5.Hafta Transistörlü Yükselteçler 5 ELT201 Elektronik II Dersi 5.Hafta Transistörlü Yükselteçler 5

İçerik Yükselteçlerde Bağlantı Türleri 1- Ortak Beyzli Devre 2- Ortak Emiterli Devre 3- Ortak Kollektörlü Devre

Şekil-2.1. Temel bir yükseltecin blok diyagramı Yükselteçlerde Bağlantı Türleri Temel bir yükselteç devresinin blok diyagramı şekil 2.1’de verilmiştir. Yükselteç girişine uygulanan işaret, belirli işlemlerden geçirilir ve yükseltilerek çıkışa aktarılır. Bu durum, yükselteç devresinin temel işlevidir. Şekil-2.1. Temel bir yükseltecin blok diyagramı

Yükselteçlerde Bağlantı Türleri Blok diyagramda görüldüğü gibi yükselteç için 2 giriş ve 2 çıkış terminali gereklidir. Transistörlü yükselteç devrelerinde kullanılan temel eleman ise transistördür. Transistör 3 uçlu bir devre elamanıdır. Dolayısıyla yükselteç tasarımında transistörün bir terminali giriş ve çıkış için ortak uç olarak kullanılır. Bu nedenle yükselteçler, transistörün bağlantı şekillerine göre sınıflandırılırlar. Örneğin ortak emiterli bir yükselteç devresinde; emiter terminali giriş ve çıkış için ortak uçtur. Bu bağlantı tipleri sırası ile; • Ortak-beyzli yükselteç • Ortak-emiterli yükselteç • Ortak-kollektörlü yükselteç olarak adlandırılır. Her bir bağlantı tipinin kendine has bir takım özellikleri vardır. Dolayısı ile kullanım alanları farklıdır.

Ortak Beyzli Devre A) Ortak Beyzli Devre Beyzin, hem giriş hem de çıkış uçlarında ortak olarak kullanılmasıyla oluşan devrelere, ortak beyzli devre denir. Ortak beyzli devrede, uygulanan potansiyeller, beyz potansiyeline göre VEB ve VCB şeklinde isimlendirilirler. Başka bir deyişle, indisin ikinci harfi daima transistörün devre tipini belirtmektedir.

Ortak Beyzli Devre Şekil 2.2 : Ortak beyzli devre için kullanılan işaret ve semboller (a) PNP transistör (b) NPN transistör

Ortak Beyzli Devre Şekil 2.3`deki çıkış veya kollektör karakteristiği, kollektör akımını, kollektörden beyze giden gerilime ve emiter akımına ilişkilendirir. Kollektör karakteristiği Şekil 2.3`de gösterildiği gibi iletim, kesim ve doyma bölgelerine sahiptir. İletim bölgesinde kollektör jonksiyonu ters yönde, emiter jonksiyonu ise ileri yönde öngerilimlenmiştir. Şekil 2.3 : Ortak beyzli PNP transistörünün Kollektör veya çıkış karakteristikleri

Ortak Beyzli Devre Ortak beyzli devrede IE = 0 durumunda görülen devre koşulları Şekil 2.5`de gösterilmiştir. Ico için bilgi sayfalarında en sık kullanılan işaret, Şekil 2.5`de de gösterildiği gibi, ICBO`dır. Gelişen yapım teknikleri sayesinde genel amaçlı (özellikle silisyum) transistörlerde düşük ve orta güç aralıklarında ICBO düzeyi ihmal edilebilmektedir. Şekil 2.5 : Ters doyma akımı Şekil 2.4 : Ortak beyzli PNP transistörünün Emiter veya giriş karakteristikleri

Ortak Beyzli Devre kadardır. Şekil 2.3`e dikkat edilirse, emiter akımı sıfırın üzerine çıkınca kollektör akımı da yaklaşık olarak, transistör akım denklemlerinde belirtildiği gibi emiter akımının artışına eşit bir artışla yükselmektedir. Ayrıca VCB`nin kollektör akımı üzerindeki etkisi, neredeyse ihmal edilebilir ölçüdedir. Eğrilerden de açıkça anlaşılabileceği gibi, IE ve IC arasındaki ilişki iletim bölgesinde yaklaşık olarak (5.6) kadardır. Şekil 2.3 : Ortak beyzli PNP transistörünün Kollektör veya çıkış karakteristikleri

Ortak Beyzli Devre Kesim bölgesinde, hem kollektör hem de emiter jonksiyonu ters öngerilimlenmiştir. Bu da Şekil 2.3`de gösterildiği gibi ihmal edilebilir bir kollektör akımına yol açmaktadır. Doyma bölgesi adı verilen bölgede ise kollektör ve emiter jonksiyonları ileri öngerilimlenmiştir. Bu da, kollektör-beyz potansiyelindeki küçük değişiklere karşılık kollektör akımında üstel değişimler oluşturmaktadır. Şekil 2.3 : Ortak beyzli PNP transistörünün Kollektör veya çıkış karakteristikleri

Ortak Beyzli Devre bulunmaktadır. Şekil 2.4`de gösterildiği gibi, giriş veya emiter karakteristiklerinin sadece bir bölgesi ile ilgilenilmektedir. Sabit VCB gerilimi altında, emiter-beyz potansiyeli arttıkça emiter akımı da artmaktadır. Artan VCB düzeyleri ise, aynı akımı sağlayacak şekilde, VEB düzeyinin azalmasına yol açmaktadır. Yarıiletken silisyum diyotta olduğu gibi, DC çalışmada ileri öngerilimli beyz-emiter jonksiyonu için VEB değeri yaklaşık olarak, (5.7) bulunmaktadır. Şekil 2.4 : Ortak beyzli PNP transistörünün Emiter veya giriş karakteristikleri

Ortak Beyzli Devre Örnek 2.1 Şekildeki karakteristikleri kullanarak; VEB = 750mV ve VCB = -10V için devredeki kollektör akımını (IC) bulunuz. IC = 5mA ve VCB = -1V için VEB`yi bulunuz.

Ortak Beyzli Devre (a) VEB = 750mV ve VCB = -10V değerlerindeki kesişme noktasında IE = 3,5mA`dir. Böylece IC ; olarak belirlenir. (b) IE = IC = 5mA`dir. Giriş karakteristiğinde IE = 5mA ve VCB= -1V`un kesişme noktasında VEB= 800mV = 0.8V olarak bulunur.

Ortak Beyzli Devre

Ortak Emiterli Devre B) Ortak Emiterli Devre Emiterin hem giriş hem de çıkış uçlarında ortak kullanılmasıyla oluşan devrelere, ortak emiterli devre denir. Şekil 2.6`da da görüldüğü gibi devrenin tipini belirtmek üzere potansiyellerde, ikinci indis olarak E (emiter) harfi kullanılmıştır. Transistör devre tipinin değişmesine rağmen, daha önce ortak beyzli devre için geliştirilen akım denklemleri ortak emiterli devre için de geçerlidir.

Ortak Emiterli Devre Şekil 2.6 : Ortak emiterli devre için kullanılan işaret ve semboller (a) PNP transistör (b) NPN transistör

Ortak Emiterli Devre Giriş akımının (IB) değer aralığı için, çıkış akımının (IC) çıkış gerilimine göre grafiği ortak emiterli devrenin çıkış karakteristiğini oluşturmaktadır. Giriş karakteristiği ise, çıkış geriliminin (VCE) değer aralığı için, giriş akımının (IB) giriş gerilimine (VBE) göre bir grafiğidir. Şekil 2.7 : Ortak emiterli NPN transistörünün Kollektör karakteristikleri Şekil 2.8 : Ortak emiterli NPN transistörünün Beyz karakteristikleri

Ortak Emiterli Devre Ortak emiterli devrenin iletimde olduğu bölge, eksenin en büyük doğrusallığa sahip parçası; yani IB eğrilerinin hemen hemen düz ve eşit aralıkta olduğu bölgedir. Şekil 2.7`de bu bölge VCE doyma noktasındaki düşey kesik çizginin sağında ve IB=0 eğrisinin üstünde kalan bölümdür. VCE doyma noktasının solundaki bölgeye doyma bölgesi denir. İletim bölgesinde kollektör jonksiyonu ters öngerilimlli olmasına karşılık, emiter jonksiyonu ileri öngerilimlidir. Ortak emiterli devrenin iletim bölgesi, gerilim akım veya güç yükseltmede kullanılabilir. Daha önce tartışılan IB = 0 durumunu ele alır ve bu değeri denklem (5.8)`de yerine koyarsak; olarak tespit edilir. (5.9)

Ortak Emiterli Devre α = 0.996 için, bu da, IB = 0 eğrisinin yatay gerilim ekseninden düşey doğruda sapmasını açıklamaktadır. İlerde kullanmak üzere denklem (5.9) ile tanımlanan kollektör akımı, denklem (5.10)`daki gibi gösterilecektir. (5.10)

Ortak Emiterli Devre Şekil 2.9 : ICEO`a ilişkin devre koşulları ICEO`nun büyüklüğü silisyum malzemelerde germanyum malzemelerde olandan çok daha düşüktür. Benzer anma değerlerine sahip transistörlerde tipik ICEO değeri, silisyumda birkaç mA`ken, germanyumda birkaç yüz mA olabilmektedir.

Ortak Emiterli Devre Transistör bir bilgisayarın mantık devrelerinde anahtar olarak kullanıldığında, kesim ve doyum bölgesi olmak üzere iki önemli çalışma noktasına sahip olmaktadır. Kesim durumu, seçilen VCE gerilimi için ideal olarak IC = 0 ile belirlenmiş olmalıdır. ICEO, silisyum malzemelerde tipik olarak düşük olduğu için, anahtarlama amacına yönelik kesim, yalnızca silisyum transistörlerde IC = ICBO veya IB = 0`da gerçekleşmektedir. Germanyum transistörlerde ise anahtarlama amacına yönelik kesim, ICEO = ICO koşulları altında tanımlı olmaktadır. Bu koşul, germanyum transistörlerde, normalde ileri öngerilimli beyz-emiter jonksiyonunu, gerilim değerinin onda biri-ikisi kadar ters öngerilimleyerek elde edilebilir.

Ortak Emiterli Devre Örnek 5.2 Şekildeki karakteristikleri kullanarak; (a) VBE = 800mV ve VCE = 10V`a karşılık gelen IC değerini bulunuz. (b) IC = 4mA ve IB = 40mA`e karşılık gelen VBE ve VCE değerlerini bulunuz.

Ortak Emiterli Devre Çözüm : (a) Giriş karakteristiğinde, VBE = 800mV ile VCE = 10V`un kesiştiği noktadan IB = 50mA gibi bir değer bulunur. Çıkış karakteristiğinde ise, IB = 50mA ve VCE = 10V`un kesiştiği noktadan, IC = 5.1mA değerinde bir akım elde edilir. (b) Çıkış karakteristiğinde, IC = 4mA ve IB = 40mA`in kesiştiği noktadan, VCE = 6.2V değerinde bir gerilim bulunur. Giriş karakteristiğinde ise, IB = 40mA ve VCE = 6.2V`un kesiştiği noktadan, VBE = 770 mV değerinde bir gerilim elde edilir.

Ortak Emiterli Devre Daha önce bahsedildiği gibi alfa (α) sembolü, ortak beyzli devrenin ileri akım transfer oranı için kullanılmıştı. Ortak emiterli devrede, sabit bir kollektör-emiter geriliminde (VCE) kollektör akımındaki küçük bir değişikliğe karşı beyz akımındaki değişikliğin oranı beta (β) sembolü ile gösterilir ve genelde ortak emiter ileri yönde akım yükseltme faktörü adını alır. β`nın değeri, (5.11) formülüyle verilir. Beta (β) değeri, yaklaşık olarak şu formülden de bulunabilir: (5.12)

Ortak Emiterli Devre Burada IC ve IB, doğrusal bölgedeki (yani, ortak emiter karakteristiğinin yatay beyz akımı çizgilerinin paralel ve eşit aralıklı olmaya en yakın oldukları yerde) belirli bir çalışma noktasının kollektör ve beyz akımlarıdır. Denklem (5.12) ile belirlenen değere DC değer (IC ve IB sabit veya DC değerler olduğu için), Denklem (5.11) ile bulunan değere de AC veya dinamik değer denmektedir. Tipik değerleri 20 ile 100 arasında değişmektedir. Denklem (5.1), (5.4) ve (5.12) üzerinde aşağıdaki işlemleri yaparsak:

Ortak Emiterli Devre

Ortak Emiterli Devre

Ortak Emiterli Devre Örnek 5.3 (a) Şekil 5.11`daki karakteristikte VCE =10V ve IC = 3mA çalışma noktasındaki DC beta (β) değerini bulunuz. (b) Bu çalışma noktasıyla ilgili α değerini bulunuz. (c) VCE =10V`a karşılık gelen ICEO değerini bulunuz. (d) (a) şıkkından elde edilen βDC değerini kullanarak yaklaşık ICBO değerini hesaplayınız.

Çözüm : (a) VCE =10V, IC = 3mA ve IB = 25mA`in kesişme noktasında, Ortak Emiterli Devre Çözüm : (a) VCE =10V, IC = 3mA ve IB = 25mA`in kesişme noktasında,

Ortak Emiterli Devre Ortak emiterli devredeki giriş karakteristikleri, ortak beyzli devrenin karakteristiklerine çok benzemektedir. Her iki durumda da giriş akımındaki artış, ileri öngerilim potansiyelinin artması sonucu beyz-emiter jonksiyonunu geçen çoğunluk taşıyıcılarının artışından kaynaklanmaktadır. Ayrıca çıkış gerilimindeki değişmelerin (ortak emiterli devre için VCE ve ortak beyzli devre için VCB) karakteristiklerde büyük kaymalara yol açmadığına dikkat edilmelidir. Aslında, genelde karşılaşılan DC gerilim düzeylerinde, çıkış uç gerilimindeki değişmeler nedeniyle beyz-emiter geriliminde meydana gelen değişimler, yaklaşık olarak ihmal edilebilir. Burada ortalama bir değer kullanılacak olursa, kollektör-emiter devresi için Şekil 5.13`deki eğri elde edilir.

Ortak Emiterli Devre Silisyum diyot karakteristikleriyle olan benzerliklere dikkat edilmelidir. Yarıiletken diyot tanımından da hatırlanacağı gibi DC analizinde Şekil 5.13`deki eğri, Şekil5.14`deki eğriyle gösterilmişti. Bu nedenle bir transistör yapısının beyz-emiter gerilimi, DC analizde silisyum için VBE = 0.7V ve germanyum için de 0.3V olarak kabul edilebilir. Eğer uygun polariteyle 0.7V öngerilimi (silisyum transistörler için) sağlayacak yeterli gerilim yoksa, transistör aktif bölgede olamaz. Ortak beyzli devrenin benzer giriş karakteristikleri olduğundan, DC analizinde karakteristiğin iletim bölgesinde öngerilimlenen bir BJT`nin beyz-emiter geriliminin VT olduğu sonucu çıkarılabilir. Ayrıca kollektör-beyz devresinin çıkış karakteristiğinde IC = IB olduğu daha önce gösterilmişti. Kollektör-emiter devresinde IC = β.IB`dir ve β çalışma koşullarıyla belirlenir.

Ortak Emiterli Devre Şekil 5.13 : VCE`nin ihmal edilmesi halinde Şekil 5.11`in yeniden çizilmesi Şekil 5.14 : DC analiz için Şekil 5.13`ün yaklaşıklık yöntemiyle yeniden çizilmesi

Ortak Emiterli Devre Uygulanan DC potansiyelleri için uygun polariteyi belirlemek üzere yapılması gereken ilk işlem, önce Şekil 5.15`de bir NPN transistörü için gösterildiği gibi, IE yönünü sembol üzerindeki ok yönü ile eşleştirmektir. IE = IB + IC olduğundan hem IB hem de IC şekildeki gibi gösterilmelidir. Bundan sonra gerekli tek şey, VBE ve VCE kaynaklarını, IB ve IC akımlarını gösterilen yönde itecek şekilde yerleştirmektir (Şekil 5.15). Bir PNP transistöründe ise, tüm akımlar ve dolayısıyla da tüm kaynaklar ters çevrilecektir. Şekil 5.15 : Ortak emiterli bir NPN transistörünün uygun öngerilimlenmesinin belirlenmesi

Ortak Kollektörlü Devre C) Ortak Kollektörlü Devre Ortak kollektörlü devre, empedans uygunlaştırma amacıyla kullanılmaktadır. Çünkü bu devre, yüksek çıkış empedansını düşük çıkış empedansına çevirmektedir. Yani, ortak beyz ve ortak kollektörlü develerin tam tersi özelliklere sahiptir. Şekil 5.16 : Ortak kollektörlü devre için kullanılan işaret ve sembolleri (a) PNP transistör (b) NPN transistör

Ortak Kollektörlü Devre Ortak kollektörlü devre genelde Şekil 5.17`de gösterildiği gibi emiterden toprağa arada yük direnci bulunacak şekilde düzenlenir. Bu devrede transistör, ortak emiterli devreye benzer şekilde bağlanmış olmasına karşın kollektörün topraklanmış olduğuna dikkat edilmelidir. Pratik açıdan ortak kollektörlü devrenin çıkış karakteristiği ortak emiterli devreninkiyle aynıdır. Ortak kollektörlü devrede çıkış karakteristiği, IB değer aralığında IE`nin VEC`ye göre grafiğidir. Bu nedenle giriş akımı, hem ortak emiter hem de ortak kollektör karakteristiğinde aynıdır. Ortak kollektörllü devrenin yatay gerilim ekseni, VEC = – VCE olduğu için ortak emiter karakteristiği kollektör-emiter geriliminin işareti değiştirilerek elde edilir. Son olarak, ortak kollektör karakteristiğinde IC yerine IE konulduğu takdirde, ortak emiter karakteristiğinin düşey IC ölçeğinde hemen hemen fark edilemeyecek bir değişiklik meydana gelir (çünkü α = 1).

Ortak Kollektörlü Devre Şekil 5.17 : Empedans uygunlaştırma amacıyla kullanılan ortak kollektörlü devre Ortak kollektörlü devrenin giriş devresine ilişkin gerekli bilgiyi elde etmek için ortak emiter karakteristiği yeterlidir. Yapılması gereken tek şey Şekil 5.16`daki devreye Kirşof gerilim yasasını uygulayarak uygun matematiksel işlemleri gerçekleştirmektir.

Dinlediğiniz için; Teşekkürler