DENEY NO: 9 MOSFET Lİ KUVVETLENDİRİCİLER DENEYİN AMACI: Bu deneyde MOS kuvvetlendiricilerden ortak kaynaklı ve ortak akaçlı devreler incelenecektir. DENEY MALZEMELERİ MOSFET: 1x4007 Kondansatör: 3x1 µf, 2x10 µf Direnç: 3x470KΩ, 1x150 KΩ, 1x1 KΩ, 2x10 KΩ, 1x820 Ω, 2x100 Ω, 500KΩ luk pot, 1KΩ luk pot. 4007 MOS entegresinin yapısı Şekil 9.1 de verilmiştir. Şekil 9.1. Entegrenin düğüm adları ve içindeki devre yapısı Bu deneyde dikkat edilmesi gereken noktalardan biri 14 ve 7 numaralı bacakların bağlantılarıdır. Bu bacaklar tüm p ve n kanallı elemanların taban (substrate) bağlantılarıdır. 14 numaralı bacak en pozitif kaynağa, 7 numaralı bacak ise en negatif kaynağa bağlanmalıdır. Bu iki düğüm arasındaki potansiyel fark 16 voltu geçmemelidir. Aksi halde kanalın kırılması olayı (punch-through) meydana gelir. DİKKAT: MOSFET ler statik elektrikten olumsuz etkilendiklerinden bacaklarına dokunmayınız! 1
ÖN BİLGİ Alan etkili tranzistörler (Field - effect transistor, FET) genel olarak metal oksit yarıiletken alan etkili tranzistörler (MOSFET) ve jonksiyonlu FET olmak üzere iki ana gruba ayrılırlar. Jonksiyonlu FET ler de pn jonksiyonlu FET (JFET) ve metal yarıiletken alan etkili tranzistör (MESFET) olmak üzere iki gruba ayrılırlar. MOSFET lerde NMOS ve PMOS lar beraber kullanılarak (CMOS) çok küçük alanlara daha fazla tranzistör sığdırıldığından özellikle sayısal devrelerde MOSFET ler kullanılır. Şekil 9.2 de N kanallı MOSFET in yapısı gösterilmiştir. MOSFET e herhangi bir gerilim uygulanmadığında kaynak ve akaç terminalleri arasında p tipi bölge vardır. Bu durumda teorikte akım sıfırdır. Eğer kapıya yeterince gerilim uygulanırsa (VGS >VTN) (taban ve kaynak toprağa bağlı) oluşan alan ile p tipi bölgedeki elektronlar kaynak ile akaç arasındaki kanalda birikirler. Burada gerilimi MOSFET in eşik gerilimidir (iletime geçmesi için kapı ucuna uygulanması gereken minimum gerilim). Böylece kaynak ve akaç bölgeleri n tipi kanal ile birbirlerine bağlanırlar ve kaynak ile akaç arasına bir gerilim uygulandığında kaynaktan, akaca doğru bir akım akar. Burada akım taşıyıcılar elektronlar olduğundan bu tip MOSFET n kanallı MOSFET veya kısaca NMOS olarak adlandırılır. NMOS da akaç - kaynak geriliminin uygulanması ile elektronlar kaynaktan akaca doğru akarlar. Akan akımın değeri, kanaldaki taşıyıcı yoğunluğuna dolayısıyla da kapı gerilimine bağlıdır. Kapı bölgesi kaynak ve akaç arasındaki kanaldan oksit tabakası ile ayrıldığından teorik olarak kapıdan akım akmaz. Benzer şekilde kanal ile taban da birbirinden fakirleşmiş bölge ile ayrıldığından tabana doğru da bir akım akmaz. Eğer VGS değeri NMOS un eşik geriliminden küçük ise NMOS tıkamadadır ve akaçtan kaynağa bir akım akmaz (ID=0). Eğer VGS gerilimi artırılır ve eşik gerilimini geçerse (VGS >VTN) MOSFET iletime geçer ve akaçtan bir akım akar. VGS geriliminin eşik gerilimine yakın değerlerinde, kanalda toplanan elektron sayısı çok fazla olmadığından, kanalın direnci hala yüksek olduğundan akaç akımı çok yüksek değildir ve VDS > VGS - VTN olduğundan MOSFET doyumdadır. 2
Bu durumda akaç akımı, olur. kn n kanallı MOSFET in iletkenlik parametresi olup değer, şeklindedir. Burada µn ; elektronların hareket yeteneği, Cox ; kapı bölgesindeki dielektriğin birim alanındaki kapasite ( F m 2 ), W; kanalın genişliği (m) ve L; kanalın boyudur (m). İletkenlik parametresinin birimi A V 2 dir. λ ise kanal boyu modülasyon parametresi olup değeri oldukça küçüktür ve genellikle sıfır alınır. Bu durumda doyum bölgesinde akaç akımı sadece VGS değerine bağlı olur. Eğer VGS gerilimi daha arttırılırsa VDS < VGS - VTN olur ve MOSFET lineer bölgeye geçer. Bu durumda akaç akımı, olur. Şekil 9.2 de n kanallı MOSFET in akım gerilim karakteristiği gösterilmiştir. 3
ÖN HAZIRLIK 1. Şekil 9.4 de verilen devrede VG, VD, VS, ID değerlerini teorik olarak hesaplayıp, sonuçlarını deneyin yapılışı kısmındaki tabloya kaydediniz. 2. Şekil 9.5 de verilen devrede VG, VD, VS, ID değerlerini teorik olarak hesaplayıp, sonuçlarını deneyin yapılışı kısmındaki tabloya kaydediniz. DENEYİN YAPILIŞI I. ORTAK KAYNAKLI KUVVETLENDİRİCİ 1. Şekil 9.4 de gösterilen n kanallı MOSFET li ortak kaynaklı kuvvetlendirici devresini kurunuz. Devrenin girişine tepe değeri 50mV, frekansı 1KHz olan sinüzoidal işareti uygulayınız. VDD=10V. R1= R2= 470KΩ, RD=1 KΩ, RS =100 Ω, RY =10 KΩ, C1=C2=C3=1 µf 2. VG, VD, VS, ID değerlerini ölçünüz. Aşağıdaki tabloda ölçülen değer kısmına yazıp, hesapladığınız sonuçlarla karşılaştırınız. VD VG VS ID Ön Hazırlıkta Hesaplanan Değer 4 Deneyde Ölçülen Değer
3. RY yük direnci devrede yok iken; devrenin giriş ve çıkış işaretlerini ölçekli olarak aşağıya çiziniz. Devrenin gerilim kazancını hesaplayınız ve aşağıya yazınız. Giriş işaretiyle çıkış işareti arasında oluşan faz farkının sebebini açıklayınız. 4. RY yük direnci devrede iken; devrenin gerilim kazancını hesaplayınız. Çıkış gerilimi Vo ı kaydediniz. Çıkıştaki gerilim değerinin azalmasının sebebini açıklayınız. 5. Giriş direncinin bulunması: Şekil 9.4. deki devrede A noktası ile C1 kondansatörü arasındaki bağlantıyı açınız. Buraya 500KΩ luk potansiyometreyi seri olarak bağlayınız.(pot. un değeri yaklaşık orta değerlerde olsun.) Çıkış gerilimini 4. Adımdaki değerin yarısı olacak şekilde pot. u ayarlayınız. (Çıkış işareti simetrik ve kırpılmasız olmalıdır.)bu değer yükseltecin giriş direncidir. Bu değeri aşağıdaki tabloya kaydediniz. 5
6. Çıkış direncinin bulunması: RY yük direncini ve girişe bağladığınız potansiyometreyi devreden çıkarıp C1 kondansatörünü A noktasına tekrar bağlayınız. Çıkışa 1KΩ luk pot. ve 100Ω luk direnci seri olarak bağlayınız. (100Ω luk direncin seri olarak bağlanmasının nedeni, 1KΩ luk pot.un yanlışlıkla 0Ω yapılması durumunda pot.u korumak içindir.) 3. Adımdaki çıkış gerilimini yarıya düşürene kadar 1KΩ luk pot.u ayarlayınız. Bu durumda çıkış direnci; Rçıkış= Rpot + 100Ω dur. Rgiriş Rçıkış II. ORTAK AKAÇLI KUVVETLENDİRİCİ 1. Şekil 9.5 de gösterilen ortak kaynaklı devreyi kurunuz. Devrenin girişine tepe değeri 50mV, frekansı 1KHz olan sinüzoidal işareti uygulayınız. Devrenin Giriş ve çıkış işaretlerini ölçekli olarak aşağıya çiziniz. Devrenin gerilim kazancını hesaplayınız ve aşağıya yazınız. 6