ELM 33 ELEKTRONİK II LABORATUAR DENEY ÖYÜ DENEY 2 Ortak Emitörlü Transistörlü Kuvvetlendiricinin rekans Cevabı. AMAÇ Bu deneyin amacı, ortak emitörlü (Common Emitter: CE) kuvvetlendiricinin tasarımını, yapımını ve analizini gerçekleştirerek teorik ve pratik bilgi birikiminin arttırılmasıdır. Öncelikle, bazı istenilen özellikleri sağlayacak olan CE kuvvetlendiricisinin DC besleme tasarımı Elektronik I dersinde verilen temellerle tamamlanacaktır. Daha sonra bağlama kapasitörlerinin değerleri istenilen alçak frekans karakteristiğine uygun olarak seçilerek tasarım tamamlanacaktır. Devrenin kurulumundan sonra istenilen orta-bant kazancı ve frekans karakteristiğine sahip olup olmadığı deneysel olarak gözlenecektir. 2. TEORİK BİLGİ Şekil de temel ortak emitörlü kuvvetlendirici görülmektedir. Bu şekilde R S, kuvvetlendiricinin girişine bağlanacak akım veya gerilim kaynağının çıkış direncini gösterir. Genellikle sinyal jeneratörlerinin çıkış direnci 50 Ω dur. Benzer şekilde R L ise kuvvetlendiricinin çıkış gücünün aktarıldığı devrenin giriş direncini gösterir. R L ve R C devrenin orta-bant gerilim kazancını belirler. R S ve R L devrenin frekans cevabına etki ettikleri için tasarım sırasında dikkate alınmalıdırlar. R ve R 2 transistörün bazına uygun besleme gerilimin sağlanmasında, R E ise istenilen DC kollektör akımının ayarlanmasında kullanılan dirençlerdir. C ve C 2 bağlama kapasiteleri, kuvvetlendiricinin giriş ve çıkış bağlantılarından transistorun DC çalışma noktalarının etkilenmesini önlemek içindir. Kapasiteler bu görevi yerine getirmelerine rağmen kuvvetlendiricinin kazancının frekans bağımlılığını da arttırırlar.
Şekil. Ortak emitörlü kuvvetlendirici devresi. Devrenin DC çalışma noktası ve orta-bant gerilim kazancı için temel tasarım denklemleri aşağıda özetlenmiştir: V T 0.026V () VT r π I BQ (2) R B R // R 2 (3) v ( // ) ( ) o RL RC R A i v mid vs rπ / β + RE Ri + Rs (4) Besleme devresi tasarımında yararlı olan bazı pratik kurallar da vardır. Örneğin baza bağlı dirençlerin üzerinden akan akımın % 90 ı R ve R 2 üzerinden geçerken % 0 u da transistörün bazına doğru akmalıdır. Bunu başarmak için genellikle RB 0.β RE (5) seçilir. Ayrıca çıkışta maksimum AC gerilim salımına imkan sağlamak için V I CC CQ Rac + Rdc (6) seçimi yapılır. Burada Rac ( RL // RC ) + RE ve Rdc RC + RE dir. Devrenin frekans cevabı (kısa devre ve sıfır değer yöntemlerinde göstrildiği üzere) bağlama kapasitelerinden ve RC zaman sabitlerinden etkilenir. Transistörün iç bağlantı kapasiteleri de kazancın yüksek frekanslarda düşmesini sağlar. Sonuçta CE kuvvetlerndiricisi, denklem (7) daki gerilim kazancı ifadesindeki şekilde bant geçirgen bir transfer fonksiyonuna sahip olur.
2 A ( ) () v mid s Av s ( s+ ωc)( s+ ωc2)( s+ ωh) Bu denklemdeki köşe frekanslarının ω C ω C2 ω H (8) C ( Rs + Ri ) C2( RC + RL) ( Cπ + Cm)( Rs // Ri) olduğunu gösterebilir misiniz? Burada C m Miller kapasitansıdır. Üst kesim frekansını etkileyen transistörün iç kapasitörlerinin değerlerini transistörün üretici kataloğundan doğrudan bulabilirsiniz. Her ne kadar ısı ve besleme koşullarına bağımlı olsa da C π değeri yaklaşık olarak kataloglarda verilen C ibo ve C µ de kataloglardaki C obo olarak alınabilir. Bu bilgiler ışığında transistörlü bir CE kuvvetlendiricisinin tasarımı şu üç aşamadan oluşur:. Transistör seçimi ( β, V BE gibi parametrelere bağlı olarak) 2. DC besleme tasarımı ( R, R 2, R C ve R E seçimi) 3. AC tasarımı (köşe frekanslarının belirlenmesi ve C, C 2 ve C x seçimi) (7) 3. HAZIRLIK ÇALIŞMASI. Ekte 2N3904 bipolar NPN transistörü için verilmiş olan veri yapraklarını (katalog bilgilerini) inceleyiniz. β in minimum değerini belirleyiniz. 2. Teorik Bilgi kısmında verilen formüllerden faydalanarak şekilde verilen ortak emiterli devreyi aşağıdaki isterleri (yaklaşık olarak) karşılayacak şekilde tasarlayınız. Tasarım sırasında β in en küçük değerini kullanınız. R 50 + 470 Ω A ( mid) 0 ( ± %0) V/V V S CC i L 2 V R > 3 kω R 0 kω v I ω ω CQ 0 ( ± %0) ma 2000 π rad / s,( f khz) C C 00 π rad / s,( f 50 Hz) C2 C2 Not: R 22 kω ve R C 0 kω seçimleri ile tasarıma başlayabilirsiniz. 3. Şekil deki tasarımda gösterilen C x geri besleme kapasitörünü göz önüne almadan üst kesim frekasını ω H bulunuz. 4. Katalogtan elde edilen C µ değerini kullanarak tasarımın üst kesim frekansının 500 khz olmasını sağlayacak C x değerini bulunuz.
4. DENEYİN YAPILIŞI BÖLÜM : Devreyi Kurma. Şekil de verilen devreyi C x geri besleme kapasitörü olmadan asistanların size vereceği direnç değerleri ile kurunuz. Sinyal jeneratörünün çıkışına 470 Ω luk seri direnç bağlayarak R S yi 520 Ω yapınız. I B ve I C akımlarını bir multimetre ile ölçerek kullandığınız 2N3904 ün β değerini ölçünüz. Ölçülen değer 50 β 250 şartını sağlamıyorsa transistörü değiştiriniz. 2. Ön hazırlıkta yaptığınız hesaplamaları ölçülen β için tekrarlayınız. 3. Bir multimetre yardımıyla devrenin DC çalışma gerilimlerini ( V BE, V CE ) ve akımlarını ( I B, I C ) kontrol edin. Devrenin doğru çalıştığına dair sonuçlar elde ettikten sonra devrenin girişine 0 khz frekanslı ve 0.2 V tepe genliği olan sinüsoidal bir sinyal verin ve orta-band kazancını ölçünüz. Kazancın 0 dan çok farklı olması durumunda tasarım ve devrenin kurulması gözden geçirilmelidir. Bu şartların sağlanması durumunda 2.bölüme geçiniz. BÖLÜM 2: rekans Cevabı 4. Bu aşamada devrenin gerçek frekans cevabı ölçülecektir. Devrenin girişine (çıkış direnci 50 Ω olan) sinyal jeneratörünü bağlayınız. Aynı zamanda osiloskopun. kanalını da sinyal jeneratörüne bağlayınız. Osiloskopun 2. kanalını da yük direnci R L üzerine bağlayınız. Bu durumda bir tablo oluşturularak devrenin ferkansa bağlı genlik ve faz cevabı kaydedilecektir. Bunun için 0.2 V tepe gerilimine sahip sinüsoidal bir giriş sinyali vererek 0 Hz 00 khz aralığında devrenin transfer fonksiyonunun genlik ve fazını kaydediniz. Ölçüm yapacağınız frekans değerlerini anlamlı bir Bode grafiği elde edecek şekilde seçiniz. 5. Alt kesim frekansını, çıkış ile giriş gerilimleri arasında 3 db fark olan frekansı bularak belirleyiniz. Bu frekans yaklaşık olarak khz mi? khz de faz cevabı orta-bant değerinden 45 farklı mı? 6. Üst kesim frekansını madde 4 teki ölçümleriniz sonucunda görebiliyor musunuz? Göremiyorsanız, frekansı yükselterek üst kesim frekansını ( ω H ) bulmaya çalışınız. 7. Kullanılan devre elemanlarının gerçek değerlerini ölçüp kaydediniz. Elemanların gerçek değerleri teorik kazanç ve faz cevabındaki değerlerdeki hataları açıklamakta mıdır? 8. Yukarıdaki ölçümlerin yapıldığı devreye x C geri besleme kapasitörünü ekleyiniz.. ve 5. maddeler arasındaki adımları bu yeni devre için yeniden uygulayınız. 5. ve 7. maddeler arasındaki soruları bu yeni devreye göre cevaplayınız.
5. ANALİZ VE YORUMLAR. Tasarımınız ile ilgili hesapları asistanların size verdiği direnç değerleri için tekrar yapınız ve raporunuzda sununuz. 2. Deneyden elde edilen tablo haline getirilmiş sonuçları raporunuza ekleyiniz. 3. Beklenen (teorik) Bode diyagramını (genlik ve faz olarak) ve deneyden elde edilen değerleri aynı grafikte bilgisayar yardımıyla çizdiriniz ve bu sonuçları yorumlayınız. 4. Deneyin amacına ulaşıp ulaşmadığını yorumlayınız.