Bipolar Junction Transistor (BJT)

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

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

19

Transistor pnp

Gambar 11: Aliran arus pada transistor pnp untuk bekeja pada mode forward active.

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

28

Gambar 18: karakteristik iC – vCB dari sebuah transistor npn

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.

33

Karakteristik Common-Emitter

Gambar 21: Karakteristik 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.

41

Gambar 25: Plot iC (normalisasi) terhadap vCE untuk transistor npn dengan βF = 100 dan αR = 0,1

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

72

Contoh soal 5:

Perhatikan rangkaian pada gambar 35(a).

Gambar 35

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.

75

Gambar 36.

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

104

Gambar 49.Cara kerja linier dari transistor dengan sinyal kecil

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)

121Gambar 54. Bentuk gelombang sinyal.

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

124

Gambar 55

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.

129

Gambar 58. Model sinyal kecil hybrid-π dengan ro

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

132

Parameter model sebagai fungsi re

em

e

em

rrg

rr

rg

11

1

Hubungan antara α dan β

11

1

1

1

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

138

Rangkaian ekivalen

A.

B

C

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

158

Gambar 62(a) Rangkaian penguat Common Base(b) Model rangkaian pengganti T

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||

174

Common Base

Abaikan ro

is

esig

LCv

Cout

LCmv

ein

A

rRRR

G

RR

RRgA

rR

||

||

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