Kuliah 2 - 1Struktur Fisik Bipolar Junction Transistor (BJT)npn

EBJ CBJEEmittern

Basep

Collector Cnpnp

Kontak Metal

B

EEmitterp

Basen

Collector Cp

BMode Operasi BJT

ModeJunction E-BJunction C-B

cut-off active saturationreverse forward forwardreverse reverse forward

Kuliah 2 - 2Aliran Arus pada BJT npnforward bias reverse biasn p nE elektron injeksi elektron difusi elektron koleksi CiE rekombinasi iChole injeksi

elektron- vBE +

iB- vCB +iE iE

BiC iC

- VBE +

- VCB +Struktur Planar BJT npn

E B C

n p n

Persamaan Arus pada BJT npn

Kuliah 2 - 3

Emitter(n)

deplesiEBJ

Base(p)

deplesiCBJ

Kolektor(n)np(0)

konsentrasi elektron

np (ideal)pn0

konsentrasi hole

pn(0)

np(+rekombinasi)

lebar base efektif

jarak

arus kolektor iC = IS exp (vBE/VT)arus basis

arus emitor

iB = iC /

iB = IS / exp (vBE/VT)

iE = iC + iBiE = iC ( +1)/

(KCL)

iC = iE= /( +1)

iE = IS( +1)/ exp (vBE/VT)

iE = IS/ exp (vBE/VT)

= /(1- )Kuliah 2 - 4Model Rangkaian Pengganti (Sinyal Besar)model T (letak simpul bersama di basis)

C C

iC iCiB IS exp(vBE/VT) iB IEB B

+ +DE DEvBE (IS / )

iEvBE

(IS / )

- iE -E Emodel (letak simpul bersama di emitor)iB iCB C

+DE

iB iCB C

+DEvBE-

IS exp(vBE/VT) (IS / )

iE E

vBE-

IB(IS / )iE E

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

faktor idealitas (N) pada persamaan arus junction di atas adalah 1 (satu)

arus mundur kolektor-basis (iCBO) dianggap nol

Kuliah 2 - 5forward bias reverse biasp n pE hole injeksi hole difusi hole koleksi CiE rekombinasi iCelektron injeksi

hole- vBE +

iB- vCB +iE iE

BiC iC

- VBE +

- VCB ++vEBiB - B

E

iEDE(IS / ) +vEB

E

DE IS exp(vEB/VT) (IS / )

IS exp(vEB/VT) -B CiC iEB iCCKuliah 2 - 6Simbol BJTC E

B BE Cnpn pnpPolaritas tegangan dan arah arusVCB VBE

C IC IBB

IE E

VEB VBC

E IE IBB

IC C

Kuliah 2 - 7Representasi Grafis Karakteristik BJTiC iC

T1 T2 T3 T4I0 0.5

0.7

vBE(V) 0

vBE(V)kurva iC - vBEiC = IS exp (vBE/VT)

T1 > T2 > T3 > T4Efek temeperatur kurva iC - vBEvBE naik dengan suhu sebesar -2 mV / oC

iC4 iE = 4 mA

3 3 mA

2 2 mA

1 mAiE0 2 4 6 8 10 12

vCB (V)

Tegangan Early

+vBE-

iC+vCE-

Kuliah 2 - 8

iCdaerah aktif

vBE = ...

daerah saturasi

vBE = ...

vBE = ... vBE = ...-VA 0

vCEpenyebab:

perubahan lebar efektif basis akibat penambahan daerah deplesi kolektor-basis dengan peningkatan tegangan vCEPerubahan dianggap linier

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

-1 VA/ICKuliah 2 - 9Transistor sebagai PenguatiC ICiB IB+

VCC+ vCE +

+ VCE

VCCvbe

- vBE

VBE

- vBE

VBE iE IE- -vBE = VBE + vbe(a) rangkaian dengan sinyal lengkap (b) rangkaian DC dari (a)Titik Kerja (Keadaan DC)

IC = IS exp (VBE/VT) IE = IC /

IB = IC /

VC = VCE = VCC - IC RC

Persamaan Arus KolektoriC = IS exp (vBE/VT) = IS exp ((VBE + vbe)/VT)

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

Model Sinyal Kecil dan Transkonduktansi

Kuliah 2 - 10

slope = gm iCiCIC

2 2

Q 1 1

waktu

3 31 VBE23 vbe

vBE = VBE + vbe

arus kolektor

waktu

iC = IC exp (vbe/VT)bila vbe > VBE dan RE >> RB / ( +1)Rule of thumb:

VBB = (1/3) VCC VCE = (1/3) VCCRangkaian Bias Catu Daya Ganda

VEE = IB RB + VBE + IB( +1) RE

+VCCIB=IE/( +1)

Kuliah 2 - 20

RCIB = (VEE-VBE)/(RB + RE ( +1) ) I RB LIE = (VEE-VBE)/(RE + RB/( +1) ) RERangkaian Bias Lain

+VCC

-VEE

+VCC(a) dengan sumber arus

RB

(b) dengan resistorRC kolektor-basisRCRBIE IEanalisis rangkaian (b)

VCC = IE RC + IB RB + VBE

+VCCRC IB

IC+IB=IEVC=VBE+IBRBVCC = IE RC + IE RB /( +1) + VBE

IE = (VCC-VBE)/(RC + RB /( +1) )

RB ICVBE IE

Untuk menurunkan sensitivitas IE terhadap

RC >> RB / ( +1)

Kuliah 2 - 21

Rangkaian Dasar Penguat Satu Tingkat BJT+VCCRCZ C

C1 B CXRB E Y C3 RE-VEEJenis Penguat

Node Common(grounded)

Node Input Node OutputCommon Emitter Y (emitter) X (base) Z (collector)Common Base X (base)

Y (emitter)

Z (collector)Common Collector Z (collector)

X (base)

Y (emitter)

Penguat Common Emitter

+VCC

Kuliah 2 - 22

Rs iiX +

C1=

RCC2=C B

C3=

Z

Y Ro

+

RL vo-vs vi-Ri

RB ERE-VEE

transistor

amplifierRs ii B CX +vs vi

+ gmv v

Z io +vo- RB - r r

RC RL -Ri E RoRi = RB // r

Gm= -gm

Rs iiX +vs vi

Gm vi

amplifier

Z

io +

vo

Ro = RC // r

- Ri

Ro RL -Kuliah 2 - 23Analisis Rangkaian Penguat Common EmitterKapasitor C1 dan C2 sebagai kapasitor kopling

Kapasitor C3 sebagai kapasitor bypass

Resistansi input

vi

Ri iivo=0

= RB // rr bila

RB >> rTranskonduktasi

io

-gm v

Gm vi =vo=0

v = -gmResistansi Output

voRo iovi=0

= RC // rRC bila

RC > r

Av =

(RC // ro // RL)

r + RsKuliah 2 - 25

Penguat Common Emitter dengan Resistor Emitter

+VCCvs

Rs iiX +vi-

C1= B RB

RCC2=CE Re

Z

+RL vo -RoRi RE Rib

RE1

C3= Y-VEEtransistor

amplifierRs ii B CX +vs vi

+ gmv v

Z io +vo- RB

- r r

RC RL -

Ri E RoRib Re RocRs ii

ib=v /r

Kuliah 2 - 26

Cvs

+

vi- RB

vb B +v- r

gmv

io +voRC RL -Ri=vi/ii

(gm+1/r )v E Rib=vb/ib Re=vi/ibixCRs RB

+ gmv v

- r ix r

(ix-gmv ) +vx-ve/(r +RB//Rs) E Reve ixRevs

Rs iiX +vi-

Gm viRi

Z

io +

voRo RL -

Ri = RB // r gmRe) Gm= -gm/ gmRe) Ro RC

Analisis Rangkaian Penguat Common Emitter dengan Resistansi Emitter

Kapasitor C1 dan C2 sebagai kapasitor kopling

Kapasitor C3 sebagai kapasitor bypass

Resistansi input

vi

Kuliah 2 - 27

Ri iiRib

= RB // Rib vb ib

ib = v / r

vb = v + (gm + 1/ r v Re dengan (gm + 1/ r = re maka vb = (1 + Re/ re v

Rib = r (1 + Re/ reRib r (1 + gm ReRi = RB // r (1 + gm Re

dengan re 1/gm maka

Perhatikan Rib = r (1 + Re/ re re (1 + Re/ reRib = ( re + Re)

Resistansi emitter dirasakan kali di base (reflection rule)

Transkonduktasi

io

-gm v

Kuliah 2 - 28

sebelumnya telah didapatGm vi = vRL=0

vb = (1 + Re/ re vGm = gm

1 + Re / re

dengan re 1/gm maka

Perhatikan

Gm gm

1 + gm ReRib naik sebesar (1+gmRe) kali dan Gm turun (1+gmRe) kali.Resistansi Output

Ro = RC // Roc dengan Roc = vx / ix vx = (ix - gm v ) ro + vev = ix Re r

r + (Rs // RB) gm Re r

ve ix ReRoc = ro (1 +

) + Re r + (Rs // RB)

untuk Re > Rs makaAv gm

1 + gm Re

(RC // RL)

atau dalam bentuk lain1Avre + Re

(RC // RL)

2. Penguat lebih tahan distorsi nonlinear pada sinyal besar karena dengan v yang sama vi dapat dinaikan dengan faktor 1 + Re/re3. Penguat mempunyai respons frekuensi yang lebih baik (Bab 7)

Penguat Common Base

+VCC

Kuliah 2 - 30X C1=

RCC2=C B

C3=

Z

RLii Ro

io +vo-RB EY + Rsamplifier transistor

C Z

io ieRC

RE-VEE+vo

vi vs-

RiB ieE

re ii Rs

RL -

RoY +RE vi vs-RiRi = RB // r

Gm= -gm

Rs iiX +vs vi

-

Gm viRi

Z

io +

voRo RL -Ro = RC // r

Analisis Rangkaian Penguat Common Base Kapasitor C2 dan C3 sebagai kapasitor kopling Kapasitor C1 sebagai kapasitor bypass

Resistansi input

vi

Kuliah 2 - 31

Ri iiTranskonduktasi

vo=0

= RE // rere untuk

RE >> reGm io

vi

=vo=0

- ie

v i

= -gm

karena ie = -(vi / re)

Resistansi Output

voRo iovi=0

= RCPenguatan Tegangan (beban terbuka)

vo Avo viPenguatan Arus

= Gm Ro = -gm RCio=0 atau RL=

Ais

io

ii

=vo=0 atau RL=0

Gm vi

v i / Ri

= Gm Ri = gm re =

Penguatan Tegangan

Av = Ri Ri + Rs

Gm (RC // RL) = re

re + Rs

Gm (RC // RL)

Penguat Common Collector

+VCCRCC2= Z

Kuliah 2 - 32

vs

Rs iiX +vi-Ri

C1=

RB

C B

ERib

C3= RE

Y

io +RL voRo -vs

Rs iiX +vi-Ri

B ibRB r

Rib

-VEECib r

E Y

io +

vo

amplifier

transistor

ground sinyal

RL -vb ro

RoRe = RE // ro // RL:

Rib

reRE RLground sinyal

ve/vb = RE / (re + RE):

Analisis Rangkaian Penguat Common Collector Kapasitor C1 dan C2 sebagai kapasitor kopling Kapasitor C3 sebagai kapasitor bypass

Resistansi input

Kuliah 2 - 33

Ri = RB // RibRib = ( + 1) (re + Re) dan Re =: Ri = RB // ( + 1) (re + (RE // ro // RL))

RE // ro // RLJika RB cukup besar maka Ri ( + 1) (re + (RE // ro // RL))

dan bila RL IBsat(faktor 2 - 10 kali)

forced = iCsat) / IB

RBvI iB

VCC RC+ VBE

-

iCsat+

vCEsat

-Transistor sebagai SwitchInverter Transistor

vC(V) VCC

cut0ff

aktif saturasi

titik bias sebagai penguatVCEsat 0.30.5 vIuntuk IB maks

vI(V)

Model Transistor dalam keadaan saturasi

B C EVBE 0.7

VCEsat 0.3

VEB 0.7

VECsat 0.3npn

B C

C pnp

B model sangat disederhanakanEKarakteristik Statis Lengkap dan Efek Orde Dua

Karaktersistik Common-BaseiCsaturasi aktif

iE = IE1 iE = IE200.4 - 0.5

iE = 0

BVCB0

vCB

rB C

+r v r- gmvEKarakteristik Statis Lengkap dan Efek Orde Dua

Kuliah 2 - 38Karaktersistik Common-Emitter

iCsat aktif iB = IB1iB = IB2

IBiCiB vCEiC ICQ

iB = IBQ+ iBiB = IBQQ0 VCEQ

iB = 0

BVCE0

vCE

hFE dc ICQ/IBQ

hfe ac iC/ iB = konstaniC iCsat aktif

kenaikan rendah

kenaikan tinggi

slope

=1/RCEsat

0 0.1 0.2 0.6 0.8

vCE

0 VCE0ff

vCE

transistor

hFE ( )

Kuliah 2 - 39

400

T = 125oC300200

T = 25oC

100

T = -55oC

IC ( A)

1 10 102 103 104 105iCslope = RCEsatQgaris bebanvCE0 VCEsat

Konsentrasi carrier

i

-

E

2

x

E