Bölüm 1: JFET ve MOSFET ler (Alan Etkili Transistörler)

Transkript

1 Bölüm : JFET ve MOSFET ler (Alan Etkili Transistörler) A. JFET (FET) lerin yapısı ve karakteristiği. Transistör (BJT, Bipolar Junction Transistor) hakkında temel bilgi Transistör B (beyz) ucuna uygulanan akıma göre C (kolektör)e (emiter) uçları arasından geçen akımı kontrol eder. Başka bir deyişle transistör çalışabilmek için belli bir I B akımına gerek duyar. İşte bu nedenle transistörlere akım kontrollü aktif devre elemanı denir. Şekil de NPN ve PNP tipi transistör sembolleri verilmiştir. NPN PNP Şekil : NPN ve PNP transistör sembolleri. JFET (FET) ler G (gate, geyt, kapı) ucuna uygulanan ters polariteli gerilimin değerine göre D (drain, dreyn, oluk)s (source, sors, kaynak) uçları arasından geçen akımı kontrol edebilen elemanlara ise JFET (junction field effect transistor, birleşim yüzeyli alan etkili transistör) denir. 3. JFET lerin özellikleri T, video, kamera, bilgisayar, kesintisiz güç kaynağı, anten yükselteci, verici, alıcı vb. gibi hassas yapılı elektronik devrelerde yaygın olarak kullanılan JFET lerin bazı özellikleri şunlardır: Giriş empedansları 00 MΩ dolayında olup çok yüksektir. Transistörün (BJT) giriş empedansı ise çok düşük olup kω dolayındadır. adyasyon (ışınım) etkisi yoktur. Anahtar olarak kullanıldıklarında kontrol edilmeleri kolaydır. Yani DS uçları arasından geçen akım küçük bir GG polarma (ön gerilimleme) voltajıyla denetlenebilir. Transistörlerden daha az gürültülü (parazitsiz) çalışırlar. Sıcaklık değişmelerinden daha az etkilenirler. Gövde boyutları transistörlerden daha küçüktür. Giriş empedanslarının yüksek, elektrotlar (ayaklar) arası kapasitenin (sığanın) düşük olması nedeniyle yüksek frekanslı elektronik devrelerde yaygın olarak kullanılırlar. Bant genişlikleri (çalışabildikleri frekans aralığı) dardır. 4. Alan etkili transistör çeşitleri Alan etkili transistörler iki gruba ayrılır: a. JFET (junction field effect transistor, birleşim yüzeyli alan etkili transistör), b. MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor, metal oksit yarı iletken alan etkili transistör) 5. JFET lerin yapısı P ve N tipi iki yarı iletkenin birleşmesinden oluşan JFET lerin D, S, G adlı üç ayağı vardır. Şekil de N ve P kanallı JFET sembolleri, şekil 3 te ise N kanallı JFET in yarı iletken iç yapısı verilmiştir. N kanal P kanal Şekil : JFET sembolleri BF45 G S D Şekil 3: N kanallı JFET'in yarı iletken iç yapısı JFET te DS arasındaki kanal maddesi büyük, kapı (G) maddesi ise küçüktür.

2 N kanallı JFET ile P kanallı JFET arasında bir fark yoktur. Sadece I D akımının yönü terstir. Bu bölümde, anlaşılması daha kolay olduğu için N kanallı JFET lerin çalışması açıklanacaktır. D I D JFET in GS uçlarına ters polarma uygulandığı için G ucundan hiç akım geçişi olmaz. İşte bu nedenle JFET ler gerilim kontrollü eleman olarak tanımlanırlar. Transistörlerin B ucu akım çektiği için bu elemanlar akım kontrollüdür. GG G DD Şekil 4 te verilen devrede ilk anda GG geriliminin 0 (sıfır) volt olduğunu varsayalım: Bu durumda DD kaynağı, D direnci ve DS uçları arasından belli bir akım geçirir. GG kaynağının gerilimi 0 (sıfır) voltken geçen akım JFET in DS uçlarının ve D nin direnç değeri tarafından sınırlanır. S Şekil 4: N kanal JFET'in polarılması 6. JFET lerin çalışma ilkesi Şekil 4 te görüldüğü gibi N kanallı JFET in G ucu ters, DS uçları ise doğru polarılmıştır. JFET in D ucuna bağlanmış olan D, yük direnci olarak görev yapmaktadır. GS uçları arasına bağlanmış olan GG kaynağı JFET in GS uçları arasındaki yarı iletkenleri ters polarır. Bilindiği gibi PN eklemine ters polarma uygulandığında birleşim (junction, jonksiyon) bölgesinde, elektron ve oyuk bakımından fakirleşmiş bir bölge (alan) oluşur. Fakirleşmiş alanın genişliği şekil 5 te görüldüğü gibi G ucuna uygulanan ters polarma geriliminin değeri artırıldıkça artar. BF45 G DD DS Şekil 6: JFET in G ucuna uygulanan gerilim 0 ken I D akımının ve DS geriliminin değişiminin incelenebilmesi için kurulan deney bağlantı şeması D Şekil 6 da verilen deney bağlantı şemasında G ucu şaseye bağlıyken ( GG = 0 ) DD kaynağının gerilimi 0 volttan itibaren artırılacak olursa I D akımı da şekil 7 de görüldüğü gibi artmaya başlar. Akımın doğrusal (lineer) olarak artış gösterdiği AB noktaları arasındaki bu kısma omik bölge denir. S I D ma 05 GG G P D DD Şekil 5: JFET in GS uçları arasına ters olarak bağlanan GG kaynağının gerilim değeri arttıkça fakirleşmiş bölge genişler. (JFET in akım geçiren kanalı daralır.) N S P D I DSS I D (ma) 0,5 0 A B omik bölge JFET in kırılma (bozulma) noktası JFET in saturasyon (doyum, kıstırma, pinchoff) bölgesi P DS () Şekil 7: JFET in GS uçları arasına uygulanan gerilim 0 ken DS uçları arasına bağlanan DD kaynağının gerilim değeri 0 dan itibaren artırıldığında I D akımının karakteristik eğrisi C

3 JFET e uygulanan DD gerilimi doğrusal bir şekilde artırılmaya devam edilirse I D akımının şekil 7 de görüldüğü gibi doğrusal olarak artmadığı görülür. Şekil 6 da DD gerilimi 0 tan 4 a doğru artırıldığında I D akımın şekil 7 de görüldüğü gibi doğrusala yakın düzgünlükte arttığı görülür. DD gerilimi 4 volttan itibaren artırılsa bile I D akımındaki artış durur. I D akımının artışının durduğu noktaya doyum (saturasyon, kıstırma, pinchoff) noktası denir. Doyum noktası kritik gerilim değeri olarak da adlandırılır ve P ile gösterilir. JFET in G ucuna uygulanan ters polarma gerilimi GG =0 voltken DS uçları arasından geçen I D akımı, DD gerilimi artırılsa bile belli değerde sabitleşir. Akımın sabit olduğu bu değere I DSS (DS uçları arasından geçen doyum akımı) denir. JFET in DS uçları arasından geçen akım, DS uçları arasındaki gerilim artırılmaya devam etmesine karşın pek fazla artmaz. Şekil 7 de verilen karakteristik eğride doyum (pinchoff) bölgesi olarak adlandırılan bölgede JFET ten geçen I DSS akımı hemen hemen aynı değerde kalır. Şekil 6 da verilen deney bağlantı şemasında DD kaynağının gerilim değeri artırılarak DS uçları arasındaki DS gerilimi yükseltilecek olursa I D akımı yüksek bir değere çıkar. I D akımının aşırı artması ise JFET in bozulmasına yol açar. Şekil 7 deki karakteristik eğrisinde kırılma (breakdown, bozulma) noktası (C) olarak gösterilen bu değeri JFET e uygulamamak gerekir. 7. JFET lerin elektriksel karakteristikleri a. JFET in çıkış ( DS I D ) karakteristiği JFET in G ucu şekil 6 da görüldüğü gibi şaseye bağlıyken DS kaynağının gerilim değeri belli bir noktaya ulaştığında DS uçları arasından belli büyüklükte bir akım geçer. Buna I DSS akımı denir. G ucuna uygulanan ters polarma gerilimi GG 0 G DD Şekil 8: JFET in G ucuna uygulanan gerilim 0 volttan yüksekken I D akımının ve DS geriliminin değişiminin incelenebilmesi için kurulan deney bağlantı şeması 0,5 0 I D (ma) omik bölge P BF45 D şekil 8 de görüldüğü gibi artırıldığında (örneğin yapıldığında) I D akımı şekil 9 da görüldüğü gibi azalır. GG kaynağıyla G ucuna uygulanan ters polarma gerilimi biraz daha artırıldığında (örneğin,5 yapıldığında) I D akımı şekil 9 da görüldüğü gibi daha da azalır. = yapıldığında ise I D akımı 0 amper düzeyine iner. Sonuç olarak GG kaynağıyla G ucuna uygulanan ters gerilim 0,5,,,5,..., şeklinde artırılmaya devam edilirse I D akımı 0 A düzeyine doğru iner. I D akımının azalmasının nedeni kanal bölgesinin iletkenliği sağlayan elektronlar ve oyuklar bakımından fakirleşmiş bir hâle gelmesidir. Kanal bölgesinin fakirleşmiş hâle gelmesini sağlayan etken ise bilindiği gibi GS uçları arasının ters polarmalanmış olmasıdır. b. JFET in transfer ( I D ) karakteristiği JFET in transfer karakteristiği, sabit bir DS gerilimi altında geriliminin değişimine göre I D akımının değişimini gösterir. Başka bir deyişle DS gerilimi sabitken G ucuna uygulanan ters polarma ( GG ) gerilimi S = 0 = I D ma =,5 DS kıstırma (sabit akım, pinchoff) bölgesi = DS () Şekil 9: JFET in GS uçları arasına uygulanan gerilim voltken DS uçları arasına bağlanan DD kaynağının gerilim değeri 0 tan itibaren artırıldığında I D akımının değeri I DSS değerinin altına iner. 3

4 artırıldıkça I D akımı şekil 0 da görüldüğü gibi I DSS değerinden 0 ma değerine doğru iner. b. = I DSS I D (ma) 0,8 c. = () P,5 0,5 Şekil 0 da verilen transfer karakteristiği eğrisinde herhangi bir gerilimi değerinde I D akımının değeri, 0,6 0,4 0, Şekil 0: N kanal JFET in transfer karakteristiği 0 Örnek: Bir JFET in P gerilimi 4, I DSS akımı 0 ma dir. Buna göre, a. gerilimi 0 voltken I D akımını, b. gerilimi voltken I D akımını, c. gerilimi 4 voltken I D akımını bulunuz. Çözüm a. = b. = 5 ma c. = denklemiyle bulunur. Şekil 0 da verilen karakteristik eğrisinden şu sonuçlara (yargılara) varmak mümkündür: I. gerilimi 0 ken JFET ten maksimum düzeyde bir akım geçişi olmaktadır. Bu akım I DSS (saturasyon, doyum) akımı olarak nitelenir. II. JFET in G ucuna uygulanan ters polariteli gerilimi GG ile 0 tan itibaren artırıldığında DS uçları arasından geçen I D akımı I DSS değerinden daha küçük bir değere inmektedir. III. JFET in GS uçları arasına uygulanan ters polarma gerilimi belli bir düzeye ( P değerine) ulaştığında DS uçları arasından geçen I D akımı 0 (sıfır) seviyesine inmektedir. JFET in Transfer karakteristiğiyle ilgili örnekler Örnek: Bir JFET in P gerilimi 3, I DSS akımı 0 ma dir. Buna göre, a. gerilimi 0 voltken I D akımını, b. gerilimi voltken I D akımını, c. gerilimi 3 voltken I D akımını bulunuz. Çözüm a. = 8. JFET lerin elektriksel parametreleri JFET e uygulanan gerilimlerin değiştirilmesiyle bu elemanın gösterdiği tepkiye parametre (büyüklük) denir. Elektronik devre elemanı üreten firmalar kataloglarda her JFET için parametre değerlerini bildirirler. Örnek olarak BF45 adlı JFET in bazı özellikleri aşağıda verilmiştir. DSmaks = ± 30 maks = 30 g m = 5,5.0 3 (mho, Siemens, S) I DSS = 0 ma BF45 G S D JFET lerin özellikleri açıklanırken kullanılan bazı teknik parametrelerin (büyüklüklerin) anlamları şöyledir: a. DS doyma akımı (I DSS ) GS eklemi (jonksiyonu) kısa devre edildiğinde (yani G ucuna 0 uygulandığında) D S uçları arasından geçen maksimum akımdır. b. GS kapama gerilimi (kritik gerilim, P ) DS kanalının tamamen kapandığı (hiç akım geçirmediği) gerilim değeridir. Bu değer off (kesim ) ile de gösterilir. 4

5 c. GS kırılma gerilimi (BS ) Bu parametre belirli bir akımda DS kısa devreyken ölçülür. Uygulamada bu değerin üzerine çıkılması hâlinde JFET bozulur. ç. DS kırılma gerilimi ( DSmaks ) JFET in DS uçları arasına uygulanabilecek maksimum gerilim değerini bildirir. Bu değerin üzerinde bir gerilim JFET i bozar. d. Geçiş iletkenliği (g m ) JFET ler sabit akım elemanı olduğundan D ucundaki gerilimin değişimi I D akımında pek bir değişikliğe yol açmaz. I D akımı genellikle G ucuna uygulanan gerilimle kontrol edilir. Bu nedenle JFET lerin en önemli parametrelerinden biri I D akımındaki değişime göre G voltajının değişimidir. Bu parametre geçirgenlik (transkondüktans, transconductance) olarak tanımlanır. Aşağıda BF45 adlı JFET in geçiş iletkenliği karakteristik eğrisi verilmiştir. g m m m DS =5 0, 0 00 ma Örnek: Bir JFET in gerilimi 0 tan 0,6 a kadar değiştiğinde I D akımı ma den 0, ma e doğru bir azalma (değişim) göstermektedir. JFET in geçirgenliğini (transkondüktansını) bulunuz. Çözüm g m = I D GS (.0 0,.0 ) 0,8.0 3 = = =,33.0 o (0,6 0) 0,6 =,33 m (milimho) Örnek: Bir JFET in I DSS akımı 0 ma, P gerilimi 6, gerilimi olduğuna göre JFET in iletkenliğini (transkondüktansını) bulunuz. Çözüm g m =. I DSS P.0.0 = 6 3 GS P = 3, ,834 6 =, =,78 m e. DS iletim direnci (r ds ) Bu büyüklük, belirli bir GS gerilimi ve I D akımında ölçülen gerilim DS iletim direnci, JFET in anahtar olarak kullanılmasında önem taşır. Bu değer on ile bir kaç yüz arasında değişir. Geçirgenlik, DS gerilimi sabitken I D akım değişiminin GS arası gerilim değişimine oranıdır. g m = I D GS ( DS = sabit) Geçirgenlik, direncin tersi olduğu için birimi (mho, mo) ya da Siemens (S) ile ifade edilir. I D g m =. I DSS P GS P.I ve g m = DSS P I I denklemleri kullanılarak JFET in geçirgenlik değeri hesaplanabilir. D DSS 5

6 B. MOSFET lerin yapısı ve karakteristiği. Giriş JFET lere göre daha üstün özelliklere sahip olan MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor, metal oksit tabakalı alan etkili transistör) lerde G ucu gövdeden tamamen yalıtılmıştır. O nedenle MOSFET lerin giriş empedansı (Z grş, Z in ) çok yüksek olup 0 4 Ω dolayındadır. Bant genişliği ve çalışma frekansı JFET lere oranla daha yüksek olan MOSFET ler entegre yapımında ve hassas elektronik devrelerin üretiminde kullanılmaktadır. Hassas yapılı olan MOSFET lerin G ucundaki ince silisyum (silikon) oksit tabakası insan bedenindeki statik elektrik yüküyle bile delinebilir. O nedenle bu elemanlara el ile dokunmadan bedendeki durgun (statik) elektrik yükünün boşaltılması gerekir. Ayrıca MOS FET lerin lehimlenmesinde düşük güçlü (fazla ısınmayan) ve topraklı havyalar kullanılmalıdır. Şekil de azaltan kanallı, şekil de ise çoğaltan kanallı MOSFET sembolleri verilmiştir. 3. MOSFET lerin yapısı a. Azaltan kanallı MOSFET ler Şekil 3 te yapısı verilen azaltan kanallı MOSFET te G ucu N tipi kanal maddesinden silisyum oksit ve silisyum nitrat tabakalarıyla ayrılmıştır. silisyum nitrat silisyum oksit P SS substrate (SS, bulk, alt katman) Şekil 3: Azaltan kanallı MOSFET'in yapısı metal Azaltan kanallı MOSFET in G ucuna uygulanan gerilim 0 voltken, DS uçlarına bir gerilim uygulandığında N tipi kanaldan belli değerde bir akım (I DSS ) geçişi olur. G ucuna uygulanan ters polarma geriliminin değeri artırıldıkça DS kanalından geçen akım (I D ) azalır. P kanallı MOSFET Şekil : Azaltan kanallı MOSFET sembolleri P kanallı MOSFET. MOSFET çeşitleri N kanallı MOSFET N kanallı MOSFET Şekil : Çoğaltan kanallı MOSFET sembolleri Uygulamada kullanılan MOSFET çeşitleri şunlardır: a. Azaltan kanallı (depletion tipi, DMOS FET) MOSFET, b. Çoğaltan kanallı (enhancement tipi, endüksiyon tipi, EMOSFET) MOSFET b. Çoğaltan kanallı MOSFET ler Şekil 4 te yapısı verilen çoğaltan kanallı MOSFET te DS uçları arasında kanal maddesi yoktur. G ucuna herhangi bir gerilim uygulanmadığında DS uçları arasından bir akım geçişi olmaz. G ucunun bağlı olduğu metal parça ile P tipi gövde (substrate) bir kondansatör özelliği gösterir. Bilindiği gibi iki iletken ve bir silisyum nitrat silisyum oksit SS substrate (SS, bulk, alt katman) metal Şekil 4: Çoğaltan kanallı MOSFET'in yapısı 6

7 yalıtkan kondansatörü oluşturur. Çoğaltan kanallı MOSFET in G ucuna () polariteli gerilim uygulandığında kapasite özelliğinden dolayı P tipi gövdeye bağlı iki N maddesinin arasında şekil 5 te görüldüğü gibi () yükler toplanır. DS uçları arasındaki bölgede toplanan () yükler P tipi maddenin içinde az sayıda bulunan azınlık taşıyıcılardır. silisyum nitrat silisyum oksit metal I D (ma) gerilim kontrollü direnç bölgesi k gerilim kontrollü akım kaynağı bölgesi = = 0 Şekil 7: N tipi, azaltan kanallı MOS FET in I D DS karakteristik eğrisi = = I D (ma) DS () I DSS SS substrate (SS, bulk, alt katman) Şekil 5: Çoğaltan kanallı MOSFET te DS uçları arasında () yüklerin toplanışı DS uçları arasında biriken () yükler doğal bir kanal oluşumunu sağlar. Bu sayede DS uçları arasından akım geçişi başlar. G ucuna uygulanan () polariteli gerilimin değeri artırıldıkça DS uçları arasında biriken () yükler çoğalır ve I D akımı da artar. Çoğaltan kanallı MOSFET in G ucuna gerilim uygulanmadığı zaman DS arasından akım geçişi olmaz. () P Şekil 8: N tipi, azaltan kanallı MOS FET in transfer karakteristiği eğrisi () devre kullanılarak şekil 7 de verilen I D DS statik karakteristik eğrisi ve şekil 8 de verilen transfer karakteristik eğrisi elde edilebilir. 4. MOSFET karakteristikleri a. N tipi, azaltan kanallı MOSFET lerin karakteristikleri Şekil 6 da N tipi, azaltan kanallı MOS FET in deney bağlantı şeması verilmiştir. Bu G Şekil 6: N tipi, azaltan kanallı MOSFET in devre bağlantı şeması D 7 Şekil 7 de verilen I D DS statik karakteristik eğrisi incelenecek olursa MOSFET in G ucunun polarma gerilimi negatif () ve pozitif () polariteli olarak uygulanmıştır. gerilimi negatif polariteli olarak artırıldıkça DS uçları arasından geçen I D akımı azalmaktadır. Negatif polariteli gerilimi belli bir P değerine ulaştığında DS uçları arasından geçen I D akımı 0 (sıfır) değerine iner. I D akımının 0 A değerine inmesini sağlayan gerilimine kıstırma (pinchoff) gerilimi ( P ) denir. Şekil 7 de kesik çizgiyle gösterilen k eğrisine kadar her bir eğri P (pinchoff) gerilimine ulaşıncaya kadar I D akımı da artar. Bu değerden sonra gerilim artsa bile I D akımı sabit kalır. Azaltan kanallı MOSFET lerin DS uçları arasından geçen akımın herhangi bir değerindeki miktarını bulmak için kullanılan

8 denklem JFET lerde olduğu gibi, şeklindedir. Buna göre azaltan kanallı MOSFET ler JFET lerle aynı biçimde çalışırlar. verilen transfer karakteristiği eğrisi elde edilebilir. Şekil 0 de verilen I D DS statik karakteristik eğrisi incelenecek olursa MOSFET in G ucuna uygulanan polarma gerilimi artırıldıkça D S uçları arasından geçen I D akımı artmaktadır. G Çoğaltan kanallı MOSFET lerde gerilimi şekil de görüldüğü gibi T eşik gerilim değerini aşıncaya kadar I D akımı akmaz. Eşik geriliminden büyük (pozitif polariteli) gerilimlerinde DS uçları arasından geçen I D akımı artar. Şekil 9: N tipi, çoğaltan kanallı MOSFET in deney bağlantı şeması I D (ma) k Şekil 0: N tipi, çoğaltan kanallı MOS FET in I D DS karakteristik eğrisi II D (ma) = 6 = 5 = 4 = 3 DS () Çoğaltan kanallı MOSFET lerin transfer karakteristiğinin denklemi, I D = k.( T ) şeklindedir. Bu denklemde k değeri MOSFET in yapısıyla ilgili bir değer olup tipik olarak 0,3 ma/ değerindedir. Çoğaltan kanallı MOSFET te = 0 durumunda hiç I D akımı geçmeyeceğinden I DSS değeri de olmayacaktır. Çoğaltan kanallı MOSFET ler küçük boyutlu olduklarından daha çok entegre (tümleşik devre, yonga, çip, chip) yapımında kullanılırlar. I D = k.( T ) () T Şekil : N tipi, çoğaltan kanallı MOS FET in transfer karakteristiği eğrisi b. N tipi, çoğaltan kanallı MOSFET lerin karakteristikleri Şekil 9 da N tipi, çoğaltan kanallı MOS FET in deney bağlantı şeması verilmiştir. Bu bağlantı şeması kullanılarak şekil 0 de verilen I D DS statik karakteristik eğrisi ve şekil de 8 5. MOSFET parametreleri JFET parametrelerinde açıklanan DS doyma akımı (I DSS ), GS kıstırma (pinchoff) gerilimi ( P ), geçiş iletkenliği (g m ), DS iletim direnci (r ds ) MOSFET ler için de geçerlidir. MOSFET lerin I D akımını bulmada kullanılan denklemler: şeklindedir. ve I D = k.( T ) MOSFET lerin geçiş iletkenliğini (g m ) bulmada kullanılan denklem, g m =.k.( T ) şeklindedir.

9 MOSFET lerle ilgili örnek sorular Örnek: Azaltan kanallı MOSFET te I DSS akımı ma, P gerilimi 3 tur. I D akımını, a. = 0, b. = için hesaplayınız. Çözüm a. =.0 3. b. = =.0 3 A 3 =.0 3.0,=, A =,33 ma Örnek: Azaltan kanallı MOSFET in I DSS akımı ma, P gerilimi 6 tur. I D akımını, a. = 3, b. = 6 değerleri için hesaplayınız. Çözüm a. = =3.0 3 A = 3 ma b. = = 0 A 6 Örnek: Eşik gerilimi T = 5 olan N tipi, çoğaltan kanallı MOSFET in geçiş iletkenliğini, a. = 6, b. = 8 değerlerine göre hesaplayınız. Not: k=0,3 ma/ = 0,3.0 3 A/ olarak kabul edilecektir. Çözüm a. g m =.k.( T )=.0,3.0 3.(65) =0,6.0 3 = 0,6 m b. g m =.k.( T )=.0,3.0 3.(85) =,8.0 3 =,8 m Örnek: Azaltan kanallı MOSFET in I DSS akımı ma, P gerilimi 4, gerilimi 0 volttur. Buna göre MOSFET in geçiş iletkenliği (g m ) değerini bulunuz. Çözüm JFET lerdeki g m =. I DSS P GS P denklemi azaltan kanallı MOSFET ler için de geçerlidir. g m =. I DSS P GS = = 6 m P = 4 4 Örnek: N tipi, çoğaltan kanallı MOSFET in eşik gerilimi T = 3 tur. a. = 3, b. = 5 değerlerinde I D akımını bulunuz. Not: k=0,3 ma/ = 0,3.0 3 A/ olarak kabul edilecektir. Çözüm a. I D = k.( T ) = 0,3.0 3.(33) = 0 A b. I D = k.( T ) = 0,3.0 3.(53) =,.0 3 A =, ma 9

10 C. JFET ve MOSFET lerin polarılması (ön gerilimlenmesi). JFET lerin polarılması (ön gerilimlenmesi) giriş C G GG BF45 DD D DS çıkış Şekil : N kanallı JFET in sabit polarması C D geriliminin DD geriliminin yarısı ( DD ) kadar olmasını sağlar. Bilindiği gibi bir yükselteç devresinin düzgün (distorsiyonsuz, kırpılmamış) çıkış veren bir devre olarak çalışabilmesi için D ucundaki gerilimin DD geriliminin yarısı kadar olması gerekir. S ucu şase yükselteç devresinde G ucu akım çekmediği için G direnci üzerinde gerilim düşümü oluşmaz. Buna göre GG geriliminin tümü GS uçları arasında görülür. Yani, GG = dir. I D akımının bulunmasında kullanılan denklem ise, şeklindedir. DD D çıkış Şekil ve 3 te verilen yükselteç devrelerinde I D akımının D direnci üzerinde oluşturduğu gerilim, C giriş G GG C DS D = I D. D denklemiyle hesaplanır. Sabit polarmalı JFET li yükseltecin çıkış bölümünün denklemleri, DD = D DS DD = I D. D DS Şekil 3: P kanallı JFET in sabit polarması a. Sabit (fixed) DC üreteçli polarma Şekil de N kanallı, şekil 3 te ise P kanallı JFET in sabit polarma yöntemiyle polarılmasına (ön gerilimlenmesine) ilişkin devre şemaları verilmiştir. Yukarıda verilen iki devre şeması yükselteç (amplifikatör) olarak kullanılabilir. Yükseltilecek sinyal C kuplaj (bağlaşım) kondansatörü aracılığıyla JFET in G ucuna uygulanır. Yükseltilmiş sinyal ise JFET in D ucuna bağlı C kuplaj kondansatörü üzerinden alınır. İki devrede de S ucu ortak (şase) olarak kullanıldığı için bunlara S (source) ucu şase (ortak) yükselteç adı verilir. JFET li, S ucu şase yükselteçler yapı olarak transistörlü emiteri şase yükselteçlere benzerler. S (source) ucu şase yükselteçlerde GS uçları GG kaynağıyla ters polarılır. GG kaynağı JFET e polarma gerilimi sağlayarak D ucundaki 0 DS = DD I D. D I D = DD D giriş DS C 0,µF 680 kω şeklinde yazılabilir. Örnek: Aşağıda verilen S ucu şase (ortak) N kanal JFET li, sabit polarmalı yükselteç devresinde, a. I D akımını, b. DS gerilimini bulunuz. DD,8 kω BF45 0 C 0,µF çıkış DS

11 Not: Devrede I DSS = 0 ma (0,0 A), P = 5 volttur. Çözüm: JFET in G ucu hiç akım çekmediğinden GG kaynağının geriliminin tümü GS uçları arasında düşer. G direnci üzerinde hiç gerilim düşümü olmaz. = GG = a. = 0,0.( 5 ) = 0,0036 A = 3,6 ma b. DS = DD I D. D =0(0, ) =06,48 = 3,5 Örnek: Aşağıda verilen S ucu şase (ortak) P kanal JFET li, sabit polarmalı yükselteç devresinde, a. I D akımını bulunuz. b. DS gerilimini bulunuz. Not: Devrede I DSS = 0 ma (0,0 A), P = 6 volttur. C 0,µF kω BF45 C 0,µF D C C G DD S Şekil 4: Kendinden (sıfır) polarmalı JFET devresi direnci üzerinde oluşan gerilim sağlar. Şekil 4 teki devrede, G =0, S =I D. S olduğundan, = G S = 0I D. S = I D. S olur. Örneğin, I D = ma, S = kω ise = I D. S = = olur. Görüldüğü gibi JFET in S ucuna bağlanan S direnci sayesinde GS uçlarına gelen gerilimin polaritesinin ters olması sağlanmaktadır. Şekil 4 teki devrede, çıkış bölümünün denklemi ise şöyle yazılabilir: DD = I D. D DS I D. S DD = I D.( D S ) DS c. Gerilim bölücü dirençli (ideal) polarma Gerilim bölücü dirençlerle yapılan polarma devresinde, şekil 5 te görüldüğü gibi bir tek üreteç ( DD ) vardır.,5 MΩ DS DD D 3 G C G C G S Çözüm: JFET in G ucu hiç akım çekmediğinden GG kaynağının geriliminin tümü GS uçları arasında düşer. G direnci üzerinde hiç gerilim düşümü olmaz. = GG = 3 3 a. = 0,0.( ) 6 = 0,005 A =,5 ma b. DS = DD I D. D =(0, ) = 7 b. Kendinden (sıfır, self, S dirençli) polarma Bu yöntemde GG kaynağı kullanmaya gerek yoktur. GS uçlarının ters polarma işlemini S Şekil 5: Gerilim bölücü dirençli polarma G ucuna gelen polarma gerilimi G ve G gerilim bölücü dirençleri tarafından belirlenir. Devrede G noktasındaki gerilim şu şekilde bulunur: Polarma dirençlerinin toplam değeri, T = G G Polarma dirençlerinden geçen akım, I T = DD / T G noktasındaki gerilim, G = I T. G JFET in GS uçları arasındaki gerilim, = G S = G I D. S

12 Gerilim bölücü dirençli polarma devresinin çıkış kısmının denklemi Kirşof un gerilim kanununa göre, DD = I D. D DS I D. S ya da DD = I D.( D S ) DS şeklinde yazılabilir. I D akımını bulmak için, DD = I D.( D S ) DS denkleminden I D değeri çekilecek olursa, eşitliği bulunur., MΩ 70 kω 0, kω C C BF45 0,µF 0,µF G kω Çözüm a. Devrede 0, kω DS gerilimi belli 90 kω olduğuna göre 0,µF BF45 dirençler G 0,µF üzerinde düşen, kω 0 kω toplam gerilimi bulabiliriz. D ve S dirençleri üzerinde düşen gerilim, D S = DD DS =09, = 0,89 tur. Buna göre devrenin çıkış kısmından geçen I D akımının değeri, I D = DD D DS S 0 9, = ,89 = =0,0033 A=3,3 ma olarak bulunur b. = 0,0033=0,0.( ) 3,5 Devrenin çıkışından alınan gerilim ise, D = DD I D. D denklemiyle hesaplanır. Örnek: Yukarıda verilen devrede P = 4, I DSS = 8 ma (0,008 A), S = 3 olduğuna göre, I D ve DS değerlerini bulunuz. Çözüm: S değeri 3 olduğuna göre I D akımını, I D = S / S denklemiyle bulabiliriz. I D = S / S = 3 / 000 = 0,003 A = 3 ma I D akımı bulunduktan sonra D gerilimi de bulunabilir. D = I D. D = 0, = 6,6 DD geriliminin denklemi, DD = D DS S şeklinde yazılabilir. Bu denklemeden DS çekilerek, DS = DD D S eşitliği yazılabilir. DS = DD D S DS = 0 6,6 3 = 0 9,6 = 0,4 bulunur. Örnek: Yanda verilen N kanal JFET li, S ucu şase yükselteç devresinde P = 3,5, I DSS = 0 ma (0,0 A), DS = 9, olduğuna göre, a. I D, b. c. D değerlerini bulunuz. 0,0033 = ( GS 0,0 3, 5 = 0,33 = ( =( 0,57=( 3,5 3,5 ) 3,5 ) 3,5 ) 3,5 = 0,57 =0,43 ) = 3,5.0,43 =,505 c. D = DD I D. D = 0(0, ) =07,6=,74. MOSFET lerin polarılması a. Sabit polarma MOSFET lerin sabit polarması JFET lerin sabit polarmasında açıklandığı gibidir. Şekil ve şekil 3 e bakınız. b. Sıfır polarma Şekil 6 da verilen sıfır polarma devresinde tek kaynaklı besleme yöntemi kullanılmaktadır. MOSFET in G ucunun polarma gerilimi G ve S dirençleri ile oluşturulmaktadır. Şöyleki; MOSFET in G ucu akım çekmediğinden G direnci üzerinde bir gerilim düşümü oluşmaz.

13 C G DD D Yani, G = 0 volttur. G = 0 olduğu için MOSFET in G ucunda da 0 görülür. S direnci üzerinde düşen S geriliminin değeri, S =I D. S denklemiyle bulunur. geriliminin denklemi, = G S olduğuna göre, = 0 S = S = I D. S şeklinde yazılabilir. Örnek:, kω Yanda verilen sıfır polarmalı, S ucu şase, azaltan kanallı MOSFET li grş yükselteç devresinde I DSS = 9 ma (0,009 A), P = 4 volttur. Devrenin I D akımını ve D gerilimini bulunuz. Çözüm = G S = 0 0 = 0 denkleminde = 0 olduğu için I D = I DSS = 0,009 A = 9 ma çıkar. D = DD I D. D = 5 (0,009.00) = 4, C S Şekil 6: Sıfır polarmalı azaltan kanallı MOSFET li yükselteç devresi 50 MΩ 5 Örnek: Yanda verilen azaltan kanallı MOSFET li, 47 MΩ gerilim bölücü dirençli, S ucu şase 0,µF yükselteç devresinde S 0 MΩ gerilimi 3,9 volttur. Buna göre, I D ve DS değerlerini bulunuz. Çözüm Polarma dirençlerinin toplam değeri, GT = G G = = Ω = kω Polarma dirençleri üzerinden geçen toplam akım, I GT = DD = GT = 0,.0 6 A MOSFET in G ucundaki polarma gerilimi, G = I GT. G = 0, =, MOSFET in G ucundaki gerilim aşağıdaki denklemle de bulunabilir: DD G = G G G = =, = G S =, 3,9 =,8,3 kω 0,µF,3 kω S = I D. S olduğuna göre, buradan I D yi çekersek, S I D = yazılabilir. S I D = 3,9/300 = 0,003 A = 3 ma bulunur. I D akımı bulunduğuna göre D gerilimini bulabiliriz. D = I D. D = 0, = 3,9 c. Gerilim bölücü dirençli (ideal) polarma MOSFET lerin gerilim bölücü dirençli polarması şekil 7 de görüldüğü gibi JFET lerdekiyle aynıdır. G C G DD D C S Şekil 7: Gerilim bölücü dirençli polarmalı azaltan kanallı MOSFET li yükselteç 3 DD, D, S değerleri belli olduğuna göre, DD = D DS S eşitliği kullanılarak DS değeri bulunabilir. DS = DD D S = 3,93,9) = 4,

14 Ç. JFET deneyleri Deney : JFET in özelliklerinin incelenmesi Bu deneyde, gerilim kontrollü aktif devre elemanı olan JFET in bazı elektriksel özellikleri incelenecektir. JFET in G ucuna uygulanan geriliminin değeri 0 voltken DS uçları arasından şekil 7 deki karakteristik eğride görüldüğü gibi maksimum değerde I D akımı akar. I DSS I D (ma) =0 Deneyde kullanılan BF45 tipi JFET in elektriksel özellikleriyle ilgili karakteristik eğrileri şekil 30 da verildiği gibidir. 00 ma 0 ma ma I D =f( ) DS =5 0, ma 0 3 (a) I D =f( ) 0 DS () 0 ma =0 P Şekil 8: =0 ken JFET in DS I D karakteristik eğrisi 5 ma = =0 ken JFET in DS uçları arasından geçen akıma I DSS akımı denir. DS gerilimi 0 dan itibaren artırılırken I D akımı da artar. DS gerilimi belli bir değere ulaştığında I D akımının artışı durur. I D akımının durduğu noktadaki DS gerilimi değerine P (pinchoff gerilimi) denir. JFET e uygulanan gerilim, bu elemanın dayanabileceği DSmaks değerinin üzerine çıkarılacak olursa JFET bozulur. BF45 tipi JFET için DSmaks değeri ± 30 tur. JFET in GS uçları arasına uygulanan ters polarma gerilimi artırıldıkça DS uçları arasından geçen akım şekil 9 da verilen karaktersitik eğrideki gibi azalır. 0 r ds 00 kω 0 kω kω 00 Ω DS DS = 0 (b) f= khz (c) =,5 Şekil 30: BF45 tipi JFET in elektriksel karakteristik eğrileri I DSS I D (ma) =0 =0,5 = Şekil 30 da verilen karakteristik eğrilerden yararlanılarak BF45 tipi JFET in çeşitli akım, gerilim değerleri bulunabilir. Örneğin şekil 3 de verilen devrelerde I D akımını şekil 30 b ye bakarak belirleyebiliriz. 0 DS () Şekil 9: gerilimi artırıldıkça JFET ten geçen I D akımının azalışına ilişkin karakteristik eğri P =,5 = 4 BF45 GG DD 0 BF45 DD 0 Şekil 3: GG = ve GG =0 voltken I D akımının karakterisitik eğriye bakarak belirlenmesi

15 Şekil 3 de GG kaynağı olan devrede = ve DS =0 tur. Bu durumda şekil 30b deki grafikten I D =4,3 ma bulunur. Şekil 3 de GG kaynağı 0 olan devrede =0 ve DS =0 tur. Bu durumda şekil 30b deki grafikten I D =9,7 ma bulunur. Görüldüğü üzere GG kaynağının değeri 0 voltken I D akımı 9,7 ma, GG kaynağının değeri olduğunda ise I D akımı 4,3 ma olmaktadır. Yani G ucuna uygulanan ters polariteli gerilim artırıldıkça DS uçları arasından geçen I D akımı azalmaktadır. I D akımları ölçüldükten sonra nin 0, 0,5,, değerleri için şekil 33 te verilen çıkış karakteristiği çizilebilir gerilim kontrollü direnç olarak çalışma bölgesi I D gerilim kontrollü akım kaynağı olarak çalışma bölgesi Şekil 33: JFET in çıkış karakteristiği =0 =0,5 = P = DS GG BF45 ma I D DD Çıkış karakteristiğinde görülen eğrilere göre BF45 tipi JFET in, P gerilimi yaklaşık volttur. =0 voltken DS arasından geçen I DSS akımı yaklaşık 6,8 ma dir. gerilimi olduğunda I D akımı 0 A olmaktadır. Şekil 3: JFET in çıkış karakteristiğini çıkarmak için kullanılan deney bağlantı şeması JFET in çıkış karakteristiğini ( DS I D ) çıkarmak için şekil 3 de verilen devre kurulduktan sonra çizelge de verilen değerlere göre I D akımı ölçülmelidir. Şekil 33 e bakarak BF45 tipi JFET in hangi aralıklarda gerilim kontrollü direnç ve gerilim kontrollü akım kaynağı olarak çalıştığı da belirlenebilmektedir. Çizelge deki değerlere bakarak herhangi bir DS değerine göre BF45 tipi JFET in transfer karakteristiğini de çizebiliriz. Burada örnek olarak DS değerini 0 kabul edip transfer karakteristiğini çizelim. DS = 0 olduğunda, = 0 için I D = 6,8 ma, = 0,5 için I D = 5, ma, = için I D =,7 ma, = için I D = 0 I DSS I D (ma) 6,8 5, Çizelge : JFET in çıkış karakteristiğini çizebilmek için farklı DS ve değerlerine göre bulunan I D akımları 5 () P 0,5,7 Şekil 34: BF45 tipi, N kanallı JFET in transfer karakteristiği 0

16 Deney : JFET in DC açıdan incelenmesi Transistörlerde olduğu gibi, bir JFET e giriş sinyali uygulamadan önce onu DC ile uygun biçimde polarmak (ön gerilimlemek) gerekir. JFET lerin GS uçları arasının mutlaka ters polarılması gerekir. Yani N kanal JFET in G ucuna (), P kanal JFET in G ucuna ise () gerilim uygulanmalıdır. Şekil 35a da tek dirençli sıfır (self) polarma, şekil 35b de ise gerilim bölücü dirençli (ideal) polarma devresi verilmiştir. Şekil 35a daki devrede, G =0, S =I D. S olduğundan, = G S = 0I D. S = I D. S olur. Eğer I D = ma, S = kω ise = I D. S = = olur. Görüldüğü gibi JFET in S ucuna bağlanan S direnci sayesinde G ucuna gelen gerilimin polaritesinin ters olması sağlanmaktadır. Şekil 35a daki devrede, çıkış bölümünün denklemi ise şöyle yazılabilir: DD = I D. D DS I D. S DD = I D.( D S ) DS Şekil 35b deki devrede JFET in G noktasına gelen polarma geriliminin değeri, G = 0 (0 ) BF45 G 70 k (a) DD G hesaplanabilir. DD D, k ( k) S k (, k) G B B BF45 (b) Şekil 35: a. Sıfır (self) polarmalı, b. Gerilim bölücü dirençli polarmalı JFET devresi DD D S. G denklemi kullanılarak S direnci üzerinde düşen gerilimin denklemi, S = I D. S dir. JFET iki adet gerilim bölücü direnç ile DC gerilimle polarıldığında düzgün çalışmanın gerçekleşebilmesi için, = G S 0 koşulunun gerçekleşmesi gerekir. Bu koşulu sağlamak için S G olacak biçimde direnç seçilmelidir. Şekil 35a da verilen sabit polarmalı, S ucu ortak JFET li devrenin I D transfer karakteristiği şekil 36 da verildiği gibidir. JFET in gerilimi S direncinin değeri değiştirilerek ayarlanmaktadır. (),5,5 0,5 I D (ma) 9 8 I DSS 7 Şekil 36: Sabit polarmalı N kanal JFET in transfer karakteristiği Şekil 35a da verilen deney devresinde DD =0 olarak uygulandıktan sonra yapılan ölçümde I D =, ma, DS =6, olarak belirlenmiştir. AOmetre volt kademesine alınarak yapılan ölçümlerde G = 0, S =, olarak saptanmıştır. Buna göre nin, olduğu anlaşılır. Deney devresindeki D direncinin değeri kω yapıldığında, I D =, ma, =,, DS = 7,6 olarak ölçülmüştür. D nin azalması I D akımını pek değiştirmemiştir. Çünkü D nin üzerinde pek etkisi yoktur. D nin azalması sadece DS nin artmasına yol açmıştır. Çünkü, DD = I D. D DS I D. S

17 eşitliğinde herşey aynıyken D nin küçülmesi DS nin büyümesine neden olur. Deney devresindeki D direncinin değeri k, S =, k yapıldığında, I D = 0,63 ma, =,38, DS = 8 olarak ölçülmüştür. S nin büyütülmesi nin artmasına, I D nin ise azalmasına yol açmıştır. Sonuç olarak şekil 35a da verilen sıfır polarmalı, 0 beslemeli devrede D ve S dirençlerinin değeri değiştirilerek JFET in çalışma noktasını kontrol altında tutmak mümkündür. D nin değişmesi I D yi etkilememekle birlikte DS gerilimini değiştirmektedir. S nin değişmesi ise hem I D yi, hem de DS yi etkilemektedir. Deney devresindeki D direncinin değeri, kω, S = kω, DD = 0 yapıldığında, I D =, ma, =,, DS = 6,4 olarak ölçülmüştür. de ve I D de önemli bir değişim olmamıştır. DD nin 0 yapılması değişmesi, devrenin çalışma noktasının değişmesine neden olmuştur. Bu değişim DS nin değişmesinden kaynaklanmıştır. Deney 3: JFET in AC açıdan incelenmesi Transistörde olduğu gibi JFET e de üç biçimde giriş sinyali uygulanabilir. Bunlar, S ucu (kaynağı) ortak bağlama, D ucu (oluğu) ortak bağlama, G ucu (kapısı) ortak bağlama şeklindedir. B D BF45 DD B DD a. S ucu ortak b. D ucu ortak c. G ucu ortak Şekil 37: JFET in yükselteç olarak kullanılması durumunda yapılan bağlantı şekilleri Yaygın olarak kullanılan devre S ucu ortak bağlantı olduğundan diğer (G ucu ortak ve D ucu ortak) bağlantıların üzerinde ayrıntılı olarak durulmayacaktır. BF45 DD B çkş S B S B grş D BF45 B D 7 Şekil 37a ve b de verilen şemalarda S direncine paralel olarak C S adlı dekuplaj kondansatörü bağlanırsa AC özellikli sinyaller S üzerinden değil C S üzerinden geçer. Bu sayede AC sinyallerin S üzerinde gerilim düşümü oluşturarak yükseltecin kazancını düşürmesi önlenir. (tt) =0,5 5 khz Şekil 38 de verilen S ucu ortak yükselteç devresinin girişine genlik değeri tepeden tepeye 0,5, frekansı 5 khz olan sinüsoidal biçimli bir sinyal uygulandığında çıkıştan girişe göre 80 faz farklı, genlik bakımından daha büyük ((tt) = 0,8 ) bir sinyal alınır. Bu değerlere göre yükselteç devresinin gerilim kazancı, A v = çkş(t t) grş(t t) 0,8 = =,6 olarak bulunur. 0,5 Devredeki D direnci 5,6 k yapıldığında yükseltecin çıkış gerilimi (tt) = olmaktadır. Bu değere göre devrenin gerilim kazancı, A v = çkş(t t) grş(t t) = = 4 e yükselir. 0,5 Devredeki D direnci, k yapıldığında ve S direncine paralel olarak 0 µf lık kondansatör bağlandığında yükseltecin çıkış gerilimi (tt) = 3 olmaktadır. Bu değere göre devrenin gerilim kazancı, A v = çkş(t t) grş(t t) C 0, µf DD D, k (5,6 k) G 70 k 3 = = 6 olur. 0,5 5 (0 ) 0, µf C BF45 S C S k 0 µf Şekil 38: JFET li, S ucu ortak yükselteç devresi S direncine paralel olarak 0 µf lık bir kondansatör bağlandığında yükseltecin gerilim kazancı,6 dan 6 ya yükselir.

18 D. MOSFET deneyleri Deney : MOSFET in DC açıdan çalışmasının incelenmesi G ucu kanal maddesinden yalıtılmış olan MOSFET lerin çalışma ilkesi JFET lere çok benzer. Azaltan (depletion) kanallı MOSFET lerde G ucuna uygulanan polarmanın değeri 0 voltken DS arasından belli değerde bir akım geçişi olur. Çoğaltan (enhancement) kanallı MOS FET lerde G ucuna uygulanan polarmanın değeri 0 voltken DS arasından akım geçişi olmaz. G ucunun polarma gerilimi belli bir P değerine ulaştığında I D akımı artmaya başlar. Uygulamada tek ve çift kapılı MOSFET ler kullanılmaktadır. Şekil 39 da çift kapılı, MOSFET lerin sembolleri verilmiştir. G G D S G G 3N a. çoğaltan tip b. azaltan tip c. ayakların dizilişi Şekil 39: Çift kapılı, N kanallı MOSFET sembolleri ve iki kapılı MOSFET in ayaklarının dizilişi Çift kapılı MOSFET ler konverter, karıştırıcı (mikser) ve AGC (Automatic Gain Control, OKK, Otomatik Kazanç Kontrol) devrelerinde kullanılır. MOSFET leri statik elektrik yüklerinin zararlarından korumak için şu önlemler alınmalıdır: Özel ambalajında muhafaza edilmelidir. Bacakları, devre dışındayken birbiriyle irtibatlı (bağlı) hâlde olmalıdır. MOSFET e dokunulmadan önce beden topraklanarak vücutta birikmiş statik elektrik yükleri boşaltılmalıdır. MOSFET e dokundurulacak her el takımı topraklı olmalıdır. Çift kapılı MOSFET lerde kullanılmayan kapı (G) varsa bu mutlaka doğrudan veya kω luk direnç üzerinden toprağa ya da DD kaynağına bağlanmalıdır. D S G D G S 3N 8 Çift kapılı MOSFET lerin polarılması şekil 40ab de verilen bağlantı yöntemlerinden birisi kullanılarak gerçekleştirilir. G G G DD DD D G D 470 k, k, k (k) G S 3N 70 Ω (00 Ω) G 70 k (00 k) (a) (b) Şekil 40: Çift kapılı, N kanallı, azaltan tip MOSFET in polarılma yöntemleri 3N S 70 Ω (00 Ω) Şekil 40a da verilen azaltan kanallı, S ucu ortak MOSFET li devreye voltluk besleme gerilimi uygulandığında DS = 8,3 ölçülmüştür. Devrede S üzerinde oluşan gerilim G ucunu ters polarmaktadır. D direnci kω yapıldığında, I D akımı,555 ma ölçülür. Artış oldukça az (0,0 ma) dır. (İdeal MOSFET te herhangi bir artış olmaz. Çünkü D nin gerilimi üzerinde etkisi yoktur.) DS = 0,08 ölçülür. D nin küçülmesi sonucu I D de önemli değişiklik olmayınca D gerilimi D nin küçüldüğü oranda küçülür ve dolayısıyla fark DS arasında görülür. D =, kω, S = 00 Ω yapıldığında, I D =,57 ma ölçülür. Çünkü S küçülünce nin negatifliği azalır ve I D artar. Şekil 40b de verilen çift kapılı, azaltan kanallı, iki kapısı ayrı ayrı polarılan, S ucu ortak MOSFET li devreye voltluk besleme gerilimi uygulandığında, I D =,7 ma, DS = 6,5, GS =3,73, =0,6 ölçülmüştür. Bu sonuçlara göre G S arası düz, G S arası G

19 ters polarılmıştır. G direnci 00 kω yapılarak G S arasındaki pozitif polarma azaltıldığında, I D =,78 ma olarak ölçülmüştür. G direnci 70 kω, S = 00 Ω yapılarak I D akımı ölçüldüğünde 4,7 ma olarak ölçülmüştür. Artışa G S arasındaki ters polarmanın azalması neden olmuştur. Deney : MOSFET in AC açıdan çalışmasının incelenmesi Çift kapılı MOSFET in kapılarından birine AC giriş sinyali uygulanır. Diğerine ise DC polarma yapılır. Şekil 4 de verilen devrenin AC gerilim kazancı D ile doğru, S ile (C S yoksa) ters orantılıdır. Ayrıca g m (transkondüktans) değerinin de gerilim kazancı üzerinde etkisi vardır. (tt) =00 m 3000 khz G 470 k C 0, µf G G 56 k, k ( k) G S 70 k k (0,5 k) D 3N Şekil 4: Çift kapılı, N kanallı, azaltan tip MOSFET li, S ucu ortak yükselteç devresi Devrenin elemanlarının değerlerine göre gerilim kazancı değerleri aşağıdaki çizelgede verilmiştir. Çizelge : Çift kapılı MOSFET li yükseltecin kazanç değerleri DD C S Çizelgede görüldüğü gibi D nin artırılması C 0, µf 47 µf gerilim kazancının artmasına neden olmaktadır. S direncine paralel olarak C S kondansatörü kullanılmadığı zaman yükseltecin kazancı düşmektedir. Şekil 4 de verilen devrenin girişine uygulanan sinyalin frekansı khz ile 3000 khz arasında değiştirilse bile çıkış geriliminin değeri pek değişme göstermez. İşte bu özellik sayesinde MOSFET ler kararlı çalışma istenen F (radyo frekans) yükselteç devrelerinde tercih edilir. Sorular. Transistör (BJT) nedir? Açıklayınız.. Akım kontrollü ve gerilim kontrollü eleman kavramlarını açıklayınız. 3. JFET nedir? Yazınız. 4. JFET in beş özelliğini yazınız. 5. N kanal JFET in çalışmasını şekil çizerek anlatınız. 6. N kanal JFET in G ucuna uygulanan negatif polarma geriliminin değeri 0 tan itibaren artırıldığında DS arasından geçen akım neden azalır? Açıklayınız. 7. JFET in G ucuna 0 uygulandığında DS uçları arasından niçin en yüksek değerde bir I DSS akımı akar? Açıklayınız. 8. JFET in G ucuna uygulanan ters polariteli geriliminin değeri belli bir seviyeye ulaştığında I D akımı 0 A değerine inmektedir. Bunun nedenini açıklayınız. 9. JFET in DS uçları arasına uygulanan gerilim elemanın katalog değerlerinin üzerinde bir seviyeye çıkarılırsa ne olur? Açıklayınız. 0. JFET in P gerilimi, I DSS akımı 5 ma dir. a. gerilimi 0 ken I D akımını, b. gerilimi ken I D akımını hesaplayınız.. MOSFET nedir? Tanımlayınız.. Azaltan kanallı MOSFET in çalışmasını şekil çizerek açıklayınız. 3. Çoğaltan kanallı MOSFET in çalışmasını şekil çizerek açıklayınız. 4. JFET ve MOSFET lerde sabit polarma, sıfır polarma ve gerilim bölücü dirençli polarma nedir? Şekil çizerek anlatınız. 5. MOSFET lerin kullanılmasında dikkat edilmesi gereken hususlardan üçünü yazınız. 9

20 Bölüm : İşlemsel yükselteçler (opamplar) A. Diferansiyel (fark) yükseltecinin yapısı ve çalışma ilkesi. Giriş: Girişine uygulanan alçak akım ya da gerilimli (genlikli) sinyali, akım ya da gerilim bakımından büyüten devrelere yükselteç (amplifikatör) denir. Yükselteç devreleri transistör, JFET, MOS FET, opamp ya da entegre ile yapılabilir. Transistörlü yükselteçler hakkında bilgi almak için temel elektronikle ilgili kaynaklara bakılmalıdır. JFET ve MOSFET'li yükselteçler hakkında bilgi almak için ise kitabın birinci bölümüne bakınız. Uygulamada kullanılan yükselteçler şu şekilde sınıflandırılabilir: AF (audio frequency, alçak frekans) yükselteçleri, F (radyo frekans) yükselteçleri, ideo (resim) yükselteçleri, Enfraruj ve ultrasonik (ultrases) yükselteçler, Yükselteçler belirli bir frekans aralığında çalışan devrelerdir. Diferansiyel (fark) yükselteçleri uygulamada kullanılan özel bir devre tipidir. Şekil 'de blok şeması, şekil 'de devre yapısı verilen fark yükseltecinin iki giriş ve iki çıkış ucu vardır.. giriş. giriş g g fark yükselteci Ç Ç. çıkış. çıkış Şekil : Fark yükseltecinin blok şeması 3 4 CC Fark yükseltecinde bir ya da iki girişe sinyal uygulamak mümkündür. Ayrıca bu tür devrelerde iki çıkıştan da sinyal alınabilmektedir. Şekil 'de görüldüğü gibi fark yükseltecindeki iki transistörün emiter uçları E direnci üzerinden EE ucuna bağlanmıştır. Bu yöntem sayesinde devrenin iki çıkış ucunun da giriş sinyallerinden etkilenmesi sağlanmıştır. Başka bir deyişle E direnci üzerinde oluşan gerilim her iki transistöre de negatif geri besleme etkisi yapar. Fark yükselteçlerini çalıştırabilmek için simetrik çıkışlı DC güç kaynağı kullanılır. Girişlere uygulanan sinyalin ve çıkışlardan alınan sinyalin devresini tamamlaması için simetrik DC güç kaynağının şase (toprak, ground, gnd, 0) ucu görev yapar. Şekil 'de verilen fark yükselteci devresi tek transistörlü emiteri şase yükselteç devresine çok benzer. O nedenle transistörlü emiteri şase yükselteç devresinin çalışmasını bilmeyen bir kişinin fark yükselteci devresinin çalışmasını anlaması mümkün değildir. Fark yükselteci devresindeki C ve C yük direnci olarak çalışır. Yani bu iki direnç transistörlerin kolektör akımını ayarlayarak (sınırlayarak) C uçlarındaki gerilimlerin besleme geriliminin yarısı kadar olmasını sağlar. C ve C yük dirençleri kullanılmayacak olursa devre yükselteç olarak çalışmaz ve çıkışta her zaman besleme gerilimi kadar bir gerilim görülür. Şekil 'de verilen fark yükselteci devresi PNP transistörler kullanılarak da yapılabilir. Bu durumda sadece besleme gerilimlerinin polaritesi değiştirilir. Yani, CC yerine CC, EE yerine EE bağlanır. C C 3 4 C C Ç Ç g g T T E EE Şekil : Fark yükseltecinin devre yapısı. Tek girişli fark yükselteci Tek girişli fark yükselteci devresi şekil 3'te görüldüğü gibi çalıştırılır. Şekil 4'te verilen devrede T 'in B ucuna uygulanan AC sinyal T 'i iletim ve kesime sokarak Ç ucundan 80 faz farklı (ters çevrilmiş) bir sinyal alınmasını sağlar. 0

21 g 3 fark yükselteci 4 ç ç 3. İki girişli fark yükselteci Şekil 6'da görüldüğü gibi iki girişe de AC özellikli sinyal uygulayarak çalıştırılan devrelere iki girişli fark yükselteci denir. Şekil 3: Tek girişli fark yükseltecinin blok şeması CC 3 fark yükselteci Ç Ç C C 4 3 Ç Ç g g 4 g T T Şekil 6: İki girişli fark yükseltecinin blok şeması E EE Şekil 4: Tek girişli fark yükseltecinin bağlantı şeması Tek girişli fark yükselteci devresinin numaralı girişi şaseye bağlı olmasına karşın 4 numaralı çıkış ucundan yine de giriş sinyaliyle aynı fazlı olan bir çıkış sinyali alınır. Bu durumu şu şekilde açıklayabiliriz: T 'in girişine uygulanan AC özellikli sinyal T 'in CE ucundan bir akım geçirir. CE arasından geçen I C akımı E direnci üzerinde gerilim düşümü oluşturur. E üzerinde oluşan geri besleme gerilimi T transistörünün C ucundaki gerilimin değişim göstermesine yol açar. Başka bir deyişle, E üzerindeki E gerilimi yükseldikçe Ç yükselir, E gerilimi düştükçe Ç düşer. Bu anlatımların ışığında şunu söyleyebiliriz: Tek girişli fark yükselteci devresinde g ucuna uygulanan AC özellikli sinyal şekil 5'te görüldüğü gibi Ç çıkışından 80 faz farklı olarak alınırken, Ç çıkışından aynı fazlı olarak alınır. g 3 fark yükselteci Şekil 5: Tek girişli fark yükseltecinin çıkış sinyalleri Tek girişli fark yükselteci devresinde giriş sinyali numaralı girişe uygulanıp, numaralı giriş şaseye bağlanacak olursa bu kez Ç sinyali girişle 80 faz farklı, Ç sinyali ise girişle aynı fazlı olur. 4 Ç Ç İki girişli fark yükselteci devresinde giriş uçlarına uygulanan gerilimler 80 faz farklı olmalıdır. Eğer fark yükseltecinin iki girişine uygulanan sinyaller aynı fazlı olursa her iki çıkıştan da "ideal koşullarda" 0 alınır. Giriş sinyallerinin aynı fazlı olması durumunda çıkış sinyallerinin 0 oluşu şekil 7'de gösterilmiştir. g g 4 Ç Ç Şekil 7: İki girişli fark yükseltecinin iki girişine de aynı fazlı sinyal uygulandığında çıkıştan alınan sinyallerin şekilleri Girişlere uygulanan aynı fazlı ve aynı genlikli sinyallerin çıkış uçlarında 0 oluşturmasını şu şekilde açıklayabiliriz: G giriş sinyali Ç çıkışında 80 faz farklı bir sinyal oluştururken, Ç çıkışında aynı fazlı sinyal oluşturur. G giriş sinyali Ç çıkışında 80 faz farklı bir sinyal oluştururken, Ç çıkışında aynı fazlı sinyal oluşturur. Sonuç olarak girişlerin çıkışlarda oluşturduğu zıt polariteli (faz farklı) sinyaller birbirini yok ederek çıkışın 0 olmasına yol açarlar. Fark yükseltecinin girişine uygulanan sinyaller 80 faz farklı olduğu zaman çıkış uçlarından alınan sinyallerin hâli şekil 8'de görüldüğü gibi olur. Sonuç olarak fark yükseltecinin girişlerine uygulanan sinyaller 80 faz farklı olduğu 3 fark yükselteci g 'in oluşturduğu çıkış g 'in oluşturduğu çıkış g 'in oluşturduğu çıkış g 'in oluşturduğu çıkış

22 zaman çıkışlardan iki sinyalin toplamı kadar bir sinyal alınır. g C CC C g T T 3 fark yükselteci Ç g girişinden uygulanan sinyalinin çıkışlarda oluşturduğu sinyaller T 3 E EE g 4 Ç Şekil 0: Sabit akım kaynaklı fark yükselteci devresinin transistör ile oluşturulması g 3 fark yükselteci 4 Ç Ç g girişinden uygulanan sinyalinin çıkışlarda oluşturduğu sinyaller transistörünün kolektöründen akan I C akımı,, E direnci ve EE gerilim kaynağı tarafından belirlenir. I E akımını hesaplamak için şu denklemler kullanılır: I B akımını bulmada kullanılan denklem, I B = EE g B gerilimini hesaplamada kullanılan denklem, B = I B. Şekil 8: İki girişli fark yükseltecinin giriş uçlarına uygulanan sinyaller 80 faz farklı olduğu zaman çıkışlardan alınan sinyallerin şekilleri 4. Sabit akım kaynaklı fark yükselteci Sabit akım kaynaklı fark yükselteci devresi şekil 9'da görüldüğü gibi emiter direnci yerine sabit akım kaynağı bağlayarak yapılır. g S C CC C T T Şekil 9: Sabit akım kaynaklı fark yükselteci devresi Sabit akım kaynağının transistör kullanarak oluşturulmuş hâldeki devresi şekil 0'da verilmiştir. Sabit akım kaynaklı fark yükselteci devresinde emiter akımı (I E ) istenilen değere ayarlanabilir. Şekil 0'da verilen sabit akım kaynaklı fark I E S g T 3 transistörünün BE uçları arasında düşen polarma geriliminin bulunmasında kullanılan denklem, BE = B E şeklindedir. Bu denklemden E çekilirse, E = B BE eşitliği bulunur. I E = E E EE olarak yazılabilir. I B akımı ihmal edilirse, I E akımı yaklaşık olarak I C 'ye eşit kabul edilebilir. I E I C yükselteci devresinde I E akımını ayarlayan T 3

23 B. Operasyonel amplifikatörler (opamp, işlemsel yükselteçler). Giriş: Çok yüksek kazançlı DC yükselteçlere opamp denir. Opamp her türlü elektronik devrenin (zamanlayıcı, kare/üçgen dalga üreteci, ses frekans yükselteci, transdüserli/sensörlü devre, lojik kapı, filtre vb.) yapımında kullanılabilir. İşlemsel yükselteçler 940'lı yıllardan beri bilinmekle beraber, yaygın olarak 960'lı yılların sonuna doğru kullanım alanına girmiştir. Giriş sinyali DC iken kazancı çok yüksek olan opampın çıkışından alınan gerilimin değeri geri besleme ( gb ) direnci kullanılarak istenilen seviyeye ayarlanabilir. 74 Şekil : Opamp sembolü ve yaygın olarak kullanılan 74 adlı opampın ayaklarının dizilişi. Opampların yapısı Opamplar, plastik ya da metal gövdeli olarak üretilir. Bu elemanların gövdelerinin içinde bulunan yükselteç sayısı bir ya da birden çok olabilmektedir. Örneğin, 74 adlı opampta adet, şekil 'de iç yapısı görülen 747 adlı opampta adet, LM34 adlı opampta 4 adet işlemsel yükselteç vardır. Opampların artı () ve eksi () olmak üzere iki girişi ve bir çıkış ucu bulunur. Bu elemanlarda NC ile gösterilen uçlar boştadır. (Hiç bir yere bağlı değildir.) Opamplar konusunu iyice öğrenen elektronikçi bir çok devrenin tasarımını en az malzeme kullanarak yapabilir. 3. Opampların kazancı (A K, A ) Girişlere uygulanan gerilimlerin seviyeleri arasındaki farkın yükseltme miktarıyla çarpımına kazanç denir. Şöyle ki; opampın kazancı , giriş uçlarına uygulanan gerilimlerin farkı µ ise geri besleme direnci ( gb ) bağlı değilken çıkışta µ görülür. Devre anlatımlarında, Opampların () giriş ucuna faz çevirmeyen (evirmeyen, noninverting) giriş, () giriş ucuna ise faz çeviren (eviren, inverting) giriş denir. Opampların çıkış ucu bir adettir. Yük, çıkış ucu ile devrenin şase (toprak, ground, gnd.) ucu arasına bağlanır. Alıcıda oluşan çıkış geriliminin seviyesi opamp besleme geriliminden 0, daha düşüktür. Çıkışta görülemeyen 0, voltluk gerilim, opampın iç elemanları üzerinde düşmektedir. Opamplarda alıcıya giden akım ise 000 ma dolayındadır. Alıcı akımının yüksek seviyelere çıkmaması için genelde 0 kω'luk direnç çıkış ucu ile alıcı arasına seri olarak bağlanır. 4. Opampların DC ile beslenmesi Opampların beslemesi pozitif çıkışlı ya da simetrik (, 0, ) çıkışlı DC üreteçleriyle yapılır. Uygulamada en çok simetrik kaynaklı besleme CC 74 CC Şekil : 747 adlı opampın ayaklarının dizilişi 3 Şekil 3: Opampın simetrik çıkışlı güç kaynağıyla beslenişi