Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

Presentasi sedang didownload. Silahkan tunggu

Transistor Amplifier Basics It is critical to understand the notation used for voltages and currents in the following discussion of transistor amplifiers.

Presentasi serupa

Presentasi berjudul: "Transistor Amplifier Basics It is critical to understand the notation used for voltages and currents in the following discussion of transistor amplifiers."— Transcript presentasi:

1 Transistor Amplifier Basics It is critical to understand the notation used for voltages and currents in the following discussion of transistor amplifiers. This is therefore dealt with explicitly ‘up front’. As with dynamic resistance in diodes we will be dealing with a.c. signals superimposed on d.c. bias levels.

2 Transistor Amplifier Basics We will use a capital (upper case) letter for a d.c. quantity (e.g. I, V). We will use a lower case letter for a time varying (a.c.) quantity (e.g. i, v)

3 Transistor Amplifier Basics These primary quantities will also need a subscript identifier (e.g. is it the base current or the collector current?). For d.c. levels this subscript will be in upper case. We will use a lower case subscript for the a.c. signal bit (e.g. i b ). And an upper case subscript for the total time varying signal (i.e. the a.c. signal bit plus the d.c. bias) (e.g. i B ).This will be less common.

4 Transistor Amplifier Basics 0 ibib + IBIB = iBiB

5 It is convention to refer all transistor voltages to the ‘common’ terminal. Thus in the CE configuration we would write V CE for a d.c. collector emitter voltage and V BE for a d.c. base emitter voltage.

6 Common Emitter Characteristics For the present we consider DC behaviour and assume that we are working in the normal linear amplifier regime with the BE junction forward biased and the CB junction reverse biased

7 Common Emitter Characteristics Treating the transistor as a current node: Also:

8 Common Emitter Characteristics Hence: which after some rearrangement gives

9 Common Emitter Characteristics Define a common emitter current-transfer ratio  Such that:

10 Common Emitter Characteristics Since reverse saturation current is negligible the second term on the right hand side of this equation can usually be neglected (even though (1- α) is small) Thus

11 Common Emitter Characteristics We note, in passing that, if β can be regarded as a constant for a given transistor then For a practical (non-ideal) transistor this is only true at a particular bias (operating) point.

12 Common Emitter Characteristics A small change in α causes a much bigger change in ß which means that ß can vary significantly, even from transistor to transistor of the same type. We must try and allow for these variations in circuit design.

13 Common Emitter Characteristics For example; α = 0.98, β = 49 α = 0.99, β = 99 α = 0.995, β =199

14 Common Emitter Characteristics  is also known as h FE and may appear on data sheets and in some textbooks as such. For a given transistor type data sheets may specify a range of  values

15 Common Emitter Characteristics The behaviour of the transistor can be represented by current-voltage (I-V) curves (called the characteristic curves of the device). As noted previously in the common emitter (CE) configuration the input is between the base and the emitter and the output is between the collector and the emitter.

16 Common Emitter Characteristics We can therefore draw an input characteristic (plotting base current I B against base-emitter voltage V BE ) and an output characteristic (plotting collector current I c against collector-emitter voltage V CE )

17 Common Emitter Characteristics We will be using these characteristic curves extensively to understand: How the transistor operates as a linear amplifier for a.c. signals. The need to superimpose the a.c. signals on d.c. bias levels. The relationship between the transistor and the circuit in which it is placed.

18 Common Emitter Characteristics Once these basics are understood we will understand: Why we can replace the transistor by a small signal (a.c.) equivalent circuit. How to derive a simple a.c. equivalent circuit from the characteristic curves. Some of the limitations of our simple equivalent circuit.

19 IDEAL CE INPUT (Base) Characteristics

20 IDEAL CE INPUT Characteristics The plot is essentially that of a forward biased diode. We can thus assume V BE  0.6 V when designing our d.c. bias circuits. We can also assume everything we know about incremental diode resistance when deriving our a.c. equivalent circuit. In the ‘non-ideal’ case I B will vary slightly with V CE. This need not concern us.

21 IDEAL CE OUTPUT (Collector) Characteristics

22 Avoid this saturation region where we try to forward bias both junctions

23 IDEAL CE OUTPUT Avoid this cut-off region where we try to reverse bias both junctions (I C approximately 0)

24 IDEAL CE OUTPUT (Collector) Characteristics The plots are all parallel to the V CE axis (i.e. I C does not depend on V CE ) The curves strictly obey I C = βI B In particular I C = 0 when I B = 0. We shall work with the ideal characteristic and later on base our a.c. equivalent circuit model upon it.

25 ACTUAL CE OUTPUT Characteristics I B =

26 ACTUAL CE OUPUT Characteristics Salient features are: The finite slope of the plots (I C depends on V CE ) A limit on the power that can be dissipated. The curves are not equally spaced (i.e β varies with base current, I B ).

27 ACTUAL CE OUPUT Characteristics You will get to measure these curves in the lab. There is also a PSPICE sheet “DC sweep analysis and transistor characteristics” to help aid you understanding.

28 28 Bipolar Junction Transistor (BJT)

29 29 Stuktur divais dan cara kerja fisik Struktur yang Disederhanakan dan Mode Operasi Gambar 1. Struktur sederhana transistor npn Gambar 2. Struktur sederhana transistor pnp

30 30 ModeEBJCBJ CutoffReverse ActiveForwardReverse Reverse Active ReverseForward SaturationForward Mode kerja BJT

31 31 Gambar 3: Model rangkaian pengganti sinyal besar untuk BJT npn yang bekerja pada mode forward active.

32 32 Karakteristik Arus – Tegangan Gambar 4: Simbol rangkaian BJT

33 33 Karakteristik Arus – Tegangan Gambar 5: Polaritas tegangan dan aliran arus dalam transistor yang di bias dalam mode aktif

34 34 Ringkasan hubungan arus – tegangan dari BJT pada mode aktif Catatan: untuk transistor pnp, gantilah v BE dengan v EB V T = tegangan termal = kT/q ≈ 25 mV pada suhu kamar

35 35 Contoh soal 1: Gambar 6: Rangkaian untuk contoh soal 1 Transistor pada gambar (6.a) mempunyai β = 100 dan v BE = 0,7 V pada i C =1mA. Rancanglah rangkaian sehingga arus 2 mA mengalir melalui collector dan tegangan pada collector = +5 V

36 36 Jawab: V C = 5 V → CBJ reverse bias → BJT pada mode aktif V C = 5 V → V RC = 15 – 5 = 10 V I C = 2 mA → R C = 5 kΩ v BE = 0,7 V pada i C = 1 mA → harga v BE pada i C = 2 mA: V B = 0 V → V E = -0,717 V β = 100 → α = 100/101 =0,99 Harga R E diperoleh dari:

37 37 Tampilan Grafis dari Karakteristik Transistor Gambar 7: Karakteristik i C – v BE dari sebuah transistor npn

38 38 Karakteristik i C – v BE identik dengan karakteristik i – v pada dioda. Karakteristik i E – v BE dan i B – v BE juga exponensial dengan I S yang berbeda: I S /α untuk i E dan I S /β untuk i B. Karena konstanta dari karakteristik ekponensial, 1/V T, cukup tinggi (≈ 40), kurva meningkat sangat tajam. Untuk v BE < 0,5 V, arus sangat kecil dan dapat diabaikan. Untuk harga arus normal, v BE berkisar antara 0,6 V – 0,8 V. Untuk perhitungan awal, v BE = 0,7 V. Untuk transistor pnp, karakteristik i C - v BE tampak identik, hanya v BE diganti dengan v EB.

39 39 Gambar 8: Model rangkaian pengganti sinyal besar dari BJT npn yang bekerja di daerah aktif dalam konfigurasi common-emitter.

40 40 Karakteristik Common-Emitter Gambar 9: Karakteristik common-emitter

41 41 Penguatan arus common-emitter β. β didefinisikan sebagai perbandingan antara total arus pada collector dan total arus pada base. β mempunyai harga yang konstan untuk sebuah transistor, tidak tergantung dari kondisi kerja. Pada gambar 9, sebuah transistor bekerja pada daerah aktif di titik Q yang mempunyai arus collector I CQ, arus base I BQ dan tegangan collector – emitter V CEQ. Perbandingan arus collector dan arus base adalah β sinyal besar atau dc. β dc juga dikenal sebagai h FE.

42 42 Pada gambar 9 terlihat, dengan tegangan v CE tetap perubahan i B dari I BQ menjadi (I BQ + ∆i B ) menghasilkan kenaikan pada i C dari I CQ menjadi (I CQ + ∆i C ) β ac disebut β ‘incremental’. β ac dan β dc biasanya berbeda kira-kira 10% – 20%. β ac disebut juga β sinyal kecil yang dikenal juga dengan h fe. β sinyal kecil didefinisikan dan diukur pada v CE konstan, artinya tidak ada komponen sinyal antara collector dan emitter, sehingga dikenal juga sebagai penguatan arus hubung singkat common-emitter

43 43 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,v BE, akan menyebabkan perubahan pada arus collector, i C. BJT dipakai untuk membuat sebuah penguatan transkonduktansi. Penguatan tegangan dapat diperoleh dengan melalukan arus collector ke sebuah resistansi, R C. 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

44 44 Cara kerja sinyal besar – Karakteristik Transfer Gambar 10. (a) Rangkaian dasar penguat common – emitter (b) Karakteristik transfer dari rangkaian (a)

45 45 Rangkaian dasar penguat common-emitter terlihat pada gambar 10. –Tegangan masukan total v I (bias + sinyal) dipasang di antara base dan emitter (ground) –Tegangan keluaran total v O (bias + sinyal) diambil di antara collector dan emitter (ground) –Resistor R C mempunyai 2 fungsi: Untuk menentukan bias yang diinginkan pada collector Mengubah arus collector, i C, menjadi tegangan keluaran v OC atau v O –Tegangan catu V CC diperlukan untuk memberi bias pada BJT dan untuk mencatu daya yang diperlukan untuk kerja penguat. Karakteristik transfer tegangan dari rangkaian CE terlihat pada gambar 10(b). v O = v CE = V CC – R C i C

46 46 v I = v BE < 0,5 V → transistor cutoff. 0 < v I < 0,5 V, i C kecil sekali, dan v O akan sama dengan tegangan catu V CC (segmen XY pada kurva) v I > 0,5 V → transistor mulai aktif, i C naik, v O turun. Nilai awal v O tinggi, BJT bekerja pada mode aktif yang menyebabkan penurunan yang tajam pada kurva karakteristik transfer tegangan (segmen YZ), Pada segmen ini:

47 47 Mode aktif berakhir ketika v O = v CE turun sampai 0,4 V di bawah tegangan base (v BE atau v I ) → CBJ ‘on’ dan transistor memasuki mode jenuh (lihat titik Z pada kurva). Pada daerah jenuh kenaikan v BE menyebabkan v CE turun sedikit saja. v CE = V CEsat berkisar antara 0,1 – 0,2 V. I Csat juga konstan pada harga: Pada daerah jenuh, BJT menunjukkan resistansi yang rendah, R CEsat antara collector dan emitter. Jadi ada jalur yang mempunyai resistansi rendah antara collector dan ground, sehingga dapat dianggap sebagai saklar tertutup. Sedangkan ketika BJT dalam keadaan cut off, arus sangat kecil (idealnya nol), jadi beraksi seperti saklar terbuka, memutus hubungan antara collector dan ground. Jadi keadaan saklar ditentukan oleh harga tegangan kendali v BE.

48 48 Penguatan Penguat. Agar BJT bekerja sebagai penguat, maka harus diberi bias pada daerah aktif yang ditentukan oleh tegangan dc base – emitter V BE dan tegangan dc collector – emitter V CE. Arus collector I C pada keadaan ini: Jika sinyal v i akan diperkuat, sinyal ini ditumpangkan pada V BE dan harus dijaga kecil (lihat gambar 10(b)) agar tetap pada segmen yang linier dari kurva transfer di sekitar titik bias Q. Koefiesin arah dari segmen linier ini sama dengan penguatan tegangan dari penguat untuk sinyal kecil di sekitar titik Q.

49 49 Penguatan sinyal kecil A v : Perhatikan: penguat CE: inverting, artinya sinyal keluaran berbeda 180° dengan sinyal masukan. peguatan tegangan dari penguat CE adalah perbandingan antara penurunan tegangan pada R C dengan tegangan termal V T. untuk memaksimumkan penguatan tegangan, penurunan tegangan pada R C harus sebesar mungkin, artinya untuk harga V CC tertentu penguatan harus bekerja pada V CE yang lebih rendah.

50 50 Contoh soal 2 Sebuah rangkaian CE menggunakan sebuah BJT yang mempunyai I S = 10 -15 A, sebuah resistansi collector R C = 6,8 kΩ dan catu daya V CC = 10 V. a.Tentukan harga tegangan bias V BE yang diperlukan untuk mengoperasikan transistor pada V CE = 3,2 V. Berapakah harga I C nya? b.Carilah penguatan tegangan A v pada titik bias. Jika sebuah sinyal masukan sinusoida dengan amplitudo 5 mV ditumpangkan pada V BE, carilah amplitudo sinyal keluaran sinusoida. c.Carilah kenaikan positif v BE (di atas V BE ) yang mendorong transistor ke daerah jenuh, dimana v CE = 0,3 V. d.Carilah kenaikan negatif v BE yang mendorong transistor ke daerah 1% cut off (v O = 0,99 V CC )

51 51 Analisis Grafis Gambar 11 Rangkaian yang akan dianalisa secara grafis

52 52 Perhatikan gambar 11 yang mirip dengan rangkaian terdahulu hanya ada tambahan resitansi pada base, R B. Analisis grafis dilakukan sebagai berikut: 1.Tentukan titik bias dc; set v i = 0 dan gunakan cara seperti pada gambar 12 untuk menentukan arus dc pada base I B. 2.Gunakan karakteristik i C –v CE seperti yang terlihat pada gambar 13. Titik kerja akan terletak pada kurva i C –v CE yang mempunyai arus base yang diperoleh (i B = I B ) Gambar 12. Konstruksi grafis untuk menentukan arus dc base pada rangkaian di gambar 11

53 53 Gambar 13. Konstruksi grafis untuk menentukan arus dc collector I C dan tegangan collector–emitter V CE pada rangkaian pada gambar 11 v CE = V CC – i C R C Hubungan di atas adalah hubungan linier yang digambarkan dengan sebuah garis lurus seperti pada gambar 12. Garis ini dikenal dengan garis beban.

54 54 Gambar 14 (a). Penentuan grafis komponen sinyal v be dan i b ketika komponen sinyal v i ditumpangkan pada tegangan dc V BB.

55 55 Gambar 14 (b). Penentuan grafis komponen sinyal v ce dan i c ketika komponen sinyal v i ditumpangkan pada tegangan dc V BB.

56 56 Cara kerja sebagai saklar. BJT bekerja sebagai saklar: gunakan mode cut off dan mode jenuh. Gambar 16: Rangkaian sederhana yang digunakan untuk menunjukkan mode operasi yang berbeda dari BJT.

57 57 Harga masukan v I bervariasi. v I < 0,5 V → i B = 0, i C = 0 dan v C = V CC → simpul C terputus dari ground → saklar dalam keadaan terbuka. v I > 0,5 V → transistor ‘on’. Pada kenyataannya agar arus mengalir, v BE harus sama dengan 0,7 V, dan v I harus lebih tinggi Arus base akan menjadi: Dan arus collector menjadi: i C = βi B

58 58 Persamaan ini hanya berlaku untuk daerah aktif artinya CBJ tidak forward bias atau v C > v B – 0,4 V. v C = V CC – R C i C Jika v I naik, i B akan naik, dan i C akan naik juga, Akibatnya v CE akan turun. Jika v CE turun sampai v B – 0,4V, transistor akan meninggalkan daerah aktif dan memasuki daerah jenuh. Titik ‘edge- of-saturation’ (EOS) ini didefinisikan: Dengan asumsi V BE ≈ 0,7 V dan

59 59 Harga v I yang diperlukan untuk mendorong transistor ke EOS dapat ditentukan dengan persamaan: V I(EOS) = I B(EOS) R B + V BE Menaikkan v I > V I(EOS) → menaikkan arus base yang akan mendorong transistor ke daerah jenuh yang semakin dalam. V CE akan sedikit menurun. Asumsikan untuk transistor dalam keadaan jenuh, V CEsat ≈ 0,2 V. Arus collector akan tetap konstan pada I Csat

60 60 Memaksakan lebih banyak arus pada base mempunyai pengaruh yang kecil pada I CEsat dan V CEsat. Pada keadaan ini saklar tertutup dengan resistansi R CEsat yang rendah dan tegangan offset V CEsat yang rendah. Pada keadaan jenuh, transistor dapat dipaksa bekerja pada harga β yang diinginkan.yang lebih rendah harga normal. Perbandingan antara I B dan I B(EOS) disebut faktor ‘overdrive’

61 61 Contoh soal 3: Gambar 17 Transistor pada gambar 17 mempunyai β berkisar antara 50 – 150. Carilah harga R B yang menyebabkan transistor pada keadaan jenuh dengan faktor ‘overdrive’ lebih besar dari 10. Jawab: Transistor dalam keadaan jenuh, tegangan collector: V C = V CEsat ≈ 0,2 V Arus collector:

62 62 Untuk membuat transistor jenuh dengan β yang paling rendah, diperlukan arus base paling sedikit: Untuk faktor ‘overdrive’ = 10, arus base harus: I B = 10 x 0,196 = 1,96 mA Jadi R B yang diperlukan:

63 63 Contoh soal 4: Tentukan harga tegangan pada semua simpul dan arus pada semua cabang. Asumsikan β = 100 Gambar 18

64 64 Gambar 18

Download ppt "Transistor Amplifier Basics It is critical to understand the notation used for voltages and currents in the following discussion of transistor amplifiers."

Presentasi serupa

Iklan oleh Google