Pemberian bias pada rangkaian BJT Masalah pemberian bias berkaitan dengan: penentuan arus dc pada collector (Ic) 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. Pemberian bias dengan menentukan tegangan VBE yang tetap, misalnya dengan menggunakan pembagi tegangan dari catu daya seperti yang terlihat pada gambar 43 (a). Teknik ini tidak baik karena hubungan eksponensial iC – vCE yang sangat tajam sehingga jika ada perbedaan pada VBE yang diinginkan akan menimbulkan perbedaan besar pada IC dan VCE. pemberian bias dengan memberikan arus konstan pada base, seperti pada gambar 43(b), dimana IB ≈ (VCC – 0,7)/RB, juga tidak dianjurkan. Adanya variasi yang besar pada β akan menghasilkan variasi yang besar pada IC dan VCE.

Contoh pemberian bias Gambar 19. Pemberian bias pada BJT Pemberian bias dengan menentukan tegangan VBE yang tetap, misalnya dengan menggunakan pembagi tegangan dari catu daya seperti yang terlihat pada gambar 43 (a). Teknik ini tidak baik karena hubungan eksponensial iC – vCE yang sangat tajam sehingga jika ada perbedaan pada VBE yang diinginkan akan menimbulkan perbedaan besar pada IC dan VCE. pemberian bias dengan memberikan arus konstan pada base, seperti pada gambar 43(b), dimana IB ≈ (VCC – 0,7)/RB, juga tidak dianjurkan. Adanya variasi yang besar pada β akan menghasilkan variasi yang besar pada IC dan VCE. Gambar 19. Pemberian bias pada BJT Menetapkan harga VBE yang tetap Menetapkan harga IB yang tetap

Cara klasik pengaturan bias Gambar 20 (a). Cara klasik pemberian bias untuk BJT menggunakan sebuah catu daya. (b) menunjukkan rangkaian yang sama dengan menggunakan rangkaian ekivalen Thévenin-nya.

Contoh soal : Tentukan harga tegangan pada semua simpul dan arus pada semua cabang (yaitu : IB, IE, IC, VB, VE, VC). Asumsikan β = 100

Jawab: Gunakan teori Thévenin untuk menyederhanakan rangkaian pada base.

Asumsikan transistor bekerja pada mode aktif: IC = αIE = 0,99 x 1,29 = 1,28 mA VC = +15 – ICRC = 15 – 1,28 x 5 = 8,6 V Jadi tegangan collector > 4,03 V dari tegangan base → transistor bekerja pada mode aktif

β = 100 Gambar 18

Gambar 18

Untuk membuat IE tidak sensitif terhadap suhu dan variasi β, rangkaian harus memenuhi dua syarat berikut: 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.

sehingga jika VE ↑ → VBE ↓ → IC (dan IE) ↓. Pada rangkaian pada gambar di bawah ini, RE memberikan umpan balik negatif sehingga dapat men-stabil-kan arus dc emitter (IE). Jika IE ↑ → VRE dan VE ↑. Jika tegangan pada base hanya ditentukan oleh pembagi tegangan R1, R2, dengan RB kecil, maka tegangan ini akan tetap konstan, sehingga jika VE ↑ → VBE ↓ → IC (dan IE) ↓. Beberapa hal yang harus diperhatikan: VBB >> VBE: untuk harga VCC tertentu, makin besar VBB, makin kecil jumlah tegangan pada RC dan tegangan CBJ (VCB). untuk mendapatkan penguatan tegangan yang besar dan simpangan sinyal yang besar (sebelum transistor jenuh), maka tegangan pada RC harus besar. VCB (atau VCE) harus besar untuk memperoleh simpangan sinyal yang besar (sebelum transistor cut off) Untuk memenuhi persyaratan yang bertentangan, maka harus dicari solusi kompromi. Sebagai ‘rule of thumb’, VBB kira-kira ⅓ VCC, VCB (atau VCE) kira-kira ⅓ VCC dan ICRC kira-kira ⅓ VCC IE tidak sensitif terhadap perubahan β → pilih RB yang kecil → R1 dan R2 kecil → makin besar arus dari catu daya dan menurunkan resistansi masukan penguat. Tegangan base tidak tergantung dari harga β dan hanya ditentukan oleh pembagi tegangan → arus pada pembagi tegangan harus >> arus base. Biasanya R1 dan R2 dipilih sehingga arus yang melaluinya berkisar antara 0,1IE – IE.

Contoh soal 5: Rancanglah rangkaian seperti gambar di samping, sehingga IE = 1 mA dengan catu daya VCC = +12V. Transistor mempunyai harga nominal β = 100. (di sini kita menentukan nilai, RE, R1, dan R2, RC) 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 V (diperoleh dari 1/3 Vcc) VE = 4 – VBE ≈ 3,3 V Pilih arus pada pembagi tegangan = 0,1IE = 0,1 x 1 …. Syarat rule = 0,1 mA

Abaikan arus base, jadi Total R1 dan R2 adalah Krn VR2 = VB dng syarat rule of thumbs VB = 1/3 Vcc Jadi R2 = 40 kΩ dan R1 = 80 kΩ Pada tahap ini, dapat dihitung IE yang lebih akurat dengan memperhatikan arus base yang tidak nol. Ternyata lebih kecil dari harga yang diinginkan. Untuk mengembalikan IE ke harga yang diinginkan kurangi harga RE dari 3,3 kΩ menjadi RE = 3 kΩ (harga pendekatan) 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 Pada disain ini harga RE tidak perlu diganti (atau tetap sebesar 3,3 Kohm. Jika Vc=1/3 (Vcc), maka Rc

Cara klasik pengaturan bias dengan menggunakan dua catu daya Gambar 21. Pemberian bias pada BJT dengan menggunakan dua catu daya

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 22(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

Gambar 22 Penguat common-emitter yang diberi bias dengan resistor umpan balik RB. Untuk mendapatkan IE yang tidak sensitif terhadap variasi β, RB/(β+1) << RC. Harga RB menentukan simpangan sinyal yang terdapat pada collector, karena

Pemberian bias dengan menggunakan sumber arus Gambar 23 (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. Implementasi sederhana dari sumber arus konstan I, terlihat pada gambar 23(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.

Karena Q1 dan Q2 mempunyai VBE yang sama, arus collectornya akan sama Hubungan Q1 dan Q2 seperti pada gambar 23(b) dikenal sebagai ‘current mirror’

Cara kerja dan model sinyal kecil (Analisis AC) Gambar 24 (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 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 24(b)) Hubungan antara arus dan tegangan DC: 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 24(a) total tegangan base – emitter vBE menjadi vBE =VBE + vbe Sinyal dc+ac = sinyal dc + sinyal ac Dan arus collector menjadi:

Jika vbe << VT maka: Persamaan (pendekatan) di atas hanya berlaku untuk vbe lebih kecil dari 10 mV, dan ini dikenal dengan pendekatan sinyal kecil. Maka arus collector total: gm disebut transkonduktansi

Gambar 25.Cara kerja linier dari transistor dengan sinyal kecil

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 25, di mana gm sama dengan kemiringan kurva karakteristik iC – vBE pada iC = IC (titik bias Q). Jadi 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 Resistansi keluaran tidak terhingga (untuk keadaan ideal). Pada kenyataannya BJT mempunyai resistansi keluaran.

Arus base dan resistansi masukan pada base Untuk menentukan resistansi masukan, pertama hitung total arus base iB Arus base dan resistansi masukan pada base Untuk menentukan resistansi masukan, pertama hitung total arus base iB IB = arus basis dari tegangan VBE ib = arus basis dari sinyal vbe iB = arus total basis

Resistansi masukan sinyal kecil antara base dan emitter, melihat ke arah base, disebut rπ dan didefinisikan sebagai 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 IE = arus emiter dari tegangan VBE Ie = arus emiter dari sinyal vbe iE = arus total Emiter Resistansi masukan sinyal kecil antara base dan emitter, melihat ke arah emitter, disebut re atau resistansi emitter dan didefinisikan sebagai:

Hubungan antara resistansi base (rπ) dan re dapat diperoleh dengan mengkombinasikan definisinya masing-masing vbe = ibrπ = iere Jadi: rπ = (ie/ib)re rπ = (β+1)re

Penguatan tegangan Untuk mendapatkan tegangan sinyal keluaran, maka kita alirkan arus collector melalui sebuah resistor. Total tegangan collector: vC = VCC – iCRC = 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 adalah gm sebanding dengan arus bias collector, jadi

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 24(b), sedangkan cara kerja sinyal BJT dapat diperoleh dengan menghilangkan sumber DC, seperti pada gambar 26. Karena tegangan dari catu dc tidak berubah, tegangan sinyal di antaranya akan sama dengan nol. Oleh sebab itu sumber tegangan dc dapat diganti dengan hubung singkat. Jika rangkaian mempunyai sumber arus dc, maka sumber ini dapat diganti dengan hubung terbuka. Gambar 50 juga menunjukkan ekspresi untuk arus incremental (ie, ib dan ic) jika sinyal kecil vbe dipasangkan. Hubungan ini dapat digambarkan dengan sebuah rangkaian yang mempunyai 3 terminal – C, B, dan E – dan harus menghasilkan arus pada terminal seperti pada gambar 50. Rangkaian ini adalah rangkaian pengganti untuk transistor jika yang diperhatikan adalah operasi sinyal kecil. Inilah model rangkaian sinyal kecil Gambar 26 Rangkaian penguat pada gambar 24(b) dengan sumber DC dihilangkan (di hubung singkat)

Model Hybrid - π Gambar 27 (a) BJT sebagai VCCS (penguat transkonduktansi) Gambar 27 (b) BJT sebagai CCCS (penguat arus)

Pada gambar 27(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: Catatan: rangkaian ekivalen sinyal kecil pada gambar 51 merupakan model operasi BJT pada titik bias tertentu parameter model gm dan rπ tergantung dari arus bias IC. model ini berlaku untuk npn dan pnp tanpa mengubah polarisasi Pada gambar 27(b) BJT digambarkan sebagai CCCS, dengan sinyal kendali ib. Hubungan arus sebagai berikut:

Aplikasi rangkaian ekivalen sinyal kecil. Proses yang sistimatis dalam menganalisa penguat transistor: Tentukan titik kerja dc BJT, terutama arus collector dc IC. Hitung harga-harga parameter model sinyal kecil: gm = IC/VT, rπ = β/gm dan re = VT/IE = α/gm. Hilangkan semua sumber dc dengan mengganti : sumber tegangan dc dengan hubung singkat, dan sumber arus dc dengan hubung terbuka. Ganti BJT dengan salah satu model rangkaian ekivalen. Analisa rangkaian yang didapat untuk menentukan penguatan tegangan, resistansi masukan dan lain-lain.

Contoh soal 6: Analisa penguat transistor pada gambar 28(a) dan tentukan penguatan tegangannya. Asumsikan β = 100 Gambar 28 (a) rangkaian

Gambar 28 (b) analisa dc (c) model sinyal kecil

Tentukan titik kerja (mencari nilai IB, IC, dan VC). Asumsikan vi = 0. Karena VB (+0,7 V) < VC → transistor bekerja pada mode aktif.

Tentukan parameter model sinyal kecil:

Menentukan Penguatan tegangan (Av). Perhatikan Gambar 28(c), tidak ada sumber tegangan dc. Terminal rangkaian yang terhubung ke sebuah sumber tegangan dc yang konstan selalu dapat dianggap sebagai sinyal ‘ground’. Utk mencari Av, Vi nggak perlu diketahui.nanti berdasar input Tanda negatif menunjukkan pembalikan fasa.