Bias dalam Transistor BJT Analisis atau disain terhadap suatu penguat transistor memerlukan informasi mengenai respon sistem baik dalam mode AC maupun DC. Kedua mode tersebut bisa dianalisa secara terpisah. Dalam tahap disain maupun sintesis, pilihan parameter untuk level DC yang dibutuhkan akan mempengaruhi respon AC-nya. Demikian juga sebaliknya. Persamaan mendasar dalam transistor yang penting adalah : VBE = 0,7 Volt IE= (1 + β) IB ≅ IC IC = β IB Dalam mencari solusi dari suatu rangkaian, umumnya nilai arus basis IB yang pertama dihitung. Ketika IB sudah diperoleh, hubungan persamaan di atas bisa digunakan untuk mencari besaran yang diinginkan. Titik Operasi (Q) Bias Î pemberiaan tegangan DC untuk membentuk tegangan dan arus yang tetap. Tegangan dan arus yang dihasilkan menyatakan titik operasi (quiescent point) atau titik Q yang menentukan daerah kerja transistor. Pada gambar di bawah ditunjukkan 4 buah titik kerja transistor. Rangkaian bias bisa di-disain untuk memperoleh titik kerja pada titiktitik tersebut, atau titik lainnya dalam daerah aktif. Rating maksimum ditentukan oleh Icmax dan VCE max. Daya maksimum dibatasi oleh kurva Pcmax. BJT bisa di-bias di luar batasan maksimum tersebut, tapi bisa memperpendek usia piranti atau bahkan merusaknya. Untuk kondisi tanpa bias, piranti tidak bekerja, hasilnya adalah titik A dimana arus dan tegangan bernilai nol.
IC (mA) Derah saturasi 70 µA IC max
40 60 µA 35
50 µA
30 40 µA 25 VCE (V)
PC max 20
B
30 µA
15
20 µA
10 5
Fixed Bias
0
D
C
10 µA IB = 0 µA
A 10
20
30
VCE (V)
VCE-max
VCE-SAT Derah cut-off
Supaya BJT bisa di-bias dalam daerah linear (daerah aktif), beberapa syarat berikut harus dipenuhi: - Junction base-emitter dibias maju (forward bias) - Junction base-collector dibias mundur (reverse bias) Daerah kerja transistor (cut-off, aktif atau saturasi) ditentukan oleh bias yang diberikan pada masing-masing junction : 1. Daerah aktif/daerah linear - Junction base-emitter dibias maju (forward bias) - Junction base-collector dibias mundur (reverse bias) 2. Daerah saturasi - Junction base-emitter dibias maju (forward bias) - Junction base-collector dibias maju (forward bias) 3. daerah cut-off - Junction base-emitter dibias mundur (reverse bias) - Junction base-collector dibias mundur (reverse bias)
Fixed Bias Bias model ini ditunjukkan pada gambar berikut. VCC
IC RB
Sinyal output AC
RC
Sinyal input AC
C2
IB +
C1
_
VBE
Rangkaian di atas menggunakan transistor npn. Untuk transistor pnp, persamaan dan perhitungan adalah serupa, tapi dengan arah arus dan polaritas tegangan berlawanan. Untuk analisis DC, rangkaian bisa di-isolasi (dipisahkan) dari input AC dengan mengganti kapasitor dengan rangkaian terbuka (open circuit). Untuk tujuan analisis, supply tegangan VCC bisa dipisahkan menjadi dua, masing-masing untuk input dan output. Rangkaian pengganti DC menjadi :
VCC
VCC
RB
IC
RC
IB
C
+
B VCE
+ VBE
_
E_
Bias maju basis-emitter Loop basis-emitter :
+ RB + VCC
_
C
IB
B
_
+ VBE
_
E
Dengan hukum tegangan Kirchhoff : -VCC + IBRB + VBE = 0 Perhatikan polaritas tegangan drop di RB. Arus basis IB menjadi : V − VBE I B = CC RB Dan VBE = VB - VE Loop collector-emitter VCE = VCC – ICRC VCE = VC - VE Saturasi transistor Transistor saturasi jika juction base collector tidak lagi di bias mundur VCE = 0 V ICsat = VCC/RC
Soal :
VCC = +12 V
IC
RC 2,2KΩ
RB 240KΩ
Sinyal input AC
C2 10µF
+
IB
Sinyal output AC
VCE C1 10µF
_
β = 50
Bias Emitter stabil
VCC
IC RB
Sinyal input AC
Sinyal output AC
RC
C2
IB C1
+ VBE
_ RE
Loop Base-Emitter VCC – IBRB – VBE – IERE = 0
IB =
VCC − VBE RB + (β + 1) RE
Loop Collector - Emitter VCC = IERE + VCE + ICRC Saturasi : ICsat = VCC/(RC+RE)
Soal :
β = 50
VCC
IC 430K
Sinyal input AC
Sinyal output AC
2K
C2
IB C1
+ VBE
_ 1K
Bias Pembagi Tegangan VCC
IC R1
Sinyal input AC
Sinyal output AC
RC
C2
IB +
C1
_
VBE R2
RE
Bias dengan umpan balik Untuk meningkatkan stabilitas bisa dilakukan dengan memberikan umpan balik dari collector menuju base. VCC
RC
I’C Vo
RB
IC
C2
IB
Vi C1
+ VBE
_
IE RE
Persamaan tegangan untuk loop di sebelah kiri ( loop base-emitter) :
VCC – I’CRC – IBRB –VBE-IERE = 0 Perhatikan bahwa arus IC yang masuk ke kaki collector berbeda dengan I’C, dimana : I’C = IB + IC Tapi nilai IB yang jauh lebih kecil bisa diabaikan untuk memperoleh persamaan yang lebih sederhana (asumsi I’C ≅ IC ≅ βIB dan IC ≅ IE): VCC – βIBRC – IBRB – VBE - βIBRE = 0 VCC – VBE – βIB(RC +RE)– IBRB = 0 Sehingga :
IB =
VCC − VBE RB + β( RC + RE )
Loop collector-emitter
I’C
RC
IC +
C2
VCC _
IE RE
IERE + VCE + I’CRC = VCC Dengan I’C ≅ IC dan IC ≅ IE maka
VCC = IC(RC + RE) + VCE VCE = VCC - IC(RC + RE)
Soal-soal :
VCC = 20 V
RC 680 KΩ
4,7 KΩ Vo
RB
C2
IB Vi C1
β = 120
+ _
Untuk rangkaian di atas a. Hitung ICQ dan VCEQ b. Cari VB, VC, VE dan VBC
Solusi :
IB =
IB = ICQ
VCC − VBE RB + βRC 19,3V = 15,51µA 1,244 MΩ = βIB = 120 x 15,51µA = 1,86 mA
VCEQ = VCC – ICRC = 20 V – 1,86 mA x 4,7 KΩ = 11,26 V VE = 0 V
VB =VBE = 0,7 V VC = VCE = 11,26 V VBC = VB - VC = 0,7 V – 11,26 V = - 10,56 V
Soal :
RC
1,2 KΩ Vo
IB C2 Vi
100 KΩ
β = 45
+
C1 RB
VEE = -9 V
Hitung VC dan VB dari gambar di atas Solusi : Dengan hukum tegangan kirchhoff di loop base-emitter :
IB
_ RB 100 KΩ
+
+ VBE _ +
_ VEE = -9 V
+IBRB + VBE + VEE = 0
IB =
− VEE − VBE − (−9) − 0,7 = RB 100 KΩ
IB = 83 µA IC = βIB = 45 x 83 µA = 3,735 mA VC
= - ICRC = - 3,735 mA x 1,3 KΩ = -4,48 V
VB
= - IBRB = - 83 µA x 100 KΩ = -8,3 V
Soal : Tentukan VCB dan IB untuk konfigurasi common base berikut :
β = 60
Vi
C
E
1,2 KΩ
RE
B
Vo
RC
VEE =4 V
Hukum kirchhoff pada bagian input : VEE - IERE - VBE = 0
VEE − VBE RE 4V − 0,7V IE = 1,2 KΩ IE = 2,75 mA IE =
2,4 KΩ
VCC =10 V
Hukum kirchhoff pada bagian output : -VCB - ICRC + VCC = 0 VCB = VCC –ICRC Dengan asumsi IC ≅ IE Maka : VCB = 10 – 2,75 mA x 2,4 KΩ = 3,4 V IB = IC/β = 45,8 µA
Disain. Proses disain adalah proses sintesis dimana diberikan nilai tegangan atau arus, dan berdasar itu dihitung elemen yang diperlukan untuk bisa memenuhi syarat yang diberikan.
Contoh :
VCC
IC (mA) 8
IC Q
IB = 40µA
20
RC
RB
VCE (V)
IBQ + VBE
Solusi : Dari garis beban diperoleh : VCC = 20 V
_
IC =
VCC ⎮VCE = 0 V RC
Dan RC = VCC / IC = 20 V / 8 mA RC = 2,5 KΩ
IB =
RB =
VCC − VBE RB
RB =
Î
VCC − VBE IB
20 − 0,7 40µA = 482,5 KΩ
Dengan nilai standar : RC = 2,4 KΩ RB = 470 KΩ Diperoleh : IB = 41,1 µA
Soal : 1. Diberikan ICQ = 4 mA dan VCEQ = 10 V, tentukan nilai R1 dan RC untuk rangkaian di bawah. 18 V
IC R1
RC
C2
IB
Vi C1 R2
Vo
_ 18 KΩ
RE 1,2 KΩ
2. Jika β = 100, hitung RC
VCC = 20 V
RC 680 KΩ Vo = 10 V
RB
C2
IB Vi
+
C1
_
3.
RC
1KΩ Vo
IB C2 Vi
150 KΩ
β = 45
+
C1 RB
VEE
Untuk Vo = - 6 Volt, tentukan VEE !
