Modul 05: Transistor

Modul 05: Transistor
Penguat Common-Emitter
Reza Rendian Septiawan
April 2, 2015
Transistor merupakan komponen elektronik yang
tergolong kedalam komponen aktif.
Transistor banyak digunakan sebagai komponen dasar
penyusun rangkaian atau komponen terintegrasi
aktif lainnya. Terdapat banyak jenis transistor,
namun secara garis besar transistor dapat dikelompokkan kedalam dua keluarga besar, yaitu keluarga
bi-junction transistor (BJT) dan keluarga fieldeffect transistor (FET). Dalam praktikum kali ini
kita akan menggunakan transistor dari keluarga
BJT.
1
1.1
Teori Singkat
Gambar 1: Struktur dari BJT tipe npn dan pnp
(diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan
David Buchla).
Karakteristik Bi-junction Transistor
BJT, sesuai namanya, merupakan transistor yang
terdiri dari dua sambungan p-n dioda. BJT dapat
berupa transistor tipe npn dan transistor tipe pnp.
Transistor memiliki tiga buah kaki, yaitu kaki Base,
Collector, dan kaki Emitter.
Prinsip kerja dari transistor secara simpel
adalah, dengan adanya arus yang mengalir dari
kaki Base ke Emitter (atau dari Emitter ke Base
pada transistor pnp), maka arus yang lebih besar
akan mengalir dari kaki Collector ke Emitter (atau
sebaliknya pada transistor pnp). Untuk kesederhanaan penjelasan, maka secara default yang dibahas adalah transitor tipe npn. Untuk dapat bekerja, pada transistor tipe npn sambungan BE
diberikan tegangan panjar maju dan sambungan
BC diberikan tegangan panjar mundur. Arus yang
melewati transistor memenuhi persamaan arus total transistor sebagai berikut:
IE = IC + IB
Gambar 2: Simbol dari BJT tipe npn dan pnp (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits,
2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David
Buchla).
(1)
1
Modul 05: Transistor
halaman 2
dengan
IC = βDC IB
(2)
Namun karena IB ≪ IC , maka kita dapat
mengasumsikan bahwa IE ∼
= IC . Asumsi tersebut sangat berguna dalam melakukan analisis terhadap rangkaian transistor. Karena sambungan
BE merupakan sambungan pn biasa seperti pada
dioda, maka terdapat perbedaan tegangan antara
kaki Base dengan Emitter sebesar VBE = 0.7 V .
Rangkaian bias paling sederhana untuk transistor
dapat dilihat pada Gambar 3:
Gambar 4: Karakteristik I-V pada sambungan BE
(diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan
David Buchla).
Gambar 3: Rangkaian bias pada transistor npn (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits,
2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David
Buchla).
Tegangan pada kaki Collector dapat dihitung
dengan menggunakan:
VC = VCC − IC RC
(3)
dan tegangan pada kaki Base adalah:
VB = VE + VBE = VE + 0.7 V
(4)
sehingga arus kaki Base adalah:
IB =
VBB − VB
RB
(5)
Gambar 5: Karakteristik I-V pada sambungan CE
Karakteristik pada sambungan BE mirip seperti
(diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Cirdioda biasa. Sesuai dengan persamaan 2, besarnya
cuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan
arus pada kaki Collector bergantung pada besarnya
David Buchla).
penguatan DC βDC dan besarnya arus pada kaki
Base. Namun arus Collector juga bergantung terhadap besarnya perbedaan tegangan antara kaki
Collector dengan kaki Emitter VCE . Kurva karakteristik dari Collector dapat dilihat pada Gambar
5.
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
Modul 05: Transistor
1.2
halaman 3
Garis Beban DC
Saat arus pada kaki Base IB = 0, maka transistor
berada pada kondisi cutoff, yaitu kondisi saat tidak
ada arus yang melewati sambungan CE, sehingga
tegangan VCE akan sama dengan tegangan VCC .
Saat sambungan BE berada pada kondisi panjar
maju dan arus BE bertambah, maka besarnya arus
Collector akan bertambah, sehingga jatuh tegangan pada kaki RC akan akan semakin besar, mengakibatkan tegangan VCE akan semakin menurun,
dan pada kondisi saturasi, tegangan Collector akan
sama dengan teganan Emitter VCE = 0. Kondisi
saturasi pada rangkaian tersebut tercapai pada:
IC(sat) =
VCC
RC
(6)
Saat arus Base sudah cukup besar untuk membuat rangkaian pada kondisi saturasi, pertambahan
arus Base yang lebih besar tidak akan mempen- Gambar 7: Contoh rangkaian uji DC untuk transistor dan kurva kerjanya (diambil dari buku ”Fungaruhi arus Collector lebih lanjut.
damentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh
Thomas L. Floyd dan David Buchla).
1.3
Rangkaian Bias untuk Transistor
Salah satu penggunaan dari transistor adalah pada
rangkaian penguat linear. Agar dapat menguatkan
sinyal AC dengan baik tanpa mengenai kondisi cutoff atau saturasi, maka rangkaian transistor harus
diberikan rangkaian bias. Ada 4 macam rangkaian
bias yang dapat digunakan, yaitu:
Gambar 6: Garis beban DC pada rangkaian transistor (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog
Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan
David Buchla).
Dengan menggabungkan kurva karakteristik Collector dengan kurva garis beban DC, maka kita bisa
mendapatkan seluruh daerah kerja dari rangkaian
transistor tersebut. Sebagai contoh, pada rangkaian uji DC yang ditunjukkan pada Gambar 7, kita
bisa mendapatkan kurva karakteristik dan garis beban seperti yang ditunjukkan pada Gambar tersebut. Titik temu antara garis arus Base pada
rangkaian dengan garis beban DC dinamakan Qpoint dari rangkaian.
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
1. Base Bias, merupakan rangkaian bias paling
sederhana, ditunjukkan pada Gambar 8.
Besarnya arus Collector pada rangkaian ini dapat dihitung dengan:
IC = βDC
VCC − VBE
RB
(7)
2. Collector-feedback Bias, merupakan rangkaian
bias yang menggunakan jalur umpan balik dari
kaki Collector ke kaki Base. Dengan menggunakan rangkaian ini, penguatan dari rangkaian lebih linear, stabil, dan ketergantungan
terhadap besarnya βDC transistor berkurang.
Rangkaian ini ditunjukkan oleh Gambar 9.
Modul 05: Transistor
halaman 4
Besarnya arus Collector pada rangkaian ini dapat dihitung dengan:
IC =
VCC − VBE
RC + RB /βDC
(8)
3. Voltage-divider Bias merupakan rangkaian
yang stabilitasnya lebih baik lagi. Rangkaian
ini ditunjukkan oleh Gambar 10.
Gambar 8: Rangkaian Base-bias (diambil dari
buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla).
Gambar 10: Rangkaian Voltage-divider bias (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits,
2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David
Buchla).
4. Emitter Bias merupakan rangkaian yang sangat stabil, namun membutuhkan catu daya
positif dan negatif. Rangkaian ini ditunjukkan
oleh Gambar 11.
Gambar 9: Rangkaian Collector-feedback bias (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits,
2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David
Buchla).
Gambar 11: Rangkaian Emitter bias (diambil dari
buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla).
Untuk rangkaian yang stabil, nilai dari RB
harus dipilih agar dapat memberikan jatuh
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
Modul 05: Transistor
halaman 5
tegangan yang kecil. Pada rangkaian ini, da- memasuki rangkaian via kapasitor coupling C1 dan
pat digunakan asumsi bahwa nilai VE diperki- C3 . Sedangkan sinyal AC menuju ground melewati
rakan berada di kisaran −1 V .
salah satu hambatan Emitter melalui kapasitor bypass C2 . Sinyal AC akan melihat rangkaian seperti
Dalam membuat rangkaian penguat dengan
tampak pada Gambar 13.
menggunakan transistor, salah satu faktor yang
harus dipertimbangkan adalah disipasi daya dari
transistor. Besarnya disipasi daya dari rangkaian
dapat dihitung dengan menggunakan:
PD = VCE IC
1.4
(9)
Rangkaian Penguat dan Rangkaian Setara AC
Dalam fungsinya sebagai rangkaian penguat, saat
menghitung parameter AC, rangkaian tersebut
memiliki rangkaian setara AC yang berbeda.
Dalam sudut pandang sinyal AC, sumber potensial
VCC dapat dipandang sebagai ground bagi sinyal
AC. Sinyal AC masuk dan keluar dari rangkaian
penguat melalui kapasitor coupling dan bypass. Secara umum, ada tiga jenis rangkaian penguat transistor, yaitu rangkaian penguat Common-Emitter
(CE), Common-Collector (CC), dan Common-Base
(CB). Pada kali ini kita hanya akan membahas
rangkaian penguat CE yang secara umum ditunjukkan pada Gambar 12.
Gambar 13: Rangkaian setara AC dari Gambar
12 (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog
Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan
David Buchla).
Sinyal AC akan melihat adanya hambatan dalam
dinamis Emitter re0 yang besarnya dapat diaproksimasi dengan persamaan
re0 =
Gambar 12: Rangkaian penguat Common-Emitter
(diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan
David Buchla).
Sesuai namanya, rangkaian penguat ini memiliki referensi untuk sinyal masukan dan keluaran
pada kaki Emitter. Sinyal masukan dan keluaran
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
25 mV
IE
(10)
Dan besarnya penguatan dari rangkaian terse.
but dapat dihitung dengan menggunakan A = VVout
in
Sinyal masukan pada kaki Base Vb besarnya dapat
diaproksimasikan sama dengan besar tegangan di
kaki Emitter Ve . Sedangkan sinyal keluaran dapat
dihitung sama dengan tegangan di kaki Collector
Vc . Perlu diperhatikan juga bahwa pada rangkaian
penguat CE ini penguatan bersifat inverting.
Dengan cara tertentu, garis beban AC dapat dihitung dengan berdasarkan pada garis beban DC
dan Q-point dari rangkaian. Q-point akan menjadi titik temu antara garis beban DC dengan garis
beban AC dan menjadi titik referensi saat rangkaian mendapatkan sinyal input AC yang sama dengan ground, sehingga saat sinyal input berayun ke
arah positif dan negatif, garis beban dari rangkaian
pun akan berayun. Agar rangkaian penguat dapat
bekerja seoptimal mungkin maka sebisa mungkin
Q-point harus berada di tengah garis beban agar
clipping sinyal bisa ditekan seminimal mungkin.
Modul 05: Transistor
halaman 6
(tertulis di terminal keluaran dari SG), hitung
garis beban AC dari rangkaian.
4. Hitung maksimal sinyal masukan dari rangkaian sebelum keluarannya terpotong (clipping).
5. Lalu uji rangkaian tersebut dengan memberikan sinyal masukan dengan frekuensi dan
amplitudo yang berbeda-beda.
6. Hitung penguatannya dan bandingkan dengan
penguatan teoritis.
Referensi
Gambar 14: Garis beban AC (diambil dari buku
”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition”
oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla).
2
Percobaan
Perhatikan Gambar 15.
Gambar 15: Rangkaian uji penguat CE (diambil
dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd
edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla).
Kerjakan:
1. Buat garis beban DC dari rangkaian.
2. Cari kombinasi dari R1 dan R2 yang dapat sebisa mungkin memberikan Q-point berada di
tengah-tengah garis beban DC.
3. Dengan menggunakan nilai Rs sesuai dengan
nilai hambatan internal dari Signal Generator
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
[1] Thomas L. Floyd dan David Buchla. Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition. 2001.
Prentice Hall.