH
R
S
where
VTH = 200mV
Foldback current limiting can be used to reduce power dissipation
under shorted output conditions.
Figure 10. Foldback Current Limiting
1994 Aug 31
5
SL00183