DENEY 7 AKIM KAYNAKLARI VE AKTİF YÜKLER DENEY 1 DİYOT KARAKTERİSTİKLERİ 7.1 DENEYİN AMACI Bu deneyde kuvvetlendirici devrelerde kullanılan entegre devre beslemesi ve aktif yük olarak kullanılabilen akım kaynakları incelenecektir. 7.2 TEORİK BİLGİ Sabit akım kaynakları entegre transistörleri beslemek için sıkça kullanılır. Ayrıca bu devreler kuvvetlendiricilerde aktif yük olarak da kullanılabilir. Sabit akım devreleri BJT ve FET devrelerinde toplayıcı ve akaç dirençlerinin yerini almıştır. Dirençler yerine aktif yüklerin kullanılması daha yüksek küçükişaret kazancı elde edilmesini sağlamıştır. 7.2.1 Temel İki Transistörlü BJT Akım Kaynağı Temel iki transistörlü BJT akım kaynağı(akım Aynası Devresi) devresi Şekil 7.1 de gösterilmiştir. Bu devre taban ve yayıcı terminalleri birbirine bağlı iki eş transistor den oluşur. Bu mimariden dolayı iki transistörün BE gerilimi birbirine eşittir.q 1 transistörünün toplayıcı ve taban terminalleri birbirine bağlı olduğu için Q 1 transistörün ileri beslemededir ve diyot gibi davranır. V V 2 IC2 = I O IC2 = I O 1 I B1 I B2 I B1 I B2 3 Q 1 Q 2 V Şekil 7.1 Temel İki Transistörlü BJT Akım Kaynağı Q 1 Q 2 V BE V BE Transistörler eş ve BE gerilimleri eşit olduğu için, I B1 ve I B2, I C1 ve I C2 akımları birbirine eşittir. Bu durumda ideal çıkış akımı, 4 V ve referans akımı da OKÜ ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK LABORATUVARI 1
olarak hesaplanır 7.2.2 Temel İki Transistörlü MOSFET Akım Kaynağı Temel ikitransistörlü NMOS akım kaynağı iki tane eş NMOS transistörlerden oluşur. Bu transistörlerin geçit ve kaynak terminalleri birbirine bağlıdır. Bu yapıdan dolayı iki transistor ün GS gerilimleri birbirine eşittir. Temel iki transistörlü NMOS akım kaynağının devre şeması Şekil 7.2 de gösterilmiştir. M1 transistörünün akaç ve kaynak terminalleri birbirine bağlı olduğu için bu transistör her zaman doyum bölgesinde beslemededir. V I D2 = I O M 1 M 2 V V GS λ nın sıfır olduğunu varsayarsak, GS gerilimi Şekil 7.2 Temel İkiTransistölü NMOS Akım Kaynağı olarak hesaplanır. Çıkış akımı ise M 1 ve M 2 transistörleri eş olduğu için V TN1 ve V TN2, k n1 ve k n2 birbirine eşit olur. Çıkış akımı ise olur. Referans akımını belirlemek için devreye bir transistör daha eklenebilir. Temel üçtransistörlü akım kaynağının devre şeması Şekil 7.3 te gösterilmiştir. OKÜ ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK LABORATUVARI 2
V 2 M 3 I D2 = I O 1 V GS3 3 M 1 V GS1 =V GS2 M 2 4 V Şekil 7.3 Temel ÜçTransistörlü NMOS Akım Kaynağı λ nın sıfır olduğunu varsayarsak, M 2 transistörünün GS gerilimi olarak bulunur. Çıkış akımı ise olarak hesaplanır. 7.2.3 BJT Aktif Yük Devresi BJT aktif yük devresi şekil 7.42te gösterilmiştir. Giriş gerilim kaynağı Q O transistorünü besleyen DC bileşen ve AC giriş sinyalinden oluşur. DC Analiz: DC analizde kapasiteler açık devre gibi davranır. Eğer bütün AC kaynakları sıfıra eşitlersek Şekil 7.4(b) deki devreyi elde ederiz. Q 1 ve Q 2 transistörleri eş ise, çalışma noktasındaki CE gerilimi Yukarıdaki eşitlik Q o ve Q 2 nin beslemeleri ileri aktif bölgede olduğu sürece geçerlidir. OKÜ ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK LABORATUVARI 3
V V Q 2 Q 1 Q 2 Q 1 C R 1 R 1 V I Q O R L V Idc Q O (a) (b) Şekil 7.4 (a) BJT Aktif Yük Devresi, (b) DC Eşdeğer Devresi AC Analiz: AC analiz yaparken kapasitelerinin kapasite değerlerinin yeterince büyük olduğunu kabul edeceğiz, böylece devrede kapasiteleri kısa devre olarak göstereceğiz. Bütün DC kaynakları sıfıra götürüp, devrede yerlerine kısa devre konur. Transistörlerin yerine de kısa işaret model yerleştirilir. Devrenin, küçük işaret devre eşdeğer devresi Şekil 7.5 te gösterilmiştir. V Iac h ie h fe i b 1/h o0 1/h o1 R L Şekil 7.5 BJT Aktif Yük Devresi Küçük İşaret Devresi BJT aktif yük devresinin küçük işaret gerilim kazancı olarak hesaplanır. 7.2.4 MOSFET Aktif Yük Devresi MOSFET aktif yük devresi Şekil 7.6 da gösterilmiştir.??? Giriş gerilim kaynağı, V I, M O transistörünü besleyen DC bileşen ve AC giriş sinyalinden oluşur. OKÜ ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK LABORATUVARI 4
DC Analiz: DC analizde kapasiteler açık devre gibi davranır. Bütün AC kaynaklar sıfıra götürülür. DC eşdeğer devresi Şekil 7.6 da gösterilmiştir. M 1 ve M 2 transistörleri eş transistörler ise, λ 1 = λ 2 = λ P, V TP1 =V TP2 =V P ve k P1 =k P2 =k P olur. Çalışma noktasındaki DS gerilimi olarak hesaplanır. V 3 V M 2 M 1 M 2 4 M 1 C 2 V I M O R L R 1 V I 1 M O R 1 (a) Şekil 7.6 (a) MOSFET Aktif Yük Devresi, (b) DC Eşdeğer Devresi AC Analiz: Kapasitelerin kapasite değerlerinin yeterince büyük olduğunu kabul edilir, böylece AC analizde kısa devre gibi davranır. Bütün Dc kaynaklar sıfıra götürülüp devrede kısa devre olarak gösterilir. Transistörlerin eşdeğer devresi de devrenin içine yerleştirilirse, devrenin küçük işaret eşdeğer devresi elde edilir. Küçük işaret eşdeğer devresi Şekil 7.7 de gösterilmişitir. 5 (b) V Iac g m V GS r d1 r d2 R L Şekil 7.7 MOSFET Aktif Yük Devresinin Küçük İşaret Eşdeğer Devresi MOSFET aktif yük devresinin küçük işaret gerilim kazancı OKÜ ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK LABORATUVARI 5
7.3 ÖN ÇALIŞMA 7.3.1 Şekil 7.1 de, ve I O yu hesaplayınız ve PSpice analizini yapınız.( ayarlanabilir direnç 0<RL<10kΩ, V=5V, V=0V). NETLIST 1.0 ma 0.8 ma 0.6 ma 0.4 ma 0.2 ma 0 ma 0 1 K 2 K 3 K 4 K 5 K 6 K 7 K 8 K 9 K 10 K OKÜ ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK LABORATUVARI 6
7.3.2 Şekil 7.3 de, ve I O yu hesaplayınız ve PSpice analizini yapınız.( Ayarlanabilir direnç 0<RL<30kΩ, V =10V, V =0V). NETLIST 500 ua 400 ua 300 ua 200 ua 100 ua 0 ma 0 2 K 4 K 6 K 8 K 10 K 12 K 14 K 16 K 18 K 20 K OKÜ ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK LABORATUVARI 7
7.3.3 Şekil 7.6(b) deki devrenin PSpice analizini yapınız, küçük işaret kazancı A v yi elde ediniz. dc ve i bulunuz.( V in = 2.80.05sin(2π100t) V and V =10 V). A V = V Odc = = 7.4 İŞLEM BASAMAKLARI 7.4.1 Deneyde Kullanılacak Malzemeler Direnç IC : 1 kω, 2.2 kω, 4.7 kω, 6.9 kω : CD4007, CA3146 Standart Laboratuvar Ekipmanları: Osiloskop, DC Güç Kaynağı, Sinyal Jeneratörü, Dijital Multimetre, Protoboard. 7.4.2 Şekil 7.1(b) deki devreyi kurunuz. Aşağıdaki tabloyu doldurunuz.(v = 5 V, V =0 V) R L I O V CE2 0 1 KΩ 2.2 KΩ 4.7 KΩ 7.4.3 Şekil 7.3 deki devreyi kurunuz. Aşağıdaki tabloyu doldurunuz.(v = 5 V, V =0 V) R L I O V DS2 0 2.2 KΩ 4.7 KΩ 6.9 KΩ OKÜ ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK LABORATUVARI 8
7.4.4 Şekil 7.6(b) deki devreyi kurunuz. Küçük işaret kazancı A v, ve dc yi elde ediniz. dc ve.( V in = 2.8 0.05sin(2π100t) V and V =10 V) 4.7 k V in A V = V Odc = V S 2.2 k = 7.5 SONUÇ 7.5.1 Ön çalışma sonuçları ile deney sonuçlarını karşılaştırınız. Farklar varsa nedenlerini açıklayınız. 7.5.2 Bu deneyde ne öğrendiniz açıklayınız. OKÜ ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRONİK LABORATUVARI 9