Elektronik sistemlerde işlenecek sinyallerin hemen hemen hepsi düşük genliğe sahip yani zayıftır. Bu sistemlerin pek çoğunda yeterli derecede yükseltilmiş elektriksel sinyallere ihtiyaç duyulduğundan, sinyalleri istenilen derecede kuvvetlendirmek için yükselteç yani amplifikatör devreleri kullanılır. Yükselteçler gerilim ya da akım yani sonuç olarak güç kazanmak için kullanılır.
Bir yükselteç, girişine uygulanan zayıf elektrik sinyallerini, devresindeki aktif devre elemanları yardımı ile çıkışına büyütülmüş olarak aktarır. Bunu yaparken güç kaynağından aldığı enerjiyi kullanır. Bu enerjiyi, giriş sinyali ile aynı özellikte fakat daha güçlü bir çıkış sinyali elde etmek üzere işler. Sonuçta, yükseltecin çıkışından alınan elektriksel sinyalin gücü, girişine uygulanan sinyalin gücünden daha yüksektir.
Günümüzde kullanılan yükselteç türleri, çalışma şekline göre, kullanım şekline göre, frekans durumuna göre, bağlantı şekline göre veya yükün rezonans durumuna göre sınıflandırılabilir (düşük frekans yükselteçleri, ses frekans yükselteçleri, ultrasonik yükselteçler, geniş band yükselteçleri, radyo frekans yükselteçleri, enstrumantasyon yükselteçleri, video yükselteçleri, küçük ve büyük sinyal yükselteçleri gibi).
İşlemsel yükselteç terimi dilimize İngilizce “ Operational Amplifier “ teriminden geçmiştir ve kısaca op-amp olarak kullanılmaktadır.
İşlemsel Yükselteçler ile İlgili Terimler
Kazanç : Kazanç bir sisteme verilen girdinin, çıkışta ne kadar arttığını belirten bir katsayıdır. Bir yükseltecin girişine uygulanan sinyalin çıkışta ne kadar yükseltildiğini ifade eden birimsiz bir katsayıdır. Ürün bilgi sayfalarında Gain (G) ya da Amplitude Voltage (Av) şeklinde gösterilir.
Giriş Direnci : Elektronik devreler art arda bağlandıkları zaman, kaynak devrenin çıkışından alıcı devrenin girişine doğru akım olur. Giriş direnci, bir devrenin kendinden önce gelen devreden ne kadar akım çekeceğini ya da bu devreden gelen çıkış akımına ne kadar direnç göstereceğini ifade eder ve ürün bilgi sayfalarında Ri ile gösterilir.
Giriş direncinin düşük olması durumda devre, kendisinden önce gelen devreden fazla akım çeker. Bu nedenle önce devrenin bu akımı sağlayabilmesi için yeteri kadar güçlü olması gerekir. Giriş direncinin yüksek olması durumunda ise, devre kendisinden önce gelen devreden az akım çekecektir. Böylelikle önceki devreninn aşırı yüklenmesine ve sinyal bozulmalarına sebep olmaz. Bu sebeple, giriş direnci yüksek olan devrelerin girişine, çıkış gücü düşük olan devre herhangi bir yükseltme işlemine gerek olmadan bağlanabilir.
Çıkış Direnci : Çıkış direnci, bir devrenin çıkış terminali ile toprak arasındaki dirençtir. Diğer bir deyişle bu direnç, devrenin çıkışından ne kadar akım çekilebileceğini (devrenin ne kadar akım verebileceğini) gösterir ve ürün bilgi sayfalarında Ro şeklinde belirtilir. Bir devreden azami enerji çekilebilmesi için kaynak devrenin çıkış direnci ile alıcı devrenin giriş direnci eşit olmalıdır. Bu dirençlerin uyumlu olmaması durumunda, kaynak devrenin çalışmasında sorunlar çıkabilir. Böyle bir durumda kaynak devre bir yükselteç ise kazançta değişme, bir osilatör devresi ise, çalışma frekansının kayması ya da osilasyonun tamamen durması gibi problemler oluşabilir.
İdeal ve Pratik İşlemsel Yükselteçler
İdeal bir işlemsel yükseltecin açık çevrim (geri beslemesiz) kazancı sonsuzdur ve çıkış direnci sıfırdır. Çıkış direnci sıfır olduğundan dolayı sonsuz akım sürebilir. Gerilim kaldırma kapasitesi kapasitesi sonsuzdur, yani diğer bir deyişle her gerilimde çalışır. Gürültüsü yoktur ve bant genişliği sonsuzdur. İki giriş arası ve girişler ile toprak arası direnç sonsuzdur. İdeal işlemsel yükseltecin özellikleri aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Her zaman ideal değerler ile gerçek değerler arasında farklılıklar vardır. Bu farklılıklar üretim teknolojisi, hammadde ve diğer etkenlerden kaynaklanır. Bu nedenle tüm diğer elektronik elemanlar gibi işlemsel yükselteçlerin de idealde istenen özellikleri ile pratikteki özellikleri arasında farklar vardır. Üretici firmalar, devre elemanının özellikleri ile ilgili ayrıntılı bilgiyi ürün bilgi sayfalarında (data sheet) verirler. Op-amplar ile ilgili bilgi sayfalarında da; giriş dengesizlik gerilimi, giriş dengesizlik akımı, giriş kutuplama akımı, giriş direnci, çıkış direnci, çıkış kısa devre akımı, açık çevrim gerilim kazancı, bant genişliği, ortak işareti bastırma oranı ve çıkış değişim hızı gibi özellikleri belirtilir. Aşağıdaki tabloda ideal işlemsel yükselteç ile LM741 'in özellikleri karşılaştırılmıştır.
OP-AMP 'ların Kullanıldığı Yerler
- Tersleyen Yükselteç (Faz Çeviren, Inverting Amplifier) Olarak Kullanılması
- Terslemeyen Yükselteç (Faz Çevirmeyen, Noninverting Amplifier) Olarak Kullanılması
- Gerilim İzleyici (Voltage Follower) Olarak Kullanılması
- Toplar Yükselteç (Summing Amplifier) Olarak Kullanılması
- Fark Yükselteci (Difference Amplifier) Olarak Kullanılması
- Karşılaştırıcı (Comparator) Olarak Kullanılması
- İntegral Alan (Integrator) Devre Olarak Kullanılması
- Türev Alan (Differentiator) Devre Olarak Kullanılması
- Doğrultmaç Olarak Kullanılması
- Yarım Dalga Doğrultmaç Olarak Kullanılması
- Tam Dalga Doğrultmaç Olarak Kullanılması
- Logaritmik Yükselteç Olarak Kullanılması
- Gerilim Regülatörü Olarak Kullanılması
- Gerilim Kontrollü Osilatör Olarak Kullanılması
Gerilim Karşılaştırıcı : Bir analog voltaj seviyesini ya da önceden belirlenmiş bir referans voltajı, V ile karşılaştırır VREF bu voltaj karşılaştırmaya dayalı bir çıkış sinyali ve üretir. Başka bir deyişle, op-amp voltaj karşılaştırıcısı, iki voltaj girişinin büyüklüklerini karşılaştırır ve bunların hangisinin en büyüğünü belirler.
Terslemeyen Yükselteç : Giriş sinyalini ters çevirmez veya bir ters sinyal üretmez, bunun yerine onu: (RA + RB) / RB veya yaygın olarak 1+ (RA / RB) oranında yükseltir . Giriş sinyali, ters çevrilmeyen ( + ) girişe bağlanır.
Tersleyen Yükselteç : Hem giriş sinyalini -RA / RB oranına çevirir ve yükseltir . Amplifikatörün kazancı, geri besleme direnci RA'yi kullanarak negatif geribildirim tarafından kontrol edilir ve giriş sinyali, ters ( - ) girişe beslenir .
Gerilim İzleyici : Giriş sinyalini yükseltmez veya ters çevirmez, bunun yerine iki devre arasında izolasyon sağlar. Giriş empedansı çok yüksekken, çıkış empedansı düşüktür ve devre içerisindeki herhangi bir yükleme etkisini ortadan kaldırır. Çıkış, doğrudan girişlerden birine geri bağlandığı için, tamponun genel kazancı +1 ve Vout = Vin'dır.
Gerilim İzleyici : Giriş sinyalini yükseltmez veya ters çevirmez, bunun yerine iki devre arasında izolasyon sağlar. Giriş empedansı çok yüksekken, çıkış empedansı düşüktür ve devre içerisindeki herhangi bir yükleme etkisini ortadan kaldırır. Çıkış, doğrudan girişlerden birine geri bağlandığı için, tamponun genel kazancı +1 ve Vout = Vin'dır.
Tersleyen ve Toplayan Yükselteç : Toplama amplifikatörü olarak da bilinen Adder, V1 ve V2 giriş voltajlarının toplamıyla orantılı olan bir ters çıkış voltajı üretir . Daha fazla girdi toplanabilir. Giriş direnci değeri eşitse ( R1 = R2 = R ), toplam çıktı voltajı verildi ve kazanç +1 olur .
Tersleyen ve Fark Alıcı Yükselteç : Çıkarıcı aynı zamanda bir diferansiyel amplifikatör olarak adlandırılır, iki giriş voltajı V1 ve V2 arasındaki fark olan bir sinyalin birinden çıkartılmasına izin veren bir çıkış sinyali üretmek için hem ters hem de ters çevirmeyen girişleri kullanır. Gerekirse çıkarılacak daha fazla girdi eklenebilir.
Türev alıcı Yükselteç : Türev alan devre, girişine uygulanan sinyalin türevini alarak çıkışa aktaran bir devredir. Türev alan devrenin girişine üçgen dalga uygulandığında çıkışından kare dalga, kare dalga uygulandığında ise çıkışından sivriltilmiş dalga elde edilir. O halde, elektronikte üçgen dalganın türevi kare dalga, kare dalganın türevi ise sivriltilmiş dalgadır.
İntegral Alıcı Yükselteç : İntegratör devre, girişi uygulanan sinyalin integral alarak çıkışa aktarır. Matematiksel anlamda integral, bir eğrinin altında kalan alana karşı gelir. Integratör devrenin girişine kare dalga uygulandığını devrenin çıkışından üçgen dalga elde edilir. Çünkü, kare dalganın integrali üçgen dalgadır. Çıkış eşitliğinin formülünden anlaşıldığı gibi, giriş işaretinin integralini alır ve çıkışa aktarır.
