Struktur Fisik Bipolar Junction Transistor (BJT) npn

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

EBJ CBJ

  E C

  Emitter Base Collector

  

n p n

Kontak Metal

  B

  pnp

  E C

  Emitter Base Collector

  

p n p

  B

  Mode Operasi BJT Mode Junction E-B Junction C-B cut-off reverse reverse active forward reverse saturation forward forward

  Kuliah 2 - 2 p n n

  E B C hole injeksi

  elektron injeksi elektron difusi elektron koleksi

• iE iE iE iC iC iC iB forward bias reverse bias rekombinasi elektron
>

  VBE

  VCB vBE vCB

  Aliran Arus pada BJT npn n p n

  E B C Struktur Planar BJT npn

  Kuliah 2 - 3 Persamaan Arus pada BJT npn

  Emitter deplesi Base deplesi Kolektor (n) EBJ (p) CBJ (n) np(0) konsentrasi elektron np (ideal)

  Konsentrasi carrier

  konsentrasi pn(0) hole np

  (+rekombinasi) pn0 jarak lebar base efektif

  arus kolektor

iC = IS exp (vBE/VT)

β iB = iC / arus basis

  β iB = IS / exp (vBE/VT) arus emitor iE = iC + iB

  (KCL)

  α iC = iE

• 1)/ = /( +1)

  β β α β β iE = iC (

  α iE = IS/ exp (vBE/VT)

• 1)/

  β β iE = IS( exp (vBE/VT) = /(1- )

  

β α α Model Rangkaian Pengganti (Sinyal Besar) model T (letak simpul bersama di basis) model

• vBE

  π (letak simpul bersama di emitor)

  iC

  iB

• vBE

  iE E B C

  IB

  β

  )

  β

  DE (IS /

  IS exp(vBE/VT) iE E B C iB iC

  )

  β

  vBE

  DE (IS /

  )

  α

  (IS /

  IE

  iE α

  ) DE C B E iC iB

  α

  (IS /

  vBE

  IS exp(vBE/VT)

  DE C B E iC iB iE

  Kuliah 2 - 4

  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 - 5

  forward bias reverse bias

  

p n p

  E

  hole injeksi hole difusi hole koleksi

  C iE iC rekombinasi elektron injeksi hole iB

• vBE vCB

  B iE iE iC iC

  VBE

  VCB E E iE

• vEB

  DE iB

• )

  α

  (IS / + B

  DE

  vEB

  IS exp(vEB/VT) )

  β

  (IS /

  IS exp(vEB/VT)

• B C iC

  iE iB iC C

  Kuliah 2 - 6 C B E C B E npn pnp

  Simbol BJT Polaritas tegangan dan arah arus

  VEB

  VBC B E C

  IB

  IE

  IC

  VCB

  VBE B C E

  IB

  IC

  IE

  Kuliah 2 - 7 Representasi Grafis Karakteristik BJT

  iC iC T1 T2 T3 T4

  I

  0.5

  0.7 vBE(V) vBE(V) T1 > T2 > T3 > T4 kurva iC - vBE Efek temeperatur kurva iC - vBE vBE naik dengan suhu sebesar -2 mV / oC

  iC = IS exp (vBE/VT)

  iC

  4

  α

  iE = 4 mA vCB iC 3 3 mA

  α

  2 2 mA

  α

  1 mA

  1 α

  iE 2 4 6 8 10 12 vCB (V)

  Kuliah 2 - 8 Tegangan Early iC

• vCE vBE
• iC vBE = ...

  daerah aktif vBE = ... daerah saturasi vBE = ... vBE = ...

• VA

  vCE penyebab: perubahan lebar efektif basis akibat penambahan daerah deplesi kolektor-basis dengan peningkatan tegangan vCE Perubahan dianggap linier

  iC = IS exp (vBE/VT) (1 + vCE/VA)

• 1

  ∂ iC

  ≈ ro

VA/IC

  ≡ ∂ vCE

  Kuliah 2 - 9 Transistor sebagai Penguat iC

  IC iB

  IB

  

VCC

  VCC

  vCE

  VCE

  vbe

  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) α

  IE = IC / β

  IB = IC /

  VC = VCE = VCC - IC RC Persamaan Arus Kolektor iC = IS exp (vBE/VT) = IS exp ((VBE + vbe)/VT) iC = IS exp (VBE/VT) exp (vbe/VT) = IC exp (vbe/VT)

  Kuliah 2 - 10 Model Sinyal Kecil dan Transkonduktansi slope = gm iC iC

  2

  2 Q

  1 1 waktu

  IC

  3

  3

1 VBE

  2 vbe vBE = VBE + vbe

  3 waktu

  arus kolektor

  iC = IC exp (vbe/VT)

  bila , maka

  

≈

vbe << VT iC

  IC (1 + vbe/VT) = IC + ic

  aproksimasi sinyal kecil

  ic = (IC/VT) vbe

  atau

  ic = gm vbe

  dimana

  gm = (IC/VT)

  Kuliah 2 - 11 Arus dan Resistansi Input Basis

  arus basis

  β β iB = iC / = (IC + ic )/

  β + (1/β) iB = IC / (IC/VT) vbe

  juga

  iB = IB + ib

  sehingga

  (1/β) /β) ib = (IC/VT) vbe = (gm vbe

  atau

  ib = vbe / r π

  dimana atau

  r r β/

  

= gm = VT/IB

π π

  Arus dan Resistansi Input Emitor

  arus emitor

  iE = iC / α = (IC + ic )/ α = IE + ie

  dimana

  / α = α = ( α ( ie = ic gm vbe /

  IC /

  VT) vbe =

  IE/VT) vbe

  dimana

  

ie = vbe / re re = VT / IE

  1 α / ≈ / re = gm gm

  Kuliah 2 - 12 Hubungan Resistansi Input Basis dan Emitor vbe = r

  π ib = re ie

  sehingga

  r π

  = ie re / ib r π

  

= (

β
• 1) re

  Penguatan Tegangan

  tegangan sinyal kecil pada basis

  vC = VCC - iC RC

  tegangan sinyal kecil pada kolektor

  

= VCC - (IC + ic) RC

= (VCC - IC RC) - ic RC vC = VC - ic RC

vc = - ic RC = - gm vbe RC

  sehingga

  = ( - gm RC) vbe

  penguatan tegangan

  vc / vbe = - gm RC

  Kuliah 2 - 13 Rangkaian Pengganti Sinyal Kecil iC

  RC RC

  ic = gm vbe C C ib = vbe/r

  π iB

  B B

  VCC

  vce vCE

• vbe

  E

• E vbe

  vbe vBE

• ie = vbe / re

  VBE iE

• Rangkaian sinyal lengkap Rangkaian sinyal kecil

  Model Hybrid- π

  ib ic ib ic B

  C B C

• + r

  r

  π π vbe gm vbe vbe ib -

• gm = IC / VT r gm

  π = β /

  ie ie

  E E

  ) ie = vbe / r + gm vbe = vbe / r gm r π π (1 + π

  

)

= vbe / r π (1 + β ie = vbe / re

  β gm vbe = gm r ib = ib

  π

  B ib

• vbe
• + - vbe gm vbe

  π gm vbe = gm re ie =

  (β+1 )) = vbe / r

  (1 − β/(β+1) ) ib = vbe / (re

  (1 − α ) = vbe / re

  (1 − gm re) = vbe / re

  Model T ib = vbe / re - gm vbe = vbe / re

  re

  Kuliah 2 - 14

  ie

  C E ic

   ie

  B ib

  gm C E ic ie re

  = α /

  gm = IC / VT re

  α ie

  Kuliah 2 - 15

• + - v gm v

  r

  ο =

  VA / IC B

  C E r

  π

  r

  ο

  B C E

  ib

  r

  π ib

  r

  ο Penambahan Efek Early pada Model Hybrid-

  π vo = - ic RC = - gm vbe (RC // ro)

  Kuliah 2 - 16 Analisis Grafis

  VCC iC vCE = VCC - iC RC

  RC RB

• vCE
• vBE vi iB iB garis beban
• slope= -1/RB

  VBB

VBB/RB

  Karakteristik Transfer Input garis beban

  IB iB = (VBB - vBE) / RB vBE

  VBE

  VBB garis beban iC slope= -1/RC iB = ...

  VCC/RC iB = ...

  Karakteristik Transfer Output iB = ...

  IC garis beban iB = ... iC = (VCC - vCE) / RC

  VCE

  VCC vCE

  Kuliah 2 - 17 Kurva Transfer Karakteristik Input

  iB slope = -(1/RB) daerah dengan kurva dioda yang hampir liner ib iB2 waktu,t

  Q

  IB iB1

  VBE

  VBB vBE vbe vbb waktu,t waktu,t

  Kuliah 2 - 18 Kurva Transfer Karakteristik Ouput

  slope= -1/RC iC ic iB = iB2 iC2

  IB

  IC

  waktu, t

  iB2 iC1

  VCE

  VCC vCE vce

  waktu, t

  VCE = (1/3) VCC

  β

  VBB = (1/3) VCC

  Rule of thumb:

  β

  IE = (VBB-VBE)/(RE+RB /(

  β

  VBB >> VBE dan RE >> RB / (

  Untuk menurunkan sensitivitas IE terhadap temperatur

  β

  IB = (VBB-VBE)/(RB + RE(

  VBB = IB RB + VBE + IB(

  Kuliah 2 - 19 Rangkaian Bias Catu Daya Tunggal

  Rangkaian nyata Rangkaian untuk/hasil analisis dengan rangkaian basis diubah ke struktur thevenin

  VCC L

  VBB = VCC R2 / (R1+R2)

  IE

  IC

  IB

  RB=R1//R2

  VCC RC RE

  RE RC R2 R1

• 1) RE
• 1) )
• 1) )
• 1)
• VCC
• 1)
• 1) RE
• 1) )
• 1) )
• VEE
• VCC
• VCC

  IE

  VC=VBE+IBRB

  VCC = IE RC + IB RB + VBE

  VCC = IE RC + IE RB /( +1) + VBE

  IE = (VCC-VBE)/(RC + RB /(

  β

  RC

  RB

  (b) dengan resistor kolektor-basis

  RB RC

  IE

  (a) dengan sumber arus analisis rangkaian (b)

  IE = (VEE-VBE)/(RE + RB/(

  β

• VCC
• 1) )

  Untuk menurunkan sensitivitas IE terhadap β

  IC

  IB

  IC+IB=IE

  VBE

  Kuliah 2 - 20

  RC RE

  IB=IE/(

  β

  IE L RB

  Rangkaian Bias Catu Daya Ganda

  IB = (VEE-VBE)/(RB + RE (

  β

  VEE = IB RB + VBE + IB(

  β

  Rangkaian Bias Lain

  RC

  IE

  RB

• 1)

  β

  Kuliah 2 - 21 Rangkaian Dasar Penguat Satu Tingkat BJT

• VCC

  RB RC RE

  C2 C3 B C E

  X Y Z

• VEE C1

  Jenis Penguat Node Input Node Output Node Common (grounded)

Common Emitter Y (emitter) X (base) Z (collector)

Common Base X (base) Z (collector) Y (emitter) Common Collector Z (collector) Y (emitter) X (base)

  Kuliah 2 - 22 Penguat Common Emitter

• VCC RC

  ∞

  C2= Z C

  ∞

• Rs ii C1=

  B RL vo

  ∞

• X C3= Ro -

  Y E vs vi RB

• RE

  Ri transistor

• VEE amplifier

  Rs ii B C

• X

  Z gmv io

  π

  v vs vi vo

  π

• r r

RB RC RL

  π ο

  Ri Ro

  E amplifier Rs ii

  Z Ri = RB // r

  π

  X

  Gm vi io vs vi vo

  Gm= -gm Ri Ro

  RL Ro = RC // r

  ο

  Kuliah 2 - 23 Analisis Rangkaian Penguat Common Emitter Kapasitor C1 dan C2 sebagai kapasitor kopling Kapasitor C3 sebagai kapasitor bypass Resistansi input vi

  π Ri = RB // r

  ≡ ii vo=0 r bila π RB >> r

  ≈ π Transkonduktasi io

• -gm v

  π = Gm = -gm

  ≡ v

  

π

vi vo=0

  Resistansi Output vo ο

  Ro = RC // r ≡ io vi=0 vi=0

  ≈ bila π RC RC << r Penguatan Tegangan (beban terbuka) vo

  ο)

Avo = Gm Ro = -gm (RC // r

  ≡ vi io=0 atau RL= ∞

  Avo = -gm ro = -(IC/VT) (VA/IC) = -VA / VT max

  ≈

  Ri Ri + Rs (RB // R

  π

  β (RC // ro // RL) r

  π

  π r

  RB >> r π bila r

  π) (RB // R π) + Rs

= gm (RC // ro // RL)

  Penguatan Tegangan Av = = Gm (Ro // RL) vi vs vo vi

  Kuliah 2 - 24 Analisis Rangkaian Penguat Common Emitter Penguatan Arus (beban terhubung singkat) Ais

  RB = - β

  1 1 + r π /

  RB RB + r π

  ) = - gm r π

  Ais = -gm (RB // r π

  = Gm vi vi / Ri = Gm Ri

  ≡ io ii vo=0

• Rs gm (RC // ro // RL) =
• Rs Av
• VCC
• vo

  Re RE

  ∞

  RL

  Ri ii Ro

  Rs vs

  ∞

  C1=

  X Z

  Y C3=

  Rib

  B C E

  ∞

  RB RC RE1 C2=

  Kuliah 2 - 25

  Penguat Common Emitter dengan Resistor Emitter

• vi
• VEE
• v
• vi
• vo

  Ri Rs vs ii

  RB

  π

  r

  π

  r

  ο

  gmv

  π

  B C E Ro io

  X Z transistor amplifier

RC RL

  Rib Re

  Roc

  B C E io

  π

  Kuliah 2 - 26

  /r

• v
• vi
• vo

  RB

  π

  r

  π

  gmv

  π

RC RL

  Rib=vb/ib =vi/ib

• v
• vx ix

  Z

  ixRe

  ∞

  ve/(r

  π

  Ri RL

  X Gm vi Ro

  ) ix ve

  Rs ii Ri = RB // r

  π(1+

  gmRe) Gm= -gm/

  (1+

  gmRe) Ro

  ≈

  RC

  ≈

  (ix-gmv

  π

  Re vb ib=v

  π

  Ri=vi/ii Rs vs ii

  (gm+1/r

  π

  )v

  

π

  Rs RB

  π

  r

  r

  ο

  gmv

  π

  C E Re

  π

• RB//Rs) vs
• vi
• vo io
Kuliah 2 - 27 Analisis Rangkaian Penguat Common Emitter dengan Resistansi Emitter Kapasitor C1 dan C2 sebagai kapasitor kopling Kapasitor C3 sebagai kapasitor bypass Resistansi input vi

  ≡ Ri = RB // Rib ii vb / r

  ≡ Rib ib = v

  π π ib v vb = v + (gm + 1/ r Re

  π π) π dengan (gm + 1/ r = re maka

  π) v

  ) vb = (1 + Re/ re

  π r

  ) Rib = (1 + Re/ re

  π ≈ dengan re 1/gm maka r

  ≈ ) Rib (1 + gm Re

  π r

  ) Ri = RB // (1 + gm Re

  π r

  ) = (β + 1) ) Perhatikan Rib = (1 + Re/ re re (1 + Re/ re

  π ( Rib = re + Re)

  Resistansi emitter “dirasakan” kali di base (reflection rule) Transkonduktasi Kuliah 2 - 28 io

• gm v

  π sebelumnya telah didapat =

  ≡ Gm v

  π vi

  RL=0 v

  ) vb = (1 + Re/ re

  π gm Gm =

  ≈ dengan re 1/gm maka 1 + Re / re gm

  ≈ Gm 1 + gm Re

  Perhatikan Rib naik sebesar (1+gmRe) kali dan Gm turun (1+gmRe) kali.

  Resistansi Output Ro = RC // Roc dengan Roc = vx / ix ≈ ve ix Re vx = (ix - gm v ) ro + ve

  

π

ix Re r

  π v =

  π r

• (Rs // RB)

  π gm Re r

  π

Roc = ro (1 + ) + Re

r
• (Rs // RB)

  π << untuk Re ro maka gm Re r

  π ≈

  Roc ro (1 + ) r

• (Rs // RB)

  π sehingga gm Re r

  π =

  

Ro RC // ro (1 + )

r
• (Rs // RB)

  π ≈

  Ro RC

  Kuliah 2 - 29 Penguatan Tegangan Av

  π (1 + gm Re) + Rs (RC // RL)

  

2. Penguat lebih tahan distorsi nonlinear pada sinyal besar karena

dengan v π yang sama vi dapat dinaikan dengan faktor 1 + Re/re

  1 (RC // RL)

  ≈

  

(RC // RL)

atau dalam bentuk lain re + Re Av

  (1 + gm Re) >> Rs maka Av ≈ gm 1 + gm Re

  Bila r π

  π r

  ≡ vo vs vo vs vo vs

  Bila RB cukup besar maka Av ≈ gm r

  1. Penguatan Av menjadi lebih bebas dari nilai β .

  1 + gm Re (RC // RL) Perhatikan

  π (1 + gm Re)) + Rs gm

  π (1+gmRe) (RB // r

  Gm (Ro // RL) = (RB // r

  = = Ri Ri + Rs

  3. Penguat mempunyai respons frekuensi yang lebih baik (Bab 7) Penguat Common Base

• VCC

  Kuliah 2 - 30

  RC

  ∞

  C2= Z C

  RL io

• X B

  ∞

  C1=

  vo

  ∞

  C3= ii Ro

• E RB

  Y

• Rs RE vi vs
• amplifier transistor
• VEE

  Ri C Z

• io

  α

  ie vo

  RC

• B RL

  Ro ie re ii

  Rs E Y

• vs

  RE vi

• Ri Rs ii

  Z Ri = RB // r

  π

  X

  Gm vi io vs vi vo

  Gm= -gm Ri Ro

• RL
• Ro = RC // r

  ο

  Kuliah 2 - 31 Analisis Rangkaian Penguat Common Base Kapasitor C2 dan C3 sebagai kapasitor kopling Kapasitor C1 sebagai kapasitor bypass Resistansi input Transkonduktasi

• α

  Gm io vi vo=0

  =

  ie v i = -gm = RE // re

  RE >> re ≈

re

untuk

  Ri ≡ vi ii vo=0

  Resistansi Output Ro vo io vi=0

  Ro ≡

  = RC Penguatan Tegangan (beban terbuka) Avo

  ≡ vo vi io=0 atau RL= ∞

  = Gm Ro = -gm RC Gm karena ie = -(vi / re) ≡

  Ais ≡ io ii vo=0 atau RL=0

  = Gm Ri Penguatan Arus = Gm vi v i / Ri = gm re =

  α Penguatan Tegangan Av =

  Ri Ri + Rs

Gm (RC // RL) =

re re + Rs Gm (RC // RL)
• VCC

  Kuliah 2 - 32 Penguat Common Collector

  RC

  ∞

  C2= Z C

  ∞

  Rs ii C1= B

  ∞

• X C3=

  Y E vs vi RB

• io
• RE vo

  RL

• Ri Rib Ro -VEE

  Rs ii ib B C

  β

• X r ib

  ο

  amplifier vs vi

• r

  RB

  π

  transistor Ri

  E Y Rib

• io vo ground sinyal

  RL

• Ro Re = RE // ro // RL: vb ro ve/vb = RE / (re + RE): re

RE RL

  Rib ground sinyal

  Kuliah 2 - 33 Analisis Rangkaian Penguat Common Collector Kapasitor C1 dan C2 sebagai kapasitor kopling Kapasitor C3 sebagai kapasitor bypass Resistansi input Ri = RB // Rib

  : β

  Rib = ( + 1) (re + Re) dan Re = RE // ro // RL β

  Ri = RB // ( + 1) (re + (RE // ro // RL))

(

≈ β

  Jika RB cukup besar maka Ri + 1) (re + (RE // ro // RL)) ( ≈ β dan bila RL << (RE // ro) maka Ri + 1) (re + RL) = r + (

  β

• 1) RL

  π Penguatan tegangan Av = vo/vs = vo/vi vi/vs

  Ri

  1 ≈ vi/vs = dengan Ri besar maka vi/vs

  Ri + Rs (RE // ro // RL) vo/vi = re + (RE // ro // RL)

  Ri (RE // ro // RL) Av = Ri + Rs re + (RE // ro // RL) (

  β

• 1) RL

  ≈ bila RB besar dan RL << RE / ro (

  β

• 1) RL + r +Rs

  π

  Kuliah 2 - 34 Penguatan Arus vo/RL Ri RE // ro // RL Ri

  = ≈ ≡

  Ai io/ii = vs/(Ri + Rs) RL (RE // ro // RL) + re RL

• 1

  ≈ β Ai Jika RL << (RE // ro ) serta RB >> Rib maka

  Resistansi Output

  Rs ib B C RB r

  β

  ib

  

π

  ix E i

  Rib RE // ro vx

  Rie = vx/i Ro= vx/ix

  i ≡

  ≡ = −(β Ro vx / ix = Rie // RE // ro Rie vx / i +1) ib r vx

• (Rs // RB)

  π = = ib Rie

• 1)

  (β r

• (Rs // RB)

  π r r

• (Rs // RB) + (Rs // RB)

  π π ≈ Ro = RE // ro //

• 1) +1)

  

(β (β

Rs // RB Rs = re +

  

≈

bila RB cukup besar

• +1) +1)

  (β (β

  Kuliah 2 - 35 Transistor sebagai Switch

  VCC

  Daerah Cutoff

  iC RC iB = 0 iE = 0 iC = 0 vC

  RB vC = VCC iB vI

  Daerah Aktif ≈ iB = (vI - VBE) / RB (vI - 0.7) / RB

  β iC = iB vC = VCC - RC iC

  VCC

  Daerah Saturasi

  iCsat RC

  iCsat = (VCC - VCEsat) / RC

  RB

  β

  IBsat = iCsat) /

• vCEsat
• dalam desain IB > IBsat
• iB

  (faktor 2 - 10 kali)

  vI

  VBE

• β

  forced = iCsat) / IB

  Kuliah 2 - 36 Transistor sebagai Switch

0.3 VCC

  0.7 E B C

  C B E model sangat disederhanakan

  npn pnp

  0.7

  ≈

  0.3 VEB

  ≈

  VECsat

  ≈

  Inverter Transistor

  ≈

  VCEsat

  B C E

  Model Transistor dalam keadaan saturasi

  0.5 vI untuk IB maks titik bias sebagai penguat

  ≈

  VCEsat

  cut0ff aktif saturasi vI(V) vC(V)

0.3 VBE

  Kuliah 2 - 37 Karakteristik Statis Lengkap dan Efek Orde Dua

  Karaktersistik Common-Base

  saturasi aktif 0.4 - 0.5

  BVCB0 vCB iC iE = IE1 iE = IE2 iE = 0

• v

  π

  r

  π

  r

  µ

  gmv

  π

  r

  ο

  B C E

  Kuliah 2 - 38 Karakteristik Statis Lengkap dan Efek Orde Dua

  ≡ ∆ iC/

  BVCE0 vCE iC

  ICQ Q

  ∆

  iC sat aktif iB = IB1 iB = IB2 iB = IBQ+

  ∆

  iB iB = IBQ iB = 0

  VCEQ

  IB iB iC vCE vCE iC sat aktif kenaikan

  ≡

  ≡ β dc

  Karaktersistik Common-Emitter

  ∆ iB = konstan hFE

ICQ/IBQ

  0.2

  0.6

  0.8 vCE iC slope =1/RCEsat

  VCE0ff

  hfe ≡ β ac

  0.1

  rendah

  tinggi kenaikan

  β

  β

  Kuliah 2 - 39 transistor

  β

  )

  β

  hFE ( 400

  T = 125oC 300

  T = 25oC 200

  T = -55oC 100

  A)

  µ

  IC (

  1 10 102 103 104 105 iC slope = RCEsat

  Q garis beban vCE

  VCEsat