İşlemsel kuvvetlendiriciler neden RF/mikrodalga uygulamalarında kullanılamaz?
İşlemsel kuvvetlendiriciler (operational amplifier, op-amp), düşük frekanslı analog uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Elektrik, Elektronik ve Haberleşme mühendisliği eğitiminin de en temel konularındandır ve laboratuvarlarda uygulaması da yaptırılır.
Bu yazıda işlemsel kuvvetlendiricinin kısaca ne olduğunu tanımlayıp RF kuvvetlendiriciler ile karşılaştırıp farkları anlatacağım.
İşlemsel kuvvetlendirici bir gerilim kuvvetlendiricisidir. Yani, giriş ve çıkış işaretinin büyüklüğü gerilimdir. Bu nedenle kazanç ifadesi V/V olarak verilir.
İdeal bir işlemsel kuvvetlendiricinin 3 tane önemli özelliği vardır:
1. Giriş direnci sonsuzdur
2. Kazancı sonsuzdur
3. Çıkış direnci sıfırdır
İşlemsel kuvvetlendiricinin giriş direncinin teorik olarak sonsuz olması, girişe bir işaret uygulandığında işlemsel kuvvetlendiricinin girişinin akım çekmeyeceği anlamına gelir. Bu durumda devrenin başarımı, girişe bağlanacak diğer devrenin (bu bir algılayıcı da (sensör) olabilir) çıkış direncinden etkilenmeyecektir. Aynı şekilde işlemsel kuvvetlendirici ile tasarlanan devrenin çıkış direnci çok düşük olduğu için girişine bağlandığı başka bir devreyi etkilemez. Uygulamalarda da giriş dirençleri genelde mega-ohm seviyesinde olduğu için genel olarak giriş dirençleri sonsuz alınarak tasarım yapılabilir.
İşlemsel kuvvetlendiricilerde 2 tane giriş bulunur: Eviren (n) ve evirmeyen (p) giriş. İşlemsel kuvvetlendiricinin transfer fonksiyonu aşağıdaki gibidir:
Kazancın sonsuz olması kontrolsüz bir yükseltme getireceği için uygulamada bu şekilde kullanılamaz. Kazancı ayarlayabilmek için işlemsel kuvvetlendiriciler negatif geri besleme içerecek şekilde tasarlanır. Bu sayede işlemsel kuvvetlendiricinin kazancı istenilen şekilde ayarlanabilir ve tasarıma farklı özellikler de eklenebilir (frekans seçicilik, sınır değer belirleme vb).
İşlemsel kuvvetlendiriciler genel olarak en fazla birkaç MHz bant genişliğinde olmaktadır. Bunun sebebi tasarım yapısı ve içerdikleri transistörlerin teknolojisidir. Farklı transistör ve farklı bir mimari kullanılarak daha geniş bantlı işlemsel kuvvetlendiriciler tasarlanabilmektedir, ama bunların maliyeti yüksektir. Özetle işlemsel kuvvetlendiriciler yüksek frekanslı devrelerde kullanıma uygun değildir.
RF/mikrodalga frekanslarında çalışabilen kuvvetlendiricilerde giriş ve çıkış büyüklükleri güçtür. Bu nedenle RF kuvvetlendiriciler güç kuvvetlendiricisi olarak da adlandırılır. Girişe gelen işaretin gücü kuvvetlendiricinin kazancı kadar arttırılarak çıkışa aktarılır.
Giriş ve çıkış büyüklüğü güç olduğu için ve gücün tanımlanabilmesi için referans olarak bir empedans kullanılması gereklidir. Yüksek frekanslı devrelerde bildiğiniz gibi standart olarak giriş ve çıkış empedansı 50ohm’dur.
Yüksek frekanslı bir kuvvetlendirici seçilirken hangi frekansta ne kadar kazanç sağladığına bakılır. Eğer yüksek güçlü bir kuvvetlendirici söz konusu değilse genelde üreticiler doğrusal kazancı verir. Kuvvetlendiriciyi doğrusal bölgede kullanmak işaretinizin bozulmadan kuvvetlendirilmesini sağlayacaktır.
Her iki kuvvetlendirici tasarımında ve kullanımında uygun olmayan tasarım veya bağlantılardan dolayı osilasyon gözlenebilir. Bu risk RF kuvvetlendiricilerde daha fazladır.
