#37 Emiter baypası: aynı kutuplama, farklı işaret kazancı

Aşağıda defterde yazılan bütün satırlar ve bunlara eşlik eden sesli anlatımın tam metni bulunur.

1. 1. Kondansatör kazancı nereden değiştiriyor?

   Aynı DC çalışma noktası; daha büyük AC çıkış?

   DC güç kaynağı enerji verir; C_E değişen akıma yol açar

   Sesli anlatım metni

   Emiter direncine paralel bir kondansatör bağladık. Devre yerleştikten sonra doğru akım kutuplaması değişmeyebilir; buna rağmen küçük işaret çıkışı büyür. Kondansatör enerji üreten bir yükselteç mi oldu? Hayır. Değişen şey emiterin işaret hareketi ve geri beslemesidir. Çıkışın enerjisi yine doğru akım beslemesinden gelir. Kondansatör, değişen emiter akımına alternatif bir yol açar. Bunu önce iki sınır durumda, sonra gerçek bir kondansatörle karşılaştıracağız.

2. 2. Yerleşmiş doğru akımda kondansatör

   Yerleşmiş DC: C_E açık; R_E içinden I_EQ geçer

   Bu ders: r_o → ∞; iç kapasiteler ihmal

   Sesli anlatım metni

   İdeal kondansatör sabit doğru akımda açık devredir. Emiter çalışma akımı hâlâ emiter direncinden geçer. Girişteki kuplaj bağlantısı da baz kutuplamasını bozmamalı. Kondansatörün ilk şarj olduğu geçici rejimi, yerleşmiş durumla karıştırmıyoruz. Burada transistörün çıkış direncini sonsuz kabul ediyor, iç kapasitelerini ihmal ediyoruz. Önceki dersteki sonlu er o modelini fark etmeden bu denklemlere taşımıyoruz.

3. 3. Emiter neden girişe karşı koyar?

   

   $\displaystyle v_{\mathrm{in}}=v_{\pi }+v_{e}; v_{e}=\left(\beta +1\right)i_{b} R_{E}$

   Baz ↑ → akım ↑ → emiter ↑ → v_π artışı sınırlanır

   Sesli anlatım metni

   Baypas yokken baz girişinin bir kısmı baz emiter birleşimine, kalanı emiter direncine düşer. Emiter akımı, beta artı bir çarpı baz akımıdır. Bu nedenle emiter gerilimi beta artı bir çarpı baz akımı çarpı emiter direnci olur. Baz yükselirken emiter de yükselir. İki uç birlikte hareket ettiği için aralarındaki gerilim daha az değişir. Bu, yerel negatif geri beslemedir; giriş değişiminin tamamı transistöre ulaşmaz.

4. 4. Giriş kolu ve kazanç

   $\displaystyle T=r_{\pi }+\left(\beta +1\right)R_{E}; R_{\mathrm{in}}=R_{1} ∥ R_{2} ∥ T$

   $\displaystyle A_{\mathrm{kat}}=-\frac{\beta R_{C}}{T }= -\frac{R_{C}}{\frac{1}{g_{m}}+\left(1+\frac{1}{\beta }\right)R_{E}}$

   Sesli anlatım metni

   Transistör kolunun baza yansıyan direncine te diyelim: er pi artı beta artı bir çarpı emiter direnci. Toplam giriş ise bu kolun iki kutuplama direnciyle paralelidir. Emiter direnci, er pi ile doğrudan paralel değildir. Kolektör çıkışı eksi beta çarpı baz akımı çarpı kolektör direncidir. Giriş, baz akımı çarpı te olduğundan kat kazancı eksi beta çarpı kolektör direnci bölü te olur. Beta çok büyükse parantezdeki bir bölü beta yaklaşık ihmal edilebilir.

5. 5. Baypas hangi koşulda etkilidir?

   

   |Z_C|=1/(2πfC); uygun frekansta ve küçülür

   İdeal baypas:

   $\displaystyle v_{e}=0; R_{\mathrm{in}}=R_{1} ∥ R_{2} ∥ r_{\pi }; A_{\mathrm{kat}}=-g_{m} R_{C}$

   Sesli anlatım metni

   Kondansatör empedansının büyüklüğü bir bölü iki pi frekans kapasitedir. Uygun frekansta değişen akımın büyük kısmı kondansatörden geçer. Emiterin gerilim değişimi küçülür; doğru akım geri beslemesi dururken işaret geri beslemesi azalır. İdeal baypas sınırında emiterin işaret gerilimi sıfırdır. Transistör giriş kolu yalnız er pi kalır; kazanç eksi ge em çarpı kolektör direncine çıkar. Kazanç artar ama giriş direnci düşer. Kondansatörü her frekansta kısa devre sayamayız.

6. 6. Ek örneğin çalışma noktasını bul

   $\displaystyle V_{\mathrm{CC}}=12 V; R_{1}=82 k\Omega ; R_{2}=22 k\Omega ; R_{C}=2 k\Omega ; R_{E}=1 k\Omega ; \beta =100$

   $\displaystyle V_{\mathrm{th}}=12\times \frac{22}{104}=2.538 V; R_{\mathrm{th}}=82\times \frac{22}{104}=17.346 k\Omega$

   I_BQ=(V_th−0.7)/(R_th+101RE); I_CQ≈1.553 [mA]; V_CEQ≈7.324 V

   Sesli anlatım metni

   Ek örnekte besleme on iki volt. Kutuplama dirençleri seksen iki ve yirmi iki kiloohm; kolektör direnci iki kiloohm, emiter direnci bir kiloohm, beta yüz. Baz emiter doğru akım düşümünü sıfır nokta yedi volt alalım. Bazdaki bölücünün açık devre gerilimi on iki çarpı yirmi iki bölü yüz dört, yaklaşık iki nokta beş yüz otuz sekiz volttur. Thevenin direnci seksen iki çarpı yirmi iki bölü yüz dört, on yedi nokta üç yüz kırk altı kiloohmdur. Baz çalışma akımı, Thevenin geriliminden sıfır nokta yediyi çıkarıp Thevenin direnci artı yüz bir emiter direncine bölünür. Kolektör akımı bunun yüz katı, yaklaşık bir nokta beş yüz elli üç miliamperdir. Kolektör emiter gerilimi yaklaşık yedi nokta üç yüz yirmi dört volttur. Her iki karşılaştırmada bu noktayı koruyoruz.

7. 7. Baypassız sayısal sonuç

   g_m=I_CQ/26 [mV]≈59.749 mS; r_π=100/g_m≈1.674 kΩ

   $\displaystyle T\approx 102.674 k\Omega ; R_{\mathrm{in}}\approx 14.839 k\Omega ; A_{\mathrm{kat}}\approx -1.948$

   Sesli anlatım metni

   Termal gerilimi yirmi altı milivolt alıyoruz. Kolektör çalışma akımını buna bölünce ge em yaklaşık elli dokuz nokta yedi yüz kırk dokuz milisiemens. Yüzü ge eme bölünce er pi yaklaşık bir nokta altı yüz yetmiş dört kiloohm olur. Te, er pi artı yüz bir kiloohm, yani yaklaşık yüz iki nokta altı yüz yetmiş dört kiloohmdur. Bölücüyle paraleli on dört nokta sekiz yüz otuz dokuz kiloohm çıkar. Kat kazancı eksi yüz çarpı iki kiloohm bölü te; yaklaşık eksi bir nokta dokuz yüz kırk sekizdir.

8. 8. İdeal baypas ve gerçek kaynak

   

   İdeal baypas:

   $\displaystyle R_{\mathrm{in}}\approx 1.526 k\Omega ; A_{\mathrm{kat}}\approx -119.497$

   $\displaystyle R_{\mathrm{sig}}=1 k\Omega ; A_{\mathrm{kaynak}}=\frac{A_{\mathrm{kat}} R_{\mathrm{in}}}{R_{\mathrm{sig}}+R_{\mathrm{in}}}$

   Sesli anlatım metni

   Aynı çalışma noktasında ideal baypas yaparsak er pi ile kutuplama paraleli yaklaşık bir nokta beş yüz yirmi altı kiloohm olur. Kat kazancı eksi ge em çarpı iki kiloohm, yaklaşık eksi yüz on dokuz nokta dört yüz doksan yedi. Giriş daha ağır yükleniyor. Kaynak direnci bir kiloohmsa giriş bölücüsünü de eklemeliyiz. Kaynak kazancı, kat kazancı çarpı toplam giriş direnci bölü kaynak ve giriş dirençleri toplamıdır. Aynı bölücü katsayısını iki duruma birden kullanmak yanlış; baypas giriş direncini değiştirdi.

9. 9. Gerçek kondansatör: kısa devreye yakın

   $\displaystyle C_{E}=470 \mu F; f=1 \left[\mathrm{kHz}\right] \to |Z_{C}|\approx 0.339 \Omega$

   $\displaystyle A_{\mathrm{kat}}=-\frac{\beta R_{C}}{r_{\pi }+\left(\beta +1\right)Z_{E}}; |A_{\mathrm{kaynak}}|\approx 72.191$

   i_e=i_RE+i_CE; düşen frekansta geri besleme geri gelir

   Sesli anlatım metni

   Dört yüz yetmiş mikrofarad ve bir kilohertz için empedans büyüklüğü yaklaşık sıfır nokta üç yüz otuz dokuz ohmdur. Küçük ama sıfır değil. Emiter direnciyle paralel bu karmaşık empedansı te ifadesinde kullanırız. Emiter empedansını ze ile gösterirsek payda er pi artı beta artı bir çarpı ze olur. Aynı empedansla toplam girişi ve kaynak bölücüsünü hesaplayınca kaynak kazancının büyüklüğü yaklaşık yetmiş iki nokta yüz doksan bir çıkar. Faz da tam yüz seksen dereceden biraz ayrılır. Emiter akımı direnç ve kondansatör akımlarının toplamıdır. Frekans azalınca kondansatör empedansı büyür, emiter daha çok hareket eder ve kazanç düşer. Baypas ölçütünde yalnız emiter direncini değil, kaynaklar sıfırken kondansatörün gördüğü etkin direnci kullanmalıyız.

10. 10. Başlangıç sorusunun cevabı

    R_E, DC kutuplamayı korur; C_E işaret geri beslemesini azaltır

    Birlikte kontrol et: Q, giriş yükü, frekans ve küçük işaret

    Sesli anlatım metni

    Kondansatör kutuplamayı yok etmedi. Direnç doğru akımı taşımayı sürdürürken kondansatör değişen akımın çoğunu taşıdı. Böylece emiter daha az hareket etti, birleşimdeki işaret ve kazanç büyüdü. Yüksek kazancı tek başına başarı sayma: kaynak yüklenmesini, frekansı, çalışma noktasını ve küçük işaret sınırını birlikte denetle. İç transistör kapasiteleri ile kuplaj kondansatörleri de gerçek devrenin çalışma bandını sınırlar.

Kaynak video: Electronics Basics #37 | Emitter Bypass: Same Bias, Higher Gain? (10:45)