BAB V BJT

BAB V

BIPOLAR (BJT)

5.1 Pendahuluan

Bab ini merupakan kelanjutan dari bab 3 pada jilid 1 buku Teori, Simulasi dan Aplikasi Elektronika. Pada bab 3 tersebut dibahas struktur, karakteristik dan macam-macam pemberian bias pada transistor BJT.

Selanjutnya pada bab 5 ini dibahas macam-macam konfigurasi, analisa rangkaian menggunakan rangkaian ekivalen hybrid л pada frekuensi rendah, menengah & tinggi.

Ada 3 macam konfigurasi rangkaian dasar transistor, yaitu:

1. Common Emitter yaitu memakai bersama kaki emitter untuk input dan output seperti gambar 155.

Gambar 155 Common Emitter

2. Common Collector (Emitter  follower) yaitu memakai bersama kaki collector untuk input dan output seperti gambar 156.

Gambar 156 Common Collector

3. Common Base yaitu memakai bersama kaki base untuk input dan output seperti gambar 157.

Gambar 157 Common Base

Ketiga konfigurasi tersebut dapat dioperasikan pada semua frekuensi tetapi dalam prakteknya akan mengalami perubahan respon output sehingga dalam penjelasan berikut dibahas pengaruh frekuensi pada rangkaian transistor yang dikelompokkan dalam tiga kelompok yaitu:

1. Pada frekuensi rendah, menghasilkan reaktansi kapasitor menjadi cukup besar sesuai rumus sehingga ada tegangan yang cukup berarti pada C.
2. Pada frekuensi menengah, menghasilkan reaktansi kapasitor menjadi cukup kecil atau dianggap short circuit.
3. Pada frekuensi tinggi, sama seperti pada frekuensi menengah yang menghasilkan reaktansi kapasitor menjadi kecil atau dianggap short circuit.

Sebelum membahas pengaruh frekuensi pada rangkaian transistor maka perlu diketahui lebih dahulu apakah rangkaian transistor atau rangkaian penguatan sudah bekerja di daerah aktif atau tidak. Berikut contoh penentuan transistor bekerja di daerah aktif atau tidak dengan memakai rangkaian self bias (seperti yang telah dijelaskan pada sub bab 3.4.).

Contoh:

Diketahui, rangkaian yang memakai self bias  adalah seperti gambar 158.

Ditanya:

    Carilah titik kerja transistor bila:

                            a). VBB = 1 Volt dan

                            b). VBB = 3 Volt

bila β = 50

Jawab:

a).Dengan memakai hukum KVL, maka dapat dicari arus IB yaitu:

Gambar 158 rangkaian self-bias

       

dimana,

   

Dengan IC = 1,5 mA, anggap bekerja di daerah aktif.

kemudian,

Jadi, VCE adalah bernilai positif, yang artinya anggapan transistor bekerja di daerah aktif adalah benar.

  

b).Dengan memakai hukum KVL, maka dapat dicari arus IB yaitu:

       

dimana,

   

Dengan IC = 11,5 mA, anggap bekerja di daerah aktif.

kemudian,

Jadi, VCE adalah bernilai negatif, yang artinya anggapan transistor bekerja di daerah aktif adalah tidak benar. Dengan VCE bernilai negatif berarti transistor bekerja di daerah jenuh.

5.2 Penguat satu tingkat pada frekuensi menengah (mid-freq.)

5.2.1 Common Emitter (CE) Amp.

Adapun rangkaian CE Amp. adalah seperti pada gambar 159.

Gambar 159 Rangkaian Common Emitter Amp.

Untuk menganalisa rangkaian CE Amp. dapat dilakukan dengan rangkaian ekivalen yang mana salah satunya memakai metoda rangkaian ekivalen hybrid л (phi). Rangkaian ekivalen hybrid л untuk rangkaian transistor yang dioperasikan pada frekuensi menengah dapat dibuat dengan men-short circuit suplai dan semua kapasitor. Adapun rangkaian ekivalen hybrid л  untuk CE Amplifier adalah seperti pada gambar 160.

Gambar 160 Rangkaian ekivalen hybrid л  untuk rangkaian CE Amp.

Dari rangkaian ekivalen diatas dapat diturunkan rumus-rumus sebagai berikut.

dimana Vi =V,

sehingga,

5.2.2 Common Collector(CC) Amp.

Adapun rangkaian CC Amp. adalah seperti pada gambar 161.

Gambar 161 Rangkaian Common Collector Amp.

Untuk menganalisa rangkaian CC Amp. sama seperti CE Amp. yaitu dengan memakai metoda rangkaian ekivalen hybrid л (phi). Adapun rangkaian ekivalen hybrid л  untuk CC Amplifier adalah seperti pada gambar 162.

Gambar 162 Rangkaian ekivalen hybrid л  untuk rangkaian CC Amp.

Dari rangkaian ekivalen diatas dapat diturunkan rumus-rumus sebagai berikut.

dimana Vi=V+Vo dan V=Ib.rл, gmV = gm . rл. Ib =  βo. Ib

sehingga,

Untuk mencari Impedansi output Zo maka rangkaian ekivalen hybrid л menjadi seperti gambar 163.

Gambar 163 Rangkaian ekivalen hybrid л  untuk mencari Zo

5.2.3 Common Base (CB) Amp.

Adapun rangkaian CB Amp. adalah seperti pada gambar 164. Adapun rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л  untuk CB Amplifier adalah seperti pada gambar 165.

Gambar 164 Rangkaian Common Base Amp.

Gambar 165 Rangkaian ekivalen hybrid л  untuk rangkaian CB Amp.

Dari rangkaian ekivalen diatas dapat diturunkan rumus-rumus sebagai berikut.

dimana Vi = -V, dan βo =gm.r л

sehingga,

Untuk ketiga konfigurasi ini akan menghasilkan nilai Impendansi input (Zi) dan Impendansi output (Zo) sebagai berikut:

1. CE Amp.    →    Zi  > (besar), Z0  > (besar)
2. CB Amp.    →    Zi  < (kecil)    , Z0   >(besar)
3. CC Amp.    →    Zi  >(besar)    , Z0  <(kecil)

Contoh 1

Diket  :     Emitter Follower (CC)    Amp.           

    RS = 3 kΩ                AI = 40

    rπ = 10 kΩ            RB = 20 kΩ   

    gm = 20 m/Ω             Z0 = 60

Ditanya : RE dan RL

Jawab :

    Adapun rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CC (Emitter Follower) Amp. adalah seperti pada gambar 166.  

Gambar 166 Rangkaian CC Amp dan rangkaian ekivalen hybrid л–nya.

dimana

sehingga

Contoh 2:

Diket:   

Avi = -125            RS = 300 Ω            RB = 10 Zi

    AVS = -100            β0 = βdc = 100        VBE = 0,6

    AI  = -50            VRE = VRC = VCE

Ditanya : Rancanglah suatu rangkaian common emmiter (CE) amplifier frekwensi menengah.

Jawab :

    Adapun rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CE Amp. adalah seperti pada gambar 167.

Gambar 167 Rangkaian CE Amp dan rangkaian ekivalen hybrid л–nya.

Rumus (lihat buku referensi) gm adalah:

   

maka,

dimana, diketahui  VRE = VRC = VCE

sehingga

Dimana, dari rangkaian dapat disimpulkan;

5.3 Penguat satu tingkat pada frekuensi rendah

Adapun respon amplifier pada frekuensi rendah adalah seperti gambar 168.

Dari penguatan H(s) = AVS(s)=Vo(s)/Vs(s)

Dimana,

    s = jw  →HdB = 20 log|H(s)|s=jw

    dB = 10 log (P2/P1) → P = Power

    P1 = V12/R1

    P2 = V22/R2

Maka

        dB = 10 log (V22/R2/ V12/R1)  → R1 = R2

       

Gambar 168 Respon Amplifier pada frekuensi rendah s/d tinggi

H(s) = AVS(s), AVi(s), AI(s), AP(s)

• |H(s)| = 1  →20 log 1 = 0 dB
• |H(s)| = 2  →20 log 2 = 6 dB
• |H(s)| = 10 →20 log 10 = 20 dB
• |H(s)| = 10n →20 log 10n = 20 * n dB

Contoh:

   

• Pada frekuensi menengah dan tinggi, reaktansi kapasitif                ,

Cukup kecil bila dibanding dengan tahanan R sehingga XC dapat dianggap short.

Oleh karenanya Vo = Vi.          

• Tetapi pada frekuensi rendah, XC cukup besar yang dapat menimbulkan rugi tegangan yang cukup berarti pada kapasitor C. Bila keadaan itu sedemikian sehingga XC = R maka didapatkan:

Maka didapatkan:

Dalam dB,

Artinya, bila konfigurasi RC pada XC = R akan terjadi rugi tegangan sebesar -3dB.

Demikian juga untuk arus → XC = R sehingga rugi = -3dB

Dengan demikian,

Bila

Bila

Bila digunakan,

• fl = f → |Avi|dB = 0 dB
• fl = 0,5 f → |Avi|dB = -6 dB
• fl = 0,25 f → |Avi|dB = -12 dB
• fl = 0,1 f → |Avi|dB = -20 dB

Adapun diagram bode |Avi|dB vs f/fl  seperti gambar 169.

Gambar 169 diagram bode |Avi|dB vs f/fl  

5.3.1 Common Emitter Amplifier

Adapun rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л pada frekuensi rendah untuk CE Amp. adalah seperti gambar 170.

Gambar 170 Rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CE Amp

Perubahan penguatan tegangan dan arus karena frekuensi rendah disebabkan oleh kapasitor coupling C1 & C2 dan kapasitor by pass CE.

Sebagai Transfer Function,

               

didapat,

Untuk wL ditentukan oleh salah satu kapasitor dari tiga kapasitor yang ada pada rangkaian ekivalen. Sedangkan dua  kapasitor yang lain dianggap short circuit. Oleh karena itu, dalam pembahansan ini dibuat 3 analisis seperti penjelasan berikut.

1. C1 bekerja dan C2 & CE adalah short circuit, maka rangkaian ekivalen menjadi seperti gambar 171.

Gambar 171 Rangkaian ekivalen dengan C1 bekerja

dimana,

sehingga

Jadi

2. C2 bekerja dan C1 & CE adalah short circuit, maka rangkaian ekivalen menjadi seperti gambar 172.

Gambar 172 Rangkaian ekivalen dengan C2 bekerja

dimana ,

       

       

       

Dikalikan dengan,

           

maka

3. CE bekerja dan C1 & C2 adalah short circuit, maka rangkaian ekivalen menjadi seperti gambar 173.

Gambar 173 Rangkaian ekivalen dengan CE bekerja

Rangkaian dirubah menjadi seperti gambar 174.

Gambar 174 Rangkaian ekivalen dengan Z = RE//CE

dimana ,

Tegangan Vs sama dengan tegangan di tahanan Rs//RB ditambah tegangan di rл dan ditambah tegangan di ZE.

Titik pole:

       

Dan titik zero:

       

Dari ketiga pole yang dapat diambil wCE yang paling besar sebagai wL.

Untuk CE Amp. → wL = wCE .  

Dapat disimpulkan bahwa,

1. 

2. 
3.     

dimana,

   

Contoh 1:

Diket: CE Amp.

RS=2kΩ	R1 = 140kΩ	R2 = 100kΩ
RC = RE = RL= 10kΩ	C1 = 8 µF	C2 = 1 µF
CE = 40 µF	βo = 450	IC = 0,978 mA

Ditanya:

    a). wL = ?

    b). Avs(mid) = ?

   

Jawab:

Adapun rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CE Amp. adalah seperti gambar 175.

Gambar 175 Rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CE Amp.

Dari rumus yaitu

maka,

   

   

1. Jadi wL adalah:

   

2. Jadi Avs(mid)  adalah

Contoh 2:

Diket: CE Amp.

RS=1kΩ	VCC = 30 V	βdc = 350
RE = 3kΩ	VBE = 0,7 V	R1 = 25 kΩ
RC = 4kΩ	fL = 100 Hz	R2 = 15 kΩ
RL= 10kΩ	βo = 500

Ditanya:

    a). C1, C2, dan CE,= ?

    b). Vo = ?, bila  

   

Jawab:

Adapun rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CE Amp. adalah seperti gambar 176.

a). C1 bekerja dan C2 & CE adalah short circuit, maka rangkaian ekivalen menjadi seperti gambar 177.

Gambar 176 Rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CE Amp

Gambar 177  Rangkaian ekivalen dengan C1 bekerja

dari rumus:

dimana,

b). Adapun tegangan Vo adalah;

dimana,

    S=jw=2л.fr=2л.1k =    6283,2

5.3.2 Common Collector Amplifier

Adapun rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CC Amp. adalah seperti gambar 178.

Cara yang sama seperti uraian CE Amp. dilakukan di CC Amp. untuk mencari wc1 dan wc2.

1. C1 bekerja dan C2 adalah short circuit, maka rangkaian ekivalen menjadi seperti gambar 179.

Gambar 178 Rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CC Amp

Gambar 179 Rangkaian ekivalen dengan C1 bekerja

2. C2 bekerja dan C1 adalah short circuit, maka rangkaian ekivalen menjadi seperti gambar 180.

Gambar 180 Rangkaian ekivalen dengan C2 bekerja

Maka dari kedua nilai wc, diambil

5.3.3 Common Base Amplifier

Adapun rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CB Amp. adalah seperti gambar 181.

Cara yang sama seperti uraian CE Amp. dilakukan di CB Amp. untuk mencari wc1, wc2 dan wc .

1. C1 bekerja dan C2 & C adalah short circuit, maka rangkaian ekivalen menjadi seperti gambar 182.

Gambar 181 Rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CB Amp

Gambar 182 Rangkaian ekivalen dengan C1 bekerja

2. C2 bekerja dan C1 & C adalah short circuit, maka rangkaian ekivalen menjadi seperti gambar 183.

Gambar 183 Rangkaian ekivalen dengan C2 bekerja

3. C bekerja dan C1 & C2 adalah short circuit, maka rangkaian ekivalen menjadi seperti gambar 184.

Gambar 184 Rangkaian ekivalen dengan C bekerja

Maka dari ketiga nilai wc, diambil

5.4 Penguat satu tingkat pada frekuensi tinggi

Pada frekuensi menengah reaktansi dari kapasitor-kapasitor blocking, coupling dan bypass diabaikan terhadap tahanan luar.

dimana,

Demikian juga untuk frekuensi tinggi.

Pada frekuensi tinggi akan menghasilkan kapasitor junction yaitu Cл  dan Cµ serta resistansi rx untuk transistor bipolar seperti terlihat pada gambar 185.

Gambar 185 Kapasitor-kapasitor dan resistansi yang mucul akibat frekuensi tinggi

dimana, jw = s, sehingga;

5.4.1 Common Emitter Amplifier

Adapun rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CE Amp. adalah seperti gambar 186.

Gambar 186 Rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CE Amp

dimana,

               

Untuk mencari Vo maka rangkaian ekivalen disederhanakan lebih dahulu dengan metoda thevenin, seperti gambar 187.

Gambar 187 Rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CE Amp

dimana,

Persamaan di node 1;

Persamaan di node 2;

Dari kedua persamaan, V dapat dieliminir menjadi V= ...Vo → Vth= .....Vo

   

dimana,

dari Vth dengan Vs, maka

dimana

   

Sehingga,

Adapun respon frekuensi tinggi dapat dilihat pada gambar 188.

Gambar 188 Diagram bode respon frekuensi tinggi Avs vs w

dimana;

    WT adalah gain bandwidth product

Contoh soal:

Diket: CE Amp.

rл=RS=RC=RL=5kΩ	Rx = 50Ω	Cл = 20 pF
RB=∞	βo = 100	cµ = 3 pF

Ditanya:

    a). wH = ?, RL = ? bila wH = 150 %

    b). |Avs(mid)|.wH = ? bila wH = 150 %

   

Jawab:

Adapun rangkaian dan rangkaian ekivalen CE Amp. adalah seperti gambar 189.

Gambar 189 rangkaian dan rangkaian ekivalen CE Amp

dimana,

dan

dimana,

sehingga,

maka,

RL = ?  →

Jadi,

   

Dengan RC = 5k ohm, maka;

5.4.2 Common Base Amplifier

Adapun rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CB Amp. adalah seperti gambar 190.

Gambar 190 Rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CB Amp

Didapat dari penurunan rumus:

Untuk mencari impedansi input Zi, gunakan rangkaian ekivalen hybrid л pada gambar 191.

Gambar 191 Rangkaian ekivalen hybrid л CE Amp

dimana

Kita ambil wH = wCµ → karena wCµ << wCл

5.4.3 Common Collector Amplifier

Adapun rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CC Amp. adalah seperti gambar 192.

Gambar 192 Rangkaian dan rangkaian ekivalen hybrid л CC Amp

Didapat dari persamaan rumus:

           

dimana,

5.5 Penguat bertingkat

Analisa penguat bertingkat dalam contoh berikut memakai rangkaian ekivalen hybrid л untuk CE-CE Amp.

Contoh 2:

Diket:   

Avi = -125            RS = 500 Ω            RB = 10 Zi

    AVS = -100            β0 = βdc = 100        VBE = 0,6

    AI  = -60            VRE = VRC = VCE

Ditanya :

Avs = ? untuk dioperasikan pada frekuensi tinggi, dimana;

rx = 0, Cµ = 2pF dan Cл = 20pF.

Jawab :

Lakukan penyelesaian soal seperti contoh 2 pada penjelasan rangkaian ekivalen hybrid л pada frekuensi menengah. Dihasilkan rangkaian dengan komponen-komponen seperti pada gambar 193.

Gambar 193 Rangkaian CE Amp dan rangkaian ekivalen hybrid л–nya.

maka,