Transistor Amplifier Basics

1. Transistor Amplifier Basics • It is critical to understand the notation used for voltages and currents in the following discussion of transistor amplifiers. • This is therefore dealt with explicitly ‘up front’. • As with dynamic resistance in diodes we will be dealing with a.c. signals superimposed on d.c. bias levels.

2. Transistor Amplifier Basics • We will use a capital (upper case) letter for a d.c. quantity (e.g. I, V). • We will use a lower case letter for a time varying (a.c.) quantity (e.g. i, v)

3. Transistor Amplifier Basics • These primary quantities will also need a subscript identifier (e.g. is it the base current or the collector current?). • For d.c. levels this subscript will be in upper case. • We will use a lower case subscript for thea.c.signal bit (e.g. ib). • And an upper case subscript for thetotal time varying signal (i.e. the a.c.signal bit plus the d.c. bias) (e.g. iB).This will be less common.

4. 0 Transistor Amplifier Basics ib + IB = iB

5. Transistor Amplifier Basics • It is convention to refer all transistor voltages to the ‘common’ terminal. • Thus in the CE configuration we would write VCE for a d.c. collector emitter voltage and VBE for a d.c. base emitter voltage.

6. Common Emitter Characteristics • For the present we consider DC behaviour and assume that we are working in the normal linear amplifier regime with the BE junction forward biased and the CB junction reverse biased

7. Common Emitter Characteristics Treating the transistor as a current node: • Also:

8. Common Emitter Characteristics • Hence: which after some rearrangement gives  

9. Common Emitter Characteristics • Define a common emitter current-transfer ratio  Such that:

10. Common Emitter Characteristics • Since reverse saturation current is negligible the second term on the right hand side of this equation can usually be neglected (even though (1- α) is small) • Thus

11. Common Emitter Characteristics • We note, in passing that, if β can be regarded as a constant for a given transistor then • For a practical (non-ideal) transistor this is only true at a particular bias (operating) point.

12. Common Emitter Characteristics • A small change in α causes a much bigger change in ß which means that ß can vary significantly, even from transistor to transistor of the same type. • We must try and allow for these variations in circuit design.

13. Common Emitter Characteristics For example; α = 0.98, β = 49 α = 0.99, β = 99 α = 0.995, β =199

14. Common Emitter Characteristics •  is also known as hFE and may appear on data sheets and in some textbooks as such. • For a given transistor type data sheets may specify a range of  values

15. Common Emitter Characteristics • The behaviour of the transistor can be represented by current-voltage (I-V) curves (called the characteristic curves of the device). • As noted previously in the common emitter (CE) configuration the input is between the base and the emitter and the output is between the collector and the emitter.

16. Common Emitter Characteristics • We can therefore draw an input characteristic (plotting base current IB against base-emitter voltage VBE) and • an output characteristic (plotting collector current Ic against collector-emitter voltage VCE)

17. Common Emitter Characteristics • We will be using these characteristic curves extensively to understand: • How the transistor operates as a linear amplifier for a.c. signals. • The need to superimpose the a.c. signals on d.c. bias levels. • The relationship between the transistor and the circuit in which it is placed.

18. Common Emitter Characteristics • Once these basics are understood we will understand: • Why we can replace the transistor by a small signal (a.c.) equivalent circuit. • How to derive a simple a.c. equivalent circuit from the characteristic curves. • Some of the limitations of our simple equivalent circuit.

19. IDEAL CE INPUT (Base) Characteristics

20. IDEAL CE INPUT Characteristics • The plot is essentially that of a forward biased diode. • We can thus assume VBE 0.6 V when designing our d.c. bias circuits. • We can also assume everything we know about incremental diode resistance when deriving our a.c. equivalent circuit. • In the ‘non-ideal’ case IB will vary slightly with VCE. This need not concern us.

21. IDEAL CE OUTPUT (Collector) Characteristics

22. IDEAL CE OUTPUT (Collector) Characteristics Avoid this saturation region where we try to forward bias both junctions

23. IDEAL CE OUTPUT Avoid this cut-off region where we try to reverse bias both junctions (IC approximately 0)

24. IDEAL CE OUTPUT (Collector) Characteristics • The plots are all parallel to the VCE axis (i.e. IC does not depend on VCE) • The curves strictly obey IC = βIB • In particular IC = 0 when IB = 0. • We shall work with the ideal characteristic and later on base our a.c. equivalent circuit model upon it.

25. IB = ACTUAL CE OUTPUT Characteristics

26. ACTUAL CE OUPUT Characteristics • Salient features are: • The finite slope of the plots (IC depends on VCE) • A limit on the power that can be dissipated. • The curves are not equally spaced (i.e β varies with base current, IB).

27. ACTUAL CE OUPUT Characteristics • You will get to measure these curves in the lab. • There is also a PSPICE sheet “DC sweep analysis and transistor characteristics” to help aid you understanding.

28. Bipolar Junction Transistor (BJT)

29. Stuktur divais dan cara kerja fisik Struktur yang Disederhanakan dan Mode Operasi Gambar 1. Struktur sederhana transistor npn Gambar 2. Struktur sederhana transistor pnp

30. Mode kerja BJT

31. Gambar 3: Model rangkaian pengganti sinyal besar untuk BJT npn yang bekerja pada mode forward active.

32. Karakteristik Arus – Tegangan Gambar 4: Simbol rangkaian BJT

33. Karakteristik Arus – Tegangan Gambar 5: Polaritas tegangan dan aliran arus dalam transistor yang di bias dalam mode aktif

34. Ringkasan hubungan arus – tegangan dari BJT pada mode aktif Catatan: untuk transistor pnp, gantilah vBEdengan vEB VT = tegangan termal = kT/q≈ 25 mV pada suhu kamar

35. Contoh soal 1: Gambar 6: Rangkaian untuk contoh soal 1 Transistor pada gambar (6.a) mempunyai β = 100 dan vBE = 0,7 V pada iC =1mA. Rancanglah rangkaian sehingga arus 2 mA mengalir melalui collector dan tegangan pada collector = +5 V

36. Jawab: VC = 5 V → CBJ reverse bias → BJT pada mode aktif VC = 5 V → VRC = 15 – 5 = 10 V IC = 2 mA → RC= 5 kΩ vBE = 0,7 V pada iC = 1 mA → harga vBE pada iC= 2 mA: VB = 0 V → VE = -0,717 V β = 100 → α= 100/101 =0,99 Harga RE diperoleh dari:

37. Tampilan Grafis dari Karakteristik Transistor Gambar 7: Karakteristik iC – vBE dari sebuah transistor npn

38. Karakteristik iC – vBE identik dengan karakteristik i – v pada dioda. Karakteristik iE – vBE dan iB – vBE juga exponensial dengan IS yang berbeda: IS/α untuk iE dan IS/β untuk iB. Karena konstanta dari karakteristik ekponensial, 1/VT, cukup tinggi (≈ 40), kurva meningkat sangat tajam. Untuk vBE< 0,5 V, arus sangat kecil dan dapat diabaikan. Untuk harga arus normal, vBEberkisar antara 0,6 V – 0,8 V. Untuk perhitungan awal, vBE = 0,7 V. Untuk transistor pnp, karakteristik iC- vBE tampak identik, hanya vBE diganti dengan vEB.

39. Gambar 8: Model rangkaian pengganti sinyal besar dari BJT npn yang bekerja di daerah aktif dalam konfigurasi common-emitter.

40. Karakteristik Common-Emitter Gambar 9: Karakteristik common-emitter

41. Penguatan arus common-emitter β. β didefinisikan sebagai perbandingan antara total arus pada collector dan total arus pada base. β mempunyai harga yang konstan untuk sebuah transistor, tidak tergantung dari kondisi kerja. Pada gambar 9, sebuah transistor bekerja pada daerah aktif di titik Q yang mempunyai arus collector ICQ, arus base IBQ dan tegangan collector – emitter VCEQ. Perbandingan arus collector dan arus base adalah β sinyal besar atau dc. βdc juga dikenal sebagai hFE.

42. Pada gambar 9 terlihat, dengan tegangan vCEtetap perubahan iBdari IBQmenjadi (IBQ + ∆iB) menghasilkan kenaikan pada iC dari ICQ menjadi (ICQ + ∆iC) βac disebut β ‘incremental’. βac dan βdc biasanya berbeda kira-kira 10% – 20%. βac disebut juga β sinyal kecil yang dikenal juga dengan hfe. β sinyal kecil didefinisikan dan diukur pada vCEkonstan, artinya tidak ada komponen sinyal antara collector dan emitter, sehingga dikenal juga sebagai penguatan arus hubung singkat common-emitter

43. BJT sebagai Penguat dan sebagai Saklar Pemakaian BJT: • sebagai penguat: • BJT bekerja pada mode aktif. • BJT berperan sebagai sebuah sumber arus yang dikendalikan oleh tegangan (VCCS). • Perubahan pada tegangan base-emitter,vBE, akan menyebabkan perubahan pada arus collector, iC. • BJT dipakai untuk membuat sebuah penguatan transkonduktansi. • Penguatan tegangan dapat diperoleh dengan melalukan arus collector ke sebuah resistansi, RC. • Agar penguat menjadi penguat linier, transistor harus diberi bias, dan sinyal akan ditumpangkan pada tegangan bias dan sinyal yang akan diperkuat harus dijaga tetap kecil • sebagai saklar • BJT bekerja pada mode cutoff dan mode jenuh

44. Cara kerja sinyal besar – Karakteristik Transfer Gambar 10. (a) Rangkaian dasar penguat common – emitter (b) Karakteristik transfer dari rangkaian (a)

45. Rangkaian dasar penguat common-emitter terlihat pada gambar 10. • Tegangan masukan total vI(bias + sinyal) dipasang di antara base dan emitter (ground) • Tegangan keluaran total vO (bias + sinyal) diambil di antara collector dan emitter (ground) • Resistor RC mempunyai 2 fungsi: • Untuk menentukan bias yang diinginkan pada collector • Mengubah arus collector, iC, menjadi tegangan keluaran vOC atau vO • Tegangan catu VCCdiperlukan untuk memberi bias pada BJT dan untuk mencatu daya yang diperlukan untuk kerja penguat. Karakteristik transfer tegangan dari rangkaian CE terlihatpada gambar 10(b). vO = vCE = VCC – RCiC

46. vI = vBE < 0,5 V → transistor cutoff. 0 < vI< 0,5 V, iC kecil sekali, dan vO akan sama dengan tegangan catu VCC (segmen XY pada kurva) vI> 0,5 V → transistor mulai aktif, iC naik, vO turun. Nilai awal vOtinggi, BJT bekerja pada mode aktif yang menyebabkan penurunan yang tajam pada kurva karakteristik transfer tegangan (segmen YZ), Pada segmen ini:

47. Mode aktif berakhir ketika vO = vCE turun sampai 0,4 V di bawah tegangan base (vBE atau vI) → CBJ ‘on’ dan transistor memasuki mode jenuh (lihat titik Z pada kurva). Pada daerah jenuh kenaikan vBE menyebabkan vCE turun sedikit saja. vCE = VCEsat berkisar antara 0,1 – 0,2 V. ICsat juga konstan pada harga: Pada daerah jenuh, BJT menunjukkan resistansi yang rendah, RCEsat antara collector dan emitter. Jadi ada jalur yang mempunyai resistansi rendah antara collector dan ground, sehingga dapat dianggap sebagai saklar tertutup. Sedangkan ketika BJT dalam keadaan cut off, arus sangat kecil (idealnya nol), jadi beraksi seperti saklar terbuka, memutus hubungan antara collector dan ground. Jadi keadaan saklar ditentukan oleh harga tegangan kendali vBE.

48. Penguatan Penguat. Agar BJT bekerja sebagai penguat, maka harus diberi bias pada daerah aktif yang ditentukan oleh tegangan dc base – emitter VBEdan tegangan dc collector – emitter VCE. Arus collector IC pada keadaan ini: Jika sinyal viakan diperkuat, sinyal ini ditumpangkan pada VBE dan harus dijaga kecil (lihat gambar 10(b)) agar tetap pada segmen yang linier dari kurva transfer di sekitar titik bias Q. Koefiesin arah dari segmen linier ini sama dengan penguatan tegangan dari penguat untuk sinyal kecil di sekitar titik Q.

49. Penguatan sinyal kecil Av: • Perhatikan: • penguat CE: inverting, artinya sinyal keluaran berbeda 180° dengan sinyal masukan. • peguatan tegangan dari penguat CE adalah perbandingan antara penurunan tegangan pada RC dengan tegangan termal VT. • untuk memaksimumkan penguatan tegangan, penurunan tegangan pada RC harus sebesar mungkin, artinya untuk harga VCC tertentu penguatan harus bekerja pada VCE yang lebih rendah.

50. Contoh soal 2 • Sebuah rangkaian CE menggunakan sebuah BJT yang mempunyai IS = 10-15 A, sebuah resistansi collector RC = 6,8 kΩ dan catu daya VCC= 10 V. • Tentukan harga tegangan bias VBE yang diperlukan untuk mengoperasikan transistor pada VCE = 3,2 V. Berapakah harga IC nya? • Carilah penguatan tegangan Avpada titik bias. Jika sebuah sinyal masukan sinusoida dengan amplitudo 5 mV ditumpangkan pada VBE, carilah amplitudo sinyal keluaran sinusoida. • Carilah kenaikan positif vBE (di atas VBE) yang mendorong transistor ke daerah jenuh, dimana vCE= 0,3 V. • Carilah kenaikan negatif vBE yang mendorong transistor ke daerah 1% cut off (vO= 0,99 VCC)