Ortak Kollektörlü ve Ortak Bazlı Kuvvetlendirici Deneyi

Çukurova Üniversitesi
Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik-1 Laboratuvarı Deney Föyü
Deney#7
Ortak Kollektörlü ve Ortak Bazlı BJT Kuvvetlendirici
Deneyi
Doç. Dr. Mutlu AVCI
Arş. Gör. Mustafa İSTANBULLU
ADANA, 2016
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab.1 Deney#7
DENEY 7
Ortak Kollektörlü ve Ortak Bazlı Bipolar Junction Transistor (BJT) Kuvvetlendirici
1. Amaç
Bu deneyin amacı, lineer (doğrusal) kuvvetlendiricilerde kullanılan BJT kuvvetlendirici devresinin
devre girişine uygulanan zamanla değişen bir küçük işareti kuvvetlendirmesi ve devrenin küçük işaret
analizinin yapılmasıdır.
2. Temel Bilgiler
Ortak Kollektörlü Kuvvetlendirici Devresi
BJT kuvvetlendirici devrelerinin ikinci bir tipi Şekil 1'de gösterilen ortak kollektörlü kuvvetlendirici
devresidir. Şekilden de anlaşılacağı üzere devrenin çıkış işareti emiter direnci üzerinden alınmış ve
BJT'nin kollektör bacağı doğrudan 𝑉𝐶𝐶 'ye bağlanmıştır. Devrenin küçük işaret eşdeğer devresinde 𝑉𝐶𝐶
toprağa bağlanmış olduğundan devre ortak kollektörlü adını alır. Bu devrenin daha genel adı ise
emiter takipçisi (izleyicisi)dir.
Şekil 1 Ortak kollektörlü BJT kuvvetlendirici devresi
Devrenin DC analizi daha önce gösterilen ortak emiterli devrenin DC analizi ile aynı olduğu için burada
yalnızca küçük işaret analizi üzerinde durulacaktır. Devrenin küçük işaret analizinde daha önce olduğu
gibi yine BJT'nin hibrit-π modeli kullanılır. Buna göre Şekil 2'de gösterilen devre Şekil 1'deki
kuvvetlendirici devresinin küçük işaret eşdeğer devresi olur. Burada transistörün kollektör terminali
toprağa bağlanmış ve transistör çıkış direnci 𝑟0 bağımlı akım kaynağı ile paraleldir. Şekil 3'te
gösterilen devre Şekil 2 deki küçük işaret eşdeğer devresiyle aynı olup devrenin düzenlenmiş halidir.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab.1 Deney#7
Şekil 2 Ortak kollektör kuvvetlendirici devresinin küçük işaret eşdeğer devresi
Şekil 3 Küçük işaret eşdeğer devresinde toprakların birleştirilerek düzenlenmesi
Şekil 3'e göre;
𝐼0 = (1 + 𝛽)𝐼𝑏
olur ve çıkış gerilimi;
𝑉0 = 𝐼𝑏 (1 + 𝛽)(𝑟0 //𝑅𝐸 )
olarak yazılır. Baz emiter döngüsüne Kirchoff gerilim kanunu yazılırsa;
𝑉𝑖𝑛 = 𝐼𝑏 [𝑟𝜋 + (1 + 𝛽)(𝑟0 //𝑅𝐸 )
elde edilir. Buradan 𝑅𝑖𝑏 direnci ise;
𝑅𝑖𝑏 =
𝑉𝑖𝑛
= 𝑟𝜋 + (1 + 𝛽)(𝑟0 //𝑅𝐸 )
𝐼𝑏
şeklinde yazılır. Ayrıca;
𝑉𝑖𝑛 = (
𝑅𝑖
)𝑉
𝑅𝑖 + 𝑅𝑠 𝑠
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab.1 Deney#7
olur ve burada 𝑅𝑖 = 𝑅1 //𝑅2 //𝑅𝑖𝑏 'dir.
Böylece küçük işaret gerilim kazancı;
𝐴𝑣 =
(1 + 𝛽)(𝑟0 //𝑅𝐸 )
𝑉0
𝑅𝑖
=
.(
)
𝑉𝑠 𝑟𝜋 + (1 + 𝛽)(𝑟0 //𝑅𝐸 ) 𝑅𝑖 + 𝑅𝑠
olarak elde edilir.
Eşitlikten de görüleceği gibi (𝑅𝑠 ≪ 𝑅𝑖 𝑣𝑒 𝑟𝜋 ≪ (1 + 𝛽)(𝑟0 //𝑅𝐸 ) ) gerilim kazancı herzaman 1'den
biraz küçük, yaklaşık olarak 1'e eşit olacaktır. Ayrıca gerilim kazancının ortak emiterli
kuvvetlendiricinin tersine pozitif olması çıkış işareti ile giriş işaretinin aynı fazda olduğunu gösterir.
Bir kuvvetlendirici devresinde gerilim kazancının 1'e eşit olması anlamsız gelebilir fakat burada
devrenin giriş ve çıkış direnç karakteristiklerine bakılırsa birçok uygulama için çok kullanışlı bir devre
olduğu anlaşılacaktır.
Devrenin giriş direnci;
𝑅𝑖𝑏 = 𝑟𝜋 + (1 + 𝛽)(𝑟0 //𝑅𝐸 )
ve çıkış direnci;
𝑅0 =
𝑟𝜋
//𝑅𝐸 //𝑟0
(1 + 𝛽)
olarak yazılır. Ortak kollektörlü devrenin avantajı burada görülmektedir. Yazılan eşitliklere göre
devrenin giriş direnci çıkış direncine göre çok büyük olacaktır. Bu nedenle devre empedans
dönüştürücü olarak da adlandırılabilir. Çok düşük çıkış direncine sahip olan ortak kollektörlü
kuvvetlendirici devresi böylece ideal bir gerilim kaynağı gibi davranacaktır.
Ortak Bazlı Kuvvetlendirici
BJT'li kuvvetlendiricilerin üçüncü tipi Şekil 4'te gösterilen ortak bazlı kuvvetlendirici devresidir. Burada
transistörün bazı toprağa bağlanmış ve işaret ise emiter ucundan devreye uygulanmıştır.
Şekil 4 Ortak bazlı kuvvetlendirici devresi
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab.1 Deney#7
Şekil 5'teki devre Şekil 4'te gösterilen ortak bazlı kuvvetlendiricinin küçük işaret eşdeğer devresini
göstermektedir (𝑉𝐴 = ∞, 𝑟0 = ∞ kabul edilmiştir).
Şekil 5 Ortak bazlı kuvvetlendirici devresinin küçük işaret eşdeğer devresi
Şekil 5'teki devreye göre;
𝑉0 = −(𝑔𝑚 𝑉𝜋 )(𝑅𝐶 //𝑅𝐿 )
olarak yazılır. Emiter düğümüne Kirchoff akım kanunu yazılırsa;
𝑔𝑚 𝑉𝜋 +
𝑉𝜋 𝑉𝜋 𝑉𝑠 − (−𝑉𝜋 )
+
+
=0
𝑟𝜋 𝑅𝐸
𝑅𝑠
elde edilir. 𝛽 = 𝑔𝑚 𝑟𝜋 olduğundan;
1+𝛽
1
1
𝑉𝑠
𝑉𝜋 (
+
+ )=−
𝑟𝜋
𝑅𝐸 𝑅𝑠
𝑅𝑠
yazılır ve eşitlik düzenlenirse;
𝑉𝜋 = −
𝑉𝑠
𝑟𝜋
[(
)//𝑅𝐸 //𝑅𝑠 ]
𝑅𝑠 1 + 𝛽
elde edilir. Küçük işaret gerilim kazancı ise;
𝐴𝑣 =
𝑉0
𝑅𝐶 //𝑅𝐿
𝑟𝜋
= 𝑔𝑚 (
)[(
)//𝑅𝐸 //𝑅𝑠 ]
𝑉𝑠
𝑅𝑠
1+𝛽
olarak yazılır. Burada 𝑅𝑠 sıfıra doğru yaklaşırsa gerilim kazancının
𝐴𝑣 = 𝑔𝑚 (𝑅𝐶 //𝑅𝐿 )
olacağına dikkat edilmelidir.
Şekil 5'teki devrede küçük işaret akım kazancını bulmak için emiter düğümüne Kirchoff akım kanunu
yazılır ve eşitlik düzenlenirse (ara işlemler yazılmamıştır) akım kazancı;
𝐴𝑖 =
𝐼0
𝑅𝐶
𝑟𝜋
= 𝑔𝑚 (
) [(
)//𝑅𝐸 ]
𝐼𝑖
𝑅𝐶 + 𝑅𝐿 1 + 𝛽
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab.1 Deney#7
olarak elde edilir. Burada 𝑅𝐸 sonsuza ve 𝑅𝐿 sıfıra yaklaşırsa akım kazancı;
𝐴𝑖0 =
𝑔𝑚 𝑟𝜋
=𝛼
1+𝛽
olarak yazılır. Burada 𝛼 transistörün ortak baz akım kazancı olarak adlandırılır.
Ortak bazlı kuvvetlendirici devresinde yukarıda bahsedildiği gibi gerilim kazancı 1’den büyüktür ve
akım kazancı ise 1’den biraz küçüktür. Ortak kolektörlü kuvvetlendirici devresinde olduğu gibi ortak
bazlı kuvvetlendirici devresinin avantajı da giriş ve çıkış direnç karakteristikleri göz önünde
bulundurulduğunda anlaşılmaktadır.
Transistörün emiter ucundan devreye bakıldığında giriş direnci;
𝑅𝑖𝑒 =
𝑉𝜋
𝐼𝑖
olarak tanımlanır. Girişe Kirchoff akım kanunu uygulanırsa (ara işlemler gösterilmemiştir) ;
𝑅𝑖𝑒 =
𝑉𝜋
𝑟𝜋
=
≡ 𝑟𝑒
𝐼𝑖 1 + 𝛽
elde edilir. Burada 𝑟𝑒 direnci oldukça küçüktür ve devre girişinin akım kaynağı olduğu devrelerde
ortak bazlı kuvvetlendirici tercih edilir.
Devrenin çıkış direnci 𝑅0 ise;
𝑅0 = 𝑟0 //𝑅𝐶 //𝑅𝐿
olarak elde edilir ve çok büyük bir değer alır.
Bu şekilde verilen giriş ve çıkış direnç karakteristiklerinden dolayı ortak bazlı kuvvetlendirici devresi
bir ideal akım kaynağı gibi davranır.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab.1 Deney#7
Üç Genel Kuvvetlendirici Devresinin Karşılaştırılması
Tablo 1’den de anlaşılacağı gibi ortak emiterli kuvvetlendirici devresinde akım ve gerilim kazancı
1’den büyüktür. Ortak kolektörlü devrede gerilim kazancı1’den biraz küçük olurken akım kazancı
birden büyüktür. Ortak bazlı kuvvetlendirici devresinde ise gerilim kazancı 1’den büyük iken akım
kazancı 1’den biraz küçüktür.
Tablo 1 BJT’li kuvvetlendirici devrelerinin karşılaştırılması
Kuvvetlendirici
Tipi
Gerilim
Kazancı
Akım Kazancı
Giriş Direnci
Çıkış Direnci
Faz Farkı
Ortak Emiterli
𝐴𝑣 > 1
𝐴𝑖 >1
Orta ≈
50 − 100𝑘𝛺
Büyük ≈
50𝑘𝛺
Var
Ortak Kollektörlü
𝐴𝑣 ≈ 1
𝐴𝑖 > 1
Ortak Bazlı
𝐴𝑣 > 1
𝐴𝑖 ≈ 1
Büyük
(kΩ’lar)
Küçük (≈
20𝛺)
Küçük (≈
50𝛺)
Büyük
(k-MΩ’lar)
KAYNAKLAR:
1. Microelectronics Circuit Analysis and Design, Neamen D., 2010
2. Microelectronic Circuit Design, Jeager R., Blalock T., 2011
MALZEME LİSTESİ




Dirençler
: 2x1k, 2.2k, 18k, 2x51k, 220k
BJT
: BC337
Kondansatör : 4.7uF, 2x10uF, 47uF
Standart deney teçhizatı
Yok
Yok
Tipik
Kullanım
Yeri
Yüksek 𝐴𝑣
ve
𝐴𝑖 istenen
devrelerde
Çıkış güç
katları vs.
Anten giriş
katları vs.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab.1 Deney#7
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
3. Hazırlık Çalışması
1. Aşağıdaki devrenin küçük işaret gerilim kazancını bulunuz. (β=100, 𝑉𝐵𝐸 = 0.7𝑉, 𝑉𝐴 = 80𝑉)
2. Aşağıdaki devrenin küçük işaret akım ve gerilim kazancını bulunuz.
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab.1 Deney#7
4. Deney Çalışması
Ortak Kollektörlü Kuvvetlendirici Deneyi
1. Aşağıdaki devreyi kurunuz.
Şekil 6
2. 𝐼𝐵𝑄 ve 𝐼𝐶𝑄 değerlerini multimetre ile; küçük işaret gerilim kazancını (𝐴𝑉 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 /𝑉𝑖𝑛 ) ise
osiloskobunuzun kırmızı probunu giriş işaretinize (𝑉𝑖𝑛 ), sarı probunu 𝑅𝐿 yük direncine
bağlayarak (𝑉𝑜𝑢𝑡 ) bulunuz ve aşağıya yazınız.
𝑰𝑩𝑸
Ölçüm Sonuçları
𝑰𝑪𝑸
𝑨𝑽𝟏 = 𝑽𝒐𝒖𝒕 /𝑽𝒊𝒏
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab.1 Deney#7
3. Aşağıdaki ilgili kutulara devrenin DC ve AC analizini yapınız. Devrenin AC eşdeğer devresini
transistörün hibrit- π eşdeğer modelinden yararlanarak çiziniz. 𝐼𝐵𝑄 , 𝐼𝐶𝑄 , 𝑟𝜋 , 𝑔𝑚 değerlerini ve
küçük işaret gerilim kazancı 𝐴𝑉 ’yi teorik olarak bulunuz ve ilgili kutucuklara yazınız.
DC ANALİZ
AC ANALİZ
𝑰𝑩𝑸
Teorik Sonuçlar
𝑰𝑪𝑸
𝑨𝑽𝟏
𝑨𝑽𝟐
𝑨𝑽𝟑
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab.1 Deney#7
Ortak Bazlı Kuvvetlendirici Deneyi
1. Aşağıdaki devreyi kurunuz.
2. 𝐼𝐵𝑄 ve 𝐼𝐶𝑄 değerlerini multimetre ile; küçük işaret gerilim kazancını (𝐴𝑉 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 /𝑉𝑖𝑛 ) ise
osiloskobunuzun kırmızı probunu giriş işaretinize (𝑉𝑖𝑛 ), sarı probunu 𝑅𝐿 yük direncine
bağlayarak (𝑉𝑜𝑢𝑡 ) bulunuz ve aşağıya yazınız.
𝑰𝑩𝑸
Ölçüm Sonuçları
𝑰𝑪𝑸
𝑨𝑽𝟏 = 𝑽𝒐𝒖𝒕 /𝑽𝒊𝒏
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab.1 Deney#7
3. Aşağıdaki ilgili kutulara devrenin DC ve AC analizini yapınız. Devrenin AC eşdeğer devresini
transistörün hibrit- π eşdeğer modelinden yararlanarak çiziniz. 𝐼𝐵𝑄 , 𝐼𝐶𝑄 , 𝑟𝜋 , 𝑔𝑚 değerlerini ve
küçük işaret gerilim kazancı 𝐴𝑉 ’yi teorik olarak bulunuz ve ilgili kutucuklara yazınız.
DC ANALİZ
AC ANALİZ
𝑰𝑩𝑸
Teorik Sonuçlar
𝑰𝑪𝑸
𝑨𝑽𝟏
𝑨𝑽𝟐
𝑨𝑽𝟑
Ç.Ü. Biyomedikal Mühendisliği
BMM212 Elektronik Lab.1 Deney#7
Adı, Soyadı:
Öğrenci No:
5. Sonuç ve Tartışma
1. 6. deneyde gözlediğiniz ortak emiterli (OE) kuvvetlendirici devresinin sonuçlarıyla birlikte 7.
deneyde elde ettiğiniz ortak kollektörlü (OK) ve ortak bazlı (OB) devrelerin sonuçlarını (giriş
direnci, çıkış direnci, gerilim kazancı, faz farkı) bir tablo halinde yazınız ve karşılaştırınız.
2. Her bir devrenin hangi amaçla elektronik devrelerde kullanıldığını yazınız.