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. Cara Kerja Transistor npn Pada Mode Aktif. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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
Cara Kerja Transistor npn Pada Mode Aktif
Mode EBJ CBJ
Cutoff Reverse Reverse
Active Forward Reverse
Reverse Active Reverse Forward
Saturation Forward Forward
Mode kerja BJT
Gambar 3: Aliran arus pada transistor npn pada mode aktif
4
Gambar 4: Profil pembawa muatan minioritas pada base dan emitter pada transistor npn yang bekerja pada mode aktif.
TBE Vvpp enn /
00
np(0) = konsentrasi pembawa muatan minoritas (elektron) pada basevBE = tegangan forward bias base-emitterVT = tegangan termal → 25 mV pada suhu ruangan.
5
Pengurangan pembawa muatan minoritas menyebabkan elektron yang disuntikkan ke base akan merembas melalui base ke collector. Arus elektron ini sebanding dengan koefisien arah dari profil konsentrasi
W
nqDA
dx
xdnqDAI
pnE
pnEn
)0(
)(
AE = luas penampang base-emitter junctionq = muatan elektronDn = kemampuan difusi elektron pada baseW = lebar efektif base
Tanda (-) menunjukkan bahwa arah arus In adalah dari kanan ke kiri (arah x negatif).
Arus Collector
WNnqDA
I
Nnn
WnqDAI
eIi
A
inES
Aip
pnES
VvSC
TBE
2
20
0
/
ni = kerapatan pembawa instrinsikNA = konsentrasi doping pada base
6
Perhatikan: arus iC tidak tergantung dari vCB.
Arus jenuh IS berbanding terbalik dengan lebar base W. IS sebanding dengan luas penampang EBJ → scale current.
IS mempunyai harga antara 10-18 A sampai 10-12 A.
IS sebanding dengan ni2 yang merupakan fungsi suhu,
kira-kira menjadi dua kali setiap kenaikan suhu 5°C
Arus Base
Terdiri dari iB1 yang disebabkan oleh holes yang disuntikkan dari base ke emitter dan iB2 yang disebabkan oleh holes yang dicatu dari rangkaian luar untuk menggantikan holes yang hilang akibat proses rekombinasi
TBE Vv
pD
ipEB e
LN
nqDAi /
2
1
Dp = kemampuan difusi holes di emitterLp = panjang difusi holes di emitterND = konsentrasi doping di emitter
7
b
nB
Qi
2
τb = waktu rata-rata bagi sebuah elektron (minoritas) ber-rekombinasi dengan sebuah holes (mayoritas) di base. (disebut minority-carrier lifetime)Qn = muatan pembawa minoritas yang ber-rekombinasi dengan holes pada waktu τb
Pada gambar (4) Qn digambarkan dengan luas segitiga di bawah distribusi garis lurus pada base.
bnpD
A
n
p
VvSB
CB
Vv
bnpD
A
n
pSB
Vv
Ab
iEB
Vv
A
iEn
pEn
DW
LW
NN
D
D
eI
i
ii
eDW
LW
NN
D
DIi
eN
qWnAi
eN
qWnAQ
WnqAQ
TBE
TBE
TBE
TBE
2
/
/2
/2
2
/2
21
21
1
21
21
2
0
8
β adalah suatu konstanta untuk transistor tertentu.Untuk transistor npn, harga β berkisar antara 50 – 200. Untuk divais khusus β bisa mencapai 1000.β disebut penguatan arus common-emitter.
β dipengaruhi oleh: lebar dari daerah base, W, dan perbandingan doping daerah base dan daerah emitter (NA/ND).
Arus Emitter
1
1
1
1
/
/
TBE
TBE
VvSE
EC
VvSE
CE
BCE
eIi
ii
eIi
ii
iii
9
α ≈ 1Perubahan yang kecil pada α menyebabkan perubahan yang besar pada β.α disebut penguatan arus common-base.
Karena α dan β menunjukkan karakteristik transistor yang bekerja pada mode ‘forward active’, kadang dituliskan sebagai αF dan βF.
Rekapitulasi dan Model Rangkaian Pengganti
•Tegangan forward bias vBE menyebabkan arus iC mengalir ke collector mempunyai hubungan eksponensial.•Arus iC tidak tergantung dari tegangan vCB selama CBJ reverse bias, vCB ≥ 0•Pada mode aktif, collector berkelakuan seperti sebuah sumber arus ideal yang konstan di mana harga arus ditentukan oleh vBE.•iB = 1/βF x iC•iE = iB + iC •Karena iB << iC → iE ≈ iC•iE = αF x iC•αF ≈ 1
10
Gambar 5: Model rangkaian pengganti sinyal besar untuk BJT npn yang bekerja pada mode forward active.
11
Struktur Transistor
Gambar 6. Tampak melintang sebuah BJT jenis npn
Collector mengelilingi emitter sehingga sulit untuk elektron yang disuntikkan ke base yang tipis untuk tidak terkumpul pada collector → αF ≈ 1 dan βF besar.
Divais tidak simetris berarti jika collector dan emitter ditukar dan transistor bekerja pada mode reverse active, α = αR dan β = βR yang mempunyai harga yang berbeda dengan αF dan βF.
Karena divais dirancang untuk bekerja optimum pada mode forward active, αR << αF dan βR << βF.αR berkisar antara 0,01 – 0, 5 dan βR berkisar antara 0,01 – 1.
12
Gambar 7: Model transistor npn yang bekerja pada mode reverse active.
Struktur pada gambar (6) terlihat bahwa CBJ mempunyai luas yang lebih besar dari EBJ.
Pada gambar 7 dioda DC menunjukkan CBJ yang mempunyai arus skala ISC >> arus skala ISE dari dioda DE. Kedua arus ini berbanding lurus dengan luas junction.
αFISE = αRISC = IS
ISC yang besar mempunyai dampak bahwa untuk arus yang sama, CBJ mempunyai penurunan tegangan yang lebih kecil jika di-bias maju daripada penurunan tegangan maju pada EBJ, VBE.
13
Model Ebers-Moll
Gambar 8: Model Ebers – Moll dari transistor npn
iE = iDE – αRiDC IC = - IDC + αFiDE
IB =(1 – αF) iDE + (1 – αR) iDC
14
R
RR
F
FF
Vv
R
SVv
F
SB
Vv
R
SVvSC
VvS
Vv
F
SE
VvSCDC
VvSEDE
TBCTBE
TBCTBE
TBCTBE
TBC
TBE
eI
eI
i
eI
eIi
eIeI
i
eIi
eIi
1
1
11
11
11
1
1
Penggunaan pertama dari model EM adalah untuk memperkirakan arus pada terminal dari transistor yang bekerja pada mode forward active.vBE positif antara 0,6 – 0,8 V dan vBC negatif.
TBC Vve kecil dan dapat diabaikan
15
RFS
Vv
F
SB
RS
VvSC
FS
Vv
F
SE
IeI
i
IeIi
IeI
i
TBE
TBE
TBE
11
11
11
Dari ketiga persamaan di atas, suku kedua dapat diabaikan.
Selama ini, kondisi untuk cara kerja mode forward active adalah vCB ≥ 0 agar CBJ dalam keadaan reverse bias. Pada kenyataannya, sebuah pn junction tidak dalam keadaan forward bias jika tegangannya tidak melebihi kira-kira 0,5 V.Jadi cara kerja transistor npn pada mode forward active masih tetap bisa dicapai bila vCB turun sampai mencapai – 0.4 V.
16
Gambar 9: Karakteristik iC – vCB dari transistor npn yang dicatu dengan arus IE yang tetap.
Pada gambar 9 terlihat, arus iC tetap konstan pada αFiE untuk vCB sampai –0,4 VDi bawah harga ini,CBJ akan ‘on’ dan meninggalkan mode forward active memasuki daerah kerja mode jenuh, di mana iC menurun.
17
Cara Kerja pada Mode Jenuh
Pada gambar 9 terlihat jika vCB berkurang sampai di bawah –0,4 V, BJT memasuki cara kerja mode jenuh.
Pada keadaan ideal, dalam mode forward active, vCB
tidak mempengaruhi iC, tetapi pada mode jenuh, dengan meningkatnya vCB ke arah negatif, iC berkurang.
TBCTBE Vv
R
SVvSC e
IeIi
Suku pertama adalah hasil dari forward-biased EBJ, dan suku kedua adalah hasil dari forward-biased CBJ.Jika vBC melebihi 0,4 V, iC akan berkurang dan akhirnya mencapai nol.
18
Gambar 10: Profil konsentrasi pembawa muatan minoritas (elektron) pada base dari sebuah transistor npn
Karena CBJ forward biased, konsentrasi elektron pada sisi collector tidak nol, tapi sebanding dengan
Koefisien arah dari profil konsentrasi sebanding dengan pengurangan iC
TBE Vve
20
Gambar 12: Model sinyal besar untuk transistor pnp yang bekerja pada mode aktif.
Hubungan arus – tegangan pada transistor pnp sama dengan pada transistor npn hanya vBE diganti dengan vEB.
Gambar 12 menunjukkan rmodel angkaian pengganti sinyal besar, yang juga mungkin digantikan dengan sumber arus yang dikendalikan sumber arus, CCCS, αFiE.
Transistor pnp dapat bekerja pada mode jenuh seperti pada transistor npn
21
Karakteristik Arus – Tegangan
Gambar 13: Simbol rangkaian BJT
Gambar 14: Polaritas tegangan dan aliran arus dalam transistor yang di bias dalam mode aktif
22
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
23
Konstanta n
Untuk BJT, konstanta n mendekati satu kecuali pada kasus tertentu:• pada arus yang tinggi, hubungan iC – vBE menunjukkan harga n mendekati 2• pada arus yang rendah, hubungan iB – vBE menunjukkan harga n mendekati 2
Jika tidak disebutkan n=1
Arus balik collector – base (ICBO)Adalah arus balik dari collector menuju base dengan emitter hubung terbuka. Arus ini mempunyai harga dalam orde nanoamper. ICBO mempunyai komponen arus bocor, dan harganya tergantung dari vCB. ICBO sangat tergantung pada suhu, rata-rata harganya menjadi dua kali lipat dengan kenaikan 10°C.
24
Contoh soal 1:
Gambar 15: Rangkaian untuk contoh soal 1
Transistor pada gambar (15.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
25
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
26
Penampilan Grafis dari Karakteristik Transistor
Gambar 16: Karakteristik iC – vBE dari sebuah transistor npn
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.
27
Gambar 17: Pengaruh suhu pada karakteristik iC – vBE
Seperti pada dioda silikon, tegangan pada junction base - emitter menurun 2 mV untuk setiap kenaikan suhu 1°C pada arus yang tetap.
Karakteristik Common – Base
Gambar (18.a) menunjukkan cara kerja BJT dengan membuat kurva iC – vCB dengan iE yang berbeda.Pada pengukuran ini tegangan base tetap dan base berperan sebagai terminal bersama (common) masukan dan keluaran.Jadi kurva ini disebut juga kurva karakteristik common – base
29
Dalam daerah aktif, vCB ≥ –0,4 V, kurva iC – vCB berbeda dengan yang diharapkan karena:– Kurva tidak tidak datar tapi menunjukkan koefisien arah yang
positif. Hal ini disebabkan adanya ketergantungan iC terhadap vCB
– Pada harga vCB yang relatif besar, iC meningkat dengan cepat, karena terjadinya ‘breakdown’
Pada gambar (18.b), setiap kurva karakteristik memotong sumbu vertikal pada harga arus = αIE (IE konstan untuk setiap kurva).
α untuk sinyal besar = iC/iE yang merupakan penguatan arus common-base.
α untuk sinyal kecil ≡ ∆iC/∆iE.
Dengan menggunakan persamaan Ebers-Moll, untuk daerah jenuh: iE = IE:
TBC VvF
RSEEC eIIi
1
CBJ lebih besar dari EBJ, penurunan tegangan vBC akan lebih kecil dari vBE, sehingga menghasilkan tegangan vCE jenuh pada vCE = 0,1 V – 0,3 V.
30
Ketergantungan iC pada tegangan collector – The Early effect
Gambar 19.(a): Rangkaian konseptual untuk mengukur karakteristik iC – vCE dari sebuah BJT(b): Karakteristik iC – vCE dari sebuah BJT
31
A
CEVvSC V
veIi TBE 1
Ketergantungan linier iC terhadap vCE:
Koefiisien arah dari kurva iC – vCE yang tidak nol menunjukkan bahwa resistansi keluaran dilihat ke arah collector mempunyai harga tertentu (≠∞)
C
CEAo
konsvCE
Co
IVV
r
vi
rBE
1
tan
IC dan vCE adalah koordinat titik kerja BJT pada kurva iC – vCE .
TBE VvSC
C
Ao
eII
IV
r
'
'
32
Gambar 20: Model rangkaian pengganti sinyal besar dari BJT npn yang bekerja di daerah aktif dalam konfigurasi common-emitter.
34
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 21, 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.
Pada gambar 21 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’.
35
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.
Gambar 22: Ketergantungan β pada IC dan suhu
36
Tegangan jenuh VCEsat dan Resistansi jenuh RCEsat
Gambar 23: Karakteristik common-emitter pada daerah jenuh
Pada daerah jenuh kenaikan β lebih kecil dibandingkan dengan di daerah aktif.
Perhatikan titik kerja X di daerah jenuh → arus base IB, arus collector ICsat dan tegangan collector – emitter VCEsat.ICsat < βFIB
37
Karena harga ICsat ditentukan oleh perancang rangkaian, sebuah transistor jenuh dikatakan bekerja pada ‘forced β’
Fforced
B
Csatforced I
I
Perbandingan antara βF dan βforced disebut ‘overdrive factor’. Makin besar ‘overdrive factor’, makin dalam transistor dipaksa ke daerah jenuh dan makin kecil VCEsat.
Kurva iC – vCE pada daerah jenuh cukup tajam menunjukkan bahwa transistor jenuh mempunyai resistansi collector – emitter,RCEsat yang rendah:
CsatC
BBIiIiC
CECEsat i
vR
RCEsat mempunyai harga berkisar beberapa ohm sampai beberapa puluh ohm.
38
Gambar 24. (a) transistor npn beroperasi pada mode jenuh dengan arus base yang tetap IB.(b) Kurva karakteristik iC – vCE pada iB = IB dengan koefisien arah 1/RCEsat.(c) Rangkaian ekivalen transistor jenuh(d) Model rangkaian ekivalen yang disederhanakan dari transistor jenuh
39
Perhatikan pada gambar (24.b):• kurva memotong sumbu vCE pada VTln (1/αR). Harga ini sama untuk semua kurva iC – vCE • tangent pada titik kerja X sama dengan 1/RCEsat. Jika diekstrapolasikan, tangent ini akan memotong sumbu vCE pada tegangan VCEsat yang mempunyai harga kira-kira 0,1V.
Pada gambar (24.c) pada sisi collector, transistor direpresentasikan dengan RCEsat diserikan dengan sebuah batere VCEsat. Jadi:
VCEsat = VCEoff + ICsatRCEsat
Harga VCEsat berkisar antara 0,1V – 0,3V.Tegangan offset pada transistor jenuh menyebabkan BJT kurang menarik untuk dijadikan saklar jika dibandingkan dengan MOSFET.
Gunakan model Ebers-Moll untuk menurunkan ekspresi analisis untuk karakteristik sebuah transistor jenuh.
11
11
TBCTBE
TBCTBE
Vv
R
SVv
F
SB
Vv
R
SVvSC
eI
eI
i
eI
eIi
40
Gantikan iB = IB dan abaikan suku yang tidak mempunyai fungsi eksponensial
TBCTBE
TBCTBE
Vv
R
SVvSC
Vv
R
SVv
F
SB
eI
eIi
eI
eI
I
Bagilah persamaan IB dengan persamaan iC dan tulis vBE =vBC+vCE , sehingga diperoleh:
R
FVv
R
Vv
BFCTCE
TCE
e
eIi
1
Ini adalah persamaan kurva karakteristik iC – vCE yang diperoleh jika base dipaksa dengan arus tetap IB.
42
Kurva dapat didekati dengan garis lurus pada titik βforced/βF = 0,5. Koefisien arah pada titik ini kira-kira 10 V-1, tidak tergantung dari parameter transistor.
RCEsat = 1/10βFIB
Ganti iC = ICsat = βforcedIB dan vCE = VCsat, diperoleh:
Fforced
RforcedTCEsat VV
111
ln
Transistor breakdown
Tegangan maksimum yang dapat dipasangkan pada sebuah BJT dibatasi oleh efek breakdown pada EBJ dan CBJ.
Pada konfigurasi common-base, karakteristik iC –vCB menunjukkan bahwa untuk iE = 0 (emitter hubung terbuka), CBJ breakdown pada tegangan BVCBO. Untuk iE > 0, breakdown terjadi pada tegangan lebih kecil dari BVCBO. Biasanya BVCBO > 50 V
43
Untuk konfigurasi common-emitter, breakdown terjadi pada tegangan BVCEO. Harga BVCEO kira-kira setengah harga BVCBO. Pada lembaran data transistor, BVCBO disebut ‘sustaining voltage’, LVCEO
Breakdown pada CBJ baik pada konfigurasi common-emitter atau common-base tidak merusak selama daya disipasi pada divais masih dalam batas normal.
Breakdown pada EBJ yang disebabkan fenomena avalanche terjadi pada tegangan BVEBO yang jauh lebih kecil dari BVCBO. Biasanya BVEBO berkisar antara 6 V – 8 V, dan breakdown ini merusak dalam arti β dari transistor berkurang secara permanen. Cara ini tidak mencegah pemakaian EBJ sebagai sebuah dioda zener untuk menghasilkan tegangan rujukan dalam perancangan IC. Dalam aplikasi ini tidak dilihat sebagai efek β-degeneration.
44
Ringkasan Karakteristik arus – tegangan dari BJT
Simbol rangkaian dan arah aliran arus
Transistor npn Transistor pnp
Cara kerja pada mode aktif (untuk pemakaian sebagai penguat)
Kondisi:1. EBJ forward biased:
npn: vBE > VBEon; VBEon ≈ 0,5 Vbiasanya vBE = 0,7 V
pnp: vEB > VEBon; VEBon ≈ 0,5 Vbiasanya vEB = 0,7 V
45
2. CBJ reverse biasednpn: vBC ≤ VBCon : VBCon ≈ 0,4 V → vCE ≥ 0,3 Vpnp: vCB ≤ VCBon : VCBon : ≈ 0,4 V → vEC ≥ 0,3 V
Hubungan arus – tegangan:TBE Vv
SC eIi npn: pnp: TEB VvSC eIi
11
CCCE
BCCB
iiii
iiii
Model rangkaian ekivalen sinyal besar
npn:
TBE
TBE
TBE
VvSAo
A
CEVvSC
VvSB
eIVr
Vv
eIi
eI
i
1
46
TEB
TEB
TEB
VvSAo
A
ECVvSC
VvSB
eIVr
Vv
eIi
eI
i
1
Model Ebers-Moll
1
1
TBC
TBE
VvSCDC
VvSEDE
eIi
eIi 1
1
TCB
TEB
VvSCDC
VvSEDE
eIi
eIi
pnp
npn pnp
47
EBJ luasCBJ luas
R
F
SE
SC
SSCRSEF
II
III
Cara kerja pada mode jenuhKondisi:1. EBJ forward biased:
npn: vBE > VBEon; VBEon ≈ 0,5 Vbiasanya vBE = 0,7 – 0,8 V
pnp: vEB > VEBon; VEBon ≈ 0,5 Vbiasanya vEB = 0,7 – 0,8 V
2. CBJ forward biasednpn: vBC ≥ VBCon : VBCon ≈ 0,4 V
biasanya: vBC = 0,5 – 0,6 V→ vCE = VCEsat = 0,1 – 0,2 Vpnp: vCB ≥ VCBon : VCBon ≈ 0,4 V
biasanya: vCB = 0,5 – 0,6 V→ vEC = VECsat = 0,1 – 0,2 V
Arus: ICsat = βforcedIB
βforced ≤ βF
factor Overdrive forced
F
48
Rangkaian ekivalen
Fforced
FforcedTCEsat VV
111
ln
Untuk: βforced = βF/2; RCEsat = 1/10βFIB
npn pnp
49
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
50
Cara kerja sinyal besar – Karakteristik Transfer
Gambar 26. (a) Rangkaian dasar penguat common – emitter(b) Karakteristik transfer dari rangkaian (a)
51
Rangkaian dasar penguat common-emitter terlihat pada gambar 26.
– 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 26(b).
vO = vCE = VCC – RCiC
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)
52
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
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.
53
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.
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 26(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.
54
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.
55
• pada gambar 26(b) terlihat, jika VCE lebih rendah → titik bias Q dekat pada ujung daerah aktif, → tidak mempunyai ruang yang cukup untuk simpangan negatif tegangan keluaran tanpa penguat memasuki daerah jenuh → puncak negatif dari gelombang vO akan terpotong. jadi diperlukan ruang yang cukup untuk simpangan sinyal keluaran yang menentukan posisi yang efektif untuk titik bias Q pada segmen daerah aktif YZ.• jika Q ditempatkan pada posisi yang terlalu tinggi pada segmen ini, tidak hanya akan mengurangi penguatan tapi juga membatasi simpangan positif dari sinyal keluaran. Pada sisi positif, pembatasan ini ditentukan oleh BJT memasuki cut off, pada keadaan ini puncak positif akan terpotong pada level VCC. Secara teoritis penguatan maksimum Av diperoleh dengan mem-bias BJT pada ujung keadaan jenuh, tetapi tidak akan mempunyai ruang untuk simpangan sinyal negatif.
T
CCv
T
CEsatCCv
VV
A
VVV
A
56
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)
Jawab:a.
mV 8,690
10101
mA 18,6
2,310
153
BE
VV
C
CECCC
V
e
RVV
I
TBE
57
b.
V36,1005,0272
V/V272025,0
2,310
o
T
CECCv
V
VVV
A
c. Untuk vCE = 0,3 V
mA 617,18,6
3,010 Ci
Untuk menaikkan iC dari 1 mA ke 1,617 mA, vBE
harus dinaikkan:
mV 12
1617,1
ln
TBE Vv
58
d. Untuk vo = 0,99 VCC = 9,9 V
mA 0147,08,6
9,910
Ci
Untuk menurunkan iC dari 1 mA ke 0,0147 mA, vBE harus diturunkan
mV 5,105
10147,0
ln
TBE Vv
Analisis Grafis
Gambar 27 Rangkaian yang akan dianalisa secara grafis
59
Perhatikan gambar 27 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 27 untuk menentukan arus dc pada base IB.
2. Gunakan karakteristik iC–vCE seperti yang terlihat pada gambar 29. Titik kerja akan terletak pada kurva iC–vCE yang mempunyai arus base yang diperoleh (iB = IB)
Gambar 28. Konstruksi grafis untuk menentukan arus dc base pada rangkaian di gambar 27
60
Gambar 29. Konstruksi grafis untuk menentukan arus dc collector IC dan tegangan collector–emitter VCE pada rangkaian pada gambar 27
vCE = VCC – iCRC
CECC
CCC v
RRV
i1
Hubungan di atas adalah hubungan linier yang digambarkan dengan sebuah garis lurus seperti pada gambar 29. Garis ini dikenal dengan garis beban.
61
Gambar 30 (a). Penentuan grafis komponen sinyal vbe dan ib ketika komponen sinyal vi ditumpangkan pada tegangan dc VBB.
62
Gambar 30 (b). Penentuan grafis komponen sinyal vce dan ic ketika komponen sinyal vi ditumpangkan pada tegangan dc VBB.
63
Gambar 31. Pengaruh lokasi titik bias pada simpangan sinyal
Pengaruh letak titik bias pada simpangan sinyal
64
Cara kerja sebagai saklar.
BJT bekerja sebagai saklar: gunakan mode cut off dan mode jenuh.
Gambar 32: Rangkaian sederhana yang digunakan untuk menunjukkan mode operasi yang berbeda dari BJT.
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.
65
Arus base akan menjadi:
B
BEIB R
Vvi
Dan arus collector menjadi:iC = βiB
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
66
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
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’
67
Contoh soal 3:
Gambar 33
Transistor pada gambar 33 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 8,91
2,010
CsatI
68
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
69
Rangkaian BJT pada DC
Rangkaian BJT pada contoh-contoh soal berikut ini, hanya tegangan DC yang akan dipasangkan.Rangkaian-rangkaian ini akan menggunakan model sederhana di mana |VBE| pada saat transistor ‘on’ sama dengan 0,7V dan |VCE| pada saat transistor jenuh sama dengan 0,2 V, dan pengaruh tegangan Early diabaikan.
Dalam menganalisa sebuah rangkaian, langkah pertama harus menentukan pada mode apa transistor bekerja. Caranya:• asumsikan transistor beroperasi pada mode aktif.• tentukan harga-harga tegangan dan arus yang terkait.• periksa apakah hasil-hasilnya memenuhi syarat mode aktif yaitu vCB dari transistor npn > – 0,4 V (atau vCB dari transistor pnp < 0,4 V).• jika hasilnya memenuhi syarat itu, maka analisa selesai.• jika tidak memenuhi syarat, asumsikan transistor bekerja pada mode jenuh.• tentukan tegangan dan arus• periksa apakah hasilnya memenuhi syarat mode jenuh yaitu dengan menghitung perbandingan IC/IB < β yang paling rendah.
70
Contoh soal 4:
Perhatikan gambar 34(a) dan 34(b). Analisa rangkaian ini untuk menentukan tegangan semua simpul dan arus pada semua cabang. Asumsikan β = 100
Gambar 34
71
Jawab:
Asumsikan EBJ forward bias dengan tegangan VBE = 0,7V
VE = 4 – VBE ≈ 4 – 0,7 = 3,3 V
mA 13,33,30
E
EE R
VI
Asumsikan transistor dalam mode aktif.IC = αIE
mA 99,0199,0
99,0101100
1
CI
VC = 10 – ICRC = 10 – 0,99 x 4,7 ≈ +5,3 V
Karena VB = 4 V, CBJ reverse biased dengan tegangan 1,3 V, jadi transistor dalam mode aktif.
mA 01,0101
11
EB
II
73
Tentukan tegangan pada semua simpul dan arus pada semua cabang. Rangkaian pada gambar 35 identik dengan rangkaian pada gambar 34, kecuali tegangan pada base = +6 V. Asumsikan transistor mempunyai β terkecil = 50.
Jawab:Asumsikan transistor bekerja pada mode aktif
V48,26,17,4107,410
mA 6,13,33,5
V3,57,066
CC
E
BEE
IV
I
VV
Karena tegangan collector 3,52 V lebih rendah dari tegangan base, maka transistor tidak mungkin bekerja pada mode aktif. Berarti transistor bekerja pada mode jenuh.
V,552,03,5
mA 6,13,33,5
V3,57,066
CEsatEC
E
BEE
VVV
I
VV
74
5,164,096,0
mA 64,096,06,1
mA 96,07,4
5.510
B
Cforced
CEB
C
II
III
I
Karena βforced < βmin, maka transistor memang bekerja pada mode jenuh.
Contoh soal 6:Tentukan tegangan pada semua simpul dan arus pada semua cabang pada rangkaian pada gambar 36. Catatan: rangkaian ini identik dengan rangkaian pada contoh 4 dan contoh 5 kecuali tegangan base = 0 V.
Jawab:Karena tegangan base = 0 dan emitter terhubung ke ground melalui RE, maka EBJ tidak dapat ‘on’ dan arus emitter = 0. CBJ juga tidak dapat ‘on’ karena collector jenis –n terhubung ke catu daya positif melalui RC dan base jenis –p terhubung ke ground. Jadi arus collector = 0. Arus base juga akan = 0, sehingga transistor bekerja pada mode cutoff. Tegangan emitter = 0, tegangan collector = +10 V, karena tidak ada penurunan tegangan pada RC.
76
Contoh soal 7:
Hitung tegangan di semua simpul dan arus di semua cabang pada rangkaian pada gambar 37.
Gambar 37
77
Jawab:Pada transistor pnp, base terhubung ke ground dan emitter terhubung ke catu daya positif (V+ = +10 V) melalui RC. Jadi EBJ forward biased dengan
VE = VEB = 0,7 V
mA 65,42
7,010
E
EE R
VVI
Karena collector terhubung pada catu daya negatif (lebih negatif daripada tegangan base) melalui RC, maka dapat diasumsikan transistor bekerja pada mode aktif.
IC = αIE
Asumsikan β = 100 → α = 0,99
IC = 0,99 x 4,65 = 4,6 mAVC = V-
+ ICRC
= -10 + 4,6 x 1 = -5,4 V
Jadi CBJ reverse biased dengan 5,6 V → transistor dalam mode aktif.
mA 05,0101
65,41
EB
II
78
Contoh soal 8:
Tentukan harga tegangan pada semua simpul dan arus pada semua cabang. Asumsikan β = 100
Gambar 38
79
Jawab:EBJ forward biased, jadi:
mA 043,0100
7,055
B
BEB R
VI
Asumsikan transistor bekerja pada daerah aktif:
IC = βIB = 100 x 0,043 = 4,3 mAVC = +10 – ICRC = 10 – 4,3 x 2 = +1,4 VVB = VBE = +0,7 V
Jadi CBJ reverse biased dengan tegangan 0,7 V → transistor bekerja pada aktif
IE = (β+1)IB = 101 x 0,043 ≈ 4,3 mA
Catatan:Harga β sangat berpengaruh pada harga IB.Pada contoh soal 7, harga β tidak terlalu berpengaruh pada mode kerja transistor. Pada contoh soal 8, kenaikan β 10% akan menyebabkan transistor memasuki mode jenuh.Jadi dalam merancang rangkaian BJT harus diperhatikan agar kinerja rangkaian diusahakan tidak terlalu sensitif terhadap harga β.
80
Contoh soal 9:
Tentukan harga tegangan pada semua simpul dan arus pada semua cabang. Harga β minimum = 30
Gambar 39.
81
Jawab:Asumsikan transistor bekerja pada mode aktif dan abaikan arus base: VB ≈ 0, VE ≈ +0,7 V, IE ≈ 4,3 mA.Arus collector maksimum yang dapat menunjang transistor bekerja pada daerah aktif ≈ 0,5 mA, ternyata transistor bekerja pada mode jenuh.
Asumsikan transistor bekerja pada mode jenuh.VE =VB + VEB ≈ VB + 0,7
VC = VE – VECsat ≈ VB + 0,7 – 0,2 = VB + 0,5
V13,32,175,3
55,01,01,03,4
mA 55,01,010
55,010
)5(
mA 1,010
mA 3,41
7,051
5
B
BBB
CBE
BBC
C
BB
B
BBE
E
V
VVV
III
VVV
I
VV
I
VVV
I
82
mA 31,0
mA 86,0
mA 17,1
V63,3
V83,3
B
C
E
C
E
I
I
I
V
V
Jadi jelas transistor bekerja pada mode jenuh
8,231,086,0 forced
βforced < β
83
Contoh soal 10:
Tentukan harga tegangan pada semua simpul dan arus pada semua cabang. Asumsikan β = 100
Gambar 40
84
Jawab:Gunakan teori Thévenin untuk menyederhanakan rangkaian pada base.
V57,4329,17,0
mA 0128,010129,1
mA 29,11013,3337,05
1
1
k 3,3350//100//
V550100
501515
21
21
2
EEBEB
B
E
BBE
BEBBE
EB
EEBEBBBBB
BBBB
BB
BBB
RIVV
I
I
RRVV
I
II
RIVRIV
RRR
RRR
V
Asumsikan transistor bekerja pada mode aktif:
IC = αIE = 0,99 x 1,29 = 1,28 mAVC = +15 – ICRC = 15 – 1,28 x 5 = 8,6 V
Jadi tegangan collector > 4,03 V dari tegangan base → transistor bekerja pada mode aktif
85
Contoh soal 11:
Tentukan harga tegangan pada semua simpul dan arus pada semua cabang. Asumsikan β = 100
Gambar 41
86
Jawab:Rangkaian ini identik dengan rangkaian pada contoh soal 10. Perbedaannya ada transistor Q2 dengan RC2 dan RE2 nya.
Asumsikan transistor Q1 bekerja pada mode aktif.
VB1 = +4,57 V IE1 = 1,29 mAIB1 = 0,0128 mA IC1 = 1,28 mA
Tegangan collector akan berbeda karena ada bagian dari arus collector yang mengalir ke base Q2 (IB2).Asumsikan IB2 << IC1 → arus yang mengalir melalui RC1 hampir sama dengan IC1.
VC1 ≈ +15 – IC1RC1
= 15 – 1,28 x 5 = +8,6 V
Perhatikan transistor Q2, emitter terhubung pada +15V melalui RE2. Jadi dapat diasumsikan EBJ Q2 akan forward biased. Jadi emitter Q2 akan mempunyai tegangan VE2.
VE2 = VC1 + VEB|Q2 ≈ 8,6 +0,7 = +9,3 VmA 85,2
23,91515
2
22
E
EE R
VI
87
Karena collector Q2 terhubung dengan ground melalui RC2, asumsikan Q2 bekerja di mode aktif
IC2 = α2IE2
= 0,99 x 2,85 = 2,82 ( asumsikan β= 100)
VC2 = IC2RC2 = 2,82 x 2,7 = 7,62 V
Tegangan collector <0.98 V dari tegangan base.Jadi transistor Q2 bekerja dengan mode aktif.
Pada tahap ini kita harus memperbaiki kesalahan yang muncul karena mengabaikan IB2.
mA 028,0101
85,212
22
E
B
II
Jadi harga-harga baru yang diperoleh:
IRC1 = IC1 – IB2 = 1,28 – 0,028 = 1,252 mAVC1 = 15 – 5 x 1,252 = 8,74 mAVE2 = 8,74 + 0,7 = 9,44 V
mA 78,22
44,9152
EI
88
IC2 = 0,99 x 2,78 = 2,75 mAVC2 = 2,75 x 2,7 = 7,43 V
mA 0275,0101
78,22 BI
Pada contoh-contoh ini kita gunakan harga α yang presisi untuk menghitung arus collector. Karena α ≈ 1, kesalahan akan kecil jika diasumsikan α = 1 dan iC = iE. Oleh karena itu kita dapat meng-asumsikan α =1, kecuali dalam perhitungan yang tergantung dari harga α (misal penghitungan arus base)
89
Contoh soal 12:
Tentukan harga tegangan pada semua simpul dan arus pada semua cabang. Asumsikan β = 100
Gambar 42
90
Jawab:Transistor Q1 dan Q2 tidak akan sama-sama ‘on’.Jadi jika Q1 ‘on’ maka Q2 ‘off’, dan sebaliknya.
Asumsikan Q2 ‘on’. Arus akan mengalir dari ground melalui resistor beban 1 kΩ ke emitter Q2. Jadi tegangan base Q2 akan negatif dan arus base akan mengalir keluar dari base melalui resistor 10 kΩ dan ke catu +5 V.Keadaan ini tidak mungkin, karena jika tegangan base negatif, arus pada resistor 10 kΩ akan mengalir ke arah base.Jadi asumsi bahwa Q2 ‘on’ tidak benar → Q2 akan ‘off’ dan Q1 akan ‘on’
Pertanyaan berikutnya: apakah Q1 aktif atau jenuh.Karena base dicatu oleh +5 V dan karena arus base mengalir ke base Q1, maka tegangan base akan lebih rendah dari +5V.Jadi CBJ Q1 reverse biased dan Q1 bekerja pada mode aktif. Untuk menghitung tegangan dan arus, gunakan teknik yang telah dipakai secara rinci. Hasilnya terlihat pada gambar 42(b).
91
Pemberian bias pada rangkaian BJT
Masalah pemberian bias berkaitan dengan:• penentuan arus dc pada collector yang harus dapat dihitung, diprediksi dan tidak sensitif terhadap perubahan suhu dan variasi harga β yang cukup besar.• penentuan lokasi titik kerja dc pada bidang iC – vCE yang memungkinkan simpangan sinyal tetap linier.
Gambar 43. Pemberian bias pada BJT(a) Menetapkan harga VBE yang tetap(b) Menetapkan harga IB yang tetap
Contoh pemberian bias yang tidak baik
92
Cara klasik pengaturan bias untuk rangkaian diskrit
Gambar 44. Cara klasik pemberian bias untuk BJT menggunakan sebuah catu daya.
Gambar 44(b) menunjukkan rangkaian yang sama dengan menggunakan rangkaian ekivalen Thévenin-nya.
1
21
21
21
2
BE
BEBBE
B
CCBB
RRVV
I
RRRR
R
VRR
RV
93
Untuk membuat IE tidak sensitif terhadap suhu dan variasi β, rangkaian harus memenuhi dua syarat berikut:
1
B
E
BEBB
RR
VV
Untuk memenuhi persyaratan di atas. • Sebagai ‘rule of thumb’, VBB ≈ ⅓ VCC, VCB (atau VCE) ≈ ⅓ VCC dan ICRC ≈ ⅓ VCC
• Pilih R1 dan R2 sehingga arus yang melaluinya berkisar antara 0,1IE – IE.
Pada rangkaian pada gambar 44, RE memberikan umpan balik negatif sehingga dapat men-stabil-kan arus dc emitter.
Jika IE ↑ → VRE dan VE ↑. Jika tegangan pada base hanya ditentukan oleh pembagi tegangan R1, R2, yaitu bila RB kecil, maka tegangan ini akan tetap konstan, sehingga jika VE ↑ → VBE ↓ → IC (dan IE) ↓.
94
Contoh soal 13:Rancanglah rangkaian pada gambar 44 sehingga IE = 1 mA dengan catu daya VCC = +12V. Transistor mempunyai harga nominal β = 100.
Jawab:Ikuti ‘rule of thumb’:⅓ tegangan catu daya dialokasikan untuk tegangan pada R2, ⅓ lainnya untuk tegangan pada RC dan sisanya untuk simpangan sinyal pada collector.
VB = +4 VVE = 4 – VBE ≈ 3,3 V
k 3,313,3
E
EE I
VR
Pilih arus pada pembagi tegangan = 0,1IE = 0,1 x 1 = 0,1 mA
Abaikan arus base, jadi
V4
k 1201,0
12
21
2
21
CCVRR
R
RR
Jadi R2 = 40 kΩ dan R1 = 80 kΩ
95
Pada tahap ini, dapat dihitung IE yang lebih akurat dengan memperhatikan arus base yang tidak nol.
mA 93,0
10140//80
)(3,3
7,04
kk
IE
Ternyata lebih kecil dari harga yang diinginkan. Untuk mengembalikan IE ke harga yang diinginkan kurangi harga RE dari 3,3 kΩ dengan suku kedua dari penyebut (0,267 kΩ). Jadi harga RE yang lebih tepat adalah RE = 3 kΩ yang akan menghasilkan IE = 1,01 mA ≈ 1 mA.
Disain 2: jika diinginkan untuk menarik arus yang lebih tinggi dari catu daya dan resistansi masukan penguat yang lebih kecil, kita dapat menggunakan arus pada pembagi tegangan sama dengan IE (yaitu 1 mA), maka R1 = 8 kΩ dan R2 = 4 kΩ
mA 199,0027,03,37,04
EI
Pada disain ini harga RE tidak perlu diganti
96
k 41
812
mA 1 mA 99,0199,0
12
C
EC
C
CC
R
II
IV
R
Cara klasik pengaturan bias dengan menggunakan dua catu daya
Gambar 45. Pemberian bias pada BJT dengan menggunakan dua catu daya
97
1
BE
BEEEE RR
VVI
Persamaan ini sama dengan persamaan sebelumnya hanya VEE menggantikan VBB. Jadi kedua kendala tetap berlaku.Jika base dihubungkan dengan ground (konfigurasi common-base), maka RB dihilangkan sama sekali.Sebaliknya, jika sinyal masukan dihubungkan pada base, maka RB tetap diperlukan.
Pemberian bias dengan menggunakan resistor umpan balik collector-ke-base.
Gambar 46(a) menunjukkan sebuah rancangan pemberian bias yang sederhana tapi efektif yang cocok untuk penguat common-emitter.
Resistor RB berperan sebagai umpan balik negatif, yang membantu kestabilan titik bias dari BJT
98
Gambar 46 Penguat common-emitter yang diberi bias dengan resistor umpan balik RB.
1
1
BC
BECCE
BEBE
CE
BEBBCECC
RRVV
I
VRI
RI
VRIRIV
Untuk mendapatkan IE yang tidak sensitif terhadap variasi β, RB/(β+1) << RC. Harga RB menentukan simpangan sinyal yang terdapat pada collector, karena
1
B
EBBCB
RIRIV
99
Pemberian bias dengan menggunakan sumber arus
Gambar 47(a) Sebuah BJT diberi bias dengan sumber arus I.(b) Implementasi rangkaian sumber arus I.
Rangkaian ini mempunyai keunggulan:• yaitu arus emitter tidak tergantung dari harga β dan RB → RB dapat dibuat besar → resistansi masukan pada base meningkat tanpa mengganggu kestabilan bias. • menyederhanakan rangkaian.
100
Implementasi sederhana dari sumber arus konstan I, terlihat pada gambar 47(b). Rangkaian menggunakan sepasang transistor yang ‘matched’ Q1 dan Q2, dengan Q1 dihubungkan sebagai dioda dengan menghubung – singkat collector dan base nya.Jika diasumsikan Q1 dan Q2 mempunyai harga β yang tinggi, arus base dapat diabaikan. Jadi arus melalui Q1 hampir sama dengan IREF.
R
VVVI BEEECCREF
Karena Q1 dan Q2 mempunyai VBE yang sama, arus collectornya akan sama
RVVV
II BEEECCREF
Dengan mengabaikan efek Early pada Q2, arus collector akan tetap konstan selama Q2 tetap pada daerah aktif. Hal ini akan tetap terjaga jika tegangan collector lebih tinggi dari tegangan base (-VEE + VBE).
Hubungan Q1 dan Q2 seperti pada gambar 47(b) dikenal sebagai ‘current mirror’
101
Cara kerja dan model sinyal kecil
Gambar 48 (a) Rangkaian konseptual untuk menunjukkan cara kerja transistor sebagai penguat(b) Rangkaian (a) tanpa sinyal vbe untuk analisa DC (bias)
EBJ diberi forward bias oleh sebuah batere VBE. CBJ diberi reverse bias oleh catu daya DC VCC melalui resistor RC. Sinyal yang akan diperkuat, vbe, ditumpangkan pada VBE.
Langkah pertama keadaan bias DC dengan men-set vbe sama dengan nol. (Lihat gambar 48(b))
102
Hubungan antara arus dan tegangan DC:
CCCCCEC
CB
CE
VVSC
RIVVV
II
II
eII TBE
Untuk bekerja pada mode aktif, VC harus lebih besar dari (VB – 0,4) dengan harga yang memungkinkan simpangan sinyal pada collector,
Arus collector dan transkonduktansi.
Jika sinyal vbe dipasangkan seperti pada gambar 48(a) total tegangan base – emitter vBE menjadi
vBE =VBE + v be , Dan arus collector menjadi:
TbeTBE
TbeBETBE
VvVVS
VvVS
VVSC
eeI
eIeII
103
Tbe VvCC eIi
Jika vbe << VT maka:
T
beCC V
vIi 1
Persamaan (pendekatan) di atas hanya berlaku untuk vbe lebih kecil dari 10 mV, dan ini dikenal dengan pendekatan sinyal kecil. Maka arus collector total:
c
bem
bemc
beT
Cc
beT
CCC
iv
g
vgi
vVI
i
vVI
Ii
gm disebut transkonduktansi
105
Transkonduktansi BJT sebanding dengan arus bias collector IC.
BJT mempunyai transkonduktansi yang cukup tinggi dibandingkan dengan MOSFET, misal untuk IC = 1 mA, gm ≈ 40 mA/V
Interpretasi grafis gm dapat dilihat pada gambar 49, di mana gm sama dengan kemiringan kurva karakteristik iC – vBE pada iC = IC (titik bias Q). Jadi
CC IiBE
Cm v
ig
Pendekatan sinyal kecil → amplitudo sinyal harus dijaga cukup kecil → transistor bekerja pada daerah terbatas pada kurva iC – vBE di mana segmen masih bisa dianggap linier.
Untuk sinyal kecil (vbe << VT), transistor berperan seperti sebuah sumber arus yang dikendalikan oleh tegangan (VCCS). Terminal masukan VCCS : antara base dan emitter, terminal keluaran di antara collector dan emitter.Transkonduktansi dari VCCS ini: gm dan resistansi keluaran tidak terhingga (untuk keadaan ideal). Pada kenyataannya BJT mempunyai resistansi keluaran yang terbatas karena ada efek Early.
106
Arus base dan resistansi masukan pada base
Untuk menentukan resistansi masukan, pertama hitung total arus base iB
bem
b
T
Cm
beT
Cb
CB
bBB
beT
CCCB
vg
i
VI
g
vVI
i
II
iIi
vVIIi
i
1
1
107
Resistansi masukan sinyal kecil antara base dan emitter, melihat ke arah:base, disebut rπ dan didefinisikan sebagai
B
T
m
b
be
IV
r
gr
iv
r
jadi rπ berbanding lurus dengan β dan berbanding terbalik dengan arus bias IC.
Arus emitter dan resistansi masukan pada emitter
Total arus emitter iE dapat ditentukan dari
beT
Ebe
T
Cce
CE
eEE
cCCE
vVI
vVIi
i
II
iIi
iIii
108
Resistansi masukan sinyal kecil antara base dan emitter, melihat ke arah:emitter, disebut re atau resistansi emitter dan didefinisikan sebagai
mme
E
Te
e
bee
ggr
IV
r
iv
r
1
Hubungan antara rπ dan re dapat diperoleh dengan mengkombinasikan definisinya masing-masing
vbe = ibrπ = iere
Jadi: rπ = (ie/ib)re
rπ = (β+1)re
109
Penguatan tegangan
Untuk mendapatkan tegangan sinyal keluaran, maka kita alirkan arus collector melalui sebuah resistor. Total tegangan collector:
vC = VCC – iRRC = VCC – (IC + ic)RC
= (VCC – ICRC) – icRC
= VC – icRC
VC adalah tegangan bias dc pada collector, dan tegangan sinyal adalah:
vc = –icRC = –gmvbeRC
= (–gmRC)vbe
Jadi penguatan tegangan dari penguat, Av adalahCm
be
cV Rg
vv
A
gm sebanding dengan arus bias collector, jadi
T
CCv V
RIA
110
Memisahkan sinyal dengan harga-harga DC
Arus dan tegangan pada rangkaian penguat terdiri dari dua komponen: komponen dc dan komponen sinyal.
Komponen DC ditentukan dari rangkaian dc pada gambar 48(b), sedangkan cara kerja sinyal BJT dapat diperoleh dengan menghilangkan sumber DC, seperti pada gambar 50.
Gambar 50 Rangkaian penguat pada gambar 48 dengan sumber DC dihilangkan (di hubung singkat)
111
Model Hybrid - π
Gambar 51 (a) BJT sebagai VCCS (penguat transkonduktansi
Gambar 51 (b) BJT sebagai CCCS (penguat arus)
112
Pada gambar 51(a), BJT digambarkan sebagai VCCS yang mempunyai resistansi masukan (melihat ke arah base) rπ, dengan sinyal kendali vbe. Hubungan arus dan tegangan pada rangkaian ini:
ebe
bebe
mbe
bembe
e
beb
bemc
rv
rv
rv
rgr
vvg
rv
i
rv
i
vgi
11
1
Pada gambar 51(b) BJT digambarkan sebagai CCCS, dengan sinyal kendali ib. Hubungan arus sebagai berikut:
bm
bmbem
irg
rigvg
113
Model T
Gambar 52 (a) BJT sebagai VCCSGambar 53 (b) BJT sebagai CCCSPada kedua gambar yang ada adalah re, bukan rπ
114
Pada gambar 52(a), BJT digambarkan sebagai VCCS yang mempunyai resistansi masukan (melihat ke arah emitter ) re dengan sinyal kendali vbe Hubungan arus dan tegangan pada rangkaian ini:
rv
rv
rv
rv
rgr
vvg
rv
i
be
e
be
e
be
e
be
eme
bebem
e
beb
1
111
1
Pada gambar 52(b) BJT digambarkan sebagai CCCS, dengan sinyal kendali ie. Hubungan arus sebagai berikut:
eeem
eembem
iirg
rigvg
115
Aplikasi rangkaian ekivalen sinyal kecil.
Proses yang sistimatis dalam menganalisa penguat transistor:
1. Tentukan titik kerja dc BJT, terutama arus collector dc IC.
2. Hitung harga-harga parameter model sinyal kecil: gm = IC/VT, rπ = β/gm dan re = VT/IE = α/gm.
3. Hilangkan semua sumber dc dengan mengganti sumber tegangan dc dengan hubung singkat, dan sumber arus dc dengan hubung terbuka.
4. Ganti BJT dengan salah satu model rangkaian ekivalen.
5. Analisa rangkaian yang didapat untuk menentukan penguatan tegangan, resistansi masukan dan lain-lain.
116
Contoh soal 14:Analisa penguat transistor pada gambar 53(a) dan tentukan penguatan tegangannya. Asumsikan β = 100
Gambar 53 (a) rangkaian (b) analisa dc (c) model sinyal kecil
117
Tentukan titik kerja. Asumsikan vi = 0.
V1,333,210
mA 3,2023,0100
mA 023,0100
7,03
CCCCC
BC
BB
BEBBB
RIVV
II
RVV
I
Karena VB (+0,7 V) < VC → transistor bekerja pada mode aktif.
Tentukan parameter model sinyal kecil:
k 09,192
100
mA/V 92mV 25mA 3,2
8,10mA 99,03,2
mV 25
m
T
Cm
E
Te
gr
VI
g
IV
r
118
Model rangkaian ekivalen terlihat pada gambar 53(c).Perhatikan tidak ada sumber tegangan dc. Terminal rangkaian yang terhubung ke sebuah sumber tegangan dc yang konstan selalu dapat dianggap sebagai sinyal ‘ground’.
V/V04,3
04,33011,092
011,009,101
09,1
i
ov
ii
Cbemo
ii
BBibe
vv
A
vv
Rvgv
vv
Rrr
vv
Tanda negatif menunjukkan pembalikan fasa.
119
Contoh soal 15:Untuk mendapatkan pengertian yang lebih mendalam dari cara kerja penguat transistor, kita akan melihat bentuk gelombang pada berbagai titik pada rangkaian yang telah dianalisa pada contoh sebelumnya. Untuk hal ini asumsikan vi merupakan gelombang segitiga. Pertama tentukan amplitudo maksimum dari vi yang dimungkinkan pada rangkaian ini. Kemudian dengan amplitudo ini, gambarkan bentuk gelombang pada iB(t), vBE(t), iC(t) dan vC(t).
Jawab:Satu kendala pada amplitudo sinyal adalah pendekatan sinyal kecil, dimana vbe tidak boleh melebihi 10 mV.Jika digunakan bentuk gelombang segitiga vbe dengan 20 mV peak-to-peak dan bekerja
mundur,
V91,0011,010
011,0
bei
VV
120
Untuk memeriksa apakah transistor masih bekerja pada mode aktif dengan vi beramplitudo Vi = 0,91 V, periksa harga tegangan collector. Tegangan pada collector akan terdiri dari gelombang segitiga yang ditumpangkan pada harga dc VC = 3,1 V. Tegangan puncak dari bentuk gelombang segitiga:
V77,204,391,0penguatan
ic VV
Pada saat simpangan negatif, tegangan collector mencapai harga minimum:
VCmin = 3,1 – 2,77 = 0,33 VTegangan ini lebih rendah dari tegangan base kurang dari 0,4 V, jadi transistor masih bekerja pada daerah aktif. Walaupun demikian kita akan menggunakan harga amplitudo yang lebih rendah, yaitu 0,8 V. Analisa selengkapnya adalah sebagai berikut:
mA 008,009,1100
8,0
rRV
IBB
ib
Sinyal ini ditumpangkain pada arus base IB seperti yang terlihat pada gambar 54(b)
122
Tegangan base – emitter terdiri dari komponen gelombang segitiga yang ditumpangkan pada tegangan dc VBE = 0,7V. Puncak dari gelombang segitiga:
mV 6,809,1100
09,18,0
BB
ibeRr
rVV
Total vBE terlihat pada gambar 54(c)
Sinyal arus segitiga pada collector akan mempunyai puncak:
Arus sinyal akan ditumpangkan pada arus collector dc IC (=2,3 mA), seperti yang terlihat pada gambar 54(d).
Tegangan sinyal pada collector dapat diperoleh dengan mengalikan vi dengan penguatan tegangan
mA 8,0008,0100
bc II
V43,28,004,3
cV
Tegangan total pada collector dapat dilihat pada gambar 54(e)
123
Contoh soal 16:Analisa-lah rangkaian pada gambar 55(a) untuk menentukan penguatan tegangan dan bentuk gelombang pada berbagai titik. Kapasitor C adalah kapasitor coupling yang berfungsi untuk menghubungkan sinyal vi dan mem-block dc. Dengan cara ini bias dc hanya ditentukan oleh V+ dan V- serta RE dan RC. Untuk hal ini harga C diasumsikan sangat besar, idealnya ∞, sehingga akan menjadi hubung singkat untuk frekuensi sinyal yang diinginkan. Demikian juga kapasitor yang dipakai untuk menghubungkan sinyal keluaran vo.
Jawab:Tentukan titik kerja dc:
mA 93,010
7,01010 E
EE R
VI
Asumsikan β = 100, α= 0,99
IC = 0,99 IE = 0,92 mAVC = –10 + RCIC
= –10 + 0,92 x 5 = –5,4 V
Jadi transistor bekerja pada mode aktif
125
Sinyal pada collector dapat mempunyai simpangan dari –5,4 V sampai +0,4 V (yaitu 0,4 V di atas tegangan base) tanpa memasuki daerah jenuh. Tetapi 5,8 V simpangan negatif pada tegangan collector akan menyebabkan tegangan minimum collector menjadi –11, 2V. Tegangan ini lebih negatif dari tegangan catu daya. Jika kita memaksakan untuk memasangkan sebuah masukan yang akan menghasilkan sebuah keluaran yang demikian, maka transistor akan cut off dan puncak negatif akan terpotong, seperti yang terlihat pada gambar 56. Bentuk gelombang pada gambar 56 tetap linier hanya saja puncak negatifnya terpotong; yaitu pengaruh non linier tidak diperhitungkan. Hal ini tidak benar, karena kita telah mendorong transistor ke daerah cut off pada puncak sinyal negatif yang berarti kita melebihi batas sinyal kecil.
Tentukan penguatan tegangan sinyal kecil. Gunakan model rangkaian ekivalen T dan menghilangkan semua sumber dc. (Lihat gambar 55(c)).
27 mA 93,0
mV 25
99,0
E
Te I
Vr
126
Gambar 56. Sinyal terdistorsi karena cut off.
V/V3,183
e
C
i
ov
ie
CCeo
e
ie
rR
vv
A
vrR
Riv
rv
i
127
Perhatikan penguatan tegangan positif berarti keluaran mempunyai fasa yang sama dengan masukan yang dipasangkan pada emitter.
Besaran sinyal yang diperbolehkan, perhatikan gambar 55(c) di mana vi = veb. Jadi bila diinginkan kerja sinyal kecil yang linier, maka puncak vi harus dibatasi kira-kira 10 mV. Dengan harga amplitudo ini, seperti terlihat pada gambar 57, harga amplitudo Vc:
V833,101,03,183
cV
Gambar 57
128
Penambahan model sinyal kecil dengan memperhatikan efek Early
Efek early menyebabkan arus collector tergantung tidak hanya pada vBE, tetapi juga pada vCE. Ketergantungan pada vCE dapat dimodelkan dengan menempatkan resistansi keluaran ro.
C
A
C
CEAo I
VI
VVr
VA = tegangan Early; VCE dan IC adalah koordinat titik kerja dc.
Pengaruh ro pada cara kerja transistor sebagai penguat dapat dilihat pada persamaan berikut
oCbemo rRvgv //
Jadi penguatan akan berkurang. Jika ro >> RC, pengurangan penguatan ini dapat diabaikan. Secara umum pengaruh ro diabaikan jika ro > 10RC.
130
Ringkasan Model Sinyal Kecil dari BJT
Model hybrid-πversi (gmvπ) versi (βib)
Model Tversi (gmvπ) versi (βib)
131
Parameter model sebagai fungsi arus bias dc
C
Ao
C
T
C
T
E
Te
T
Cm
I
Vr
IV
r
IV
IV
r
VI
g
Parameter model sebagai fungsi gm
m
me
gr
gr
133
Penguat BJT satu tingkat
Struktur dasarGambar menunjukkan rangkaian dasar penguat BJT dengan pemberian bias dengan arus yang konstan. Yang perlu diperhatikan adalah memilih RB yang besar untuk menjaga resistansi masukan pada base yang besar. Tetapi penurunan tegangan dan pengaruh β pada RB harus dibatasi. Tegangan dc VB menentukan simpangan sinyal yang dibolehkan pada collector.
Gambar 59. Struktur dasar rangkaian yang dipakai untuk merealisasikan penguat BJT diskrit satu tingkat.
134
Penguat BJT satu tingkat
Struktur dasarGambar menunjukkan rangkaian dasar penguat BJT dengan pemberian bias dengan arus yang konstan. Yang perlu diperhatikan adalah memilih RB yang besar untuk menjaga resistansi masukan pada base yang besar. Tetapi penurunan tegangan dan pengaruh β pada RB harus dibatasi. Tegangan dc VB menentukan simpangan sinyal yang dibolehkan pada collector.
Gambar 59. Struktur dasar rangkaian yang dipakai untuk merealisasikan penguat BJT diskrit satu tingkat.
135
Karakterisasi Penguat BJT
Tabel 5. Parameter karateristik penguat
Rangkaian:.
Definisi:
Resistansi masukan tanpa beban:
LRi
ii i
vR
Resistansi masukan:
i
iin i
vR
136
Resistansi keluaran
0
sigvx
xout i
vR
Penguatan tegangan hubung terbuka
LRi
ovo v
vA
Penguatan tegangan
i
ov v
vA
Penguatan arus hubung singkat
0
LRi
ois i
iA
Penguatan arus
i
oi i
iA
137
Penguatan tegangan menyeluruh hubung terbuka
sig
ov v
vG
LRsig
ovo v
vG
Penguatan tegangan menyeluruh
Transkonduktansi hubung singkat
0
LRi
om v
iG
Resistansi keluaran penguat ‘proper’
0
ivx
xo i
vR
139
Persamaan:
omvo
oL
Lvov
sigin
in
sig
i
RGA
RRR
AA
RRR
vv
oL
Lvov
vosigin
invo
oL
Lvo
sigin
inv
RRR
GG
ARR
RG
RRR
ARR
RG
140
Contoh soal 17:Sebuah penguat transistor dicatu oelh sebuah sumber sinyal yang mempunyai tegangan hubung terbuka vsig = 10 mV dan mempunyai resistansi dalam Rsig = 100 kΩ. Tegangan vi pada masukan penguat dan tegangan
keluaran vo diukur tanpa dan dengan resistansi beban.RL = 10 kΩ yang dihubungkan pada keluaran penguat. Hasil pengukuran itu adalah sebagai berikut:
vi (mV) vo (mV)Tanpa RL 9 90Dengan RL terhubung 8 70
Carilah parameter penguat.
Jawab:Dengan data RL= ∞, tentukan Avo dan Gvo
k 900
1010
9
V/V91090
V/V109
90
i
i
i
vosigi
ivo
vo
vo
R
RR
ARR
RG
G
A
141
Dengan menggunakan data RL = 10 kΩ tentukan Av dan Gv
V/V71070
V/V75,88
70
v
v
G
A
Harga Av dan Avo dapat dipakai untuk menentukan Ro
k 43,1
1010
1075,8
o
o
oL
Lvov
R
R
RRR
AA
Harga Gv dan Gvo dapat dipakai untuk menentukan Rout
k 86,2
1010
97
out
out
outL
Lvov
R
R
RRR
GG
142
Harga Rin dapat ditentukan dari
k 400
100108
in
in
in
sigin
in
sig
i
R
RR
RRR
vv
Transkonduktansi hubung singkat Gm dapat dihitung seperti berikut
mA/V 743,1
10
o
vom R
AG
Penguatan arus Ai dapat ditentukan sebagai berikut:
A/A35010400
75,8
L
inv
L
in
i
o
ini
Loi
RR
A
RR
vv
RvRv
A
143
Penguatan arus hubung singkat dapat ditentukan sebagai berikut. Dari rangkaian ekivalen A, arus keluaran hubung singkat adalah
oivoosc RvAi
Untuk menentukan vi perlu diketahui harga Rin yang diperoleh dengan RL = 0. Dari rangkaian pengganti C, arus keluaran hubung singkat adalah:
outsigvoosc RvGi
Dari kedua persamaan untuk iosc dan ganti Gov dengan:
vosigi
ivo A
RRR
G
Dan vi dengan
sigRin
Rin
sigi RR
Rvv
L
L
0
0
144
k 81,8
110
out
o
i
sigsigRin R
RR
RRR
L
Maka:
V/V57243,1/8,8110
0
i
oscis
oRinivoosc
ii
A
RRiAiL
145
Penguat Common Emitter
Gambar 60 (a) Struktur Penguat Common Emitter(b) Model Rangkaian Pengganti Hybrid-π
146
CE adalah kapasitor bypass yang mempunyai harga cukup besar, yang fungsinya membuat ground untuk sinyal atau ac ground pada emitter. Artinya untuk sinyal ac, impedansi CE kecil sekali (idealnya nol), jadi arus sinyal akan men-bypass resistansi keluaran dari sumber arus I.
CC1 dan CC2 adalah kapasitor coupling yang fungsinya menghubungkan sumber sinyal dan resistansi beban dengan penguat tanpa mengganggu arus tegangan bias. Jadi kapasitor ini akan memblock dc dan menjadi hubung singkat untuk sinyal ac.
Untuk menentukan karakteristik terminal dari penguat CE, yaitu resistansi masukan, penguatan tegangan dan resistansi keluaran, gunakan model rangkaian pengganti sinyal kecil hybrid-π. Penguat ini penguat unilateral, jadi Rin = Ri dan Rout = Ro. Analisa rangkaian ini akan di mulai dari sisi masukan.
ibBi
iin RR
iv
R ||
Rib adalah resistansi masukan melihat ke arah base.
147
Karena emitter terhubung ke ground:
rRib
Biasanya dipilih RB >> rπ, sehingga:
rRin
Jadi resitansi masukan dari penguat CE biasanya beberapa kilo-ohm.Tegangan pada masukan penguat:
sigB
Bsig
sigin
insigi
RrRrR
v
RRR
vv
||||
Untuk RB >> rπ
sigsigi Rr
rvv
Catatan:ivv
148
Pada sisi keluaran penguat:
LComo RRrvgv ||||
Ganti vπ dengan vi, maka penguatan tegangan penguat, yaitu penguatan tegangan dari base ke collector:
LComv RRrgA ||||
Penguatan tegangan hubung terbuka diperoleh dengan men-set RL = ∞
Comvo RrgA ||
Efek dari ro adalah mengurangi penguatan tegangan sedikit saja karena ro >> RC, jadi
Cmvo RgA
Resistansi keluaran diperoleh dengan melihat ke arah terminal keluaran dengan menghubung singkat sumber vsig. Hal ini akan menghasilkan vπ = 0
oCout rRR ||
149
Jadi ro mengurangi resistansi keluaran penguat hanya sedikit saja karena biasanya ro >> RC
Cout RR
Untuk penguat unilateral ini Ro = Rout, kita bisa menggunakan Avo dan Ro untuk mendapatkan penguatan tegangan Av
oL
Lvov RR
RAA
Penguatan tegangan menyeluruh dari sumber ke beban, Gv, dapat diperoleh dengan mengalikan (vi/vsig) dengan Av
LCom
sigB
Bv RRrg
RrRrR
G ||||||
||
Untuk RB >> rπ
sig
LCov Rr
RRrG
||||
150
Dari persamaan ini didapatkan jika Rsig >> rπ, penguatan menyeluruh sangat tergantung dari β. Hal ini tidak diinginkan karena β bervariasi.
Pada sisi lain, jika Rsig << rπ, penguatan menyeluruh akan menjadi:
LComv RRrgG ||||
Yang sama dengan penguatan Av, yang tidak tergantung dari β.Biasanya penguat CE dapat memberikan penguatan pada orde ratusan. Hanya saja respon pada frekuensi tingginya agak terbatas.
Untuk menghitung penguatan arus hubung singkat, Ais
inmi
osis
inii
mos
Rgii
A
Rivv
vgi
Gantilah Rin = RB || rπ. Jika RB >> rπ, |Ais| = βKesimpulan: CE mempunyai penguatan tegangan dan arus yang besar dengan Rin rendah dan Rout tinggi.
151
Penguat Common Emitter dengan Resistansi Emitter
Gambar 61(a) Penguat CE dengan resistansi emitter(b) Model rangkaian pengganti T
152
Model rangkaian pengganti yang dipakai adalah model T karena adanya resistansi emitter RE yang dapat diserikan dengan re. Pada model rangkaian ini tidak disertakan resistansi keluaran ro karena akan membuat analisa lebih rumit dan pada rangkaian penguat diskrit pengaruh ro kecil.
Rin adalah resistansi paralel antara RB dan Rib
ibBin RRR ||
Rib adalah resistansi pada base
eeib
ee
ie
eeb
b
iib
RrR
Rrv
i
iii
iv
R
1
11
Jadi, resistansi masukan melihat ke arah base sama dengan (β+1) kali resistansi total pada emitter. Faktor (β+1) disebut ‘resistance-reflection rule’.
153
Pada persamaan tersebut terlihat bahwa dengan penambahan resistansi pada emitter akan menambah Rib. Rasio penambahan pada Rib adalah
eme
e
e
ee
eib
eib
RgrR
rRr
RRRR
11
11
tanpa dengan
Jadi, Re dapat dipakai untuk mengendalikan harga Rib yang juga merupakan harga Rin. Agar pengendalian ini menjadi efektif, RB harus jauh lebih besar dari Rib, artinya Rib adalah resistansi masukan yang dominan.
Untuk menentukan penguatan tegangan:
ee
LCv
ee
LC
i
ov
LCe
LCco
RrRR
A
RrRR
vv
A
RRi
RRiv
||1
||
||
||
Jadi, penguatan tegangan dari base ke collector sama dengan perbandingan resistansi total pada collector dengan resistansi total pada emitter.
154
Penguatan tegangan hubung terbuka: RL = ∞
em
Cm
ee
Cmvo
ee
C
evo
ee
Cvo
RgRg
rRRg
A
rRR
rA
RrR
A
11
1
Jadi, penambahan Re akan mengurangi penguatan tegangan dengan faktor (1+gmRe) yang sama dengan faktor penambahan resistansi masukan Rib.
Resistansi keluaran:Rout = RC
Untuk penguat ini Rin = Ri dan Rout =Ro
Penguatan arus hubung singkat:
ee
Bibis
i
einis
inii
eos
RrRR
A
viR
A
Rvi
ii
||
155
Untuk RB >> Rib
ee
eeis Rr
RrA
1
Penguatan tegangan menyeluruh dari sumber ke beban:
ee
LC
insig
inv
sig
iv Rr
RRRR
RA
vv
G
||
Ganti Rin = RB||Rib dan asumsikan RB >> Rib
eesig
LCv
eeib
RrRRR
G
RrR
1||
1
Catatan: penguatan lebih kecil dari penguatan penguat CE. Tetapi penguatan ini lebih tidak sensitif terhadap β.
Dengan penambahan Re, penguat dapat menangani sinyal masukan yang lebih besar tanpa menimbulkan distorsi non linier, karena hanya sebagian kecil dari sinyal masukan yang ada pada base, vi, yang nampak antara base dan emitter
emee
e
i RgRrr
vv
11
156
Jadi untuk vπ yang sama, sinyal pada terminal masukan penguat, vi, dapat lebih besar dengan faktor (1+gmRe) jika dibandingkan dengan sinyal pada penguat CE.
Kesimpulan: Dengan penambahan resistansi Re pada emitter, penguat CE mempunyai karakteristik sebagai berikut:1. Resistansi masukan Rib meningkat dengan faktor
(1+gmRe) 2. Penguatan tegangan dari base ke collector, Av,
berkurang dengan faktor (1+gmRe).3. Untuk distorsi non linier yang sama, sinyal masukan
vi dapat meningkat dengan faktor (1+gmRe) 4. Penguatan tegangan menyeluruh tidak terlalu
tergantung dengan β.5. Respons terhadap frekuensi tinggi menjadi lebih
baik.
Re juga merupakan umpan balik negatif pada rangkaian penguat. Re juga disebut emitter degeneration resistance
157
Penguat Common Base
Base dihubungkan ke ground. Sinyal masukan dipasangkan pada emitter dan sinyal keluaran diambil dari collector. Base merupakan terminal bersama.
Dengan terhubungnya base ke ground, tegangan ac dan dc pada base sama dengan nol, maka RB tidak ada. Kapasitor CC1 dan CC2 berfungsi sebagai kapasitor coupling.
Model rangkaian pengganti T terlihat pada gambar 62(b). Di sini ro tidak disertakan karena pengaruhnya tidak terlalu besar pada kinerja penguat CB diskrit.
Dari gambar 62(b) dapat ditentukan resistansi masukan:
ein rR re mempunyai harga antara beberapa ohm sampai beberapa kilo ohm. Jadi CB mempunyai resistansi masukan yang kecil
159
Untuk menentukan penguatan tegangan:
LCei
ov
e
ie
LCeo
RRrv
vA
r
vi
RRiv
||
||
Penguatan tegangan hubung terbuka, RL = ∞
Cmvo RgA
Penguatannya sama dengan penguatan pada penguat CE. Hanya tidak ada pembalikan fasa.
Avo sama dengan Avo pada penguat CE. Hanya tidak ada pembalikan fasa.
Resistansi keluaran:
Cout RR
160
Jika ro diabaikan, penguat CB adalah penguat unilateral, maka Rin = Ri dan Rout = Ro
Penguatan arus hubung singkat Ais:
e
e
i
eis i
i
i
iA
sige
e
sigi
i
sig
i
Rr
r
RR
R
v
v
Walaupun penguatan dari penguat ‘proper’ CB sama dengan penguatan pada CE, penguatan menyeluruhnya tidak demikian halnya. Dengan resistansi masukan yang kecil, maka sinyal masukan akan teredam cukup besar.
Kecuali pada kondisi Rsig pada orde yang sama dengan re, faktor transmisi sinyal vi/vsig akan kecil sekali.Salah satu pemakaian rangkaian CB adalah untuk memperkuat sinyak frekuensi tinggi yang muncul pada kabel coaxial. Untuk menghindari refleksi sinyal pada kabel, penguat CB harus mempunyai resistansi masukan sama dengan resistansi karakteristik kabel yang biasanya berkisar antara 50 Ω - 75 Ω.
161
sige
LC
LCmsige
ev
Rr
RR
RRgRr
rG
||
||
Penguatan menyeluruh, Gv
Karena α ≈ 1, penguatan menyeluruh merupakan perbandingan antara resistansi total pada rangkaian collector dengan resistansi total pada rangkaian emitter. Penguatan penyeluruh tidak tergantung dari harga β.
Kesimpulan:Penguat CB mempunyai resistansi masukan yang rendah, penguatan arus hubung singkat yang hampir sama dengan satu, penguatan tegangan hubung terbuka yang positif (non inverting) dan resistansi keluaran yang tinggi.Penguat CB mempunyai respon yang baik pada frekuensi tinggi.Penggunaan penguat CB yang paling menonjol adalah sebagai penguat arus dengan penguatan satu atau disebut current-buffer. Artinya menerima arus sinyal masukan dari resistansi masukan yang rendah dan mengirimkan arus yang sama ke resistansi keluaran yang tinggi pada collector.
162
Penguat Common Collector atau Emitter Follower
Gambar 63(a) Rangkaian penguat Emitter Follower(b) Model rangkaian pengganti T dengan penambahan ro
163
Gambar 63(c) Rangkaian pengganti seperti pada gambar 63(b) dengan ro paralel dengan RL.
Pada penguat ini collector dihubungkan dengan ground, jadi RC dihilangkan. Sinyal masukan dipasangkan pada base, dan sinyal keluaran diambil dari emitter yang dihubungkan melalui kapasitor coupling ke resistansi beban.
Pada analisa sinyal resistansi beban RL diserikan dengan emitter sehingga model rangkaian pengganti yang digunakan adalah model T. Pada rangkaian ini resistansi ro nampak paralel dengan resistansi beban RL.(lihat gambar 63(c)).
164
Rangkaian emitter follower tidak unilateral, artinya resistansi masukan tergantung dari RL dan resistansi keluaran tergantung dari Rsig.
Dari gambar 63(c) terlihat bahwa BJT mempunyai sebuah resistansi (ro || RL) yang diserikan dengan resistansi emitter re. Dengan menggunakan ‘resistance-reflection rule’ menghasilkan rangkaian seperti pada gambar 64(a). (resistansi pada sisi base sama dengan (β+1) resistansi pada sisi emitter)
Resistansi masukan pada base, Rib: Loeib RrrR ||1
Resistansi masukan total:
ibBin RRR ||
Untuk mendapatkan efek penuh dari kenaikan Rib, dapat dipilih RB sebesar mungkin (dengan memperhatikan titik kerja). Dan jika memungkinkan CC1 dapat juga dihilangkan, jadi sumber sinyal dihubungkan langsung dengan base.
165
Gambar 64(a) Rangkaian ekivalen emitter follower dengan merefleksikan semua resistansi pada emitter ke sisi base.(b) Penggunaan teori Thévenin pada rangkaian masukan.
Penguatan menyeluruh Gv:
LoeBsig
Lo
Bsig
Bv RrrRR
RrRR
RG
||1||||1
Perhatikan: penguatan tegangan lebih kecil dari satu.Untuk RB >> Rsig dan (β+1)[re+(ro || RL)] >> (Rsig || RB), penguatan menjadi mendekati satu. Jadi tegangan pada emitter mengikuti tegangan pada masukan.Itulah sebabnya disebut emitter follower
166
Gambar 65(a) Rangkaian ekivalen emitter follower dengan merefleksikan semua resistansi pada base ke sisi emitter.(b) Penggunaan teori Thévenin pada rangkaian masukan
Alternatif lainnya, kita dapat merefleksikan resistansi base ke sisi emitter. Agar tegangan tidak berubah, semua resistansi di sisi base dibagi dengan (β+1). Hasilnya dapat dilihat pada gambar 65(a). Dengan menggunakan teori Thévenin pada sisi masukan, diperoleh rangkaian seperti pada gambar 65(b)
167
Penguatan tegangan menyeluruh, Gv:
Loe
Bsig
Lo
Bsig
Bv
RrrRR
RrRR
RG
||1
||||
Untuk RB >> Rsig dan ro >> RL:
Lesig
L
sig
o
RrR
Rvv
1
Penguatan mendekati satu jika Rsig/(β+1) << RL atau
(β+1)RL >> Rsig. Hal ini adalah peran penyangga (buffering action) dari emitter follower, yang akan menghasilkan penguatan arus hubung singkat hampir sama dengan (β+1).
Tegangan keluaran hubung terbuka menjadi Gvovsig, di mana Gvo diperoleh dengan RL= ∞
oeBsig
o
Bsig
Bv
rrRR
rRR
RG
1
||
168
Catatan: biasanya ro besar dan suku kedua menjadi hampir sama dengan satu. Suku pertama mendekati satu jika RB >> Rsig. Resistansi Thévenin adalah resistansi keluaran Rout. Kurangi vsig menuju nol, lihat resistansi dari terminal emitter ke arah rangkaian
1
||||
Bsig
ooout
RRrrR
Biasanya ro >> komponen yang diparalelkan dalam tanda kurung dan dapat diabaikan, jadi
1
||
Bsig
oout
RRrR
Jadi resistansi keluaran emitter follower rendah. Rangkaian ekivalen Thévenin dari rangkaian keluaran emitter follower dapat digunakan untuk mencari vo dan Gv untuk harga RL sembarang. (lihat gambar 66).
Kesimpulan: emitter foilower mempunyai resistansi masukan yang tinggi, resistansi keluaran yang rendah, penguatan tegangan yang lebih kecil dari satu dan penguatan arus yang cukup besar.
169
Jadi pemakaian ideal dari emitter follower adalah untuk menghubungkan sumber yang mempunyai resistansi yang tinggi ke beban yang mempunyai resistansi yang rendah, biasanya sebagai tingkat terakhir dari penguat bertingkat (multistage amplifier) yang tujuannya bukan untuk memperkuat tegangan tetapi untuk memberikan penguat bertingkat ini resistansi keluaran yang rendah.
Gambar 66. Rangkaian ekivalen Thévenin dari rangkaian keluaran emitter follower
170
Pada emitter follower hanya sebagian kecil dari sinyal yang akan tampak antara base dan emitter. Jadi emitter follower dapat bekerja secara linier untuk variasi amplitudo sinyal yang cukup besar. Tetapi harga absolut batas atas amplitudo tegangan keluaran ditentukan oleh kondisi cut off dari transistor.
Perhatikan gambar 63(a) jika sinyal masukan adalah gelombang sinusoida. Jika masukan negatif, keluaran vo akan negatif dan arus pada RL akan mengalir dari ground ke terminal emitter. Transistor akan cut off bila arus ini menjadi sama dengan arus bias I. Jadi harga amplitudo dari vo adalah:
Lo
L
o
IRV
IRV
Maka harga vsig menjadi:
v
Lsig
GIR
V
Jika amplitudo vsig lebih besar dari harga di atas, tansistor akan cut off dan amplitudo negatif sinyal gelombang keluaran akan terpotong
171
Kesimpulan dan perbandingan1. Konfigurasi CE cocok digunakan untuk penguat
yang menghendaki penguatan yang besar.2. Dengan menambahkan Re pada CE dapat
memperbaiki kinerja penguat tetapi penguatan akan berkurang.
3. Konfigurasi CB dipergunakan sebagai penguat frekuensi tinggi, karena mempunyai respon yang baik pada frekuensi tinggi, hanya saja resistansi masukannya kecil.
4. Emitter follower dipakai sebagai penyangga tegangan, untuk menghubungkan sumber yang mempunyai resistansi yang tinggi dengan beban yang mempunyai resistansi rendah. Konfigurasi ini digunakan juga sebagai tingkat keluaran dari penguat bertingkat.
172
Tabel 5.Karakteristik dari penguat diskrit satu tingkat
Common Emitter
inmis
sig
LCo
LComsigB
Bv
Coout
LComv
eBBin
RgA
RrRRr
RRrgRrR
rRG
RrR
RRrgA
rRrRR
||||
||||||
||
||
||||
1||||
173
Common Emitter dengan Resistansi Emitter
Abaikan ro
emi
eesig
LCv
Cout
em
LCm
ee
LCv
eeBin
Rgvv
RrRRR
G
RR
RgRRg
RrRR
A
RrRR
11
1||
1||||
1||
175
Common Collector atau Emitter Follower
1
||1
||||
1
||||
||||
||1||
is
LoeBsig
Lo
Bsig
Bv
Bsigeoout
Loe
Lov
LoeBin
A
RrrRR
RrRR
RG
RRrrR
RrrRr
A
RrrRR
176
Inverter digital BJT
Gambar 67. Rangkaian dasar inverter digital BJT
Pada inverter logika, rangkaian bekerja pada mode cutoff dan daerah jenuh.Jika tegangan masukan vI ‘high’ mendekati tegangan catu daya VCC (menyatakan logika ‘1’) transistor akan ‘terhubung’ dan dalam keadaan jenuh (dengan memilih harga RB dan RC yang tepat). Sehingga tegangan keluaran akan VCEsat ≈ 0,2V, yang menyatakan logika ‘0’.Sebaliknya, jika tegangan masukan ‘low’ pada tegangan mendekati ‘ground’ (misal VCEsat), sehingga transistor ‘cutoff’, iC akan nol dan vO = VCC, yang merupakan logika ‘1’
177
Pemilihan keadaan ‘cutoff’ dan ‘jenuh’ sebagai mode operasi dari BJT pada rangkaian inverter didasari oleh 2 faktor:
1. Disipasi daya pada rangkaian relatif rendah pada keadaan ‘cutoff’ dan ‘jenuh’. Pada keadaan ‘cutoff’ semua arus sama dengan nol dan pada keadaan ‘jenuh’ tegangan pada transistor juga rendah.
2. Level tegangan keluaran (VCC dan VCEsat) terdifinisi dengan baik. Sebaliknya, jika transistor bekerja pada daerah aktif, vO = VCC – iCRC = VCC – βiBRC yang sangat tergantung pada parameter β.
178
Karakteristik transfer tegangan
Gambar 68. Karakteristik transfer tegangan rangkaian inverter dengan RB =10 kΩ, β = 50 dan VCC = 5 V
179
1. Pada vI = VOL = VCEsat = 0,2 V, vO = VOH = VCC = 5 V
2. Pada vI = VIL, transistor mulai ‘on’ → VIL ≈ 0,7 V
3. Untuk VIL < vI < VIH, transistor berada pada daerah aktif dan beroperasi sebagai penguat dengan penguatan sinyal kecil:
B
CvB
B
C
i
ov
RR
ARr
rRR
vv
A
4. Pada vI =VIH, transistor memasuki daerah jenuh → VIH adalah harga yang menyebabkan transistor berada pada ambang saturasi.
CCEsatCCB
RVVI
Dengan harga-harga yang digunakan, IB = 0,096 mA dan VIH = IBRB + VBE = 1,66 V
180
5. Untuk vI = VOH = 5 V, transistor berada pada keadaan jenuh yang dalam dengan vO = VCEsat = 0,2 V, dan
BBEOH
CCEsatCCforced RVV
RVV
6. Noise margin:NMH = VOH – VIH = 5 – 1,66 = 3,34 VNML = VIL – VOL = 0,7 – 0,2 = 0,5 V
7. Penguatan pada daerah transisi dapat dihitung dari koordinat pada titik X dan Y
V/V57,066,1
2,05 tegangan Penguatan