Analog Küçük Sinyal Yükselteçleri 6 KÜÇÜK S İNYAL YÜKSELTEÇLER İ Konular: 6.1 Küçük sinyal yükseltme i şlemi 6.2 Transistörün ac e şde ğer devreleri 6.3 Ortak emiterli yükselteç 6.4 Ortak beyzli yükselteç 6.5 Ortak kolektörlü yükselteç 6.6 Çok katlı sistemler 6.7 Onarım Amaçlar: • Küçük sinyal yükselteçlerinin tanıtımı ve özellikleri • Transistörlerin ac parametreleri • Ortak emiterli yükselteç devresinin özellikleri, çalı şması ve analizi • Ortak beyzli yükselteç devresinin özellikleri, çalı şması ve analizi • Ortak kollektörlü yükselteç devresinin özellikleri, çalı şması ve analizi • Çok katlı (kaskat ba ğlı) yükselteç devrelerinin çalı şmaları ve analizi • Yükselteçlerde arıza tipleri ve onarım Bu bölümde transistörün yükselteç olarak nasıl çalı ştırılaca ğını ö ğreneceksiniz. Yükselteç tasarımında dikkat edilmesi gereken özellikleri belirleyip, küçük i şaretlerin nasıl yükseltildi ğini göreceksiniz. B ÖLÜM 6 161 6.1 KÜÇÜK S İNYAL YÜKSELTME İŞLEM İ Önceki bölümde bir transistörün çalı şabilmesi için dc polarmaya gereksinim duydu ğunu belirtmi ştik. Polarma i şlemi sonunda transistörün çalı şma bölgesini belirleyip i şaret i şlemeye hazır hale getirmi ştik. Tüm hazırlıklar transistörü bir yükselteç (amplifier) olarak çalı ştırmaya hazırlamaktı. Bu bölümde transistörün küçük i şaretleri nasıl yükseltti ğini irdeleyece ğiz. Transistörlü yükselteç devreleri genellikle küçük sinyal ve güç yükselteçleri olmak üzere iki temel bölümde incelenir. Örne ğin; mikrofon, anten v.b cihazların çıkı şlarından alınan i şaretleri yükseltmek amacı ile kullanılan yükselteç devreleri küçük sinyal yükselteçleri olarak adlandırılır. Bu tür yükselteçler giri şlerine uygulanan küçük i şaretlerin gerilimlerini yükselterek çıkı şa aktarırlar. Bu bölümde sıra ile; • Yükselteç devrelerinde ac ve dc i şaretlerin nasıl gösterildi ğini • Küçük sinyal yükselteçlerinde yükseltme i şleminin nasıl gerçekle ştirildi ğini • Ac i şaretler için yük do ğrusunun analizini Ö ğreneceksiniz. Yükselteç devrelerinin analizi iki temelde yapılmaktadır. Bunları k ısaca dc çalı şma şartlarının analizi ve ac çalı şma şartlarının analizi olarak tanımlayabiliriz. Yükselteç devrelerinde dc i şaretlerin tanımlanmasında genellikle alfabenin büyük harfler kullanılır. IE, VBE ve VCE v.b gibi. Oysaki ac i şaretlerin çe şitli de ğerleri vardır. Etkin (rms) de ğer, tepe değer (peak), tepeden tepeye (peak-to-peak), etkin (rms) de ğer gibi. Genel bir kabul olarak ac i şaretler tanımlanırken alfabedeki küçük harfler italik formda kullanılır. Örne ğin; ic, ib, vce, vbe v.b gibi. Örne ğin bir transistörün ac i şarete kar şı gösterdi ği emiter direnci Re, olarak dc i şarete gösterdi ği emiter direnci ise RE olarak tanımlanır. Küçük Sinyal Yükselteci Tipik bir küçük sinyal yükselteç devresi şekil-6.1’de verilmi ştir. Yükseltilecek sinusoydal i şaret transistörün beyz terminaline uygulanmı ştır. Yükseltilmi ş ç ıkı ş ise transistör kollektör terminalinden RL yükü üzerine alınmı ştır. Rs direnci ac i şaret kayna ğının iç direncidir. Transistörün polarma gerilim ve akımlarını giri şteki ac kaynaktan ve çıkı ştaki RL yükünden yalıtmak amacı ile C1 ve C2 kondansatörleri kullanılmı ştır. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 162 Şekil-6.1 Gerilim bölücü polarmalı küçük i şaret yükselteç devresi Ba şlangıçta yükselteç devresine ac i şaretin uygulanmadı ğını, sadece dc kayna ğın var oldu ğunu kabul edelim. Do ğal olarak dc kaynak, transistör polarmasını sa ğlayacak ve çalı şma noktasını belirleyecektir. Transistörün aktif bölgede çalı ştı ğını kabul edelim. Bu durumda transistör iletimdedir. Belirli bir dc kollektör akım (IC) ve gerilimine (VCE) sahiptir. Transistör artık yükseltme i şlemine hazırdır. Çünkü aktif bölgede çalı şıyor. Şimdi transistörün beyz’inden küçük genlikli bir sinüsoydal i şaretin uygulandı ğını varsayalım. Sinüsoydal i şaretin pozitif saykılı beyz akımında artmaya neden olacaktır. Beyz akımının artması kollektör akımında da artmaya neden olacaktır. Giri ş sinüsoydal i şaretinin sıfıra inmesi durumunda ise mevcut beyz akımı değeri transistörün Q çalı şma noktasındaki de ğere geri dönmesine neden olacaktır. Giri ş sinüsoydal i şaretinin negatif saykılı ise beyz akımını azaltıcı yönde etki edecektir. Dolayısıyla transistörün Q noktasındaki kollektör akımı değerini de azaltacaktır. Bu durum giri ş sinüsoydal i şareti var oldu ğu sürece tekrarlanacaktır. Yükselteç giri şine uygulanan sinüsoydal i şaretin transistörün çalı şma noktası (Q) değerlerinde olu şturdu ğu de ği şim (yükselme-azalma) şekil-6.2’de grafiksel olarak gösterilmi ştir. Grafikten de görüldü ğü gibi giri ş beyz akımındaki çok küçük bir miktar deği şim, transistörün çıkı ş kollektör akımında büyük miktarlarda de ği şime neden olmaktadır. Kısaca giri şten uygulanan i şaret, çıkı şta yükseltilmi ştir. Grafikten görüldü ğü gibi giri ş beyz akımındaki de ği şim µA düzeyinde olurken, çıkı ş kollektör akımındaki deği şim ise mA düzeyindedir. Şekil-6.2’de verilen grafi ği analiz edelim. Transistör sükunet halinde (giri şte ac i şaret yok) Q çalı şma noktasında IB=30µA, IC=3mA ve VCE=4V de ğerlerine sahiptir. Transistör (yükselteç) giri şine tepe de ğeri 10µA olan bir sinüsoydal i şaret uygulandı ğında ise; Transistörün beyz akımındaki de ği şim 20µA ile 30µA arasında olmu ştur. Buna kar şılık transistörün kollektör akımı 2mA ile 4mA arasında de ği şmi ştir. Sonuçta; transistör giri şine uygulanan ve tepe de ğeri 20µA olan sinüsoydal i şaret, çıkı ştan yine sinüsoydal olarak fakat tepe de ğeri 4mA olarak alınmı ştır. Aynı şekilde VCE değerinde de bir de ği şim söz konusudur. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan +V CC R C R E R 2 R 1 R s V s R L V b I b C 2 C 1 I CQ V CEQ I c V ce 163 V CE (V) I C (mA) Q I b I c V ce 024681 0 2 20µA 30µA 40µA 3 4 µA Düzeyinde artma ve azal m a mA Düzey in de ar tm a ve az al ma Şekil-6.2 Yükselteç devresinde yükseltme i şleminin grafiksel analizi 6.2 TRANS İSTÖRÜN AC E ŞDE ĞER DEVRES İ Transistörlü yükselteçlerin ac i şaretlerde analizi oldukça karma şık yapılar ortaya çıkarabilir. Analizi kolayla ştırıp pratik hale getirmek için çe şitli yöntemler geliştirilmi ştir. Küçük sinyal analizinde en uygun ve pratik yöntem; transistörün e şde ğer devre modellerinden yararlanmaktır. Transistörün ac e şde ğer devre modellemesinde kullanılan ba şlıca iki tip parametre vardır. Bunlar; h veya hibrit parametresi, di ğeri ise r parametresi olarak bilinir ve tanımlanırlar. Bu bölümde; transistörün ac e şde ğer devre modellemesinde kullanmak üzere, hibrit- ? modeli tanıtılacaktır. Transistör ac E şde ğeri Küçük sinyal yükselteçlerinin ac analizinde kullanılmak üzere, çe şitli devre modellemeleri geli ştirilmi ştir. Bu bölümde; transistörün ac e şdeğer devresi için Hibrid- ? (Hybrid) modeli tanıtılacaktır. Bu model, di ğerlerine göre basit yapıdadır ve kullanımı daha kolaydır. Dolayısıyla transistörün ac analizde bu modelden yararlanılacaktır. Küçük sinyal yükselteçlerinde Bipolar Jonksiyon Transistör (BJT) şekil-6.3’de verilen hiprid- ? devre modeli ile temsil edilebilir. Bu e şdeğer devre modelinde; gm ve r ? olarak verilen parametreler transistörün kollektör akımı I C değerine ba ğımlıdır. Dolayısı ile hibrid- ? modeli transistörün belirli bir çalı şma noktasında kullanılabilir. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 164 r ? v ? g m v ? r 0 E BC + - Şekil-6.3 Bipolar jonksiyon transistör için hibrid- ? modeli E şdeğer devre modelinde kullanılan parametreler sırasıyla; v ?, transistörün beyz-emiter (vbe) sinyal gerilimini gm, transkondüktansını (iletkenli ğini) r ?, transistörün beyz-emiter arası giri ş direncini temsil etmektedir. Bu parametrele ile ilgili ayrıntılı bilgiler ileriki bölümlerde verilecektir. Transistörün transkondüktans (gm )ve giri ş direnci de ğerleri (r ?) a şa ğıdaki gibi verilir. mV I V I g C T C m 26 = = m g ß r = ? Görüldü ğü gibi her iki parametrede kollektör akımının de ğerine ba ğlıdır. Bu sebeple yukarıda da belirtildi ği gibi hibrid- ? modelini kullanmak için transistörün çalı şma noktasındaki IC de ğerinin bilinmesi zorunludur. E şdeğer devre modelinde transistörün çıkı ş akımı ba ğımlı bir kaynak ile tanımlanmı ştır. Transistörün çıkı ş akımı IC; b m m b c i r g v g i ß i · · = · = · = ? ? şeklinde yazılabilir. Şekil-6.3’de verilen e şdeğer devre modelinde görüldü ğü gibi transistörün sahip oldu ğu bir çıkı ş direnci vardır. Bu direnç r0 ile sembolize edilmi ştir. Transistörün çıkı ş direnci r0, yükseltecin kazancı hesaplanırken kimi durumlarda örne ğin RC<< r0 oldu ğunda ihmal edilebilir. Bu konu ileride i şlenecektir. Küçük Sinyal E şde ğer Devresinin Kullanımı Transistörlü bir yükselteç devresinin küçük sinyal analizi iki a şamada yapılır. Analiz de dc ve ac kaynakların neden oldu ğu etkenler ayrı ayrı incelenmelidir. Bu yöntem analizi kolayla ştırır. Transistörün bir yükselteç olarak çalı şabilmesi için öncelikli ko şul aktif bölgede çalı şmasıdır. Bu ise dc polarma ile sa ğlanır. Transistörlü yükselteçlerinin analizinde ilk a şama dc polarma akım ve gerilimlerinin sa ğlanıp çalı şma noktasının belirlenmesidir. Yapılan yükselteç tasarımı veya analizinde eğer transistör aktif bölgede çalı şmıyorsa, ac analiz yapmanın anlamı olmayacaktır. Transistörlü bir yükselteç devresinde dc ve ac analiz için yapılacak i şlemler a şa ğıda adım adım anlatılmı ştır. Örne ğin şekil-6.4.a’da verilen yükselteç için dc ve ac analizi ayrı ayrı gerçekle ştirelim. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 165 R C R B +V CC V s a) Yükselteç devresi V BB R B +V CC b) dc analiz için e şde ğer gösterim V BB R C Şekil-6.4.a.b Transistörlü yükselteç devresi ve dc analiz için e şde ğer devre Bir yükselteç devresinde dc analiz yapılırken, ac kaynaklar kısa devre edilir. E ğer yükselteç devresinde kondansatörler varsa açık devre edilmelidir. Çünkü kondansatörler dc sinyale açık devre gibi davranırlar. Küçük sinyal yükselteci için devrenin dc e şdeğeri şekil-5.6.b’de çizilmi ştir. DC çalı şmada gerekli analizler yapılarak transistörün çalı şma bölgesi belirlenir. Transistör aktif bölgede çalı ştırılıyorsa ac analize geçilebilir. Aktif bölgede çalı şmayan bir transistör için ac analiz yapmak gereksizdir. Çünkü bir kazanç veya yükseltme söz konusu de ğildir. Transistörlü yükselteç devresinin ac yapılırken do ğal olarak devrenin ac kayna ğa tepkisi incelenecektir. Dolayısıyla devrede bulunan dc kaynaklar yok edilmelidir. Bunun için dc kaynaklar devreden çıkartılarak yerleri kısa devre edilir. Ayrıca devrede kondansatörler varsa kısa devre edilmelidir. Çünkü kapasitörlerin orta frekans bölgesinde kısa devre davranı şı gösterdi ği kabul edilir. Şekil-6.4’de verilen küçük sinyal yükselteç devresinin ac eşdeğer gösterimi ve ac e şdeğer devre modeli görülmektedir. R C R B +V CC V s a) Yükselteç devresi V BB b) ac analiz için e şde ğer gösterim R C R B V s V BB V s R B R c c) ac analiz için e şde ğer devre modeli g m v ? r ? v ? + - v 0 + B C E Transistör E şde ğeri Şekil-6.4 Transistörlü küçük sinyal yükseltecinin ac e şde ğeri ve devre modellemesi Şekil-6.4.c’de verilen ac devre modellemesi kullanılarak yükselteç devresi için gerekli analizler yapılır. Küçük i şaret yükselteçlerinin e şdeğer devre modellemeleri ileri ki bölümlerde ayrıntıları ile verilecektir. Ac ve dc devre modellemeleri kullanılarak gerekli analizler ve çözümler ayrıntılı olarak yapılacaktır. Konunun daha iyi anla şılması için a şa ğıda örnek bir devre analizi verilmi ştir. Dikkatlice inceleyiniz. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 166 Örnek: 6.1 Çözüm Şekil-6.5.a’da verilen yükselteç devresinin küçük sinyaller için dc ve ac analizini yapınız. ß=150, VBE=0.7V R C R B V s a) Yükselteç devresi V BB R B +V CC =12V b) dc analiz için e şde ğer gösterim V BB R C 2.2K ? 220K ? 5V 5V 220K ? +V CC =12V 2.2K ? Şekil-6.5.a ve b Transistörlü yükselteç devresi ve dc e şde ğeri a. dc analiz Yükselteci dc çalı şma şartlarının belirlenmesinde ilk adım devrenin dc e şdeğerinin çizilmesidir. Dc e şdeğer çizimi için devredeki ac kaynak 0V, kapasitörler ise açık devre kabul edilir. Yapılan kabuller sonucunda yükselteç devresinin dc e şdeğeri şekil-6.5.b’de verildi ği gibidir. İkinci adım transistör sükunet halinde iken (devrede ac i şaret yokken) çalı şma bölgesi akım ve gerilimlerinin (IC ve VCE) belirlenmesidir. Bunun için devreden çevre gerilimlerinden yararlanarak IB akımını bulalım. B BE BB B R V V I - = A mA K K I B µ 19 019 . 0 220 3 . 4 220 7 . 0 5 = = ? = ? - == mA A A I I B C 85 . 2 2850 ) 19 ( ) 150 ( = = · = · = µ µ ß V K mA V R I V V C C CC CE 73 . 5 ) 2 . 2 85 . 2 ( 12 = ? · - = · - = elde edilen de ğerler bize transistörün aktif bölgede çalı ştı ğı belirtmektedir. Dolayısı ile transistör yükseltme (amplifikasyon) için uygun bölgede çalı şmaktadır. O halde verilen devrenin ac analizine geçebiliriz. b. ac analiz Şekil-6.5.a’da verilen transistörlü yükselteç devresinin küçük sinyal için ac analizi yapalım. İlk adım ac e şdeğer devreyi çizmektir. Bunun için devredeki dc gerilim kayna ğı ve kapasitörler kısa devre edilir. Yapılan bu i şlemler sonucunda devremizin ac e şdeğeri ve hibrid- ? devre modeli şekil-6.6’da yükselteç devresi ile birlikte verilmi ştir. Yükseltecin e şdeğer devre modelinde, transistörün sahip oldu ğu r0 çıkı ş direnci ihmal edilerek gösterilmemi ştir. Transistörün çıkı ş direnci, RC direncinden çok (RC<0’dır. Dolayısı ile transistör aktif bölgede çalı şmaktadır. AC analize geçebiliriz. d. ac analiz Şekil-6.12’de verilen transistörlü yükselteç devresinin küçük sinyal için ac analizi yapalım. İlk adım ac e şdeğer devreyi çizmektir. Bunun için devredeki dc gerilim kayna ğı v e k a p a s i t ö r l e r k ısa devre edilir. Devremizin ac e şdeğeri devre modeli şekil-6.13’de verilmi ştir. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 175 Örnek: 6.3 Çözüm Şekil-6.14’de verilen yükselteç devresinin küçük sinyaller için gerilim kazancı ifadesini bulunuz? ß=150, VBE=0.7V R C R B 2K ? 470K ? V CC =12V C 1 10 µF V 0 C 2 10µF R L R S 1K ? 20K ? Şekil-6.14 Ortak emiter ba ğlantılı transistörlü yükselteç devresi a. dc analiz Yükseltecin dc çalı şma şartlarının analizi için devredeki kapasitörler açık devre yapılır. İkinci adım transistör sükunet halinde iken (devrede ac i şaret yokken) çalı şma bölgesi akım ve gerilimlerinin (IC ve VCE) belirlenmesidir. Bunun için devreden çevre gerilimlerinden yararlanarak IB akımını bulalım . A µ K V K V V R V V I B BE CC B 24 ? 470 3 . 11 ? 470 7 . 0 12 = = - = - = mA A µ A µ I ß I B C 6 . 3 3600 ) 24 ( ) 150 ( = = · = · = V K mA V R I V V C C CC CE 8 . 4 ) ? 2 )( 6 . 3 ( 12 = - = · - = V V K mA V V R I V V BE C C CC CB 1 . 4 7 . 0 ) ? 2 )( 6 . 3 ( 12 = - - = - · - = değerleri bulunur. Devrede; VCB>0’dır. Dolayısı ile transistör aktif bölgede çalı şmaktadır. AC analize geçebiliriz. b. ac analiz Analizi istenilen devre örnek:6.2’de verilen devre ile benzerlikler içermektedir. Sadece bu devrede giri ş i şaret kayna ğının VS iç direnci RS verilmi ştir. E şdeğer devre çiziminde bu direnci dikkate almalıyız. Şimdi şekil-6.14’de verilen transistörlü yükselteç devresinin küçük sinyal için ac analizi yapalım. İlk adım ac e şdeğer devreyi çizmektir. Bunun için devredeki dc gerilim kayna ğı ve kapasitörler kısa devre edilir. Devremizin ac e şdeğeri devre modeli şekil-6.15’de verilmi ştir. ANALOG ELEKTRON İK- I Kaplan 176 R C g m v ? r ? v ? + - v 0 + BC E + _ 2K R B R L 20K ? 470K ? V S R S 1K ? R in Şekil-6.15 Ortak emiter ba ğlantılı yükselteç devresinin ac e şde ğeri Yükseltecin e şdeğer devre modelinde, transistörün sahip oldu ğu r0 çıkı ş direnci ihmal edilerek gösterilmemi ştir. Transistörün çıkı ş direnci, RC direncinden çok (RC<