BJT RF Yükselteçler

Linear (Doğrusal) RF güç yükselteçleri AM ve SSB vericilerin çıkış katı olarak yaygın olarak kullanılır. Aslında genel olarak giriş ve çıkış arasında ki bağlantı bir linear yükselteçtarafından sağlanır.

Linear yükselteç yada doğrusal yükselteç, adından daanlaşılacağı gibi girişine uygulanan sinyalin şeklini, frekansını bozmadan fakat genliğini arttırarak çıkışa aktaranyükselteçlerdir. Bu yüzden, bilgiyi genliğinde taşıyan RFsistemlerinin (AM, SSB gibi) çıkış katı olarak kullanılır.

Linear yükselteçlerler; A sınıfı tek transistörlü, paralel bağlıtransistörlü veya AB sınıfı yada B sınıfı push-pull bağlıtransistörlerden yapılabilir.

Bildiğiniz gibi A sınıfı yükselteçlerde bir takım bozulmalar(distorsiyonlar) olmuyor. Şüphesiz B sınıfı yada AB sınıfıyükselteçlerin de çalışma bölgelerinin doğrusal kısımlarındada aynı özellik var. Peki, linear yükselteç kullanmazsak neolur. Şimdi burada kısa bir bilgilendirme yapacağım. Bir yükselteç doğrusal çalışmıyorsa, girişine uygulanansinyali çıkışta şekli bozuk olarak bize verecektir. Bu dalgaşeklinin trigonometrik ifadesini yazmaya kalkarsak (yanidalga şeklini genliği, frekansı gibi şeyleri)

f(t)= a0 + a1Cosw0t + a2Cos2w0t + a3Cos3w0t + a4Cos4w0t +....... anCosnw0t

Şimdi bu yazıyı okuyan pek çok arkadaş buda ne diyebilir.Hemen açıklayalım. İşin özü şu; Kare, üçgen, kesik sinüs, kesik kosinüs gibi(tam sinüs ve kosinüs olmayan dalgaların dışında) dalgalıniçinde sonuz sayıda sinüs dalgası vardır. Buradaki sinüsdalgalarının frekansları ana frekans ve tam karlarındanoluşur. Şimdi yukarda ki ifadeye bakalım ve açıklayalım.

f(t)= a0 + a1Cosw0t + a2Cos2w0t + a3Cos3w0t + a4Cos4w0t +....... anCosnw0t

f(t)= Sinüs olamayan, periyodik bir dalga sekli, örneğin üsten kesik bir sinüs, kare dalga yada üçgen dalga gibi.

a0= Dalga şeklinin DC bileşeni

w = 2 . pi . f(f ana frekans)

a1Cosw0t= a1, ana frekansın genliği, Cosw0t ise anafrekans.

a2Cos2w0t= a2, ana frekansın ikinci harmoniğinin (anafrekansın iki katı) genliği, Cos2w0t ise ana frekansın ikinciharmoniği (ana frekansın iki katı). a3Cos3w0t= a3, ana frekansın üçüncü harmoniğinin (anafrekansın üç katı) genliği,Cos3w0t ise ana frekansın üçüncü harmoniği (ana frekansın üç katı). a4Cos4w0t= a4, ana frekansın dördüncü harmoniğiningenliği,Cos4w0t ise ana frekansın dördüncü harmoniği.

anCosnw0t= an, ana frekansın n inci harmoniğiningenliği,

Cosnw0t ise ana frekansın n inci harmoniği.

Yani, sinüs dalgası dışındaki periyodik dalgalar, frekansları ana frekansın kendisi ve katları olan sinüs dalgalarından oluşur.Bu ne işe yarayacak derseniz, frekans katlama devreleri buişi yapıyor, önce dalga şekli bozularak harmonikler üretiliyor (bir diyot yada A sınıfı çalışmayan transistörlü bir devre ile).Sonra katlayıcının çıkışına bu harmoniklerden hangisinikullanacaksak sadece onu alan bir LC devresi konuyor. Herhalde bu açıklama işe yaramıştır.

Bir yükselteç doğrusal çalışmıyorsa, girişine uygulanansinyali çıkışta şekli bozuk olarak bize verecektir demiştik.Yukarıdaki açıklamam iyi analiz edilmişse işinde işeyaramayan pek çok bileşkeler olduğunu ve yükseltecinveriminin azalacağı, çıkış sinyalinin seviyesinin düşeceği açıktır.

Genel olarak bu bölümü özetlersek; Bir RF dalgasındaki bilgi dalganın genliğinde (AM, SSB)taşınıyorsa Linear yükselteç kullanılır. Bir RF dalgasındaki bilgi dalganın frekansında(FM)taşınıyorsa Linear yükselteç kullanılmayabilir. Dar bantlı bir vericimiz varsa (Mors gibi) ve modülasyonkollektör besleme voltajını değiştirerek yapıyorsak AM içinçıkış katı olarak kullanabiliriz. Fakat bu tür bir yükselteci S SB olarak kullanmak mümkün olmaz.

A-Sınıf RF Yükselteci:

Bir RF yükselteç içinde olmazsa olmaz devre parçalarından oluşur.

Şekil 1.

Buradaki Bayas devresi yükseltecin çalışma sınıfını belirler. Matching (eşleme) devreleri transistörün giriş empedansınıgirişe bağlanan bir önceki devrenin çıkış empedansınaeşlemeye, çıkıştaki matching devresi işe "transistörün çıkışempedansını anten empedansına uydurmaya yarar.Profesyonel devrelerde genellikle giriş ve çıkış empedansları özel bir durum yoksa 50 ohm olarak yapılır.RFC (RF şok) RF e çok yüksek empedans göstererek RF sinyalin besleme ve bayas devrelerinden geçmesine engelolurlar. A sınıfı bir yükselteç en iyi lineariteye ve en düşük distorsiyonoranına sahiptir. Fakat verimi düşüktür. Bunun sebebi iseçalışma sınıfının özelliğinden dolayı girişine bir sinyaluygulanmasa bile bir kollektör akımının akmasıdır.

Yukarıdaki devreye besleme voltajı ve giriş sinyaliuygulandığında,AC sinyal transistörün kollektöründebesleme voltajının iki katı olarak salınır. Kollektördeki RFC AC sinyalin besleme kaynağı tarafından kısa devre edilmesine engel olur. AC sinyal kollektöre bağlı matching devresiüzerinden antene beslenir. Transistöreden geçen akım;

Ic= Icq + IoCoswt dir.

Ic= Transistörden geçen herhangi bir andaki kollektör akımı.

Icq= Transistörden geçen kollektör sessizlik (giriş sinyali
olmadığında) akımı.

IoCoswt = RF sinyal bileşkesi olan kollektör akımı.

Herhangi bir andaki kollektör gerilimi;

Vc= Vcc - IoRL' Coswt    Buradaki RL' kollektör empedansıdır.

Kollektörde harcanan güç bir miktar hesap sonunda

Pd= IcQ Vcc - (Io² RL') / 2olarak bulunur.

Bu yükselteçlerde giriş sinyali yokken kollektör üzerinde çokfazla güç harcanır. Yukarıdaki formülün (Io² RL') / 2 parçasısinüs sinyali uygulandığında oluşan güç harcamasıdır.Formülden de anlaşılacağı gibi giriş sinyali yokken transistör üzerinde harcanan güç artıyor. Devrenin verimi

 n = Io² /( 2 Io²max) 100%

Buradan en büyük verinin %50 nin altında olduğu anlaşılıyor.

Maksimum çıkış gücü;

Po= (Vcc IcQ) / 2

Girişe birden çok sinyal sinyal uygulandığında (örneğin çiftton uygulandığında) çıkış gücü tek tona göre düşer. Bu nedenle farklı güç formülleri de kullanılır.

Portalama= P.E.P / N

Burada; Portalama = ortalama çıkış gücü

P.E.P. = Tek ton uygulandığında tepe güç.

N = ton sayısı

BU şekilde transistör üzerinde harcanan güç

Pd = IcQ Vcc - Portalama olarak ifade edilir.

Linear yükselteçlerde kullanılan bayas devreleri çıkıştransistörünün gücüne göre tasarlanır. Eğer düşük güçtransistörleri kullanılıyorsa aşağıdaki devre yeterli olabilir.

Şekil 2.

Eğer kullandığımız çıkış transistörü fazla güç verecek iseaşağıdaki devreyi kullanmak daha uygun olacaktır.

Şekil 3.

Güç transistörlerinin beta değerleri genellikle azdır. Bunedenle Ib akımları yüksek olabilir. Yukarıdaki devredebulunan transistör fazla Ib akımlarını karşılamak içinkullanılmaktadır.

Her iki devredeki diyot yada diyotlar VB gerilimini sınırlamak için kullanılmaktadır. P1 ayarlı diranci Ib akımını yada IcQakımını ayarlamak için kullanılmaktadır. RFC ise dahaönce de söylediğim gibi girişe uygulanan RF sinyalin bayasdevresi üzerinden kısa devre olmasını engellemek için kullanılmaktadır.

A sınıfı RF Yükseltecine Örnek;

Şekil 4.

Yukarıdaki devreyi açıklarken ses frekans yükselteçlerinden gerek devrede kullanılan malzemeler ve özellikleri bakımından ne kadar farklı olduğunu göreceksiniz.

Devrenin girişinde kullanılan C1, C2 ve L1 elemanları girişebağlanacak olan RF kaynağının çıkış empedansınıntransistörün giriş empedansına çalışma frekansındauydurmaya yarar. Bu devre kullanılmazsa RF kaynağınınempedansı ile transistörün giriş empedansı birbirine uygunolmadığı için devre iyi çalışmayacaktır. Bildiğiniz gibi elektrikte maksimum güç transferi için empedanslar eşit olmalı. Çıkış da yer alan L2, C5 ve C6 kapasiteleri ise transistörünçıkış empedansını anten devresine (anten kablosu ve antendahil) uydurmaya yarar. RFC ler RF sinyalin besleme gerilimi ve bayas voltajı üzerinden kısa devre olmasını engeller. C3 ve C4 kondansatörleri ise besleme kaynaklarındangelebilecek olan bozucu AC sinyallerin devreye girmesineengel olmak için kullanılmaktadır.

Şimdi devre ile ilgili formülleri ve elemanların nasılhesaplandığını bir örnekle açıklayalım;Bu devremiz örneğin 30MHz de 13W güç verecek bir linearyükselteç olarak tasarlanmış olsun. Kullanılan transistörüngiriş empedansı (1,7 - j1) olsun.

L1 için ;

Bobinin Q faktörü biraz geniş olması için 7 seçilsin. L1 bobininreaktansı ;

XL1= (Q . Rin) + XCin

Burada Rin transistörün giriş direnci olup 1,7 ohm Xcintransistörün giriş empedansının sanal tarafı olup 1 ohm dur.

XL1 = ( 7 . 1,7 ) + 1
XL1 = 12.9 ohm

L1=XL1 / ( 2 . pi . f ) = 12,9 / ( 2 . pi . 3 . 10⁷ )
L1 = 68,4 nH bulunur.

C1 için;

XC1= RL . \/¯ ( Rin . (1 + Q² ) / RL ) - 1
Değerleri yerine koyarsak
XC1= 41,8 ohm

C1 = 1 / ( w . XC1 )
C1 = 127pF

C2 için;
XC2 =Rin . (1 + Q2) / ( Q - \/¯ (Rin . ( 1 + Q2 ) / RL) -1
XC2 = 13,8 ohm

C2 = 1 / ( w . XC2 )
C2 = 385pF    bulunur.

Bulunan C1, C2 ve L1 değerindeki malzemeleri tam olarakbulmak mümkün değildir. Bu nedenle trimmer kondansatörve ayarlı bobin kullanmak gereklidir.

Yükseltecin 13W gücünde olacağını söylemiştim. A sınıfılinear yükselteçte en çok %50 verim alınacağına göretransistör üzerinde normal ısıl şartlarda Pdmax 30Wharcanacağını düşünelim.Besleme voltajı 12,5V olduğuna göre sessizlik akımı IcQ;

IcQ = Pdmax / Vcc
IcQ = 30 / 12,5
IcQ = 2,4A

Kollektör yük direnci RL' ;

RL' = ( Vcc -Vsat ) / IcQ
Vsat, transistörün saturasyon voltajı 1,5V kabul edilsin.
RL' = ( 12,5 -1,5 ) / 2,4
RL' = 4,58 ohm bulunur.

Çıkış gücü ise;
Po =( IcQ² . RL' ) / 2
Po =( 5,76 . 4,58 ) / 2
Po = 13,2 W olduğu görülür.

Çıkışa bağlanacak anten empedansımız 50 ohm olduğunagöre aradaki empedans uydurma devresinin 4,58 ohm lukkollektör empedansını 50 ohm luk anten empedansınauydurması gereklidir.

Devremiz eğer fazla harmonik üretse idi ve biz bu harmoniklerin antene gitmesini engellemek istersek o zaman devrenin Qsunun yüksek olmasını isterdik. Yüksek Q harmonikleriortadan kaldırdığı gibi dar bantlı çıkış almamızı sağlar. Qdüşük seçilirse bu kez de geniş bantlı çıkış elde ederiz. Bizim devremiz zaten A sınıfı olduğu için harmonik bileşenleri doğal olarak az. Bu nedenle harmonik endişesi olmadan Q değerini düşük seçebiliriz. Çıkış devresinin Q su 3 olsun.

Qtoplam= Qgiriş + Qçıkış
Qtoplam = 7 + 3
Qtoplam = 10

XC5 = Qçıkış . Ro
XC5 = 3 . 4,58
XC5 = 13,75 bulunur.

C5 = 1 / ( w . XC5 )
C5 = 386pF

Bulunan C5 değerinden bazı parazitik kapasite değerleriniçıkarmak gereklidir. Daha iyisi C5 i trimmer kondansatörolarak kullanırız.

C6 değeri;
XC6 = RL . \/¯Ro / (RL - Ro)
XC6 = 50 . \/¯4,85 / (50 - 4,85)
XC6 = 15,9 ohm

C6 = 1 / ( w . XC6 )
C6 = 334pF  bulunur.

C6 yı da trimmer olarak kullanmak gereklidir.

L2 değeri;
Transistörün çıkış empedansı Xcçıkış, 3.54 ohm olsun.

XL2 = XC5 + Xcçıkış + ( ( Ro . RL ) / XC6 )
XL2 = 13,74 + 3,54 + ( (4,58 . 50 ) / 15,9 )
XL2 = 31,64 ohm

L2 =XL2 / ( 2 . pi . f ) = 31,64 / ( 2 . pi . 3 . 10⁷)
L2 = 149 nH

Şimdide gerilim ve güç kazançlarını hesaplayalım;

AV = ß . RL' / Rin
Yada
AV = ( ft / fwork ) . ( RL' / Rin )

Burada ft transistörün kesim frekansı olup örnek olarak100MHz alalım. fwork transistörün çalışma frekansı olup örneğimizde 30MHz idi.

AV = ( 100 / 30 ) . ( 4,58 / 1,7 )
AV = 8,98gerilim kazancıdır.

Gp = 20 log AV
Gp = 19 dB güç kazancı bulunur.

Burada eksi kalan taraf sadece transistörün soğutucuhesaplamalarıdır.

Non Linear (Doğrusal Olmayan) RF Güç Yükselteçleri:

B Sınıfı Yükselteç

B sınıfı yükselteçler, girişine uygulana sinyalin ancak 180⁰ lik kısmını iletirler. İletimde olmadıkları sürece herhangi birkollektör akımı akmaz. Bu durumda çıkış dalga şekli yarımdalga doğrultucunun çıkış dalga şekli gibidir.

 

Şekil 5-6.

Çıkışta oluşan bu dalga şekli çok sayıda harmonik içerir.(Harmonik konusunu geçen ay açıklamaya çalışmıştım.) Butür bir yükseltecin çıkışına uygun bir filitre takıldığındaistediğimiz frekansta çıkış elde ederiz. Burada aklınıza birsoru gelebilir. Yükseltecin çıkışındaki sinyal sinüs değildi.Yükseltecin çıkışındaki filitrenin çıkışında sinüs dalga şeklim i oluyor? Evet. Çünkü bu filitreler LC devrelerinden oluşur.Burada bir konu çok önemlidir. Yükseltecin girişine uygulanan sinyalin frekansı (ana frekans) yükseltecin çıkışında bufrekansın katlarının oluşacağı unutulmamalıdır. Bu nedenlekullanılacak LC devresinin frekansı da bu frekanslardan biriolmalıdır. Burada kullanılan filitreler basir bir LC devresiolabileceği gibi karmaşık LC devreleri de olabilir. Eğer geniş bantlı bir yükselteç kullanıcaksak LC devresinin adına bantgeçiren filitre demek daha doğru olacaktır.

Yukarda ki devrenin çıkış akımı Ic nın matemetikselkarşılığını ancak Fourier transformunukullanarak yazabiliriz. Fakat işi uzatmadan, sonuç formülü:

Io= Imax /pi + ((Imax/2pi) cos wt) - ((2/3pi) cos2wt) + ((2/15pi) cos 4wt) + ..........

Yukarıdaki formül enteresan sonuçlar içermektedir. Buformülü incelersek:

Sadece 180⁰ si geçirilen bir sinüsün, Imax /pi , transitörden geçen DC akım Imax ın 1/pi sikadardır. ((Imax/2pi) cos wt) , temel frekansı içeren dalganın akımkarşılığı Imax/2 dir. Tek sayılı harmonik frekanslar yoktur. Ayrıca ikinci harmoniğin genliği ana frekansın genliğinin 7dB altındadır. Dördüncü harmoniğin genliği ana frekansın genliğinin 21dB altındadır.

Bu devre için diğer formüller ise:

Harcanan toplam DC güç;
Pdc= (Vcc * Imax) / pi

Ana frekan için çıkış gücü:
Po= (I2max * RL') / 4

Devrenin maksimum verimi:

Verim= 78,5%

Transistör üzerinde harcanan güç yada transistörü ısıtan güç:

Pdmax= (Vcc * 2 * Imax) / pi2
Pdmax= Pomax * (4 / pi2)

Yani çıkış gücünün yaklaşık 41% kadarı transistör üzerinde harcanmaktadır. Örneğin çıkış gücü 20W olan B sınıfı biryükseltecin çıkış transistörü üzerinde yaklaşık 8.2Wharcanmaktadır.

B sınıfı yükselteçlerde ana harmoniğin dışında farkıfrekanslar elde etmek için pek tercih edilmez. Üst harmonikler için giriş sinyalinin yükselteç tarafından geçirilen açılarınıuygun şekilde ayarlamak gereklidir. Bu ayarlamayıtransistörün bayasını değiştirerek yaparız. Bununla ilgili birtabloyu daha altlarda göreceksiniz. B sınıfı yükselteçlerintercih edilmesinin bir nedeni de tek sayını harmoniklerolmadığı için devrenin verimi artmaktadır.

C Sınıfı Yükselteç

Eğer B sınıfı yükselteçte kullandığımız transistörden dahafazla güç ve daha fazla tepe akımları istersek C sınıfıyükselteç kullanmak durumundayız. C sınıfı yükseltecinçalışma biçimini daha önceki sayılarda anlatmıştım. Kısacaözetleyecek olursam, devrenin bayaslaması giriş sinyali yok iken sıfırdır. Girişe sinyal uyguladığımızda bu sinyalin ancakküçük bir parçası (0⁰ dereceden büyük, 180⁰ den küçük) transistörü iletime sokabiliyordu.Devrenin verimi diğer yükselteçlere göre yüksek idi.

Şekil 7. .

Yukardaki devreyi fazlaca anlatmaya gerek yok. Girişsinyalinin ancak bir parçasını ileten bir devre.

Şekil 8.

Sinüsün yükseltilen parçasınaØ adı verelim ve devre ile ilgili birkaç açıklayıcı formül yazalım.

Ic= Ip * cosw0t
Her hangi bir anda ki kollektör akımını vermektedir. Buradacosw0t 90⁰  olduğunda yani sinyalin tepe değerlerinde
Ic= Ip olur.

Yukarıdaki formüldeki cosw0t, sinüs parçası Ø olup 0⁰ dereceden büyük 180⁰ dereceden küçüktür.

Kolllektör akımının DC bileşeni:
Idc= (Ip /pi) * Sin (Ø/2)

Örneğin Ø değerine pi koyarsak B sınıfı yükseltecin Idcdeğerini buluruz.

Her harmonik için o harmoniğin genliğini In/Ip oranı olarakveren formül: (burada In istediğimiz harmonik oluyor.)

In/Ip= ((sin(n-1) * Ø/2) / (n-1) * pi) + ((sin(n+1) * Ø/2) / (n+1) * pi)

Biraz uzunca bir formül ama sadece bilgi olarak verdim.

Aşağıdaki tablo bazı iletim açıları için In/Ip oranını yadakollektör akımının ne kadarının seçilen harmoniğe aitkollektör akımı olduğunu vermektedir.

Şekil 9. Yakından görmek için üzerine tıklayınız

Formüllere devam edelim. Transistörün besleme kaynağından çektiği güç;

Pdc= Vcc * Idc yada
Pdc= Vcc * (Ip * (sin * Ø/2) / pi)

İsteninel harmonik için çıkış gücü;

Po= ((Vcc * Ip) / (4 * pi)) * (Ø + Sin Ø)

En uygun yük direnci;

RL= (2 pi * Vcc) / (Ø + Sin Ø)

Devrenin verimi;

Verim= 0,25 *( (Ø + Sin Ø) / (Sin Ø/2)) * 100%

Transistörlü C sınıfı yükselteçler orta ve düşük güçlü AMgüç yükselteci olarak rahatça kullanılabilinir. Yüksek güçlüyükselteçler için B sınıfı daha iyi bir alternatiftir.