Ortak Emiterli Devre

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
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
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
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;
(a) VEB = 750mV ve VCB = -10V için devredeki kollektör akımını (IC) bulunuz.
(b) 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)
gerilimine göre grafiği ortak emiterli devrenin
karakteristiğini oluşturmaktadır. Giriş karakteristiği ise,
geriliminin (VCE) değer aralığı için, giriş akımının (IB)
gerilimine (VBE) göre bir grafiğidir.
Şekil 2.7 : Ortak emiterli NPN transistörünün
Kollektör karakteristikleri
Şekil 2.8 : Ortak emiterli
transistörünün Beyz karakteristikleri
çıkış
çıkış
çıkış
giriş
NPN
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;
(5.9)
olarak tespit edilir.
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 beyzemiter 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.
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;