EEM311 Elektronik II: 2008 Laboratuvar Ön Çalışma ve Raporları, Deney 5–8 (Akım Aynası, Aktif Yük, Fark Yükselteci, Frekans Cevabı)

Bu yazı, Başkent Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği EEM311 Elektronik II laboratuvarının 2008 güz dönemi son dört deneyine ait öğrenci çalışmalarını içeriyor: PSpice ön çalışmaları, el ile yapılan ön çalışma hesapları ve deney raporları (Kasım–Aralık 2008). Deney 7 ve 8 için iki ayrı öğrencinin çalışması var. Hepsi arkadaşların çalışmaları; kişisel bilgiler çıkarıldı. Deney 6, 7 ve 8'in el yazısı ön çalışma sayfaları fotoğraflanmış sayfalardan metne aktarıldı. Deney föyleri arşivde ayrı yazılarda (Deney 5–6 ve Deney 7–8) yer alıyor. Kişisel bilgilerden arındırılmış PDF kopyalar yazının sonunda ZIP olarak indirilebilir.

Deney 5: MOSFET akım aynası

Ön çalışma (PSpice)

CD4007 ile kurulan aynada (V_CC1 = V_CC2 = 5 V, R = 1 kΩ) bias simülasyonu ve el hesabı karşılaştırması:

V_CC2'nin 0–8 V taraması (DC sweep) yapılmış; I_O birkaç volttan sonra I_REF'e yakın bir değerde sabitleniyor.

Rapor

Ölçülen değerler: V_D1 = 3.278 V, V_G1 = 3.277 V, I_D1 = I_REF = 1.79 mA; V_D2 = 5.069 V, V_G2 = 3.277 V, I_D2 = I_O = 1.88 mA. V_G1 = V_G2 ve I_REF ≈ I_O olduğu görülüyor.

V_CC2 0'dan 8 V'a değiştirilerek ölçülen çıkış akımı:

Raporun yorumu: I_O, 1.5–1.75 V'tan sonra sabitlenmeye başlıyor, çünkü M2 bu gerilimden sonra doyuma (saturation) giriyor; daha küçük gerilimlerde transistör triyot bölgesinde olduğu için akım düşüyor.

Çıkış direnci V_CC2 = 4 V ve 6 V ölçümlerinden: R_o = ΔV/ΔI = (6 − 4) V / (1.892 − 1.864) mA; ön çalışmada bu değer 81 kΩ bulunmuş.

Not: Raporda sonuç yazılmamış; verilen değerlerle R_o = 2 V / 0.028 mA ≈ 71.4 kΩ çıkıyor.

Deney 6: Aktif yüklü CMOS ortak kaynaklı yükselteç

Ön çalışma

El yazısı sayfalarda (fotoğraflardan aktarıldı) küçük işaret AC eşdeğeri çizilmiş (Q3–Q2 PMOS aynası r_o3, r_o2 dirençleri ve g_m·v_gs kaynaklarıyla, Q1'in g_m1·v_gs1 kaynağı, r_o1, R_g ve R_L) ve kazanç şöyle hesaplanmış:

• v_out = −g_m1·v_gs1·(r_o1 ∥ R_L), v_in = v_gs1
• g_m1 = 2I_D / (V_GS1 − V_TN) = 2·0.64 mA / (3.03 − 1.45) V ≈ 0.81 mA/V
• A_v = −g_m·R_L = −0.81 mA/V × 100 kΩ ≈ −81

Not: Son adımda r_o'lar ihmal edilmiş. λ = 0.01 V⁻¹ ile r_o1 ≈ r_o2 ≈ 100 V / 0.6 mA ≈ 167 kΩ; çıkışta r_o1 ∥ r_o2 ∥ R_L ≈ 45 kΩ alınırsa A_v ≈ −37 bulunur, bu da PSpice sonucuna (−40) çok daha yakın.

PSpice ön çalışması (V_CC = 15 V, R_REF = 25.42 kΩ, R_g = 1 MΩ, R_L = 100 kΩ, giriş 25 mV tepe, 5 kHz):

• Bias: kaynak akımı 1.058 mA, R_REF akımı 500.5 µA, NMOS akımı 557.4 µA, V_G = V_D = 2.754 V.
• Geçici simülasyon: v_in = 25 mV (tepe), v_out = 1.018 V (tepe), A_v = −40.
• R_REF yerine diyot bağlı NMOS Q4 konunca: akım 12.61 mA'e çıkıyor, V_G = V_D = 7.756 V; v_out = 468 mV (tepe), A_v ≈ 18.7 (büyüklük olarak).

Rapor

1. R_REF potansiyometreyle I_REF = 0.6 mA'e ayarlanmış: R_REF = 25.33 kΩ, I_O = I_D = 0.86 mA, V_A = 13.20 V, V_G = 2.78 V, V_D = 2.79 V.
2. Osiloskop ölçümünden A_v = −2.04 V / 75.2 mV ≈ −27.2.
3. R_in (R_x = 50 kΩ pot) satırı ve son tartışma sorusu boş bırakılmış.

Deney 7: BJT fark yükselteci

Ön çalışma, birinci öğrenci

El yazısı hesaplar (fotoğraflardan aktarıldı), föydeki Şekil 5 için (V_CC = 15 V, V_EE = −15 V, R_A = R_B = 2.2 kΩ, R_E = 250 Ω, β = 100, V_BE = 0.7 V):

• I_CQA = I_CQB = 2 mA, I_CQ1 = I_CQ2 = 1 mA, V_CE1 = V_CE2 = 6 V hedefi.
• I_CQA·R_REF + V_CEA + I_CQA·R_A = 15 V → 2 mA·R_REF + 0.7 + 4.4 − 15 = 0 → R_REF = 4.95 kΩ
• Girişler topraklıyken V_E1 = V_E2 = −0.7 V; V_CE = 6 V için V_C = 5.3 V; 5.3 = 15 − 1 mA·R_C → R_C = 9.7 kΩ
• g_m = I_CQ1 / V_T = 1 mA / 25 mV = 0.04 S
• A_vdm-diff = −g_m·R_C / (1 + g_m·R_E) = −0.04·9.7 k / (1 + 0.04·250) = −35.27
• A_vdm-se1 = −g_m·R_C / [2(1 + g_m·R_E)] = −17.64, A_vdm-se2 = +17.64
• V_E = I_CQ1·R_E + I_CQB·R_EE − 15 = −0.7 V'tan R_EE = 7.025 kΩ
• A_vcm-se1 = −g_m·R_C / (1 + g_m·R_E + 2g_m·R_EE) = −0.68
• CMRR = R_EE / (1/g_m + R_E) = 7.025 k / (25 + 250) = 25.6
• rπ = β·V_T / I_CQ = 2.5 kΩ; R_idm = 2rπ(1 + g_m·R_E) = 2·2.5 k·11 = 55 kΩ
• R_icm = v_icm / (2i_b) = rπ(1 + g_m·R_E + g_m·R_EE)/2 = 365 kΩ

Not: R_icm hesabında, föyün ilk ifadesindeki gibi paydada g_m·R_EE kullanılmış. İki yarımın akımı R_EE üzerinden birlikte aktığından doğrusu 2g_m·R_EE'dir; o zaman R_icm = 2.5 k·(1 + 10 + 562)/2 ≈ 716 kΩ olur.

PSpice ile (R_C = 9.7 kΩ, R_REF = 4.95 kΩ):

• Bias: V_CE1 = V_CE2 = 6.11 V, I_CQ1 = I_CQ2 = 991.3 µA ≈ 1 mA, I_CQA = 1.994 mA, I_CQB = 1.995 mA. Rapor, değerlerin ön çalışmadaki hesaplara çok yakın çıktığını ve tasarımın doğru olduğunu söylüyor.
• v_in1 = 50 mV, v_in2 = −50 mV (tepe), 1 kHz: v_out1 ve v_out2 = 3.407 Vp-p (karşıt fazlı), v_odm = 6.813 Vp-p, v_idm = 198.092 mVp-p → A_vdm-diff = −34.394, A_vdm-se1 = −17.2, A_vdm-se2 = 17.2.
• Her iki girişe 4 V tepe, 1 kHz (ortak mod): v_out1 = v_out2 = 8.1 mVp-p, v_icm = 7.9238 Vp-p.

Not: Belgede v_in1 "Vp-p = 99.046 V" diye yazılmış; birimi mV olmalı. Ortak mod kazancı da "7.5153 × 10⁻⁶" diye verilmiş; 8.1 mV / 7.9238 V ≈ 1.0 × 10⁻³ çıkıyor.

Ön çalışma, ikinci öğrenci (PSpice)

Standart dirençlerle (R_C = 10 kΩ, R_REF = 5.1 kΩ) ve besleme hatlarına 100 µF kapasitörlerle kurulan devre:

• Bias: V_CE1,2 = 5.359 V − (−0.663 V) = 6.022 V, I_CQ1,2 = 964.1 µA, I_CQA,B = 1.939 mA.
• ±50 mV tepe girişte: v_out1 = −3.54 Vp-p, v_out2 = 3.54 Vp-p, v_odm = 7.08 Vp-p, v_idm = 200 mVp-p → A_vdm-diff = −35.4, A_vdm-se1 = −17.7, A_vdm-se2 = 17.7.
• 4 V tepe ortak mod girişte: v_out1 = v_out2 = 8.4 mVp-p, v_icm = 7.96 Vp-p → A_vcm-se ≈ −0.001.

El hesaplarıyla karşılaştırma tablosu (el ile R_C = 9.7 kΩ, R_REF = 4.88 kΩ):

Rapor, birinci öğrenci

Devre V_CC = 15 V, V_EE = −15 V, R_A = R_B = 2.2 kΩ, C = 100 µF, R_POT = 500 Ω ile kurulmuş; R_C için standart 10 kΩ kullanılmış.

1. Girişler topraklıyken (kapasitörler takılmadan): I_CQA = 1.979 mA, I_CQB = 2.005 mA, V_CE1 = 6.042 V, V_CE2 = 6.480 V, I_CQ1 = 1.005 mA, I_CQ2 = 0.938 mA, V_C1 = 4.310 V, V_C2 = 5.780 V.
2. v_in1 = 100 mVp-p, 1 kHz, v_in2 topraklı: v_out1 = 1.45 V, v_out2 = 1.52 V → A_vdm-se1 = 14.5, A_vdm-se2 = 15.2.
3. v_in2 = 100 mVp-p, v_in1 topraklı: v_out1 = 1.63 V, v_out2 = 1.50 V → A_vdm-se1 = −16.3, A_vdm-se2 = −15.0.
4. Osiloskobun matematik menüsüyle CH1 − CH2: v_out1 − v_out2 = 2.94 V → A_vdm-diff = 29.4.

Not: Belgede I_CQA'nın birimi "V" yazılmış (mA olmalı). 3. adımın hesabında pay 1.45 yazılmış; −16.3 sonucu v_out1 = 1.63 V ile bulunuyor.

Rapor, ikinci öğrenci

1. DC (girişler topraklı): I_CQA = 1.963 mA, I_CQB = 1.971 mA, V_CE1 = 6.045 V, V_CE2 = 6.042 V, I_CQ1 = 0.965 mA, I_CQ2 = 0.967 mA, V_C1 = 5.412 V, V_C2 = 5.411 V.
2. v_in2 topraklı, Q1'e 100 mVp-p, 1 kHz: v_out1 = −1.83 Vp-p, v_out2 = 1.81 Vp-p → A_vdm-se1 = −18.35, A_vdm-se2 = 18.15.
3. v_in1 topraklı, Q2'ye aynı sinyal: v_out1 = 1.83 Vp-p, v_out2 = −1.81 Vp-p → A_vdm-se1 = 18.35, A_vdm-se2 = −18.15.
4. CH1 − CH2 ile v_odm = −3.64 V → A_vdm-diff = −36.4.
5. İki girişe 8 Vp-p, 1 kHz: v_out1 = −4.21 mV, v_out2 = −4.18 mV → A_vcm-se1 = −0.000526, A_vcm-se2 = −0.000522.
6. Öğrenci, deneyde CMRR'yi hesaplarken A_vdm-se yerine A_vdm-diff kullandığını rapor hazırlarken fark ettiğini yazıp düzeltmiş: CMRR = A_vdm-se / A_vcm-se = 18.35 / 0.000526 ≈ 34 886.
7. Ölçülen akım ve gerilimlerin hesaplananlardan biraz farklı olmasının nedenleri: simülasyondaki ve deneydeki transistörlerin β değerlerinin farklı olması ve R_E'nin potansiyometreyle her iki tarafta tam 250 Ω olarak ayarlanamaması.

Deney 8: Ortak emetörlü yükseltecin frekans cevabı

Ön çalışma, birinci öğrenci (el ile, fotoğraflardan aktarıldı)

Föydeki devre için (V_CC = 12 V, R1 = 8.2 kΩ, R2 = 3.9 kΩ, R_C = 6.3 kΩ, R_E = 3.3 kΩ, R_s = 3 kΩ, R_L = 3.9 kΩ, 2N3904, β = 100):

• V_B = 3.9 k / 12.1 k · 12 = 3.9 V; 3.9 = 0.7 + I_E·3.3 k → I_E = 0.967 mA, I_C = β/(β+1)·I_E = 0.957 mA, I_B = 9.57 µA
• 12 = I_C·R_C + V_CE + I_E·R_E → V_CE = 2.67 V; Q noktası (0.957 mA, 2.67 V)
• R_B = R1 ∥ R2 = 2.64 kΩ, rπ = β·V_T / I_C = 2.61 kΩ, R_in = R_B ∥ rπ = 1.31 kΩ
• r_o = (V_CE + V_A)/I_C = 107.3 kΩ, R_out = R_C ∥ r_o = 5.95 kΩ
• A_v-mid = R_in/(R_in + R_s) · (−g_m·(R_C ∥ R_L)) = −27.3
• Kısa devre zaman sabitleri: C1 için R_1s = R_s + (R_B ∥ rπ) = 4.2 kΩ → 23.8 rad/s; C2 için R_2s = R_L + (R_C ∥ r_o) = 7.87 kΩ → 127.1 rad/s; C_E için R_3s = R_E ∥ [(rπ + R_th)/(β+1)] = 39.5 Ω → 253.2 rad/s. ω_L = 404.1 rad/s → f_L = 64.4 Hz
• Açık devre zaman sabiti: R_eq = [(R_s ∥ R_B) + r_x] ∥ rπ = 0.96 kΩ, C = C_π + C_µ(1 − A_v) = 238.7 pF → ω_H = 4.37 × 10⁶ rad/s, f_H = 695.9 kHz
• Bant genişliği BW = f_H − f_L ≈ 695.8 kHz

Ön çalışma, PSpice sonuçları

Birinci öğrencinin simülasyonu (C_E = 10 µF ile, föyün 2005'ten kalan tablo değeri):

• Bias: V_CE = 2.779 V, I_BQ = 7.078 µA, I_CQ = 958.1 µA.
• 1 kHz geçici analiz: v_in = 19.81 mVp-p, v_out = 544.13 mVp-p, A_v = 27.839.
• AC taraması: orta bant ≈ 27.28 dB; 3 dB noktaları f_L ≈ 41.5 Hz, f_H ≈ 851.1 kHz.
• C_E sökülünce: v_out = 6.65 mVp-p, A_v = 0.337; işaretçiler 16.1 Hz ve 601.174 M(Hz) gösteriyor.

Raporun yorumu: C_E kaldırılınca kazançta büyük bir düşüş oluyor; alt ve üst kesim frekansları da değişiyor.

Not: 544.13 / 19.81 ≈ 27.47; belgedeki 27.839 biraz farklı.

İkinci öğrenci (C_E = 100 µF) aynı bias değerlerini bulmuş; 10 mV tepe girişte v_out = 289.2 mV tepe, A_v = −28.9. Karşılaştırma tablosu:

Rapor

Devre föydeki Şekil 2'ye göre kurulmuş (raporda C_E = 10 µF yazıyor). Transistör verileri: V_BE(ON) = 0.7 V, V_A = 100 V, r_x = 100 Ω, C_π = 13.9 pF, C_µ = 8 pF, n = 1, V_T = 25 mV.

1. DC ölçümler: I_BQ = 0.071 mA, I_CQ = 0.954 mA, V_CEQ = 3.07 V.
2. v_s = 20 mVp-p, 1 kHz: v_in = 18.8 mV, v_out = 432 mV (10 mV/div ve 200 mV/div, 500 µs/div) → A_v-mid = 23.0. Sonraki ölçümlerde gözlem kolaylığı için v_in = 32.8 mV alınmış.
3. Kesim frekansları f_H = 425 kHz, f_L = 3.87 Hz olarak yazılmış. Frekans taraması (A_v = v_out / 32.8 mV):

Grafik, x ekseni eşit aralıklı "logaritmik" sıra numaralarıyla Excel'de çizilmiş.

• 4. adım: C_E sökülünce orta bant kazancı büyük ölçüde düşüyor: A_v-mid = 0.333, f_H = 722 kHz, f_L = 132 Hz.
• 5. adım: 5 kΩ'luk potla R_in = 3.688 kΩ.
• 6. adım: 10 kΩ'luk potla R_out = 6.12 kΩ.

Not: 0.954 mA, raporda yazıldığı gibi 95.4 µA değil 954 µA'dir. 120 kHz satırında 824 / 32.8 ≈ 25.12 olmalı. Tablodaki kazanç 300 Hz'de bile orta bant değerinin (≈ 26.3) yarısı kadar olduğundan alt kesim frekansı birkaç yüz hertz civarında; "3.87 Hz" büyük olasılıkla 387 Hz olacaktı.

Yayınlanmayan dosyalar

Klasördeki PSpice proje ve simülasyon dosyaları (.opj, .DSN, .DBK, .sim, .out, .dat vb.) yazıya alınmadı; el yazısı ön çalışma fotoğrafları yalnızca metne aktarıldı, indirme dosyasında yok.