bab viii analisa ac pada transistor - website staff ui...
Post on 15-May-2018
249 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 166
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
BAB VIII
Analisa AC Pada Transistor Analisa AC atau seringkali disebut analisa sinyal kecil pada penguat adalah analisa penguat sinyal AC, dengan memblok sinyal DC yaitu dengan memberikan kapasitor coupling pada sinyal input dan sinyal output.
Pendekatan yang dilakukan untuk analisa AC untuk frekuensi midband/passband adalah semua kapasitor coupling dan by-pass dapat dianggap sebagai hubung singkat, selanjutnya semua sumber tegangan DC dapat dianggap seolah-olah berhubungan dengan ground.
Kapasitor untuk analisa AC dianggap sebagai hubung singkat, hal ini impedansi kapasitif didekati dengan 0,1CX R< . Sehingga untuk
rangkaian RC seri, impedansinya adalah 1CZ R R j X
j Cω= + = − atau
2 2 2 2(0,1 )CZ R X R R R= + = + ≈ . Jadi pada saat analisa AC kapasitor bisa didekati sebagai hubung singkat, sedang untuk analisa DC kapasitor didekati sebagai rangkaian terbuka, seperti gambar berikut.
DC AC
Untuk rangkaian RC seri, jika hambatannya 1kΩR = digunakan untuk beroperasi dalam rentang frekuensi pendengaran manusia (20 Hz – 20 kHz). Dengan menganggap bahwa impedansi kapasitif dari kapasitor kopling sebesar 0,1CX R< pada frekuensi minimum,
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 167
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
sehingga 100CX < Ω pada 20 Hz. Akibatnya 12 C
Cf Xπ
= atau
1 79,6μF(2 )(20Hz)(100 )
Cπ
= =Ω
Model-h Untuk menganalisa sinyal kecil pada transistor, seringkali transistor digantikan dengan model linear parameter-h. Model-h ini cukup akurat jika transistor di bias untuk operasi linear dan sinyal-sinyal pada frekuensi tinggi dapat diabaikan. Transistor dengan konfigurasi emiter bersama dengan model-h berlaku : (dengan Vbe dan IC sebagai variabel dependen)
vbe = hie ib + hre vce
iC = hfe ib + hoe vce
Persamaan itu dalam bentuk matriks:
ie rebe b
fe oeC ce
h hv ih hi v⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞
= ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠
Secara skematik persamaan tsb digambarkan sebagai berikut :
Ib Ichie
hoe
hfe Ib hre Vce VceVbe
B C
E
Gambar 1, Model linear dari transistor
Definisi
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 168
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
hie : hambatan input basis-emiter ~ 500 Ω - 5 kΩ 0ce
beie
b v
vhi
=
=
hre : transfer ratio tegangan mundur ~ 10-4 - 10-3 0b
bere
ce i
vhv
=
=
hfe : transfer ratio arus maju 50 ~ 500 0ce
cfe
b v
ihi
=
=
hoe : konduktansi output C-E ~ 1 μS - 100 μS 0b
coe
ce i
ihv
=
=
VCE
20
10
0
vBE
iB(?A)
?iB
?vBE
0.75 0,85
iB(?A)
VCE
0
1020
?vBE
80
vBE
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 169
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
VCE
iC(mA)
iB(?A)
20
40
60
70
80
90
100
120
10
?iC ?iB
VCE
iC(mA)
iB(?A)
20
40
60
70
80
90
100
120
5 15
8,48,6
Catatan
Dalam menganalisa sinyal AC dilakukan sbb:
1. sumber tegangan DC dihubung-singkatkan dalam sinyal AC.
2. semua kapasitor dihubung singkat dalam sinyal AC.
3. gambarkan parameter h, untuk pin B, C dan E.
4. tambahkan komponen-komponen lainnya.
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 170
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
Model Ebers-Moll
Untuk Dioda I
V
Gambar 2, Simbul dan karakterist dioda
( 1)TV
VSI I e η= −
dengan VT = kT/q ~ 25 mV (tegangan termal untuk T ~ 300 K).
η ~ 1 - 2
IS arus saturasi
Untuk Trasnsitor Pendekatan bahwa transistor sebagai penguat arus dengan IC = hFE IB, cukup baik untuk banyak aplikasi, namun kurang memadai untuk menjelaskan penguat diferensial, konverter logaritmik, kompensasi temperatur dan banyak aplikasi lainnya. Sebagai gantinya Ebers-Moll menganggap bahwa transistor sebagai devais transkonduktansi. Arus kolektor bergantung pada basis-emiter, yaitu:
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 171
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
E
IC
C B
VBE
Gambar 3, Struktur fisis dan karakteristik VBE -IC
( 1)BE
T
VV
C SI I e= −
dengan VT = KT/q ~ 25 mV (untuk suhu kamar)
IS : arus bocor reverse.
Namun untuk VBE >> VT, sehingga BE
T
VV
C SI I e=
atau ln CBE T
S
IV VI
=
Untuk dua kondisi yang berbeda, yaitu
11
2 1 22 1
2 12
lnln ln ln
ln
CBE T
S C C CBE BE T T
C S S CBE T
S
IV VI I I IV V V VI I I IV VI
⎫= ⎪ ⎡ ⎤⎪ − = − =⎬ ⎢ ⎥⎣ ⎦⎪=
⎪⎭
Jika ada perbedaan VBE maka berarti ada hambatan dalam hambatan antara basis-emitter, yaitu
BEe
E
VrI
Δ=
Δ
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 172
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
Dengan mengambil pendekatan TBE C
C
VV II
Δ = Δ , sehingga diperoleh
hambatan dalam basis-emiter 25 mVBE Te
C C C
V VrI I I
Δ= = ≈
Δ
Dengan pendekatan model Ebers-Moll transistor npn dimodelkan sebagai:
?R iCR ?F??EF
iE
iB
iEF iCR
index R : reverseF : forward
iE
Gambar 4, Model Ebers-Moll pada transistor
Dari model Ebers-Moll tsb di atas terlihat bahwa :
E EF ER EF R CRi i i i iα= − = −
C CF CR F EF CRi i i i iα= − = −
B BF BRi i i= +
dengan : ( 1)BE
T
VV
EF EOi I eη= −
( 1)BC
T
VV
CR COi I eη= −
R CO F EOI Iα α=
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 173
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
Persamaan Ebers-Moll cukup akurat untuk selang arus IC yang cukup lebar, dari orde nanoampere hingga miliampere. Besaran-besaran penting yang diperoleh dari model Ebers-Moll adalah :
o Kecuraman kurva IC vs. VBE
o Adanya hambatan dalam basis-emiter, er
Penguat Emiter Bersama Berikut ini adalah rangkaian dasar dari penguat emiter bersama.
R1 RC
RER2
VCC
Vout
Vin
Gambar 5, Konfigurasi emiter bersama
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 174
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
Dari gambar rangkaian di atas diubah menjadi: (dengan mengabaikan hre, hoe dan hie) .
Ingat pada saat menganalisa AC:
• Kapasitor seolah hubung singkat,
• Sumber tegangan DC dianggap dihubungkan ke ground.
AC R1 R2
(1+hfe)RE hfe ib
RC
ib
vin
= ie
iin
Rin = R1 // R2 // (1+hfe)RE
(1 )in
bfe E
vih R
=+
(1 ) 1fein in in
c fe b fefe E fe E E
hv v vi h i hh R h R R
= = = ≈+ +
Cout C c C in
E
Rv v i R vR
= = − = −
out Cv
in E
v RAv R
= = − tanda minus menunjukkan ada pembalikan fasa,
yaitu ada beda fasa sebesar 180o, seperti ditunjukkan dalam ilustrasi berikut ini.
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 175
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
v b
V e
V c
t
t
t
Jika rangkaian di atas diubah sedikit, yaitu dengan memasang kapasitor secara paralel dengan RE sehingga rangkaiannya menjadi:
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 176
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
R1 RC
RER2
VCC
Vout
Vin
Untuk analisa AC, rangkaian ini dapat dianggap bahwa hambatan RE akan short, karena paralel dengan kapasitor. Namun ingat bahwa antara basis-emiter ada hambatan dalam sebesar er , akibatnya untuk menganalisa dapat digantikan menjadi:
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 177
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
AC R1 R2
(1+hfe)re hfe ib
RC
ib
vin
= ie
iin
Dengan cara yang sama, penguatan tegangannya menjadi: Cv
e
RAr
= −
Contoh: Analisalah rangkaian penguat berikut ini dengan menggunakan model-h, jika diketahui hie = 1,5 kΩ, hfe = 70, hoe = 25 μS, dan hre = 0. Komponen lainnya adalah RB = 220 kΩ, RC = 4,7 kΩ dan kapasitor masing-masing 1 μF.
VCC
vo
RB
vs
RC
Rangkaian ini diubah dengan menerapkan model-h, sehingga menjadi:
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 178
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
RB hie hoe
B C
E
hfeIbIbIi
vs
IoIc
RC
Dari gambar di atas terlihat bahwa:
sb
ie
vIh
=
1 11 1
C so fe b fe
C oe oe C ie
R vI h I hR h h R h
= − = −+ +
Vo = Io RC
Penguatan tegangan: 219 1861 1 0,118
feo Cv
s ie oe C
hv RAv h h R
= = − = − = −+ +
Penguatan daya: AP (dB) = 20 log 186 = 45,3 dB.
Garis Beban Perhatikan rangkaian emitter bersama berikut ini.
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 179
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
Dengan analisa garis beban DC, untuk hambatan 2R , transistor dalam keadaan saturasi sehingga diperoleh:
( )CC
C satC E
VIR R
=+
Sedangkan untuk hambatan 2R , transistor dalam keadaan cut-off sehingga diperoleh:
( )CE cut off CCV V− =
Untuk analisa AC, rangkaian di atas dapat disederhanakan sbb:
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 180
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
Pada loop tegangan kolektor, berlaku: 0ce c cv i r+ = . Sehingga
diperoleh cec
c
vir
= −
dengan //c C Lr R R= hambatan AC yang dilihat oleh kolektor,
c C C CQi I I I= Δ = − arus AC kolektor,
ce CE CE CEQv V V V= Δ = − tegangan AC pada terminal C-E
Dengan memanfaatkan persamaan ini diperoleh CEQ CEC CQ
c c
V VI Ir r
= + −
pers garis beban AC
Pada saat transistor saturasi, terjadi pada saat 0CEV = , diperoleh:
( )CEQ
c sat CQc
Vi I
r= +
Sedangkan transistor dalam keadaan cut-off terjadi pada saat 0CI = , atau dari persamaan CI di atas berubah menjadi:
CE CQ c CEQV I r V= + .
Dari tegangan C-E:
ce CE CE CEQv V V V= Δ = −
yang juga berarti bahwa ( )( )CE C cV I rΔ = Δ . Sehingga diperoleh:
( )ce cut off CEQ CQ cv V I r− = +
Secara skematik ditunjukkan pada gambar berikut ini.
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 181
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
( )ce cut off CEQ CQ cv V I r− = +
( )CC
C satC E
VIR R
=+
( )CEQ
c sat CQc
Vi I
r= +
Untuk rancangan penguat yang baik, diusahakan agar titik Q berada di-tengah-tengah garis beban AC. Hal ini dimaksudkan untuk menghindari clipping, yaitu clipping saturasi jika titik Q ke arah kiri, sedang clipping cut-off jika Q ke arah kanan, seperti ditunjukkan pada gambar berikut.
Gambar 1, (a) Clipping cut-off, (b) clipping saturasi, (c) penempatan titik Q yang optimum
Contoh:
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 182
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
Dari rangkaian berikut ini diketahui R1 = 68 kΩ, R2 = 10 kΩ, RC = 3,9 kΩ, RE = 220 Ω, RS = 600 Ω, RL = 2 kΩ, dan semua kapasitor dapat diabaikan (~ 0,1 μF). Data dari BJT transistor adalah sbb: hfe = 150, hoe = 50 μS, hie = 3 kΩ dan hre = 0. Hitunglah penguatan arus dan penguatan tegangan dari rangkaian tsb.
VCC
RC
RE
R2
R1
C2 Io
C3
C1
RL
vs
RS
Dari rangkaian tsb di atas diubah dengan menggantikan BJT transistor dengan model-h sinyal kecil, diperoleh gambar sbb:
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 183
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
AC
B
E
hie R2 R1
hfeIb
hoe RC
CIbIi
RS
Io
RL
vs
Dari rangkaian pengganti tsb dapat dihitung :
Hambatan dalam input Ri = R1//R2//hie
= 68kΩ // 10kΩ // 3kΩ = 2,23 kΩ
Arus input 32,83 10s s
iS i
v vIR R
= =+ ×
Tegangan antara Basis - Emiter 0,79ibe s s
S i
RV v vR R
= =+
Arus basis 0,793000
be sb
ie
V vIh
= =
Konduktansi total antara terminal kolektor dan emiter
1 1 806ce oeC L
G h SR R
μ= + + =
Tegangan output 6 3
150 0,79 49806 10 3 10
fe b so s
ce
h I vV vG −
×= − = − = −
× × ×
Hambatan dalam output //o C oeR R h=
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 184
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
Penguatan tegangan 49ov
s
VAv
= = −
Arus output 32 10o o
oL
V VIR
= =×
Penguatan arus 3
3
/ 2 10 2,83 69/ 2,83 10 2
o o oI
i s s
I V VAI v v
×= = = = −
×
Penguatan daya = AP = Av AI
Contoh:
Andaikan rangkaian penguat tsb (konfigurasi emiter bersama) pada model-h untuk BJT tidak diabaikan hre, misalnya hre = 2 x 10-4, maka rangkaian penggantinnya menjadi :(anggap RL = ∞ )
RB
hie
hoeh fe
I b
Ib
h re
Voe
E
B C
Vi RC
RB = R1//R2= 8,7 kΩ
Vo = - hfe Ib RCE , dengan RCE = hoe // RC = 3,3 kΩ.
Dengan menggunakan KVL pada loop input, didapat :
4(3kΩ 2 10 2,3kΩ) 3kΩ
i ie b re ce
ie b re ce b
b b
V h I h Vh I h R I
I I−
= += −
= − × × ∼
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 185
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
Penguatan tegangan:
170,6( ) ( )
fe b CE fe CEov
i ie fe re CE b ie fe re CE
h I R h RVAV h h h R I h h h R
= = − = − = −− −
Jika parameter hre diabaikan, maka penguatan tegangan menjadi:
fev CE
ie
hA R
h= − = - 165
Terlihat bahwa dengan mengabaikan hre hanya ada perbedaan sekitar 3%, sehingga seringkali faktor hre dapat diabaikan.
Rangkaian banyak tingkat (Kaskade) Untuk memperbesar penguatan dilakukan dengan membuat amplifier banyak tingkat. Pada contoh berikut diperlihatkan penguat dengan 2 (dua) tingkat. Kapasitor C2 dipergunakan untuk memisahkan kondisi DC dari masing-masing tingkat, sehingga Vc1 dan Vb2 saling bebas.
Semua kapasitor dapat dianggap hubung singkat untuk daerah frekuensi operasi (midband) dari penguat. Kopling ini dikenal sebagai kopling RC. Dengan kopling ini berakibat :
Vc1 = Vb2
(tegangan di kolektor transistor 1 sama dengan tegangan di basis transistor 2).
Penguatan total dari rangkaian kaskade, merupakan hasil kali dari masing-masing penguat, sehingga
1 2v v vA A A=
Namun jika efek pembebanan harus diperhatikan, maka akan berakibat
1 2v v vA A A≠
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 186
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
Untuk itu cara menghitungnya dilakukan dengan mengunakan rangkaian ekivalen dari transistor, seperti yang ditunjukkan berikut ini.
R1
R2
R3
R4
RC1
RE1
RC2
RE2
C1
C3
C2
C4
C5
RBRL
VCC
vs
Gambar , Rangkaian kopling RC.
Rangkaian tsb di atas menggunakan komponen-komponen sbb: R1 = 47 kΩ, R2 = 10 kΩ, RC1 = 3,9 kΩ, R3 = 33 kΩ, R4 = 6,8 kΩ, RC2 = 1,8 kΩ dan RL = 600 Ω dan dengan sinyal input vs = 1 mV dan RS = 1 kΩ. Sedangkan transistor Q1 dan Q2 memiliki paramete-h sbb : hie1 = hie2 = 2 kΩ, hfe1 = hfe2 = 100, hoe1 = hoe2 = 50 μS, hre1 = hre2 = 0.
Untuk analisa AC dari rangkaian tsb dipergunakan model-h, sehingga rangkaian ignal kecilnya adalah sbb:
hie1 hie2
E1
B1 C1 B2 C2
hoe1 RC1 R3 R4 hoe2 RC2
Ii
Ib1
hfe1Ib1
Ib2
hfe2Ib2
RL R2R1
RS
E2
Dari rangkaian ekivalen tsb diperoleh :
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 187
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
Ri = R1 // R2 // hie1 = 47 kΩ // 10 kΩ // 2 kΩ
12,6
si
S i
v mVIR R k
= =+ Ω
= 0,38 μA
Pi = Ii2 Ri = 0,23 x 10-9 W
12,6
si
S i
v mVIR R k
= =+ Ω
= 0,62 mA
1be
bie
VIh
=
1be
bie
VIh
= = 0,31 μA
Total konduktansi di antara pin C-E pada transistor 1:
1 11 3 4 2
1 1 1 1CE oe
C ie
G hR R R h
= + + + + = 0,86 mS
Diperoleh 1 12
1
fe bbe
EC
h IV
G= − = - 36 mV
3
22 3
3,6 10 182 10
beb
ie
VI Ah
μ−− ×
= = = −×
2 22
1 // // 450CE C Loe
R R Rh
= = Ω
Dengan demikian Vo = - hfe2 Ib2 RCE2 = 0,81 V
2
1,1oo
L
VP mWR
= =
Bab V, Analisa AC pada Transistot Hal 188
Sastra Kusuma Wijaya FISIKA FMIPA UI Diktat Elektronika I
69
1,1 4,8 100,23 10
oP
i
P mWAP W−= = = ×
×
Ap (dB) = 67 dB
top related