Kuliah 2 - 1
Struktur Fisik Bipolar Junction Transistor (BJT) npn
EBJ
CBJ
E Emitter n
Base p
Collector n
C
Kontak Metal B
pnp E Emitter p
Base n
Collector p
B
Mode Operasi BJT Mode
Junction E-B
Junction C-B
cut-off
reverse
reverse
active
forward
reverse
saturation
forward
forward
C
Kuliah 2 - 2
Aliran Arus pada BJT npn
forward bias n E
reverse bias p
elektron injeksi
elektron difusi elektron koleksi
iE hole injeksi
iB
B
iE
iC
- vCB + iC
- VBE +
iC
- VCB +
Struktur Planar BJT npn E
n
p
n
C
rekombinasi elektron
- vBE + iE
n
B
C
Kuliah 2 - 3
Konsentrasi carrier
Persamaan Arus pada BJT npn
Emitter (n)
deplesi EBJ
Base (p)
np(0)
konsentrasi hole
deplesi CBJ
Kolektor (n)
konsentrasi elektron np (ideal)
pn(0) np (+rekombinasi)
pn0
jarak
lebar base efektif
arus kolektor
iC = IS exp (vBE/VT)
arus basis
iB = iC / β iB = IS / β exp (vBE/VT)
arus emitor iE = iC + iB
(KCL)
iC = α iE
iE = iC (β +1)/β
α = β/(β +1)
iE = IS(β +1)/β exp (vBE/VT)
iE = IS/α exp (vBE/VT)
β = α/(1-α)
Kuliah 2 - 4
Model Rangkaian Pengganti (Sinyal Besar) model T (letak simpul bersama di basis) C
C iC
iB
iC
IS exp(vBE/VT )
B
α IE
iB B
+
+
DE (I S /α) iE
vBE -
vBE
DE (I S /α)
iE -
E
E
model π (letak simpul bersama di emitor) iB
iC
B
iB C
+ vBE
DE (I S /β)
-
B
C +
IS exp(vBE/VT )
iC
vBE
DE (I S /β)
β IB
iE E
iE E
besaran kontrol berupa tegangan (vBE) atau arus (iB) faktor idealitas (N) pada persamaan arus junction di atas adalah 1 (satu) arus mundur kolektor-basis (iCBO) dianggap nol
Kuliah 2 - 5
forward bias p E
n
hole injeksi
iE
reverse bias p
hole difusi
hole koleksi
C iC
rekombinasi elektron injeksi hole iB
- vBE + iE
B
iE
- vCB + iC
iC
- VBE +
- VCB +
E + vEB iB B
E
iE DE (I S /α)
-
+ vEB
IS exp(vEB/VT ) iC C
B
DE (I S /β)
IS exp(vEB/VT )
iB
C iE
iC
Kuliah 2 - 6
Simbol BJT
C
E
B
B
E
C
npn
pnp
Polaritas tegangan dan arah arus
VCB
C
IC
VEB
IB
VBE
E
IE
IB
B E
IE
VBC
B C
IC
Kuliah 2 - 7
Representasi Grafis Karakteristik BJT iC
iC
T1 T2 T3 T4
I
0
0.5
0.7 vBE(V)
0
vBE(V) T 1 > T2 > T3 > T 4
kurva iC - vBE
Efek temeperatur kurva iC - vBE
iC = IS exp (vBE/VT)
vBE naik dengan suhu sebesar -2 mV / oC
iC vCB
iC
iE
4α
iE = 4 mA
3α
3 mA
2α
2 mA
1α
1 mA
0
2 4 6 8 10 12
vCB (V)
Kuliah 2 - 8
Tegangan Early iC
+ +
vCE
vBE
-
-
iC
vBE = ... daerah aktif vBE = ...
daerah saturasi vBE = ...
vBE = ...
-VA
0
vCE
penyebab: perubahan lebar efektif basis akibat penambahan daerah deplesi kolektor-basis dengan peningkatan tegangan vCE Perubahan dianggap linier
iC = IS exp (vBE/VT) (1 + vCE/VA) ro ≡
∂ iC -1 ∂ vCE
≈ VA/IC
Kuliah 2 - 9
Transistor sebagai Penguat iC
iB
vbe
IC
+ + vBE
VBE
vCE
IB VCC
+
-
VBE
+ VCE -
vBE
iE
VCC
IE
-
-
vBE = VBE + vbe (a) rangkaian dengan sinyal lengkap
Titik Kerja (Keadaan DC)
(b) rangkaian DC dari (a)
IC = IS exp (VBE/VT) IE = IC / α IB = IC / β VC = VCE = VCC - IC RC
Persamaan Arus Kolektor iC = IS exp (vBE/VT) = IS exp ((VBE + vbe)/VT) iC = IS exp (VBE/VT) exp (vbe/VT) = IC exp (vbe/VT)
Kuliah 2 - 10
Model Sinyal Kecil dan Transkonduktansi slope = gm iC iC 2 IC
1
2
Q
waktu
1
3 3
VBE
1 2 3
vbe
vBE = VBE + vbe
waktu
arus kolektor
iC = IC exp (vbe/VT)
bila v be << VT, maka
iC ≈ IC (1 + vbe/VT) = IC + ic
aproksimasi sinyal kecil
ic = (IC/VT) vbe
atau
ic = gm vbe
dimana
gm = (IC/VT)
Kuliah 2 - 11
Arus dan Resistansi Input Basis arus basis
iB = iC / β = (IC + ic )/ β iB = IC / β + (1/β) (IC/VT) vbe
juga
iB = IB + ib
sehingga
ib = (1/β) (IC/VT) vbe = (gm/β) vbe
atau
ib = vbe / rπ
dimana
rπ = β/gm
atau
rπ = VT/IB
Arus dan Resistansi Input Emitor arus emitor dimana
iE = iC / α = (IC + ic )/ α = IE + ie ie = ic / α = gm vbe / α = (IC / αVT) vbe = (IE/VT) vbe ie = vbe / re
dimana
re = VT / IE re = α / gm ≈ 1/ gm
Kuliah 2 - 12
Hubungan Resistansi Input Basis dan Emitor tegangan sinyal kecil pada basis sehingga
vbe = rπ ib = re ie
rπ = ie re / ib rπ = ( β + 1) re
Penguatan Tegangan tegangan sinyal kecil pada kolektor
vC = VCC - iC RC = VCC - (IC + ic) RC = (VCC - IC RC) - ic RC vC = VC - ic RC sehingga
vc = - ic RC = - gm vbe RC = ( - gm RC) vbe
penguatan tegangan
vc / vbe = - gm RC
Kuliah 2 - 13
Rangkaian Pengganti Sinyal Kecil iC
RC
RC iB
C
+
B
vbe
vBE
+
-
E
VBE
+ vce -
VCC
vCE
+
ic = gm vbe
ib = vbe/rπ C B
vbe
vbe -
iE
E
ie = vbe / re
-
Rangkaian sinyal lengkap
Rangkaian sinyal kecil
Model Hybrid-π ib
ic
ib
B
C
ic
B
C
+ rπ
+
vbe
rπ
gm vbe
-
vbe
ib
gm = I C / VT ie
rπ = β / gm
E
ie E
ie = vbe / rπ + gm vbe = vbe / rπ (1 + gm rπ) = vbe / rπ (1 + β) ie = vbe / re gm vbe = gm rπ ib = β ib
Kuliah 2 - 14
Model T C
C ic
ic
gm vbe
ie
ib
ib
B
B +
+ re
vbe -
ie E
re
vbe gm = I C / VT re = α / gm
-
ie E
ib = vbe / re - gm vbe = vbe / re (1 − gm re) = vbe / re (1 − α) = vbe / re (1 − β/(β+1)) ib = vbe / (re (β+1)) = vbe / rπ gm vbe = gm re ie = α ie
Kuliah 2 - 15
Penambahan Efek Early pada Model Hybrid-π
ib B
C
B
C
+ rπ
v
gm v
rο
rπ
ib
r ο = VA / I C E
E
vo = - ic RC = - gm vbe (RC // ro)
rο
Kuliah 2 - 16
Analisis Grafis VCC iC vCE = VCC - i C RC
RC RB
vi
iB
+ +
vCE
vBE
-
iB
-
VBB
garis beban slope= -1/RB
VBB/RB
Karakteristik Transfer Input garis beban
IB
iB = (VBB - vBE) / RB vBE
iC
garis beban slope= -1/RC
0
VBE
VBB
iB = ...
VCC/RC iB = ... Karakteristik Transfer Output iB = ...
IC
garis beban iB = ...
VCE
VCC
vCE
iC = (VCC - vCE) / RC
Kuliah 2 - 17
Kurva Transfer Karakteristik Input
iB slope = -(1/RB) daerah dengan kurva dioda yang hampir liner ib iB2
waktu,t
Q
IB iB1
0
VBE
VBB
vbe
waktu,t
vBE
vbb
waktu,t
Kuliah 2 - 18
Kurva Transfer Karakteristik Ouput
slope= -1/RC
iC
ic
iB = iB2 iC2
IB
IC
waktu, t
iB2
iC1
0
VCE
VCC
vce
waktu, t
vCE
Kuliah 2 - 19
Rangkaian Bias Catu Daya Tunggal VCC
VCC VBB = V CC R2 / (R1+R2)
R1
RC
RC IB RB=R1//R2
R2 RE
L
IE RE
Rangkaian untuk/hasil analisis dengan rangkaian basis diubah ke struktur thevenin
Rangkaian nyata
VBB = I B RB + VBE + I B(β+1) RE IB = (VBB-VBE)/(R B + RE (β+1) ) IE = (VBB-VBE)/(R E +RB /(β+1) )
Untuk menurunkan sensitivitas IE terhadap temperatur VBB >> VBE
IC
dan
Rule of thumb: VBB = (1/3) VCC VCE = (1/3) VCC
R E >> RB / (β+1)
Rangkaian Bias Catu Daya Ganda
+VCC
Kuliah 2 - 20 RC
VEE = I B RB + VBE + I B(β+1) RE
IB=I E /(β+1)
IB = (VEE-VBE)/(R B + RE (β+1) )
IE
RB
L
IE = (VEE-VBE)/(R E + RB/(β+1) )
RE
-VEE
Rangkaian Bias Lain +VCC
(a) dengan sumber arus
RC
+VCC
(b) dengan resistor kolektor-basis
RC
RB RB
IE
IE +VCC IC+I B=I E
analisis rangkaian (b) RC VCC = I E RC + I B RB + VBE IB VCC = I E RC + IE RB /( +1) + VBE IE = (VCC-VBE)/(R C + RB /(β+1) )
VBE
Untuk menurunkan sensitivitas IE terhadap β RC >> RB / (β+1)
VC=VBE+I BRB RB
IC IE
Kuliah 2 - 21
Rangkaian Dasar Penguat Satu Tingkat BJT +VCC
RC Z C1 X
C B
C2
RB E
Y C3 RE
-VEE
Jenis Penguat
Node Common (grounded)
Node Input
Node Output
Common Emitter
Y (emitter)
X (base)
Z (collector)
Common Base
X (base)
Y (emitter)
Z (collector)
Common Collector
Z (collector)
X (base)
Y (emitter)
Kuliah 2 - 22
Penguat Common Emitter
+VCC
RC C2=∞ Rs
ii
C1=∞
X+ vi
vs
Z
C B
+ vo
RL C3=∞
Y
RB E
-
Ro
-
RE
Ri -VEE
transistor amplifier
Rs
ii X+ vi
vs
-
B
C gmvπ
+ vπ RB -
Z io
rπ
rο
Ri
+ vo RL -
RC Ro
E
amplifier Rs Ri = RB // rπ Gm= -gm Ro = RC // rο
ii
Z
X+ vs
Gm vi
io
vi -
Ri
Ro
+ vo RL -
Kuliah 2 - 23
Analisis Rangkaian Penguat Common Emitter Kapasitor C1 dan C2 sebagai kapasitor kopling Kapasitor C3 sebagai kapasitor bypass Resistansi input Ri
vi ii
≡
= RB // rπ vo=0
≈ rπ
bila
-gm vπ vπ
= -gm
RB >> rπ
Transkonduktasi io vi
Gm ≡
= vo=0
Resistansi Output vo io
Ro ≡
= RC // rο vi=0
≈ RC
bila
RC << rπ
Penguatan Tegangan (beban terbuka) vo vi
Avo ≡
= Gm Ro = -gm (RC // rο) io=0 atau RL=∞
Avo
= -gm ro = -(IC/VT) (VA/IC) = -VA / V T max
Kuliah 2 - 24
Analisis Rangkaian Penguat Common Emitter Penguatan Arus (beban terhubung singkat) Gm vi
io ii
Ais ≡
=
= Gm Ri vi / Ri
vo=0
= -gm (RB // rπ) = -
Ais
gm rπ RB RB + rπ
1 = -β
1 + rπ / RB
Penguatan Tegangan Av =
vi vs
Ri
vo = vi
R i + Rs
Gm (Ro // RL)
(RB // Rπ) =
gm (RC // ro // RL) (RB // Rπ) + Rs rπ
≈
Av =
gm (RC // ro // RL) rπ + Rs β(RC // ro // RL) rπ + Rs
bila
RB >> rπ
Kuliah 2 - 25
Penguat Common Emitter dengan Resistor Emitter +VCC
RC C2=∞ Rs
ii
vs
C
C1=∞
X+ vi
Z
B
RL
-
E
RB
Ro
Re
-
C3=∞
Ri
+ vo
Y
RE Rib
RE1
-VEE transistor amplifier Rs
ii
B
X+ vi
vs
C gmvπ
+ vπ
- RB
-
Z io
rπ
rο
Ri Rib
Re
RL -
RC Ro
E Roc
+ vo
Kuliah 2 - 26 Rs
ib=vπ/r π
ii
vb B
+ vi
vs
C
+ vπ
- RB
-
io gmvπ rπ
Ri=vi/ii
Rib=vb/ib =vi/ib
E Re
ix
Rs
gmvπ
+ vπ
RB
-
rπ
RL -
RC
(gm+1/rπ)vπ
ix
C
(i x-gmvπ) rο
+ vx -
E
∞ve/(rπ+RB//Rs) Re
ve≈i xRe Rs
ii
Z
X+ vs
io
vi -
Ri = RB // rπ(1+gmRe)
Gm v i Ri
Gm= -gm/(1+gmRe)
Ro
+ vo
+ vo RL -
Ro ≈ RC
Analisis Rangkaian Penguat Common Emitter
Kuliah 2 - 27
dengan Resistansi Emitter Kapasitor C1 dan C2 sebagai kapasitor kopling Kapasitor C3 sebagai kapasitor bypass Resistansi input Ri ≡
vi ii Rib ≡
= RB // Rib vb ib
ib = vπ / rπ vb = vπ + (gm + 1/ rπ) vπ Re dengan (gm + 1/ rπ) = re maka vb = (1 + Re/ re) vπ
Rib = rπ (1 + Re/ re)
dengan re ≈ 1/gm maka
Rib ≈ rπ (1 + gm Re) Ri = RB // rπ (1 + gm Re) Perhatikan Rib = rπ (1 + Re/ re) = (β + 1) re (1 + Re/ re) Rib =
( re + Re)
Resistansi emitter “dirasakan”
kali di base (reflection rule)
Transkonduktasi Gm ≡
Gm =
io vi
Kuliah 2 - 28 =
-gm vπ vπ
sebelumnya telah didapat vb = (1 + Re/ re) vπ
RL=0
gm 1 + Re / re
dengan re ≈ 1/gm maka Gm ≈
gm 1 + gm Re
Perhatikan Rib naik sebesar (1+gmRe) kali dan Gm turun (1+gmRe) kali. Resistansi Output Ro = RC // Roc dengan Roc = vx / ix vx = (ix - gm vπ) ro + ve vπ =
ve ≈ ix Re
ix Re rπ rπ + (Rs // RB)
Roc = ro (1 +
g m Re r π ) + Re rπ + (Rs // RB)
untuk Re << ro maka g m Re r π Roc ≈ ro (1 + ) rπ + (Rs // RB) sehingga Ro = RC // ro (1 + Ro ≈ RC
g m Re r π ) rπ + (Rs // RB)
Kuliah 2 - 29
Penguatan Tegangan vo vs
Av ≡ =
=
=
vo vs
vo vs
Ri Gm (Ro // RL) R i + Rs (RB // rπ (1+gmRe) (RB // rπ (1 + gm Re)) + Rs
gm (RC // RL) 1 + gm Re
Perhatikan 1. Penguatan Av menjadi lebih bebas dari nilai β. Bila RB cukup besar maka Av ≈
gm r π (RC // RL) rπ (1 + gm Re) + Rs
Bila rπ (1 + gm Re) >> Rs maka Av ≈
gm (RC // RL) 1 + gm Re
atau dalam bentuk lain 1 (RC // RL) Av ≈ re + Re 2. Penguat lebih tahan distorsi nonlinear pada sinyal besar karena dengan vπ yang sama vi dapat dinaikan dengan faktor 1 + Re/re 3. Penguat mempunyai respons frekuensi yang lebih baik (Bab 7)
Penguat Common Base
+VCC
Kuliah 2 - 30
RC C2=∞ X
C
C1=∞
RL
B C3=∞ RB E
io + vo
ii Ro Y+
RE
vi
-
Rs
vs
-
amplifier transistor C
-VEE
Ri
Z + vo
io
α ie
RC
RL -
B ie
Z
Ro re i i
Rs
E Y RE
+ vi
vs
Ri Rs Ri = RB // rπ Gm= -gm Ro = RC // rο
ii
Z
X+ vs
Gm vi
io
vi -
Ri
Ro
+ vo RL -
Analisis Rangkaian Penguat Common Base
Kuliah 2 - 31
Kapasitor C2 dan C3 sebagai kapasitor kopling Kapasitor C1 sebagai kapasitor bypass Resistansi input vi ii
Ri ≡
= RE // re ≈ re
vo=0
untuk RE >> re
Transkonduktasi Gm ≡
io vi
= vo=0
-α ie
= -gm
karena ie = -(vi / re)
vi
Resistansi Output Ro ≡
vo io
= RC vi=0
Penguatan Tegangan (beban terbuka) Avo ≡
vo vi
= Gm Ro = -gm RC io=0 atau RL=∞
Penguatan Arus Ais ≡
Gm vi
io ii
= vo=0 atau RL=0
= Gm Ri = gm re = α
v i / Ri
Penguatan Tegangan Av =
Ri Ri + Rs
Gm (RC // RL) =
re re + Rs
Gm (RC // RL)
+VCC
Kuliah 2 - 32
Penguat Common Collector RC
Rs
ii
vs
Z
C3=∞
Y
C
C1=∞
X+ vi
C2=∞ B E
RB
io
-
RE
Ri
RL
Rib
+ vo -
Ro -VEE
Rs
ii
i B b β ib
X+ vi
vs
C rο
amplifier
rπ
- RB Ri
E Rib
io
+ vo RL -
ground sinyal
vb
transistor
Y
Re = RE // ro // RL :
ro
Ro
ve/vb = RE / (re + RE ): re RE Rib ground sinyal
RL
Analisis Rangkaian Penguat Common Collector Kuliah 2 - 33 Kapasitor C1 dan C2 sebagai kapasitor kopling Kapasitor C3 sebagai kapasitor bypass Resistansi input Ri = RB // Rib Rib = (β + 1) (re + Re) dan Re = : RE // ro // RL Ri = RB // (β + 1) (re + (RE // ro // RL)) Jika RB cukup besar maka Ri ≈ (β + 1) (re + (RE // ro // RL)) dan bila RL << (RE // ro) maka
Ri ≈ (β + 1) (re + RL) = rπ + (β + 1) RL
Penguatan tegangan Av = vo/vs = vo/vi vi/vs Ri
vi/vs =
R i + Rs
dengan Ri besar maka vi/vs
≈
1
(RE // ro // RL)
vo/vi =
re + (RE // ro // RL) Av = ≈
Ri
(RE // ro // RL)
R i + Rs
re + (RE // ro // RL)
(β +1) RL (β +1) RL + rπ +Rs
bila RB besar dan RL << RE / ro
Kuliah 2 - 34
Penguatan Arus vo/RL
Ai ≡ io/ii =
=
vs/(Ri + Rs)
Ri
RE // ro // RL
RL
(RE // ro // RL) + re
≈
Ri RL
Ai ≈ β +1
Jika RL << (RE // ro ) serta RB >> Rib maka Resistansi Output Rs
i B b
C
RB
β ib
rπ
E
ix
i
Rib RE // ro
vx
Rie = vx/i Ro= vx/ix
Ro ≡ vx / ix = Rie // RE // ro ib =
Rie ≡ vx / i
vx
Rie =
rπ + (Rs // RB)
r + (Rs // RB) Ro = RE // ro // π (β +1) = re +
Rs // RB (β +1)
≈
i = −(β +1) ib
rπ + (Rs // RB) (β +1)
r + (Rs // RB) ≈ π (β +1) Rs (β +1)
bila RB cukup besar
Kuliah 2 - 35
Transistor sebagai Switch VCC
Daerah Cutoff
iC RC
iB = 0
iE = 0
iC = 0
vC RB
vC = VCC
vI
iB
Daerah Aktif iB = (vI - VBE) / RB ≈ (vI - 0.7) / RB iC = β iB
vC = VCC - RC iC VCC
Daerah Saturasi iCsat RC
iCsat = (VCC - VCEsat) / RC IBsat = iCsat) / β
RB +
dalam desain IB > IBsat (faktor 2 - 10 kali) βforced = iCsat) / IB
vI
iB
VBE -
+ vCEsat -
Kuliah 2 - 36
Transistor sebagai Switch Inverter Transistor cut0ff vC(V) aktif
VCC
saturasi
titik bias sebagai penguat
VCEsat ≈ 0.3 0.5
vI untuk IB maks
vI(V)
Model Transistor dalam keadaan saturasi B
E
C
VBE ≈ 0.7
VCEsat ≈ 0.3 VEB ≈ 0.7 E
VECsat ≈ 0.3
B
npn
C B
C
pnp model sangat disederhanakan
E
Kuliah 2 - 37
Karakteristik Statis Lengkap dan Efek Orde Dua Karaktersistik Common-Base
iC saturasi
aktif
iE = IE1 iE = IE2
iE = 0 0
BVCB0
0.4 - 0.5
rµ B
C rπ
+ vπ -
rο gmvπ
E
vCB
Karakteristik Statis Lengkap dan Efek Orde Dua
Kuliah 2 - 38
Karaktersistik Common-Emitter IB
iC
iC
sat
iB = IB1
aktif
iB
vCE
iB = IB2 iB = IBQ+∆iB iB = IBQ
∆iC ICQ
Q
vCE
iB = 0 0
VCEQ
hFE ≡ βdc ≡ ICQ/IBQ
BVCE0
hfe ≡ βac ≡ ∆iC/∆iB = konstan
iC
iC
sat
aktif
slope =1/RCEsat
kenaikan β tinggi
kenaikan β rendah
vCE
vCE 0
0.1
0.2
0.6
0.8
0
VCE0ff
Kuliah 2 - 39 β transistor hFE (β) 400 T = 125oC 300 T = 25oC 200 T = -55oC 100 IC (µA) 1
10
10 2
iC slope = R CEsat
Q
garis beban
vCE 0
VCEsat
10 3
10 4
10 5
