TOBB University of Economics and Technology

Transkript

1 TOBB University of Economics and Technology Department of Electrical and Electronics Engineering ELE3 Analog Elektronik Proje Raporu - Adı Soyadı Numara Tarih

2 Ortak Emitör Yükselticisi Ortak emitör yükselticisinin küçük sinyal modeli Şekil. de verilmiştir. Şekil.: Ortak emitör yükselticisinin küçük sinyal modeli Çıkış ve giriş gerilimleri denklem. ve.2 de verildiği gibi hesaplanır. v out = g m v π (R C //R L ). v in = v π + g m v π R E.2 Gerilim kazancı denklem.3 deki gibi birbirine oranıdır. gmre>> olduğundan gerekli sadeleştirmeler yapıldığında kazanç değeri bulunur. Kazanç değeri yaklaşık 20 olarak alınmıştır.

3 A V = g mv π (R C //R L ) v π + g m v π R E = g m(r C //R L ) + g m R E (R C//R L ) R E > 0 = 20.3 Şekil.2: Ortak emitör yükselticisinin yük eğrisi Ortak emitör yükselticisinin yük eğrileri Şekil.2 de verilmiştir. Yük direnci üzerindeki gerilim salınımı, transistörün VCE gerilimindeki salınıma yakın olduğundan VCEQ gerilimi buna orantılı olarak seçilmelidir. VCE gerilimdeki değişimin bir kısmı RE direncinde harcanacağından maksimum salınımdan biraz fazla seçilmesi faydalı olacaktır. Ayrıca transistör doyuma girdiğinde akım kazancı düşeceğinden bir miktar pay bırakılmalıdır. Tasarımda bu pay V olarak alınmıştır. Transistörün diğer DC kutuplama parametresi ICQ yü belirlemek için yük üzerindeki akım salınımını hesaplamak gerekmektedir. Yük üzerindeki maksimum voltaj salınımı, denklem.4 de verildiği gibi maksimum akım salınımı ile yük direncinin çarpımına eşittir. Δv out = Δi out R L.4 2

4 Kolektör akımındaki toplam salınım, yükteki akım salınımı ile RC direncindeki akım salınımın toplamına eşittir. AC yük eğrisi incelendiğinde maksimum akım salınımı denklem.5 de verildiği gibi yaklaşık 2ICQ ya eşittir. Δi C = Δi RC + Δi out 2I CQ.5 RC direncine değer verilerek denklem.5 den ICQ akımı tayin edilir. Daha sonra Şekil.3 ten denklem.6 ya göre DC kutuplamayı sağlayıp sağlamadığına bakılır. Eğer RC değeri düzgün seçilmezse RE ve RE2 dirençleri negatif çıkabilir. 2V CC = V CEQ + I CQ (R C + R E + R E2 ).6 Şekil.3: Ortak emitör yükselticisi RC, RE, RE2 ve ICQ değerleri belirlendikten sonra denklem.7 ve.8 yardımıyla R ve R2 dirençleri hesaplanır. 3

5 R th = R //R 2 = 0.(β + )(R E + R E2 ).7 V th V CC = I BQ. R th + V BE +I EQ (R E + R E2 ).8 Seçilen kazanç, RC ve maksimum çıkış gerilimi salınımına göre yukarıda verilen denklemlere göre tasarlanmış tasarımlar Tablo de verilmiştir. Kapasitör hesapları yedinci tasarıma göre yapılmıştır. C kapasitörünün değeri; 2πf > = C R th C [R //R 2 //(r π + (β + )R E )].9 C > 2π = 5.3μF.0 C2 kapasitörünün değeri; 2πf > = C 2 R th2 C 2 (R C + R L ). C 2 > 2π = 680nF.2 CE kapasitörünün değeri; 2πf > C E R the.3 C E > 2π0.40??? = 400μF.4 4

6 CL kapasitörünün değeri; 2πf > = C L R thl C 2 (R C //R L ).5 C 2 > 2π = 2.8nF.6 PSpice da kurulan devrenin maksimum çıkış gerilimi salınımı Şekil.4 te, frekans cevabı ise Şekil.5 te verilmiştir. 20V (0.753m,2.385) 0V (.250m, m) 0V (0.750m, m) -0V (.25m,-3.397) -20V 0.0ms 0.5ms.0ms.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms V(RL:) V(V:+) Time Şekil.4: Ortak emitör devresinin maksimum çıkış gerilimi salınımı 5

7 0V (58.433,9.557) 8V (4.25,6.7430) (20.284K,6.7422) 6V 4V 2V 0V.0Hz 0Hz 00Hz.0KHz 0KHz 00KHz V(RL:) Frequency Şekil.5: Ortak emitör devresinin frekans cevabı 6

8 Tablo : Belirli Av, RC ve Vout(p2p) değerlerine göre denklemlere göre çıkartılmış tasarımlar AV RC Vout(p2p) VCEQ ICQ IBQ RDC RE RE2 RAC PRC PRE PRE2 R R2 20 0,00 26,00 4,00,95 0,0 8,2 0,33-2,3 7,00 38,03,27-8,09-29,3 299, ,20 26,00 4,00 2,24 0,0 7,6 0,29 -,33 6, 40,97,45-6,66-7,7 288,4 20 6,80 26,00 4,00 2,56 0,0 6,25 0,25-0,8 5,33 44,63,67-5,30-9,72 32, ,60 26,00 4,00 2,97 0,02 5,38 0,22-0,43 4,59 49,44,93-3,83-3,88 20, ,70 26,00 4,00 3,42 0,02 4,68 0,9-0,2 4,00 54,84 2,22-2,4-0,30-6,2 20 3,90 26,00 4,00 3,98 0,02 4,02 0,6-0,05 3,43 6,88 2,59-0,74 2,9 57, ,30 26,00 4,00 4,59 0,03 3,49 0,4 0,04 2,97 69,5 2,98 0,94 3,55 65, ,70 26,00 4,00 5,46 0,03 2,93 0,2 0, 2,50 80,63 3,55 3,25 4,4 62, ,20 26,00 4,00 6,56 0,04 2,44 0,0 0,4 2,08 94,65 4,26 6,03 4,70 55,83 20,80 26,00 4,00 7,87 0,04 2,03 0,08 0,5,73,55 5,2 9,29 4,6 48,29 20,50 26,00 4,00 9,32 0,05,72 0,07 0,5,47 30,20 6,06 2,8 4,34 4,72 20,00 26,00 4,00 3,65 0,08,7 0,05 0,2,00 86,32 8,87 23,2 3,49 29, ,00 24,00 3,00,80 0,0 9,44 0,33-0,89 7,00 32,40,08-2,88-9,89 602, ,20 24,00 3,00 2,06 0,0 8,24 0,29-0,25 6, 34,9,24 -,07 0,72 30, ,80 24,00 3,00 2,36 0,0 7,9 0,25 0,4 5,33 38,02,42 0,76 7,44 3,0 20 5,60 24,00 3,00 2,74 0,02 6,20 0,22 0,38 4,59 42,3,65 2,85,77 35, ,70 24,00 3,00 3,5 0,02 5,39 0,9 0,50 4,00 46,73,89 4,98 3,90 25,7 20 3,90 24,00 3,00 3,68 0,02 4,62 0,6 0,56 3,43 52,73 2,2 7,57 4,84, ,30 24,00 3,00 4,24 0,02 4,0 0,4 0,57 2,97 59,22 2,54 0,25 4,84 98, ,70 24,00 3,00 5,04 0,03 3,37 0,2 0,55 2,50 68,7 3,03 4,02 4,7 84, ,20 24,00 3,00 6,05 0,03 2,8 0,0 0,5 2,08 80,65 3,63 8,65 3,02 70,98 20,80 24,00 3,00 7,27 0,04 2,34 0,08 0,46,73 95,05 4,36 24,3,68 59,6 20,50 24,00 3,00 8,60 0,05,98 0,07 0,4,47 0,94 5,6 30,0 0,40 50,64 20,00 24,00 3,00 2,60 0,07,35 0,05 0,30,00 58,76 7,56 47,88 7,72 34,84 7

9 2 Ortak Kolektör (Emitör Takipçisi) Tasarımı Ortak Kolektör devresinin küçük sinyal modeli Şekil 2. de verilmiştir. Şekil 2.: Emitör Takipçisinin küçük sinyal analizi Vout gerilim denklem 2. de verildiği gibi, bazdan görülen vin gerilim denklem 2.2 de verildiği gibi bulunur. Ayrıca kaynak direnci olduğundan bazdaki gerilimin kaynak gerilimiyle ilişkisi denklem 2.3 te verildiği gibidir. v out = i b (β + )(R E //R L ) 2. v in = i b (r π + (β + )(R E //R L )) 2.2 v in = v SR in R in + R S 2.3 Bu denklemler göz önüne alındığında devrenin gerilim kazancı denklem 2.4 te verilmiştir. 8

10 i b (β + )(R E //R L ) R in A V =. = R in 2.4 i b (r π + (β + )(R E //R L )) R in + R S R in + R S Daha sonra ilk bölüme benzer şekilde denklem 2.5 te verildiği gibi çıkıştaki akım salınımı hesaplanır. Uygun RE değeri seçilerek, denklem 2.6 ya göre IEQ akımı bulunur. Seçilen VCEQ gerilimi ve IEQ akımına göre denklem 2.7 kullanılarak DC kutuplamanın mümkün olup olmadığına bakılıp RC değeri tayin edilir. En son olarak bias stable koşuluna göre denklem 2.8 ve 2.9 kullanılarak R ve R2 hesaplanır. Δv out = Δi out R L 2.5 Δi E = Δi RE + Δi out 2I EQ 2.6 2V CC = V CEQ + I EQ (R C + R E ) 2.7 R th = R //R 2 = 0.(β + )(R E ) 2.8 V th V CC = I BQ. R th + V BE +I EQ (R E ) 2.9 Farklı RE ve VCEQ değerli için tasarlanan devrelerin parametreleri Tablo 2 de verilmiştir. Kapasite değerleri onbeşinci tasarıma göre hesaplanmıştır. C kapasitörü; 2πf > = C R th C [R S + (R //R 2 //(r π + (β + )R E ))] 2.0 C > 2π =.2μF 2. 9

11 C2 kapasitörü; 2πf > = C 2 R th2 C 2 (R L + R E //.. ) 2.2 C 2 > 2π0 = 2.3 CL kapasitörü; 2πf > = C L R thl C L (R L //R E //(.. )) 2.4 C L > 2π0 = 2.5 0

12 20V (0.249m,3.024) (.250m,20.000) 0V 0V (0.750m,-3.376) -0V (.750m, ) -20V 0.0ms 0.5ms.0ms.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms V(RLL:) V(V:+) Time Şekil 2.2: Ortak kolektör devresinin maksimum çıkış salınımı.

13 400mV ( , m) 300mV 200mV (9.505,235.67m) (40.766K, m) 00mV 0V.0Hz 0Hz 00Hz.0KHz 0KHz 00KHz V(RLL:) Frequency Şekil 2.3: Ortak kolektör devresinin frekans cevabı 2

14 Tablo 2: Farklı RE ve VCEQ değerleri için tasarlanan ortak kolektör devreleri ve parametreleri RE Vout(p2p) VCEQ IEQ IBQ RDC RC Rth R R2 PRE PRC rπ gm Rin AV, ,46 0, ,92-0,075 8,0 67,94 24,67 378,75-28,44 0,24 748,52 5,38 0,76 0, ,55 0,3533 0,88-0,034 6,47 55,96 23,34 384,27-4,38 0,23 790,36 4,08 0,75 0, ,88 0, ,82 0,003 4,84 46,06 2,90 392,42,35 0,22 84,39 2,77 0,73 0, ,64 0,3622 0,73 0,05 2,3 33,66 9,40 42,78 30,70 0,9 947,62 0,68 0,69 0, ,0 0, ,64 0,080 0,4 25,6 6,98 442,32 63,56 0,7 080,94 8,87 0,65 0, ,87 0, ,56 0,095 8,5 9,74 4,95 477,25 96,33 0,5 225,6 7,49 0,6 0, ,67 0, ,49 0,0 7,06 5,49 2,97 524,33 35,67 0,3 40,26 6,25 0,57 0, ,79 0,2309 0,43 0,0 5,97 2,59,36 576,45 75,86 0, 607,50 5,3 0,53 0, ,20 0, ,37 0,096 4,89 9,9 9,64 653,63 232,0 0,0 892,40 4,36 0,48 0, ,46 0, ,3 0,088 3,98 7,83 8,0 75,9 300,40 0, ,52 3,57 0,43, ,46 0, ,82-0,78 8,0 67,94 24,67 378,75-67,37 0,24 748,52 5,38 0,76 0, ,55 0,3533 0,78-0,3 6,47 55,96 23,34 384,27-55,48 0,23 790,36 4,08 0,75 0, ,88 0, ,73-0,089 4,84 46,06 2,90 392,42-42,4 0,22 84,39 2,77 0,73 0, ,64 0,3622 0,65-0,03 2,3 33,66 9,40 42,78-8,57 0,9 947,62 0,68 0,69 0, ,0 0, ,57 0,009 0,4 25,6 6,98 442,32 7,35 0,7 080,94 8,87 0,65 0, ,87 0, ,50 0,032 8,5 9,74 4,95 477,25 32,60 0,5 225,6 7,49 0,6 0, ,67 0, ,44 0,046 7,06 5,49 2,97 524,33 62,33 0,3 40,26 6,25 0,57 0, ,79 0,2309 0,38 0,053 5,97 2,59,36 576,45 92,27 0, 607,50 5,3 0,53 0, ,20 0, ,33 0,055 4,89 9,9 9,64 653,63 33,60 0,0 892,40 4,36 0,48 0, ,46 0, ,27 0,054 3,98 7,83 8,0 75,9 83,48 0, ,52 3,57 0,43 3