Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

Çukurova Üniversitesi
Biyomedikal Mühendisliği
BMM309 Elektronik-2 Laboratuvarı Deney Föyü
Deney#4
OP-AMP Parametreleri
Doç. Dr. Mutlu AVCI
Arş. Gör. Mustafa İSTANBULLU
ADANA, 2015
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#4
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#4
DENEY 4
OP-AMP Parametreleri
A. Amaç
Bu deneyin amacı, op-amp (operational amplifier : işlemsel kuvvetlendirici) parametrelerini tanımak
ve ölçümlerini deneysel olarak yapmaktır.
B. Temel Bilgiler
İdeal bir işlemsel kuvvetlendirici gerilim kazancı sonsuz, giriş empedansı sonsuz, çıkış empedansı sıfır,
band genişliği sonsuz olan bir kuvvetlendiricidir. Bununla birlikte bahsi geçen özelliklere pratikte
ulaşılamayacağı aşikardır. Ancak, her ne kadar ideal şartlar gerçekleştirilemese de bu ideal şartlara ne
kadar yaklaşılırsa o derece iyi bir işlemsel kuvvetlendirici olacağı açıktır.
Şekil 1’de iç yapısı gösterilen bir işlemsel kuvvetlendiricinin performansını karakterize eden bazı
temel büyüklükler bulunmaktadır. Bu büyüklüklerin tanımları aşağıda verilmiştir.
Şekil 1 LM741 işlemsel kuvvetlendiricisinin iç yapısı
Çıkış Offset (Dengesizlik) Gerilimi, 𝑽𝟎(𝒐𝒇𝒇𝒔𝒆𝒕):
İşlemsel kuvvetlendiricinin girişlerinde işaret yokken çıkışında bulunan, giriş dengesizlik gerilimi (𝑉𝐼𝑂 ),
ve giriş dengesizlik akımından (𝐼𝐼𝑂 ) kaynaklanan istenmeyen gerilime çıkış dengesizlik gerilimi denir.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#4
Giriş Offset (Dengesizlik) Gerilimi, (𝑽𝑰𝑶 ):
𝑉0 çıkış gerilimini sıfır yapabilmek için işlemsel kuvvetlendiricinin giriş uçları arasına uygulanması
gereken gerilimdir. 𝑉𝐼𝑂 giriş dengesizlik gerilimi eleman dengesizliklerinden ve işlemsel
kuvvetlendiricinin giriş katının kutuplanma dengesizliğinden kaynaklanır. 𝑉𝐼𝑂 gerilimi değeri işlemsel
kuvvetlendirici giriş katının BJT, JFET ya da MOSFET olmasına göre ±1 − 1.5𝑚𝑉 mertebelerinden
±30𝑚𝑉 mertebesine kadar değişiklik gösterebilir. 𝑉𝐼𝑂 dengesizlik geriliminin sıcaklığa bağlı olarak
olarak değişmesine “ısıl sürüklenme” adı verilir. Sürüklenme 𝑉𝐼𝑂 geriliminin değeri ile artar, ancak 𝑉𝐼𝑂
gerilimi sıfıra gittiğinde sıfıra gitmez. BJT’li işlemsel kuvvetlendiricilerde tipik değer 𝑉𝐼𝑂 geriliminde
𝑚𝑉 değişim başına ±3𝜇𝑉/°𝐶 olur.
İşlemsel kuvvetlendiricinin girişleri arasında yer alan bu dengesizlik gerilimi, yine işlemsel
kuvvetlendiricinin kuvvetlendirmesiyle 𝑉0 çıkışına aktarılır ve burada çıkış dengesizlik gerilimi
oluşmasına neden olur.
İşlemsel kuvvetlendiricinin çıkışına aktarılan dengeszlik gerilimi, kuvvetlendiricinin “offset null”
bacakları arasına (LM741 için ve 5 no’lu bacaklar) bağlanan bir potansiyometre aracılığıyla telafi
edilebilir.
Şekil 2’de işlemsel kuvvetlendiricinin girişlerindeki giriş dengesizlik gerilimi ve bu gerilimin çıkışa
yaklaşık olarak nasıl etki ettiği görülmektedir.
𝑉0(𝑉
)
𝐼𝑂′ 𝑑𝑎𝑛 𝑘𝑎𝑦𝑛𝑎𝑘𝑙𝑎𝑛𝑎𝑛
= 𝑉𝐼𝑂
𝑅 + 𝑅𝑓
𝑅
Şekil 2 Giriş dengesizlik akımı ve çıkışa etkisi
Giriş Kutuplama Akımı, (𝑰𝑩 ):
Bipolar devrelerde giriş transistörlerinin bazlarından akan 𝐼𝐵 değerli akımdır. Bu akımın değeri, giriş
katının sükunet akımına ve giriş transistörlerinin 𝛽𝐹 kazançlarına bağlıdır. Tipik değeri birçok BJT’li
işlemsel kuvvetlendirici yapısı için 10𝑛𝐴 ile 500𝑛𝐴 arasında yer almaktadır. npn transistörlerde giriş
akımı baz-dan emitere doğru (işlemsel kuvvetlendiricinin içine doğru) aktığı için pozitif, pnp
transistörler için ise negatif değerlidir. Şekil 3’de işelmsel kuvvetlendiricinin eviren ve evirmeyen
girişlerinde bulunan giriş kutuplama akımları gösterilmiştir.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#4
Şekil 3 Evirmeyen ve eviren girişlerin giriş kutuplama akımları
Giriş Offset (Dengesizlik) Akımı, (𝑰𝑰𝑶 ):
İşlemsel kuvvetlendiricinin giriş uçlarından her birinden akan akımlar arasındaki dengesizlik olup;
(𝐼𝐼𝑂 ) = 𝐼𝐼𝐵+ − 𝐼𝐼𝐵−
Şeklinde tanımlanır. Burada - ve + işaretleri sırasıyla eviren (faz çeviren) ve evirmeyen (faz
çevirmeyen) girişleri belirtmektedir.
𝛽𝐹 ve eleman dengesizlikleri 𝐼𝐼𝐵+ ve 𝐼𝐼𝐵− değerlerinde sapmalara neden olur. Böylece giriş kutuplama
akımının nominal değeri;
𝐼𝐵 =
𝐼𝐼𝐵+ + 𝐼𝐼𝐵−
2
bağıntısıyla tanımlanır.
İşlemsel kuvvetlendiricilerde giriş dengesizlik akımı da giriş dengesizlik gerilimi gibi çıkışta bir kayma
gerilimi oluşturacaktır. 𝐼𝐼𝑂 ’dan kaynaklanan bu gerilim;
𝑉0(𝐼
𝐼𝑂′ 𝑑𝑎𝑛 𝑘𝑎𝑦𝑛𝑎𝑘𝑙𝑎𝑛𝑎𝑛
)
= 𝑅𝑓 𝐼𝐼𝑂
ile tanımlanır.
İşlemsel kuvvetlendiricinin çıkışı yukarıda bahsi geçen her iki etmenden kaynaklanan çıkış kayma
gerilimine sahip olabileceğinden toplam çıkış dengesizlik gerilimi;
𝑉0(𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡) = |𝑉0(𝑉
olarak ifade edilebilir.
𝐼𝑂′ 𝑑𝑎𝑛 𝑘𝑎𝑦𝑛𝑎𝑘𝑙𝑎𝑛𝑎𝑛
)
| + |𝑉0(𝐼
𝐼𝑂′ 𝑑𝑎𝑛 𝑘𝑎𝑦𝑛𝑎𝑘𝑙𝑎𝑛𝑎𝑛
)
|
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#4
Giriş Direnci, 𝑹𝟏 :
Giriş katı konfigurasyonunun ve 𝛽𝐹 ’ın bir fonksiyonu olan giriş direnci bipolar yapılarda tipik olarak
0.1 − 5MΩ değerleri arasında olur. JFET girişli işlemsel kuvvetlendiricilerde ve MOSFET’li yapılarda ise
1010 − 1012 Ω değerleri arasında yer alır.
Çıkış Direnci, 𝑹𝟎 :
İşlemsel kuvvetlendiricinin çıkış katının yapısına bağlıdır. Değeri 20 − 200Ω arasında bulunur.
Açık Çevrim Kazancı, 𝑨𝑶𝑳 :
Açık çevrim kazancı, fark giriş gerilimindeki birim küçük işaret değişimi için çıkış işaretindeki değişim
olarak tanımlanır ve bu tanım geribeslemenin uygulanmadığı varsayılarak yapılır.
Ortak Mod Bastırma Oranı,(𝐂𝐌𝐑𝐑):
İşlemsel kuvvetlendiricinin her iki girişlerine de aynı işaret uygulanıyorsa bu işarete ortak mod işareti
adı verilir. İşlemsel kuvvetlendirici yalnızca girişleri arasındaki farka çıkış ürettiğinden giriş işareti aynı
olduğunda bir çıkış üretmemesi gerekir. Fakat pratikte ortak işarete karşılık çok küçük bir çıkış işareti
üretilir. İşlemsel kuvvetlendiricinin fark mod işaret kazancı ortak mod işaret kazancına göre oldukça
büyüktür. Bu durumda fark mod gerilim kazancının ortak mod gerilim kazancına oranına ortak mod
bastırma oranı denir. Şekil 4’teki devre CMRR değerini bulmak için kullanılabilir. Eğer 𝑅2 ≫ 𝑅1 ise;
CMRR;
𝐶𝑀𝑅𝑅 =
𝐴𝑑
𝑉𝑑
𝑅2 𝑉𝑠
=
≅
𝐴𝑐𝑚 𝑉𝑐𝑚 𝑅1 𝑉0
ile ifade edilebilir.
Şekil 4 CMRR ölçme devresi
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#4
Slew Rate (Yükselme Eğimi), (𝑺𝑹):
Bir işlemsel kuvvetlendiricide, giriş işaretinin basamak biçiminde değişimine (örn: kare dalga) çıkış
işaretinde karşı düşen değişimin maksimum hızı sınırlıdır. Yani çıkış işaretinin dalga şekli giriş işaretini
izleyemez. İşlemsel kuvvetlendiricinin giriş kuvvetlendiricisi saturasyona girer ve çıkış işareti rampa
şeklinde yükselir ve düşer. Çıkış işaretinde elde edilen bu rampanın eğimi devrenin iç akım ve iç
kapasitelerine bağlıdır. Yine devrenin yapısına bağlı olarak, pozitif ve negatif yükselme eğimleri farklı
olabilir. Şekil 5 eviren bir kuvvetlendirici yapısı üzerinde giriş ve çıkış işaretlerinin nasıl olacağını
göstermektedir.
𝑆𝑅 =
∆𝑉0
𝑣/𝜇𝑠
∆𝑡
Şekil 5 SR ölçme devresi ve uygulanan girişe karşılık çıkış işareti
Malzeme Listesi:



Direnç
: 100, 2x1k, 4.7k, 10k, 2x100k
Op-amp
: LM741
Standart deney techizatı
KAYNAKLAR:
1.
2.
3.
4.
Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits, Franco S., 2002
Microelectronics Circuit Analysis and Design, Neamen D., 2010
Elektronik Devre Tasarımında OP-AMP ve Lineer Tümdevreler, Alçı M., Kara S., 2000
Analog Tümdevre Tasarımı, Kuntman H., 1998
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#4
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#4
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
C. Hazırlık Çalışması
𝑉 + = 12𝑉, 𝑉 − = −12𝑉
1. Deney çalışmasında bulunan tüm deneyleri teorik olarak çözerek Tablo 1’i doldurunuz.
2. Ekteki LM741 veri sayfasından Tablo 1’de istenen değerleri bularak yazınız.
3. Deney çalışmasındaki devreleri SPICE simulasyon sonuçlarını Tablo 1’e yazınız.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#4
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#4
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
D. Deney Çalışması
𝑉 + = 12𝑉, 𝑉 − = −12𝑉
1. Aşağıdaki devreleri kurunuz.
 𝐼𝐼𝐵+ , 𝐼𝐼𝐵− , 𝐼𝐵 , 𝐼𝐼0 akımlarını bularak Tablo 1’e yazınız.
𝑅1 = 100𝑘Ω, 𝑅2 = 100Ω
2. Aşağıdaki devreyi kurunuz 𝑉𝐼𝑂 gerilimini bularak Tablo 1’e yazınız.
3. Aşağıdaki devreyi kurunuz 𝐶𝑀𝑅𝑅 değerini 𝑑𝐵 cinsinden bularak Tablo 1’e yazınız.
𝑅1 = 1𝑘Ω, 𝑅2 = 100𝑘Ω
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#4
4. Aşağıdaki devreyi kurunuz 𝑆𝑅 değerini bularak Tablo 1’e yazınız.
𝑅1 = 1𝑘Ω, 𝑅2 = 4.7𝑘Ω Giriş işareti: 1V, 1kHz kare dalga
5. Aşağıdaki devreyi kurunuz 𝐴𝑂𝐿 değerini bularak Tablo 1’e yazınız.
𝑅1 = 1𝑘Ω, 𝑅2 = 10𝑘Ω, 𝑅3 = 100Ω
𝑉𝑑 =
−𝑉𝑥
−𝑉𝑥
𝑅4 =
𝑅2 + 𝑅3
101
𝐴𝑂𝐿 =
𝐴𝑂𝐿 =
LM741
𝐼𝐼𝐵+
𝐼𝐼𝐵−
𝐼𝐵
𝐼𝐼0
𝑉𝐼𝑂
𝐶𝑀𝑅𝑅𝑑𝐵
𝑆𝑅
𝐴𝑂𝐿
Tablo 1
PSPICE
𝑉𝑜
101𝑉0
=−
𝑉𝑑
𝑉𝑥
∆𝑉0
101∆𝑉0
=−
∆𝑉𝑑
∆𝑉𝑥
Ön Hazırlık Çal.
Deney Çalışması
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM 309 Elektronik Lab. 2 Deney#4
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
E. Tartışma
1. Giriş offset geriliminin nedenlerini yazınız.
2. Yüksek değerli bir slew-rate ne gibi bir avantaj sağlar? Açıkayınız.
(NOT: Birbirinin aynısı olan raporlar değerlendirilmeyecektir.)