İşlemsel Yükselteçlerin İç Yapısına Yolculuk

Küçük bir kalp atışını nasıl oluyor da ekranlarda bir dalga şeklinde görebiliyoruz? Etrafımızdaki bu kadar küçük sinyalleri duymamız dahi mümkün değilken hem sesini hem de dalga şeklini ayrıntılı nasıl elde edebiliyoruz? Şimdi gelin tüm bunlara imkan veren işlemsel yükselteçlerin (operational amplifier) iç dünyasına bir yolculuğa çıkalım.

A- A+

05.10.2021 tarihli yazı 4578 kez okunmuştur.

İşlemsel Yükselteç Op-Amp Yükselteç Operational Amplifier

İşlemsel Yükselteçler (Operational Amplifier)

Op-amp’lar en genel anlamıyla elektronik devrelerinin işlevselliklerini artırmak amacıyla kullanılan, sinyalleri yükseltme gücü çok yüksek ve aynı zamanda tüm aritmetik işlemlerin (sadece 4 işlem değil logaritma, antilogaritma gibi birçok işlem) yapılmasına imkan sağlayan tümleşik bir devre elemandır. Neden tümleşik bir eleman diyoruz? Çünkü op-amp’lar aslında R-L-C gibi tek bir eleman değildir. Tüm bu elemanlara ek olarak transistörlerle oluşturulmuş büyük bir tümleşik yapıdan meydana gelmektedir.

İşlemsel Yükselteç İç Yapısı

Genel olarak bir op-amp’ın iç yapısı fark yükselteç, ön akım, kazanç, seviye değişimi ve çıkış katmanı olarak 5 temel katmandan oluşmaktadır. Bu katmanların her biri op-amp’ın iç yapısında önemli akım geçişlerini ve kazanç noktalarını ayarlayarak karmaşık gibi görünen bu yapının optimal çalışmasını sağlamaktadır.

Şekil 1. Op-amp entegresinin detaylı iç katmanları

Yukarıdaki şekilde de gördüğümüz gibi bir op-amp birçok transistörün, temel devre elemanlarının farklı bağlantılarından oluşan bütünleşik bir yapıdan meydana geldiğini görmüş olduk. 8 bacaklı siyah küçük entegrenin iç yapısında tam olarak bu bütünleşik devre yer almaktadır. Bu kadar çok elemanın o siyah entegrenin içine girebilmesi yüksek tenkoloji ve fabrikasyon özellikleriyle sağlanmaktadır.

Şimdi bu katmanlara ayrıntılı olarak bakalım. Her bir katmanın ne işe yaradığını ne gibi fonksiyonlara sahip olduğunu görelim.

►Fark Yükselteç Kademesi

Giriş katmanı dediğimiz bu katman, kademeli bir fark yükseltecinden ve bir akım aynalamalı yapıdan oluşmaktadır. İlk olarak sinyal, Q1 ve Q2 transistörlerin beyz kısımlarından girerek bir fark gerilim sinyalini oluşturur. Oluşan bu sinyal Q15 transistörünün beyz bacağında bir akım sinyaline dönüşür.

►Kazanç Kademesi

Gerilim kazanım aşaması, bir Darlington konfigürasyonuna bağlı iki NPN Q15/Q19 transistörlerindeki bağlantıda olduğu gibi sırt sırta bağlanarak (kaskad) elde edilmektedir. Bu konfigürasyonunda beyz akımı her bir transisörden geçerken yaklaşık β (beta-akım kazancı) kadar yükselmektedir. Daha sonra diğer devre elemanları ile diğer katmanlara aktarılmaktadır.

►Ön Akım Kademesi

Q11 ve Q12 transistörleri besleme gerilimini (V_(S+)-V_(S-) bağlayan R5 direnci sayesinde) akım aynalama devrelerindeki Q10/Q11 ve Q12/Q13 eş transistörlerindeki ön akımın belirlenmesini sağlar.

►Seviye Değişimi Kademesi

Q16 transistörünü içeren devrede, V_BE16≈V_R7.5K≈0.7V olarak kabul edilirse (diyot eşik gerilimi gibi düşünüldüğünden) ve Q16 transistörünün beyz kısmına gerilim bölücü kuralı uygulanırsa Q16 transistörü, Q14 transistörünün beyzi ile Q20 transistörünün beyzi arasında yaklaşık ≈1.0V gerilim farkı oluşturur. Bu işlem op-amp çalıştığı sürece tekrar ederek seviye değişiminin oluşmasını sağlamaktadır.

►Çıkış Kademesi

Çıkış kademesi (Q14ve Q20 transistörlerinin olduğu devre), akım kazancı sağlayan ve ≈50Ω empedanslı bir çıkış sağlayan katmandır. Transistör Q16, çıkış transistörleri için hareketsiz bir akım sağlar. Çıkış transistörleri Q14 ve Q20'nin her biri bir gerilim takipçisi olarak yapılandırılmıştır, bu nedenle orada herhangi bir gerilim kazancı oluşmaz. Bu katmanın kısaca en önemli görevi Q17 transistörü sayesinde çıkış akımını sınırlamaktır.

Sonuç olarak, bir op-amp’ın artık sadece küçük bir entegreden oluşmadığı, bunun içerisinde çok sayıda transistör ve devre elemanlarından meydana geldiğini görmüş olduk. Bu yapılar sadece op-amp’ları değil aynı zamanda logic kapıları gibi birçok entegrenin iç yapısını oluşturduğu düşünülebilir. İç yapısı gösterilen op-amp’ın ufak tasarım değişiklikleriyle daha hızlı, daha yüksek gerilim kazancı sağlayan yapıları da evrilebileceği ileriki analog devre çalışmaları için sizlere ışık tutacaktır.