ELEKTRONIKA ANALOG Pertemuan 3 PENGUAT FREKUENSI RENDAH Titik Kerja Transistor Hubungan Bipolar (THB) Gambar berikut menunjukkan rangkaian emiter-umum.
Rangkaian catu tetap Catu kolektor VCC
: memberi arus basis pencatu IB dan arus kolektor IC
Kapasitor pem-blok Cb1
: tanpa ada sinyal masuk Æ berlaku sbg rangkaian
B
terbuka Æ mem-blok tegangan DC Cb1 dan Cb2 dipilih cukup besar shg dpt dianggap sbg rangkaian terhubung pendek pada sinyal masuk frekuensi rendah (reaktansi kecil) Biasanya transistor mempunyai harga-harga batas yang telah ditentukan pabrik, misalnya disipasi kolektor maksimum PC maks,
VEB
arus kolektor maksimum IC
maks.
maks,
maks,
tegangan kolektor maksimum VC
dan tegangan emiter-ke-basis maksimum
Gambar berikut menunjukkan tiga besaran yang pertama pada suatu
transistor tertentu. 1
Karakteristik kolektor emiter-umum: garis beban arus searah (as) atau dc dan arus bolak-balik (abb) atau ac •
Dalam keadaan dc Garis beban as diperoleh sesuai dengan resistansi RC melalui titik IC = 0 dan VCE = VCC. Arus kolektor IC Jenuh didekati dengan persamaan
IC ≅
VCC RC
Dan tegangan kolektor VCE Jenuh diberikan pada data sheet. Jika RL = ∞ dengan arus basis besar dan simetris, titik kerja Q1 harus dipilih di pusat garis beban as Æ sinyal masuk maksimum boleh berayun kira-kira 40 μA di sekitar Q1. •
Jika RL ≠ ∞ maka beban efektif pada kolektor menjadi
RL' = RC || RL Æ garis beban dinamis (garis beban abb) harus digambar melalui titik Q1 dengan kemiringan yang sesuai dengan RL’.
2
Untuk memperoleh ayunan yang lebih besar dapat dipilih titik kerja Q2 (memungkinkan ayunan hingga 60 μA). Rangkaian Catu Tetap Titik kerja Q2 ditentukan dgn memilih resistansi Rb sedemikian shg arus basis IB sama dgn IB2.
IB =
VCC − V BE Rb
Dengan VBE = 0,7 V (silikon) dan VBE = 0,2 V (germanium). Jika VCC >>> VBE maka
IB ≈
VCC Rb
Arus IB tetap, dan rangkaian pada gambar di atas disebut rangkaian catu tetap. B
Catu Mandiri atau Catu Emiter Rangkaian catu mandiri diperlihatkan pada gambar berikut.
(a) Rangkaian catu mandiri (b) Penyederhanaan rangkaian pada (a)
3
Dari penyederhanaan rangkaian diperoleh:
V≡
R2VCC R2 + R1
Rb ≡
dan
R2 R1 R2 + R1
Dan dari Hukum Kirchoff diperoleh V = IB Rb + VBE + (IB + IC) Re B
B
Jika IB <<< IC dan IB Rb <<< V maka B
B
IC ≈
V − VBE Re
Jika pendekatan ini tidak berlaku maka titik Q dapat diperoleh menggunakan persamaan:
I C = β I B + (1 + β ) I CO Dengan β adl penguatan arus dan ICO adl arus jenuh balik. Contoh Rangkaian catu mandiri menggunakan transistor silicon dengan VCC = 22,5 V; Rc = 5,6 kΩ; Re = 1 kΩ; R2 = 10 kΩ; R1 = 90 kΩ; β = 50. Carilah titik kerja Q.
V≡
R2VCC 10 × 22,5 = = 2,25V R2 + R1 10 + 90
Rb ≡
10 × 90 R2 R1 = 9 kΩ = R2 + R1 10 + 90
Sementara itu V = IB Rb + VBE + (IB + IC) Re B
B
2,25 = IB 9 + 0,7 + (IB + IC) 1 B
1,55 = 10 IB + IC
B
........................(1)
Jika IB >>> ICO maka B
I C = β I B + (1 + β ) I CO = β IB 4
Atau IC = 50 IB B
.............................(2)
Dengan substitusi pers (2) ke pers (1) diperoleh IC =
1,55 = 1,3 mA 1,2
I B = 0,02 × 1,3 = 0,026 mA Tegangan kolektor ke emiter diperoleh dengan VCE = VCC – IC RC – (IB + IC) Re B
= 22,5 – (1,3 mA X 5,6 kΩ) – (0,026 mA + 1,3 mA) X 1 kΩ = 22,5 – 7,28 – 1,326 = 13,9 V Model THB Pendekatan Sinyal Lemah Model pendekatan sinyal lemah sederhana untuk transistor hubungan bipolar diperlihatkan pada gambar berikut.
(a)
(b)
Pada model pendekatan (a), resistansi antara basis – emiter adl hie ohm. Pada model pendekatan (b), dipasang resistansi rbb’ atau dengan kata lain hie = rbb’ + rb’e
5
Agar dua model pendekatan di atas identik maka harus terdapat hubungan hfe ib = gm vb’e = gm rb’e ib atau hfe = gm rb’e dengan hfe adl perolehan arus (tanpa dimensi) dan gm disebut transkonduksi dari transistor. Penguat Emiter Umum (CE, Common Emitter) Konfigurasi penguat emiter umum diperlihatkan pd gambar berikut.
Penguat
emiter
umum
Model pengganti pendekatan parameter-h
Besaran yang penting adl perolehan arus, resistansi masuk, perolehan tegangan, dan resistansi keluar. 6
Perolehan arus (penguatan arus) AI didefinisikan sbg perbandingan arus keluar dan arus masuk atau
AI ≡
I IL =− c Ib Ib
Pada model pengganti pendekatan parameter-h terlihat bahwa Ic = hfe Ib shg
AI ≡
h fe I b I IL =− c =− = − h fe Ib Ib Ib
Resistansi masuk Ri menggambarkan resistansi sumber sinyal dan didefinisikan sbg
Ri ≡
Vb = hie Ib
Perolehan tegangan (penguatan tegangan) AV didefinisikan sbg perbandingan tegangan keluar Vc ke tegangan masuk Vb atau
AV ≡
Vc I L R L = Vb I b hie
Dengan mengganti IL/Ib dengan AI dan hie dengan Ri maka pers di atas dpt dinyatakan kembali sbg
AV =
AI R L Ri
Dan untuk penguat emiter umum pers di atas dapat dinyatakan pula sbg
AV =
− h fe R L h ie
Selain penguatan tegangan yang dinyatakan di atas, juga terdapat penguatan tegangan yang diperhitungkan dgn memperhatikan resistansi sumber Rs yang didefinisikan sbg
7
AVS ≡
Vc Vc Vb V = = AV b Vs Vb Vs Vs
Dengan memperhatikan rangkaian model pengganti pendekatan parameter-h diperoleh Vb
Vb =
Vs hie hie + Rs
Sehingga
AVS =
AV hie AR = I L hie + Rs hie + Rs
Resistansi keluar Ro didefinisikan dgn menyamakan VS = 0 dan RL = ∞. Maka jika terminal keluaran mempunyai tegangan V2 dan arus yg mengalir adl I2
Ro ≡
V2 I2
Jika VS = 0 Æ Ib = 0 Æ I2 = Ic = hfe Ib = 0 shg
Ro =
V2 V2 = =∞ I2 0
Resistansi keluar juga dpt dihitung dengan memperhatikan RL, shg resistansi keluar menjadi
Ro' =
Ro RL Ro + RL
8
