ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ ELE 201L DEVRE ANALİZİ LABORATUVARI Temel İşlemsel Kuvvetlendiriciler Deney 3 1. Hazırlık a. Ön-çalışma soruları laboratuvara gelmeden önce çözünüz. Ön-çalışma çözümleriniz asistan Bürkan Tekeli'ye Z11'de EN GEÇ PAZARTESİ 17 HAZİRAN 2013, SABAH 1100'DE TESLİM EDİLMELİDİR. Laboratuvara gelmeden once ön-çalışmanız asistan tarafından toplanıp kontrol edilip lab vaktinizde size iade edilecektir. Ön-çalışmanızın okunaklı, çözümlerinizin de muntazam ve tüm hesaplama basamakları gösteriyor olmaları önem arz etmektedir. Laboratuvar çalışmalarına devam edebilmek için ön-çalışmanızdan geçerli not (%40) almanız gerekmektedir. Vaktinde teslim edilmeyen ön-çalışmalar puan verilmeyecektir. b. Bu deneyi tamamlamak için 2 HAFTA SÜRENİZ olacaktır ve dolayısıyla toplam 200 puan üzerinden notlandırılacaktır): 1. Hafta: Ön-Çalışmanın A - E kısımlarını, Deneyin A - D kısımlarıyla bitiriniz. Ön-Çalışmanın A-E kısımlarını doğru olarak 10 Haziran 2013 en geç 1330’e kadar asistanlara teslim edenlere BONUS 20 PUAN verilecektir. 2. Hafta: Ön-Çalışmanın F ve G kısımlarını, Deneyin E ve F kısımlarıyla bitiriniz. c. Laboratuvara gelirken Deney 3 Föyünü, cihazlarla ilgili referans bildirileri, 741 OP AMP data sheet'i ve de bir hesap makinesi getiriniz. 2. Ön-Çalışma Kontrolu Öğrenci ön-çalışmasını vaktinde teslim Ön-Çalışma Notu : □ etti □ etmedi. / 100 Asistanın İsmi : ___________________________________________________________________ Asistanın İmzası : _________________________________________________________________ 1 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ 3. Ön-Çalışma Soruları A. Eviren Kuvvetlendirici (Inverting Amplifier) ŞEKİL 1: Eviren Kuvvetlendirici Devre Şekil 1’deki eviren kuvvetlendirici devrenin gerilim kazancını V0 / Vin direnç değerlerine bağlı olarak ifade ediniz. V0 / Vin = Aşağıdaki eksenlerde R1 = 10 k, R2 = 100 k, ve Vcc = 15 V için beklenen transfer fonksiyonu çiziniz. Sonucunuzu PSPICE ile doğrulayınız, ve PSPICE çıktılarınızı önçalışmanıza ekleyiniz. V0 Vin 2 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Deneylerde op-amp'ları için LM741 çipi kullanmanız gerekecektir. Aşağıda örnek bir bağlantı, ve çipin pin tanımları gösterilmiştir. Çipin tüm özelliklerini ayrıntılı bir şekilde verilen data sayfası dersinin internet sayfasından bulunabilir. 3 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Şekil 1'deki Eviren Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz. 4 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ B. Evirmeyen Kuvvetlendirici (Non-Inverting Amplifier) ŞEKİL 2: Evirmeyen Kuvvetlendirici Devre Şekil 2’deki devrenin gerilim kazancını ifade eden denklem nedir? V0 / Vin = Rs = 2 k, Rf = 6 k, Rg = 5 k, ve Vg = 10 V için PSPICE ile devreyi simüle edin, ve sonuçlarınızı ön-çalışmanıza ekleyin. 5 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Şekil 2'deki Evirmeyen Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz. 6 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ C. Fark Kuvvetlendirici (Differential Amplifier) ŞEKİL 3: Fark Kuvvetlendirici Devre Şekil 3’deki devrenin çıkış gerilim kazancını giriş gerilimlerine ve dirençlere göre ifade eden denklem nedir? R1 = 2 k, R2 = 4 k, R3 = 1 k, R4 = 9 kV1 = 5 V, ve V2 = 10 V için PSPICE ile devreyi simüle edin, ve sonuçlarınızı ön-çalışmanıza ekleyin. 7 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Deney Föyün sonunda fark kuvvetlendiriler hakkında verilen ek-sayfaları okuyunuz. Devrenin farksal mod gerilimi (differential mode input) nedir? Devrenin ortak mod gerilimi (common mode input) nedir? Devrenin ortak mod bastırma oranı (common mode rejection ratio, CMRR) nedir? 8 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Şekil 3'deki Fark Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz. 9 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ D. Toplayıcı Kuvvetlendirici (Summing Amplifier) ŞEKİL 4: Toplayıcı Kuvvetlendirici Devre Şekil 4’deki devrenin çıkış gerilim kazancını giriş gerilimlerine ve dirençlere göre ifade eden denklem nedir? R1 = 2 k, R2 = 2 k, R3 = 4 k, V1 = 10 V, ve V2 = 5 V için PSPICE ile devreyi simüle edin, ve sonuçlarınızı ön-çalışmanıza ekleyin. 10 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Şekil 4'deki Toplayıcı Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz. 11 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ E. Gerilim Takipçi Diyelim ki bir yüke Vs değerinde sabit bir gerilim sağlamak istiyoruz. Önce Şekil 5'deki devreyi ele alalım. Yüke bağlanan cihazın Thevenin eşdeğer devresi bir ideal gerilim kaynağı Vs ve Thevenin direnci Rs ile modellenmektedir. Yük direncin gerilimi olan V0 için Vs, Rs, ve RL'e bağlı olan bir ifade bulunuz. ŞEKİL 5: Gerilim Kaynağın Doğrudan Yüke Bağlandığı Devre V0 = Yük direncin değeri değiştikçe yüke sağlanan gerilim de değişiyor mu? EVET HAYIR 12 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Eğer Rs = 100 k ise sağlanan gerilimin Vs kaynağın %95'i olması için RL ne kadar büyük olmalıdır? Şimdi Şekil 6'daki devreyi ele alalım. Yük ile cihazın arasında bir gerilim takipçi devresi yerleştirdiğimizde çıkış gerilimi V0'ın ifadesi nedir? ŞEKİL 6: Gerilim Takipçinin Aracılığıyla Yüke Bağlanan Gerilim Kaynağı V0 = Şekil 5 ve Şekil 6’daki devreleri PSPICE da simüle edin. Vs = 12 V ve bir önceki soruda bulduğunuz RL değeri için elde ettiğiniz sonuçlarızı ön-çalışmanıza ekleyin. Yük direncin değeri değiştikçe yüke sağlanan gerilim de değişiyor mu? EVET HAYIR 13 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Gerilim takipçi devrenin üstelendiği görevi kısaca özetleyiniz. F. Bağımlı Gerilim Kaynaklar İçeren Devrelerin Thevenin Eşdeğer Devreleri Op-Amp'lar bağımlı kaynakların tasarımında da kullanılabilmektedir. Örneğin, Şekil 2'de gösterilen Evirmeyen Kuvvetlendirici aynı zamanda gerilim kontrollu bir gerilim kaynağıdır. Çıkış gerilimi giriş gerilimine bağlıdır çünkü. Şekil 7'deki devreyi ele alalım, ve ideal bağımlı kaynak yerine pratik bir bağımlı kaynak olarak bir evirmeyen kuvvetlendirici kullanalım. Şekil 7'nın temsil ettiği devreyi gerçekte Şekil 8'deki pratik devreyle gerçekleştirebiliriz. Şekil 7: Gerilim Kontrollu Gerilim Kaynağı İçeren Devre ŞEKİL 8: Gerçek Gerilim Kontrollu Gerilim Kaynaklı Devre 14 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Şekil 7'daki ideal bağımlı kaynak içeren devrenin Thevenin eşdeğer direncini açık devre gerilimin ve kısa devre akımın orantısını bularak hesaplayınız. Voc = Isc = RTH = 15 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Test kaynak yöntemiyle Thevenin eşdeğer direnci bulunuz. Cevabınız daha önce hesapladığınız direnç değeriyle aynı mı? Aşağıda cevabınızı işaretleyiniz. EVET HAYIR RTH = 16 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Şekil 8'deki gerçekçi devrenin Thevenin eşdeğerini bulmak istiyoruz. Devre öğelerine bağlı olarak Thevenin eşdeğerin geçerli olması için hangi şart veya şartların sağlanması gerekmektedir? İp ucu: hangi şartlarda devre doğrusallık koşulunu sağlamaktadır? Evirmeyen kuvvetlendirici devrenin direnç değerleri ne olmalıdır kazanç G'yi sağlamak için? Cevabınız genel bir matematiksel ifade olarak vermelisiniz. Non-ideal op-amp modelini kullanarak, Şekil 8'deki gerçekçi devrenin çıkıştan görülen Thevenin eşdeğer direncini hesaplayınız. 17 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Şekil 8’deki gerçekçi devrenin Thevenin direncinin Şekil 7'daki ideal devrenin Thevenin direncine eşit olması için direnç değerlerine bağlı olarak sağlanması gereken şartı nedir? Sizce tasarladığımız op-amp’lı kaynağın ideal bağımlı kaynak olarak kullanılması uygunmudur? Neden? 18 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ G. Bağımlı Akım Kaynaklar İçeren Devrelerin Thevenin Eşdeğer Devreleri Şekil 9’de verilen devre gerilim kontrollu bir akım kaynağı içermektedir. Önce açık devre gerilimini ve kısa devre akımını hesaplayarak Thevenin eşdeğer direnci bulunuz. ŞEKİL 9: Gerilim Kontrollu Akım Kaynağı İçeren Devre Vo = Isc = RTH = 19 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Test kaynak yöntemiyle Thevenin eşdeğer direncini bulunuz. Cevabınız daha önce hesapladığınız direnç değeriyle aynı mı? Aşağıda cevabınızı işaretleyiniz. EVET HAYIR RTH = 20 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Şekil 9’deki bağımlı akım kaynağı bildiğiniz devre ögeleriyle (dirençlerle ve op-amp’larla) tasarlanabilmektedir. Şekil 10’deki op-amp devresini inceleyiniz ve girdi gerilimine göre çıktı akımını yazınız. Çıktı akımı girdi gerilime bağlı olduğundan bu devre gerilim kontrollu bir akım kaynağı olarak işlev görebilmektedir. ŞEKİL 10: Op-Amp’lı Akım Kaynağı 21 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Şekil 10'deki gerçekçi akım kaynağı Şekil 11'deki gerilim kontrollu akım kaynağı yerine konulursa, Şekil 11'da gösterilen devre elde edilir. ŞEKİL 11: Gerçek Gerilim Kontrollu Akım Kaynaklı Devre Şekil 11'deki gerçekçi devrenin Thevenin eşdeğerini bulmak istiyoruz. Devre öğelerine bağlı olarak Thevenin eşdeğerin geçerli olması için hangi şart veya şartların sağlanması gerekmektedir? İp ucu: hangi şartlarda devre doğrusallık koşulunu sağlamaktadır? 22 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Şekil 10 ve Şekil 11'daki devrelerin eşdeğer olmaları için kazanç G için Şekil 11'deki dirençlere bağlı olan bir ifade bulunuz. 23 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Şekil 11’deki gerçekçi devrenin Thevenin direncinin Şekil 10'daki ideal devrenin Thevenin direncine eşit olması için direnç değerlerine bağlı olarak sağlanması gereken şartı nedir? Sizce tasarladığımız op-amp’lı kaynağın ideal bağımlı kaynak olarak kullanılması uygunmudur? Neden? 24 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ 4. Deneyler A. Eviren Kuvvetlendirici (Inverting Amplifier) Şekil 1'de gösterilen eviren kuvvetlendirici devrenin gerilim kazancını ölçünüz. Bunu yapmak için sinyal kaynağını 1 kHz sinüssal bir sinyali sağlayacak şekilde ayarlayınız ve girişin ve çıkışın tepeden tepeye gerilimini ölçünüz. Ölçümünüzü ön-çalışmada yaptığınız hesaplarla kıyaslayınız. Ölçülen Gerilim Kazancı = Şimdi sinyal kaynağının sağladığı sinüssal sinyalin genliğini artırınız. Belirli bir noktadan sonra çıkış sinyal artık sinüssal olmayacaktır - neden işlemsel kuvvetlendiricinin çıkışı artık sinüssal değil? Gözlemlediğiniz sinüssal olmayan çıkış sinyali aşağıda verilen eksenlerde çiziniz. Çıktının sinüssal olması için girdi sinyalin genliği en fazla ne olmalıdır? V0 t max(girdi genliği) = 25 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Salınımölçeri kullanarak, değişik giriş genlikleri için çıkışın genliğini ölçünüz. Ölçümlerinizi aşağıdaki eksenlerde işaretleyerek devrenin transfer fonksiyonunu çiziniz. V0 Vin Giriş sinyalin genliğini değiştirdikçe gözlemlenen değişiklikleri - eğer varsa - not ediniz. Ölçümünüz analitik olarak hesapladığınız transfer fonksiyonuyla uyumlu mu? Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz sonuçlarınızla karşılaştırın. 26 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ B. Fark Kuvvetlendirici (Differential Amplifier) Şekli 3'de gösterilen fark kuvvetlendirici için aşağıdaki giriş sinyalleri için çıkış sinyalini ölçünüz ve aşağıda çiziniz. Direnç değerleri olarak R1 = 10 k, R2 = 20 kR3 = 30 k, ve R4 = 40 kkullanınız. Ölçümleriniz analitik hesaplarınızla uyumlu mu? V1 = 0 V ve V2 = 5 V: V0 t V1 = 0 V ve V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 kHz'lık sinüs: V0 Vin 27 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ V1 = 5 V ve V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 kHz'lık sinüs: V0 Vin V1 = V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 kHz'lık sinüs: V0 Vin 28 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Farksal mod kazancını ve ortak mod kazancını ölçerek, CMRR'ı hesaplayınız. Ölçümünüzü ön-çalışmada yaptığınız analitik hesaplarla karşılaştırınız. İp-ucu: Aşağıdaki şekilde farksal ve ortak mod gerilimler gösterilmektedir. Eğer Vcm sıfırlanınca ölçülen kazanç sadece farksal gerilimlerden kaynaklanmış olacağından ölçülen kazanç aslında farksal mod kazancıdır. Benzer bir şekilde, Vdm sıfırlanınca ölçülen kazanç, ortak mod kazancıdır. Bu kazançların oranı ise CMRR olarak tanımlanmaktadır. Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz sonuçlarınızla karşılaştırın. 29 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ C. Toplayıcı Kuvvetlendirici (Summing Amplifier) Şekli 4'de gösterilen toplayıcı kuvvetlendirici için aşağıdaki giriş sinyalleri için çıkış sinyalini ölçünüz ve aşağıda çiziniz. Direnç değerleri olarak R1 = 10 k, R2 = 20 kveR3 = 30 k kullanınız. Ölçümleriniz analitik hesaplarınızla uyumlu mu? V1 = 0 V ve V2 = 5 V: V0 t V1 = 0 V ve V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 kHz'lık sinüs: V0 Vin 30 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ V1 = 5 V ve V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 kHz'lık sinüs: V0 Vin V1 = V2 = tepeden tepeye genliği 1 V olan 1 kHz'lık sinüs: V0 Vin 31 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz sonuçlarınızla karşılaştırın. D. Gerilim Takipçi Vs = 5 V, ve Rs = RL= 100 k için Şekil 5'deki devrenin çıkış gerilimini (V0) ölçünüz. Yüke sağlanan gerilimin, gerilim kaynağında sağladığı gerilimden ne kadar çok düşük? Cevabınızı yüzde olarak veriniz. Bir kaç farklı RL değeri için hesabınızı tekrarlayınız. Sizce Şekil 5'deki bağlantı şekli etkilimidir gerilim sağlamak için? Değilse, devrenin dezavantajları nedir? Şekil 5'deki Devre Ölçümleri RL V0 Hata Yüzdesi 100 k Şimdi aynı deneyi gerilim takipçisinin kullanıldığı Şekil 6'deki devre üzerinde deneyiniz. Gerilim takipçisi ne fayda sağliyor? Şekil 6'deki Devre Ölçümleri RL V0 Hata Yüzdesi 100 k Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz sonuçlarınızla karşılaştırın. 32 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ E. Bağımlı Gerilim Kaynaklar İçeren Devrelerin Thevenin Eşdeğer Devreleri Şekil 8’deki devreyi devre tahtanızda kurunuz. Açık devre gerilimini ve Thevenin direncini (gerilim bölücü yöntemiyle) ölçünüz. Ön çalışmada gerçekleştirdiğiniz analitik sonuçlarla kıyaslayınız. Analitik ile deneysel sonuçlarınız arasında fark var mı, var ise nedenleri neler olabilir? Devrenizi kurarken aşağıdaki direnç değerleri kullanınız: R1= 1KΩ Rg= 10KΩ R2= 2.7KΩ Rs= 10KΩ R3= 6.2KΩ Rf = 10KΩ R4= 22KΩ Bağımsız gerilim kaynağı için Vs = 5 V kullanın, op-amp’ın kaynak gerilimi de Vcc = 15 V. Şekil 7’deki Devrenin Thevenin Eşdeğer Devre Ölçümleri Ölçüm Analitik Hesap Fark Açık Devre Gerilim % Thevenin Direnç % Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz sonuçlarınızla karşılaştırın. 33 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ F. Bağımlı Akım Kaynaklar İçeren Devrelerin Thevenin Eşdeğer Devreleri Şekil 11’deki devreyi devre tahtanızda kurunuz. Açık devre gerilimini ve Thevenin direncini (gerilim bölücü yöntemiyle) ölçünüz. Ön çalışmada gerçekleştirdiğiniz analitik sonuçlarla kıyaslayınız. Analitik ile deneysel sonuçlarınız arasında fark var mı, var ise nedenleri neler olabilir? Devrenizi kurarken aşağıdaki direnç değerleri kullanınız: R1= 1KΩ R4= 10KΩ R2= 10KΩ RD= 10KΩ R3= 6.2KΩ RL= 2.7KΩ Bağımsız gerilim kaynağı için Vs = 5 V kullanın, op-amp’ın kaynak gerilimi de Vcc = 15 V. Şekil 12’deki Devrenin Thevenin Eşdeğer Devre Ölçümleri Ölçüm Analitik Hesap Fark Açık Devre Gerilim % Thevenin Direnç % Yukarıda deneyini yaptığınız işlemleri PSPICE ile gerçekleştirip sonuçlarınızı raporunuza ekleyin. Deneysel sonuçlarınızı hem teorik sonuçlarınızla hem de PSPICE ile elde ettiğiniz sonuçlarınızla karşılaştırın. 34 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ 35 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ 36 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ 37 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ 38 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ 39 ELE 201L – Deney 3 İsim: _____________________ Şube: ________ 40