Struktur Fisik Bipolar Junction Transistor (BJT) npn

Base p Emitter

n

Collector n E

B

C

Base n Emitter

p

Collector p E

B

C

Struktur Fisik

Bipolar Junction Transistor

(BJT)

npn

pnp

Mode Operasi BJT

Mode Junction E-B Junction C-B

cut-off reverse reverse

active forward reverse

saturation forward forward

EBJ CBJ

p

n n

E

B

C

hole injeksi

elektron injeksi elektron difusi elektron koleksi

VBE VCB

vBE vCB

+

-+

- - +

+

- +

-iE

iE

iE iC iC

iC

iB

forward bias reverse bias

rekombinasi elektron

Aliran Arus pada BJT npn

n p

n

E B C

konsentrasi hole

konsentrasi elektron np (ideal)

np

(+rekombinasi)

lebar base efektif Emitter

Konsentrasi carrier

jarak pn0

pn(0) np(0)

arus kolektor _{iC = IS exp (vBE/VT)}

arus basis

iB = IS / β exp (vBE/VT) iB = iC / β

arus emitor

DE

Model Rangkaian Pengganti (Sinyal Besar)

model T (letak simpul bersama di basis)

model π (letak simpul bersama di emitor)

besaran kontrol berupa tegangan (vBE) atau arus (iB)

n

p p

E

B

C

elektron injeksi

hole injeksi hole difusi hole koleksi

VBE VCB

vBE vCB

+

forward bias reverse bias

C

B

E

C

B

E

npn

pnp

Simbol BJT

Polaritas tegangan dan arah arus

VEB

VBC B

E

C IB

IE

IC VCB

VBE B

C

E IB

IC

0 iC

vBE(V) 0.7

0.5

Representasi Grafis Karakteristik BJT

iC

iE vCB

1 α 2 α 3 α 4 α

iC

vCB (V) iE = 4 mA

3 mA

2 mA

1 mA

0 2 4 6 8 10 12

0 iC

vBE(V) I

T1 T2 T3 T4

T1 > T2 > T3 > T4

Efek temeperatur kurva iC - vBE

vBE naik dengan suhu sebesar -2 mV / oC iC = IS exp (vBE/VT)

daerah saturasi

daerah aktif

0

-VA vCE

vBE = ... vBE = ... vBE = ... vBE = ... iC

+

-vBE

+

-vCE iC

Tegangan Early

iC = IS exp (vBE/VT) (1 + vCE/VA) penyebab:

perubahan lebar efektif basis akibat penambahan daerah deplesi kolektor-basis dengan peningkatan tegangan vCE

Perubahan dianggap linier

ro ≡ ∂ iC

∂ _vCE

-1

iC

+

-vBE iB

vbe

VBE iE

VCC +

-vCE

IC

+

-vBE IB

VBE

IE

VCC +

-VCE

Transistor sebagai Penguat

Titik Kerja (Keadaan DC)

(a) rangkaian dengan sinyal lengkap (b) rangkaian DC dari (a) IC = IS exp (VBE/VT)

IE = IC / α

IB = IC / β

VC = VCE = VCC - IC RC

iC = IS exp (vBE/VT) = IS exp ((VBE + vbe)/VT)

iC = IS exp (VBE/VT) exp (vbe/VT) = IC exp (vbe/VT)

Persamaan Arus Kolektor

bila _{vbe << VT}, maka _iC ≈ _{IC (1 + vbe/VT) = IC + ic} iC = IC exp (vbe/VT)

arus kolektor

aproksimasi sinyal kecil _{ic = (IC/VT) vbe} ic = gm vbe

gm = (IC/VT) atau

dimana

vbe

iC

IC

VBE Q

iC

slope = gm

waktu

waktu

Model Sinyal Kecil dan Transkonduktansi

vBE = VBE + vbe 1

2

3

1 2

3 1

2

iB = iC / β = (IC + ic )/ β arus basis

ib = vbe / rπ

rπ ₌ β/_gm atau

dimana

Arus dan Resistansi Input Basis

iB = IC / β + (1/β) (IC/VT) vbe

iB = IB + ib juga

ib = (1/β) (IC/VT) vbe = (gm/β) vbe sehingga

rπ _{= VT/IB}

Arus dan Resistansi Input Emitor

iE = iC / α = (IC + ic )/ α = IE + ie arus emitor

ie = ic / α = gm vbe / α = (IC / αVT) vbe = (IE/VT) vbe dimana

ie = vbe / re

atau

dimana _{re = VT / IE}

Hubungan Resistansi Input Basis dan Emitor

vbe = rπ ib = re ie

sehingga _rπ _{= ie re / ib}

rπ _{= (} β _{+ 1) re}

Penguatan Tegangan

tegangan sinyal kecil pada basis

vC = VCC - iC RC tegangan sinyal kecil pada kolektor

= VCC - (IC + ic) RC

= (VCC - IC RC) - ic RC

vC = VC - ic RC

vc = - ic RC = - gm vbe RC sehingga

= ( - gm RC) vbe

penguatan tegangan

iC

Rangkaian sinyal lengkap Rangkaian sinyal kecil

B C

Model Hybrid-

π

gm = IC / VT re = α / gm C

E ic

ie re

+

-vbe

gm vbe

B ib

ie

C

E ic

ie

re +

-vbe B

ib

Model T

ib = vbe / re - gm vbe = vbe / re (1 − gm re)

= vbe / re (1 − α) = vbe / re (1 − β/(β+1))

ib = vbe / (re (β+1)) = vbe / rπ

r_{ο = VA / IC}

B C

E rπ

+

-v _{gm v} rο

B C

E

ib

rπ _ib rο

Penambahan Efek Early pada Model Hybrid-

π

+

VCE VCC vCE

slope= -1/RC garis beban

iB = ...

iB = ...

iB = ...

iB = ...

vCE = VCC - iC RC

Karakteristik Transfer Input

Karakteristik Transfer Output

iC = (VCC - vCE) / RC garis beban

iB = (VBB - vBE) / RB garis beban

iB

IB

VBE VBB

vBE slope= -1/RB

garis beban

VBB/RB

0

Kurva Transfer Karakteristik Input

vbe

ib

IB

VBE Q

iB

slope = -(1/RB)

waktu,t

VBB

vbb daerah dengan kurva

dioda yang hampir liner

vBE iB2

iB1

0

waktu,t

Kurva Transfer Karakteristik Ouput

iC

IC

VCC vCE

slope= -1/RC

vce VCE

ic

iC2

iC1

iB = iB2

iB2 IB

0

waktu, t

RE RC

R2 R1

VCC

RC

RE RB=R1//R2

IB IC

IE VBB = VCC R2 / (R1+R2)

VCC

L

Rangkaian nyata

Rangkaian untuk/hasil analisis dengan rangkaian basis diubah ke struktur thevenin

VBB = IB RB + VBE + IB(β+1) RE

IB = (VBB-VBE)/(RB + RE(β+1) )

Untuk menurunkan sensitivitas IE terhadap temperatur

VBB >> VBE dan RE >> RB / (β+1) IE = (VBB-VBE)/(RE+RB /(β+1) )

Rule of thumb:

VBB = (1/3) VCC

RC

Rangkaian Bias Lain

RC

(b) dengan resistor kolektor-basis

+VCC

RB

RC

IE

(a) dengan sumber arus

analisis rangkaian (b)

IE = (VEE-VBE)/(RE + RB/(β+1) )

Untuk menurunkan sensitivitas IE terhadap β

Rangkaian Dasar Penguat Satu Tingkat BJT

+VCC

RB

RC

RE

-VEE C1

C2

C3 B

C

E X

Y Z

Jenis Penguat Node Common Node Input Node Output

(grounded)

Common Emitter Y (emitter) X (base) Z (collector)

Common Base X (base) Y (emitter) Z (collector)

+VCC

Penguat Common Emitter

Ri = RB // rπ

Gm= -gm

Kapasitor C1 dan C2 sebagai kapasitor kopling

Kapasitor C3 sebagai kapasitor bypass

Resistansi input

= RB // rπ

RB >> rπ ≈ rπ bila

Transkonduktasi

Gm ≡ io vi

vo=0

= -gm vπ

vπ = -gm

Ri ≡ vi ii

vo=0

Resistansi Output

Ro ≡ vo io

vi=0

vi=0 _{≈ RC RC << rπ}

bila = RC // rο

Penguatan Tegangan (beban terbuka)

Avo ≡ vo vi

io=0 atau RL=∞

= Gm Ro = -gm (RC // rο)

Avo = -gm ro = -(IC/VT) (VA/IC) = -VA / VT

Analisis Rangkaian Penguat Common Emitter

Penguatan Arus (beban terhubung singkat)

Ais ≡ io ii

vo=0

= Gm vi

vi / Ri = Gm Ri

Ais = -gm (RB // rπ) = - gm rπ RB RB + rπ 1

1 + rπ / _RB = -β

Penguatan Tegangan

Av = = Gm (Ro // RL)_vsvi vo_vi Ri

Ri + Rs

(RB // Rπ)

(RB // Rπ) + Rs

= gm (RC // ro // RL)

RB >> rπ bila

rπ

rπ _{+ Rs} gm (RC // ro // RL)

=

β_{(RC // ro // RL)}

rπ _{+ Rs} Av

Kapasitor C1 dan C2 sebagai kapasitor kopling

Kapasitor C3 sebagai kapasitor bypass

Resistansi input

= RB // Rib Ri ≡ vi

ii

ib = vπ / rπ Rib ≡ vb

ib

vb = vπ + (gm + 1/ rπ) vπ _Re

dengan (gm + 1/ rπ) = re maka

Rib = rπ _{(1 + Re/ re})

vb = (1 + Re/ re) vπ

dengan re

≈

1/gm maka

Rib

≈

rπ _{(1 + gm Re})

Ri = RB // rπ _{(1 + gm Re})

Perhatikan Rib = rπ _{(1 + Re/ re}) = (β + 1) _{re (1 + Re/ re})

Rib = ( _{re + Re)}

Gm ≡ io vi

RL=0

= -gm v_v π

π sebelumnya telah didapat

vb = (1 + Re/ re) vπ

Gm = gm

1 + Re / re dengan re

≈

1/gm maka

Gm

≈

gm

1 + gm Re Perhatikan

Rib naik sebesar (1+gmRe) kali dan Gm turun (1+gmRe) kali.

Resistansi Output

Ro = RC // Roc dengan Roc = vx / ix

vx = (ix - gm vπ) ro + ve

vπ = ix Re rπ rπ _{+ (Rs // RB)}

ve

≈

ix Re

Roc = ro (1 + ) + Regm Re rπ rπ _{+ (Rs // RB)}

untuk Re

<<

_{ro maka}

Roc

≈

ro (1 + )_rπgm Re rπ + (Rs // RB)

sehingga

Ro

=

_{RC // ro (1 + )}gm Re rπ rπ _{+ (Rs // RB)}

Av ≡

vs = vs vs

= Ri

Ri + Rs Gm (Ro // RL)

= (RB // rπ (1+gmRe)

(RB // rπ (1 + gm Re)) + Rs

gm

1 + gm Re(RC // RL)

Perhatikan

1. Penguatan Av menjadi lebih bebas dari nilai β.

Bila RB cukup besar maka

Av

≈

gm rπ

rπ _{(1 + gm Re) + Rs} (RC // RL)

Bila rπ _{(1 + gm Re) >> Rs maka}

Av

≈

gm

1 + gm Re (RC // RL)

atau dalam bentuk lain

re + Re

Av

≈

1 (RC // RL)

2. Penguat lebih tahan distorsi nonlinear pada sinyal besar karena

dengan vπ _{yang sama vi dapat dinaikan dengan faktor 1 + Re/re}

Kapasitor C1 sebagai kapasitor bypass

Resistansi input

Transkonduktasi

Resistansi Output

Ro vo

io

vi=0

Ro ≡ = RC

Penguatan Tegangan (beban terbuka)

Avo ≡ vo Penguatan Arus

= Gm vi

v i / Ri = gm re =

α

Penguatan Tegangan

Av = Ri

Ri + Rs Gm (RC // RL) =

re

Penguat Common Collector

ground sinyal

Kapasitor C3 sebagai kapasitor bypass

Resistansi input

Ri = RB // Rib

Rib = (β + 1) (re + Re) dan Re = RE // ro // RL:

Ri = RB // (β + 1) (re + (RE // ro // RL))

Jika RB cukup besar maka Ri ≈ (β _{+ 1) (re + (RE // ro // RL)})

dan bila RL << (RE // ro) maka Ri ≈ (β _{+ 1) (re + RL}) = rπ + (β + 1) _RL

Penguatan tegangan

Av = vo/vs = vo/vi vi/vs

vi/vs = Ri

Ri + Rs dengan Ri besar maka vi/vs ≈ 1

vo/vi = (RE // ro // RL) re + (RE // ro // RL)

Av = Ri Ri + Rs

(RE // ro // RL) re + (RE // ro // RL)

≈ (β +1) RL

Ai ≡ io/ii = vo/RL

Ro= vx/ix Rib

Resistansi Output

Ro ≡ vx / ix = Rie // RE // ro Rie ≡ vx / i i = −(β _{+1) ib}

Transistor sebagai Switch

iB RB

RC

iC VCC

vC

vI

Daerah Cutoff

iB = 0 iE = 0 iC = 0 vC = VCC

Daerah Aktif

iB = (vI - VBE) / RB ≈ (vI - 0.7) / RB

iC = β iB vC = VCC - RC iC

Daerah Saturasi

iB RB

RC

iCsat VCC

vCEsat vI

+

-+

-VBE

iCsat = (VCC - VCEsat) / RC

IBsat = iCsat) / β

Transistor sebagai Switch

Inverter Transistor

cut0ff

aktif saturasi

vI(V) vC(V)

VCEsat _≈ 0.3 VCC

0.5 _vI

untuk IB maks

titik bias sebagai penguat

Model Transistor dalam keadaan saturasi

B C

E

VCEsat _≈ 0.3 VBE _≈ 0.7

E

B C

VECsat _≈ 0.3 VEB _≈ 0.7

npn C pnp

B

E

Karaktersistik Common-Base

saturasi aktif

0 0.4 - 0.5

BVCB0 vCB iC

iE = IE1 iE = IE2

iE = 0

+

-v_π r_π

r_µ

gmv_π

r_ο

B C

Karaktersistik Common-Emitter

BVCE0 vCE 0

iC

ICQ

Q ∆iC

sat aktif iB = IB1

iB = IB2

iB = IBQ+∆iB iB = IBQ

iB = 0 VCEQ

IB

iB

iC

vCE

vCE 0

iC

sat aktif

kenaikan β tinggi

kenaikan β rendah

0.1 0.2 0.6 0.8

vCE iC

slope =1/RCEsat

VCE0ff 0

vCE 0

iC

slope = RCEsat

garis beban Q

VCEsat

100 200 300 400

1 10 102 103 104 105

IC (µA) T = 125oC

T = 25oC