yarı iletken diyotlar - SABİS

TC
SAKARYA ÜNİVERSİTESİ
TEKNOLOJİ FAKÜLTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ
ELM202
ELEKTRONİK-II DERSİ
LABORATUAR FÖYÜ
DENEYİ YAPTIRAN:
DENEYİN ADI:
DENEY NO:
DENEYİ YAPANIN
ADI ve SOYADI:
SINIFI:
OKUL NO:
DENEY GRUP NO:
DENEY TARİHİ
RAPOR TESLİM TARİHİ
KONTROL
DEĞERLENDİRME
Ön Çalışma
(%20)
Deney
Sonuçları
(%20)
Deney No:
15
Sözlü
(%20)
Deney
Performansı
(%20)
Deney
Raporu
(%20)
Program Çıktıları
1, 2, 3, 4, 5
TOPLAM
Elektronik Dersi Deney Föyleri
DENEY 15 :
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
JFET TRANSİSTÖR POLARMASI
AMAÇ: JFET transistörlerin farklı polarma devreleri için statik çalışma noktasındaki(Q) akım ve gerilim
değerlerinin incelenmesi ve karşılaştırılması.
TEORİ:
Daha önce yapmış olduğunuz birleşim yüzeyli transistörlerin polarma devreleri deneylerinden
hatırlayacağınız üzere, silisyum transistörlerin farklı polarma devreleri için gerekli olan Q çalışma noktası akım
ve gerilimleri, VBE=0.7 V, IC=IB ve IEIC karakteristik denklemleri kullanılarak elde edilebiliyordu. Burada
giriş ile çıkış büyüklükleri arasındaki ilişki  ile sağlanıyor ve dizayn işlemlerinde değerinin sabit olduğu farz
ediliyordu. Buna göre giriş büyüklüğü(IB) ile çıkış büyüklüğü(IC) arasındaki ilişki lineer(doğrusal) bir özellik
gösteriyordu. JFET transistörler söz konusu olduğunda ise, giriş ile çıkış büyüklükleri arasındaki ilişkinin
Shockley denkleminden dolayı lineer olmayan(nonlinear) bir özellik gösterdiği görülmektedir. Bu özellikten
dolayı JFET’lerin DC analizlerinin(matematiksel olarak incelenmesinin), BJT transistörlere göre daha zor ve
karmaşık olduğu tahmin edilebilir. Bu dezavantajı yok edebilmek için genelde JFET’lerin DC analizleri
grafiksel olarak incelenerek, karmaşıklık oldukça azaltılmakta ve analiz için harcanan süre kısaltılmaktadır.
BJT transistörler ile JFET transistörlerin analizleri arasındaki bir diğer fark ise; BJT transistörde akım(I B) olan
giriş kontrol parametresinin, JFET transistörlerde gerilim(V GS) olmasıdır. Buna rağmen her iki transistör tipinde
de çıkış büyüklüğü akım şeklindedir(IC ve ID).
JFET’lerin DC analizinde kullanılan genel matematiksel ilişkiler,
IG  0 A
(1)
ID = IS
(2)
 V
I D  I DSS 1  GS
VP




2
(3)
olarak belirlenebilir. Burada üzerinde önemle durulması gereken bir konu, bu ilişkilerin polarma devrelerine
bağımlı olmayıp sadece kullanılan JFET’e bağımlı olmasıdır. Tabii ki bu şart transistörün aktif bölgede
çalıştırıldığı durum için yapılmıştır.
Yukarıda değinildiği gibi JFET’lerin giriş ve çıkış büyüklükleri arasındaki ilişkinin lineer olmayan bir özellik
göstermesinden dolayı, yük eğrisi üzerindeki farklı noktalarda seçilen çalışma noktalarında, giriş gerilimi olan
VGS’nin aynı büyüklükteki değişimleri, farklı büyüklükte bir çıkış akımı(I D) oluşturacaktır(karakteristik eğrinin
farklı noktalarda faklı eğimlere sahip olmasından dolayı). Bu nedenle, JFET kullanımında karşımıza iki önemli
problem çıkmaktadır.
Birinci problem Gate girişinde olabilecek yüksek genlikli AC giriş sinyalinin, çıkışta bozulmaya(distorsiyon)
uğramasıdır. Bu problem özellikle giriş sinyalinin pozitif alternansının, VGS gerilimini giriş karakteristik
eğrisinin üst noktasına denk gelen bir noktaya taşıdığı durumda meydana gelir ki, bu durumda transistör doyum
akımında(IDSS) olduğundan, giriş sinyalindeki daha fazla artım çıkışa yansımayacak ve dolayısı ile çıkış dalga
şekli bozulacaktır. Bunun nedeni yukarıda da değinildiği gibi karakteristik eğrinin V GS’nin daha pozitif olduğu
kesimde daha dik bir eğime sahip olmasıdır. Bu problemi çözmek için genelde giriş AC sinyalinin genliği küçük
seçilir.
Bunu bir örnekle açıklamak gerekirse; IDSS= 1 mA ve VP= -1.2 V olan bir JFET’i ele alalım. Bu transistörün
çalışma noktasının VGSQ=-0.2 V olduğunu farz edelim. Bu durumda I DQ=0.694 mA olacaktır. Eğer giriş AC
sinyalinin tepe(peak) değeri 0.2 Voltu aşarsa, ki bu durumda giriş sinyalinin pozitif alternansı VGSQ voltajını
sıfıra ve oradan da pozitif bir değere taşıyacağından(çıkış I D akımının maksimum değeri IDSS akımı ile
sınırlanacağından), giriş AC voltajının pozitif alternansının 0.2 Volttan büyük kısımlarında çıkış akımı ve
dolayısı ile çıkış gerilimi sabit kalacaktır. Buda giriş sinyalinin çıkışta bozulmaya uğraması demektir.
Örneğimize devam edersek, bu kez giriş AC sinyalinin tepe değerini 0.15 Volt olarak alalım. Bu durumda giriş
sinyalinin pozitif alternansında VGS gerilimi -0.05 değerinde olacağından, buna bağlı olarak I D akımının değeri
Shockley denkleminden ID= 0.918 mA olarak bulunur. Giriş sinyalinin negatif alternansında ise V GS=-0.35 V
değerinde olacağından, buna bağlı olarak ID=0.501 mA olacaktır. Şimdi giriş geriliminin pozitif yöndeki +0.15
Voltluk bir değişiminin çıkış akımında neden olduğu değişimi bulursak, ID=ID+ - IDQ =0.918-0.694=0.224 mA.
Öte yandan negatif alternans için bu değişim, ID= IDQ – ID- =0.694 – 0.501 = 0.193 mA olacaktır. Buradan da
görüldüğü gibi giriş AC sinyali +0.15 V artarsa I D akımı 0.224 mA artarken, giriş AC sinyalinin –0.15 V
2
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
azalması durumunda bu değişim 0.193 mA seviyesinde kalmaktadır. Bunun anlamı JFET, giriş sinyalinin pozitif
ve negatif alternansları için farklı kazançlarda yükseltme yapmaktadır.
İkinci problem ise Q çalışma noktasının, giriş karakteristik eğrisinin en doğrusal(lineer) kesiminde seçilmesi
problemidir. Eğer karakteristik eğri incelenirse, eğrinin en doğrusal kesimindeki eğimin oldukça yüksek olduğu
görülecektir. Dolayısı ile çalışma noktasının bu bölgede seçilmesi birinci problemin yaşanmasına neden
olacaktır. Bu problemi ortadan kaldırmak içinse yine birinci problemin çözümünde olduğu gibi giriş AC
sinyalinin genliği düşük tutulur.
POLARMA DEVRELERİ
1- Self Polarma Devresi:
JFET polarma devrelerinin en basit ve maliyet bakımından en düşük olanı Şekil-1’de görülen self polarma
devresidir. Şekildeki RS direnci, transistörün aktif bölgede çalışabilmesi için gerekli olan negatif V GS polarma
gerilimini sağlamak için kullanılmıştır. Eğer giriş katından bir çevre denklemi yazılırsa
VGS=-VRS=-IDRS
(4)
olduğu görülecektir. Buradan,
RS 
V RSQ
(5)
I DQ
olarak bulunabilir. Yine pratik bir yöntem olarak, Q çalışma noktasının karakteristik eğrinin en doğrusal
kesiminde seçilebilmesi için
V

R D   DD  R S 
 I DSS

(6)
olarak alınabilir.
+VDD
RD
Co
Ci
Vi
V0
Q1
RG
RS
Şekil-1 Self polarma Devresi
2- Gerilim Bölücü Polarma Devresi:
BJT transistörlerde olduğu gibi gerilim bölücü polarma devresi aynı zamanda JFET transistörler içinde
kullanılmaktadır(Şekil-2). Burada R1 ve R2 dirençleri Gate voltaj(VG) değerini belirlemek için kullanılmaktadır.
Yine RS direnci transistörün aktif bölgede çalışabilmesi için gerekli olan negatif V GS polarma gerilimini
sağlamak için kullanılmaktadır. Gerilim bölücü dirençler kullanılarak,
VG 
V DD
R2
R1  R2
(7)
olarak bulunabilir. Yine polarma devresinin giriş kısmında bir çevre denklemi oluşturulursa,
VGS = VG - IDRS
(8)
3
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
olarak bulunur.
+VDD
RD
R1
Co
Ci
Vi
V0
Q1
R2
RS
Şekil-2 Gerilim Bölücülü polarma devresi
3- Sabit Akım Kaynaklı Polarma Devresi :
Pratikte karşılaşılan bir diğer problemde, aynı tipte üretilen JFET’lerin farklı karakteristiklere sahip olmasıdır.
Buna üreticiler tarafından belirlenen IDSS ve VP değerlerinin sabit olmayıp belirli bir aralık için tanımlanması
neden olmaktadır. Bunun sonucu olarak , seri üretimde aynı tip JFET kullanılarak yapılan aynı tip yükselteç
devrelerinin (üretilen her bir yükseltecin farklı çalışma noktalarında çalışmasından dolayı), her birinin farklı
karakteristikler taşıyacağı doğaldır. Bu problemin önüne geçmek için Şekil-3’te görülen sabit akım kaynaklı
polarma devresi kullanılır. Bu devrede JFET’in Q çalışma noktasındaki I D akım değeri, JFET’in
karakteristiğine bağımlı olmaktan çıkarılmış ve BJT transistörle sağlanan sabit akım kaynağının değerine
eşitlenmiştir. Böylece farklı IDSS ve VP değerlerine sahip JFET’ler bu devre yardımı ile aynı I D akım
değerinde çalıştırılabilmektedir. Eğer devre incelenirse BJT transistörünün beyz polarmasının R1 ve R2 gerilim
bölücü dirençler vasıtası ile sabit bir değerde olduğu görülebilir. Bu değer,
VB 
V DD
R2
R1  R2
(9)
eşitliği ile bulunabilir. Yine kullanılan BJT transistörünün silisyum tipinde olduğu farz edilirse V BE=0.7 V
olacağından,
VE= VB-VBE=VB-0.7
(10)
olacaktır. Buradan ,
IE 
V E VB - 0.7

RE
RE
(11)
olarak bulunur. Yine ,
IEIC
(12)
olarak alınabilir. Bulunan IC ve IE akım değerlerinin sabit olduğu açıktır. Devreden IC akımının JFET’in Source
ucundan çıktığı görülmektedir, dolayısı ile,
ID=IC
(13)
olacak ve bu değerde JFET’in karakteristiğine bağlı olmaksızın sabit bir değerde olacaktır.
Not: Tüm polarma devrelerinde kullanılan RG direnci M seviyesinde büyük bir değerde seçilmelidir(örneğin
1 M ve üzeri)
4
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
+VDD
R1
RD
Co
V0
Ci
Vi
Q1
RG
Q2
R2
RE
CB
Şekil-3 Sabit Akım Kaynaklı polarma Devresi
İŞLEM BASAMAKLARI
1- Şekil-1’de görülen polarma devresinde, aşağıdaki istenilen değerleri elde edebilmek için gerekli olan RD , RS
ve VGSQ değerlerini hesaplayınız. Not: Devrede kullanılacak olan JFET BF245 tipinde olacaktır.
VDD=12 V,
IDQ=4 mA,
VP
RD =.............................................
ve IDSS
değerleri bir önceki deneyde bulduğunuz değerler alınacaktır.
RS =.............................................
VGSQ =.............................................
Bulduğunuz direnç değerlerine en yakın standart direnç değerlerini kullanarak devreyi deney seti üzerine
kurunuz. Kurduğunuz devre üzerinde dijital ölçü aleti kullanarak gerçek IDQ ve VGSQ değerlerini ölçerek aşağıya
kaydediniz. Not: Bu deney föyü sadece DC analizi içerdiğinden, bundan sonraki işlem basamaklarında Ci ve Co
kondansatörleri kullanılmayacaktır.
IDQ=.............................................
VGSQ=..........................................
Şimdi JFET transistörünüzü aynı tip bir başka transistörle değiştirerek yukarıda yaptığınız ölçümleri
tekrarlayınız, bu işlemi üç ayrı JFET transistör için tekrarlayarak sonuçları Tablo-1 e kaydediniz.
2- 1.basamakta, Şekil-1 için istenilen Q çalışma noktasını Şekil-2’de verilen devrede elde edebilmek için
gerekli olan R1 , R2 , RD ve RS dirençlerinin değerlerini hesaplayınız(Not: Hesaplamalarda yukarıda verilen
bilgiler kullanılacaktır). Bulduğunuz değerleri aşağıya kaydediniz.
R1 =................................
R2 =..................................... RD =................................
RS =.....................................
Yukarıda hesapladığınız dirençleri standarda en yakın değerde(yaklaşık olarak) kullanarak Şekil-2’deki devreyi
deney seti üzerine kurunuz. Bundan sonra 1. basamakta yapılan işlemleri Şekil-2’de verilen devre için
tekrarlayarak , sonuçları aşağıdaki boşluklara ve Tablo-2 ’deki uygun yerlere yazınız.
IDQ=.............................................
VGSQ=..........................................
3- Şekil-3’deki devrede VDD=12 V olduğu durumda, IDQ=4 mA değerlerinin elde edilebilmesi için gerekli
olan direnç değerlerini hesaplayarak aşağıya kaydediniz. Not: direnç değerlerini seçerken standart değerlerin
kullanılması devrenin gerçekleştirilmesini kolaylaştıracaktır. Devrede kullanılan CB=100 F, transistörler
Q1=BF245, Q2=BC108B tipinde, RD=1 K ve RE=1 K seçilecektir.
5
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
R1 =.........................
R2 =..............................
Şimdi yukarıda hesapladığınız R1 ve R2 dirençlerini standarda en yakın değerde kullanarak Şekil-3’deki
devreyi deney seti üzerine kurunuz. Bundan sonra 1. basamakta yapılan işlemleri Şekil-3’de verilen devre için
tekrarlayarak , sonuçları aşağıdaki boşluklara ve Tablo-3’deki uygun yerlere yazınız.
IDQ=.............................................
VGSQ=..........................................
Bundan sonra RD direncinin değerini 2.2 K değerine çıkartarak önceki işlemleri tekrarlayınız ve sonuçları
aşağıdaki boşluklara ve Tablo-3’deki uygun yerlere yazınız.
IDQ=.............................................
Örnek JFET
VGSQ (V)
VGSQ=..........................................
1
2
3
IDQ (mA)
Tablo-1 Self Polarma Sonuçları
Örnek JFET
VGSQ (V)
1
2
3
IDQ (mA)
Tablo-2 Gerilim Bölücülü Polarma Sonuçları
Örnek JFET
VGSQ (V)
1
2
3
RD=1 K
IDQ (mA)
VGSQ (V)
RD=2.2 K
IDQ (mA)
Tablo-3 Sabit Akım Kaynaklı Polarma Sonuçları
Sonuçların Analizi:
1- Yukarıda elde ettiğiniz sonuçlara dayanarak Şekil-1 ve Şekil-2’de verilen devrelerde, aynı tipte farklı
JFET’ler kullanılması durumunda çalışma noktası değişiyor mu? Değişiyorsa sebebini açıklayınız. Deney
yolu ile elde ettiğiniz bu sonuçlar, teoride gördüğünüz sonuçlarla uyuşuyor mu ? Açıklayınız.
2- 1. Soruyu Şekil-3’de verilen devre için cevaplayınız.
3- Yukarıda verilen polarma devrelerini kendi aralarında karşılaştırarak, avantaj ve dezavantajlarını belirtiniz.
4- JFET’ler için kullanılan polarma devreleri ile BJT’ler için kullanılan polarma devrelerini karşılaştırınız ve
polarma devresi dizaynında göz önüne alınan hususları belirtiniz.
5- Kısaca JFET’ler ile BJT transistörleri karşılaştırıp, avantaj ve dezavantajlarını belirtiniz.
6
Elektronik Dersi Deney Föyleri
Doc.Dr. Ali Fuat Boz
SORULAR
1- Şekil-1 ve Şekil-3’de verilen polarma devrelerinde kullanılan RG direncinin görevini açıklayınız.
2- Şekil-2’deki polarma devresinde kullanılan R1 , R2 ve RS dirençlerinin görevini açıklayınız.
3- Şekil-3’deki polarma devresinde kullanılan R1 , R2 ve RE dirençlerinin görevini açıklayınız.
4- Yukarıdaki tüm polarma devrelerinde kullanılan RD direncinin görevini açıklayınız.
7