Transistor Amplifier Basics

1
Transistor Amplifier Basics

• It is critical to understand the notation used
  for voltages and currents in the following
  discussion of transistor amplifiers.
• This is therefore dealt with explicitly up
  front.
• As with dynamic resistance in diodes we will be
  dealing with a.c. signals superimposed on d.c.
  bias levels.

2
Transistor Amplifier Basics

• We will use a capital (upper case) letter for a
  d.c. quantity (e.g. I, V).
• We will use a lower case letter for a time
  varying (a.c.) quantity (e.g. i, v)

3
Transistor Amplifier Basics

• These primary quantities will also need a
  subscript identifier (e.g. is it the base current
  or the collector current?).
• For d.c. levels this subscript will be in upper
  case.
• We will use a lower case subscript for the a.c.
  signal bit (e.g. ib).
• And an upper case subscript for the total time
  varying signal (i.e. the a.c. signal bit plus the
  d.c. bias) (e.g. iB).This will be less common.

4
Transistor Amplifier Basics
ib

IB

iB
5
Transistor Amplifier Basics

• It is convention to refer all transistor voltages
  to the common terminal.
• Thus in the CE configuration we would write VCE
  for a d.c. collector emitter voltage and VBE for
  a d.c. base emitter voltage.

6
Common Emitter Characteristics

• For the present we consider DC behaviour and
  assume that we are working in the normal linear
  amplifier regime with the BE junction forward
  biased and the CB junction reverse biased
•  

7
Common Emitter Characteristics

• Treating the transistor as a current node
•  
• Also

8
Common Emitter Characteristics

• Hence
• which after some rearrangement gives  

9
Common Emitter Characteristics

• Define a common emitter current-transfer ratio ?
• Such that

10
Common Emitter Characteristics

• Since reverse saturation current is negligible
  the second term on the right hand side of this
  equation can usually be neglected (even though
  (1- a) is small)
• Thus

11
Common Emitter Characteristics

• We note, in passing that, if ß can be regarded as
  a constant for a given transistor then
• For a practical (non-ideal) transistor this is
  only true at a particular bias (operating) point.

12
Common Emitter Characteristics

• A small change in a causes a much bigger change
  in ß which means that ß can vary significantly,
  even from transistor to transistor of the same
  type.
• We must try and allow for these variations in
  circuit design.

13
Common Emitter Characteristics

• For example
• a 0.98, ß 49
• a 0.99, ß 99
• a 0.995, ß 199

14
Common Emitter Characteristics

• ? is also known as hFE and may appear on data
  sheets and in some textbooks as such.
• For a given transistor type data sheets may
  specify a range of ? values

15
Common Emitter Characteristics

• The behaviour of the transistor can be
  represented by current-voltage (I-V) curves
  (called the characteristic curves of the device).
• As noted previously in the common emitter (CE)
  configuration the input is between the base and
  the emitter and the output is between the
  collector and the emitter.

16
Common Emitter Characteristics

• We can therefore draw an input characteristic
  (plotting base current IB against base-emitter
  voltage VBE) and
• an output characteristic (plotting collector
  current Ic against collector-emitter voltage VCE)

17
Common Emitter Characteristics

• We will be using these characteristic curves
  extensively to understand
• How the transistor operates as a linear
  amplifier for a.c. signals.
• The need to superimpose the a.c. signals on d.c.
  bias levels.
• The relationship between the transistor and the
  circuit in which it is placed.

18
Common Emitter Characteristics

• Once these basics are understood we will
  understand
• Why we can replace the transistor by a small
  signal (a.c.) equivalent circuit.
• How to derive a simple a.c. equivalent circuit
  from the characteristic curves.
• Some of the limitations of our simple equivalent
  circuit.

19
IDEAL CE INPUT (Base) Characteristics
20
IDEAL CE INPUT Characteristics

• The plot is essentially that of a forward biased
  diode.
• We can thus assume VBE ? 0.6 V when designing our
  d.c. bias circuits.
• We can also assume everything we know about
  incremental diode resistance when deriving our
  a.c. equivalent circuit.
• In the non-ideal case IB will vary slightly
  with VCE. This need not concern us.

21
IDEAL CE OUTPUT (Collector) Characteristics
22
IDEAL CE OUTPUT (Collector) Characteristics
Avoid this saturation region where we try to
forward bias both junctions
23
IDEAL CE OUTPUT
Avoid this cut-off region where we try to reverse
bias both junctions (IC approximately 0)
24
IDEAL CE OUTPUT (Collector) Characteristics

• The plots are all parallel to the VCE axis (i.e.
  IC does not depend on VCE)
• The curves strictly obey IC ßIB
• In particular IC 0 when IB 0.
• We shall work with the ideal characteristic and
  later on base our a.c. equivalent circuit model
  upon it.

25
ACTUAL CE OUTPUT Characteristics
26
ACTUAL CE OUPUT Characteristics

• Salient features are
• The finite slope of the plots (IC depends on VCE)
• A limit on the power that can be dissipated.
• The curves are not equally spaced (i.e ß varies
  with base current, IB).

27
ACTUAL CE OUPUT Characteristics

• You will get to measure these curves in the lab.
• There is also a PSPICE sheet DC sweep analysis
  and transistor characteristics to help aid you
  understanding.

28
Bipolar Junction Transistor (BJT)
29

• Stuktur divais dan cara kerja fisik
• Struktur yang Disederhanakan dan Mode Operasi

Gambar 1. Struktur sederhana transistor npn
Gambar 2. Struktur sederhana transistor pnp
30
Mode kerja BJT
Mode EBJ CBJ
Cutoff Reverse Reverse
Active Forward Reverse
Reverse Active Reverse Forward
Saturation Forward Forward
31
Gambar 3 Model rangkaian pengganti sinyal besar
untuk BJT npn yang bekerja pada mode forward
active.
32

• Karakteristik Arus Tegangan

Gambar 4 Simbol rangkaian BJT
33

• Karakteristik Arus Tegangan

Gambar 5 Polaritas tegangan dan aliran arus
dalam transistor yang di bias dalam mode aktif
34
Ringkasan hubungan arus tegangan dari BJT pada
mode aktif
Catatan untuk transistor pnp, gantilah vBE
dengan vEB
VT tegangan termal kT/q 25 mV pada suhu
kamar
35
Contoh soal 1
Gambar 6 Rangkaian untuk contoh soal
1 Transistor pada gambar (6.a) mempunyai ß 100
dan vBE 0,7 V pada iC 1mA. Rancanglah
rangkaian sehingga arus 2 mA mengalir melalui
collector dan tegangan pada collector 5 V
36
Jawab VC 5 V ? CBJ reverse bias ? BJT pada
mode aktif VC 5 V ? VRC 15 5 10 V IC 2
mA ? RC 5 kO vBE 0,7 V pada iC 1 mA ?
harga vBE pada iC 2 mA
VB 0 V ? VE -0,717 V ß 100 ? a 100/101
0,99
Harga RE diperoleh dari
37
Tampilan Grafis dari Karakteristik Transistor
Gambar 7 Karakteristik iC vBE dari sebuah
transistor npn
38
Karakteristik iC vBE identik dengan
karakteristik i v pada dioda. Karakteristik iE
vBE dan iB vBE juga exponensial dengan IS
yang berbeda IS/a untuk iE dan IS/ß untuk
iB. Karena konstanta dari karakteristik
ekponensial, 1/VT, cukup tinggi ( 40), kurva
meningkat sangat tajam. Untuk vBE lt 0,5 V, arus
sangat kecil dan dapat diabaikan. Untuk harga
arus normal, vBE berkisar antara 0,6 V 0,8 V.
Untuk perhitungan awal, vBE 0,7 V. Untuk
transistor pnp, karakteristik iC- vBE tampak
identik, hanya vBE diganti dengan vEB.
39
Gambar 8 Model rangkaian pengganti sinyal besar
dari BJT npn yang bekerja di daerah aktif dalam
konfigurasi common-emitter.
40
Karakteristik Common-Emitter
Gambar 9 Karakteristik common-emitter
41
Penguatan arus common-emitter ß. ß didefinisikan
sebagai perbandingan antara total arus pada
collector dan total arus pada base. ß mempunyai
harga yang konstan untuk sebuah transistor, tidak
tergantung dari kondisi kerja. Pada gambar 9,
sebuah transistor bekerja pada daerah aktif di
titik Q yang mempunyai arus collector ICQ, arus
base IBQ dan tegangan collector emitter VCEQ.
Perbandingan arus collector dan arus base adalah
ß sinyal besar atau dc.
ßdc juga dikenal sebagai hFE.
42
Pada gambar 9 terlihat, dengan tegangan vCE tetap
perubahan iB dari IBQ menjadi (IBQ ?iB)
menghasilkan kenaikan pada iC dari ICQ menjadi
(ICQ ?iC)
ßac disebut ß incremental. ßac dan ßdc
biasanya berbeda kira-kira 10 20. ßac disebut
juga ß sinyal kecil yang dikenal juga dengan
hfe. ß sinyal kecil didefinisikan dan diukur pada
vCE konstan, artinya tidak ada komponen sinyal
antara collector dan emitter, sehingga dikenal
juga sebagai penguatan arus hubung singkat
common-emitter
43

• BJT sebagai Penguat dan sebagai Saklar
• Pemakaian BJT
• sebagai penguat
• BJT bekerja pada mode aktif.
• BJT berperan sebagai sebuah sumber arus yang
  dikendalikan oleh tegangan (VCCS).
• Perubahan pada tegangan base-emitter,vBE, akan
  menyebabkan perubahan pada arus collector, iC.
• BJT dipakai untuk membuat sebuah penguatan
  transkonduktansi.
• Penguatan tegangan dapat diperoleh dengan
  melalukan arus collector ke sebuah resistansi,
  RC.
• Agar penguat menjadi penguat linier, transistor
  harus diberi bias, dan sinyal akan ditumpangkan
  pada tegangan bias dan sinyal yang akan diperkuat
  harus dijaga tetap kecil
• sebagai saklar
• BJT bekerja pada mode cutoff dan mode jenuh

44
Cara kerja sinyal besar Karakteristik Transfer
Gambar 10. (a) Rangkaian dasar penguat common
emitter (b) Karakteristik transfer dari rangkaian
(a)
45

• Rangkaian dasar penguat common-emitter terlihat
  pada gambar 10.
• Tegangan masukan total vI (bias sinyal)
  dipasang di antara base dan emitter (ground)
• Tegangan keluaran total vO (bias sinyal)
  diambil di antara collector dan emitter (ground)
• Resistor RC mempunyai 2 fungsi
• Untuk menentukan bias yang diinginkan pada
  collector
• Mengubah arus collector, iC, menjadi tegangan
  keluaran vOC atau vO
• Tegangan catu VCC diperlukan untuk memberi bias
  pada BJT dan untuk mencatu daya yang diperlukan
  untuk kerja penguat.
• Karakteristik transfer tegangan dari rangkaian
  CE terlihat pada gambar 10(b).
• vO vCE VCC RCiC

46

• vI vBE lt 0,5 V ? transistor cutoff.
• 0 lt vI lt 0,5 V, iC kecil sekali, dan vO akan
  sama dengan tegangan catu VCC (segmen XY pada
  kurva)
• vI gt 0,5 V ? transistor mulai aktif, iC naik, vO
  turun.
• Nilai awal vO tinggi, BJT bekerja pada mode aktif
  yang menyebabkan penurunan yang tajam pada kurva
  karakteristik transfer tegangan (segmen YZ), Pada
  segmen ini

47
Mode aktif berakhir ketika vO vCE turun sampai
0,4 V di bawah tegangan base (vBE atau vI) ? CBJ
on dan transistor memasuki mode jenuh (lihat
titik Z pada kurva). Pada daerah jenuh kenaikan
vBE menyebabkan vCE turun sedikit saja. vCE
VCEsat berkisar antara 0,1 0,2 V. ICsat juga
konstan pada harga
Pada daerah jenuh, BJT menunjukkan resistansi
yang rendah, RCEsat antara collector dan emitter.
Jadi ada jalur yang mempunyai resistansi rendah
antara collector dan ground, sehingga dapat
dianggap sebagai saklar tertutup. Sedangkan
ketika BJT dalam keadaan cut off, arus sangat
kecil (idealnya nol), jadi beraksi seperti saklar
terbuka, memutus hubungan antara collector dan
ground. Jadi keadaan saklar ditentukan oleh harga
tegangan kendali vBE.
48
Penguatan Penguat. Agar BJT bekerja sebagai
penguat, maka harus diberi bias pada daerah aktif
yang ditentukan oleh tegangan dc base emitter
VBE dan tegangan dc collector emitter VCE. Arus
collector IC pada keadaan ini
Jika sinyal vi akan diperkuat, sinyal ini
ditumpangkan pada VBE dan harus dijaga kecil
(lihat gambar 10(b)) agar tetap pada segmen yang
linier dari kurva transfer di sekitar titik bias
Q. Koefiesin arah dari segmen linier ini sama
dengan penguatan tegangan dari penguat untuk
sinyal kecil di sekitar titik Q.
49
Penguatan sinyal kecil Av

• Perhatikan
• penguat CE inverting, artinya sinyal keluaran
  berbeda 180 dengan sinyal masukan.
• peguatan tegangan dari penguat CE adalah
  perbandingan antara penurunan tegangan pada RC
  dengan tegangan termal VT.
• untuk memaksimumkan penguatan tegangan,
  penurunan tegangan pada RC harus sebesar mungkin,
  artinya untuk harga VCC tertentu penguatan harus
  bekerja pada VCE yang lebih rendah.

50

• Contoh soal 2
• Sebuah rangkaian CE menggunakan sebuah BJT yang
  mempunyai IS 10-15 A, sebuah resistansi
  collector RC 6,8 kO dan catu daya VCC 10 V.
• Tentukan harga tegangan bias VBE yang diperlukan
  untuk mengoperasikan transistor pada VCE 3,2 V.
  Berapakah harga IC nya?
• Carilah penguatan tegangan Av pada titik bias.
  Jika sebuah sinyal masukan sinusoida dengan
  amplitudo 5 mV ditumpangkan pada VBE, carilah
  amplitudo sinyal keluaran sinusoida.
• Carilah kenaikan positif vBE (di atas VBE) yang
  mendorong transistor ke daerah jenuh, dimana vCE
  0,3 V.
• Carilah kenaikan negatif vBE yang mendorong
  transistor ke daerah 1 cut off (vO 0,99 VCC)

51
Analisis Grafis
Gambar 11 Rangkaian yang akan dianalisa secara
grafis
52
Perhatikan gambar 11 yang mirip dengan rangkaian
terdahulu hanya ada tambahan resitansi pada base,
RB.
Gambar 12. Konstruksi grafis untuk menentukan
arus dc base pada rangkaian di gambar 11

• Analisis grafis dilakukan sebagai berikut
• Tentukan titik bias dc set vi 0 dan gunakan
  cara seperti pada gambar 12 untuk menentukan arus
  dc pada base IB.
• Gunakan karakteristik iCvCE seperti yang
  terlihat pada gambar 13. Titik kerja akan
  terletak pada kurva iCvCE yang mempunyai arus
  base yang diperoleh (iB IB)

53
Gambar 13. Konstruksi grafis untuk menentukan
arus dc collector IC dan tegangan
collectoremitter VCE pada rangkaian pada gambar
11
vCE VCC iCRC
Hubungan di atas adalah hubungan linier yang
digambarkan dengan sebuah garis lurus seperti
pada gambar 12. Garis ini dikenal dengan garis
beban.
54
Gambar 14 (a). Penentuan grafis komponen sinyal
vbe dan ib ketika komponen sinyal vi ditumpangkan
pada tegangan dc VBB.
55
Gambar 14 (b). Penentuan grafis komponen sinyal
vce dan ic ketika komponen sinyal vi ditumpangkan
pada tegangan dc VBB.
56
Cara kerja sebagai saklar. BJT bekerja sebagai
saklar gunakan mode cut off dan mode jenuh.
Gambar 16 Rangkaian sederhana yang digunakan
untuk menunjukkan mode operasi yang berbeda dari
BJT.
57
Harga masukan vI bervariasi. vI lt 0,5 V ? iB
0, iC 0 dan vC VCC ? simpul C terputus dari
ground ? saklar dalam keadaan terbuka. vI gt 0,5 V
? transistor on. Pada kenyataannya agar arus
mengalir, vBE harus sama dengan 0,7 V, dan vI
harus lebih tinggi Arus base akan menjadi
Dan arus collector menjadi iC ßiB
58
Persamaan ini hanya berlaku untuk daerah aktif
artinya CBJ tidak forward bias atau vC gt vB 0,4
V. vC VCC RCiC Jika vI naik, iB akan
naik, dan iC akan naik juga, Akibatnya vCE akan
turun. Jika vCE turun sampai vB 0,4V, transistor
akan meninggalkan daerah aktif dan memasuki
daerah jenuh. Titik edge-of-saturation (EOS)
ini didefinisikan
Dengan asumsi VBE 0,7 V dan
59
Harga vI yang diperlukan untuk mendorong
transistor ke EOS dapat ditentukan dengan
persamaan VI(EOS) IB(EOS)RB VBE Menaikkan
vI gt VI(EOS) ? menaikkan arus base yang akan
mendorong transistor ke daerah jenuh yang semakin
dalam. VCE akan sedikit menurun. Asumsikan untuk
transistor dalam keadaan jenuh, VCEsat 0,2 V.
Arus collector akan tetap konstan pada ICsat
60
Memaksakan lebih banyak arus pada base mempunyai
pengaruh yang kecil pada ICEsat dan VCEsat. Pada
keadaan ini saklar tertutup dengan resistansi
RCEsat yang rendah dan tegangan offset VCEsat
yang rendah. Pada keadaan jenuh, transistor
dapat dipaksa bekerja pada harga ß yang
diinginkan.yang lebih rendah harga normal.
Perbandingan antara IB dan IB(EOS) disebut faktor
overdrive
61
Contoh soal 3
Transistor pada gambar 17 mempunyai ß berkisar
antara 50 150. Carilah harga RB yang
menyebabkan transistor pada keadaan jenuh dengan
faktor overdrive lebih besar dari 10.
Gambar 17
Jawab Transistor dalam keadaan jenuh, tegangan
collector VC VCEsat 0,2 V Arus collector
62
Untuk membuat transistor jenuh dengan ß yang
paling rendah, diperlukan arus base paling
sedikit
Untuk faktor overdrive 10, arus base
harus IB 10 x 0,196 1,96 mA Jadi RB yang
diperlukan
63
Contoh soal 4 Tentukan harga tegangan pada
semua simpul dan arus pada semua cabang.
Asumsikan ß 100
Gambar 18
64
Gambar 18