Bias dalam Transistor BJT

Bias dalam Transistor BJT
Analisis atau disain terhadap suatu penguat transistor memerlukan
informasi mengenai respon sistem baik dalam mode AC maupun DC.
Kedua mode tersebut bisa dianalisa secara terpisah. Dalam tahap
disain maupun sintesis, pilihan parameter untuk level DC yang
dibutuhkan akan mempengaruhi respon AC-nya. Demikian juga
sebaliknya.
Persamaan mendasar dalam transistor yang penting adalah :
VBE = 0,7 Volt
IE= (1 + β) IB ≅ IC
IC = β IB
Dalam mencari solusi dari suatu rangkaian, umumnya nilai arus basis
IB yang pertama dihitung. Ketika IB sudah diperoleh, hubungan
persamaan di atas bisa digunakan untuk mencari besaran yang
diinginkan.
Titik Operasi (Q)
Bias Î pemberiaan tegangan DC untuk membentuk tegangan dan
arus yang tetap.
Tegangan dan arus yang dihasilkan menyatakan titik operasi
(quiescent point) atau titik Q yang menentukan daerah kerja
transistor.
Pada gambar di bawah ditunjukkan 4 buah titik kerja transistor.
Rangkaian bias bisa di-disain untuk memperoleh titik kerja pada titiktitik tersebut, atau titik lainnya dalam daerah aktif. Rating maksimum
ditentukan oleh Icmax dan VCE max. Daya maksimum dibatasi oleh
kurva Pcmax. BJT bisa di-bias di luar batasan maksimum tersebut, tapi
bisa memperpendek usia piranti atau bahkan merusaknya.
Untuk kondisi tanpa bias, piranti tidak bekerja, hasilnya adalah titik A
dimana arus dan tegangan bernilai nol.
IC (mA)
Derah saturasi
70 µA
IC max
40
60 µA
35
50 µA
30
40 µA
25
VCE (V)
PC max
20
B
30 µA
15
20 µA
10
5
Fixed Bias
0
D
C
10 µA
IB = 0 µA
A
10
20
30
VCE (V)
VCE-max
VCE-SAT
Derah cut-off
Supaya BJT bisa di-bias dalam daerah linear (daerah aktif), beberapa
syarat berikut harus dipenuhi:
- Junction base-emitter dibias maju (forward bias)
- Junction base-collector dibias mundur (reverse bias)
Daerah kerja transistor (cut-off, aktif atau saturasi) ditentukan oleh
bias yang diberikan pada masing-masing junction :
1. Daerah aktif/daerah linear
- Junction base-emitter dibias maju (forward bias)
- Junction base-collector dibias mundur (reverse bias)
2. Daerah saturasi
- Junction base-emitter dibias maju (forward bias)
- Junction base-collector dibias maju (forward bias)
3. daerah cut-off
- Junction base-emitter dibias mundur (reverse bias)
- Junction base-collector dibias mundur (reverse bias)
Fixed Bias
Bias model ini ditunjukkan pada gambar berikut.
VCC
IC
RB
Sinyal
output AC
RC
Sinyal
input AC
C2
IB
+
C1
_
VBE
Rangkaian di atas menggunakan transistor npn. Untuk transistor pnp,
persamaan dan perhitungan adalah serupa, tapi dengan arah arus dan
polaritas tegangan berlawanan.
Untuk analisis DC, rangkaian bisa di-isolasi (dipisahkan) dari input AC
dengan mengganti kapasitor dengan rangkaian terbuka (open circuit).
Untuk tujuan analisis, supply tegangan VCC bisa dipisahkan menjadi
dua, masing-masing untuk input dan output. Rangkaian pengganti DC
menjadi :
VCC
VCC
RB
IC
RC
IB
C
+
B
VCE
+
VBE
_
E_
Bias maju basis-emitter
Loop basis-emitter :
+
RB
+
VCC
_
C
IB
B
_
+
VBE
_
E
Dengan hukum tegangan Kirchhoff :
-VCC + IBRB + VBE = 0
Perhatikan polaritas tegangan drop di RB.
Arus basis IB menjadi :
V − VBE
I B = CC
RB
Dan
VBE = VB - VE
Loop collector-emitter
VCE = VCC – ICRC
VCE = VC - VE
Saturasi transistor
Transistor saturasi jika juction base collector tidak lagi di bias mundur
VCE = 0 V
ICsat = VCC/RC
Soal :
VCC = +12 V
IC
RC
2,2KΩ
RB
240KΩ
Sinyal
input AC
C2
10µF
+
IB
Sinyal
output AC
VCE
C1
10µF
_
β = 50
Bias Emitter stabil
VCC
IC
RB
Sinyal
input AC
Sinyal
output AC
RC
C2
IB
C1
+
VBE
_
RE
Loop Base-Emitter
VCC – IBRB – VBE – IERE = 0
IB =
VCC − VBE
RB + (β + 1) RE
Loop Collector - Emitter
VCC = IERE + VCE + ICRC
Saturasi :
ICsat = VCC/(RC+RE)
Soal :
β = 50
VCC
IC
430K
Sinyal
input AC
Sinyal
output AC
2K
C2
IB
C1
+
VBE
_
1K
Bias Pembagi Tegangan
VCC
IC
R1
Sinyal
input AC
Sinyal
output AC
RC
C2
IB
+
C1
_
VBE
R2
RE
Bias dengan umpan balik
Untuk meningkatkan stabilitas bisa dilakukan dengan memberikan
umpan balik dari collector menuju base.
VCC
RC
I’C
Vo
RB
IC
C2
IB
Vi
C1
+
VBE
_
IE
RE
Persamaan tegangan untuk loop di sebelah kiri ( loop base-emitter) :
VCC – I’CRC – IBRB –VBE-IERE = 0
Perhatikan bahwa arus IC yang masuk ke kaki collector berbeda
dengan I’C, dimana :
I’C = IB + IC
Tapi nilai IB yang jauh lebih kecil bisa diabaikan untuk memperoleh
persamaan yang lebih sederhana (asumsi I’C ≅ IC ≅ βIB dan IC ≅ IE):
VCC – βIBRC – IBRB – VBE - βIBRE = 0
VCC – VBE – βIB(RC +RE)– IBRB = 0
Sehingga :
IB =
VCC − VBE
RB + β( RC + RE )
Loop collector-emitter
I’C
RC
IC
+
C2
VCC
_
IE
RE
IERE + VCE + I’CRC = VCC
Dengan I’C ≅ IC dan IC ≅ IE maka
VCC = IC(RC + RE) + VCE
VCE = VCC - IC(RC + RE)
Soal-soal :
VCC = 20 V
RC
680 KΩ
4,7 KΩ
Vo
RB
C2
IB
Vi
C1
β = 120
+
_
Untuk rangkaian di atas
a. Hitung ICQ dan VCEQ
b. Cari VB, VC, VE dan VBC
Solusi :
IB =
IB =
ICQ
VCC − VBE
RB + βRC
19,3V
= 15,51µA
1,244 MΩ
= βIB = 120 x 15,51µA
= 1,86 mA
VCEQ = VCC – ICRC
= 20 V – 1,86 mA x 4,7 KΩ
= 11,26 V
VE = 0 V
VB =VBE = 0,7 V
VC = VCE = 11,26 V
VBC = VB - VC
= 0,7 V – 11,26 V
= - 10,56 V
Soal :
RC
1,2 KΩ
Vo
IB
C2
Vi
100 KΩ
β = 45
+
C1
RB
VEE = -9 V
Hitung VC dan VB dari gambar di atas
Solusi :
Dengan hukum tegangan kirchhoff di loop base-emitter :
IB
_
RB 100 KΩ
+
+
VBE _
+
_ VEE = -9 V
+IBRB + VBE + VEE = 0
IB =
− VEE − VBE − (−9) − 0,7
=
RB
100 KΩ
IB = 83 µA
IC = βIB = 45 x 83 µA = 3,735 mA
VC
= - ICRC
= - 3,735 mA x 1,3 KΩ = -4,48 V
VB
= - IBRB = - 83 µA x 100 KΩ
= -8,3 V
Soal :
Tentukan VCB dan IB untuk konfigurasi common base berikut :
β = 60
Vi
C
E
1,2 KΩ
RE
B
Vo
RC
VEE =4 V
Hukum kirchhoff pada bagian input :
VEE - IERE - VBE = 0
VEE − VBE
RE
4V − 0,7V
IE =
1,2 KΩ
IE = 2,75 mA
IE =
2,4 KΩ
VCC =10 V
Hukum kirchhoff pada bagian output :
-VCB - ICRC + VCC = 0
VCB = VCC –ICRC
Dengan asumsi IC ≅ IE
Maka :
VCB = 10 – 2,75 mA x 2,4 KΩ
= 3,4 V
IB = IC/β = 45,8 µA
Disain.
Proses disain adalah proses sintesis dimana diberikan nilai tegangan
atau arus, dan berdasar itu dihitung elemen yang diperlukan untuk
bisa memenuhi syarat yang diberikan.
Contoh :
VCC
IC (mA)
8
IC
Q
IB = 40µA
20
RC
RB
VCE (V)
IBQ
+
VBE
Solusi :
Dari garis beban diperoleh :
VCC = 20 V
_
IC =
VCC
⎮VCE = 0 V
RC
Dan
RC = VCC / IC = 20 V / 8 mA
RC = 2,5 KΩ
IB =
RB =
VCC − VBE
RB
RB =
Î
VCC − VBE
IB
20 − 0,7
40µA
= 482,5 KΩ
Dengan nilai standar :
RC = 2,4 KΩ
RB = 470 KΩ
Diperoleh :
IB = 41,1 µA
Soal :
1. Diberikan ICQ = 4 mA dan VCEQ = 10 V, tentukan nilai R1 dan RC
untuk rangkaian di bawah.
18 V
IC
R1
RC
C2
IB
Vi
C1
R2
Vo
_
18 KΩ
RE 1,2 KΩ
2. Jika β = 100, hitung RC
VCC = 20 V
RC
680 KΩ
Vo = 10 V
RB
C2
IB
Vi
+
C1
_
3.
RC
1KΩ
Vo
IB
C2
Vi
150 KΩ
β = 45
+
C1
RB
VEE
Untuk Vo = - 6 Volt, tentukan VEE !