ELEKTRONIKA ANALOG. Bab 2 BIAS DC FET Pertemuan 5 Pertemuan 7. Oleh : ALFITH, S.Pd, M.Pd

ELEKTRONIKA ANALOG

Bab 2

BIAS DC FET

Oleh : ALFITH, S.Pd, M.Pd

Pemberian bias pada rangkaian BJT

Masalah pemberian bias berkaitan dengan:

• penentuan arus dc pada collector yang harus

dapat dihitung, diprediksi dan tidak sensitif

terhadap perubahan suhu dan variasi harga β

yang cukup besar.

• penentuan lokasi titik kerja dc pada bidang i

_C

– v

_CE

yang memungkinkan simpangan sinyal

tetap linier

.

Gambar

19. Pemberian bias pada BJT

(a) Menetapkan harga V

_BE

yang tetap

(b) Menetapkan harga I

_B

yang tetap

Cara

klasik pengaturan bias untuk rangkaian diskrit

Gambar 20(a). Cara klasik pemberian bias untuk BJT menggunakan sebuah catu daya.



1



2 1 2 1 2 1 2          B E BE BB E B CC BB R R V V I R R R R R V R R R V

Untuk membuat I

_E

tidak sensitif terhadap suhu dan

variasi β, rangkaian harus memenuhi dua syarat

berikut:

1     B E BE BB R R V V

Untuk memenuhi persyaratan di atas.

•

Sebagai ‘rule of thumb’, V

_BB

≈ ⅓ V

_CC

, V

_CB

(atau V

_CE

) ≈

⅓ V

_CC

dan I

_C

R

_C

≈ ⅓ V

_CC

•

Pilih R

₁

dan R

₂

sehingga arus yang melaluinya berkisar

antara 0,1I

_E

– I

_E

.

Pada rangkaian pada gambar 20, R

_E

memberikan

umpan balik negatif sehingga dapat men-stabil-kan arus

dc emitter.

Jika I

_E

↑ → V

_RE

dan V

_E

↑. Jika tegangan pada base

hanya ditentukan oleh pembagi tegangan R

₁

, R

₂

, yaitu

bila R

kecil, maka tegangan ini akan tetap konstan,

Contoh soal 1:

Rancanglah rangkaian pada gambar 20 sehingga I_E = 1 mA dengan catu daya V_CC = +12V. Transistor mempunyai harga nominal β = 100.

Jawab:

Ikuti ‘rule of thumb’:

⅓ tegangan catu daya dialokasikan untuk tegangan pada R₂, ⅓ lainnya untuk tegangan pada R_C dan sisanya untuk simpangan sinyal pada collector.

V_B = +4 V (diperoleh dari 1/3 Vcc) V_E = 4 – V_BE ≈ 3,3 V     3,3k 1 3 , 3 E E E I V R

Pilih arus pada pembagi tegangan = 0,1I_E = 0,1 x 1 = 0,1 mA

Abaikan arus base, jadi V 4 k 120 1 , 0 12 2 1 2 2 1       CC V R R R R R Jadi R₂ = 40 kΩ dan R₁ = 80 kΩ

Pada tahap ini, dapat dihitung I_E yang lebih akurat dengan memperhatikan arus base yang tidak nol.



 

0,93 mA 101 40 // 80 ) ( 3 , 3 7 , 0 4       k k I_E

Ternyata lebih kecil dari harga yang diinginkan. Untuk

Disain 2:

jika diinginkan untuk menarik arus yang lebih tinggi dari catu daya dan resistansi masukan penguat yang lebih kecil, kita dapat

menggunakan arus pada pembagi tegangan sama dengan I_E (yaitu

1 mA), maka R₁ = 8 kΩ dan R₂ = 4 kΩ

mA 1 99 , 0 027 , 0 3 , 3 7 , 0 4      E I

Pada disain ini harga R_E tidak perlu diganti, Jika Vc=1/3 (Vcc), maka Rc            k 4 1 8 12 mA 1 mA 99 , 0 1 99 , 0 12 C E C C C C R I I I V R 

Cara klasik pengaturan bias dengan menggunakan dua catu daya



_ 1



    B E BE EE E _{R R} V V I

Persamaan ini sama dengan persamaan sebelumnya hanya V_EE menggantikan V_BB. Jadi kedua kendala tetap berlaku.

Jika base dihubungkan dengan ground (konfigurasi common-base), maka R_B dihilangkan sama sekali.

Sebaliknya, jika sinyal masukan dihubungkan pada base, maka R_B tetap diperlukan.

Pemberian bias dengan menggunakan resistor umpan balik collector-ke-base.

Gambar 22(a) menunjukkan sebuah rancangan pemberian bias yang sederhana tapi efektif yang cocok untuk penguat common-emitter.

Resistor R_B berperan sebagai umpan balik negatif, yang membantu kestabilan titik bias dari BJT



1



1              B C BE CC E BE B E C E BE B B C E CC R R V V I V R I R I V R I R I V

Gambar 22 Penguat common-emitter yang diberi bias dengan resistor umpan balik R_B.

Untuk mendapatkan I_E yang tidak sensitif terhadap variasi β, R_B/ (β+1) << R_C. Harga R_B menentukan simpangan sinyal yang

terdapat pada collector, karena

1









B E B B CB

R

I

R

I

V

Pemberian bias dengan menggunakan sumber arus

Gambar 23

Rangkaian ini mempunyai keunggulan:

• yaitu arus emitter tidak tergantung dari harga β dan R_B → R_B dapat dibuat besar → resistansi masukan pada base meningkat tanpa mengganggu kestabilan bias.

• menyederhanakan rangkaian.

Implementasi sederhana dari sumber arus konstan I, terlihat pada gambar 23(b). Rangkaian menggunakan sepasang transistor yang ‘matched’ Q₁ dan Q₂, dengan Q₁ dihubungkan sebagai dioda

dengan menghubung – singkat collector dan base nya.

Jika diasumsikan Q₁ dan Q₂ mempunyai harga β yang tinggi, arus

base dapat diabaikan. Jadi arus melalui Q₁ hampir sama dengan I_REF.





R V V V I CC EE BE REF    

Karena Q

₁

dan Q

₂

mempunyai V

_BE

yang sama, arus

collectornya akan sama

R V V V I I CC EE BE REF    

Dengan mengabaikan efek Early pada Q

₂

, arus collector

akan tetap konstan selama Q

₂

tetap pada daerah aktif.

Hal ini akan tetap terjaga jika tegangan collector lebih

tinggi dari tegangan base (-V

_EE

+ V

_BE

).

Hubungan Q

₁

dan Q

₂

seperti pada gambar 23(b) dikenal

sebagai ‘current mirror’

Cara kerja dan model sinyal kecil

Gambar 24

(a) Rangkaian konseptual untuk menunjukkan cara kerja transistor sebagai penguat

EBJ diberi forward bias oleh sebuah batere V_BE. CBJ diberi reverse bias oleh catu daya DC V_CC melalui resistor R_C. Sinyal yang akan diperkuat, v_be, ditumpangkan pada V_BE.

Langkah pertama keadaan bias DC dengan men-set v_be sama

dengan nol. (Lihat gambar 24(b))

Hubungan antara arus dan tegangan DC:

C C CC CE C C B C E V V S C

R

I

V

V

V

I

I

I

I

e

I

I

BE T

















Arus collector dan transkonduktansi.

Jika sinyal v_be dipasangkan seperti pada gambar 24(a) total tegangan base – emitter v_BE menjadi

v_BE =V_BE + v_be

Dan arus collector menjadi:

      T be T be T BE T be BE T BE V v C C V v V V S V v V S V V S C

e

I

i

e

e

I

e

I

e

I

I











Jika v_be << V_T maka:          T be C C V v I i 1

Persamaan (pendekatan) di atas hanya berlaku untuk v_be lebih kecil dari 10 mV, dan ini dikenal dengan pendekatan sinyal kecil. Maka arus collector total:

c m be m c be T C c be T C C C v i g v g i v V I i v V I I i     

Transkonduktansi BJT sebanding dengan arus bias collector I_C. BJT mempunyai transkonduktansi yang cukup tinggi dibandingkan dengan MOSFET, misal untuk I_C = 1 mA, g_m ≈ 40 mA/V

Interpretasi grafis g_m dapat dilihat pada gambar 25, di mana g_m

sama dengan kemiringan kurva karakteristik i_C – v_BE pada i_C = I_C

(titik bias Q). Jadi

C C I i BE C m v i g    

Pendekatan sinyal kecil → amplitudo sinyal harus dijaga cukup kecil → transistor bekerja pada daerah terbatas pada kurva i_C – v_BE di

Untuk sinyal kecil (v

_be

<< V

_T

), transistor berperan seperti

sebuah sumber arus yang dikendalikan oleh tegangan

(VCCS).

Terminal masukan VCCS antara base dan emitter

Terminal keluaran di antara collector dan emitter.

Transkonduktansi dari VCCS ini: g

_m

Resistansi keluaran tidak terhingga (untuk keadaan

ideal).

Arus base dan resistansi masukan pada base

Untuk menentukan resistansi masukan, pertama hitung total arus base i_B T C m be T C b C B b B B be T C C C B g V I g v V I i I I i I i v V I I i i              1 1

Resistansi masukan sinyal kecil antara base dan emitter, melihat ke arah base, disebut r_π dan didefinisikan sebagai

B T m b be I V r g r i v r       

jadi r_π berbanding lurus dengan β dan berbanding terbalik dengan arus bias I_C.

Arus emitter dan resistansi masukan pada emitter Total arus emitter i_E dapat ditentukan dari

be T E be T C c e C E e E E c C C E v V I v V I i i I I i I i i I i i               

Resistansi masukan sinyal kecil antara base dan emitter, melihat ke arah emitter, disebut r_e atau resistansi emitter dan didefinisikan

m m e E T e e be e

g

g

r

I

V

r

i

v

r

1











Hubungan antara r_π dan r_e dapat diperoleh dengan mengkombinasikan definisinya masing-masing

v_be = i_br_π = i_er_e

Jadi: r_π = (i_e/i_b)r_e r_π = (β+1)r_e

Penguatan tegangan

Untuk mendapatkan tegangan sinyal keluaran, maka kita alirkan arus collector melalui sebuah resistor. Total tegangan collector:

v_C = V_CC – i_CR_C

= V_CC – (I_C + i_c)R_C = (V_CC – I_CR_C) – i_cR_C = V_C – i_cR_C

V_C adalah tegangan bias dc pada collector, dan tegangan sinyal adalah:

v_c = –i_cR_C = –g_mv_beR_C = (–g R )v

Jadi penguatan tegangan dari penguat, A_v adalah C m be c V g R v v A   _

g_m sebanding dengan arus bias collector, jadi

T C C v V R I A  

Memisahkan sinyal dengan harga-harga DC

Arus dan tegangan pada rangkaian penguat terdiri dari dua komponen: komponen dc dan komponen sinyal.

Komponen DC ditentukan dari rangkaian dc pada gambar 24(b), sedangkan cara kerja sinyal BJT dapat diperoleh dengan

Model Hybrid - π

Gambar 27 (a) BJT sebagai VCCS (penguat transkonduktansi)

Pada gambar 27(a), BJT digambarkan sebagai VCCS

yang mempunyai resistansi masukan (melihat ke arah

base) r

_π

, dengan sinyal kendali v

_be

. Hubungan arus dan

tegangan pada rangkaian ini:









e be be be m be be m be e be b be m c r v r v r v r g r v v g r v i r v i v g i                   1 1 1        

Pada gambar 27(b) BJT digambarkan sebagai CCCS,

dengan sinyal kendali i

. Hubungan arus sebagai

Aplikasi rangkaian ekivalen sinyal kecil.

Proses yang sistimatis dalam menganalisa penguat

transistor:

1.

Tentukan titik kerja dc BJT, terutama arus collector

dc I

_C

.

2.

Hitung harga-harga parameter model sinyal kecil: g

_m

= I

_C

/V

_T

, r

_π

=

_β/g

_m

dan r

_e

= V

_T

/I

_E

=

_α/g

_m

.

3.

Hilangkan semua sumber dc dengan mengganti

sumber tegangan dc dengan hubung singkat, dan

sumber arus dc dengan hubung terbuka.

4.

Ganti BJT dengan salah satu model rangkaian

ekivalen.

5.

Analisa rangkaian yang didapat untuk menentukan

penguatan tegangan, resistansi masukan dan

lain-Contoh soal 2:

Analisa penguat transistor pada gambar 28(a) dan

Tentukan titik kerja. Asumsikan v

_i

= 0.

V 1 , 3 3 3 , 2 10 mA 3 , 2 023 , 0 100 mA 023 , 0 100 7 , 0 3                  C C CC C B C BB BE BB B R I V V I I R V V I 

Karena V

_B

(+0,7 V) < V

_C

→ transistor bekerja pada mode

aktif.

Tentukan parameter model sinyal kecil:





           k 09 , 1 92 100 mA/V 92 mV 25 mA 3 , 2 8 , 10 mA 99 , 0 3 , 2 mV 25 m T C m E T e g r V I g I V r  

Model rangkaian ekivalen terlihat pada gambar 28(c).

Perhatikan tidak ada sumber tegangan dc. Terminal

rangkaian yang terhubung ke sebuah sumber tegangan

dc yang konstan selalu dapat dianggap sebagai sinyal

‘ground’.

V/V 04 , 3 04 , 3 3 011 , 0 92 011 , 0 09 , 101 09 , 1                i o v i i C be m o i i BB i be v v A v v R v g v v v R r r v v  