ELEKTRONIKA ANALOG. Bab 2 BIAS DC FET Pertemuan 5 Pertemuan 7. Oleh : ALFITH, S.Pd, M.Pd

ELEKTRONIKA ANALOG

Bab 2 BIAS DC FET Pertemuan 5 – Pertemuan 7 Oleh : ALFITH, S.Pd, M.Pd 1

Pemberian bias pada rangkaian BJT Masalah pemberian bias berkaitan dengan: • penentuan arus dc pada collector 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.

2

Contoh pemberian bias yang tidak baik

Gambar 19. Pemberian bias pada BJT (a) Menetapkan harga VBE yang tetap (b) Menetapkan harga IB yang tetap 3

Cara klasik pengaturan bias untuk rangkaian diskrit

Gambar 20(a). Cara klasik pemberian bias untuk BJT menggunakan sebuah catu daya. Gambar 20(b) menunjukkan rangkaian yang sama dengan menggunakan rangkaian ekivalen Thévenin-nya. 4

VBB 

R2 VCC R1  R2

RB 

R1R2 R1  R2

IE 

VBB  VBE RE  RB   1

Untuk membuat IE tidak sensitif terhadap suhu dan variasi β, rangkaian harus memenuhi dua syarat berikut: VBB  VBE RE 

RB  1

5

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. Pada rangkaian pada gambar 20, RE memberikan umpan balik negatif sehingga dapat men-stabil-kan arus dc emitter. Jika IE ↑ → VRE dan VE ↑. Jika tegangan pada base hanya ditentukan oleh pembagi tegangan R1, R2, yaitu bila RB kecil, maka tegangan ini akan tetap konstan, sehingga jika VE ↑ → VBE ↓ → IC (dan IE) ↓. 6

Contoh soal 1: Rancanglah rangkaian pada gambar 20 sehingga IE = 1 mA dengan catu daya VCC = +12V. Transistor mempunyai harga nominal β = 100. 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 V 3,3 RE  E  3,3 k IE 1 Pilih arus pada pembagi tegangan = 0,1IE = 0,1 x 1 = 0,1 mA 7

Abaikan arus base, jadi R1  R2 

12  120 k 0,1

R2 VCC  4 V R1  R2

Jadi R2 = 40 kΩ dan R1 = 80 kΩ Pada tahap ini, dapat dihitung IE yang lebih akurat dengan memperhatikan arus base yang tidak nol. 4  0,7 IE   0,93 mA  80 // 40 k  3,3(k )  101 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. 8

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 IE 

4  0,7  0,99  1 mA 3,3  0,027

Pada disain ini harga RE tidak perlu diganti, Jika Vc=1/3 (Vcc), maka Rc 12  VC RC  IC IC   IE  0,99  1  0,99 mA  1 mA RC 

12  8  4 k 1

9

Cara klasik pengaturan bias dengan menggunakan dua catu daya

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

10

IE 

VEE  VBE RE  RB   1

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.

11

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 commonemitter. Resistor RB berperan sebagai umpan balik negatif, yang membantu kestabilan titik bias dari BJT

VCC  IE RC  IBRB  VBE IE RB  VBE  1 VCC  VBE IE  RC  RB   1  IE RC 

12

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

VCB  IB RB  IE

RB  1 13

Pemberian bias dengan menggunakan sumber arus

Gambar 23 (a) Sebuah BJT diberi bias dengan sumber arus I. (b) Implementasi rangkaian sumber arus I.

14

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. V   VEE   VBE IREF  CC R

15

Karena Q1 dan Q2 mempunyai VBE yang sama, arus collectornya akan sama I  IREF 

VCC  VEE  VBE R

Dengan mengabaikan efek Early pada Q2, arus collector akan tetap konstan selama Q2 tetap pada daerah aktif. Hal ini akan tetap terjaga jika tegangan collector lebih tinggi dari tegangan base (-VEE + VBE). Hubungan Q1 dan Q2 seperti pada gambar 23(b) dikenal sebagai ‘current mirror’

16

Cara kerja dan model sinyal kecil

Gambar 24 (a) Rangkaian konseptual untuk menunjukkan cara kerja transistor sebagai penguat (b) Rangkaian (a) tanpa sinyal vbe untuk analisa DC (bias)

17

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:

IC  IS eVBE

VT

IE  IC  IB  IC  VC  VCE  VCC  IC RC Untuk bekerja pada mode aktif, VC harus lebih besar dari (VB – 0,4) dengan harga yang memungkinkan simpangan sinyal pada collector. 18

Arus collector dan transkonduktansi. Jika sinyal vbe dipasangkan seperti pada gambar 24(a) total tegangan base – emitter vBE menjadi vBE =VBE + vbe Dan arus collector menjadi:

I C  I S eVBE  I S e VBE

VT

 I S e VBE  vbe  VT

VT 

e  vbe VT 

iC  I C e vbe VT

19

Jika vbe << VT maka:

 v be  iC  IC  1  V  T   Persamaan (pendekatan) di atas hanya berlaku untuk vbe lebih kecil dari 10 mV, dan ini dikenal dengan pendekatan sinyal kecil. Maka arus collector total: I iC  I C  C vbe VT IC ic  vbe VT ic  g m vbe gm 

ic vbe

gm disebut transkonduktansi 20

Gambar 25.Cara kerja linier dari transistor dengan sinyal kecil

21

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

gm 

iC v BE

i C IC

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.

22

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.

23

Arus base dan resistansi masukan pada base Untuk menentukan resistansi masukan, pertama hitung total arus base iB iB 

iC IC 1 IC   v be    VT

i B  IB  i b IC  1 IC ib  v be  VT

IB 

gm  ib 

IC VT

gm v be  24

Resistansi masukan sinyal kecil antara base dan emitter, melihat ke arah base, disebut rπ dan didefinisikan sebagai

r 

v be ib

 r  gm r 

VT IB

jadi rπ berbanding lurus dengan β dan berbanding terbalik dengan arus bias IC.

25

Arus emitter dan resistansi masukan pada emitter Total arus emitter iE dapat ditentukan dari iC IC i c      i E  IE  i e iE 

IC  i I I i e  c  C v be  E v be   VT VT

IE 

Resistansi masukan sinyal kecil antara base dan emitter, melihat ke arah emitter, disebut re atau resistansi emitter dan didefinisikan sebagai:

26

re 

v be ie

re 

VT IE

 1 re   gm gm Hubungan antara rπ dan re dapat diperoleh dengan mengkombinasikan definisinya masing-masing vbe = ibrπ = iere Jadi:

rπ = (ie/ib)re rπ = (β+1)re 27

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

28

Jadi penguatan tegangan dari penguat, Av adalah AV 

vc   g mRC v be

gm sebanding dengan arus bias collector, jadi

IC RC Av   VT

29

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.

Gambar 26 Rangkaian penguat pada gambar 24(b) dengan sumber DC dihilangkan (di hubung singkat) 30

Model Hybrid - π

Gambar 27 (a) BJT sebagai VCCS (penguat transkonduktansi)

Gambar 27 (b) BJT sebagai CCCS (penguat arus) 31

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:i  g v c

m be

ib 

v be r

ie 

v be v  g mv be  be 1  g m r  r r



v be 1     v be r

 r   1     

 v be re

Pada gambar 27(b) BJT digambarkan sebagai CCCS, dengan sinyal kendali ib. Hubungan arus sebagai berikut: g v  g i r  m be

m

b 

 g m r i b

32

Aplikasi rangkaian ekivalen sinyal kecil. Proses yang sistimatis dalam menganalisa penguat transistor: 1. Tentukan titik kerja dc BJT, terutama arus collector dc IC. 2. Hitung harga-harga parameter model sinyal kecil: gm = IC/VT, rπ = β/gm dan re = VT/IE = α/gm. 3. Hilangkan semua sumber dc dengan mengganti sumber tegangan dc dengan hubung singkat, dan sumber arus dc dengan hubung terbuka. 4. Ganti BJT dengan salah satu model rangkaian ekivalen. 5. Analisa rangkaian yang didapat untuk menentukan penguatan tegangan, resistansi masukan dan lain-

33

Contoh soal 2: Analisa penguat transistor pada gambar 28(a) dan tentukan penguatan tegangannya. Asumsikan β = 100

Gambar 28 (a) rangkaian 34

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

35

Tentukan titik kerja. Asumsikan vi = 0. IB  

VBB  VBE RBB 3  0,7  0,023 mA 100

IC  IB  100  0,023  2,3 mA VC  VCC  IC RC   10  2,3  3   3,1 V

Karena VB (+0,7 V) < VC → transistor bekerja pada mode aktif.

36

Tentukan parameter model sinyal kecil: re 

VT 25 mV   10,8  2,3 0,99  mA IE

gm 

r 

IC 2,3 mA   92 mA/V VT 25 mV

 100   1,09 k gm 92

37

Model rangkaian ekivalen terlihat pada gambar 28(c). Perhatikan tidak ada sumber tegangan dc. Terminal rangkaian yang terhubung ke sebuah sumber tegangan dc yang konstan selalu dapat dianggap sebagai sinyal ‘ground’. r v be  v i  vi

r  RBB

1,09  0,011v i 101,09

v o   g mv beRC   92  0,011v i  3   3,04v i Av 

vo   3,04 V/V vi

Tanda negatif menunjukkan pembalikan fasa. 38