Perancangan Penguat BJT

Perancangan Penguat BJT

CE dengan Bias Diskrit VCC

Ri = rπ // RBB

RC

Ro = RC

C2 Vout

R C1 1

RL

Vin

Q1 R2

Av = − g m RC & L

RBB = R1 // R2 RC & L = RC // RL

CE dengan Bias Sumber Arus Kolektor VCC IC

Ri = rπ // RB

Ro = ro

C2 Vout

C1

RL

Vin

Q1 RB

Av = − g m RC

CE dengan Bias Sumber Arus Emitor VCC

Ri = rπ // RB

RC

Ro = RC

C2 Vout

C1

RL

Q1

Vin

C3

RB

Av = − g m RC & L

IE

RC & L = RC // RL

CE dengan RE dan Bias Diskrit

Ri = rπ // RBB Ri = (rπ + RE (β + 1)) // RBB Ri = (β + 1)(re + RE ) // RBB

VCC RC

Q1

Vin

Av = −α

RC & L re + RE

RL C3

R2

rπ Av = − g m RC & L rπ + RE (β + 1)

C2 Vout

R C1 1

Av = − g m RC & L

Ro = RC

RE

RBB = R1 // R2 RC & L = RC // RL

CE dengan RE dan Sumber Arus Emitor Ri = (rπ + RE (β + 1)) // RB

VCC RC

Ro = RC

C2 Vout

C1

RL

Q1

Vin RB

rπ Av = − g m RC & L IE rπ + RE (β + 1)

C3 RE

RC & L = RC // RL

CC dengan Bias Diskrit Ri = (re + RE & L )(β + 1) // RBB C1

VCC

Ro = re // RE

R1

Vin

Q1 C2

R2

Vout RE

RE & L Av = RE & L + re

RL

RBB = R1 // R2 RE & L = RB // RL

CC dengan Bias Sumber Arus Ri = (re + RL )(β + 1) // RB

VCC

Ro = re

C1 Vin

Q1 C2

RB

Vout IE

RL Av = RL + re

RL

CB dengan Bias Sumber Arus VCC RC

Av = g m RC & L

Ro = RC C2 Vout

C1

RL Q1 C3

RB

Vin IE

Ri = re

CB dengan Bias Diskrit VCC RC

Av = g m RC & L

Ro = RC C2 Vout

R C1 1

RL Q1 C3

R2

RBB = R1 // R2 RC & L = RC // RL

Vin RE

Ri = re // RE

Contoh 1 Desain Common Emitor  dengan Sumber Arus Emitor Rancanglah sebuah  penguat dengan  spesifikasi • Rin 600Ω, Rout 300Ω,  Av 25, dan RL 300Ω • Transistor β 150

• Lihat hubungan  paramater penguat di  atas untuk rangkaian CE  dengan bias sumber  arus emitor  Ri = rπ // RB Ro = RC Av = − g m RC & L

Contoh 1 Rancangan Awal • Dari informasi Rout RC = Ro = 300Ω

• Dari informasi Av dan  hasil RC g m = − Av

RC + RL RC RL

300 + 300 g m = 25 300 × 300 g m = 0.167 A / V

• Dari hasil gm I C = g m VT I C = 0,167 × 0,025 I C = 0,004 A

β +1 IE = IC β 150 + 1 IE = 0,004 150 I E = 0,00403 A

Contoh 1 Rancangan Awal • Dari informasi IC β

150 rπ = = = 900Ω g m 0,167

• Dari informasi rπ RB =

Ri rπ rπ − Ri

600 × 900 RB = = 1,8kΩ 900 − 600

• Parameter Rangkaian – Sumber Arus Bias Emitor  IE=4,03mA – Resistansi Base  RB=1,8kΩ

Contoh 1 Simulasi SPICE  – Hasil Titik Kerja • Operating point Perintah op

Hasil bas = ‐5.19856e‐02 emi = ‐7.29886e‐01 in = 0.000000e+00 kol = 1.079988e+01 out = 0.000000e+00 vcc = 1.200000e+01 vcc#branch = ‐4.00039e‐03 vs = 0.000000e+00 vs#branch = 0.000000e+00

• Analisis Titik Kerja – Transistor aktif  • Base‐Emitor Junction  Forward Biased VBE≈0,7V • Collector‐Base Junction  reverse biased

– Arus Kolektor 4,000mA

Contoh 1 Simulasi SPICE  – Hasil Analisis AC Gain dan Rin • Analisis AC Perintah ac lin 1 15k 15k let gain=out/in let rin=‐in/vs#branch print gain rin

Hasil gain = ‐1.97542e+01,‐2.88754e+00 rin = 6.595787e+02,‐6.85832e+01

• Hasil Simulasi Gain ‐19,8V/V (lebih kecil) Rin 660Ω (lebih besar)

Contoh 1 Simulasi SPICE  – Hasil Analisis AC Rout • Analisis AC Perubahan pada deskripsi vs   vs   0   0   AC   0 vout   out   0   0   AC   1 (lepaskan RL) Perintah ac lin 1 15k 15k let Rout=out/vout#branch print gain Rout

Hasil

• Hasil Simulasi Rout 297Ω sedik lebih kecil

Contoh 1 Analisis Hasil Simulasi • Hubungan parameter  penguat dan nilai  komponen

Ri = rπ // RB

• Perbaikan/ Modifikasi – Meningkatkan gain • Perbesar gm melalui arus  bias kolektor • Perbesar RC

– Menurunkan  Rin

• Turunkan Rπ – arus bias • Turunkan RB – nilai EIA

Ro ≈ RC

– Meningkatkan Rout

Av = − g m RC & L

– Pilihan langkah

• Perbesar RC • Naikkan IC • Turunkan RB

Contoh 1 Perbaikan Desain v 0.2 • Perubahan dilakukan – Arus IE = 4.5mA – Resistor Base RB = 1,6kΩ – Resistor Collector RC =  330Ω

• Hasil Perbaikan – – –

Gain ‐22.9 V/V Rin 596Ω Rout 325Ω

Contoh 2 Desain Common Emitor  dengan Bias Diskrit • Spesifikasi Rin 600Ω,  Rout 300Ω,  Av 25, dan RL 300Ω • Transistor β 150

• Lihat hubungan  paramater penguat di  atas untuk rangkaian CE  dengan bias diskrit Ri = rπ // RBB Ro = RC Av = − g m RC & L RC & L = RC // RL RBB = R1 // R2

Contoh 2 Desain Awal – Parameter Penguat • Dari informasi Rout RC = Ro = 300Ω

• Dari informasi Av dan  hasil RC g m = − Av

RC + RL RC RL

300 + 300 g m = 25 300 × 300 g m = 0.167 A / V

• Dari hasil gm I C = g m VT = 0,167 × 0,025 = 0,004 A

β

150 = = 900Ω rπ = g m 0,167

• Dari informasi rπ RBB

Ri rπ 600 × 900 = = = 1,8kΩ rπ − Ri 900 − 600

Contoh 2 Desain Awal ‐ Bias Diskrit I C = 0,004 A

I C 0,004 IB = = = 27 μA IB 150

VCC I1

I B = I1 − I 2

VCC − VBE 12 − 0.7 = I1 = R1 R1 VBE 0.7 = I2 = R2 R2 11,3 0.7 − = 27e − 6 R1 R2

R1

IB Q1

+ R2

IC

VBE ‐ I2

IE

Contoh 2 Desain Awal – Menentukan R1 dan R2 • Dari Parameter Peguat R1 R2 = 1,8kΩ R1 + R2

• Dari Rangkaian Bias 11,3 0.7 − = 27e − 6 R1 R2

• Gunakan alat bantu Matlab, Mathematica, atau  Maple dan nilai EIA, hasil – R1 30kΩ – R2 2kΩ

Contoh 2 Simulasi SPICE • Hasil Simulasi – Gain ‐30,0V/V – Resistansi Input 473Ω – Resistansi Output 294Ω

• Analisis Hasil – Gain terlalu tinggi perkecil IC – Resistansi input terlalu  rencah perbesar RBB

• Modifikasi Desain – Memperkecil IC • Memperbesar R1 • Memperkecil R2

– Memperbesar RBB • Memperbesar R1 • Memperbesar R2

Contoh 2 Modifikasi Desain dan Hasil • Perubahan yang  diberikan – –

R1 30kΩ R2 2kΩ

• Paramater Penguat  hasil modifikasi – – –

Gain 23.7 V/V Rin 591Ω Rout 296Ω

Contoh 3 Desain Common Emitor dengan  Bias Sumber Arus dan Resistor Emitor Rancanglah sebuah  penguat dengan  spesifikasi • Rin 600Ω, Rout 300Ω,  Av 25, dan RL 300Ω • Transistor β 150

• Lihat hubungan paramater  penguat di atas untuk  rangkaian CE dengan bias  sumber arus dan resistor   emitor Ro = RC Ri = (β + 1)(re + RE ) // RB RC & L Av = −α re + RE

Contoh 3 Rancangan Awal • Dari informasi Rout RC = Ro = 300Ω

• Dari informasi Av dan  hasil RC Av = −α

RC & L RC & L ≈ (re + RE ) (re + RE )

RC & L = RC // RL = 150Ω 150 RE + re = = 6Ω 25

Contoh 3 Rancangan Awal • Dari informasi Ri

Ri = (β + 1)(re + RE ) // RB

( β + 1)(re + RE )Ri RB = (β + 1)(re + RE ) − Ri 151× 6 × 600 RB = = 1776Ω 151× 6 − 600

• Dari hasil Re+re pilih IE 5mA, maka VT 0,025 = = 5Ω re = I E 0,005 RE = 1Ω

Contoh 3 Simulasi SPICE • Hasil Simulasi – Gain ‐21,7V/V – Resistansi Input 608Ω – Resistansi Output 296Ω

• Analisis Hasil – Gain masih rendah

• Modifikasi Desain – Memperbesar Av • Perkecil re atau IE • Perkecil RE

– Memperkecil Rin • Perkecil re atau IE • Perkecil RE • Perkecil RB

– Gunakan IE dan RE untuk  mengatur Gain dan RB untuk Rin

Contoh 3 Modifikasi Desain dan Hasil • Perubahan yang  diberikan – IE 7mA – RE 1,1Ω – RB 2,4kΩ (menggunakan E96 atau  toleransi 1%)

• Paramater Penguat  hasil modifikasi – – –

Gain 25.4 V/V Rin 596Ω Rout 296Ω

Contoh 4 Desain Common Emitor dengan  Bias Diskrit dan Resistor Emitor Rancanglah sebuah  penguat dengan  spesifikasi • Rin 600Ω, Rout 300Ω,  Av 25, dan RL 300Ω • Transistor β 150

• Lihat hubungan paramater  penguat di atas untuk  rangkaian CE dengan bias  diskrit dan resistor  emitor Ro = RC Ri = (rπ + RE (β + 1)) // RBB

Ri = (β + 1)(re + RE ) // RBB

rπ Av = − g m RC & L rπ + RE (β + 1) RC & L Av = −α re + RE

Contoh 4 Rancangan Awal • Dari informasi Rout RC = Ro = 300Ω

• Dari informasi Av dan  hasil RC Av = −α

RC & L RC & L ≈ (re + RE ) (re + RE )

RC & L = RC // RL = 150Ω RC & L 150 = = 6Ω RE + re = 25 AV

Contoh 4 Rancangan Awal • Dari informasi Ri

Ri = (β + 1)(re + RE ) // RBB

( β + 1)(re + RE )Ri RBB = (β + 1)(re + RE ) − Ri RBB

151× 6 × 600 = = 1776Ω 151× 6 − 600

• Dari hasil Re+re pilih IE 5mA, maka VT 0,025 = = 5Ω re = I E 0,005 RE = 1Ω

Contoh 4 Rancangan Awal ‐ Bias Arus VCC

• Arus DC Transistor I E = 5mA

β

150 IC = I E =5 = 4,97 mA β +1 151 1 1 IB = IE =5 = 0,0331mA β + 1 151

I1 R1

IC

IB Q1

+ R2

I1 = I 2 + I B = I 2 + 0,0331mA

VBE ‐ I2

VCC = I1 R1 + VBE + I E RE

I 2 R2 = VBE + I E RE

12 = I1 R1 + 0,7 + 0,005 ×1

I 2 R2 = 0,7 + 0,005 × 1

I1 R1 = 11,295V

I 2 R2 = 0,705V

RE

IE

Contoh 4 Rancangan Awal ‐ Bias Arus VCC

• Persamaan Rangkaian Bias R1 R2 = 1776Ω R1 + R2

I1 R1

I1 = I 2 + 0,0331mA I1 R1 = 11,295V I 2 R2 = 0,705V

IC

IB Q1

+ R2

VBE ‐ I2 RE

• Solusi R1≈28kΩ dan R2≈2kΩ

IE

Contoh 4 Simulasi SPICE • Hasil Simulasi – Gain ‐23,8V/V – Resistansi Input 645Ω – Resistansi Output 296Ω

• Analisis Hasil – Gain rendah – Resistansi input tinggi

• Modifikasi Desain – Memperbesar IC • Memperkecil R1 • Memperbesar R2

– Memperkecil RBB • Memperkecil R1 • Memperkecil R2 • Perhatikan perbandingan  nilainya, bila  perbandingan besar  penentu adalah resistansi  yang kecil

Contoh 4 Modifikasi Desain dan Hasil • Perubahan yang  diberikan – RE 0.82Ω

• Paramater Penguat  hasil modifikasi – – –

Gain ‐24.8 V/V Rin 639Ω Rout 296Ω

Contoh 5 Desain Common Collector  dengan Bias Sumber Arus Rancanglah sebuah  penguat dengan  spesifikasi • Rin 1kΩ, Rout 32Ω,  Av ≈1, dan RL 32Ω • Transistor β 150

• Lihat hubungan paramater  penguat di atas untuk  rangkaian CE dengan bias  diskrit dan resistor  emitor Ro = re Ri = (re + RL )(β + 1) // RB RL Av = RL + re

Contoh 5 Rancangan Awal • Dari informasi Rout re = Ro = 32Ω VT 25 IC = = = 0,78mA re 32

• Dari informasi Ri dan  hasil re Ri = (re + RL )(β + 1) // RB

1000 = (32 + 32 )(150 + 1) // RB 9664 ×1000 RB = = 1115Ω 9664 − 1000

Contoh 5 Simulasi SPICE • Hasil Simulasi – Gain 0,915V/V – Resistansi Input 459Ω – Resistansi Output 45Ω

• Analisis Hasil – Resistansi input terlalu  rendah – Resistansi output terlalu  tinggi

• Modifikasi Desain – Memperbesar Rin – Memperkecil Rout • Memperkecil re • Rin dapat ikut berubah

Contoh 5 Modifikasi Desain dan Hasil • Perubahan yang  diberikan – IE  0.8mA

• Paramater Penguat  hasil modifikasi – – –

Gain 0,998 V/V Rin 1020Ω Rout 33,7Ω

Contoh 6 Desain Common Collector  dengan Bias Diskrit Rancanglah sebuah  penguat dengan  spesifikasi • Rin 300Ω, Rout 32Ω,  Av ≈1, dan RL 32Ω • Transistor β 150

• Lihat hubungan paramater  penguat di atas untuk  rangkaian CE dengan bias  diskrit dan resistor  emitor Ro = re // RE Ri = (re + RE & L )(β + 1) // RBB RE & L Av = RE & L + re

Contoh 6 Rancangan Awal • Dari informasi Rout re // RE = Ro = 32Ω re RE = 32 re + RE

• Bila dipilih RE=68Ω re =

RE Ro 68 × 32 = = 60Ω RE − Ro 68 − 32

VT 25 IE = = = 0,42mA re 60

• Dari informasi Ri dan  hasil re Ri = (re + RE & L )(β + 1) // RBB 68 × 32 ⎞ ⎛ 300 = ⎜ 60 + ⎟151 // RBB 68 + 32 ⎠ ⎝ 12345 × 300 RBB = = 307Ω 12345 − 300

Contoh 6 Rancangan Awal ‐ Bias Arus VCC

• Arus DC Transistor I E = 0,42mA

β

150 IC = I E = 0,42 = 0,417 mA β +1 151 1 1 IB = IE =5 = 0,0028mA β + 1 151

I1 R1

IB Q1

+ R2

I1 = I 2 + I B = I 2 + 0,0028mA VCC = I1 R1 + VBE + I E RE

IC

I 2 R2 = VBE + I E RE

VBE ‐ I2 RE

12 = I1 R1 + 0,7 + 0,00042 × 68 I 2 R2 = 0,7 + 0,00042 × 68 I1 R1 = 11,27V

I 2 R2 = 0,729V

IE

Contoh 64 Rancangan Awal ‐ Bias Arus • Persamaan Rangkaian Bias R1 R2 = 307Ω R1 + R2

VCC I1 R1

I1 = I 2 + 0,0028mA I1 R1 = 11,27V I 2 R2 = 0,729V

• Solusi R1≈787Ω dan  R2≈510Ω

IC

IB Q1

+ R2

VBE ‐ I2 RE

IE

Contoh 6 Simulasi SPICE • Hasil Simulasi – Gain 0,932V/V – Resistansi Input 273Ω – Resistansi Output 2,25Ω

• Analisis Hasil – Resistansi input rendah – Resistansi output sangat  rendah

• Modifikasi Desain – Memperbesar RBB • Memperbesar R1 • Memperbesar R2 

– Memperbesar re – Memperbesar RE – Ro akan ikut berubah

Contoh 6 Modifikasi Desain dan Hasil • Perubahan yang  diberikan – R1 ?Ω

• Paramater Penguat  hasil modifikasi – – –

Gain ? V/V Rin ?Ω Rout ?Ω

Contoh 7 Desain Common Base dengan  Bias Sumber Arus Rancanglah sebuah  penguat dengan  spesifikasi • Rin 50Ω, Rout 1kΩ,  Av =10, dan RL 1kΩ • Transistor β 150

• Lihat hubungan paramater  penguat di atas untuk  rangkaian CE dengan bias  diskrit dan resistor  emitor Ro = RC Av = g m RC & L Ri = re

Contoh 7 Rancangan Awal • Dari informasi Rout RC = Ro = 1kΩ

• Dari informasi Rin re = Ri = 50Ω IE =

VT 25 = = 0,5mA re 50

I C 0,5 gm = ≈ = 0,02mmho VT 25

• Penguatan Av = g m RC & L = 0,02 × 500 = 10