Ad Soyad:

Numara/Grup:

JFET DENEYİ ÖN HAZIRLIK SORULARI

Aşağıdaki soruları bireysel olarak cevaplandırarak deneyden önce teslim ediniz.

1-Şekilde verilen devre için giriş direnci Rin ve çıkış direnci Ro’ı bulunuz.

2-Şekilde verilen devrede IDSS=4 mA ve VP=-2V olduğuna göre ID akımı nedir?

3-J-Fet transistörün çalışma prensibini açıklayınız.

4-n kanallı J-FET için VDS-ID grafiğini çizerek çalışma bölgelerini belirleyiniz.

5-J-Fet ile BJT transistörün farklarından dördünü yazınız.

J-FET TRANSİSTÖRLERİN AC-DC ANALİZİ

1. Deneyin Amacı

JFET transistörlerin çalışma prensiplerinin anlaşılması. JFET Transistörlerle yapılan kuvvetlendiricilerin AC ve DC analizlerini öğrenme

2. Ön Bilgi

FET’ler (Field Effect Transistor – Alan Etkili Transistör) bir elektrik alan yardımıyla akımın kontrol edildiği aktif elemanlardır. BJT transistörlerde olduğu gibi FET’lerde de üç terminal bulunmaktadır.

Terminal İsmi (Kısaltma) BJT Transistördeki karşılığı

Drain (D) Collector (C) Gate (G) Base (B)

Source (S) Emmiter (E)

BJT transistörlerin aksine FET’lerde Drain ve Source terminalleri arasında akan akım Gate terminalinden uygulanan voltaja bağlı olarak değiştirilir.

FET’lerin çalıma prensipleri farklı olduğu için BJT transistörlere göre bazı avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır. Bunlar aşağıdaki tablodaki gibi özetlenebilir.

Field Effect Transistor (FET) Bipolar Junction Transistor (BJT)

1 Düşük voltaj kazancı Yüksek voltaj kazancı

2 Yüksek akım kazancı Düşük akım kazancı

3 Çok yüksek giriş empedansı Düşük giriş empedansı

4 Yüksek çıkış empedansı Düşük çıkış empedansı

5 Düşük gürültü seviyesi Daha yüksek gürültü seviyesi

6 Hızlı anahtarlama zamanı Daha yavaş anahtarlama zamanı

7 Statik elektrikten kolay etkilenme Statik elektriğe karşı dayanıklı

8 Voltaj kontrollü Akım kontrollü

9 Daha pahalı Ucuz

1

2

FET Transistörler aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi iki faklı türde guruplandırılabilirler:

Deney boyunca n-kanallı JFET işlenecek olduğundan bu transistörlerin çalışma prensipleri n-kanallı JFET üzerinden işlenecektir. p-kanallı JFET’in çalışması n-kanallı JFET’in çalışması ile aynı olup beslemelerin polariteleri ile N ve P maddelerin yerleri değişmektedir.

2.1 n-kanallı JFET

JFET (Junction Field Effect Transistor – Eklemli Alan Etkili Transistör) n-kanallı ve p-kanallı olmak üzere ikiye ayrılır. n-kanallı JFET’lerde akım taşıyıcıları elektronlar, p-kanallı JFET’lerde ise elektron delikleridir. Yukarıdaki şekilde n-kanallı bir JFET’in iç yapısı ve devre simgesi gösterilmektedir. n-kanallı ismi, Drain-Source akımının n tipli maddeden oluşan bir kanaldan akması dolayısıyla verilir.

3

2.1.1 n-kanallı JFET’in Çalışma Prensibi

Bu şekilde n-kanallı bir JFET’in çalışma prensibini anlamak için oluşturulmuş bir devre ve bu devreye ilişkin VDS - ID grafiği gösterilmektedir. Şekilden de görüldüğü üzere, diyotlarda olduğu gibi p-n eklem bölgesi boyunca bir fakirlik bölgesi oluşmaktadır.

Başlangıçta Drain akımı ve Drain-Source voltajı arasında doğrusal bir ilişki olmaktadır. Bu bölgeye linear ya da ohmic bölge adı verilmektedir. VDS voltajı arttıkça fakirlik bölgesi Drain ucuna doğru genişlemeye başlar.

ID akımı artık VDS ile doğru orantılı olarak artmaz çünkü fakirlik bölgesi, artan voltaja bağlı olarak genişlemiş ve akım kanalı belli bir denge noktasına kadar daralmıştır. Bu bölgeye saturasyon ya da doyum bölgesi , maksimum akan akıma da IDSS akımı denilmektedir.

4

Saturasyon bölgesinde ID akımı VGS voltajına bağlı olarak Denklem 1’deki formüle göre hesaplanabilir. JFET’in Saturasyon bölgesinde olma koşulu ise şöyle tanımlanmaktadır:

(Denklem 1)

Saturasyon bölgesinde eğer VGS voltajını negatif yönde artırırsak, Source ucundaki kanal biraz daha daralır. Bu da kanal direncini artırır ve Drain akımını düşürür.

VGS voltajı kesim voltajı olan VP değerine eşit veya daha negatif olduğunda, fakirlik bölgesi tamamıyla kanalı kapatana kadar genişlemiş olur ve ID akımı akamaz.

2)1(P

GSDSSD

V

VII

PGSDS

GSP

VVV

VV

0

Aşağıdaki grafikte ise Denklem 1’e ait eğri görülmektedir. Çalışma noktasındaki VGS değerine bağlı olarak hesaplanabilecek olan eğim bize iletkenlik değeri olan gm sabitini verecektir. gm ; BJT transistor deki β olarak düşünülebilir.

gm parametresinin birimi 1veya Siemens olur.

(Denklem 2)

5

6

2.1.2 JFET Kuvvetlendiriciler

FET Transistörlerle yapılan kuvvetlendirici devreleri BJT Transistörlerle yapılanlarla benzerlik göstermektedir. FET.lerle yapılan yükselteçler aşağıdaki gibi adlandırılır.

FET BJT

Ortak Source (Common Source) Ortak Emitter (CE)

Ortak Drain (Common Drain) Ortak Collector (CC)

Ortak Gate (Common Gate) Ortak Base (CB)

FET’li kuvvetlendiricilerin bir diğer özelliği ise giriş ve çıkış empedans değerleridir. Bu parametreler

bakımından BJT transistörlere göre oldukça avantaj sağlayan FET’lerin giriş ve çıkış empedans

değerleri şöyledir.

𝑍𝑖 = ∞ Ω (Denklem 3)

𝑍0 = 𝑟𝑑 = 1

𝑌𝑜𝑠=

Δ𝑉𝐷𝑆

Δ𝐼𝐷|𝑉𝐺𝑆(𝑠𝑎𝑏𝑖𝑡)

(Denklem 4)

* JFET AC Eşdeğer Devresi

FET Transistörlerin kuvvetlendirme özellikleri analiz edilirken AC eşdeğer devresi çizilir. AC eşdeğer

devre küçük genlikli ve alternatif akımlı sinyallerde bu transistörlerin davranışı modellenerek

oluşturulmuştur. Aşağıdaki şekilde FET AC eşdeğer devresi gösterilmiştir.

Şekil 1. FET AC Eşdeğer Devresi

Devre analizi yapılırken FET transistör görülen yere bu eşdeğer devrenin çizilmesi gerekmektedir.

7

* Gerilim Bölücü Kutuplamalı Common Source (CS) Kuvvetlendiriciler

Aşağıdaki şekilde gerilim bölücülü kutuplama düzenine sahip bir CS kuvvetlendirici gösterilmiştir.

Şekil 2. Gerilim Bölücülü CS Kuvvetlendirici

Bu devrede VG voltajı, VDD besleme voltajının R1 ve R2 dirençleri tarafından belirlenen bir oranda

bölünmesiyle elde edilir. Tek bir kaynaktan beslenebilmesi bakımından avantaj sağlayan bu devreler

aynı zamanda diğer kutuplama düzenlemelerine göre daha kararlı bir çalışma noktasına sahiptirler. (Denklem 5)

AC eşdeğer devre aşağıdaki gibidir. Renkli arkaplana sahip bölge FET transistörün kendisidir. AC

eşdeğer devre çizilirken AC kaynağın olmadığı yerler toprak olarak gösterildiği için RD ve R1 dirençleri toprağa bağlanmıştır.

Şekil 3. CS Kuvvetlendirici AC eşdeğer devresi

8

AC analiz yapılırken hesaplanması gereken özellikler gerilim kazancı ile giriş-çıkış empedans

değerleridir. Bu bakımdan incelersek CS yükselteçlerin giriş ve çıkış empedans değerleri şöyle olur:

𝑍𝑖 = 𝑅1 ∥ 𝑅2 (Denklem 6)

𝑍0 = 𝑟𝑑‖𝑅𝐷 ≅ 𝑅𝐷 (𝑟𝑑 ≫ 𝑅𝐷) (Denklem 7)

Gerilim kazançları ise şöyle hesaplanır:

𝑉𝑖 = 𝑉𝑔𝑠

𝑉𝑂 = −𝑔𝑚𝑉𝑔𝑠(𝑅𝐷 ∥ 𝑟𝑑)

𝐴𝑣 =𝑉𝑜

𝑉𝑖= −𝑔𝑚(𝑅𝐷 ∥ 𝑟𝑑)

Bu devrede RS direnci CS kapasitesi dolayısıyla ihmal edilmiştir. RS negatif geribesleme yaparak

kararlılığı sağlar ve aynı zamanda VGS kutuplama voltajı için gereken ters voltajı oluşturur. Negatif

geri besleme kararlılık sağlarken aynı zamanda kazancı azaltan bir yan etkiye sahiptir. Kararlılık bize

DC olarak gerekmekte ancak AC olarak kazancı artırmak istemekteyiz. Bu durumu sağlamak

amacıyla RS direncine paralel olarak bağlanacak bir kondansatör AC olarak oradaki geribeslemeyi

kaldıracak ve dolayısıyla AC kazanç korunacaktır.

Eğer devreden CS kapasitesi kaldırılırsa devrenin kazancında nasıl bir değişim olur?

Şekil 4. Bypass kapasitesi kaldırılmış CS kuvvetlendiricinin AC eşdeğer devresi

9

Şekil 5’te yer alan devreden de görüldüğü üzere çıkış gerilimi olan 𝑉𝑂 gerilimi değişmemekte ancak giriş gerilimi 𝑉𝑖 artık 𝑉𝑔𝑠 değerine eşit olmamaktadır. Yani

𝑉𝑖 = 𝑉𝑔𝑠(1 +𝑔𝑚𝑅𝑠𝑟𝑑

𝑅𝐷 + 𝑅𝑆 + 𝑟𝑑)

𝑉𝑜 = −𝑉𝑔𝑠

𝑔𝑚𝑅𝐷𝑟𝑑

𝑅𝐷 + 𝑅𝑆 + 𝑟𝑑

𝐴𝑣 =𝑉𝑜

𝑉𝑖= −

𝑔𝑚𝑅𝐷

1 + 𝑔𝑚𝑅𝑠 +1𝑟𝑑

(𝑅𝐷 + 𝑅𝑆)

Görüldüğü gibi gerilim kazancı, CS kapasitesi kaldırıldığında düşecektir.

10

DENEY İÇİN GEREKLİ MALZEMELER:

• 1 kΩ, 3.3 kΩ, 270 kΩ, 1 MΩ dirençler

• 1 MΩ’luk potansiyometre

• 10 µF, 2.2 µF, 22 µF kondansatörler

• BF245A n tipi J-FET transistör

• Bağlantı kabloları, breadboard, multimetre, güç kaynağı, sinyal üreteci, osiloskop

DENEYİN YAPILIŞI:

1) Şekildeki devreyi oluşturun. Tabloda istenen değerleri ölçerek tabloya kaydedin. Tablodaki

değerler yardımıyla da ID- VDS grafiğini çiziniz. Çizdiğiniz grafikten IDSS’ yi gösteriniz.

2) Şekilde gösterilen devreyi oluşturun. Daha sonra potansiyometreyi ID akımı sıfır olacak şekilde

ayarlayın. Bu ayarlamayı yaparken eğer mümkünse ampermetrenin hassasiyetini μA

mertebesine getirin. ID akımı sıfır olduğu anda VGS’yi ölçerek VP gerilimini bulunuz. (ID=0 iken

ölçülen VGS gerilimi VP değerine eşittir.)

VP =

11

3) Şekilde görülen devreyi kurunuz. Öncelikle Voltmetreyi kullanarak VG, VS, VGS ve VD

değerlerini ölçüp aşağıdaki tabloya kaydedin. Kuvvetlendiriciye giriş işareti olarak 1kHz sinüs

işareti verin ve giriş-çıkış işaretlerini aşağıdaki tabloya kaydedin.

R1=1 MΩ, R2=270 kΩ, RD=3.3 kΩ, RS=1 kΩ, C1=10 µF, C2=2.2 µF, CS=22 µF, VDD=12 V