ELEKTRONİK ve HABERLEŞME LAB DENEY FÖYÜ

YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ ELEKTRONİK VE HABERLEŞME MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK ve HABERLEŞME LAB DENEY FÖYÜ ( ELEKTRONİK KISMI ) ELEKTRONİK ANABİLİM DALI ARAŞTIRMA GÖREVLİLERİ: ARŞ. GÖR. NERGİS TURAL ARŞ. GÖR. BURCU ERKMEN ARŞ. GÖR. CENK DİNÇBAKIR ARŞ. GÖR. NİHAN COŞKUN ARŞ. GÖR. REVNA ACAR VURAL ARŞ. GÖR. TANKUT AÇAR ARŞ. GÖR. OĞUZHAN YAVUZ İSTANBUL, 006

MALZEME LİSTESİ ( Bütün malzemeler için her türlü olasılığı düşünerek lütfen yedeklerini de temin ediniz!!! ) Transistör : 4 x BC37 Deney Direnç : x kω, x kω, x kω, x 0kΩ, x kω Deney OpAmp : x LM74 Direnç : x 6.8kΩ, x 5kΩ Kondansatör : 4 x 0nF, x 6.8nF, x 4.7nF Deney 3 Transistör : x BC37, x BD35, x BD36 Diyot : x N400 Kondansatör : x µf, x 4.7µF Direnç : x 0kΩ, x 0kΩ, x.5kω, x 4Ω, 4 x 0Ω (/ Watt), x.kω, x.kω Deney 4 Transistör : x BC08 Kondansatör : x µf, x 0µF, x.µf Direnç : x 80kΩ, x 7kΩ, x 0kΩ, x kω, x 70Ω, x 3.9kΩ, x 5.6kΩ, x 560Ω, x 00kΩ Deney 5 Transistör : x BC08 Direnç : x 3.3kΩ, x 5.6kΩ, x 6.8kΩ, 4 x 0kΩ, x 0kΩ POT. Kondansatör : 3 x 0nF, x µf, x 0µF, x 47µF Entegre : 74HC4 MALZEME LİSTESİ (Toplu) NOT : Malzeme sayıları deney için gerekli minimum sayıları göstermektedir. Ancak olası arızalara karşı her malzemeden en az adet fazla alınması önemle tavsiye olunur.

DENEY : FARK KUVVETLENDİRİCİLERİ Amaç : Fark kuvvetlendiricisine ait teorik hesapların ve pratik gerçeklemelerin yapılması ve akım aynasının kazanca etkisinin incelenmesi. Malzeme Listesi : Transistör : 4xBC37 Direnç : xkω, xkω, xkω, x0kω, xkω Fark kuvvetlendiricileri adından da anlaşılacağı gibi genel olarak girişindeki AC işaret farkını yükselten kuvvetlendiricilerdir. Temel bir fark kuvvetlendirici devresi Şekil. de verilmiştir. Bir lineer kuvvetlendirici v i ve fonksiyonu olarak yazılabilir. vout = X.vi + Y.v i Şekil. Temel fark kuvvetlendiricisi Burada X ve Y iki sabittir. Bu denklem şu şekilde düzenlenebilir: ( X Y) ( v + v ) ( ) ( ) v out =. vi v i + X+ Y. v i olmak üzere iki girişe sahipse, çıkış gerilimi bu giriş gerilimlerinin lineer bir Diğer bir deyişle çıkış gerilimi, giriş gerilimleri farkı ( vi v i) ( v + v ) i i (ortak mod) bir lineer kombinasyonu olarak ifade edilebilir. i i (fark modu) ile giriş gerilimleri toplamının Fark yükselteci devresinin özellikle yüksek kazançlı kuvvetlendiricilerin giriş katı olarak kullanılmasına neden olan çok yararlı çeşitli özellikleri mevcuttur. Kuvvetlendiricinin simetrik olması nedeniyle eş özellikli transistörler seçerek (genellikle bu transistörler aynı silisyum kırmık üzerinde gerçeklenirler) oldukça kararlı ve sürüklenmelere dayanıklı devreler oluşturulabilir. Çıkışta görülmek istenen işaret büyük genlikli bir ortak DC gerilime sahip iki

uçtan gelen işaretin farkı ise bu devre idealdir. OPAMP devreleri de kaskat bağlanmış fark yükselteçleri kullanarak tasarlanır. Böylece oldukça kararlı ve yüksek kazançlı kuvvetlendiriciler elde edilir. İdeal bir fark kuvvetlendiricisi fark modunda yani vi = v i iken yüksek kazanç, ortak modda ise yani vi = v i için sıfır kazanç sağlar. Gerçek bir fark kuvvetlendiricisi için herhangi bir kolektörün ucundan alınan çıkış gerilimi: v = A.v + A.v yazılabilir. out d d c c Burada A d fark modu kazancı, vd = vi v i fark modu işareti, A c ortak mod kazancı ve vi + v i vc = ortak mod işareti olarak adlandırılır. v out ise çıkış (devredeki iki transistörün herhangi birinin kollektör ucu) ile toprak arasındaki gerilimdir, v out ile v out arasındaki fark değildir. vout Eğer girişte yalnızca fark mod işareti kullanılırsa ( vc = 0) Ad = olur. Benzer şekilde girişte vd vout yalnızca ortak mod işareti varsa ( vd = 0) Ac = olarak ölçülebilir. v Fark yükselteçlerinin yaygın kullanılan bir performans ölçütü olan Ortak Mod Bastırma Oranı (Common Mode Rejection Ratio, CMRR) şu şekilde tanımlanır: c CMRR = A A d c İdeal bir fark kuvvetlendiricisinin CMRR oranı sonsuzdur çünkü ortak işaret kazancı sıfırdır. Gerçekte ise bu değer mümkün olamayacağından CMRR nin mümkün olduğunca yüksek olması istenir. Şekil. deki devrenin küçük işaret eşdeğer devresi Şekil. de verilmiştir. Burada transistörlerin eş seçildiği varsayımıyla g m = g m = g m ve r = r = r π alınmıştır. π π Şekil. Temel fark kuvvetlendiricisi küçük işaret eşdeğer devresi 3

Bu devrede: Vbe i = + gmvbe = + gm Vbe = AVbe rπ rπ Vbe i = + gmvbe = + gm Vbe = AVbe rπ rπ i3 = i+ i = + gm V + + gm V = A V + V rπ rπ ( ) be be be be () () (3) ( ) ( ) v = V + i R = V + A V + V R = + AR V + AR V (4) i be 3 E be be be E E be E be ( ) ( ) v = V + i R = V + A V + V R = AR V + + AR V (5) i be 3 E be be be E E be E be v = g V R (6) out out m m be be C v = g V R (7) C yazılabilir. Burada v out gerilimini A.v + A.v c c şeklinde ifade etmeye çalışacağız. Bunun için: d d (4) ve (5) ten vi v i = Vbe Vbe (8) (6) ve (7) den ( ) ( ) v v = g V R + g V R = g R V V out out be C be C C be be v v = g R v v out out C i i m m m m (9) (4) ve (5) ten v v ( ARE) V ( ARE) V ( ARE)( V V ) + = + + + = + + (0) i i be be be be g R + AR m C (6) ve (7) den v + v = g RC ( V + V ) = ( v + v ) out out m be be i i E () g R m C (9) ve () den v ( v v ) A d gmr R r C = = g R ( v + v ) m C i i out = i i bulunur. Bu ifadeden + ARE C e 4

A c gmrc gmrc gmrc RC RC = = = = + AR R E E + + g R r E e R mr + E gm R r E e RE r + + + + π gm rπgm β E R C Ad re re + R CMRR = = = A R c C re r + R Buradaki e E E TH r e değeri transistörün geçiş direncidir ve büyüklüğü e V = dir. Yukarıdaki I formülden de görüldüğü üzere CMRR değerinin büyük olması için R E direncini büyütmek gerekir, ancak R E direnci arttırılırsa aynı I E akımı ile devreyi sürebilmek için gereken besleme gerilimi değeri çok artacaktır. Bu nedenle devrede R E direnci yerine sabit akım kaynağı görevi gören akım aynası kullanılır. Doğru akım kaynağı küçük işaretler için yüksek direnç göstereceğinden (açık devre gibi düşünülebilir) akım aynası kullanılan devrede V EE gerilimini arttırmaya gerek olmadan yüksek CMRR elde edilebilir. Deney Öncesi Yapılacaklar:. Şekil.3 ve.4 deki fark kuvvetlendiricisinin AC eşdeğer devrelerini ve çalışma prensiplerini gözden geçiriniz.. Her iki devrenin de kazanç ifadelerini ve CMRR değerini hesaplayınız. 3. Girişe zıt fazlı fark işaretinin nasıl uygulanabileceğini düşününüz. 4. Şekil.4 deki devrenin SPICE simulasyonunu yapınız: a. V i = -V i = 0mV.sin(π.0 3.t) giriş gerilimleri altında V o ve V o gerilimlerini çizdiriniz. b. V i = V i = 0mV.sin(π.0 3.t) giriş gerilimleri altında V o ve V o gerilimlerini çizdiriniz Deneyde Yapılacaklar :. Şekil.3 deki devreyi kurunuz. + ve besleme gerilimlerini dikkatli bağlayınız, DC kaynakların ve devrenizin toprak bağlantısının neresi olduğuna dikkat ediniz.. Devrenin V i ve V i girişlerine fark işareti uygulayınız. Giriş ve çıkış gerilimlerini ölçerek ölçüm değerlerinden fark işaret kazancını hesaplayınız. 3. Devrenin V i ve V i girişlerine ortak işaret uygulayınız. Giriş ve çıkış gerilimlerini ölçerek ölçüm değerlerinden ortak işaret kazancını hesaplayınız. 4. Devrenin CMRR oranını ölçüm değerlerinden yararlanarak hesaplayınız ve ilgili tabloyu doldurunuz. 5. Şekil.4 deki devre ile yukarıdaki adımları tekrarlayınız. Sorular :. CMRR değerinin büyük olmasının önemi nedir? Açıklayınız.. Akım aynasının CMRR değerine etkisi ne olmuştur? 3. Şekil.4 için bulunan CMRR değerini, Şekil.3 de olduğu gibi akım kaynağı yerine dirençle sağlayabilmek için gerekli V EE gerilimini hesaplayınız. r C 5

Deney : Şekil.3 Şekil.4 6

DENEY SONUÇ SAYFASI Ad Soyadı : Grup No : Numara : Amaç : Şekil.3 deki devreye ilişkin: Fark Modu Çıkışı Ortak Mod Çıkışı Şekil.4 deki devreye ilişkin: Fark Modu Çıkışı Ortak Mod Çıkışı Şekil.3 Şekil.4 Hesap Ölçüm Hesap Ölçüm V i ve V i (fark modu) V o (fark modu) V i ve V i (ortak mod) V o (ortak mod) A d A c CMRR 7

DENEY : OPAMP LI AKTİF FİLTRE UYGULAMASI Amaç: Butterworth band geçiren filtre yapısının aktif elemanlarla gerçeklenmesi Malzeme Listesi: Opamp: x LM74 Direnç: x 6.8K, x 5K Kapasite: 4x 0nF, x 6.8nF, x 4.7nF Genel Bilgiler: Elektrik devrelerinde çok kullanışlı yapılar olan analog devrelerin başında filtreler gelir. Filtre yapıları elektriksel işaretlerin frekans spektrumlarına biçim vermek amacıyla kullanılan devrelerdir. Pasif R, L, C elemanlarıyla gerçekleştirilen bu devreler aynı zamanda aktif elemanlarla (transistör, opamp vs.) birlikte sadece R veya C elemanları veya bunların her üçünü birden kullanarak da gerçekleştirilebilir. Filtreler elektronik ve haberleşme sistemlerinde oldukça geniş bir uygulama alanı bulmaktadır. Özellikle, sisteme uygulanan frekanslardan yalnızca istenenlerinin geçirilmesi amacıyla kullanılırlar. Gerçeklenen transfer fonksiyonunun frekansla değişimine bağlı olarak alçak geçiren, yüksek geçiren, band geçiren, band söndüren türden filtreler söz konusudur. Kesim frekansı, kalite faktörü, geçirme bandı kazancı ise önemli filtre parametrelerindendir. Pasif filtrelerde direnç, kapasite ve bobin kullanılır. RC filtrelerinde transfer fonksiyonunun kökleri reel olur. Bu tip filtrelerde değer katsayısının küçük olduğu görülür. Büyük kalite faktörü elde edilmek istendiğinde LC filtreleri kullanmak daha uygun olur. Ancak düşük frekanslarda gerekli bobin indüktanslarının büyük olması gerekeceğinden hem devrenin kapladığı alan hem de maliyet artar. Bu nedenle düşük frekanslarda daha çok aktif filtreler tercih edilir. Aktif filtrelerin en önemli avantajları küçük ve hafif olmalarıdır. Ayrıca güvenirlikleri yüksek, seri üretim nedeniyle ucuz ve küçük boyutları nedeniyle de parazitleri düşüktür. Buna karşın, aktif elemanın sonlu band genişliği nedeniyle erişilebilecek kutup frekansları sınırlıdır. Ayrıca filtre karakteristiğinin keskinliğini belirleyen kalite faktörü ile kutup frekansı ters orantılıdır. Dolayısıyla optimum bir çözümün bulunması söz konusudur. Bunun dışında aktif filtrelerde, karakteristiklerinin eleman değerlerindeki değişimlere duyarlığı daha yüksektir ve aktif eleman nedeniyle ayrıca bir besleme devresi gerektirirler. 8

Filtre Karakteristikleri ) Alçak Geçiren Filtre Karakteristikleri: Alçak geçiren filtre yapısında 0 Hz ile kesim frekansı (f H ) arasında sabit bir kazanç vardır (genellikle birim kazanç). Kesim frekansında, alçak frekans kazancı 3dB azalır. 0 Hz ile kesim frekansı (f H ) arasındaki frekanslar band geçirme frekansı, f H dan büyük frekanslar ise band söndürme frekansıdır. Band söndürme frekansında kazanç oldukça azalır. Şekil. Alçak Geçiren Filtre Karakteristikleri a) ideal filtre b) pratik filtre )Yüksek Geçiren Filtre Karakteristikleri: Yüksek geçiren filtre yapısında kesim frekansından (f L ) daha büyük frekanslarda sabit bir kazanç vardır (genellikle birim kazanç). Kesim frekansında, yüksek frekans kazancı 3dB azalır. 0 Hz ile kesim frekansı (f L ) arasındaki frekanslar band söndürme frekansı, f L den büyük frekanslar ise band geçirme frekansıdır. Band söndürme frekansında kazanç oldukça azalır. Şekil. Yüksek Geçiren Filtre Karakteristikleri a) ideal filtre b) pratik filtre 9

3)Band Geçiren Filtre Karakteristikleri: Band geçiren filtre, sadece belirli frekans aralığını geçirir, diğerlerini söndürür. Band geçirme aralığı, kesim frekansları (f H, f L ) arasında kalan bölgeyi ifade eder. Filtrenin band genişliği (f H - f L ) olarak ifade edilir. Filtre Transfer Fonksiyonları Şekil.3 Band Geçiren Filtre Karakteristikleri a) ideal filtre b) pratik filtre ) Alçak Geçiren Filtre : İkinci derece bir alçak geçiren filtrenin genel ifadeyle transfer fonksiyonu aşağıda verilmiştir. K G() s = + a s / ω + a s ω ( ) ( ) c / c Burada K= filtrenin d.c. kazancı, ω c devrenin kesim frekansını ifade eder. Şekilde verilen alçak geçiren filtrenin analizi yapılıp, transfer fonksiyonu devre elemanlarına bağlı olarak elde edilmiştir. v v 0 () s Şekil.4 İkinci Derece Alçak Geçiren Filtre K = + s R [ C ( R + R ) + ( K) CR ] s CCR i + Butterworth filtre için a = ve a = ζ ω = C R + R ( K ) CR c ζ = (Eşitlik.3) C C R R C R R C R 0

) Yüksek Geçiren Filtre : İkinci derece bir yüksek geçiren filtrenin genel ifadeyle transfer fonksiyonu aşağıda verilmiştir. K () ( s / ωc ) G s = + ζ ( s / ω ) ( / ) c + s ωc Yüksek geçiren filtre devresi Şekil.4 deki alçak geçiren filtre devresinin direnç ve kapasite devre elemanlarının yerlerinin değişimiyle elde edilir. 3) Band Geçiren Filtre : İkinci derece bir band geçiren filtrenin genel ifadeyle transfer fonksiyonu aşağıda verilmiştir. G () s K = + ζ Bu ifadede G () s ζ ( s / ωn ) ( s / ω ) + ( s / ω ) n ω n :merkez frekansı n ( s / ω ) ( K / Q) n = s s + + Q ωn ωn Bu ifadede Q = kalite faktörü = / ζ = ω / ω n ω band geçiren filtrenin band genişliğini ( ωh ωl ) ifade eder. Filtre Tasarım Kriterleri Şekil.5 İkinci Derece Band Geçiren Filtre )Kazanç (Band-pass gain): Aktif filtreler kullanılarak den yüksek kazanç elde etmek mümkündür. Birçok aktif filtre yapısı filtrenin kazancını belirleyen kazanç katsayısı içerirler. Düz band geçirme kazancına sahip filtreler sıklıkla kullanılır. Bu karakteristiğe sahip filtreler, Butterworth filtre olarak adlandırılır. Diğer bir sınıf olan Chebyshev filtreler ise band geçirme kazancında dalgalanmaya (ripple, overshoot) sebep olurlar.

Şekil.6 Butterworth vs. Chebyshev ) Kesim frekansları (Cut-off frequencies): Kesim frekansları (f H, f L ) filtre devresindeki kapasite ve direnç değerleri ile belirlenir. 3) Frekans eğrisinin düşme eğimi (Roll-off rate): Frekans eğrisinin düşme eğimi, filtre kazancının band söndürme bölgesindeki değişim oranıdır. Bu oranın yüksek olması, frekans seçimini iyileştirmesini sağlar. Şekil.4 te de görüldüğü üzere Chebyshev filtre yapısında bu oran Butterworth filtre yapısına göre daha yüksektir. Frekans eğrisinin düşme eğimini, filtrenin derecesi belirler. Örneğin,. derece filtrede 0dB/decade değerinde bir eğim varken,.derece bir filtrede bu değer 40dB/decade olur. 4) Kalite Faktörü (Quality Factor): Band geçiren filtreler için Q (kalite faktörü), merkez frekansın (f C ), band genişliğine (f H - f L ) oranıdır. f m Q = f f Alçak geçiren ve yüksek geçiren filtreler için Q, kutup kalitesini gösterir. Yüksek kalite a Q = a faktörleri grafiksel olarak 0 db çizgisi ile filtrenin kazanç cevabının tepe noktası arasındaki mesafe olarak gösterilebilir. Q en düşük olarak seçilir.

Şekil.7 0. derece alçak geçiren Chebyshev filtre üzerinde kalite faktörünün (Q) grafiksel gösterimi.derece Alçak Geçiren Filtre Analizi Şekil.8. derece alçak geçiren Butterworth Filtre Şekil.8 te RC devresi gerilim bölücü olarak davranır ve böylece işlemsel kuvvetlendiricinin evirmeyen girişteki gerilim değeri + jx c v = vi R jx c olarak hesaplanır. Burada j = ve jx c = dir. Eşitlik yeniden düzenlenirse: j π fc + vi v = + jπfrc 3

Evirmeyen kuvvetlendiricinin çıkış bağıntısı kazanç ifadesi kolaylıkla hesaplanabilir. v o R R = + v v R R F = + F + olarak verildiğinden v o R + = F R + j π v frc i v v = + AF j f / f ( ) i H 0 f H = πrc f H : Filtrenin yüksek kesim frekansı f: Giriş işaretinin frekansı A F = + (R F /R ): Filtrenin band geçirme kazancı Kazancın büyüklüğü ve faz açısı eşitlikleri : Alçak geçiren filtrenin çalışması özetlenecek olursa: vo ) Çok alçak frekanslarda (f < f H ), AF v vo ) Kesim frekansında (f = f H ), 0.707AF v vo 3) Yüksek frekanslarda (f > f H ), < AF v i i i R ve C değerlerini seçerken dikkat edilecek noktalar: * Küçük kapasite değerleri daha iyidir çünkü daha düşük parazitik etki gösterirler. Parazitik etkiler yüksek frekanstaki performansı etkiler. * Belli bir kesim frekansı değeri için düşük kapasite değerleri yüksek direnç gerektirir; bu da düşük güç tüketimi sağlamaya yardımcı olur. (V /R) * Direnç değerleri, kabul edilebilir güç tüketimi için -00 kω mertebesinde olmalıdır. * Kapasite değerleri de µf dan küçük seçilmelidir. (Örneğin C = 0.0 µf ) Deney Öncesi Çalışmalar: Deneye gelmeden önce LM74 kataloğunu inceleyip, entegrenin bacak bağlantılarını not ediniz. Şekil.9 da verilen devrenin SPICE programı kullanılarak aşağıda istenen simülasyonlarını gerçekleyiniz. ) AC analiz yapılarak filtrenin merkez frekansını, band genişliğini ve maksimum çıkış genliğini simülasyon çıktısı üzerinde gösteriniz. ) Devrenin faz diyagramını çizdiriniz. 4

Deneyde Yapılacaklar:. Şekil.9 da verilen devreyi kurunuz.. Devrenin girişine Vin p-p =0mV uygulayınız. Devredeki Opamp lar için besleme gerilimleri ±V dur. 3. Devrenin merkez frekansını, alt ve üst kesim frekansını bulunuz. Giriş işaretinin frekansını tabloda verilen değerlere göre ayarlayınız. Osiloskop ekranında gözlemlediğiniz değerlere göre Tablo i doldurunuz. 4. Elde ettiğiniz değerlere göre kazanç(db)-frekans eğrisini çiziniz. Şekil.9 4. derece band geçiren filtre Sorular. Pasif ve aktif filtre devrelerinin birbirlerine göre avantaj ve dezavantajlarını sıralayınız.. Endüktans elemanının özelliklerini sıralayarak devre içinde kullanımının avantajları ve dezavantajlarını belirtiniz. 3. Alçak geçiren filtre devrelerinin uygulama alanlarını araştırınız. 4. Band geçiren filtre devrelerinin uygulama alanlarını araştırınız. 5. Band söndüren filtre devrelerinin uygulama alanlarını araştırınız. 6. Yüksek dereceli alçak geçiren elde etmek için daha düşük dereceli alçak geçiren filtreler nasıl bağlanabilir? 7. Alçak geçiren filtre kullanarak band geçiren filtre elde etmek için ne yapılmalıdır, açıklayınız. 8. İdeal bir Opamp ın giriş ve çıkış dirençleri nedir? 9. Opamp kullanarak integratör ve türev alıcı yapıları tasarlayınız. Transfer fonksiyonlarını belirtiniz. 5

DENEY SONUÇ SAYFASI Ad Soyadı : Grup No : Numara : Amaç : 0.8f L f L f C f H 0.8f H Frekans (Hz) Tablo. Vo p-p Av Av (db) Şekil.0 Band geçiren filtre devresinin kazanç-frekans eğrisi YORUM: 6

DENEY 3 : GÜÇ KUVVETLENDİRİCİLERİ Amaç : A, B, AB sınıfı kuvvetlendiricilerin incelenmesi ve gerçeklenmesi. Malzeme Listesi : Transistör : xbc37, xdb35, xbd36 Diyot : xn400 Direnç : x0kω, x0kω, x,5kω, x4ω, 4x0Ω (/watt), x,kω, x,kω Kondansatör : xµf, x4.7µf Genel Bilgiler: Güç kuvvetlendiricisi, besleme kaynaklarından çektiği gücün bir kısmını giriş işareti biçiminde veya bu işaretin bir parçası olarak yüke aktarır. Besleme kaynaklarından çekilen gücün tümü, devrede oluşan kayıplar nedeniyle, yüke aktarılamaz. Besleme kaynağından çekilen DC güç P K (besleme kaynağından çekilen AC güç genelde ihmal edilecek kadar düşüktür), yüke aktarılan güç P L ve transistörde veya diğer elemanlarda ısıya dönüşerek çevreye aktarılan güç (disipasyon gücü) P D ile gösterilecek olursa; P K = P D + P L T V P = V i t dt = i t dt K () () K K K K T T 0 0 T P = v () t i () t dt L L L T 0 T Kuvvetlendirici içinde harcanan güç P D temelde transistörde ısıya dönüşen gücü ifade eder: T P v () t i () t dt D CE C T 0 Yükselteç belli bir DC çalışma noktasında bir AC işaretle sürüldüğünde yükselteç çıkışında v(t) = V Q + v AC (t) ve I(t) = I Q + i AC (t) şeklinde (v AC (t) ve i AC (t) ortalaması sıfır olan periyodik işaretlerdir) hem DC hem AC bileşene sahip akım ve gerilimler oluşur. Buna dayanarak güç ifadesini tekrar yazalım: T P ( VQ vac () t )( IQ iac () t ) dt VQ IQ vac () t iac () t dt T + + = + { T 0 0 DC guc 4444443 AC guc O halde temel bir yükselteç devresi için: T P K = P D + P L = P CC T P = P = V i t dt = V I + i coswt dt P T () ( ) K CC CC K CC CQ Cm T T 0 0 K = V I CC CQ 7

T T L = LDC + LAC = C() L ( CQ Cm ) L T = T + 0 0 P P P i t R dt I i coswt R dt PL = ICQ RL + icmrl 3 443 yukte harcanan DC guc yukte harcanan AC guc T T T P = v () t i () t dt = V i () t dt i () t R dt 3 44443 44443 D CE C CC C C L T T T 0 0 0 VCC icrl kaynakgucu yukte harcanan guc P = V I I R + i R D CC CQ CQ L Cm L Kaynaktan çekilen gücün ne kadarının yüke aktarıldığını gösteren verim η ise: yukte harcanan AC guc η= biçiminde tanımlanır. kaynak gucu Verim daima den küçük olan boyutsuz bir büyüklüktür. Transistörde yüke aktarılabilecek güç, transistörün dayanabileceği akım (I CM ), gerilim (V CEM ) ve güç (P M ) değerleri ile sınırlanmıştır. Transistörün I C, V CE ve P DDC (transistörde harcanan DC güç) değerlerinin bu sınırları aşmaması gerekir. Güç kuvvetlendiricisi tasarımı yapılırken bu sınırlar akılda tutulmalıdır. Yani: I CM I CQ, V CEM V CC ve P DDC = V CEQ.I CQ P M olmalıdır. Güç kuvvetlendiricileri, girişteki sinüzoidal işarete karşılık transistör üzerinden akan akımın (θ) akış açışına bağlı olarak farklı sınıflara ayrılırlar. Bu sınıflar A,B,C,AB gibi harflerle gösterilmektedir. A SINIFI GÜÇ KUVVETLENDİRİCİLERİ En basit A sınıfı bir güç kuvvetlendiricisi Şekil 3. de görülmektedir. Şekil 3. Temel A sınıfı güç kuvvetlendiricisi 8

Şekil 3. Q çalışma noktası ve statik ve dinamik yük doğruları Çıkışta maksimum simetrik kırpılmasız gerilim dalgalanması elde edilecek şekilde seçilen çalışma noktası optimum çalışma noktası veya maksimum dinamik olarak adlandırılır (Şekil 3.). Kırpılmasız maksimum çıkış gerilim salınımı elde etmek için çalışma noktası Q şu şekilde seçilmelidir: I CQ = R DC VCC + R AC R DC : devrenin DC yük direnci R AC : devrenin AC yük direnci Yukarıdaki devrede R DC = R AC = R L olduğundan VCEQ = VCC ICQRL = VCC olur. I V CC CQ = ve bu çalışma noktasındaki V CE gerilimi R L Devrenin AC yük hattı ve DC yük hattı aynı olduğundan, AC çalışma noktası da aynı doğru üzerinde oynayacaktır. AC giriş işareti sıfır iken, transistör Q çalışma noktasındadır ve AC çıkış sıfırdır. AC giriş işareti artarken transistörün kolektör akımı artar ve kolektör emetör gerilimi azalır. Kolektör akımı I CQ olan maksimum değerine ulaştığında kolektör emetör gerilimi sıfır olur (bu durum transistörün kolektör emetör doyma geriliminin ihmal edildi ideal şartlarda geçerlidir). Sonuç olarak AC giriş işareti pozitif iken kolektör akımının AC bileşeni de pozitiftir, ancak yük üzerindeki çıkış geriliminin AC bileşeni negatiftir. Diğer bir deyişle giriş ve çıkış işaretleri arasında 80 faz farkı vardır. Giriş işareti negatif iken kolektör akımı azalır ve dolayısıyla kolektör emetör gerilimi artar. Bu durum kolektör akımı sıfır olana kadar devam eder ve bu durumda kolektör emetör gerilimi V CC olur. Dolayısıyla toplam I C ve V CE için: I C(t) = ICQ + i Cm.sinwt { 443 I I = i (t) CDC CAC c V CE (t) = VCC + v CEm.sinwt { 443 yazılabilir. V VCE AC= v ce(t) CE DC 9

Burada i Cm alternatif kolektör akımın genliği olan değeri 0 ile I CQ arasında değer alabilir. Benzer şekilde v CEm değeri de 0 ile V CC arasında değer alabilir. Transistörün anlık güç kaybı (baz akımından dolayı gelen bileşen ihmal edilerek) P(t) D = ICQVCC vcemi Cm.sin wt VCC Optimum çalışma noktası i = I = ve v = V RL P(t) D = I CQVCC VCCI CQ.sin wt Cm CQ CEm CC için Buradaki birinci terim I CQ V CC çalışma noktasında girişte bir işaret yokken oluşan güç kaybıdır. İkinci terim V CC I CQ.sin wt ise giriş işaretinden kaynaklanan güç kaybıdır. Bu terimin önündeki eksi işareti de vurgulamaktadır ki transistör Q noktasında çalışırken maksimum güç harcamaktadır. Dolayısıyla kuvvetlendirici için uygun transistör seçerken DC güç kaybına göre seçim yapılmalıdır. Giriş işaretinin varolduğu tüm diğer zamanlarda transistör daha az güç harcamaktadır. Şekil 3.3 de transistörün anlık güç kaybı görülmektedir. Şekil 3.3 Transistörde harcanan anlık gücün zamana bağlı değişimi Sin wt fonksiyonunun ortalama değeri ½ olduğundan, transistörde harcanan ortalama güç P = I V 4 D ORT CQ CC yüke aktarılan anlık güç 0

P L(t) = PK P D(t) = VCCICQ ICQVCC VCCI CQ.sin wt = ICQVCC+ VCCI CQ.sin wt I V CC CQ = yazarak Yüke aktarılan maksimum AC güç R L P = I V 4 LAC CQ CC Kaynaktan çekilen güç ise PK = ICQVCC Dolayısıyla A sınıfı bir güç kuvvetlendiricisinin maksimum verimi PLAC η= = = %5 P 4 K Güç ifadelerinin kolektör akımının AC genliğine göre değişimi Şekil 3.4 de görülmektedir. Şekil 3.4 A sınıfı güç kuvvetlendiricisinde güç ifadelerinin kolektör akımı genliğine göre değişimi B SINIFI GÜÇ KUVVETLENDİRİCİLERİ A sınıfı kuvvetlendiricinin temel dezavantajı Q noktasında maksimum güç harcamasıdır. Kuvvetlendirici girişte işaret yokken de güç harcamaktadır. Transistörü kesime sürerek güç tüketimi azaltılabilir. Kesim noktasında transistörde düşen gerilim maksimum değerinde, transistörden akan akım ise minimum değerindedir. Bir kuvvetlendirici kesimde kutuplandığında B sınıfı kuvvetlendirici olarak adlandırılır. En basit B sınıfı bir kuvvetlendirici Şekil 3.5 de görülmektedir.

Şekil 3.5 Temel B sınıfı güç kuvvetlendiricisi Bu devrede giriş gerilimi pozitif iken V BE gerilimin aşana kadar transistör iletime geçmez. Giriş gerilimi V BE yi geçtiğinde transistör iletime geçer ve çıkış gerilimi V IN V BE olur. Giriş gerilimi artarken çıkış gerilimi ve kolektör akımı da artar ve bu durum transistör doymaya girene kadar devam eder. Transistörün kolektör emetör doyma gerilimi V CESAT olmak üzere optimum çalışma noktasında yükte düşen maksimum gerilim v CEm = V OMAX = V CC V CESAT olur. Bu çıkış gerilimine karşı düşen giriş gerilimi ise VIN MAX = VCC + VBE VCESAT olur. Giriş geriliminin değeri bu değeri aştığında çıkış gerilimi V OMAX değerinde kırpılır. B sınıfı kuvvetlendiricinin giriş gerilim değişimine karşı çıkış gerilimi değişimi (transfer karakteristiği) Şekil 3.6 da verilmiştir. Optimum çalışma noktasında kolektör akımı: i Cm V V V = ILMAX = = R R Şekil 3.6 B sınıfı kuvvetlendiricinin transfer karakteristiği OMAX CC CESAT L L Hesaplamaları kolaylaştırmak açısından şimdilik transistörün giriş gerilimi sıfırdan büyük olduğu andan itibaren iletmeye başladığını varsayalım. Bu kabul altında maksimum çıkış gerilimi genliği v CEm = V CC, maksimum AC çıkış akımı genliği i Cm = V CC /R L olur. Giriş işaretinin negatif alternansı boyunca çıkış geriliminin sıfır olduğuna dikkat ediniz (Şekil 3.7).

Bu devrede DC gerilim kaynağı Q noktasında herhangi bir akım akıtmamaktadır. Dolayısıyla Q noktasında kaynaktan DC güç çekilmemektedir, aynı zamanda giriş işaretinin negatif yarı periyodunda da kaynaktan güç çekilmemektedir. Transistörde harcanan güç giriş işareti negatif veya sıfır olduğu sürece sıfırdır. Şekil 3.7 İdeal B sınıfı kuvvetlendiricinin yük doğrusu ve alternatif çıkış akım gerilimleri B sınıfı kuvvetlendiricilerin verimi yukarıda görüldüğü gibi A sınıfı kuvvetlendiriciden daha yüksektir ancak giriş işaretinin yarı periyodu kuvvetlendirildiğinden distorsiyonu yüksektir. Giriş işaretinin tümünü kuvvetlendirmek için komplementer simetrik (eş özellikte npn ve pnp) transistörler kullanılarak push-pull kuvvetlendirici denen devreler oluşturulmuştur (Şekil 3.8). Şekil 3.8 Push pull B sınıfı kuvvetlendirici Giriş işareti pozitif iken npn transistör iletimde, pnp transistör kesimdedir ve çıkış gerilimi pozitiftir. Npn transistör pozitif yarı periyot boyunca yük direncine akım basar (push). 3

Çıkış gerilimi ise V O = V IN - V BE dir. Çıkış geriliminin maksimum değeri npn transistör kesime girdiği anda oluşur. Bu noktada V OMAX = V CC V CESAT ve bu durumdaki giriş gerilimi VIN MAX = VCC + VBE VCESAT olur. Yukarıda da belirtildiği gibi Q transistörü giriş gerilimi V BE değerine ulaşmadan iletime geçmeyecektir. Bu da geçiş (crossover) distorsiyonu veya ölübant olarak bilinen B sınıfı kuvvetlendiricilerin doğasında varolan bir dezavantajdır. Şekil 3.9 da B sınıfı kuvvetlendiricinin transfer karakteristiği, Şekil 3.0 da da buna bağlı olarak oluşan geçiş distorsiyonu gösterilmektedir. Giriş gerilimi V BE nin altına düştüğünde npn transistör kesime girer. Giriş gerilimi V BE ile V BE arasındayken her iki transistör de kesimdedir. Bu bölge geçiş distorsiyonu bölgesi olarak adlandırılır. Giriş gerilimi V BE nin altına düştüğünde ise Q iletime geçer ve yükten akım çeker (pull). Bu nedenle bu devre push pull olarak adlandırılır. Pnp transistör iletime geçtiğinde npn transistör kesimdedir ve çıkış gerilimi negatiftir. Pnp transistörün doyma gerilimi çıkış geriliminin minimum değerini belirler. Komplementer simetrik transistörler kullanılırsa her iki transistörün doyma gerilimleri birbirine eşit olur (V CESATnpn = V ECSATpnp ). Dolayısıyla çıkış geriliminin minimum değeri VOMIN = VCC + VECSAT, bu değere karşı düşen giriş gerilimi de V IN MIN = V CC V EB + V ECSAT olur (NOT: pnp transistör için V EB ve V ECSAT değerleri pozitiftir, V BE ve V CESAT olarak da formülde yer alabilirlerdi o zaman işaretleri negatif olurdu). Giriş geriliminin V IN MIN V IN MAX aralığının dışında değerler alması durumunda çıkış gerilimi maksimum veya minimum değerinde kırpılacaktır. Şekil 3.9 Push pull B sınıfı kuvvetlendiricinin transfer karakteristiği 4

Şekil 3.0 Push pull B sınıfı güç kuvvetlendiricisinde geçiş distorsiyonu Çıkış geriliminin maksimum dalgalanabileceği değer yukarıda da belirtildiği gibi VO MAX = VCC VCESAT = VCC + VECSAT Her bir transistörden geçen maksimum ve ortalama akım sırasıyla: VOMAX IOMAX = R L π VOMAX OORT = OMAX = OMAX = π (Sinusoidal işaret yarı periyot boyunca varolduğundan π π R 0 L I I sinwtdt I ortalaması sıfır değildir) Çıkış akımı tam dalga doğrultulduğundan bu akımın efektif değeri I OEF = V OMAX R L Optimum çalışma noktası sağladığı güç V i = I = ve v = V V CC Cm CQ CEm CC CESAT R L için kaynak gerilimlerinin toplamda VOMAX V PK = VCCIOORT = VCC (Her bir kaynağın sağladığı güç V CC π R L π R Optimum çalışma noktasında transistörlerin yüke aktardığı toplam güç VOMAX V PL = IOEF RL = (Her bir transistörün aktardığı güç R 4 R L OMAX L OMAX L ) ) 5

Optimum çalışma noktasında B sınıfı push pull güç kuvvetlendiricisinin verimi: P π V P 4 V LAC η= = K π VCC V η= 4 V CC OMAX CC CESAT V CESAT değeri V CC yanında ihmal edilirse B sınıfı güç kuvvetlendiricisinin maksimum verimi π V 4V CC η= = olur. CC %78.5 Her bir transistörde harcanan güç ise VOMAX V PD = PK PL = VCC π RL 4 R PD = V CCIOMAX RLIOMAX π 4 OMAX L veya çıkış akımı cinsinden Çıkış akımının hangi değeri için transistörde harcanan gücün maksimum olduğunu bulmak için yukarıdaki denklemin türevi alınıp sıfıra eşitlenirse P D değerini maksimum yapan akım VCC IOMAX = bulunur. π R L Bu akım değerinde transistörde harcanan maksimum güç ise V CC V CC VCC DMAX = CC L = = CC CQ π π RL 4 π RL π RL π P V R V I Yani sonuç olarak B sınıfı güç kuvvetlendiricisi için transistörlerde maksimum güç harcanan nokta maksimum verim elde edilen (yüke maksimum güç aktarılan) nokta değildir. VCC Maksimum verimin elde edildiği kolektör akımı değeri iken transistörde maksimum gücün R L VCC harcandığı kolektör akımı değeri dir. B sınıfı güç kuvvetlendiricisinde transistörde π R L harcanan gücün ve yüke aktarılan gücün çıkış akımı genliğine göre değişimi Şekil 3. de verilmiştir. Kuvvetlendirici devresi tasarlarken ilgili transistörlerin seçiminde bu noktaya dikkat edilmelidir. 6

Şekil 3. B sınıfı güç kuvvetlendiricisinde güç ifadelerinin kollektör akımı genliğine göre değişimi B sınıfı push pull güç kuvvetlendiricisinin geçiş distorsiyonu transistörleri uygun besleme gerilimleri ile sürerek engellenebilir. Şekilde geçiş distorsiyonu düzeltilmiş bir güç kuvvetlendiricisi görülmektedir. Burada temel olarak D in fiziksel özellikleri npn transistörün BE jonksiyonu ile aynı özellikte, D diyotunun fiziksel özellikleri de pnp transistörün EB jonksiyonu ile aynı özellikte seçilir. İletimde kutuplanan bu diyotların üzerinde düşecek eşik gerilimleri (fiziksel özellikleri aynı olduğundan) transistörlerin iletime geçmesi için gereken V BE ve V EB gerilimlerini sağlayacaktır. Böylece giriş işareti pozitif alternansa geçer geçmez Q ve negatif alternansa geçer geçmez Q iletime geçecek ve geçiş distorsiyonları kaybolacaktır. Şekil 3. Geçiş distorsiyonu düzeltilmiş push pull B sınıfı güç kuvvetlendiricisi 7

AB SINIFI GÜÇ KUVVETLENDİRİCİSİ AB sınıfı bir güç kuvvetlendiricisinin çalışma noktası kesim noktasından biraz yukarıda olacak şekilde seçilir (80 den daha fazla iletim). A sınıfı güç kuvvetlendiricisi düşük distorsiyonludur, B sınıfı güç kuvvetlendiricisini ise verimi daha yüksektir. AB sınıfı güç kuvvetlendirici bu iki uç arasında yer alır. Geçiş distorsiyonunun önemli olmadığı çalışmalarda B sınıfı güç kuvvetlendiricileri sorunsuz çalışır. Ancak ses frekans güç kuvvetlendiricileri söz konusu olunca geçiş distorsiyonunun ortadan kaldırılması gerekir. Geçiş distorsiyonunu ortadan kaldırmak için sükunet halinde çıkış transistörlerinden bir miktar akım akıtılmasına göz yumulur. Böyle olunca çalışma noktası A ile B sınıfı arasında bir yerdedir. Çalışma noktasında akan bu akımın değeri, çıkış katının maksimum akım değerinin %0 undan büyük değildir. C SINIFI GÜÇ KUVVETLENDİRİCİSİ C sınıfı bir güç kuvvetlendiricisinin çalışma noktası kolektör akımı giriş işaretinin pozitif yarı periyodundan daha az bir süre boyunca var olacak şekilde seçilir (80 den daha az iletim). Dolayısıyla C sınıfı güç kuvvetlendiricisinin distorsiyonu yüksektir. Ancak daha yüksek giriş işaretleri kullanılabilir. C sınıfı güç kuvvetlendiricileri B sınıfına oranla daha yüksek güç verimi sağlarlar. Çıkış dalga şekli Fourier serileri ile analiz edilirse çıkışta temel frekans bileşeninin yanı sıra yüksek dereceli harmoniklerinin de bulunduğu gözlenir. Bu tip devreler yüksek çıkış gücü gerektiren radyo frekans devrelerinde kullanılırlar. Yüksek dereceden harmonikler ise rezonans devreleri kullanılarak süzülebilir. 8

Deney Öncesi Yapılacaklar : 4. Deneyde kuracağınız devrelerin verilen kutuplama şartlarında (yani bu direnç ve besleme gerilimleriyle oluşacak çalışma noktasında) maksimum güç kazancını hesaplayınız. 5. Şekil 3.4 deki devrenin SPICE simulasyonunu yapınız. V i = V.sin(π.0 3.t) ve V i = V.sin(π.0 3.t) için V o çıkış gerilimini çizdiriniz. Deneyde Yapılacaklar :. Şekil 3.3 deki A sınıfı kuvvetlendirici devresini kurunuz ve çalıştırınız. Bu devreyi çalıştırırken devrenin girişine f = khz lik 0mV genlikli bir gerilim uygulayınız. Giriş ve çıkış işaretlerini çiziniz.. Devrenin kazancını ve çıkışta bozulma olmadan girişe uygulayabileceğiniz maksimum giriş işareti genliğini tespit ediniz ve sonuç sayfasındaki tabloya yazınız. 3. Kırpılmasız maksimum çıkış genliğindeki çıkış akımını hesaplayınız ve sonuç sayfasındaki tabloya yazınız. 4. Devrenin verimini ölçülen değerlerden hesaplayınız ve sonuç sayfasındaki tabloya yazınız. 5. Şekil 3.4 deki eşlenik transistörlü Push-Pull B sınıfı kuvvetlendiriciyi çalıştırınız. Devre girişine f = khz lik V genlikli bir gerilim uygulayınız. 6. Giriş ve çıkış işaretlerini alt alta çiziniz. 7. Maksimum çıkış gerilimi değeri için devrenin verimini ölçülen değerlerden yararlanarak hesaplayınız ve tabloya yazınız. 8. Geçiş distorsiyonu düzeltilmiş AB sınıfı Push-Pull kuvvetlendirici DC kutuplama devresi ile birlikte gerçeklenecektir. (Şekil 3.5) Giriş ve çıkış işaretlerini alt alta çiziniz. 9. Devrenin verimini ölçülen değerlerden hesaplayınız ve tabloyu doldurunuz. Sorular:. Güç kuvvetlendirici devreleri temelde ne işe yarar ve nerelerde kullanılır?. Güç kuvvetlendiricilerin sınıflandırılması neye göre yapılır ve kaç çeşit güç kuvvetlendiricisi vardır? 3. Bir güç kuvvetlendiricisinin verimini tanımlayınız. 4. Maksimum akım sınırı 500mA; maksimum dayanma gerilimi 40V; V CESAT = 0.5V ve β = 00 değerleri ile verilen bir transistör kullanarak 00Ω yük direncine 0.5W güç sağlayan bir A sınıfı güç kuvvetlendiricisi tasarlayınız. 5. Şekil 3.8 deki gibi B sınıfı bir güç kuvvetlendiricisi verilmektedir. Devrenin yük direnci 00Ω ve besleme gerilimleri ±5V dur. Transistörlerin V CESAT değerleri 0.5V olduğuna göre yüke aktarılabilecek maksimum gücü hesaplayınız. (V BE = 0; β çok büyük ve çıkış gerilimi tam sinüsoidal varsayınız). 9

Deney: Şekil 3.3 Şekil 3.4 Şekil 3.5 30

DENEY 3 SONUÇ SAYFASI Ad Soyadı : Numara : Grup No: Amaç: A sınıfı kuvvetlendiricinin giriş ve çıkış işaretlerini çiziniz....( )...( )...( )...( ) Eşlenik transistörlü Push-Pull B sınıfı kuvvetlendiricinin giriş ve çıkış işaretlerini çiziniz....( )...( )...( )...( ) Geçiş distorsiyonu düzeltilmiş AB sınıfı Push-Pull kuvvetlendirici devresi giriş ve çıkış işaretlerini çiziniz....( )...( )...( )...( ) A sınıfı B sınıfı AB sınıfı Kırpılmasız maksimum çıkış gerilimi Yük akımı Maksimum verim 3

DENEY 4 : GERİBESLEMELİ KUVVETLENDİRİCİLER Amaç : Geribeslemeli kuvvetlendirici devre yapısını ve çalışmasını deney yoluyla öğrenmek. Geribeslemenin kuvvetlendiriciler üzerindeki etkilerinin incelemek. Malzeme Listesi : Transistör: xbc08 Kondansatör : xµf, x0µf Direnç : x80kω, x7kω, x0kω, xkω, x70ω, x3.9kω, x5.6kω Geribesleme devresi için; x.µf kondansatör ve x560ω, x0kω, x00kω dirençler Geribeslemeli devreler elektronikte oldukça geniş bir kullanım alanı olan bir konudur. Bir elektronik devrede, çıkıştan alınan işaretin bir örneğinin aynı fazda veya zıt fazda girişe aktarıldığı devrelere Geribeslemeli Devreler diyoruz. Giriş işaretine zıt fazda gelen işarete dayalı devrelere negatif geribesleme devreleri, işleme negatif geribesleme, giriş işaretine eş fazda gelen işarete dayalı devrelere pozitif geribesleme devreleri, işleme pozitif geribesleme denir. Geribeslemeli sistemin genel blok diyagramı Şekil 4. de görülmektedir. Vs giriş sinyali, bir karıştırma devresine uygulanır ve bu arada βv o geribesleme sinyali ile birleştirilir. Bu sinyallerin farkı olan V i, daha sonra yükseltece giriş gerilimi olarak uygulanır. Yükselteç çıkışının bir kısmı, giriş karıştırıcı devresine geribesleme sinyalini uygulayan geri besleme devresine (β) bağlanır. Geribeslemeli sisteme ilişkin transfer fonksiyonu: Şekil 4. Geribeslemeli sistemin genel blok diyagramı A A o f = + β Ao Burada A o, geribeslemesiz kuvvetlendirici devresinin kazancı olup aynı zamanda açık çevrim kazancı olarak da ifade edilir. A f ise Geribeslemeli kuvvetlendirici devresinin kazancıdır. Transfer fonksiyonunda yer alan βa o (βa o : Döngü Kazancı) büyüklüğüne bağlı olarak sistemden elde edilen performans farklılık gösterir. Transfer fonksiyonuna göre eşitliğin paydasındaki βa o terimi incelenecek olursa; βa o = 0 ise sistemde geribesleme yoktur. βa o > 0 ise sistemde negatif geri besleme vardır. βa o < 0 ise sistemde pozitif geri besleme vardır. βa o = - ise sistem osilasyon yapar. 3

Transfer fonksiyonuna göre döngü kazancı den oldukça büyük olması durumunda (βa o >>) negatif geribeslemeli kuvvetlendirici devresinin kazancı tümüyle açık çevrim kazancından bağımsızdır. Ao βa o >> A f = = βao β Pozitif Geribesleme: A f > A o, transfer fonksiyonundaki paydanın modülü den küçükse pozitif geribesleme söz konusudur. Pozitif geribesleme bazı özel durumlarda (darbe şekillendiriciler, osilatörler, aktif süzgeçler) kullanılır. Elde edilen kazanç geribeslemesiz kuvvetlendiriciden elde edilen kazanca göre yüksektir. Negatif Geribesleme: A f < A o, transfer fonksiyonundaki paydanın modülü den büyükse negatif geribesleme söz konusudur. Negatif geri besleme sistemler üzerinde bazı iyileştirici etkileri olduğundan oldukça sık karşılaşılan bir uygulamadır. Negatif geri besleme ile elde edilen gerilim kazancı, geribeslemesiz gerilim kazancına oranla oldukça düşüktür. Ancak bu kazanç kaybına karşılık yüksek bir giriş empedansı, düşük bir çıkış empedansı, daha kararlı bir kuvvetlendirici kazancı ve daha yüksek bir kesim frekansı elde etmek mümkündür. Kararlılığın artması ile birlikte aktif devre elemanındaki ısıl değişimler, zamanla parametrelerdeki değişimler ve gürültülerin etkisi azaltılmış olur. Negatif geribeslemeli devrelerin iyileştirici etkileri aşağıda özetlenmiştir. Daha yüksek giriş empedansı elde edilir. (Uygun bir negatif geribesleme topololojisi ile sağlanabilir.) Daha düşük çıkış empedansı elde edilir. (Uygun bir negatif geribesleme topololojisi ile sağlanabilir.) Frekans cevabı daha iyidir. Band-genişliği arttığından daha geniş bir frekans alanında girişin kuvvetlenmesi sağlanır. Geribeslemeli ve geribeslemesiz kuvvetlendiricilerden elde edilen kazanç-frekans karakteristiği Şekil 4. de verilmiştir. Çıkıştaki distorsiyon ve gürültü etkileri negatif geribesleme ile en aza indirilir. (+βa o ) faktörü hem giriş gürültüsünü hem de sonuçta ortaya çıkan doğrusal olmayan bozulmayı önemli ölçüde azaltarak belirgin bir şekilde iyileştirme sağlar. Ancak toplam kazancında azaldığını belirtmek gerekir. Kazancı geribeslemesiz kazanç düzeyine çıkarmak için ilave katların kullanılması halinde, bu ilave katın ve/veya katların sisteme, geribesleme yükseltecinin azalttığı kadar gürültü ekleyebileceği bilinmelidir. Kararlılık artar. Böylece devreden elde edilen kazanç, ısıl değişimlerden ve zamanla parametrelerdeki değişimlerden bağımsız hale gelir. Şekil 4. Geribeslemeli (A f ) ve geribeslemesiz kuvvetlendirici (A o ) kazanç-frekans karakteristiği 33

Geribesleme Bağlantı Türleri Geribesleme sinyalini bağlamanın 4 temel yolu vardır. Hem gerilim hem de akım girişe seri ya da paralel olarak uygulanabilir. Seri-gerilim geribeslemesi Seri-akım geribeslemesi Paralel-gerilim geribeslemesi Paralel-akım geribeslemesi Buna göre gerilim, geribesleme devresine giriş olarak bağlanan çıkış gerilimini, akım, geribesleme devresinden akan çıkış akımını göstermektedir. Seri terimi, geri besleme sinyalinin, giriş sinyal gerilimi ile seri şekilde bağlandığını, paralel terimi ise geri besleme sinyalinin giriş akım kaynağına paralel bağlandığını gösterir. Geribeslemenin Giriş ve Çıkış Empedanslarına Etkisi Seri geribesleme bağlantıları, giriş direncini yükseltme, paralel geribesleme bağlantıları ise giriş direncini düşürme eğilimi gösterir. Gerilim geribeslemesi çıkış empedansını düşürür, akım geribeslemesi ise çıkış empedansını yükseltir. Tipik olarak kaskat bağlı yükselteçlerin çoğunda yüksek giriş ve düşük çıkış empedansı arzu edilir. Geribeslemenin giriş ve çıkış empedanslarına etkisi aşağıdaki tabloda özetlenmiştir. Seri-Gerilim Geribeslemesi Seri-Akım Geribeslemesi Paralel-Gerilim Geribeslemesi Paralel-Akım Geribeslemesi Z i f Z i ( + βa) (artar) ( + ) Z i βa (artar) Z i βa + (azalır) Z i βa + (azalır) Z o f Z o βa + (azalır) ( + ) Z o βa (artar) Z o βa + (azalır) ( + ) Z o βa (artar) Deney Öncesi Yapılacaklar:. Şekil 4.3 deki geribeslemeli kuvvetlendirici devresinin küçük işaret eşdeğer modelini çiziniz (Transistörler h-parametreleri ile modellenecektir).. Bu devrenin açık çevrim kazancı (A o ), döngü kazancı (βa o ) ve geribeslemeli devrenin kazancı (A f ) değerlerini hesaplayınız. 3. Aynı devrenin giriş empedansı (Z i ) ve çıkış empedansını (Z o ) hesaplayınız. 4. Şekil 4.3 deki devrenin SPICE simulasyonunu yapınız. Frekans analizi ile geribeslemesiz (R f - C f den oluşan kol açık devre iken) ve geribeslemeli (R f = 0k ve C f =.µf) devrenin genlik BODE diyagramlarını aynı grafikte üst üste (bunu yapamazsanız ayrı ayrı da olur) çizdiriniz, geribeslemenin kazanca etkisini gösteriniz. 34

Deneyde Yapılacaklar:. Şekil 4.3 deki devreyi kurunuz. Girişe 0KHz frekansında 0mV genlikli sinüsoidal gerilim uygulayınız.. Geribeslemesiz devrenin kazancını gözleyiniz. 3. Geribesleme devresini ekleyiniz. R f nin farklı değerleri için ölçtüğünüz kazanç değerlerini tabloya yazınız. (C f =.µf) Her bir direnç değeri için döngü kazancını (βa 0 ) hesaplayınız. 4. Geribeslemesiz devre ve geribeslemeli (üç farklı direnç değeri ile) devrelerin alt ve üst frekansını deneysel yolla belirleyiniz ve çiziniz. 5. Ölçtüğünüz kazanç değerleri ile hesapladığınız değerleri karşılaştırarak tutarlılığını yorumlayınız. Sorular:. Şekil 4.3 deki devrenin topolojisinden devrenin türünü belirleyiniz.. Negatif ve pozitif geribeslemeli devrelerin uygulama alanlarını belirtiniz. 3. Açık çevrim kazancı A= 00, giriş direnci 0kΩ, çıkış direnci 0 kω olan kuvvetlendirici devresine, geribesleme faktörü β= 0. olan, seri-gerilim geribeslemesi uygulanmıştır. Buna göre geribeslemeli kuvvetlendiricinin gerilim kazancını, giriş ve çıkış empedansını hesaplayınız. 4. Açık çevrim kazancı A o = 000 ve geribesleme faktörü β=/0 olan geribeslemeli kuvvetlendirici devresinin kazancını (A f ) bulunuz. Açık çevrim kazancının, a. A o = 500 e indiğini varsayalım b. A o = 50 ye indiğini varsayalım 5. Her iki durumda geribeslemeli devrenin kazancını (A f ) hesaplayınız. Geribeslemesiz ve geribeslemeli devrenin kazancındaki yüzde değişim oranlarını hesaplayınız ve aşağıdaki tabloyu hesaplamalar doğrultusunda doldurunuz. Deney: Şekil 4.3 35

DENEY 4 SONUÇ SAYFASI Ad Soyadı : Numara : Grup No: Amaç: GB. Direnci (R f ) 560Ω 0KΩ 00KΩ Kazanç (A f ) Döngü Kazancını (βa 0 ) Geribeslemesiz devrenin kazancı Sonuç ve yorumlar : Geribeslemeli devrelerin kazançları 36

DENEY 5 : OSİLATÖR UYGULAMASI AMAÇ: Faz Kaymalı RC Osilatör ve Schmitt Tetikleyicili Karedalga Osilatörün temel çalışma prensipleri MALZEMELER: Güç Kaynağı: VDC, 5VDC Transistör: BC08C veya Muadili Direnç: x3.3k, x5.6k, x6.8k, 4x0K, x0k POT. Kondansatör: 3x0n, xµf, x0µf, x47µf. Entegre: 74HC4 ÖN ÇALIŞMA. BC08C transistörünün katalog bilgilerini inceleyip bacak bağlantılarını ve transistörün DC şartlardaki önemli parametrelerini öğreniniz.. 74HC4 Schmitt Tetikleyici entegresinin katalog bilgilerini inceleyerek max çıkış gerilimi (V OH ), min çıkış gerilimi (V OL ), yüksek eşik gerilimi (V T + ) ve düşük eşik gerilimi (V T - ) değerlerini kaydedin. 3. Şekil 5.3 teki devrenin spice simülasyonunu yaparak devrenin çıkışında osilasyon oluştuğunu gösterin. İzlenecek Yol: Devre başlangıçta osilasyona girmeyip pozitif feedback etkisiyle bir süre sonra osilasyona girecektir. Bütün bu aşamaları gösterecek şekilde çıkış işaretini gösterin. ÖN BİLGİ: 5. Faz Kaymalı RC Osilatör DC gerilimi istenilen frekansta işaretlere dönüştüren devrelere osilatör denir. Osilatörler DC gerilim kaynakları ile beslenirler. Bir osilatör devresi; osilasyonu başlatan rezonans devresi, yükselteç ve geribesleme katlarından oluşmaktadır. Temel osilatör devrelerinden sinüsoidal çıkış alınır. Fakat çıkışlarında kare, üçgen v.b dalga biçimleri elde edilebilen osilatör tasarımı da yapılabilir. Osilatörler; kullanım amaçları ve özelliklerine bağlı olarak çeşitli şekillerde tasarlanabilirler. Osilasyonun başlamasını sağlayan rezonans devreleri genellikle; R-C veya R-L pasif devre elemanlarından oluşur. Aşağıda popüler ve yaygın kullanım alanları bulunan bazı osilatör tipleri sıralanmıştır. Bu osilatör devreleri sırayla incelenecektir. RC Faz kaymalı osilatör Wien Köprü osilatörü Kolpits osilatörü Hartley osilatörü, kristal osilatör v.b Bir osilatör devresinin oluşturulabilmesi için önce tank devresi (rezonans devresi) ve yükselteç devresine gereksinim vardır. Ayrıca osilasyonun sürekliliğini saglamak için yükselteç devresinde pozitif geribesleme yapılmalıdır. Şekil 5. de ortak emetörlü bir yükselteç devresi görülmektedir. Bu yükselteç devresini geliştirerek bir osilatör devresine dönüştürebiliriz. Ortak emetörlü yükselteç devresinde; yükselteç girişine uygulanan işaret ile çıkışından alınan işaret arasında 80 O faz farkı olduğunu biliyoruz. Ortak emetörlü yükselteç devresini bir osilatör haline dönüştürmek için; yükselteç çıkışından alınacak işaretin bir kısmı, pozitif geribesleme ile yükselteç girişine uygulanmalıdır. Bu osilasyonun sürekliliği için gereklidir. Osilasyonun başlaması ile R-C devreleri ile gerçekleştirilir. Osilasyon işlemi için bir kondansatörün şarj ve deşarj süresinden faydalanılır. 37

Şekil 5. Ortak Emetörlü Yükselteç Devresi Yükselteç çıkış gerilimini; girişe geri besleyerek osilasyon elde edebilmek için, çıkış işaretini 80 o faz kaydırmak gerekmektedir. RC faz kaydırmalı osilatör devresinin temel prensibi bu koşula dayanmaktadır. Şekil 5. de RC faz kaydırmalı osilatör devresi verilmiştir. Devre dikkatlice incelendiğinde çıkış işaretinin bir kısmı RC geri besleme elemanları ile girişe geri beslenmiştir. Her bir RC hücresi; çıkış işaretinin bir kısmını 60 0 faz kaydırmaktadır. Çıkış ile giriş arasında 3 adet faz kaydırma devresi kullanılmıştır. Dolayısıyla çıkış işaretinin fazı 80 0 kaydırılarak girişe pozitif geribesleme yapılmıştır. Şekil-5. RC faz kaydırmalı osilatör devresi Her bir RC devresinin 60 0 faz kaydırması istenirse R=R=Rg ve C=C=C3 olarak seçilmelidir. Rg, ortak emetörlü yükseltecin giriş empedansıdır. Giriş empedansının R ve R'ye eşit olması gerekmektedir. Bu koşullar sağlandığı zaman, çıkış işaretinin frekansı aşağıdaki formül yardımı ile bulunur. f = πc 6R + 4RR C 38

Osilasyonların genliği, geri besleme oranına ve yükseltecin kazancına bağlıdır. Geri besleme oranı seri RC devrelerinin toplam empedansına bağlıdır. Bu empedans arttıkça geri besleme oranı düşecek ve çıkış işaretinin (osilasyonun) genliği azalacaktır. Şekil-5.3 RC Faz Kaydırmalı Osilatör Devresi 5. Schmitt Tetikleyicili Karedalga Osilatör Dijital devrelerde, dijital devre elemanlarının hepsinin belirlenmiş bir düzen dahilinde çalışması istenir. Çünkü her devre elemanı görevini zamanın belli bir bölgesinde yapar. Birkaç entegreden oluşan bir sistemi çalıştırdığımızda sistemin düzgün çalışması ancak bu entegrelerin senkron çalışmasıyla mümkündür. Bu senkronizasyon osilatör yardımıyla sağlanır. Osilatör ürettiği karedalga işareti düm dijital devre elemanlarına göndererek senktonizasyonu sağlar. Bir karedalga işareti üretmenin pek çok yolu vardır. Bunlardan bir tanesi evirici (Schmitt Tetikleyici) ile yapılan osilatördür. Burdada Schmitt Tetikleyici çok önemlidir çünkü onun yerine normal bir evirici kullanırsak devre osilasyon yapmayacaktır. Bunun sebebi Schmitt Tetikleyicinin histerizis özelliğidir. 74HC4, içerisinde 6 tane Schmitt özellikli evirici buffer bulunduran Si-gate CMOS entegredir. Schmitt özelliğinden kasdedilen aslında Şekil 5.4 de görülen histerizis özelliğidir. Şekil 5.4 Schmitt Tetikleyici Histerizis Karakteristiği 39

Bir schmitt tetikleyicinin sabit yüksek (High) ve düşük (Low) gerilim seviyeleri ve bunların yanısıra yüksek ve düşük eşik seviyeleri vardır. Şekil 5.4 te V T - ile düşük eşik seviyesi, V T + ile yüksek eşik seviyesi gösterilmiştir. Giriş işareti Low iken çıkış High seviyededir. Giriş arttırılıp yüksek eşik seviyesini geçtiği anda çıkış Low a düşer. Bu anda giriş işareti seviyesi tekrar düşmeye başlarsa çıkış ancak düşük eşik seviyesinin altında tekrar High seviyeye geçecektir. İşte bu özellik, Schmitt tetikleyiciyi normal bir eviriciden ayıran histerizis özelliğidir. Osilatör Devresi Şekil 5.5 de Schmitt Tetikleyici ile yapılan karedalga osilatör devresi görülmektedir. Devrenin çalışması kısaca şöyledir: Başlangıçta yani devreye enerji verildiğinde kondansatörün boş olduğunu varsayalım. A noktası yani tetikleyicinin girişi 0 V olduğundan çıkış yani B noktası 5 V seviyesindedir. Çıkış High seviyede olduğundan buradan kondansatöre doğru akan akım kondansatörü direnç üzerinden şarj etmeye başlar. Kondansatör gerilimi yüksek eşik seviyesi V T + ye ulaştığında çıkış konum değiştirir ve Low seviyeye düşer. Çıkış gerilimi 0 V olduğundan bu kez kondansatörden çıkışa doğru bir akım akar ve kondansatör direnç üzerinden deşarj olmaya başlar. A noktasındaki gerilim V T - düşük eşik seviyesine ulaştığında çıkış tekrar konum değiştirir ve High seviyeye çıkar. Bu noktadan sonra kondansatörün V T + ile V T - arasında sürekli şarj ve deşarj olmasıyla çıkışta karedalga işaret oluşması sağlanır. Osilasyon frekansı : f = = formulüyle hesaplanabilir. T R *C*0.8 Şekil 5.5. Schmitt Tetikleyicili Osilatör Devresi 40