Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

Transkript

1 Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği BMM212 Elektronik-1 Laboratuvarı Deney Föyü Deney#9 Alan Etkili Transistörlü Kuvvetlendiriciler Doç. Dr. Mutlu AVCI Arş. Gör. Mustafa İSTANBULLU ADANA, 2015

2

3 DENEY 9 Alan Etkili Transistörlü (FET) Kuvvetlendiriciler 1. Amaç Bu deneyin amacı, alan etkili transistör (field effect transistor, FET) elemanının çalışma prensibinin anlaşılması ve akım-gerilim karakteristiklerinin çıkarılmasıdır. 2. Temel Bilgiler Elektriksel işaret; anlamlı bilgi içeren, elektriksel olarak veri işlenmesini mümkün kılan, herhangi bir kaynaktan doğrudan veya dönüşüm vasıtasıyla elde edilen zamana bağlı değişen dalga şekilleridir. Eğer işaret devamlı olup devamlı zamana göre ifade edilebiliyorsa analog işaret, belirli zaman anlarına göre ifade ediliyorsa ayrık, ayrık işaretin sayısal kodlanması olarak ifade ediliyorsa sayısal işaret olarak adlandırılır. Analog işaretleri işleyen devrelere de analog devreler adı verilir. Kuvvetlendirici devreleri analog devrelerdir. Bir kuvvetlendirici girişine uygulanan işareti büyüterek bir çıkış işareti oluşturan devre topolojisidir. Elektronik devrelerde, bağımsız bir kaynaktan alınan zamanla değişen bir işaretin kullanışlı hale gelmesi için çoğu zaman kuvvetlendirilmesi gerekir. Örneğin Şekil 1'de bir mikrofon çıkışından alınan işaret gösterilmiş olsun. Bu işaretin devrede hoparlörü sürebilmesi için kuvvetlendirilmeye ihtiyacı vardır. Kuvvetlendirici buradaki işareti büyütme fonksiyonunu yapan bir elektronik devredir. Kuvvetlendirici devresinde bulunan bir FET in saturasyon bölgesinde çalışabilmesi için öngerilimlenmesi gerektiğinden bu kuvvetlendirici devresinin diğer bir girişi de DC gerilim kaynağıdır. Şekil 1 Bir kuvvetlendirici devresinin şematik gösterimi Kuvvetlendirici devreleri bir çalışma noktası etrafında ( Q noktası ) yeterince küçük bir işaret için lineer (doğrusal) kabul edilebilir. Lineer kuvvetlendirici kabulü devreye süperpozisyon teoreminin uygulanabileceğini gösterir. Bu devrelerde DC analiz ve AC analiz ayrı ayrı yapılarak çıkış cevabı bu iki analiz cevabının toplamı olarak ifade edilebilir.

4 Şekil 1'de gösterilen blok diyagramına iki farklı giriş olduğu için iki analiz yapmak gerekir. Yapılacak olan ilk analiz devre DC bir giriş barındırdığı için DC analiz ve ikincisi ise diğer AC girişten kaynaklanan frekanstan bağımsız küçük işaret AC analizdir. Süperpozisyon teoremine göre; birden fazla bağımsız giriş barındıran lineer bir devrenin çıkış cevabı, devrenin bu girişlere ayrı ayrı verdiği çıkış cevaplarının toplamıdır. Lineer bir kuvvetlendirici devresi için DC analiz, devredeki bağımsız AC gerilim kaynaklarını kısa devre, akım kaynaklarını açık devre, kapasitörleri yine açık devre alarak yapılır. Bu analize DC analiz denir ve kuvvetlendirici devresindeki transistörün Q çalışma noktasını belirler. Küçük işaret AC analizi olarak adlandırılan frekanstan bağımsız yeterince küçük giriş işareti içeren AC analiz ise devredeki DC gerilim kaynaklarının kısa devre, akım kaynaklarının açık devre ve kapasitörlerin kısa devre alınmasıyla yapılır. Devrenin çıkış cevabı, daha öncede belirtildiği gibi, bu iki analizin çıkış cevaplarının toplamıdır. DC çalışma noktası üzerinde bir küçük işaret AC karakteristik gösterileceği için, DC çalışma noktasının küçük işaret AC tavra etkisi, transistörün frekanstan bağımsız küçük işaret eşdeğerinin parametrelerinin DC çalışma noktasına göre hesaplanması ile yansıtılır. Şekil 2 zamanla değişen bir gerilim kaynağı ve buna seri olarak bağlanmış DC gerilim kaynağı ile birlikte bir ortak kaynaklı NMOS devresini göstermektedir. Burada zamanla değişen kaynak bir sinüsoidal işaret üretmektedir. Şekil 2 Ortak kaynaklı bir NMOS devresi Şekil 3 ise transistör karakteristik eğrisini, DC yük hattını ve Q-noktasını gösteren bir grafiktir. Çıkış geriliminin giriş geriliminin doğrusal bir fonksiyonu olabilmesi için devrede kullanılan FET in saturasyon bölgesinde öngerilimlenmesi gerekmektedir. Şekil 3 ayrıca v i sinusoidal kaynağın uygulanmasının bir sonucu olarak gate-source gerilimindeki, drain akımındaki ve drain-source gerilimindeki sinusoidal değişimi de göstermektedir. Toplam gate-source gerilimi V GSQ ve v i nin toplamıdır. v i değeri arttıkça V GS nin anlık değeri artacak ve öngerilimleme noktası yük hattı üzerinde yukarı doğru hareket edecektir. V GS nin büyük değerleri daha büyük drain akımı ve buna bağlı olarak da daha küçük V DS gerilimine tekabül eder. v i nin negatif değerlerinde ise V GS nin anlık değeri azalacak ve yük hattı üzerindeki öngerilimleme noktası ise aşağı yönlü hareket edecektir. Daha küçük V GS değerleri daha küçük drain akımına ve buna bağlı olarak da daha büyük V DS gerilimine karşılık gelecektir.

5 Şekil 2 deki devreye göre; Şekil 3 Ortak kaynaklı NMOS transistör karakteristik eğrisi ve yük hattı v GS = V GSQ + v i = V GSQ + v gs yazılır ve burada V GSQ DC bileşen, v gs ise AC bileşendir. Anlık drain akımı; i D = K n (v GS V TH ) 2 olarak tanımlanmıştır. Yukarıdaki eşitlikler yerine konulursa; ya da i D = K n [V GSQ + v gs V TH ] 2 = K n [(V GSQ V TH ) + v gs ] 2 i D = K n (V GSQ V TH ) 2 + 2K n (V GSQ V TH )v gs + K n v gs 2 elde edilir. Son eşitlikteki ilk terim DC drain akımı I DQ, ikinci terim ise v gs ile doğrusal olarak bağlı olan zamanla değişen drain akımıdır. Üçüncü terim ise işaret kaynağının karesi ile orantılıdır. Sinusoidal bir giriş kaynağı için eşitlikteki üçüncü terim çıkış gerilimi üzerinde istenmeyen harmonikler üretir. Bu harmonik bileşenlerinin minimize edilmesi için; v gs 2(V GSQ V TH ) olmalıdır. Bu durum eşitlikteki üçüncü terimin ikinci terimden çok küçük olmasına neden olur. Bu durumda v gs 2 li terimin ihmal edilmesiyle; i D = I DQ + i d

6 eşitliği elde edilir. Burada toplam akım değerinin DC ve AC bileşenleri süperpozisyon teoremi gereği ayrı ayrı ifade edilebilir. Böylece drain akımının AC bileşeni; i d = 2K n (V GSQ V TH )v gs olarak ifade edilir. Burada küçük işaret drain akımı küçük işaret gate-source gerilimine transkondüktans g m ile bağlıdır. Bu ilişki; ile tanımlanır. g m = i d v gs = 2K n (V GSQ V TH ) Transkondüktans g m parametresi ayrıca türev alınarak da elde edilebilir. ve g m = i d v gs = 2K n (V GSQ V TH ) olarak yazılabilir. g m = 2 K n I DQ Küçük İşaret Eşdeğer Devre MOSFET in küçük işaret parametreleri tanımlandıktan sonra artık Şekil 4 te verilen basit bir FET devresinin küçük işaret eşdeğer devresi tanımlanabilir. Şekil 5 Şekil 4 te gösterilen devrenin küçük işaret AC modelidir. Şekil 4 Ortak kaynaklı NMOS kuvvetlendirici devresinin AC eşdeğeri

7 Şekil 5 a) Küçük işaretparametreleri ile birlikte gösterilen ortak kaynaklı NMOS transistör b) NMOS transistörün basitleştirilmiş küçük işaret eşdeğer devresi Şekil 5 te gösterilen küçük işaret eşdeğer devresi saturasyonda kutuplanmış olan MOSFET in çıkış resistansı eklenerek genişletilebilir. İdeal durumlar göz önünde bulundurulduğunda MOSFET saturasyon bölgesinde öngerilimlendiğinde drain akımı drain-source geriliminden bağımsızdır. Fakat MOSFET in i D v DS karakteristiğinde saturasyon bölgesindeki grafiğin eğimi sıfır değildir. Saturasyon bölgesindeki grafiğin eğimi MOSFET in çıkış resistansından kaynaklanır ve kanal uzunluk modülasyon parametresine (λ)bağlıdır. Şekil 6 daki karakteristik eğrisine bakıldığında grafikteki eğriler v DS = V A noktasında birleşirler. Bu durumda drain akımı; i D = K n [(v GS V TH ) 2 (1 + λv DS )] olarak tanımlanır. Burada λ kanal-uzunluk parametresidir. Şekil 6 Kanal uzunluk modülasyon parametresinin etkisi λ değeri V A ile ilişkilidir. Yukarıdaki eşitlikten görüleceği gibi i D = 0 için v DS = V A dır ve buradan; V A = 1 λ

8 elde edilir. Böylece MOSFET in çıkış resistansı; ya da olarak tanımlanır. r 0 = [λk n (V GSQ V TH ) 2 ] 1 r 0 [λi DQ ] 1 = 1 λi DQ = V A I DQ Küçük işaret eşdeğer direncinin MOSFET çıkış direnci ile birlikte gösterildiği devre Şekil 7 de verilmiştir. ORTAK KAYNAKLI KUVVETLENDİRİCİ Şekil 7 Ortak kaynaklı NMOS devrenin küçük işaret eşdeğer devresi Şekil 8 bir gerilim bölücü ile öngerilimlenmiş ortak kaynaklı MOSFET kuvvetlendirici devresini göstermektedir. Şekil 9 ise Şekil 8 deki devrenin küçük işaret eşdeğer devresini göstermektedir. Şekil 8 Ortak kaynaklı MOSFET kuvvetlendirici

9 Şekil 9 Ortak kaynaklı MOSFET kuvvetlendirici küçük işaret eşdeğer devresi Şekil 9 daki devreye göre çıkış gerilimi, giriş gerilimi ise, V 0 = g m V gs (r 0 //R D ) R i V gs = ( ). V R i + R i Si olarak elde edilir. Böylece küçük işaret gerilim kazancı; olarak bulunur. ORTAK SAVAKLI (DRAIN) KUVVETLENDİRİCİ R i A v = V 0 = g V m (r 0 //R D ). ( ) i R i + R Si MOSFET kuvvetlendirici devrelerinden ikincisi ortak savaklı kuvvetlendirici devresidir. Şekil 10 da bu devreye bir örnek verilmiştir. Şekilden de görüleceği gibi çıkış işareti source terminalinden alınmış, drain terminali ise V DD ye bağlanmıştır. AC eşdeğer devrede V DD toprak haline dönüştüğünde devreye ortak savaklı (drain) adı verilir. Şekil 10 NMOS ortak savaklı kuvvetlendirici

10 Şekil 10 da verilen devrenin DC analizi daha önce gösterilen analizlerle aynıdır. Bu nedenle burada küçük işaret analizi üzerinde durulacaktır. Şekil 11(a) da devrenin küçük işaret eşdeğer devresi verilmiş, Şekil 11(b) de ise aynı devrenin toprakları ortaklanarak düzenlenmiş hali gösterilmiştir. Şekil 11 a)nmos ortak savaklı devrenin küçük işaret eşdeğer devresi b)a daki devrenin düzenlenmiş hali Şekil 11 e göre çıkış gerilimi; V 0 = (g m V gs )(R s //r 0 ) olarak elde edilir. Devrenin girişinden çıkışına doğru KVL yazılırsa, elde edilir. Buradan gate-source gerilimi ise; V gs = V in = V gs + V 0 = V gs + g m V gs (R s //r 0 ) V in 1 + g m (R s //r 0 ) = [ 1 g m ]. V 1 in + (R g s //r 0 ) m ile ifade edilir. Yukarıdaki eşitliğe bakıldığında NMOS elemanın gate-source arası, değeri 1 g m olan bir direnç gibi görünür ve eşitlik basit bir gerilim bölücü formunda yazılmıştır. Early geriliminden kaynaklanan r 0 direnci ihmal edilirse; source terminaline bakıldığında etkin direç 1 g m olarak görünür. Devrenin girişinde V i değeri; R i V in = ( )V R i + R i si olarak bulunur. Burada R i = R 1 //R 2 dir. Eşitlikte yerlerine konulduğunda; ya da A v = V 0 V i = g m(r S //r 0 ) 1 + g m (R S //r 0 ). ( R i R i + R Si )

11 (R S //r 0 ) R i A v =. ( ) 1 + (R g S //r 0 ) R i + R Si m olarak yazılır. Bu eşitliğe bakıldığında gerilim kazancının her zaman 1 den küçük olacağı görülmektedir. KAYNAKLAR: 1. Microelectronics Circuit Analysis and Design, Neamen D., Microelectronic Circuit Design, Jeager R., Blalock T., 2011

12

13 Adı, Soyadı: Öğrenci No: 3. Hazırlık Çalışması 1. BSH105 transistörünü kullanarak ortak geçitli (gate) bir kuvvetlendirici devresini çizerek DC analizini yapınız ve küçük işaret eşdeğer modeliyle birlikte gerilim kazancını bulunuz. Transistör parametrelerini BSH105 kataloğundan elde ediniz. 2. Aşağıdaki devrenin girişine V I = 10V uygulandında V 0 = 0.2V elde edebilmek için R D direncinin değeri ne olmalıdır? (V DD = 10V, V TH = 0.7V, K n = 4 ma V 2 )

14

15 4. Deney Çalışması 1. Aşağıdaki devreyi kurunuz. 2. Devrenin küçük işaret gerilim kazancını bulunuz. 3. Devrenin V 0 t ve V in t grafiklerini çiziniz. 4. Bulduğunuz sonucu hesaplamalarınızla karşılaştırınız. NOT: Devredeki NMOS transistör CD4007 dir. Pspice simulasyonu için kütüphane dosyasının ORCAD e eklenmesi gerekmektedir. VOFF = 0 VAMPL = 100m FREQ = 1000 AC = V2 1Meg R1 C1 1u M2 nnmos 0 0 R2 10k C2 1u V1 5Vdc 0 0 R4 10k Şekil 12 Aşağıdaki kutuya Şekil 12 deki devrenin küçük işaret modelini çiziniz ve gerilim kazancını bulunuz.

16 Aşağıya deney sonucunda elde ettiğiniz dalga grafiklerini çiziniz.

17 Adı, Soyadı: Öğrenci No: 5. Sonuç Tartışma 1. BJT li ve MOSFET li kuvvetlendiriciler arasındaki farklar nelerdir? 2. CMOS nedir, anlatınız. Bir CMOS evirici devresi tasarlayarak analizini yapınız ve hangi amaçlar için kullanıldığını yazınız.