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.