#43 Kaynak izleyici: birden küçük kazanç neden yararlı?

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

1. 1. Birden küçük kazanca neden ihtiyacımız olsun?

   Doğrudan yük mü, araya izleyici mi?

   Amaç yüksüz kazanç değil, yüke ulaşan işaret

   Sesli anlatım metni

   Gerilim kazancı birden küçük olan bir yükselteç neden işe yarasın? Zayıf bir kaynak ağır bir yüke doğrudan bağlanınca işaretinin çoğunu kendi direncinde kaybedebilir. Araya kaynak izleyici koyarak aynı yüke gerçekte ne kadar gerilim ulaştığını karşılaştıracağız. Burada başarı ölçütümüz yüksüz transistör kazancı değil. Aynı kaynak ve aynı yükle teslim edilen gerilime bakıyoruz. İzleyici işareti büyütmese bile kaynağı yükten ayırarak daha yararlı bir çıkış sağlayabilir.

2. 2. Ortak dren, kaynak çıkışı

   Kapı giriş; kaynak çıkış; dren AC toprak

   R_S baypas edilmez; R_G DC dönüşü; kuplaj kutuplamayı korur

   Sesli anlatım metni

   Giriş kapıdan, çıkış kaynak ucundan alınıyor. Dren sabit beslemeye bağlı olduğu için işaret toprağıdır. Bu nedenle devreye ortak drenli kat ya da kaynak izleyici diyoruz. Kaynak direncini baypas etmiyoruz; etseydik çıkış işaretini toprağa bastırırdık. Kapı direnci doğru akım dönüş yoludur. Dış kaynak ve yükün kuplajı, çalışma noktasını koruyacak şekilde kabul edilir.

3. 3. Kutuplama ve model

   

   $\displaystyle V_{\mathrm{TH}}=-2 V; k=1 \left[\mathrm{mA}\right]/V²; R_{S}=1 k\Omega ; V_{\mathrm{DD}}=12 V$

   $\displaystyle I_{\mathrm{DQ}}=1 \left[\mathrm{mA}\right]; V_{S}=1 V; V_{\mathrm{GS}}=-1 V; V_{\mathrm{DS}}=11 V>V_{\mathrm{OV}}=1 V$

   g_m=2k V_OV=2 mS; sonlu r_o=50 kΩ

   Sesli anlatım metni

   Azaltan tip elemanın eşiği eksi iki volt, yarımı içeren küçük ka bir miliamper bölü volt kare olsun. Kaynak direnci bir kiloohm, besleme on iki volt. Kapının doğru akım gerilimi sıfırdır. Fiziksel çalışma kökü bir miliamperdir. Kaynak bir volt, kapı kaynak eksi bir volt ve aşırı sürme bir volttur. Dren on iki volt olduğu için dren kaynak farkı on bir volt; doyum koşulu rahatça sağlanır. Ge em iki küçük ka çarpı aşırı sürme, iki milisiemens olur. Yerel çıkış direncini ayrıca elli kiloohm olarak veriyoruz. Gövde etkisi ve kapasiteler bu basit modelde yok.

4. 4. Kaynak neden kapıyı izler?

   

   Kapı ↑ → akım ↑ → kaynak ↑ → v_gs artışı sınırlanır

   v_g=v_gs+v_o; Reş=R_S ∥ r_o

   Sesli anlatım metni

   Kapı yükselince akım artar; kaynak direnci üzerindeki gerilim artışı kaynağı da yükseltir. Bu kaynak hareketi kapı kaynak farkının artmasına karşı koyar. Negatif geri besleme yüzünden çıkış girişi aynı yönde, ama daha küçük değişimle izler. Kaynak ucundaki çıkışla kapı kaynak farkının toplamı kapı girişidir. Dren işaret toprağında olduğu için er o da kaynak direnci gibi çıkıştan işaret toprağına gider. Etkin direnç bu ikisinin paralelidir.

5. 5. Kazanç neden sıfırla bir arasında?

   v_o/Reş=g_m(v_g−v_o)

   A_v=g_m Reş/(1+g_m Reş)=g_m/(g_m+1/R_S+1/r_o)

   Sesli anlatım metni

   Kaynak düğümünde dirençlerden giden akım çıkış bölü etkin dirençtir. Denetlenen kaynak bunun karşılığı olarak ge em çarpı kapı eksi çıkış gerilimini sağlar. Çıkış terimlerini bir tarafa toplar ve girişe bölersek kazanç ge em etkin direnç bölü bir artı ge em etkin direnç olur. Eşdeğer biçimi, ge em bölü ge em artı iki direnç iletkenliğinin toplamıdır. Pozitif elemanlarla payda paydan büyük; kazanç sıfırla bir arasındadır.

6. 6. Bütün katın giriş direnci

   R_G=1 MΩ → R_in=1 MΩ; ideal kapı açık

   R_sig=100 kΩ; kapı payı=1000/(1000+100)=10/11

   Sesli anlatım metni

   İdeal kapı akım almaz ama bir megaohmluk kapı direnci alır. Bu yüzden tüm katın giriş direnci bir megaohmdur. Kaynak direnciyle oluşturduğu bölücüyü daha sonra hesaba katacağız. Dış işaret kaynağının direnci yüz kiloohm olsun. Kapıdaki pay bin kiloohm bölü bin yüz kiloohm, yani on bölü on birdir. Büyük er ge, büyük er es ve er sig üç farklı elemandır.

7. 7. Bağımlı kaynağı yanlışlıkla silme

   

   Dış yük yok; v_g=0; v_gs=−vtest

   $\displaystyle R_{\mathrm{out}}=\frac{1}{\frac{1}{R_{S}}+\frac{1}{r_{o}}+g_{m}}\approx 331.1 \Omega$

   Sesli anlatım metni

   Çıkış direncini ölçerken dış yükü ayırıp kapı işaretini sıfırlarız. Fakat kaynağa test gerilimi verdiğimizde kapı kaynak farkı eksi test gerilimi olur. Bağımlı kaynak sıfır değildir; test akımına katkı yapar. Test akımının gerilime oranı kaynak direnci iletkenliği artı er o iletkenliği artı ge emdir. Bunun tersini alınca çıkış direnci yaklaşık üç yüz otuz bir nokta bir ohm olur. Ortak kaynaklı katın çıkış testiyle aynı değil.

8. 8. Yüksüz örnek

   Payda=2+1+0.02=3.02 mS; A_v=2/3.02≈0.662

   Kapı +1 [mV] → kaynak +0.662 [mV]; v_gs≈0.338 [mV]

   Sesli anlatım metni

   İletkenlikleri aynı birimle toplayalım: ge em iki, bir kiloohmun iletkenliği bir ve elli kiloohmun iletkenliği sıfır nokta sıfır iki milisiemens. Toplam üç nokta sıfır iki; ikiyi buna bölersek kazanç yaklaşık sıfır nokta altı yüz altmış iki. Kapıya bir milivolt uygularsak kaynak yaklaşık sıfır nokta altı yüz altmış iki milivolt yükselir. Geriye kapı kaynak arasında sıfır nokta üç yüz otuz sekiz milivolt kalır. Bunlar doğru akım değerlerinin çevresindeki küçük değişimlerdir.

9. 9. Bir kiloohm yükü bağla

   $\displaystyle R_{L}=1 k\Omega \to A_{\mathrm{load}}=\frac{2}{3.02+1}\approx 0.498$

   Kaynak 1 [mV] → kapı 10/11 [mV] → yük ≈0.452 [mV]

   Sesli anlatım metni

   Kuplajla bir kiloohmluk yük bağlayınca bir milisiemens daha eklenir. Yüklü kapıdan çıkışa kazanç iki bölü dört nokta sıfır iki, yaklaşık sıfır nokta dört yüz doksan sekiz olur. Dış kaynak direncinin on bölü on birlik giriş payını da uygularız. Bir milivolt kaynak, kapıda on bölü on bir milivolt; yükte yaklaşık sıfır nokta dört yüz elli iki milivolt oluşturur. Kaynak çıkışından ölçülen gerçek teslim budur.

10. 10. İzleyiciyi kaldırıp aynı yüke bak

    Doğrudan: 100 kΩ kaynak + 1 kΩ yük → pay=1/101

    1 [mV] → 0.0099 [mV]; izleyiciyle 0.452 [mV], yaklaşık 45.7 kat

    Ek güç DC beslemeden; bedelsiz enerji yok

    Sesli anlatım metni

    İzleyici olmadan yüz kiloohmluk kaynak aynı bir kiloohm yüke doğrudan bağlansın. Bölücü payı bir bölü yüz birdir. Bir milivolttan yüke yaklaşık sıfır nokta sıfır sıfır doksan dokuz milivolt kalır. İzleyiciyle sıfır nokta dört yüz elli iki milivolt vardı; kırk beş kattan fazla. Kendi kazancı birden küçükken daha çok işaret ulaştırmasının nedeni yüklenmeyi azaltmasıdır. Ek çıkış gücünü kapıdaki zayıf kaynak değil, doğru akım beslemesi sağlar. Bu karşılaştırma enerji yaratmak değil, yükü ayrı bir besleme üzerinden sürmektir.

11. 11. Kazanç değil, sürme yeteneği

    Aynı yük: doğrudan 0.0099 [mV]; tamponla 0.452 [mV]

    İdeal gerilim kaynağı değil: kazanç<1, R_out>0, akım ve salınım sınırı var

    Sesli anlatım metni

    Başlangıç sorusunun cevabı: kaynak izleyici, yüksek giriş ve daha düşük çıkış direnciyle zayıf kaynağı ağır yükten ayırır. Aynı yüke doğrudan yaklaşık sıfır nokta sıfır sıfır doksan dokuz, tamponla sıfır nokta dört yüz elli iki milivolt ulaştı. Bu kat ideal gerilim kaynağı değildir. Kazancı birden küçük, çıkış direnci sıfırdan büyük; akım ve gerilim salınımı sınırlıdır. Büyük işaret, doyumdan çıkma, gövde etkisi ve kapasiteler daha ayrıntılı model ister.

Kaynak video: Electronics Basics #43 | Gain Below One: Why Use a MOSFET Source Follower? (8:48)