Modul 05: Transistor Penguat Common-Emitter Reza Rendian Septiawan April 2, 2015 Transistor merupakan komponen elektronik yang tergolong kedalam komponen aktif. Transistor banyak digunakan sebagai komponen dasar penyusun rangkaian atau komponen terintegrasi aktif lainnya. Terdapat banyak jenis transistor, namun secara garis besar transistor dapat dikelompokkan kedalam dua keluarga besar, yaitu keluarga bi-junction transistor (BJT) dan keluarga fieldeffect transistor (FET). Dalam praktikum kali ini kita akan menggunakan transistor dari keluarga BJT.
1 1.1
Teori Singkat Gambar 1: Struktur dari BJT tipe npn dan pnp (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla).
Karakteristik Bi-junction Transistor
BJT, sesuai namanya, merupakan transistor yang terdiri dari dua sambungan p-n dioda. BJT dapat berupa transistor tipe npn dan transistor tipe pnp. Transistor memiliki tiga buah kaki, yaitu kaki Base, Collector, dan kaki Emitter. Prinsip kerja dari transistor secara simpel adalah, dengan adanya arus yang mengalir dari kaki Base ke Emitter (atau dari Emitter ke Base pada transistor pnp), maka arus yang lebih besar akan mengalir dari kaki Collector ke Emitter (atau sebaliknya pada transistor pnp). Untuk kesederhanaan penjelasan, maka secara default yang dibahas adalah transitor tipe npn. Untuk dapat bekerja, pada transistor tipe npn sambungan BE diberikan tegangan panjar maju dan sambungan BC diberikan tegangan panjar mundur. Arus yang melewati transistor memenuhi persamaan arus total transistor sebagai berikut: IE = IC + IB
Gambar 2: Simbol dari BJT tipe npn dan pnp (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla).
(1) 1
Modul 05: Transistor
halaman 2
dengan IC = βDC IB
(2)
Namun karena IB ≪ IC , maka kita dapat mengasumsikan bahwa IE ∼ = IC . Asumsi tersebut sangat berguna dalam melakukan analisis terhadap rangkaian transistor. Karena sambungan BE merupakan sambungan pn biasa seperti pada dioda, maka terdapat perbedaan tegangan antara kaki Base dengan Emitter sebesar VBE = 0.7 V . Rangkaian bias paling sederhana untuk transistor dapat dilihat pada Gambar 3: Gambar 4: Karakteristik I-V pada sambungan BE (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla).
Gambar 3: Rangkaian bias pada transistor npn (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). Tegangan pada kaki Collector dapat dihitung dengan menggunakan: VC = VCC − IC RC
(3)
dan tegangan pada kaki Base adalah: VB = VE + VBE = VE + 0.7 V
(4)
sehingga arus kaki Base adalah: IB =
VBB − VB RB
(5)
Gambar 5: Karakteristik I-V pada sambungan CE Karakteristik pada sambungan BE mirip seperti (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Cirdioda biasa. Sesuai dengan persamaan 2, besarnya cuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan arus pada kaki Collector bergantung pada besarnya David Buchla). penguatan DC βDC dan besarnya arus pada kaki Base. Namun arus Collector juga bergantung terhadap besarnya perbedaan tegangan antara kaki Collector dengan kaki Emitter VCE . Kurva karakteristik dari Collector dapat dilihat pada Gambar 5. FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
Modul 05: Transistor
1.2
halaman 3
Garis Beban DC
Saat arus pada kaki Base IB = 0, maka transistor berada pada kondisi cutoff, yaitu kondisi saat tidak ada arus yang melewati sambungan CE, sehingga tegangan VCE akan sama dengan tegangan VCC . Saat sambungan BE berada pada kondisi panjar maju dan arus BE bertambah, maka besarnya arus Collector akan bertambah, sehingga jatuh tegangan pada kaki RC akan akan semakin besar, mengakibatkan tegangan VCE akan semakin menurun, dan pada kondisi saturasi, tegangan Collector akan sama dengan teganan Emitter VCE = 0. Kondisi saturasi pada rangkaian tersebut tercapai pada: IC(sat) =
VCC RC
(6)
Saat arus Base sudah cukup besar untuk membuat rangkaian pada kondisi saturasi, pertambahan arus Base yang lebih besar tidak akan mempen- Gambar 7: Contoh rangkaian uji DC untuk transistor dan kurva kerjanya (diambil dari buku ”Fungaruhi arus Collector lebih lanjut. damentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla).
1.3
Rangkaian Bias untuk Transistor
Salah satu penggunaan dari transistor adalah pada rangkaian penguat linear. Agar dapat menguatkan sinyal AC dengan baik tanpa mengenai kondisi cutoff atau saturasi, maka rangkaian transistor harus diberikan rangkaian bias. Ada 4 macam rangkaian bias yang dapat digunakan, yaitu: Gambar 6: Garis beban DC pada rangkaian transistor (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). Dengan menggabungkan kurva karakteristik Collector dengan kurva garis beban DC, maka kita bisa mendapatkan seluruh daerah kerja dari rangkaian transistor tersebut. Sebagai contoh, pada rangkaian uji DC yang ditunjukkan pada Gambar 7, kita bisa mendapatkan kurva karakteristik dan garis beban seperti yang ditunjukkan pada Gambar tersebut. Titik temu antara garis arus Base pada rangkaian dengan garis beban DC dinamakan Qpoint dari rangkaian. FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
1. Base Bias, merupakan rangkaian bias paling sederhana, ditunjukkan pada Gambar 8. Besarnya arus Collector pada rangkaian ini dapat dihitung dengan: IC = βDC
VCC − VBE RB
(7)
2. Collector-feedback Bias, merupakan rangkaian bias yang menggunakan jalur umpan balik dari kaki Collector ke kaki Base. Dengan menggunakan rangkaian ini, penguatan dari rangkaian lebih linear, stabil, dan ketergantungan terhadap besarnya βDC transistor berkurang. Rangkaian ini ditunjukkan oleh Gambar 9.
Modul 05: Transistor
halaman 4
Besarnya arus Collector pada rangkaian ini dapat dihitung dengan: IC =
VCC − VBE RC + RB /βDC
(8)
3. Voltage-divider Bias merupakan rangkaian yang stabilitasnya lebih baik lagi. Rangkaian ini ditunjukkan oleh Gambar 10.
Gambar 8: Rangkaian Base-bias (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla).
Gambar 10: Rangkaian Voltage-divider bias (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). 4. Emitter Bias merupakan rangkaian yang sangat stabil, namun membutuhkan catu daya positif dan negatif. Rangkaian ini ditunjukkan oleh Gambar 11.
Gambar 9: Rangkaian Collector-feedback bias (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). Gambar 11: Rangkaian Emitter bias (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). Untuk rangkaian yang stabil, nilai dari RB harus dipilih agar dapat memberikan jatuh FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
Modul 05: Transistor
halaman 5
tegangan yang kecil. Pada rangkaian ini, da- memasuki rangkaian via kapasitor coupling C1 dan pat digunakan asumsi bahwa nilai VE diperki- C3 . Sedangkan sinyal AC menuju ground melewati rakan berada di kisaran −1 V . salah satu hambatan Emitter melalui kapasitor bypass C2 . Sinyal AC akan melihat rangkaian seperti Dalam membuat rangkaian penguat dengan tampak pada Gambar 13. menggunakan transistor, salah satu faktor yang harus dipertimbangkan adalah disipasi daya dari transistor. Besarnya disipasi daya dari rangkaian dapat dihitung dengan menggunakan: PD = VCE IC
1.4
(9)
Rangkaian Penguat dan Rangkaian Setara AC
Dalam fungsinya sebagai rangkaian penguat, saat menghitung parameter AC, rangkaian tersebut memiliki rangkaian setara AC yang berbeda. Dalam sudut pandang sinyal AC, sumber potensial VCC dapat dipandang sebagai ground bagi sinyal AC. Sinyal AC masuk dan keluar dari rangkaian penguat melalui kapasitor coupling dan bypass. Secara umum, ada tiga jenis rangkaian penguat transistor, yaitu rangkaian penguat Common-Emitter (CE), Common-Collector (CC), dan Common-Base (CB). Pada kali ini kita hanya akan membahas rangkaian penguat CE yang secara umum ditunjukkan pada Gambar 12.
Gambar 13: Rangkaian setara AC dari Gambar 12 (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). Sinyal AC akan melihat adanya hambatan dalam dinamis Emitter re0 yang besarnya dapat diaproksimasi dengan persamaan re0 =
Gambar 12: Rangkaian penguat Common-Emitter (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). Sesuai namanya, rangkaian penguat ini memiliki referensi untuk sinyal masukan dan keluaran pada kaki Emitter. Sinyal masukan dan keluaran FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
25 mV IE
(10)
Dan besarnya penguatan dari rangkaian terse. but dapat dihitung dengan menggunakan A = VVout in Sinyal masukan pada kaki Base Vb besarnya dapat diaproksimasikan sama dengan besar tegangan di kaki Emitter Ve . Sedangkan sinyal keluaran dapat dihitung sama dengan tegangan di kaki Collector Vc . Perlu diperhatikan juga bahwa pada rangkaian penguat CE ini penguatan bersifat inverting. Dengan cara tertentu, garis beban AC dapat dihitung dengan berdasarkan pada garis beban DC dan Q-point dari rangkaian. Q-point akan menjadi titik temu antara garis beban DC dengan garis beban AC dan menjadi titik referensi saat rangkaian mendapatkan sinyal input AC yang sama dengan ground, sehingga saat sinyal input berayun ke arah positif dan negatif, garis beban dari rangkaian pun akan berayun. Agar rangkaian penguat dapat bekerja seoptimal mungkin maka sebisa mungkin Q-point harus berada di tengah garis beban agar clipping sinyal bisa ditekan seminimal mungkin.
Modul 05: Transistor
halaman 6
(tertulis di terminal keluaran dari SG), hitung garis beban AC dari rangkaian. 4. Hitung maksimal sinyal masukan dari rangkaian sebelum keluarannya terpotong (clipping). 5. Lalu uji rangkaian tersebut dengan memberikan sinyal masukan dengan frekuensi dan amplitudo yang berbeda-beda. 6. Hitung penguatannya dan bandingkan dengan penguatan teoritis.
Referensi Gambar 14: Garis beban AC (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla).
2
Percobaan
Perhatikan Gambar 15.
Gambar 15: Rangkaian uji penguat CE (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). Kerjakan: 1. Buat garis beban DC dari rangkaian. 2. Cari kombinasi dari R1 dan R2 yang dapat sebisa mungkin memberikan Q-point berada di tengah-tengah garis beban DC. 3. Dengan menggunakan nilai Rs sesuai dengan nilai hambatan internal dari Signal Generator FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
[1] Thomas L. Floyd dan David Buchla. Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition. 2001. Prentice Hall.
