Struktur Fisik Bipolar Junction Transistor (BJT)

Transkripsi

1 Kuliah 2 1 Struktur Fisik ipolar Junction Transistor (JT) npn J J mitter n ase p ollector n Kontak Metal pnp mitter p ase n ollector p Mode Operasi JT Mode Junction Junction cutoff reverse reverse active forward reverse saturation forward forward

2 Kuliah 2 2 Aliran Arus pada JT npn forward bias reverse bias n p n elektron injeksi elektron difusi elektron koleksi i hole injeksi rekombinasi elektron i i v v i i i i V V Struktur Planar JT npn n p n

3 Persamaan Arus pada JT npn Kuliah 2 3 Konsentrasi carrier mitter (n) deplesi J np(0) ase (p) konsentrasi elektron np (ideal) deplesi J Kolektor (n) pn0 konsentrasi hole pn(0) np (rekombinasi) lebar base efektif jarak arus kolektor arus basis i = IS exp (v/vt) i = i / β i = IS / β exp (v/vt) arus emitor i = i i (KL) i = α i i = i (β 1)/β i = IS(β 1)/β exp (v/vt) α = β/(β 1) i = IS/α exp (v/vt) β = α/(1α)

4 Kuliah 2 4 Model Rangkaian Pengganti (Sinyal esar) model T (letak simpul bersama di basis) i i i v IS exp(v/vt) D (IS /α) i i i v α I D (IS /α) model π (letak simpul bersama di emitor) i v D (IS /β) i IS exp(v/vt) i v D (IS /β) i β I i i besaran kontrol berupa tegangan (v) atau arus (i) faktor idealitas (N) pada persamaan arus junction di atas adalah 1 (satu) arus mundur kolektorbasis (io) dianggap nol

5 Kuliah 2 5 forward bias reverse bias p n p hole injeksi hole difusi hole koleksi i elektron injeksi rekombinasi hole i i v v i i i i V V i v i D (IS /α) v IS exp(v/vt) i i D (IS /β) i IS exp(v/vt) i

6 Kuliah 2 6 Simbol JT npn pnp Polaritas tegangan dan arah arus V I V I I I V I V I

7 Kuliah 2 7 Representasi Grafis Karakteristik JT i i T1 T2 T3 T4 I v(v) 0 v(v) T1 > T2 > T3 > T4 kurva i v i = IS exp (v/vt) fek temeperatur kurva i v v naik dengan suhu sebesar 2 mv / o i 4 α i = 4 ma v i 3 α 3 ma 2 α 2 ma i 1 α 1 ma v (V)

8 Kuliah 2 8 Tegangan arly v i v i daerah aktif v =... v =... daerah saturasi v =... v =... VA 0 v penyebab: perubahan lebar efektif basis akibat penambahan daerah deplesi kolektorbasis dengan peningkatan tegangan v Perubahan dianggap linier i = IS exp (v/vt) (1 v/va) ro i v 1 VA/I

9 Kuliah 2 9 Transistor sebagai Penguat i I vbe i v v V V I v V V V i I v = V vbe (a) rangkaian dengan sinyal lengkap (b) rangkaian D dari (a) Titik Kerja (Keadaan D) I = IS exp (V/VT) I = I / α I = I / β V = V = V I R Persamaan Arus Kolektor i = IS exp (v/vt) = IS exp ((V vbe)/vt) i = IS exp (V/VT) exp (vbe/vt) = I exp (vbe/vt)

10 Model Sinyal Kecil dan Transkonduktansi Kuliah 2 10 i slope = gm i 2 2 I Q 1 1 waktu V 3 2 vbe v = V vbe waktu arus kolektor bila vbe << VT, maka aproksimasi sinyal kecil atau dimana i = I exp (vbe/vt) i I (1 vbe/vt) = I ic ic = (I/VT) vbe ic = gm vbe gm = (I/VT)

11 Kuliah 2 11 Arus dan Resistansi Input asis arus basis i = i / β = (I ic )/ β i = I / β (1/β) (I/VT) vbe juga i = I ib sehingga ib = (1/β) (I/VT) vbe = (gm/β) vbe atau ib = vbe / rπ dimana rπ = β/gm atau rπ = VT/I Arus dan Resistansi Input mitor arus emitor i = i / α = (I ic )/ α = I ie dimana ie = ic / α = gm vbe / α = (I / αvt) vbe = (I/VT) vbe ie = vbe / re dimana re = VT / I re = α / gm 1/ gm

12 Hubungan Resistansi Input asis dan mitor Kuliah 2 12 tegangan sinyal kecil pada basis vbe = rπ ib = re ie sehingga rπ = ie re / ib rπ = ( β 1) re Penguatan Tegangan tegangan sinyal kecil pada kolektor v = V i R = V (I ic) R = (V I R) ic R v = V ic R sehingga vc = ic R = gm vbe R = ( gm R) vbe penguatan tegangan vc / vbe = gm R

13 Rangkaian Pengganti Sinyal Kecil Kuliah 2 13 i vbe V i v R v i V vbe ib = vbe/r π vbe R ic = gm vbe vce ie = vbe / re Rangkaian sinyal lengkap Rangkaian sinyal kecil Model Hybridπ ib ic ib ic rπ vbe gm vbe rπ vbe ib gm = I / VT ie rπ = β / gm ie ie = vbe / rπ gm vbe = vbe / rπ (1 gm rπ) = vbe / rπ (1 β) ie = vbe / re gm vbe = gm rπ ib = β ib

14 Kuliah 2 14 Model T ic ic ib gm vbe ib ie vbe re vbe re ie gm = I / VT ie re = α / gm ib = vbe / re gm vbe = vbe / re (1 gm re) = vbe / re (1 α) = vbe / re (1 β/(β1)) ib = vbe / (re (β1)) = vbe / rπ gm vbe = gm re ie = α ie

15 Kuliah 2 15 Penambahan fek arly pada Model Hybridπ ib rπ v gm v rο rπ ib rο rο = VA / I vo = ic R = gm vbe (R // ro)

16 Analisis Grafis Kuliah 2 16 V R i v = V i R R V i v v i garis beban slope= 1/R V/R Karakteristik Transfer Input garis beban i = (V v) / R I v i V/R I garis beban slope= 1/R 0 i =... i =... i =... i =... V V Karakteristik Transfer Output garis beban i = (V v) / R V V v

17 Kuliah 2 17 Kurva Transfer Karakteristik Input i slope = (1/R) daerah dengan kurva dioda yang hampir liner ib i2 I Q waktu,t i1 0 V V v vbe vbb waktu,t waktu,t

18 Kuliah 2 18 Kurva Transfer Karakteristik Ouput i slope= 1/R i = i2 ic i2 I i1 I i2 waktu, t 0 V V v vce waktu, t

19 Rangkaian ias atu Daya Tunggal Kuliah 2 19 V V = V R2 / (R1R2) V R1 R R I I R2 R R=R1//R2 L R I Rangkaian nyata Rangkaian untuk/hasil analisis dengan rangkaian basis diubah ke struktur thevenin V = I R V I(β1) R I = (VV)/(R R(β1) ) I = (VV)/(RR /(β1) ) Untuk menurunkan sensititas I terhadap temperatur V >> V dan R >> R / (β1) Rule of thumb: V = (1/3) V V = (1/3) V

20 Rangkaian ias atu Daya Ganda V = I R V I(β1) R V I=I/(β1) Kuliah 2 20 R I = (VV)/(R R (β1) ) I = (VV)/(R R/(β1) ) R L I R Rangkaian ias Lain V V V (a) dengan sumber arus R (b) dengan resistor kolektorbasis R R R I I V analisis rangkaian (b) V = I R I R V V = I R I R /( 1) V I R R II=I V=VIR I I = (VV)/(R R /(β1) ) V I Untuk menurunkan sensititas I terhadap β R >> R / (β1)

21 Kuliah 2 21 Rangkaian Dasar Penguat Satu Tingkat JT V R X 1 2 Z R R 3 Y V Jenis Penguat Node ommon Node Input Node Output (grounded) ommon mitter Y (emitter) X (base) Z (collector) ommon ase X (base) Y (emitter) Z (collector) ommon ollector Z (collector) X (base) Y (emitter)

22 Penguat ommon mitter V Kuliah 2 22 vs Rs ii X 1= R R 2= 3= Z Y Ro RL vo R Ri V transistor amplifier Rs ii vs X vπ gmvπ Z io vo R rπ rο R RL Ri Ro amplifier Ri = R // rπ Gm= gm Ro = R // rο vs Rs ii X Ri Gm Ro Z io RL vo

23 Kuliah 2 23 Analisis Rangkaian Penguat ommon mitter Kapasitor 1 dan 2 sebagai kapasitor kopling Kapasitor 3 sebagai kapasitor bypass Resistansi input Ri ii vo=0 = R // rπ rπ bila R >> rπ Transkonduktasi Gm io vo=0 = g m vπ vπ = gm Resistansi Output Ro vo io =0 = R // rο R bila R << rπ Penguatan Tegangan (beban terbuka) Avo vo io=0 atau RL= = Gm Ro = gm (R // rο) Avo = gm ro = (I/VT) (VA/I) = VA / VT max

24 Kuliah 2 24 Analisis Rangkaian Penguat ommon mitter Penguatan Arus (beban terhubung singkat) Ais io ii vo=0 = Gm / Ri = Gm Ri Ais = gm (R // rπ) = 1 = β 1 rπ / R gm rπ R R rπ Penguatan Tegangan Av = vo Ri = vs Ri Rs Gm (Ro // RL) (R // Rπ) = (R // Rπ) Rs gm (R // ro // RL) rπ rπ Rs gm (R // ro // RL) bila R >> rπ Av = β(r // ro // RL) rπ Rs

25 Penguat ommon mitter dengan Resistor mitter V Kuliah 2 25 vs Rs Ri ii X 1= R R R Re 2= 3= Z Y Ro RL vo Rib R1 V transistor amplifier Rs ii vs X vπ gmvπ Z io vo R rπ rο R RL Ri Rib Re Roc Ro

26 Kuliah 2 26 vs Rs ii R ib=vπ/rπ vb vπ rπ gmvπ R io RL vo Ri=/ii Rib=vb/ib =/ib (gm1/rπ)vπ Re ix Rs R vπ rπ ve/(rπr//rs) gmvπ ix Re (ixgmvπ) vx rο ve ixre vs Rs ii X Gm Z io vo Ri Ro RL Ri = R // rπ(1gmre) Gm= gm/(1gmre) Ro R

27 Analisis Rangkaian Penguat ommon mitter Kuliah 2 27 dengan Resistansi mitter Kapasitor 1 dan 2 sebagai kapasitor kopling Kapasitor 3 sebagai kapasitor bypass Resistansi input Ri ii = R // Rib Rib vb ib ib = vπ / rπ vb = vπ (gm 1/ rπ) vπ Re dengan (gm 1/ rπ) = re maka vb = (1 Re/ re) vπ Rib = rπ (1 Re/ re) dengan re 1/gm maka Rib rπ (1 gm Re) Ri = R // rπ (1 gm Re) Perhatikan Rib = rπ (1 Re/ re) = (β 1) re (1 Re/ re) Rib = ( re Re) Resistansi emitter dirasakan kali di base (reflection rule)

28 Transkonduktasi Kuliah 2 28 Gm io RL=0 = g m vπ vπ sebelumnya telah didapat vb = (1 Re/ re) vπ Gm = Perhatikan gm 1 Re / re dengan re 1/gm maka Gm gm 1 gm Re Rib naik sebesar (1gmRe) kali dan Gm turun (1gmRe) kali. Resistansi Output Ro = R // Roc dengan Roc = vx / ix vx = (ix gm vπ) ro ve ve ix Re vπ = ix Re rπ rπ (Rs // R) Roc = ro (1 gm Re rπ rπ (Rs // R) ) Re untuk Re << ro maka gm Re rπ Roc ro (1 ) rπ (Rs // R) sehingga gm Re rπ Ro = R // ro (1 ) rπ (Rs // R) Ro R

29 Penguatan Tegangan Kuliah 2 29 Av vo vs = vo vs vo vs = Ri Ri Rs Gm (Ro // RL) = (R // rπ (1gmRe) (R // rπ (1 gm Re)) Rs gm (R // RL) 1 gm Re Perhatikan 1. Penguatan Av menjadi lebih bebas dari nilai β. ila R cukup besar maka Av gm rπ rπ (1 gm Re) Rs (R // RL) ila rπ (1 gm Re) >> Rs maka Av gm 1 gm Re (R // RL) atau dalam bentuk lain 1 Av (R // RL) re Re 2. Penguat lebih tahan distorsi nonlinear pada sinyal besar karena dengan vπ yang sama dapat dinaikan dengan faktor 1 Re/re 3. Penguat mempunyai respons frekuensi yang lebih baik (ab 7)

30 Penguat ommon ase V Kuliah 2 30 X 1= R R 2= Z RL io vo 3= ii Ro Y Rs R vs amplifier transistor V Ri Z α ie R io vo RL ie R re ii Y Rs Ro vs Ri Ri = R // rπ Gm= gm Ro = R // rο vs Rs ii X Ri Gm Ro Z io RL vo

31 Analisis Rangkaian Penguat ommon ase Kuliah 2 31 Kapasitor 2 dan 3 sebagai kapasitor kopling Kapasitor 1 sebagai kapasitor bypass Resistansi input Ri Transkonduktasi Gm ii io vo=0 vo=0 = α i e v i = R // re re untuk R >> re = gm karena ie = ( / re) Resistansi Output Ro vo io =0 = R Penguatan Tegangan (beban terbuka) Avo Penguatan Arus Ais vo io ii Penguatan Tegangan io=0 atau RL= vo=0 atau RL=0 = Gm Ro = gm R = Gm = Gm Ri v i / Ri = gm re = α Av = Ri Ri Rs Gm (R // RL) = re re Rs Gm (R // RL)

32 V Kuliah 2 32 Penguat ommon ollector R 2= Z Rs ii 1= vs Ri X R Rib 3= R Y Ro io RL vo V Rs ii ib vs X β ib rο amplifier R rπ Ri Rib Y io vo transistor ground sinyal RL vb ro Ro Re = R // ro // RL: ve/vb = R / (re R): re R RL Rib ground sinyal

33 Analisis Rangkaian Penguat ommon ollector Kuliah 2 33 Kapasitor 1 dan 2 sebagai kapasitor kopling Kapasitor 3 sebagai kapasitor bypass Resistansi input Ri = R // Rib Rib = (β 1) (re Re) dan Re = : R // ro // RL Ri = R // (β 1) (re (R // ro // RL)) Jika R cukup besar maka Ri (β 1) (re (R // ro // RL)) dan bila RL << (R // ro) maka Ri (β 1) (re RL) = rπ (β 1) RL Penguatan tegangan Av = vo/vs = vo/ /vs /vs = Ri Ri Rs dengan Ri besar maka /vs 1 vo/ = (R // ro // RL) re (R // ro // RL) Av = Ri Ri Rs (R // ro // RL) re (R // ro // RL) (β 1) RL (β 1) RL rπ Rs bila R besar dan RL << R / ro

34 Penguatan Arus Kuliah 2 34 Ai io/ii = vo/rl vs/(ri Rs) = R i RL R // ro // RL (R // ro // RL) re Ri RL Jika RL << (R // ro ) serta R >> Rib maka Ai β 1 Resistansi Output Rs ib R rπ β ib i ix Rib Rie = vx/i R // ro vx Ro = v x /i x Ro vx / ix = Rie // R // ro Rie vx / i i = (β 1) ib ib = vx rπ (Rs // R) Rie = rπ (Rs // R) (β 1) Ro = R // ro // rπ (Rs // R) (β 1) r π (Rs // R) (β 1) = re Rs // R (β 1) Rs (β 1) bila R cukup besar

35 Kuliah 2 35 Transistor sebagai Switch V Daerah utoff i = 0 i = 0 i = 0 v = V R R i v vi i Daerah Aktif i = (vi V) / R (vi 0.7) / R i = β i v = V R i Daerah Saturasi isat = (V Vsat) / R R V isat Isat = isat) / β dalam desain I > Isat (faktor 2 10 kali) vi R i V vsat βforced = isat) / I

36 Transistor sebagai Switch Kuliah 2 36 Inverter Transistor cut0ff v(v) V aktif saturasi titik bias sebagai penguat Vsat vi untuk I maks vi(v) Model Transistor dalam keadaan saturasi V 0.7 Vsat 0.3 npn V 0.7 pnp Vsat 0.3 model sangat disederhanakan

37 Kuliah 2 37 Karakteristik Statis Lengkap dan fek Orde Dua Karaktersistik ommonase i saturasi aktif i = I1 i = I2 i = 0 v 0 V rµ rπ vπ gmvπ rο

38 Karakteristik Statis Lengkap dan fek Orde Dua Kuliah 2 38 Karaktersistik ommonmitter i I i sat aktif i = I1 i v i = I2 i = IQ i IQ i Q i = IQ i = 0 v 0 VQ V0 hf βdc IQ/IQ i hfe βac i/ i = konstan i sat kenaikan β rendah aktif kenaikan β tinggi slope =1/Rsat v v V0ff

39 β transistor hf (β) Kuliah T = 125o T = 25o T = 55o I (µa) i slope = Rsat Q garis beban v 0 Vsat