Modul 05: Transistor

Transkripsi

1 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 Teori Singkat 1.1 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: Gambar 1: Struktur dari BJT tipe npn dan pnp (diambil Gambar 2: Simbol dari BJT tipe npn dan pnp (diambil I E = I C + I B (1) 1

2 Modul 05: Transistor halaman 2 dengan I C = β DC I B (2) Namun karena I B I C, maka kita dapat mengasumsikan bahwa I E = 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 V BE = 0.7 V. Rangkaian bias paling sederhana untuk transistor dapat dilihat pada Gambar 3: Gambar 4: Karakteristik I-V pada sambungan BE (diambil Gambar 3: Rangkaian bias pada transistor npn (diambil Tegangan pada kaki Collector dapat dihitung dengan menggunakan: V C = V CC I C R C (3) dan tegangan pada kaki Base adalah: V B = V E + V BE = V E V (4) sehingga arus kaki Base adalah: I B = V BB V B R B (5) Karakteristik pada sambungan BE mirip seperti dioda biasa. Sesuai dengan persamaan 2, besarnya arus pada kaki Collector bergantung pada besarnya penguatan DC β DC dan besarnya arus pada kaki Base. Namun arus Collector juga bergantung terhadap besarnya perbedaan tegangan antara kaki Collector dengan kaki Emitter V CE. Kurva karakteristik dari Collector dapat dilihat pada Gambar 5. Gambar 5: Karakteristik I-V pada sambungan CE (diambil

3 Modul 05: Transistor halaman Garis Beban DC Saat arus pada kaki Base I B = 0, maka transistor berada pada kondisi cutoff, yaitu kondisi saat tidak ada arus yang melewati sambungan CE, sehingga tegangan V CE akan sama dengan tegangan V CC. Saat sambungan BE berada pada kondisi panjar maju dan arus BE bertambah, maka besarnya arus Collector akan bertambah, sehingga jatuh tegangan pada kaki R C akan akan semakin besar, mengakibatkan tegangan V CE akan semakin menurun, dan pada kondisi saturasi, tegangan Collector akan sama dengan teganan Emitter V CE = 0. Kondisi saturasi pada rangkaian tersebut tercapai pada: I C(sat) = V CC R C (6) Saat arus Base sudah cukup besar untuk membuat rangkaian pada kondisi saturasi, pertambahan arus Base yang lebih besar tidak akan mempengaruhi arus Collector lebih lanjut. Gambar 7: Contoh rangkaian uji DC untuk transistor dan kurva kerjanya (diambil dari buku Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition oleh Thomas L. Floyd dan 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, 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 Q- point dari rangkaian. 1. Base Bias, merupakan rangkaian bias paling sederhana, ditunjukkan pada Gambar 8. Besarnya arus Collector pada rangkaian ini dapat dihitung dengan: ( ) VCC V BE I C = β DC R B (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 β DC transistor berkurang. Rangkaian ini ditunjukkan oleh Gambar 9.

4 Modul 05: Transistor halaman 4 Besarnya arus Collector pada rangkaian ini dapat dihitung dengan: I C = V CC V BE R C + R B /β DC (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 Gambar 10: Rangkaian Voltage-divider bias (diambil 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 Gambar 11: Rangkaian Emitter bias (diambil dari buku Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition oleh Thomas L. Floyd dan Untuk rangkaian yang stabil, nilai dari R B harus dipilih agar dapat memberikan jatuh

5 Modul 05: Transistor halaman 5 tegangan yang kecil. Pada rangkaian ini, dapat digunakan asumsi bahwa nilai V E diperkirakan berada di kisaran 1 V. Dalam membuat rangkaian penguat dengan menggunakan transistor, salah satu faktor yang harus dipertimbangkan adalah disipasi daya dari transistor. Besarnya disipasi daya dari rangkaian dapat dihitung dengan menggunakan: memasuki rangkaian via kapasitor coupling C 1 dan C 3. Sedangkan sinyal AC menuju ground melewati salah satu hambatan Emitter melalui kapasitor bypass C 2. Sinyal AC akan melihat rangkaian seperti tampak pada Gambar 13. P D = V CE I C (9) 1.4 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 V CC 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 12: Rangkaian penguat Common-Emitter (diambil Sesuai namanya, rangkaian penguat ini memiliki referensi untuk sinyal masukan dan keluaran pada kaki Emitter. Sinyal masukan dan keluaran Gambar 13: Rangkaian setara AC dari Gambar 12 (diambil dari buku Fundamentals of Analog Circuits, Sinyal AC akan melihat adanya hambatan dalam dinamis Emitter r e yang besarnya dapat diaproksimasi dengan persamaan r e = 25 mv I E (10) Dan besarnya penguatan dari rangkaian tersebut dapat dihitung dengan menggunakan A = Vout V in. Sinyal masukan pada kaki Base V b besarnya dapat diaproksimasikan sama dengan besar tegangan di kaki Emitter V e. Sedangkan sinyal keluaran dapat dihitung sama dengan tegangan di kaki Collector V c. 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.

6 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. Gambar 14: Garis beban AC (diambil dari buku Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition oleh Thomas L. Floyd dan Referensi [1] Thomas L. Floyd dan David Buchla. Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition Prentice Hall. 2 Percobaan Perhatikan Gambar 15. Gambar 15: Rangkaian uji penguat CE (diambil 2nd edition oleh Thomas L. Floyd dan Kerjakan: 1. Buat garis beban DC dari rangkaian. 2. Cari kombinasi dari R 1 dan R 2 yang dapat sebisa mungkin memberikan Q-point berada di tengah-tengah garis beban DC. 3. Dengan menggunakan nilai R s sesuai dengan nilai hambatan internal dari Signal Generator