T SKRY ÜNİERSİTESİ TEKNOLOJİ FKÜLTESİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ELM202 ELEKTRONİK-II DERSİ LBORTUR FÖYÜ DENEYİ YPTIRN: DENEYİN DI: DENEY NO: DENEYİ YPNIN DI v SOYDI: SINIFI: OKUL NO: DENEY GRUP NO: DENEY TRİHİ RPOR TESLİM TRİHİ KONTROL DEĞERLENDİRME Ön Çalışma Dny Sonuçları Sözlü Dny Prormansı Dny Raporu TOPLM
Doc.Dr. li Fuat Boz DENEY 0 : TRNSİSTÖRLÜ YÜKSELTEÇLERİN FREKNS NLİZİ MÇ: Birlşim yüzyli transistörlrl yapılan yüksltçlrin alçak v yüksk rkans analizlrini yapmak. TEORİ: Şimdiy kadar gördüğümüz transistörlü yüksltçlrin voltaj kazançları, küçük sinyal analizini kullanarak yaptığımız analiz sonucunda sabit çıkmıştı. Buna rağmn grçkt yüksltçlrin kazancı rkansa bağımlıdır v rkans dğiştikç voltaj kazancıda dğişmktdir. Pki küçük sinyal analizini kullanarak bulduğumuz kazanç, hangi rkanslarda gçrlidir v bu rkans aralığının dışında kazancın dğri n olmaktadır. Bu sorunun cvabı blkid üç aşamada vrilmlidir. Birinci olarak transistörün küçük sinyal kazancı orta(middl) rkans bandı diy tanımladığımız bölgd gçrlidir v bu bant boyunca dğişn rkanstan bağımsız olarak kazanç sabit kalmaktadır. İkinci aşamada transistörün alçak(düşük) rkans aralığında kazancın dğişimini sayabiliriz. İkinci aşama ğr yüksltç giriş v çıkışlarında R v lmanları kullanılıyorsa gçrlidir. Eğr R lmanları kullanılmıyor v transistör(lr) dirkt kuplaj il sinyal jnratörün v yük bağlanıyorsa, alçak rkans bandında da voltaj kazancı küçük sinyal kazancına şit olur. Öt yandan R kuplajlı dvrlrd bulunan lmanının kapasiti raktansı(x ) rkansa bağımlıdır v rkans düştükç dğrid artmaktadır. Bunun sonucu olarak ta hm giriş v hmd çıkış sinyallrin karşı bir zorluk göstrrk alçak rkanslarda kazancın düşmsin ndn olurlar. Bunun hangi sınırlar içrisind olacağı, kullanılan v R lmanlarının dğrin bağlıdır. Üçüncü v son aşamada is yüksk rkanslardaki kazancın dğişimini sayabiliriz. kla kullanılan lamanlarının X dğrinin rkans arttıkça düştüğü v dolayısı il kazancın azalmaması yönünd bir soru glbilir. Bu sorunun cvabı vt bu kondansatörlr yüksk rkanslarda tkisizdirlr, yani kazancın yüksk rkanslarda dğişimindn sorumlu dğildirlr. Pki o zaman yüksk rkanslarda kazanç ndn düşmktdir. Bunun cvabı transistörün lktrotları arasında görüln kapasiti tkilrdir. Bu kaçınılmaz bir ndndir v bu kapasit dğrlri transistör ürticilri taraından blirlnmktdir. Eğr bu kaçınılmaz is, dizayn sırasında bu tkilrin kazanç üzrind yapacağı tsirlrd göz önünd tutulmalıdır. Transistörlü Yüksltçlrd lçak Frkans nalizi Şkil- d görüln yüksltç dvrsind alçak rkansta tkili olan üç kondansatör vardır. Bunlar sırası il İ, O v B kondansatörlridir. Şimdi bunların tkilrini önc tk tk, daha sonrada dvrnin toplam kazancına olan tkilrini inclylim. + cc R R 0 + o R s i Q β + r 0 s R 2 R E B R L Şkil-: Transistörlü yüksltç dvrsi İ kondansatörü kndisin bağlı şdğr dirnçl bir R dvrsi oluşturmaktadır v bu dvrnin ksim rkansı; L İ 2πR İİ ormülündn hsaplanabilir. Şkil- dki dvr için R İ dğri; R R // R2 // β olarak alınabilir. İ r O kondansatörünün ndn olduğu ksim rkansı is; il hasaplanabilir. Burada R O dğri; L O 2 π ( RO + R ) L O 2
Doc.Dr. li Fuat Boz B kondansatörünün tkisi is; R R // r O olarak alınabilir. o L B 2πR il öztlnbilir. R, B kondansatörün bağlı toplam şdğr dirnç olup, dğri; B R R R // R // R β + r // olarak alınabilir. S 2 E Hr bir ksim rkansından itibarn kazanç ğiml azalmaktadır. Burada dğri n yüksk çıkan ksim rkansı baskın(dominant) olarak alınır v yüksltcin alçak rkans ksim noktasını blirlr. Bu noktadan sonra orta rkans bandı glir v bu bantta kazanç yaklaşık olarak sabit kalır(yüksk rkans ksim noktasına kadar). v / v(mid) db Dcad 0 db -3 db 0. Li 0 Lo 00 LB K 0K (Hz) (log) Orta rkans bandı Kazancı -0 db -20 db -40 db/dcad lçak rkans bandı Orta rkans bandı Şkil-2 Tipik bir yüksltcin alçak rkans Bod ğrisi Şkil-2 d tipik bir transistörlü yüksltcin alçak rkans Bod ğrisini v bu ğri üzrind kazancın rkansla nasıl dğiştiği görülmktdir. Hr bir ksim rkansı logaritmik olarak ölçklndirilmiş rkans ksnind işartlndiktn sonra, bu rkanslardan bir dcad(bir onluk) aşağı rkansa gidilir v bu rkansa karşılık gln - 20 db kazanç noktası işartlnir. Daha sonra hr bir ksim rkansı il bu noktalar birlştirilrk ğim sahip asimptotlar ld dilir. Daha öncd dğinildiği gibi, dğri n yüksk rkans baskındır v bu rkanstan aşağıya doğru inilrk -3 db noktası işartlnir. Eğr baskın rkanstan çizdiğimiz asimptot, diğr hrhangi bir asimptot il hrhangi bir rkansta çakışıyorsa, çakışma noktasından rkansın azalma yönün doğru -40 db/dcad ğim sahip yni bir asimptot çizilir. Bu asimptotda bir başkası il çakışıyorsa bu noktadan itibarn ğim -60 db/dcad olarak alınır. Daha sonra srbst ll baskın rkans dğrindn başlayarak(-3 db noktasından gçck şkild), çakışmalardan sonra çizdiğimiz asimptotlar izlnrk, yüksltcin alçak rkans karaktristiği Bod ğrisi olarak çizilmiş olur. Transistörlü Yüksltçlrd Yüksk Frkans nalizi Yukarıda kısaca dğindiğimiz gibi, transistörlrin kndi iç yapılarından dolayı yüksk rkanslarda lktrotlar arası kapasiti tki göstrir. Bunun yanı sıra kullanılan kablo v bakır yollarda yüksk rkanslarda bir kapasiti tkiy sahiptir. Yin önmli bir transistör paramtrsi olan β dğrid rkansla birlikt dğişmktdir. Bütün bu tkilrin sonucunda yüksltcin kazancı yüksk rkanslarda azalma olarak kndini göstrir. Şkil-3 t transistörün lktrotlar arası kapasiti tkilri görülmktdir. 3
Doc.Dr. li Fuat Boz cb c b Şkil-3 : Transistörd lktrotlar arası kapasitlr Birçok transistör ürticisi irma, kataloglarda bu kapasit dğrlrini vrirkn Şkil-3 tki smbollr yrin aşağıdaki göstrimlri trcih tmktdir. cb obo ob b ibo ib c oo o Bu dğrlrdn n az tkili olan c dğri gnllikl kataloğlarda vrilmz, dolayısı il tkisi hsaplamalarda ihmal dilbilir. Yüksk rkansta bu kondansatörlrin tkisini öztlmnin n iyi yolu Şkil-4 t görüln yüksltcin yüksk rkanstaki şdğr dvrsin bakmaktır. Bu dvr Şkil- d görüln ortak mitrli yüksltcin yüksk rkans şdğr dvrsidir. S + R S I b R // R 2 βr βi b r i o R + R L o o - Th Th 2 Şkil-4 : Yüksltcin yüksk rkans şdğr dvrsi Burada İ kondansatörünün dğri; + + i wi b Mi olarak alınabilir. wi giriş dvrsind kullanılan kabloların kapasiti tkisidir. Mi is giriş dvrsind görüln Millr kapasitsidir v dğri Şkil- dki dvr için; alınmalıdır. o kondansatörü is; ( ) o Mi wo c bc + + Mo dğrinddir. wo çıkış dvrsind görüln kablolama kapasitsidir.. Mo is çıkış dvrsind görüln Millr kapasitsidir. Dğri ; Mo ( ) olarak alınabilir. Giriş dvrsinin yüksk rkans ksim dğrini bulabilmk için, İ kondansatörün bağlı dirnçlrin toplamına R Th drsk; olarak bulunur. Buradan ksim rkansı; olarak bulunur. Çıkış dvrsinin ksim rkansı is; olmak üzr, Th R // R2 // βr bc R // R H İ Th2 2πR Th o R R // r // R i L S olarak bulunur. HO 2πR Th2 O 4
Doc.Dr. li Fuat Boz Yüksk rkansta β dğrinin dğişmsi sonucu üçüncü bir ksim rkansı oluşur. Bu rkansı bulabilmk için Şkil-5 t görüln hibrit-π vya diğr adı il Giacoltto modlin bakalım. r b'c B r bb' b' I b r I' b' /g b b' b' b'c r c /h o g m b' g m r b' I' b h (mid) I' b E E Şkil-5 : Transistörlü yüksltçlrin yüksk rkans hibrit-π modli Transistör β dğrinin yüksk rkansla dğişimi; h h ( mid + j( / ) β ) olarak öztlnbilir. Burada β (β nın yüksk rkanstaki dğişimindn dolayı oluşan ksim rkans dğri) yukarıdaki şdğr dvr kullanılarak aşağıdaki gibi bulunabilir. β g b' 2 π ( b' + b' c ) 2πβ mid r ( b + bc ) Yüksk rkansta tkili olan lmanlardan dolayı oluşan bu ksim rkansları artık Bod ğrisi çizimind kullanılabilir. Bunun için önclikl rkans ksnind ksim rkansları işartlnir v hr ksim rkansından bir dcad(bir onluk) yukarı rkansa gidilrk, bu noktalarda -20 db dğrlri işartlnir(bakınız Şkil-6). Daha sonrada bu noktalar birlştirilrk yüksk rkans asimptotları ld dilir. Burada artık baskın(dominant) ksim rkansı dğri n küçük olanıdır. Bu yüzdn bu rkans dğri il -3 db dğrinin ksiştiği nokta işartlnir. Yüksk rkans ğrimiz bu noktadan gçmlidir. lçak rkans cvabını çizrkn izldiğimiz yol aynn burada da takip dilrk, transistörlü yüksltçlrin yüksk rkans Bod ğrisi çizilmiş olur. Daha sonra alçak, orta v yüksk rkans ğrilri Şkil-7 d görüldüğü gibi tk bir graik olarak çizilrk, yüksltcin toplam rkans ğrisi ld dilmiş olur. v / v(mid) db Dcad 0K 00K M 0 db Hi 0M β 00M G Ho (Hz) (log) -3 db -0 db Orta rkans bandı Kazancı -20 db -40 db/dcad Orta rkans bandı Yüksk rkans bandı Şkil-6 : Tipik bir yüksltcin yüksk rkans Bod ğrisi 5
Doc.Dr. li Fuat Boz v / v(mid) db 0 db -3 db Li Lo 0 LB 00 K 0K Hi 00K Ho M β 0M (Hz) (log) -0 db Orta rkans bandı Kazancı -20 db 20 db/dcad 40 db/dcad -40 db/dcad lçak rkans bandı Orta rkans bandı Bant Gnişliği(BW) Yüksk rkans bandı Şkil-7 : Tipik bir yüksltcin tüm rkans aralığı Bod ğrisi İŞLEM BSMKLRI Not: İşlm basamaklarında yapacağınız voltaj ölçümlrini osilaskop il yapınız. Osilaskopta voltaj ölçümü yaparkn bütün voltaj dğrlrini tpdn-tpy(pak to pak) voltaj dğrlri olarak alınız. - Şkil-8 d görüln yüksltç dvrsini dny sti üzrin kurarak, girişin sinyal jnratörünü bağlayınız. + cc +2 s + R R 270K 4K7 i 0 6.8 μf 6.8 μf β200 r 0 40 K B238B R 2 R E 82K K B 0 μf R L 4.7K + o Şkil-8 : Yüksltç dvrsi 2- Sinyal jnratörünün çıkışını sinüs konumuna gtirrk, rkansını KHz v gnliğini minimum durumda tutunuz. Osilaskobun. kanalını sinyal jnratörü çıkışına, 2. kanalınıda yük dirncin bağlayınız. Şimdi sinyal jnratörünün gnliğini yavaş yavaş arttırarak 00 m(p-p) dğrin gtiriniz. Bu durumda çıkıştan(yük üzrindn) distorsiyonsuz(bozulmamış) bir sinüs dalgası ld tmlisiniz. Eğr çıkışta bozulma oluyorsa, giriş gnliğini azaltarak aşağıya not diniz. S. m(p-p) 3- Bundan sonra sinyal jnratörünün rkansını sırası il aşağıdaki tabloda görüln dğrlr ayarlayarak, hr rkans için çıkış gnliğini(tpdn-tpy) ölçünüz v tablodaki uygun yrin yazınız. Not: Frkans dğiştikç sinyal jnratörü çıkış gnliğid dğişbilir, bu yüzdn hr adımda sinyal jnratörünün gnliğinin yukarıda ölçtüğünüz dğrd sabit kalmasını sağlayınız. Grkirs gnliği ayarlayarak, yukarıdaki dğr gtiriniz. 6
Doc.Dr. li Fuat Boz (Hz) 5 0 20 30 50 00 200 H 500 K 0K 20K L ( p p) (Hz) 30K 40K 50K 60K 80K 00K 200K 400K 600K 800K M L ( p p) 4- Yukarıda bulduğunuz çıkış gnlik dğrlrini hr rkans için sabit giriş gnliğin bölrk dvrnin o rkanslardaki voltaj kazançlarını hsaplayınız v aşağıdaki tabloya yazınız. Daha sonra bu kazançları karşılaştırarak orta rkans bandında yaklaşık sabit kalan (mid) dğrini bulunuz(tablodan çıkartınız) v aşağıya yazınız. (Hz) 5 0 20 30 50 00 200 H 500 K 0K 20K L S (Hz) 30K 40K 50K 60K 80K 00K 200K 400K 600K 800K M L S (mid) 5- Şimdi yukarıdaki tabloda bulduğunuz hr kazancı (mid) dğrin bölünüz v aşağıdaki tabloya yazınız( / (mid) ) (Hz) 5 0 20 30 50 00 200 H 500 K 0K 20K mid (Hz) 30K 40K 50K 60K 80K 00K 200K 400K 600K 800K M mid 6- Yukarıdaki tabloda bulduğunuz hr aşağıdaki tabloya yazınız(20log mid mid ) (db). dğrinin logaritmasını alarak 20 il çarpınız v sonuçları (Hz) 5 0 20 30 50 00 200 H 500 K 0K 20K 20log mid (Hz) 30K 40K 50K 60K 80K 00K 200K 400K 600K 800K M 20log mid 7-6. basamakta bulduğunuz dğrlri kullanarak yarı logaritmik kağıt üzrin yatay ksnd logaritmik olarak rkans v diky ksnd db cinsindn normaliz dilmiş kazanç(20log ) olacak şkild, mid Bod ğrisini çiziniz(hr rkans dğrin karşılık gln normaliz kazanç dğrlrini işartlyip, bu noktalar srbst l çizgisi il birlştirilck). Böylc transistörlü bir yüksltç dvrsinin rkansla voltaj kazancının dğişimini göstrn v tüm rkans aralığını kapsayan Bod ğrisini dnysl yol il ld tmiş olduk. 7
Doc.Dr. li Fuat Boz Sonuçların nalizi: - Yukarıda dnysl yol il ld ttiğiniz sonucu şimdi bird torik olarak ld dlim. Bunun için kt vriln B238B transistor ünün bilgi yaprağında bulunan dğrlri kullanarak, dnyd kurduğunuz dvr için, oltaj kazancını, alçak v yüksk rkanstaki ksim dğrlrini torik yolla bularak, Bod ğrisini tüm rkans aralığı için ynidn çiziniz. 2- Eld ttiğiniz sonuçlara dayanarak, dnysl yolla v torik olarak bulunan rkans ğrilrini yorumlayınız. Bulduğunuz sonuçlar uyuşuyor mu? Eğr arada ark var is ndnlrini tartışınız. SORULR - Dnyd kullandığınız yüksltç dvrsinin alçak rkans ksim noktasını daha alçak bir dğr çkmk için n yapılmalıdır? 2-. soruyu yüksk rkans için ynidn cvaplayınız. 3- Eld ttiğiniz Bod ğrilri n amaçla kullanılıyor olabilir v bu ğrilr biz nyi anlatıyor? Lütn açıklayınız. Örnk yarı logaritmik graik kağıdı 8