Lab 4 On-Calisma

ELE 201L – Deney 4
İsim: __________________________
Şube: ________
ELE 201L
DEVRE ANALİZİ LABORATUVARI
Temel İşlemsel Kuvvetlendirici (Op-Amp) Devreleri
Deney 4
1. Hazırlık
a. Dersin internet sitesinde yayınlanan ‘Laboratuvar Güvenliği’ ve cihazlarla ilgili bildirileri okuyunuz.
b. Ön-çalışma soruları laboratuvara gelmeden önce çözünüz. Ön-çalışmanızın okunaklı,
çözümlerinizin de muntazam ve tüm hesaplama basamakları gösteriyor olmaları önem arz
etmektedir. Laboratuvar çalışmalarına devam edebilmek için ön-çalışmanızı (Kısım 1) teslim
etmiş olmanız ve de yapılacak kısa sınavdan en az %50 almanız gerekmektedir.
a. Lab 4 Ön-Çalışma – Kısım 1: Son teslim tarihi lab saatinizin başındadır.
b. Lab 4 Ön-Çalışma – Kısım 2: Lab 4 Raporunuzla birlikte teslim edilecektir.
c.
Vaktinde teslim edilmeyen ön-çalışmalar puan verilmeyecektir.
d. Kısa lab sınavını geçmeyenlerin tekrar sınav olma şansları olmayacak ancak Cuma Akşamı saat
1830 itibariyle girilemeyen deneyi gerçekleştirme imkanları olacaktır.
e. Laboratuvara gelirken Deney 4 Föyünü, cihazlarla ilgili referans bildirileri, ve de bir hesap makinesi
getiriniz.
2. Ön-Çalışma Soruları
KISIM 1
A. Eviren Kuvvetlendirici (Inverting Amplifier)
ŞEKİL 1: Eviren Kuvvetlendirici Devre
ELE 201L – Deney 4
İsim: __________________________
Şube: ________
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
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.
ELE 201L – Deney 4
İsim: __________________________
Şube: ________
Şekil 1'deki Eviren Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki
deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz.
ELE 201L – Deney 4
İsim: __________________________
Şube: ________
ELE 201L – Deney 4
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.
ELE 201L – Deney 4
İsim: __________________________
Şube: ________
Şekil 2'deki Evirmeyen Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri
aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz.
ELE 201L – Deney 4
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 kV1 = 5 V, ve V2 = 10 V için
PSPICE ile devreyi simüle edin, ve sonuçlarınızı ön-çalışmanıza ekleyin.
ELE 201L – Deney 4
İsim: __________________________
Şube: ________
Dersin web sayfasında 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?
ELE 201L – Deney 4
İsim: __________________________
Şube: ________
Şekil 3'deki Fark Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri aşağıdaki
deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz.
ELE 201L – Deney 4
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.
ELE 201L – Deney 4
İsim: __________________________
Şube: ________
Şekil 4'deki Toplayıcı Kuvvetlendirici devreyi kurmak için gerekli bağlantıları ve öğeleri
aşağıdaki deney tahtası üzerinde çizerek gösteriniz.
ELE 201L – Deney 4
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
ELE 201L – Deney 4
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
Gerilim takipçi devrenin üstelendiği görevi kısaca özetleyiniz.
ELE 201L – Deney 4
İsim: __________________________
Şube: ________
KISIM 2
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
ELE 201L – Deney 4
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 =
ELE 201L – Deney 4
İsim: __________________________
Şube: ________
Test kaynak yöntemiyle Thevenin eşdeğer direnci bulunuz. Cevabınız daha önce hesapladığınız direnç
değeriyle aynı mı? Aşağıda cevabınızı işaretleyiniz.
EVET
HAYIR
RTH =
ELE 201L – Deney 4
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.
ELE 201L – Deney 4
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?
ELE 201L – Deney 4
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 =
ELE 201L – Deney 4
İsim: __________________________
Şube: ________
Test kaynak yöntemiyle Thevenin eşdeğer direncini bulunuz. Cevabınız daha önce hesapladığınız
direnç değeriyle aynı mı? Aşağıda cevabınızı işaretleyiniz.
EVET
HAYIR
RTH =
ELE 201L – Deney 4
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
𝑖𝐿
=
𝑣𝑔
ELE 201L – Deney 4
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?
ELE 201L – Deney 4
İsim: __________________________
Şube: ________
Şekil 10 ve Şekil 11'daki devrelerin eşdeğer olmaları için kazanç G için Şekil 11'deki dirençlere
bağlı olan bir ifade bulunuz.
ELE 201L – Deney 4
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?