Ad Soyad: Numara/Grup: JFET DENEYİ ÖN HAZIRLIK SORULARI Aşağıdaki soruları bireysel olarak cevaplandırarak deneyden önce teslim ediniz. 1-Şekilde verilen devre için giriş direnci Rin ve çıkış direnci Ro ı bulunuz. 2-Şekilde verilen devrede IDSS=4 ma ve VP=-2V olduğuna göre ID akımı nedir? 3-J-Fet transistörün çalışma prensibini açıklayınız. 4-n kanallı J-FET için VDS-ID grafiğini çizerek çalışma bölgelerini belirleyiniz. 5-J-Fet ile BJT transistörün farklarından dördünü yazınız.
J-FET TRANSİSTÖRLERİN AC-DC ANALİZİ 1. Deneyin Amacı JFET transistörlerin çalışma prensiplerinin anlaşılması. JFET Transistörlerle yapılan kuvvetlendiricilerin AC ve DC analizlerini öğrenme 2. Ön Bilgi FET ler (Field Effect Transistor Alan Etkili Transistör) bir elektrik alan yardımıyla akımın kontrol edildiği aktif elemanlardır. BJT transistörlerde olduğu gibi FET lerde de üç terminal bulunmaktadır. Terminal İsmi (Kısaltma) Drain (D) Gate (G) Source (S) BJT Transistördeki karşılığı Collector (C) Base (B) Emmiter (E) BJT transistörlerin aksine FET lerde Drain ve Source terminalleri arasında akan akım Gate terminalinden uygulanan voltaja bağlı olarak değiştirilir. FET lerin çalıma prensipleri farklı olduğu için BJT transistörlere göre bazı avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Bunlar aşağıdaki tablodaki gibi özetlenebilir. Field Effect Transistor (FET) Bipolar Junction Transistor (BJT) 1 Düşük voltaj kazancı Yüksek voltaj kazancı 2 Yüksek akım kazancı Düşük akım kazancı 3 Çok yüksek giriş empedansı Düşük giriş empedansı 4 Yüksek çıkış empedansı Düşük çıkış empedansı 5 Düşük gürültü seviyesi Daha yüksek gürültü seviyesi 6 Hızlı anahtarlama zamanı Daha yavaş anahtarlama zamanı 7 Statik elektrikten kolay etkilenme Statik elektriğe karşı dayanıklı 8 Voltaj kontrollü Akım kontrollü 9 Daha pahalı Ucuz 1
FET Transistörler aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi iki faklı türde guruplandırılabilirler: Deney boyunca n-kanallı JFET işlenecek olduğundan bu transistörlerin çalışma prensipleri n-kanallı JFET üzerinden işlenecektir. p-kanallı JFET in çalışması n-kanallı JFET in çalışması ile aynı olup beslemelerin polariteleri ile N ve P maddelerin yerleri değişmektedir. 2.1 n-kanallı JFET JFET (Junction Field Effect Transistor Eklemli Alan Etkili Transistör) n-kanallı ve p-kanallı olmak üzere ikiye ayrılır. n-kanallı JFET lerde akım taşıyıcıları elektronlar, p-kanallı JFET lerde ise elektron delikleridir. Yukarıdaki şekilde n-kanallı bir JFET in iç yapısı ve devre simgesi gösterilmektedir. n-kanallı ismi, Drain-Source akımının n tipli maddeden oluşan bir kanaldan akması dolayısıyla verilir. 2
2.1.1 n-kanallı JFET in Çalışma Prensibi Bu şekilde n-kanallı bir JFET in çalışma prensibini anlamak için oluşturulmuş bir devre ve bu devreye ilişkin V DS - I D grafiği gösterilmektedir. Şekilden de görüldüğü üzere, diyotlarda olduğu gibi p-n eklem bölgesi boyunca bir fakirlik bölgesi oluşmaktadır. Başlangıçta Drain akımı ve Drain-Source voltajı arasında doğrusal bir ilişki olmaktadır. Bu bölgeye linear ya da ohmic bölge adı verilmektedir. V DS voltajı arttıkça fakirlik bölgesi Drain ucuna doğru genişlemeye başlar. I D akımı artık V DS ile doğru orantılı olarak artmaz çünkü fakirlik bölgesi, artan voltaja bağlı olarak genişlemiş ve akım kanalı belli bir denge noktasına kadar daralmıştır. Bu bölgeye saturasyon ya da doyum bölgesi, maksimum akan akıma da I DSS akımı denilmektedir. 3
Saturasyon bölgesinde eğer V GS voltajını negatif yönde artırırsak, Source ucundaki kanal biraz daha daralır. Bu da kanal direncini artırır ve Drain akımını düşürür. V GS voltajı kesim voltajı olan V P değerine eşit veya daha negatif olduğunda, fakirlik bölgesi tamamıyla kanalı kapatana kadar genişlemiş olur ve I D akımı akamaz. Saturasyon bölgesinde I D akımı V GS voltajına bağlı olarak Denklem 1 deki formüle göre hesaplanabilir. JFET in Saturasyon bölgesinde olma koşulu ise şöyle tanımlanmaktadır: V V P DS V 0 GS V GS V P I D I DSS V (1 V GS P 2 ) (Denklem 1) 4
Aşağıdaki grafikte ise Denklem 1 e ait eğri görülmektedir. Çalışma noktasındaki V GS değerine bağlı olarak hesaplanabilecek olan eğim bize iletkenlik değeri olan g m sabitini verecektir. g m ; BJT transistor deki β olarak düşünülebilir. g m parametresinin birimi 1 veya Siemens olur. (Denklem 2) 5
2.1.2 JFET Kuvvetlendiriciler FET Transistörlerle yapılan kuvvetlendirici devreleri BJT Transistörlerle yapılanlarla benzerlik göstermektedir. FET.lerle yapılan yükselteçler aşağıdaki gibi adlandırılır. FET Ortak Source (Common Source) Ortak Drain (Common Drain) Ortak Gate (Common Gate) BJT Ortak Emitter (CE) Ortak Collector (CC) Ortak Base (CB) FET li kuvvetlendiricilerin bir diğer özelliği ise giriş ve çıkış empedans değerleridir. Bu parametreler bakımından BJT transistörlere göre oldukça avantaj sağlayan FET lerin giriş ve çıkış empedans değerleri şöyledir. Z i = Ω Z 0 = r d = (Denklem 3) 1 Y os = ΔV DS ΔI D VGS(sabit) (Denklem 4) * JFET AC Eşdeğer Devresi FET Transistörlerin kuvvetlendirme özellikleri analiz edilirken AC eşdeğer devresi çizilir. AC eşdeğer devre küçük genlikli ve alternatif akımlı sinyallerde bu transistörlerin davranışı modellenerek oluşturulmuştur. Aşağıdaki şekilde FET AC eşdeğer devresi gösterilmiştir. Şekil 1. FET AC Eşdeğer Devresi Devre analizi yapılırken FET transistör görülen yere bu eşdeğer devrenin çizilmesi gerekmektedir. 6
* Gerilim Bölücü Kutuplamalı Common Source (CS) Kuvvetlendiriciler Aşağıdaki şekilde gerilim bölücülü kutuplama düzenine sahip bir CS kuvvetlendirici gösterilmiştir. Şekil 2. Gerilim Bölücülü CS Kuvvetlendirici Bu devrede VG voltajı, VDD besleme voltajının R1 ve R2 dirençleri tarafından belirlenen bir oranda bölünmesiyle elde edilir. Tek bir kaynaktan beslenebilmesi bakımından avantaj sağlayan bu devreler aynı zamanda diğer kutuplama düzenlemelerine göre daha kararlı bir çalışma noktasına sahiptirler. (Denklem 5) AC eşdeğer devre aşağıdaki gibidir. Renkli arkaplana sahip bölge FET transistörün kendisidir. AC eşdeğer devre çizilirken AC kaynağın olmadığı yerler toprak olarak gösterildiği için RD ve R1 dirençleri toprağa bağlanmıştır. Şekil 3. CS Kuvvetlendirici AC eşdeğer devresi 7
AC analiz yapılırken hesaplanması gereken özellikler gerilim kazancı ile giriş-çıkış empedans değerleridir. Bu bakımdan incelersek CS yükselteçlerin giriş ve çıkış empedans değerleri şöyle olur: Z i = R 1 R 2 (Denklem 6) Z 0 = r d R D R D (r d R D ) (Denklem 7) Gerilim kazançları ise şöyle hesaplanır: V i = V gs V O = g m V gs (R D r d ) A v = V o V i = g m (R D r d ) Bu devrede R S direnci C S kapasitesi dolayısıyla ihmal edilmiştir. R S negatif geribesleme yaparak kararlılığı sağlar ve aynı zamanda V GS kutuplama voltajı için gereken ters voltajı oluşturur. Negatif geri besleme kararlılık sağlarken aynı zamanda kazancı azaltan bir yan etkiye sahiptir. Kararlılık bize DC olarak gerekmekte ancak AC olarak kazancı artırmak istemekteyiz. Bu durumu sağlamak amacıyla R S direncine paralel olarak bağlanacak bir kondansatör AC olarak oradaki geribeslemeyi kaldıracak ve dolayısıyla AC kazanç korunacaktır. Eğer devreden CS kapasitesi kaldırılırsa devrenin kazancında nasıl bir değişim olur? Şekil 4. Bypass kapasitesi kaldırılmış CS kuvvetlendiricinin AC eşdeğer devresi 8
Şekil 5 te yer alan devreden de görüldüğü üzere çıkış gerilimi olan V O gerilimi değişmemekte ancak giriş gerilimi V i artık V gs değerine eşit olmamaktadır. Yani V i = V gs (1 + g mr s r d R D + R S + r d ) g m R D r d V o = V gs R D + R S + r d A v = V o g m R D = V i 1 + g m R s + 1 (R r D + R S ) d Görüldüğü gibi gerilim kazancı, C S kapasitesi kaldırıldığında düşecektir. 9
DENEY İÇİN GEREKLİ MALZEMELER: 1 kω, 3.3 kω, 270 kω, 1 MΩ dirençler 1 MΩ luk potansiyometre 10 µf, 2.2 µf, 22 µf kondansatörler BF245A n tipi J-FET transistör Bağlantı kabloları, breadboard, multimetre, güç kaynağı, sinyal üreteci, osiloskop DENEYİN YAPILIŞI: 1) Şekildeki devreyi oluşturun. Tabloda istenen değerleri ölçerek tabloya kaydedin. Tablodaki değerler yardımıyla da I D- V DS grafiğini çiziniz. Çizdiğiniz grafikten I DSS yi gösteriniz. 2) Şekilde gösterilen devreyi oluşturun. Daha sonra potansiyometreyi I D akımı sıfır olacak şekilde ayarlayın. Bu ayarlamayı yaparken eğer mümkünse ampermetrenin hassasiyetini μa mertebesine getirin. I D akımı sıfır olduğu anda V GS yi ölçerek V P gerilimini bulunuz. (ID=0 iken ölçülen V GS gerilimi V P değerine eşittir.) V P = 10
3) Şekilde görülen devreyi kurunuz. Öncelikle Voltmetreyi kullanarak V G, V S, V GS ve V D değerlerini ölçüp aşağıdaki tabloya kaydedin. Kuvvetlendiriciye giriş işareti olarak 1kHz sinüs işareti verin ve giriş-çıkış işaretlerini aşağıdaki tabloya kaydedin. R 1=1 MΩ, R 2=270 kω, R D=3.3 kω, R S=1 kω, C 1=10 µf, C 2=2.2 µf, C S=22 µf, V DD=12 V 11