Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği

Transkript

1 Çukurova Üniversitesi Biyomedikal Mühendisliği BMM212 Elektronik-1 Laboratuvarı Deney Föyü Deney#7 Ortak Kollektörlü ve Ortak Bazlı BJT Kuvvetlendirici Deneyi Doç. Dr. Mutlu AVCI Arş. Gör. Mustafa İSTANBULLU ADANA, 2016

2

3 DENEY 7 Ortak Kollektörlü ve Ortak Bazlı Bipolar Junction Transistor (BJT) Kuvvetlendirici 1. Amaç Bu deneyin amacı, lineer (doğrusal) kuvvetlendiricilerde kullanılan BJT kuvvetlendirici devresinin devre girişine uygulanan zamanla değişen bir küçük işareti kuvvetlendirmesi ve devrenin küçük işaret analizinin yapılmasıdır. 2. Temel Bilgiler Ortak Kollektörlü Kuvvetlendirici Devresi BJT kuvvetlendirici devrelerinin ikinci bir tipi Şekil 1'de gösterilen ortak kollektörlü kuvvetlendirici devresidir. Şekilden de anlaşılacağı üzere devrenin çıkış işareti emiter direnci üzerinden alınmış ve BJT'nin kollektör bacağı doğrudan V CC 'ye bağlanmıştır. Devrenin küçük işaret eşdeğer devresinde V CC toprağa bağlanmış olduğundan devre ortak kollektörlü adını alır. Bu devrenin daha genel adı ise emiter takipçisi (izleyicisi)dir. Şekil 1 Ortak kollektörlü BJT kuvvetlendirici devresi Devrenin DC analizi daha önce gösterilen ortak emiterli devrenin DC analizi ile aynı olduğu için burada yalnızca küçük işaret analizi üzerinde durulacaktır. Devrenin küçük işaret analizinde daha önce olduğu gibi yine BJT'nin hibrit-π modeli kullanılır. Buna göre Şekil 2'de gösterilen devre Şekil 1'deki kuvvetlendirici devresinin küçük işaret eşdeğer devresi olur. Burada transistörün kollektör terminali toprağa bağlanmış ve transistör çıkış direnci r 0 bağımlı akım kaynağı ile paraleldir. Şekil 3'te gösterilen devre Şekil 2 deki küçük işaret eşdeğer devresiyle aynı olup devrenin düzenlenmiş halidir.

4 Şekil 2 Ortak kollektör kuvvetlendirici devresinin küçük işaret eşdeğer devresi Şekil 3 Küçük işaret eşdeğer devresinde toprakların birleştirilerek düzenlenmesi Şekil 3'e göre; I 0 = (1 + β)i b olur ve çıkış gerilimi; V 0 = I b (1 + β)(r 0 //R E ) olarak yazılır. Baz emiter döngüsüne Kirchoff gerilim kanunu yazılırsa; elde edilir. Buradan R ib direnci ise; şeklinde yazılır. Ayrıca; V in = I b [r π + (1 + β)(r 0 //R E ) R ib = V in I b = r π + (1 + β)(r 0 //R E ) R i V in = ( )V R i + R s s

5 olur ve burada R i = R 1 //R 2 //R ib 'dir. Böylece küçük işaret gerilim kazancı; olarak elde edilir. A v = V 0 = (1 + β)(r 0//R E ) V s r π + (1 + β)(r 0 //R E ). ( R i ) R i + R s Eşitlikten de görüleceği gibi (R s R i ve r π (1 + β)(r 0 //R E ) ) gerilim kazancı herzaman 1'den biraz küçük, yaklaşık olarak 1'e eşit olacaktır. Ayrıca gerilim kazancının ortak emiterli kuvvetlendiricinin tersine pozitif olması çıkış işareti ile giriş işaretinin aynı fazda olduğunu gösterir. Bir kuvvetlendirici devresinde gerilim kazancının 1'e eşit olması anlamsız gelebilir fakat burada devrenin giriş ve çıkış direnç karakteristiklerine bakılırsa birçok uygulama için çok kullanışlı bir devre olduğu anlaşılacaktır. Devrenin giriş direnci; ve çıkış direnci; R ib = r π + (1 + β)(r 0 //R E ) R 0 = r π (1 + β) //R E//r 0 olarak yazılır. Ortak kollektörlü devrenin avantajı burada görülmektedir. Yazılan eşitliklere göre devrenin giriş direnci çıkış direncine göre çok büyük olacaktır. Bu nedenle devre empedans dönüştürücü olarak da adlandırılabilir. Çok düşük çıkış direncine sahip olan ortak kollektörlü kuvvetlendirici devresi böylece ideal bir gerilim kaynağı gibi davranacaktır. Ortak Bazlı Kuvvetlendirici BJT'li kuvvetlendiricilerin üçüncü tipi Şekil 4'te gösterilen ortak bazlı kuvvetlendirici devresidir. Burada transistörün bazı toprağa bağlanmış ve işaret ise emiter ucundan devreye uygulanmıştır. Şekil 4 Ortak bazlı kuvvetlendirici devresi

6 Şekil 5'teki devre Şekil 4'te gösterilen ortak bazlı kuvvetlendiricinin küçük işaret eşdeğer devresini göstermektedir (V A =, r 0 = kabul edilmiştir). Şekil 5'teki devreye göre; Şekil 5 Ortak bazlı kuvvetlendirici devresinin küçük işaret eşdeğer devresi V 0 = (g m V π )(R C //R L ) olarak yazılır. Emiter düğümüne Kirchoff akım kanunu yazılırsa; elde edilir. β = g m r π olduğundan; yazılır ve eşitlik düzenlenirse; g m V π + V π r π + V π R E + V s ( V π ) R s = 0 V π ( 1 + β r π elde edilir. Küçük işaret gerilim kazancı ise; + 1 R E + 1 R s ) = V s R s r π V π = V s [( R s 1 + β )//R E//R s ] A v = V 0 V s = g m ( R C//R L R s )[( r π 1 + β )//R E//R s ] olarak yazılır. Burada R s sıfıra doğru yaklaşırsa gerilim kazancının olacağına dikkat edilmelidir. A v = g m (R C //R L ) Şekil 5'teki devrede küçük işaret akım kazancını bulmak için emiter düğümüne Kirchoff akım kanunu yazılır ve eşitlik düzenlenirse (ara işlemler yazılmamıştır) akım kazancı; R C A i = I 0 = g I m ( ) [( i R C + R L 1 + β )//R E] r π

7 olarak elde edilir. Burada R E sonsuza ve R L sıfıra yaklaşırsa akım kazancı; A i0 = g mr π 1 + β = α olarak yazılır. Burada α transistörün ortak baz akım kazancı olarak adlandırılır. Ortak bazlı kuvvetlendirici devresinde yukarıda bahsedildiği gibi gerilim kazancı 1 den büyüktür ve akım kazancı ise 1 den biraz küçüktür. Ortak kolektörlü kuvvetlendirici devresinde olduğu gibi ortak bazlı kuvvetlendirici devresinin avantajı da giriş ve çıkış direnç karakteristikleri göz önünde bulundurulduğunda anlaşılmaktadır. Transistörün emiter ucundan devreye bakıldığında giriş direnci; R ie = V π I i olarak tanımlanır. Girişe Kirchoff akım kanunu uygulanırsa (ara işlemler gösterilmemiştir) ; R ie = V π = r π I i 1 + β r e elde edilir. Burada r e direnci oldukça küçüktür ve devre girişinin akım kaynağı olduğu devrelerde ortak bazlı kuvvetlendirici tercih edilir. Devrenin çıkış direnci R 0 ise; olarak elde edilir ve çok büyük bir değer alır. R 0 = r 0 //R C //R L Bu şekilde verilen giriş ve çıkış direnç karakteristiklerinden dolayı ortak bazlı kuvvetlendirici devresi bir ideal akım kaynağı gibi davranır.

8 Üç Genel Kuvvetlendirici Devresinin Karşılaştırılması Tablo 1 den de anlaşılacağı gibi ortak emiterli kuvvetlendirici devresinde akım ve gerilim kazancı 1 den büyüktür. Ortak kolektörlü devrede gerilim kazancı1 den biraz küçük olurken akım kazancı birden büyüktür. Ortak bazlı kuvvetlendirici devresinde ise gerilim kazancı 1 den büyük iken akım kazancı 1 den biraz küçüktür. Tablo 1 BJT li kuvvetlendirici devrelerinin karşılaştırılması Kuvvetlendirici Tipi Gerilim Kazancı Ortak Emiterli A v > 1 A i >1 Ortak Kollektörlü A v 1 A i > 1 Ortak Bazlı A v > 1 A i 1 Akım Kazancı Giriş Direnci Çıkış Direnci Faz Farkı Orta kΩ Büyük (kω lar) Küçük ( 20Ω) Büyük 50kΩ Küçük ( 50Ω) Büyük (k-mω lar) Var Yok Yok Tipik Kullanım Yeri Yüksek A v ve A i istenen devrelerde Çıkış güç katları vs. Anten giriş katları vs. KAYNAKLAR: 1. Microelectronics Circuit Analysis and Design, Neamen D., Microelectronic Circuit Design, Jeager R., Blalock T., 2011 MALZEME LİSTESİ Dirençler : 2x1k, 2.2k, 18k, 2x51k, 220k BJT : BC337 Kondansatör : 4.7uF, 2x10uF, 47uF Standart deney teçhizatı

9 Adı, Soyadı: Öğrenci No: 3. Hazırlık Çalışması 1. Aşağıdaki devrenin küçük işaret gerilim kazancını bulunuz. (β=100, V BE = 0.7V, V A = 80V) 2. Aşağıdaki devrenin küçük işaret akım ve gerilim kazancını bulunuz.

10

11 4. Deney Çalışması Ortak Kollektörlü Kuvvetlendirici Deneyi 1. Aşağıdaki devreyi kurunuz. Şekil 6 2. I BQ ve I CQ değerlerini multimetre ile; küçük işaret gerilim kazancını (A V = V out /V in ) ise osiloskobunuzun kırmızı probunu giriş işaretinize (V in ), sarı probunu R L yük direncine bağlayarak (V out ) bulunuz ve aşağıya yazınız. Ölçüm Sonuçları I BQ I CQ A V1 = V out /V in

12 3. Aşağıdaki ilgili kutulara devrenin DC ve AC analizini yapınız. Devrenin AC eşdeğer devresini transistörün hibrit- π eşdeğer modelinden yararlanarak çiziniz. I BQ, I CQ, r π, g m değerlerini ve DC ANALİZ küçük işaret gerilim kazancı A V yi teorik olarak bulunuz ve ilgili kutucuklara yazınız. AC ANALİZ Teorik Sonuçlar I BQ I CQ A V1 A V2 A V3

13 Ortak Bazlı Kuvvetlendirici Deneyi 1. Aşağıdaki devreyi kurunuz. 2. I BQ ve I CQ değerlerini multimetre ile; küçük işaret gerilim kazancını (A V = V out /V in ) ise osiloskobunuzun kırmızı probunu giriş işaretinize (V in ), sarı probunu R L yük direncine bağlayarak (V out ) bulunuz ve aşağıya yazınız. Ölçüm Sonuçları I BQ I CQ A V1 = V out /V in

14 DC ANALİZ 3. Aşağıdaki ilgili kutulara devrenin DC ve AC analizini yapınız. Devrenin AC eşdeğer devresini transistörün hibrit- π eşdeğer modelinden yararlanarak çiziniz. I BQ, I CQ, r π, g m değerlerini ve küçük işaret gerilim kazancı A V yi teorik olarak bulunuz ve ilgili kutucuklara yazınız. AC ANALİZ Teorik Sonuçlar I BQ I CQ A V1 A V2 A V3

15 Adı, Soyadı: Öğrenci No: 5. Sonuç ve Tartışma deneyde gözlediğiniz ortak emiterli (OE) kuvvetlendirici devresinin sonuçlarıyla birlikte 7. deneyde elde ettiğiniz ortak kollektörlü (OK) ve ortak bazlı (OB) devrelerin sonuçlarını (giriş direnci, çıkış direnci, gerilim kazancı, faz farkı) bir tablo halinde yazınız ve karşılaştırınız. 2. Her bir devrenin hangi amaçla elektronik devrelerde kullanıldığını yazınız.