bipolar junction transistor (bjt)
DESCRIPTION
Bipolar Junction Transistor (BJT). Stuktur divais dan cara kerja fisik Struktur yang Disederhanakan dan Mode Operasi. Gambar 1. Struktur sederhana transistor npn. Gambar 2. Struktur sederhana transistor pnp. Mode kerja BJT. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
1
Bipolar Junction Transistor (BJT)
2
Stuktur divais dan cara kerja fisik
Struktur yang Disederhanakan dan Mode Operasi
Gambar 1. Struktur sederhana transistor npn
Gambar 2. Struktur sederhana transistor pnp
3
Mode EBJ CBJ
Cutoff Reverse Reverse
Active Forward Reverse
Reverse Active
Reverse Forward
Saturation Forward Forward
Mode kerja BJT
4
Gambar 3: Model rangkaian pengganti sinyal besar untuk BJT npn yang bekerja pada mode forward active.
5
Karakteristik Arus – Tegangan
Gambar 4: Simbol rangkaian BJT
6
Karakteristik Arus – Tegangan
Gambar 5: Polaritas tegangan dan aliran arus dalam transistor yang di bias dalam mode aktif
7
TBE
TBE
TBE
VvSCE
VvSCB
VvSC
eIi
i
eIi
i
eIi
Ringkasan hubungan arus – tegangan dari BJT pada mode aktif
Catatan: untuk transistor pnp, gantilah vBE dengan vEB
1
1
1
11
BEBC
EEBEC
iiii
iiiii
VT = tegangan termal = kT/q ≈ 25 mV pada suhu kamar
8
Contoh soal 1:
Gambar 6: Rangkaian untuk contoh soal 1
Transistor pada gambar (6.a) mempunyai β = 100 dan vBE = 0,7 V pada iC =1mA.Rancanglah rangkaian sehingga arus 2 mA mengalir melalui collector dan tegangan pada collector = +5 V
9
Jawab:VC = 5 V → CBJ reverse bias → BJT pada mode aktifVC = 5 V → VRC = 15 – 5 = 10 VIC = 2 mA → RC = 5 kΩ
vBE = 0,7 V pada iC = 1 mA → harga vBE pada iC = 2 mA:
V717,012
ln7,0
BEV
VB = 0 V → VE = -0,717 V
β = 100 → α = 100/101 =0,99
mA 02,299,02
C
E
II
Harga RE diperoleh dari:
k 07,702,2
15717,0
15
E
EE I
VR
10
Tampilan Grafis dari Karakteristik Transistor
Gambar 7: Karakteristik iC – vBE dari sebuah transistor npn
11
TBE VvSC eIi
Karakteristik iC – vBE identik dengan karakteristik i – v pada dioda.
Karakteristik iE – vBE dan iB – vBE juga exponensial dengan IS yang berbeda: IS/α untuk iE dan IS/β untuk iB.
Karena konstanta dari karakteristik ekponensial, 1/VT, cukup tinggi (≈ 40), kurva meningkat sangat tajam.
Untuk vBE < 0,5 V, arus sangat kecil dan dapat diabaikan. Untuk harga arus normal, vBE berkisar antara 0,6 V – 0,8 V. Untuk perhitungan awal, vBE = 0,7 V.
Untuk transistor pnp, karakteristik iC- vBE tampak identik, hanya vBE diganti dengan vEB.
12
Gambar 8: Model rangkaian pengganti sinyal besar dari BJT npn yang bekerja di daerah aktif dalam konfigurasi common-emitter.
13
Karakteristik Common-Emitter
Gambar 9: Karakteristik common-emitter
14
Penguatan arus common-emitter β.
β didefinisikan sebagai perbandingan antara total arus pada collector dan total arus pada base.β mempunyai harga yang konstan untuk sebuah transistor, tidak tergantung dari kondisi kerja.
Pada gambar 9, sebuah transistor bekerja pada daerah aktif di titik Q yang mempunyai arus collector ICQ, arus base IBQ dan tegangan collector – emitter VCEQ. Perbandingan arus collector dan arus base adalah β sinyal besar atau dc.
BQ
CQdc I
I
βdc juga dikenal sebagai hFE.
15
Pada gambar 9 terlihat, dengan tegangan vCE tetap perubahan iB dari IBQ menjadi (IBQ + ∆iB) menghasilkan kenaikan pada iC dari ICQ menjadi (ICQ + ∆iC)
tankonsvB
Cac
CEii
βac disebut β ‘incremental’. βac dan βdc biasanya berbeda kira-kira 10% – 20%.βac disebut juga β sinyal kecil yang dikenal juga dengan hfe.β sinyal kecil didefinisikan dan diukur pada vCE konstan, artinya tidak ada komponen sinyal antara collector dan emitter, sehingga dikenal juga sebagai penguatan arus hubung singkat common-emitter
16
BJT sebagai Penguat dan sebagai Saklar
Pemakaian BJT:– sebagai penguat:
• BJT bekerja pada mode aktif. • BJT berperan sebagai sebuah sumber arus yang
dikendalikan oleh tegangan (VCCS).
• Perubahan pada tegangan base-emitter,vBE, akan menyebabkan perubahan pada arus collector, iC.
• BJT dipakai untuk membuat sebuah penguatan transkonduktansi.
• Penguatan tegangan dapat diperoleh dengan melalukan arus collector ke sebuah resistansi, RC.
• Agar penguat menjadi penguat linier, transistor harus diberi bias, dan sinyal akan ditumpangkan pada tegangan bias dan sinyal yang akan diperkuat harus dijaga tetap kecil
– sebagai saklar• BJT bekerja pada mode cutoff dan mode jenuh
17
Cara kerja sinyal besar – Karakteristik Transfer
Gambar 10. (a) Rangkaian dasar penguat common – emitter(b) Karakteristik transfer dari rangkaian (a)
18
Rangkaian dasar penguat common-emitter terlihat pada gambar 10.
– Tegangan masukan total vI (bias + sinyal) dipasang di antara base dan emitter (ground)
– Tegangan keluaran total vO (bias + sinyal) diambil di antara collector dan emitter (ground)
– Resistor RC mempunyai 2 fungsi:
• Untuk menentukan bias yang diinginkan pada collector
• Mengubah arus collector, iC, menjadi tegangan keluaran vOC atau vO
– Tegangan catu VCC diperlukan untuk memberi bias pada BJT dan untuk mencatu daya yang diperlukan untuk kerja penguat.
Karakteristik transfer tegangan dari rangkaian CE terlihat pada gambar 10(b).
vO = vCE = VCC – RCiC
19
vI = vBE < 0,5 V → transistor cutoff.
0 < vI < 0,5 V, iC kecil sekali, dan vO akan sama dengan tegangan catu VCC (segmen XY pada kurva)
• vI > 0,5 V → transistor mulai aktif, iC naik, vO turun.
• Nilai awal vO tinggi, BJT bekerja pada mode aktif yang menyebabkan penurunan yang tajam pada kurva karakteristik transfer tegangan (segmen YZ), Pada segmen ini:
TI
TI
TEB
VvSCCCO
VvS
VvSC
eIRVv
eI
eIi
20
Mode aktif berakhir ketika vO = vCE turun sampai 0,4 V di bawah tegangan base (vBE atau vI) → CBJ ‘on’ dan transistor memasuki mode jenuh (lihat titik Z pada kurva).Pada daerah jenuh kenaikan vBE menyebabkan vCE turun sedikit saja. vCE = VCEsat berkisar antara 0,1 – 0,2 V. ICsat juga konstan pada harga:
C
CEsatCCCsat R
VVI
Pada daerah jenuh, BJT menunjukkan resistansi yang rendah, RCEsat antara collector dan emitter. Jadi ada jalur yang mempunyai resistansi rendah antara collector dan ground, sehingga dapat dianggap sebagai saklar tertutup.
Sedangkan ketika BJT dalam keadaan cut off, arus sangat kecil (idealnya nol), jadi beraksi seperti saklar terbuka, memutus hubungan antara collector dan ground.Jadi keadaan saklar ditentukan oleh harga tegangan kendali vBE.
21
Penguatan Penguat.
Agar BJT bekerja sebagai penguat, maka harus diberi bias pada daerah aktif yang ditentukan oleh tegangan dc base – emitter VBE dan tegangan dc collector – emitter VCE. Arus collector IC pada keadaan ini:
CCCCCE
VVSC
IRVV
eII TBE
Jika sinyal vi akan diperkuat, sinyal ini ditumpangkan pada VBE dan harus dijaga kecil (lihat gambar 10(b)) agar tetap pada segmen yang linier dari kurva transfer di sekitar titik bias Q.Koefiesin arah dari segmen linier ini sama dengan penguatan tegangan dari penguat untuk sinyal kecil di sekitar titik Q.
22
Penguatan sinyal kecil Av:
CECCRC
T
RC
T
CCv
CVV
ST
v
VvI
Ov
VvSCCCO
VVV
VV
VRI
A
ReIV
A
dvdv
A
eIRVv
TBE
BEI
Ti
1
Perhatikan:• penguat CE: inverting, artinya sinyal keluaran berbeda 180° dengan sinyal masukan.• peguatan tegangan dari penguat CE adalah perbandingan antara penurunan tegangan pada RC dengan tegangan termal VT.• untuk memaksimumkan penguatan tegangan, penurunan tegangan pada RC harus sebesar mungkin, artinya untuk harga VCC tertentu penguatan harus bekerja pada VCE yang lebih rendah.
23
Contoh soal 2Sebuah rangkaian CE menggunakan sebuah BJT yang mempunyai IS = 10-15 A, sebuah resistansi collector RC = 6,8 kΩ dan catu daya VCC = 10 V.
a. Tentukan harga tegangan bias VBE yang diperlukan untuk mengoperasikan transistor pada VCE = 3,2 V. Berapakah harga IC nya?
b. Carilah penguatan tegangan Av pada titik bias. Jika sebuah sinyal masukan sinusoida dengan amplitudo 5 mV ditumpangkan pada VBE, carilah amplitudo sinyal keluaran sinusoida.
c. Carilah kenaikan positif vBE (di atas VBE) yang mendorong transistor ke daerah jenuh, dimana vCE= 0,3 V.
d. Carilah kenaikan negatif vBE yang mendorong transistor ke daerah 1% cut off (vO = 0,99 VCC)
24
Analisis Grafis
Gambar 11 Rangkaian yang akan dianalisa secara grafis
25
Perhatikan gambar 11 yang mirip dengan rangkaian terdahulu hanya ada tambahan resitansi pada base, RB.
Analisis grafis dilakukan sebagai berikut:1. Tentukan titik bias dc; set vi = 0 dan gunakan cara seperti pada
gambar 12 untuk menentukan arus dc pada base IB.2. Gunakan karakteristik iC–vCE seperti yang terlihat pada gambar
13. Titik kerja akan terletak pada kurva iC–vCE yang mempunyai arus base yang diperoleh (iB = IB)
Gambar 12. Konstruksi grafis untuk menentukan arus dc base pada rangkaian di gambar 11
26
Gambar 13. Konstruksi grafis untuk menentukan arus dc collector IC dan tegangan collector–emitter VCE pada rangkaian pada gambar 11
vCE = VCC – iCRC
CECC
CCC v
RRV
i1
Hubungan di atas adalah hubungan linier yang digambarkan dengan sebuah garis lurus seperti pada gambar 12. Garis ini dikenal dengan garis beban.
27
Gambar 14 (a). Penentuan grafis komponen sinyal vbe dan ib ketika komponen sinyal vi ditumpangkan pada tegangan dc VBB.
28
Gambar 14 (b). Penentuan grafis komponen sinyal vce dan ic ketika komponen sinyal vi ditumpangkan pada tegangan dc VBB.
29
Cara kerja sebagai saklar.
BJT bekerja sebagai saklar: gunakan mode cut off dan mode jenuh.
Gambar 16: Rangkaian sederhana yang digunakan untuk menunjukkan mode operasi yang berbeda dari BJT.
30
Harga masukan vI bervariasi. vI < 0,5 V → iB = 0, iC = 0 dan vC = VCC → simpul C terputus dari ground → saklar dalam keadaan terbuka.vI > 0,5 V → transistor ‘on’. Pada kenyataannya agar arus mengalir, vBE harus sama dengan 0,7 V, dan vI harus lebih tinggi
Arus base akan menjadi:
B
BEIB R
Vvi
Dan arus collector menjadi:
iC = βiB
31
Persamaan ini hanya berlaku untuk daerah aktif artinya CBJ tidak forward bias atau vC > vB – 0,4 V.
vC = VCC – RCiC
Jika vI naik, iB akan naik, dan iC akan naik juga, Akibatnya vCE akan turun. Jika vCE turun sampai vB– 0,4V, transistor akan meninggalkan daerah aktif dan memasuki daerah jenuh. Titik ‘edge-of-saturation’ (EOS) ini didefinisikan:
C
CCEOSC R
VI
3,0)(
Dengan asumsi VBE ≈ 0,7 V dan
)(
)(EOSC
EOSB
II
32
Harga vI yang diperlukan untuk mendorong transistor ke EOS dapat ditentukan dengan persamaan:
VI(EOS) = IB(EOS)RB + VBE
Menaikkan vI > VI(EOS) → menaikkan arus base yang akan mendorong transistor ke daerah jenuh yang semakin dalam. VCE akan sedikit menurun.Asumsikan untuk transistor dalam keadaan jenuh, VCEsat ≈ 0,2 V. Arus collector akan tetap konstan pada ICsat
C
CEsatCCCsat R
VVI
33
Memaksakan lebih banyak arus pada base mempunyai pengaruh yang kecil pada ICEsat dan VCEsat. Pada keadaan ini saklar tertutup dengan resistansi RCEsat yang rendah dan tegangan offset VCEsat yang rendah.
Pada keadaan jenuh, transistor dapat dipaksa bekerja pada harga β yang diinginkan.yang lebih rendah harga normal.
B
CEsatforced I
I
Perbandingan antara IB dan IB(EOS) disebut faktor ‘overdrive’
34
Contoh soal 3:
Gambar 17
Transistor pada gambar 17 mempunyai β berkisar antara 50 – 150. Carilah harga RB yang menyebabkan transistor pada keadaan jenuh dengan faktor ‘overdrive’ lebih besar dari 10.
Jawab:Transistor dalam keadaan jenuh, tegangan collector:
VC = VCEsat ≈ 0,2 V
Arus collector:mA 8,9
12,010 CsatI
35
Untuk membuat transistor jenuh dengan β yang paling rendah, diperlukan arus base paling sedikit:
mA 196,050
8,9
min)(
Csat
EOSB
II
Untuk faktor ‘overdrive’ = 10, arus base harus:IB = 10 x 0,196 = 1,96 mA
Jadi RB yang diperlukan:
k 2,294,13,4
96,17,05
B
B
R
R
36
Contoh soal 4:
Tentukan harga tegangan pada semua simpul dan arus pada semua cabang. Asumsikan β = 100
Gambar 18
37Gambar 18