Çok Katlı Yükselteçler: Kaskat, Kaskod, Darlington, Sziklai ve Akım Aynası
Çok katlı yükselteçler: kaskat bağlantıda kazanç ve yükleme, Darlington çifti (β1·β2, giriş direnci, çözümlü emetör izleyici örneği), Sziklai çifti, kaskod (Miller etkisi ve bant genişliği) ve akım aynası; opampın içindeki yapı taşları.
BU YAZIDAN SONRA ŞUNU BİLECEKSİN
- Kaskat katlarda toplam kazancın neden çarpım ama yükleme hesabı ile olduğunu
- Darlington'ın β'sını, giriş direncini ve bedelini (1,4 V, yavaşlık)
- Kaskodun Miller etkisini nasıl yok ettiğini
- Akım aynasının neden opampın içinde her yerde olduğunu
Kaskat: katları arka arkaya dizmek#
İki CE katını arka arkaya bağlarsan kazançlar çarpılır: −50 × −50 = 2500. Ama bir şartla: ikinci katın giriş direnci, birinci katın yüküdür. Birinci katın kazancını hesaplarken RL yerine R2. katın Rin'ini koymazsan sonuç kâğıt üstünde kalır. Pratik kural: her katın Rout'u, bir sonrakinin Rin'inden çok küçük olmalı. Bu yüzden klasik dizilim CE (kazanç) → CC (tampon) ya da CC (yüksek Rin) → CE → CC şeklindedir.
Darlington: β'yı çarpmak#
Sidney Darlington bu bağlantının patentini 1953'te Bell Labs'ta aldı; o kadar kullanışlıydı ki iki transistörü tek kılıfa koyan parçalar (TIP120, BDX53, ULN2003 içindeki yedi kanal) bugün hâlâ satılıyor. Q1'in emetör akımı Q2'nin taban akımı olduğu için toplam akım kazancı ≈ β1·β2: iki tane 80'lik transistör, 6400'lük bir transistör eder.
Çözümlü örnek: Darlington emetör izleyici
Ders notlarımdaki soru: VCC = 16 V, RB = 2,4 MΩ, β1 = β2 = 80, RE = 0,5 kΩ, RL = 0,5 kΩ.
DC
Girişten bakınca iki VBE ve (β1+1)(β2+1)·RE görünür: IB1 = (16 − 1,4) / (2,4 M + 81 × 81 × 0,5 k) = 14,6 / 5,68 M ≈ 2,57 µA. IB2 = IE1 = 81 × 2,57 µA ≈ 208 µA, IE2 = 81 × 208 µA ≈ 16,9 mA.
Küçük sinyal
rπ1 = 80 × 26 mV / 0,206 mA ≈ 10 kΩ, rπ2 = 80 × 26 mV / 16,7 mA ≈ 125 Ω. RE ∥ RL = 250 Ω. Tabandan görülen: Zb ≈ rπ1 + 81·(rπ2 + 81 × 250) ≈ 1,65 MΩ.
Giriş direnci ve kazanç
Zin = 2,4 M ∥ 1,65 M ≈ 0,98 MΩ; RB artık giriş direncini sınırlayan tek şey. Av ≈ 0,989. Akım kazancı Ai = Av·Zin/RL ≈ 0,989 × 0,98 M / 0,5 k ≈ 1940.
Çıkış direnci
Zo ≈ rπ2/β + rπ1/β² ≈ 1,5 + 1,5 ≈ 3 Ω. 0,98 MΩ'luk bir girişle 3 Ω'luk bir çıkış: tek transistörle imkânsız.
Darlington'ın bedeli
VBE ≈ 1,4 V (iki eklem). Doyumda VCE(sat) ≈ 0,9–1 V, çünkü Q2 doyuma giremez (VCE2 = VCE1(sat) + VBE2): 3 A'de 3 W boşa ısı. Kapanma yavaştır, Q2'nin tabanındaki yük boşalacak yol bulamaz (kılıf içinde bir direnç bu yüzden vardır).
Sziklai çifti
NPN sürücü + PNP güç transistörü. Kazanç yine β1·β2, ama giriş eşiği tek bir VBE (0,7 V) ve sıcaklıkla daha az kayar. Ses yükselteçlerinin çıkış katında, tamamlayıcı (complementary) yapılarda sık görülür.
Kaskod: Miller etkisini öldürmek#
CE katında taban-kollektör kapasitesi (Cμ, birkaç pF) girişle çıkış arasında köprü kurar. Çıkış −Av kat salındığı için girişten bakınca bu kapasite (1 + |Av|) kat büyük görünür: 2 pF × 101 = 202 pF. Kaynak direnciyle birlikte bir alçak geçiren filtre olur ve bant genişliğini çöker. Buna Miller etkisi denir; güç MOSFET'indeki Miller platosu da aynı şeydir.
Kaskod, CE'nin kollektörüne bir CB katı ekler. CB'nin giriş direnci çok küçük (≈ re), yani Q1'in kollektörü neredeyse hiç salınmaz: Q1'in kendi kazancı ≈ −1, Miller çarpanı ≈ 2. Toplam kazanç yine −gm·RC (Q2 akımı olduğu gibi geçirir), ama bant genişliği on kat büyüyebilir. Bonus: Q2 çıkış direncini β·ro mertebesine çıkarır. RF yükselteçlerinde, video katlarında ve opampların giriş katında kaskod bulunur.
Akım aynası: direnç yerine transistör#
İki eş transistörün VBE'si aynıysa, kollektör akımları da aynıdır (iC = IS·evBE/VT). Q1'i diyot gibi bağla (kollektör = taban), içinden RREF ile bir akım geçir: VBE kendini o akıma göre ayarlar. Q2 aynı VBE'yi gördüğü için aynı akımı kopyalar, kollektör gerilimi ne olursa olsun. Sonuç: VCC'ye ve yüke neredeyse bağımsız bir akım kaynağı.
Ders notlarımdaki A sınıfı güç katı örneği bunu kullanıyor: ±15 V besleme, 1 kΩ yükte tam salınım için IQ = 14,8 mA lazım; aynanın referans direnci, referans dalı toprak ile −15 V arasında kurulunca R ≈ (15 − 0,7) / IQ ≈ 1 kΩ çıkıyor (notlardaki çözüm: 993 Ω). Aynalar opamp içinde hem kutuplama akımlarını dağıtır hem de diferansiyel katın kuyruk akımını ve aktif yükünü oluşturur: bir LM741'in içinde dirençten çok transistör vardır.
İki BC547 (β = 200) Darlington bağlanırsa, 10 mA yük akımı için taban akımı yaklaşık ne olur?
Toplam β ≈ 200 × 200 = 40 000; 10 mA / 40 000 = 0,25 µA. Tek transistörle 50 µA gerekirdi. Bu yüzden Darlington, dokunmatik sensör ya da çok yüksek empedanslı kaynakla bir yük sürmek için klasik bir hiledir.
Sık sorulan sorular#
Darlington transistör nedir?
Birinci transistörün emetörünün ikincinin tabanını sürdüğü iki transistörlü yapı. Akım kazancı yaklaşık iki β'nın çarpımıdır, giriş direnci çok yüksektir. Bedeli 1,4 V civarında VBE ve 1 V civarında doyum gerilimidir.
Kaskod yükseltecin avantajı nedir?
CE katının Miller etkisini neredeyse yok ederek bant genişliğini büyütür ve çıkış direncini çok yükseltir. Kazancı aynı kalırken yüksek frekansta çalışabilir; RF ve opamp giriş katlarında kullanılır.
Akım aynası ne işe yarar?
Bir referans akımını başka bir dala kopyalar. Entegre devrelerde kutuplama akımı dağıtmak, diferansiyel katlara kuyruk akımı vermek ve direnç yerine yüksek empedanslı aktif yük olarak kullanılır.
Bu sayfada cevabını bulabileceğin aramalar#
İnsanlar bu konuyu genelde şu kelimelerle arıyor; hepsinin cevabı yukarıdaki yazıda ve simülatörde var:
- Darlington transistör
- Darlington çifti hesaplama
- kaskod yükselteç
- kaskat yükselteç
- çok katlı yükselteç
- akım aynası
- Sziklai çifti
- Miller etkisi
- TIP120
- ULN2003
- Wilson akım aynası
Kaynaklar ve ileri okuma#
Bu yazıyı yazarken ve ders çalışırken baktığım kaynaklar. Bölüm numaraları baskıya göre değiştiği için konu adıyla ararsın.
- Microelectronics: Circuit Analysis and Design Donald A. Neamen"Multistage amplifiers", "Darlington pair", "cascode" ve "Integrated Circuit Biasing and Active Loads" bölümleri.
- Microelectronic Circuits Adel S. Sedra, Kenneth C. SmithKaskod, Miller teoremi ve akım aynaları.
- Electronic Devices and Circuit Theory Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky"Compound configurations": Darlington ve geri beslemeli çiftin DC ve AC analizi.
- EEE311 ders notlarım: Darlington ve geri beslemeli çift16 V, 2,4 MΩ, β = 80 Darlington izleyici örneği ve A sınıfı akım aynası buradan.
- ULN2003A datasheet Texas InstrumentsYedi kanallı Darlington dizisi; VCE(sat) ve iç dirençler.
Bir yanlış, eksik ya da merak ettiğin bir şey mi var?
Bu notları öğrenirken yazıyorum; hata yaptıysam düzeltmek, eksik bıraktığım yeri tamamlamak isterim. İstediğin konuyu yaz, sıraya alayım. Bu devrelerin gerçek kart karşılıklarını da projelerimde bulabilirsin.