elm 331 elektronik ıı laboratuar deney föyü deney 2

ELM 331 ELEKTRONİK II
LABORATUAR DENEY FÖYÜ
DENEY 2
Ortak Emitörlü Transistörlü Kuvvetlendiricinin Frekans Cevabı
1. 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 1’de temel ortak emitörlü kuvvetlendirici görülmektedir. Bu şekilde RS,
kuvvetlendiricinin girişine bağlanacak akım veya gerilim kaynağının çıkış direncini gösterir.
Genellikle sinyal jeneratörlerinin çıkış direnci 50 Ω dur. Benzer şekilde RL ise kuvvetlendiricinin
çıkış gücünün aktarıldığı devrenin giriş direncini gösterir. RL ve RC devrenin orta-bant gerilim
kazancını belirler. RS ve RL devrenin frekans cevabına etki ettikleri için tasarım sırasında dikkate
alınmalıdırlar.
R1 ve R2 transistörün bazına uygun besleme gerilimin sağlanmasında, RE ise istenilen DC
kollektör akımının ayarlanmasında kullanılan dirençlerdir. C1 ve C2
bağlama kapasiteleri,
kuvvetlendiricinin giriş ve çıkış bağlantılarından transistorun DC çalışma noktalarının
etkilenmesini
önlemek
içindir.
Kapasiteler
bu
görevi
kuvvetlendiricinin kazancının frekans bağımlılığını da arttırırlar.
yerine
getirmelerine
rağmen
Şekil 1. Ortak emitörlü kuvvetlendirici devresi.
Devrenin DC çalışma noktası ve orta-bant gerilim kazancı için temel tasarım denklemleri
aşağıda özetlenmiştir:
VT = 0.026V
V
rπ = T
I BQ
(1)
R B = R 1 // R 2
v
−( RL // RC )
Ri
Av (mid ) = o ≅
⋅
vs rπ / β F + RE Ri + Rs
(3)
(2)
(4)
Besleme devresi tasarımında yararlı olan bazı pratik kurallar da vardır. Örneğin baza bağlı
dirençlerin üzerinden akan akımın % 90’ı R1 ve R2 üzerinden geçerken % 10’u da transistörün
bazına doğru akmalıdır. Bunu başarmak için genellikle
RB = 0.1β F RE
(5)
seçilir. Ayrıca çıkışta maksimum AC gerilim salımına imkan sağlamak için
VCC
Rac + Rdc
seçimi yapılır. Burada Rac = ( RL // RC ) + RE ve Rdc = RC + RE ’dir.
ICQ =
(6)
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.
Av (mid ) s 2
Av ( s ) =
( s + ωC1 )( s + ωC 2 )( s + ω H )
Bu denklemdeki köşe frekanslarının
1
(8)
(Cπ + Cm )( Rs // Ri )
C1 ( Rs + Ri )
C2 ( RC + RL )
olduğunu gösterebilir misiniz? Burada Cm Miller kapasitansıdır. Üst kesim frekansını etkileyen
ωC1 =
1
ωC 2 =
1
(7)
ωH =
transistörün iç kapasitörlerinin değerlerini transistörün üretici kataloğundan doğrudan
bulabilirsiniz. Her ne kadar ısı ve besleme koşullarına bağımlı olsa da Cπ değeri yaklaşık olarak
kataloglarda verilen Cibo ve Cµ de kataloglardaki Cobo olarak alınabilir.
Bu bilgiler ışığında transistörlü bir CE kuvvetlendiricisinin tasarımı şu üç aşamadan
oluşur:
1. Transistör seçimi ( β F , VBE gibi parametrelere bağlı olarak)
2. DC besleme tasarımı ( R1 , R2 , RC ve RE seçimi)
3. AC tasarımı (köşe frekanslarının belirlenmesi ve C1 , C2 ve C x seçimi)
3. HAZIRLIK ÇALIŞMASI
1. Ekte 2N3904 bipolar NPN transistörü için verilmiş olan veri yapraklarını (katalog
bilgilerini) inceleyiniz. β F ’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 F ’in en küçük değerini kullanınız.
Av (mid ) = −10 ( ± %10) V/V
RS = 50 + 470 Ω
VCC = 12 V
Ri > 3 kΩ
RL = 10 kΩ
I CQ = 10 ( ± %10) mA
ωC1 = 2000π rad / s, ( fC1 = 1 kHz)
ωC 2 ≤ 100π rad / s, ( fC 2 = 50 Hz)
Not: R1 = 22 kΩ ve RC = 10 kΩ seçimleri ile tasarıma başlayabilirsiniz.
3. Şekil 1’deki tasarımda gösterilen C x geri besleme kapasitörünü göz önüne almadan üst
kesim frekasını ω H bulunuz.
4. Katalogtan elde edilen Cµ değerini kullanarak tasarımın üst kesim frekansının 500 kHz
olmasını sağlayacak C x değerini bulunuz.
4. DENEYİN YAPILIŞI
BÖLÜM 1: Devreyi Kurma
1. Şekil 1’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 RS ’yi 520 Ω yapınız. I B ve IC akımlarını bir multimetre ile
ölçerek kullandığınız 2N3904’ün β F değerini ölçünüz. Ölçülen değer 150 ≤ β F ≤ 250
şartını sağlamıyorsa transistörü değiştiriniz.
2. Ön hazırlıkta yaptığınız hesaplamaları ölçülen β F için tekrarlayınız.
3. Bir multimetre yardımıyla devrenin DC çalışma gerilimlerini ( VBE , VCE ) ve
akımlarını ( I B , IC ) kontrol edin. Devrenin doğru çalıştığına dair sonuçlar elde
ettikten sonra devrenin girişine 10 kHz frekanslı ve 0.2 V tepe genliği olan sinüsoidal
bir sinyal verin ve orta-band kazancını ölçünüz. Kazancın –10’dan çok farklı olması
durumunda tasarım ve devrenin kurulması gözden geçirilmelidir. Bu şartların
sağlanması durumunda 2.bölüme geçiniz.
BÖLÜM 2: Frekans Cevabı
4. Bu aşamada devrenin gerçek frekans cevabı ölçülecektir. Devrenin girişine (çıkış
direnci 50 Ω olan) sinyal jeneratörünü bağlayınız. Aynı zamanda osiloskopun 1.
kanalını da sinyal jeneratörüne bağlayınız. Osiloskopun 2. kanalını da yük direnci RL
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 10 Hz − 100 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 1 kHz mi? 1 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 C x geri besleme kapasitörünü ekleyiniz. 1.
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
1. 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.