Q1 Q2 V+ V
advertisement
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 küçük-işaret 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 B-E gerilimi birbirine eşittir.Q1 transistörünün toplayıcı ve taban terminalleri birbirine bağlı olduğu için Q1 transistörün ileri beslemededir ve diyot gibi davranır. V+ V+ 2 IREF IREF IC2 = IO IC2 = IO 1 IB1 Q1 IB2 IB1 Q2 + Q1 VBE V- 3 IB2 Q2 + VBE 4 V- Şekil 7.1 Temel İki Transistörlü BJT Akım Kaynağı Transistörler eş ve B-E gerilimleri eşit olduğu için, IB1 ve IB2, IC1 ve IC2 akımları birbirine eşittir. Bu durumda ideal çıkış akımı, ve referans akımı da OKÜ - ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ - ELEKTRONİK LABORATUVARI 1 olarak hesaplanır 7.2.2 Temel İki Transistörlü MOSFET Akım Kaynağı Temel iki-transistörlü NMOS akım kaynağı iki tane eş NMOS transistörlerden oluşur. Bu transistörlerin geçit ve kaynak terminalleri birbirine bağlıdır. Bu yapıdan dolayı iki transistor ün G-S 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+ IREF ID2 = IO M1 + VGS - M2 V- Şekil 7.2 Temel İki-Transistölü NMOS Akım Kaynağı λ’nın sıfır olduğunu varsayarsak, G-S gerilimi olarak hesaplanır. Çıkış akımı ise M1 ve M2 transistörleri eş olduğu için VTN1 ve VTN2, kn1 ve kn2 birbirine eşit olur. Çıkış akımı ise olur. Referans akımını belirlemek için devreye bir transistör daha eklenebilir. Temel üç-transistörlü akım kaynağının devre şeması Şekil 7.3’te gösterilmiştir. OKÜ - ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ - ELEKTRONİK LABORATUVARI 2 V+ 2 M3 1 ID2 = IO + - VGS3 3 M1 + VGS1=VGS2 4 M2 V- Şekil 7.3 Temel Üç-Transistörlü NMOS Akım Kaynağı λ’nın sıfır olduğunu varsayarsak, M2 transistörünün G-S 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 QO 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. Q1 ve Q2 transistörleri eş ise, çalışma noktasındaki C-E gerilimi Yukarıdaki eşitlik Qo ve Q2’nin beslemeleri ileri aktif bölgede olduğu sürece geçerlidir. OKÜ - ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ - ELEKTRONİK LABORATUVARI 3 V+ V+ Q2 Q2 Q1 C Q1 R1 Vo Vo R1 VI QO VIdc RL QO (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. Vo + hie VIac hfeib 1/ho0 1/ho1 RL 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, VI, MO 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. M1 ve M2 transistörleri eş transistörler ise, λ1= λ2= λP, VTP1=VTP2=VP ve kP1=kP2=kP olur. Çalışma noktasındaki D-S gerilimi olarak hesaplanır. V+ M2 M2 M1 C Vo VI MO M1 4 IREF VI 1 IREF Vo 2 R1 RL V+ 3 R1 MO 5 (a) (b) 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. Vo + VIac gmVGS rd1 rd2 RL 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, IREF ve IO’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 1K 2K 3K 4K 5K 6K 7K OKÜ - ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ - ELEKTRONİK LABORATUVARI 8K 9K 6 10 K 7.3.2 Şekil 7.3’de, IREF ve IO’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 2K 4K 6K 8K 10 K 12 K 14 K OKÜ - ELEKTRİK ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ - ELEKTRONİK LABORATUVARI 16 K 18 K 7 20 K 7.3.3 Şekil 7.6(b)’deki devrenin PSpice analizini yapınız, küçük işaret kazancı Av’yi elde ediniz. Vodc ve IREF’i bulunuz.( Vin = 2.8+0.05sin(2π100t) V and V+=10 V). AV = VOdc = IREF = 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) RL IO VCE2 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) RL IO VDS2 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 Av, IREF ve Vodc’yi elde ediniz. Vodc ve.( Vin = 2.8 + 0.05sin(2π100t) V and V+=10 V) 4.7 k Vin AV = + VS 2.2 k VOdc = IREF = 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
