Elektronik Dünyası İşlemsel Kuvvetlendirici Op-Amp
Elektroniğin gelişmeye başladığı yıllarda devre elemanları oldukça büyüktü. Geçen yıllarla birlikte, yarı iletken teknolojisi daha küçük alanlara ’u rnİBrce=düvre™^ie rrm‘mFTin“Terleşıinl- -meşini mümkün kıldı. Hiç kuşkusuz bu gelişim boyunca sağlanan bilgi birikimi elektronik devre tasarımlarında belirli kriterler oluşturdu. Milyonlarca
tadır. Girişiler iki ayrı transistörün bazına bağlanmıştır. Giriş direnci oldukça yüksek olduğundan, girişlerin çektiği akım oldukça düşüktür. Kuvvet-
çalışması gerekmektedir. Bu akım da transistörlerden oluşan bir devre tarafından sağlanmaktadır. İkinci aşamayı oluşturan devreyse kuvvetlendirilmiş
sak şu sonuca varılır. Girişler arasındaki potansiyel farkı küçük bir değerdeyken, op-amp aktif bölgededir. Yani çıkış voltajı, giriş voltajıyla op-amp’ın
rişteki potansiyel farkının mutlak değeri belirli bir değerden büyüksek op-amp doymuş durumdadır. Çıkış voltajını ya sabit bir pozitif ya da negatif de-
müyle oluşan akım kondansatörün üzerinden geçecektir. Kondansatör üzerinde oluşan potansiyel farkıysa bu akımın integraline eşittir. Bu nedenle çıkış voltajı giriş voltajının integralinin bir katsayıyla çarpımına eşittir.
IC555 gibi osilatörlerin yapımında da op-amp’lar kullanılmaktadır. Daha
Cgıııuıgmui uyanıp nı
girişleri arasındaki potansiyel farkı belirli bir değeri aştığında op-amp’ın çıkışında sabit değerde pozitif ya da negatif voltaj oluşur. Eğer bu iki durum
İşlemsel Kuvvetlendirici Op-Amp
Elektronik Dünyası
T T ^rtûm
• «i 2Îİ î_8 ICI î I
transıstorıcraen oıuşan entegre devreler (IC) deneyimler sonucu geliştirilen belirli küçük devrelerin bir araya getirilmesiyle oluşturuldu. Günümüzde bunun en iyi örneği dijital devrelerdir. Karmaşık fonksiyonlar, bazı temel işlemler kullanılarak ifade edildiğinden, belirli elemanların kullanımı standart-laşmıştır. Anolog devrelerde de op-amp (işlemsel kuvvetlendirici) yapı taşı görevindedir. Artık amplifikatörler ve filtreler gibi elektronik devrelerin, düzinelerce transistor kullanılarak üretilmesi yerine belirli standartlardaki op-amp’lar kullanılmaktadır.
Güvenilir olmaları, kompakt yapıları ve kolay kullanımları nedeniyle op-amp’lar elektroniğin yapı taşları arasında yer almıştır. Ancak op-amp’la-rın tercih edilmesinin nedeni aktif bir eleman olmasıdır. Bu özelliği nedeniyle transistörlerden oluşan detaylı tasarımlara duyulan ihtiyacı ortadan kaldırmaktadır. Ayrıca bu aktif elemanın çalışması direnç ve kandansatör gibi pasif elemanlarla denetlenebilmektedir. Uygulanan geri besleme yöntemi (bir devrenin giriş ve çıkış arasında oluşturulan ek bir bağlantı) sayesinde, op-amp’ın ideal olmayan özelliklerinden kurtulmak mümkündür. Bu da oldukça güvenilir devrelerin tasarımlanmasını sağlamaktadır.
Op-Amp’ın Yapısı
Op-amp’lar elektronikte kullanılan belli başlı birkaç devrenin bir araya getirilmesiyle oluşturulmuştur. Teme! olarak üç aşamadan oluşurlar. Giriş devresi bir fark kuvvetlendiricisidir. Bu devre, iki giriş arasındaki potansiyel farkının Yükseltilmesini sağlamak-
mektedir. İkinci bölümün de giriş direnci yüksek olduğundan, op-amp’ın giriş direncinin azalmasını engeller. Üçüncü aşamanın kullanım amacıysa, op-amp’ın çıkış direncini düşürmek ve mümkün olduğunca yüksek bir akım değeri sağlamaktır. Çıkış bölümünde istenilen şekilde çalışmasını sağlayan ikinci bir akım kaynağı kullanılmaktadır. Buna ek olarak çıkışta kısa devre oluştuğunda, op-amp’ın zarar görmesini engelleyen başka bir devre bulunmaktadır.
Elektronikte devrelerin daha kolay irdelenebilmesi ve tasarımların daha kolay yapılabilmesi için modeller kullanılır. Doğru yapılan modelleme-ler, analizlerde iki giriş arasındaki küçük potansiyel farkının yükseltilmesi olarak özetlenebilir. Ancak giriş direncinin çok yüksek ve çıkış direncinin küçük olduğu ihmal edilmemelidir. Bu yapıyı şöyle modellemek mümkündür. Giriş direnci çok yüksek olduğundan, op-amp’ın girişinin akım çekmediği yani iki giriş arasında açık devre olduğu düşünülebilir. Girişteki küçük potansiyel farkı oldukça yükseltildiğinden, girişteki potansiyel farkının sıfır, gerilimdeki kazancın ise sonsuz olduğu kabul edilebilir. Bu noktada op-amp’ın ikinci bir özelliği ortaya çıkmaktadır. Girişlerden her ikisi de aynı potansiyeldedir. Örneğin girişlerden biri topraklanmışsa, diğer giriş, de sıfır volt görülecektir. Op-amp’ın çıkış direnci çok küçük olduğundan bu direnç ihmal edilebilir düzeydedir. Bu nedenle op-amp’ın çıkışı bir voltaj kaynağı olarak düşünülebilir. Daha gerçekçi bir modelleme düşünecek olur-
r”‘;\_cf_____
Kullanım Alanları
Sağladıkları modülerlik ve özellikleri nedeniyle op-amp’iar birçok alanda kullanılmaktadır. Özellikle oluşturulan geri besleme devreleri basit yapılarla istenilen sonucun alınmasını sağlamaktadır. Geri besleme, op-amp’ın çıkışıyla girişlerden biri veya her ikisi arasında bazı elemanların bağlanmasıyla oluşturulur. Bu elemanlar genelde direnç kondansatör gibi pasif elemanlardır. Böylece op-amp’ın çalışması istenilen şekilde kontrol edilebilmektedir. Örneğin dirençlerle oluşturulan bir geri besleme devresi, voltajın kullanılan dirençler oranında kuvvetlendirilmesini sağlar. Elde edilen bu devre kazancı dirençler tarafından belirlenen bir amplifikatörden başka bir şey değildir.
Geri beslemenin kullanıldığı op-amp devrelerinde elde edilen önemli bir sonuçsa, giriş sinyalinin türevinin ya da integralinin alınmasının mümkün olmasıdır. Bunun için bir kondansatörün kullanılması yeterli olmaktadır. Bir kondansatörün üzerinden geçen akım üzerindeki potansiyel farkının türevine eşittir. Bu nedenle kandansatör, integral ya da türev almada kolayca kullanılabilmektedir. Örneğin op-amp’ın girişlerinden biri topraklandığında ve çıkışıyla diğer girişi arasında hir knndan.safnr. hıı girişle voltaj kaynağı arasına Dır direnç bağlanmasınla integral aLn bir de\re yapılmış olur. Op-amp’ın Dır girişi sıfır \olta olduğundan, diğer girişi de sıfır \oltta olacaktır. Ayrıca bu giriş akım çekmediğinden giriş voltajının dirence bblü-
■ $
I £
rl
arasıııua sureh.ii uır geçiş sagıaıııısa, op-amp’ın çıkışında pozitif ve negatif iki değer arasında sürekli değişen bir voltaj oluşur. Bu değişimi sağlamak iç m ginşlcrdckî voltajın değişimini sağlamak gerekmektedir. Bu değişim de kondansatörlerin dolup boşalmasıyla sağlanmaktadır. Osilatör devrelerinde bu kondansatörler belirli bir durumda dolduklarında çıkış voltajı diğer duruma geçmektedir. Bu değişim geri besleme sayesinde giriş tarafındaki elemanlara da yansıtılmaktadır. Böylece kandansatörlerin boşalması ya da ters yönde dolmaları sağlanmaktadır.
Bütün bu özellikleriyle op-amp’lar analog devre tasarımlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak op-amp’ların dijital devrelere de önemli katkıları bulunmaktadır. Analog sinyalleri dijital değerlere çeviren elemanlar bunun en iyi örneğidir. Op-amp’ların bir girişine sabit bir voltaj diğer girişine değişen bir voltaj uygulandığında, op-amp’ın çıkışındaki voltajı, bu iki sinyalin farkları belirlemektedir. Seçilen girişlere göre, sabit değer değişen sinyalin herhangi bir andaki değerinden büyük olduğunda çıkışta pozitif ya da negatif bir voltaj oluşur. Sabit voltaj analog sinyalden büyük olduğundaysa bir önceki durumun tam tersiyle karşılaşılır. Bu durumda op-amp iki sinyalin karşılaştırılmasında kullanılır. Karşılaştırın bu yapıdan birden
fazla k:.ı.ı.!!anıld.ı.<
rışme uyguıanan sjinr voltajlar arasında sabit bir ıran k. ırjiduğundü, analog sinyalin o nkı değen teshıt edilmiş olur. Bu değer her karşılaştırıcınm çıkışındaki 0 veya 1 yanı düşük ya da yüksek \ok,i]İj teshir edilmiş olur.
Op-amp’iar hurda değindiğimiz temel devreler dışında analog ve dijital
^avyin Kuna-
sahip op-amp ın elektronikte modüler bir parça olmasından kaynaklanmaktadır. Yapılan tasarımları kolaylaştırdı-
çalışma prensibi daha yakından incelemeye ihtiyaç duyacaktır.
Kasnaklar
Prcnmcllall 1993.
He\er G. Robert, Gray R. Paul Analog Integrated Circuits, 1991
potansiyel ramını oıraz uaııa yıiK.seıı- geıueuır.
; her bir
-4t^û-i4tat rV^-göıuiJar,-:-
işin sonuçlarını: rcr>-larda ve tasarım dişlik çizimlerı. çek boyutlarda n: yalarıyla gelecegtr
Ancak bunlara ^ ^ -…
lışmaalanındaĞet
işleme katkıda b.. -.
lerinde de raszh~. •
günlerde bö% [t~ z
olur; çünkü san^i \;
ler rasanm –
modelleri ortada- •„
Eski tasar;”: — ‘ -gereken ilk ¿¿ir ; •
şılmasını •• ■ –
çalışmaları s:r^>: da problemler _ i- • _; . -: : ;-ve tasarımcı ‘
mümkün – : . ■ . ■
ması gereker : kuruluşlarda ‘ .. nık ve diğe:r.: – — . *■_ –
lamaz durur;- – _r.r bir araya c:r_”_ – zz.
mühendisler, – Çi-
ticiler. pazar!»… ¿n
geliştirme a^~^- /. r>
lebilecektır. B. – – – -dukça basittir W-_ . . . rzirzsı Explorer gibi r.- V – -• ranet (kuruluş” – __ •. ile izole bilgi ^
açılabilmektedir î r:r
sistem yerine. -„ . • – – r^’ arabirim ile tür: ~.r’ zzzn
tek bir sistem ku. ^r
Bir düşünün, r. ; ■_ – ‘ – – ‘_j oturan bir müher.i.’ .-grin-
den bilgi bankasını r__ mekte olan bir _r.’„ – Şm
özelliklerini değiş::-V*.•_ .railer ve simülasyorLr ^ gereken değişik::*’ı;*er aşamalardaki 1 –_reı veriyor ve birlik – . zülüyor. Böyle ı^r.va-da kullanılıyor anut.
Görsellik her a^___ ü-
şıyor. Bilgisayarlar b * r-
lemleri çözmek için ^-¿r -___’ –
nuçlarm sadece bi!gihjw-_„-^ _r olarak değil de, görünta **::
bilgilerin paylaşılmasmaa «v^.. -yor. Buna verilebileceK en güze. meiL arabaların çarpma testleri. BMW. zeçen günlerde gerçek çarpma testlen verine bilgisayarda sanal olarak yaptırdığı testlerini kullanarak her deney başına yaklaşık olarak 1 milyon dolar tasarruf yaptığını açıkladı. Sanal çarpma testi için, bir arabanın tüm parçaları (motor parçalarından şasiye kadar) modelleniyor. Geliştirilmekte olanlar için bu zor bir
-1 AncaK üretlî-
rlohı -70r
crsıtesı’ndekı Ulusal r-\e/ı ne getirilen araç-‘:.arak, bir robot kol ta-n rum parçalan hakkın-
— – „ cıi toplanıyor vc bir ve-“r_: saklanıyor. Sonuçta onbin-. k aç bovutlu geometrik şekil ■,.n tam modeli çıkartılıyor, ts-de bir kaza bilgisayarda prog-r \e araba sanal olarak bir du-
— . Sonuçlar, yine iiç boyutlu del olarak ekrana yansıtılıyor. Bu •cÂi.ce herkesin rahatça yorumlayabi–.egı bilgiler üretiliyor.
Yapılan model ve simülasyonlar sa-Jece kazalar ile sınırlı değil tabii ki. Arabayı üreten robot kolların hareketlen, motorda hava ve yakıt parçacıklarının uçuşu, arka camdaki buz çözücünün biçimi modellenen şeyler arasında. Bunların simülasyonları sadece canlandırma, görselleştirme amacı ile kullanılıyor. Böylece deneyler sanal bir ortamda yapılıyor ve çözümler üretilebiliyor. Ancak, bilgisayar ekranında iki boyuta sıkıştırılmış resimler, çıktıdaki rakamlardan sonuç çıkartma çalışmalarıyla günlerini harcayanlar için cennetin çi-zimleri gibi olsa da, birçok kişi için anlamsız derecede karışık kalıyorlar. Bu durumda üç boyutuyla sanal gerçeklik yardıma yetişiyor.
Sanal gerçekliğin en bilinen uygulamaları başa takılan kaska benzer bir
da yol açtığı birçok zorluk ve vetersız-
jj|< h o ı n ı *
getiriyor. Buna çozum olarak Illinois Üniversitesi tarafından CAVE (Cave Automatic Virtual Environment: Mağara Otomatik Sanal Ortamı) adlı bir sistem geliştirildi. CAVE, üç duvarı ve tabanı dev ekranlardan oluşan bir üç boyutlu ses ve görüntü ortamı. Konum sensörleri ile donanmış olan bir kullanıcı odanın sınırları içinde hareket ederken, ortamın doğru perspektif ve stereo görüntüleri surekii guncellcnı-yor ve görüntü kullanıcıyı sararak onunla hareket ediyor. Diğer kullanıcılar ise, bir otobüs yolculuğundaymışçasına izleyebiliyorlar. Stereo görüntüler, özel gözlüklerle üç boyutlu hissi veren görüntülerdir. Bazı televizyon programlarında bu tip görüntüler yayınlanıyor. Ancak, CAVE’de kullanılan sistem biraz daha karmaşık ve LCD ekranlı özel gözlüklere ihtiyaç duyuluyor.
CAVE, ışık geçirmeyen daha büyük bir odanın içine yerleştirilmiş 3,3×3,3×3 metrelik bir oda aslında. Duvarları oluşturan dev ekranlara ek olarak ses efektleri için bilgisayar kontrollü ses sistemi ve birçok hoparlöre sahip. Üç yüzey, Silicon Graphics’in Onyx adlı görüntü süperbilgisayarı tarafından kontrol ediliyor. Dördüncü yüzey için bir başka Onyx sistem kullanılıyor. Ses efektleri için ses sistemiyle donatılmış bir PC yeterli oluyor. Görüntülerin yenilenmesi için karmaşık
Bir tasarımcı sanal arabaya bakıyor. Alttaki resimde bir çarpışma simülasyonunun sonuçlan CAVE’de inceleniyor.
hesapların gerektiği durumlarda, CA-VE’in bilgisayarları hızlı ağlarla başka süperbilgisayarlara bağlanıyor.
Kontrolü sağlayan kullanıcının konumu ve baktığı yön uygun perspektifi sağlamak amacıyla ellerinde ve gözlüğünde bulunan elektromanyetik alıcılarla takip ediliyor. Görüntü, başa takılan sistemelerdeki gibi sağa sola savrulmuyor, çünkü zaten kullanıcılar görüntünün içinde yer alıyorlar. Bir süre hareket etmemesi durumunda görüntü kalitesi arttırılıyor. Daha da etkileyici olan özelliği ise, bilgisayardan gelen stereografik görüntülerden özel gözlükler aracılığı ile elde edilen üç boyutlu görüntülerin odanın içine doğru uzanmasını sağlıyor olması. Yani odanın içinde bir nesne varmış yanılsaması veriliyor.
CAVE’in ilk alıcılarından biri General Motors (GM). Otomobil tasarımında iki boyutlu görüntülerde gözden kaçabilecek ayrıntıları yakalamak ve bazen de dört veya beş kişilik tasarım gruplarının bir tasarımın üç boyutlu modeli üzerinde birlikte çalışmalarını sağlamak üzere kullanılıyor. Böylesi bir üç boyutlu sistemle çalışan tasarımcıların ellerinde fiziksel parçalarıyla gerçek boyutlarda bir prototip oluyor. Tek fark bunun sanal olması.
Günümüzde bilgisayar sadece karmaşık hesaplan yapmak için kullanılmıyor. Ne de basit bir oyuncak ya da daktilo artık. Bize sunabildiği yeni dünyalar birçoğumuza hala bilimkurgu romanlarından alıntı gibi gelse de, onun gücünü görmemiz ve gerektiğinde bunları sunabileceğini bilmemiz gerekiyor. Burada sadece bir tasarım işlemi içindeki rolünü ve yarattığı devrimi kısaca anlattık. Benzeri etkiler hayatın tüm alanlarına hızla yayılıyor. Yeni ufukları görmeye istekli bir kuşağın önüne, İnternetsin ülkemizde yayılması konusunda yapılana benzer engeller konmaması bile bu teknolojileri yakalamamızda yeterli olabilir.
Bilgisayar üüfıyas! Sinan Göktepeli
