Op Amp’ın Hikayesi

Op Amp'ın hikayesi

1934 de, Harry Black, New York dan New Jersey deki iş yeri Bell Labs a, raylı sistem ve ferribotu kullarak gidiyordu. Feribot yolculuğu Harry yi rahatlatır ve teknik şeyler düşünmesine yol açardı. O günlerde Harry nin çözmesi gereken zor bir problem vardı. Telefon kabloları uzun mesafalerle heberleşmek için uzatıldığında, kuvvetlendiricilere ihtiyaç duyuluyordu ve güvenilir olmayan kuvvettlendiriciler telefon hizmetini kısıtlıyorlardı. Öncelikle, toleranslardan dolayı kazanç kötüydü fakat bir kaç ayarla bu sorun çözülebiliyordu. İkincisi ise bir kuvvetlendirici fabrikasyon anında düzgün ayarlansa bile, saha ortamında kazanç oldukça fazla kayabiliyor sonuç olarak ya ses çok az geliyor yada gelen ses aşırı kazançtan bozuluyordu.

Kararlı bir kuvvetlendirici yapılabilmesi için bir çok girişimde bulunulmuştu fakat sıcaklık değişimi ve telefon hattındaki gerilim değişimlerinden dolayı kazanç bir türlü kontrol altına alınamamıştı. Pasif malzemelerin sapmaları aktif malzemelere göre daha azdı, bu yüzden eğer kuvvetlendiricinin kazancı pasif malzemelere bağımlı olursa problem çözülebilirdi. Harry bir feribot yolculuğunda, bu konuya dahihane bir çözüm buldu ve bunu daha feribottan inmeden bir doküman haline getirdi. Çözüm, öncelikle gerek duyulandan fazla kazancı olan bir kuvvetlendirici tasarlamaktı. Daha sonra kuvvetlendircinin çıkış işaretinin bir kısmı girişe geri beslenecekti. Bunun anlamı devrenin kazancının aktif elemanın kazancı yerine, geri besleme devresine bağımlı olmasıydı. Buna negatif geri besleme denildi ve bu günümüzün modern op amp larının alt yapısıydı. Harry kasıtlı olarak yaptığı bu geri besleme mantığını feribot seferi süresince dokümante etti. O zaman kadar bir çok devrede bilmeden de olsa geri besleme kullanılmıştı fakat tasarımcılar gerbeslemenin sonuçlarını ile hiç ilgilenmemişlerdi.

Harry nin bu fikrini Bell labs da açıklaması üzerine müdürler ve tasarımcılar homurdanmaya ve aralarında fısıldaşmaya başladılar. Homurtulardan gelen seslerden biri şöyledi: “30kHz band genişlikli bir kuvvetlendirici yapmak oldukça zor, bu deli de kalkmış benden 3Mhz band genişlikli kuvvetlendirici istiyor, he kazancı bide 30Khz lik olanla aynı olacakmış. Hadi canım sende.” Zaman Harry i haklı çıkardı fakat Harry nin gözünden kaçan ufak bir detay vardı, osilayon problemi. Açık çevrim kazancı yüksek olan bir kuvvetlendirici, kapalı çevrim çalıştırıldığında bazen osilasyona giriyordu. Bir çok kişi bu stabil olmayan durum üzerinde çalışmasına rağmen çözüm 1940 lar da geldi. Fakat bu problemi çözmek oldukça uzun, sıkıcı ve karmaşık hesaplamalar gerektiriyordu. Aradan yıllar geçmesine rağmen çözümü basite indirgeyebilen veya daha anlaşılır hale getiren kimse çıkmadı. 1945 de, H. W. Bode, geri beslemeli sistemlerin cevabını grafiksel metodlarla analiz eden bir sistem buldu. Bu zamana kadar geribesleme analizi, kabaca, çarpma ve bölme ile yapılırdı. Bu yüzden transfer fonksiyonunun hesaplanması zaman kaybı ve zahmetli bir iş olarak görülürdü çünki 70li yıllara kadar mühendislerin ne hesap makineleri nede bilgisayarları vardı. Bode nin logaritma tekniğiyle, geri besleme sisteminin cevabını bulmak, oldukça karmaşık hesaplamalar içermesine rağmen ortaya çıkan grafiksel ifade gayet basitti fakat zamanla bu yöntem, karanlık küçük bir odada tutulan birkaç elektrik mühendisi tarafından egemen olunan bir sanat haline geldi. Herhangi bir elektrik mühendiside bu yöntemi kullabilmeliydi. Bu yüzden geri besleme uygulamasını yapacak makinelerin geliştirilmesine başlandı. Bilgisayar çağına kadar da elektronik geribesleme tasarımı pekde ihtiyaç duyulan birşey değildi.

İlk gerçek zamanlı bilgisayar analog bir bilgisayardı. Bu bilgisayar önceden programlanmış denklemler ve veri girişi kontrol işlemlerini hesaplamak için kullanılırdı.Programlama, veri üzerinde matematiksel işlemler yapan bir dizi fiziksel bağlantılı devrelerle yapılırdı ve fiziksel bağlantının sınırlı olması analog bilgisayarın popülaritesinin azalmasına neden oldu. Analog bilgisayarın kalbi işlemsel kuvvetlendirici olarak anılan devrelerdi çünki çarpma, bölme, toplama, çıkarma, integral ve türev gibi bir çok matematiksel işlemi giriş sinyaline uygulayabiliyordu. Kısa adı ise bizimde bildiğimiz ve sevdiğimiz “op amp” dı. Op amp oldukça büyük açık çevrim kazancı olan bir kuvvetlendiriciydi. Dışarıdan eklenen pasif mazlemelerle kapalı çevrim oluşturulduğunda matematiksel işlemler yapabiliyordu. Bu kuvvetlendirici vakum tüplerinden yapıldığı için oldukça büyüktü ve yüksek gerilimle çalışıyordu fakat analog bilgisayarın temelini oluşturuyordu. Bu yüzden büyüklüğü ve çok fazla enerji harcaması yaptığı işin ücreti karşısında kabul edilebilir düzeydeydi. Bir çok op amp analog bilgisayarlar için tasarlansada, başka alanlarda kullanılmaları çok da fazla zaman almadı ve bir çok fizik laboratuarında bile artık el atında bulanan aktif elemanlar haline geldi.

Bu zamanlarda, analog bilgisayarlar üniversitelerin ve büyük şirketlerin laboratuarlarına kadar girdi çünki araştıma işlerinde kritik bir role sahipti. Buna paralel olarak bir diğer ihtiyaç ise laboratuar deneylerindeki transdüser sinyal iyileştirmeleri oldu ve op amplar sinyal iyileştirme uygulamalarında da kullanılmaya başlandı. Sinyal iyileştirme uyugulamalarının artması üzerine, op amp ihtiyacı analog bilgisayar ihtiyacından fazla olmaya başladı. Analog bilgisayarlar yerini dijital bilgisayarlara devretmesine rağmen op amp lar ayakta kalmayı bildiler çünki op amp lar analog uygulamalarda önemli bir yer teşkil ediyorlardı. Sonunda dijital bilgisayarlar analog bilgisayarların yerleri aldı fakat ölçme uygulamalarının artması opamp ihtiyacınında artmasına neden oldu.

Sinyal düzeltmek için kullanılan ilk op amp transistörlerin bulunmasından önce bir vakum tüpünün içerisine inşa edildi. Bu yüzden büyük ve hantaldılar. 50li yıllarda, düşük gerilimli güç kaynakları ile çalışan minyatür vakum tüpleri, op ampların bir tuğla boyutuna kadar küçültülmesine olanak verdi. Bu yüzden opamp modülleri tuğla olarak anıldı. Vakum tüp ve malzeme boyutları, opamp tekbir oktal vakum tüpüne sığana kadar küçültülmeye devam edildi. Transistörler ticari olarak 60 lı yıllarda geliştirilmişti ve opamplarda kullanılmaya başlanmasıyla opamp boyutlarını bir kaç küp inch e kadar düşürmüştü fakat tuğla sıfatından hala kurtulamamıştı. Şimdilerde bu yakıştırma üzerinde dikine duran bir eleman veya entegre kullanılmadan yapılmış devreler için hala devam etmektedir. Bu ilkel opamplar özel uygulamalar için yapılmışlardı, bu yüzden genel amaçlı olarak gerekli değildi. Eski opamplar özel uygulamalara hitap ediyordu fakat her üreticinin kendine özgü özellikleri ve kılıfları vardı. Entegre devreler 1950 lerin sonu ve 1960 ların başında geliştirildi fakat 1960 ın daha ortasına gelmeden Fairchild μA709 u piyasaya sürdü. Bu ilk başarılı opamp entegre devresiydi ve Robert J. Widler tarafından dizayn edilmişti. μA709 bilinen tüm sorunları ile piyasaya sürüldü fakat yetenekli mühendisler tarafından bile kullanılamadı ve uA709 farklı analog uygulamaları ile hazır halde piyasaya yeniden sürüldü. μA709 un dezavantajı kararlılığıydı. Kompanzasyon dışarıdan bağlanan pasif elemanlarla, tecrübeli bir mühendis tarafından yapılıyordu. Ayrıca μA709 biraz hassastı çünki en ufak bir ters durumda kendini kendini bozabilme gibi tuhaf bir huyu vardı. Bu kendi kendini bozabilme olayı o kadar yaygındı ki askeri techizat üreten bir üretici μA709 hakkında “The 12 Pearl Harbor Conditions of the μA709″ başlıklı bir yazı yayınladı. μA709 u μA741 takip etti. μA741 in kompanzasyon sorunu içeride çözülmüştü ve katalog değerlerine uygun olarak çalıştırıldığında dışarıdan kompanzasyona gerek duymuyordu. O günden bu güne bir çok üretimi sonlandırılmayan seriler piyasaya sürüldü. Performans ve kararlılıkları ise herhangi birinin kolaylıkla analog uygulamalarında kullanabileceği kadar geliştirildi.

Yeni nesil opamplar artık frekans spectrumunda, 5kHz den 1Ghz inde ötesinde oldukça geniş bir yelpazaye hakim. Besleme gerilimi aralığı 0.9V dan maksimum 1000V a kadar uzanıyor. Giriş akımı ve offset gerilimi oldukça düşük. Tüm analog işlemleri gerçekleştirebilmesi nedeniyle opamp lar artık analog entegrelerin gözdesi olmuş durumda. Opamplar günümüzde; hat sürücüsü, karşılaştırıcı, gerilim kaynağı, akım kaynağı, osilatör, filtre, kuvvetlendirici gibi birçok uygulamada kullanılıyor. Artık tasarmcılar opamp kullanacakları zaman, doğru opampı nasıl hızlıca seçerim ve pasif devre elemaları ihtiyacıma göre nasıl hesaplarım gibi basit soruların cevaplanmasın ardından, neredeyse tasarımlarını bitmiş oluyorlar.