FET`in DC ve AC Analizi

ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELEKTRONİK-II LABORATUARI
Deney Adı: FET’in DC ve AC Analizi
Deney 2: FET’in DC ve AC Analizi
Deneyin Amacı:
FET’in iç yapısının öğrenilmesi ve uygulamalarla çalışma yapısının anlaşılması.
A.ÖNBİLGİ
FET (Field Effect Transistor) (Alan Etkili Transistör)
FET yarıiletken bir elektronik devre elemanıdır. BJT de olduğu gibi üç ucu bulunur.
FET çeşitleri
FET
JFET
MOSFET
N KANAL
P KANAL
ÇOĞALAN TİĞ
(DEMOSFET)
AZALAN TİP
(EMOSFET)
N KANAL
N KANAL
P KANAL
P KANAL
CMOS
JFET (JUNCTION FET) (Birleşim FET)ve MOSFET (Metal Oxside Semiconductor FET) (Metal Oksit
yarıiletken FET) iki tip alan etkili transistördür. Her ikisi de N kanal ve P kanal olarak üretilirler. N
kanallı JFET’lerde iletim elektronlarla, P kanallı JFET’lerde ise iletim oyuklarla gerçekleştirilir.
JFET’ler BJT’lerin kullanıldığı her yerde kullanılabilir. JFET’in BJT yerine tercih edilmesinin genel olarak
avantajları vardır. JFET ve BJT özelliklerinin karşılaştırılması Tablo 2.1’den görülebilir.
Field Effect Transistor (FET)
Düşük voltaj kazancı
Yüksek akım kazancı
Çok yüksek giriş empedansı
Yüksek çıkış empedansı
Düşük gürültü seviyesi
Hızlı anahtarlama zamanı
Statik elektrikten kolay etkilenme
Voltaj kontrollü
Daha pahalı
Bipolar Junction Transistor (BJT)
Yüksek voltaj kazancı
Düşük akım kazancı
Düşük giriş empedansı
Düşük çıkış empedansı
Daha yüksek gürültü seviyesi
Daha yavaş anahtarlama zamanı
Statik elektriğe karşı dayanıklı
Akım kontrollü
Ucuz
Tablo 2.1 : FET-BJT karşılaştırılması
Sayfa - 1 -
Toplam Sayfa - 6 -
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELEKTRONİK-II LABORATUARI
Deney Adı: FET’in DC ve AC Analizi
Şekil 2.1: a) n kanal JFET içyapısı b) p kanal JFET içyapısı c)n kanal JFET simgesi d)p kanal JFET simgesi
JFET’ler BJT’ler, diyotlar gibi yarıiletken malzemelerden üretilmiştir. N kanal JFET iki p tipi madde
arasına n tipi madde konularak elde edilir. N kanal JFET’in fiziksel yapışı şekilde gösterilmiştir. D-S
arasına bir gerilim uygulanırsa kanaldan geçen akım kanalın omik direncine bağlıdır. Bu direnç
𝑅𝐷𝑆 = ℊ.
ℓ
𝐴
ℊ: ö𝑧𝑔ü𝑙 𝑑𝑖𝑟𝑒𝑛ç ℓ: 𝑘𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑢𝑧𝑢𝑛𝑙𝑢ğ𝑢 𝐴: 𝑘𝑎𝑛𝑎𝑙 𝑘𝑒𝑠𝑖𝑡 𝑎𝑙𝑎𝑛𝚤
formülüyle hesaplanır.
VDS>0 gerilim
uygulanırsa D ile G arası p-n eklemi
oluşur. VDS ≤0 ise eklem tıkama yönünde
kutuplaştırılmış olur, bu durumda; VGS
değerine bağlı olarak taşıyıcılardan
arındırılmış bölge genişleyerek kanalın
kesit alanını (A) küçültür. Omik direnç
artar. D-S arası akan akım azalır. VGS
değeri daha artırılarak taşıyıcılardan
arındırılmış bölge daha da genişler,
kanalın kesitini akım geçemeyecek kadar
küçültür. Bu durumda ID akımı sıfır olur. ID
akımını sıfır yapan VGS gerilimine boğulma
gerilimi denir ve VP ile gösterilir.
Şekil 2.2 : n kanal JFET fiziksel yapısı
𝑉𝑝 = −𝑉𝐺𝑆
(𝐼𝐷 = 0 𝑖ç𝑖𝑛)
Sayfa - 2 -
Toplam Sayfa - 6 -
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELEKTRONİK-II LABORATUARI
Deney Adı: FET’in DC ve AC Analizi
FET’in kazanç sağlayabilmesi için doyma bilgesinde çalıştırılması gerekir. FET sadece tıkama
yönündeki VGS gerilimiyle çalışır. VGS=0 G-S arasına uygulanabilen en büyük değerdir. Bu değerde ID
artar ve VDS≈VP değerinde en yüksek seviyeye ulaşır. Buna ID’nin doyma akımı denir ve IDSS ile
gösterilir.
𝐼𝐷𝑆𝑆 = 𝐼𝐷
(𝑉𝐷𝑆 ≅ 𝑉𝑃
𝑣𝑒
𝑉𝐺𝑆 = 0 𝑖ç𝑖𝑛)
Şekil 2.3: n kanal JFET çıkış karakteristiği
Doyma bölgesi sınırı VDS=VGS+VP ile belirlenir. VGS ve VP gerilimi negatif olduğundan ikisinin farkı pozitif
olur VDS≥ VGS+VP olur.
𝐼𝐷 =
𝐼𝐷𝑆𝑆
. (𝑉𝐺𝑆 + 𝑉𝑃 )2
𝑉𝑃2
P kanallı JFET ise iki n tipi madde arasına p tipi madde eklenerek yapılır. Tüm akım ve gerilim yönleri n
kanallı JFET’in tersidir.
Sayfa - 3 -
Toplam Sayfa - 6 -
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELEKTRONİK-II LABORATUARI
Deney Adı: FET’in DC ve AC Analizi
FET’in AC Analizi – FET’in Kuvvetlendirici Olarak Kullanılması
FET ile kuvvetlendirici çalışmasında FET’in AC eşdeğer devresi kullanılır ve devrenin analizi (girişçıkış dirençleri, gerilim kazancı gibi) bu sayede gerçekleştirilir.
Şekil 2.4: FET AC eşdeğer devresi
FET’in iletkenlik sabiti gm, ID ve VGS’deki değişimin oranı
olarak bulunabilir.
∆𝐼
𝑔𝑚 = ∆𝑉 𝐷
𝐺𝑆
diğer bir formülle 𝑔𝑚 =
2𝐼𝐷𝑆𝑆
|𝑉𝑝 |
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑖𝑛
Kazanç
: 𝐴𝑉 =
Yükselteç giriş empedansı
: 𝑅𝑖𝑛 = 𝑅𝐺
Yükselteç çıkış empedansı
: 𝑅𝑜𝑢𝑡 = 𝑅𝐷
[1 +
𝑉𝐺𝑆
]
𝑉𝑝
Şekil 2.5: gm'nin giriş karakteristik eğrisi
üzerindeki gösterimi
= −𝑔𝑚 . 𝑅𝐷
Sayfa - 4 -
Toplam Sayfa - 6 -
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELEKTRONİK-II LABORATUARI
Deney Adı: FET’in DC ve AC Analizi
B.DENEY ÖNCESİ ÇALIŞMASI
a)FET’in DC Analizi
1. Şekildeki devreyi benzetim programında kurunuz.
BAT=0.25V ve 0.5V için ID,VGS ve VDS değerlerini ölçünüz.
BAT
ID
VGS
VDS
0.25V
0.50V
2. ID akımını sıfır yapan VGS değerini not ediniz. Bu değer boğulma
gerilimi olarak adlandırılır ve VP ile gösterilir.
ID=0A iken VP=
VGS gerilimi sıfır iken ID akımının maksimum olduğu değeri not
alınız. Bu değer IDSS ile gösterilir.
VGS=0V iken IDSS=
3. VG gerilimini değiştirerek VGS-ID grafiğini (geçiş karakteristiğini)
milimetrik kâğıda çiziniz.
Şekil 2.6: FET’in DC Analizi
VGS(-VBAT)
0V
-0.1V
-0.2V
-0.3V
-0.4V
-0.5V
-0.75V
-1V
ID
4. VG gerilimi 0.25V ve 0.5V iken ID akımının değerini 𝐼𝐷 =
𝐼𝐷𝑆𝑆
. (𝑉𝐺𝑆
𝑉𝑃2
+ 𝑉𝑃 )2 formülüyle
ispatlayınız.
5. BF245A JFET’e ait datasheet (katalog) bilgilerini bulunuz ve bacak bağlantılarını not alınız.
b)FET’in AC Analizi
Şekil 2.7‘deki devre için;
RG=1MΩ
RS=200Ω
RD=1.2kΩ
IDSS=8mA
Vp=4V
VGS=-0,94V
gm, Av, Rin, Rout değerlerini bulunuz (rd ihmal
edilebilir).
Şekil 2.7: FET yükselteç devresi
Sayfa - 5 -
Toplam Sayfa - 6 -
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELEKTRONİK-II LABORATUARI
Deney Adı: FET’in DC ve AC Analizi
C.DENEY ÇALIŞMASI
a)FET’in DC Analizi
Şekil 2.6’daki devreyi laboratuvarda board üzerine kurunuz. 1. ve 2. işlem basamaklarını tekrarlayınız.
Değerleri not alınız.
1.
BAT
0.25V
0.50V
2.
ID
VGS
ID=0A iken VP=
VDS
VGS=0V iken IDSS=
b)FET’in AC Analizi
Şekil 2.7’deki devreyi aşağıdaki eleman değerlerini kullanarak board üzerine kurunuz.
o
o
o
o
o
o
RD=4.7kΩ
RG=10kΩ
RS=680Ω
C1=C2=C3=10µF
VDD=15V
Vin= 0.1 sin (2π1000t)
1.VGS değerini ölçü aleti yardımıyla bulunuz ve not alınız.
VGS=
2.Giriş ve Çıkış sinyallerini aşağıda ayrılan bölgeye ölçekli olarak çiziniz.
3.FET Yükselteç deneyinde laboratuvar sonuçlarını temel alarak gm, Rin ve Rout değerlerini ve kazancı
hesaplayınız. (DC analiz ve AC analizde ölçtüğünüz verileri kullanınız)
gm=
Rin=
Rout=
AV=
Sayfa - 6 -
Toplam Sayfa - 6 -