Rangkaian fixed-bias pada Gambar 4.2 merupakan konfigurasi transistor bias DC yang paling sederhana. Meskipun rangkaian ini menggunakan transistor NPN, persamaan dan perhitungannya dapat diterapkan dengan baik pada konfigurasi transistor PNP hanya dengan mengubah semua arah arus dan polaritas tegangan.
Arah arus pada Gambar 4.2 adalah arah arus yang akan digunakan dan penamaan tegangannya ditentukan oleh notasi pada subskrip. Untuk analisis DC, rangkaian transistor harus dipisahkan dari tegangan AC dengan cara mengganti kapasitor dengan rangkaian terbuka (open-circuit) yang setara/ekivalen karena reaktansi kapasitor dipengaruhi oleh frekuensi yang diterapkan. Untuk DC, f = 0 Hz, dan
Selain itu, supply tegangan DC (VCC) dapat dipisahkan menjadi dua supply (hanya untuk tujuan analisis) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.3, yaitu untuk memisahkan rangkaian masukan dan keluaran. Pemisahan ini juga mengurangi keterkaitan antara keduanya kecuali hanya pada arus basis IB. Pemisahan ini tentu saja dibenarkan dan valid, seperti yang dapat kita lihat pada Gambar 4.3 bahwa VCC terhubung langsung ke RB dan RC seperti pada Gambar 4.2.
Video Tutorial:
Forward Bias of Base – Emitter --> Input
Kita analisis terlebih dahulu rangkaian loop basis-emitor pada Gambar 4.4. Menggunakan persamaan Kirchhoff tegangan pada loop dengan arus searah jarum jam maka kita dapatkan: -VCC + IBRB + VBE = 0. Perhatikan polaritas tegangan drop pada RB yang ditetapkan oleh arah IB. Persamaan Kirchhoff tegangan di atas akan menghasilkan arus IB sbb:
Persamaan (4.4) tentunya lebih mudah anda ingat jika diasumsikan bahwa arus basis adalah arus yang melewati RB dan menurut hukum Ohm, arus adalah tegangan di sepanjang RB dibagi dengan resistansi RB. Tegangan pada RB adalah tegangan supply VCC dikurangi dengan penurunan tegangan pada basis-emitornya (VBE). Selain itu, karena tegangan supply VCC dan tegangan basis-emitornya VBE bernilai konstan, pemilihan resistor basis RB menentukan nilai arus basis IB.
Collector – Emitter Loop --> Output
Bagian kolektor–emitter pada rangkaian Gambar 4.5 dengan arah arus IC dan polaritas pada RC. Besarnya arus kolektor IC dapat dihitung dari konstanta 𝛽 dan IB:
Persamaan (4.5) menunjukkan hubungan antara IC dan IB, di mana konstanta 𝛽 adalah perbandingan antara arus kolektor dan arus basis. Menarik untuk dicatat bahwa karena arus basis dipengaruhi oleh nilai RB. Nilai IC dipengaruhi oleh IB dan konstanta 𝛽, besarnya IC tidak bergantung pada resistansi RC. Mengubah nilai RC tidak akan memengaruhi nilai IB atau IC selama transistor berada pada daerah aktif. Namun, seperti yang akan anda lihat, nilai RC akan menentukan nilai VCE, yang merupakan parameter penting. Dengan menerapkan hukum tegangan Kirchhoff dan arah arusnya berlawanan dengan arah jarum jam pada loop tertutup yang ditunjukkan pada Gambar 4.5 maka akan menghasilkan:
Ini menjelaskan bahwa tegangan pada kolektor-emitor transistor dengan konfigurasi fixed bias adalah tegangan supply VCC dikurangi dengan drop tegangan pada RC. Sebagai pengingat singkat notasi tunggal dan ganda, ingatlah bahwa:
di mana VCE adalah tegangan dari kolektor ke emitor, VC dan VE adalah tegangan dari kolektor dan emitor terhadap ground secara berturut-turut. Dalam kasus ini, karena VE = 0 V maka kita memiliki:
Perlu diingat bahwa nilai tegangan seperti VCE ditentukan dengan menempatkan ujung positif voltmeter (biasanya berwarna merah) pada terminal kolektor dan ujung negatif voltmeter (biasanya hitam) pada terminal emitter seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.6. VC adalah tegangan kolektor terhadap ground dan diukur seperti yang ditunjukkan pada gambar yang sama. Dalam kasus ini, dua nilai pembacaan voltmeter tersebut identik, tetapi pada konfigurasi-konfigurasi rangkaian selanjutnya pembacaan kedua nilai voltmeter tersebut bisa sangat berbeda. Memahami perbedaan antara kedua pengukuran tersebut terbukti sangat penting dalam pemecahan masalah (troubleshooting) rangkaian transistor.
Video Tutorial:
EXAMPLE 4.1
Tentukan parameter-parameter konfigurasi fixed-bias pada Fig. 4.7 berikut ini:
a. IBQ and ICQ.
b. VCEQ.
c. VB and VC.
d. VBC
Solution:
.
Video Tutorial:
Transistor Saturation
Istilah saturasi digunakan untuk setiap sistem di mana nilainya telah mencapai nilai maksimum. Sebagai analogi: Sebuah spons yang jenuh adalah spons yang tidak bisa menampung air lagi. Transistor yang bekerja di daerah saturasi memiliki arus yang mencapai nilai maksimum. Mengubah desain rangkaian akan mengakibatkan nilai saturasi berubah (naik atau turun) (contohnya Icsat akan berubah jika Vcc atau Rc berubah). Tentu saja, nilai saturasi tertinggi ditentukan oleh arus kolektor maksimum pada datasheet.
Saat transistor bekerja pada daerah aktif, Kondisi saturasi biasanya dihindari karena dioda/junction pada basis–kolektor tidak lagi reverse bias dan sinyal outputnya akan terdistorsi. Titik kerja pada daerah saturasi ditunjukkan pada Gambar 4.8a. Perhatikan bahwa titik Q berada di daerah di mana kurva karakteristiknya (biru) menjadi satu dan tegangan kolektor-terhadap-emiternya VCE berada di atas atau sama dengan VCEsat. Selain itu, nilai arus kolektor IC relatif tinggi.
Jika kita memetakan kurva pada Gambar 4.8a dengan kurva pada Gambar 4.8b, maka nilai saturasi akan lebih cepat didapatkan. Pada Gambar 4.8b, arusnya relatif tinggi dan tegangan VCE diasumsikan = 0 V. Dengan menerapkan hukum Ohm, kita dapat menentukan resistansi antara terminal kolektor dan emitter sebagai berikut:
Dengan mengaplikasikan hasil ini pada rangkaian transistor maka akan didapatkan konfigurasi seperti pada Gambar 4.9.
Untuk ke depannya, jika dibutuhkan waktu yang cepat untuk mengetahui perkiraan arus kolektor maksimum (tingkat saturasi ICsat) pada suatu desain maka anda cukup mengganti jalur antara kolektor dan emitter transistor dengan rangkaian ekivalen hubung singkat selanjutnya hitung arus kolektor. Dengan kata lain, atur VCE = 0 V. Untuk konfigurasi bias tetap (fixed bias) pada Gambar 4.10, rangkaian ekivalen hubung singkat telah diterapkan yang menyebabkan tegangan melintasi RC (VRC) adalah = tegangan VCC. Arus jenuh ICsat yang dihasilkan untuk konfigurasi bias tetap adalah:
Setelah nilai ICsat diketahui maka anda memiliki gambaran arus kolektor maksimum yang mungkin terjadi pada desain rangkaian yang anda pilih dan nilai parameter-parameter yang harus dijaga agar dapat melakukan penguatan linear (bekerja di daerah aktif).
.
EXAMPLE 4.2
Tentukan nilai saturasi pada rangkaian Fig. 4.7
The design of Example 4.1 resulted in ICQ = 2.35 mA, which is far from the saturation level and about one-half the maximum value for the design.
Video Tutorial:
.
Load-Line Analysis
Karakteristik BJT disusun berdasarkan plot persamaan rangkaian yang ditunjukkan oleh parameter-parameter pada sumbu X untuk VCE dan Y untuk IC. Resistor beban RC pada konfigurasi fixed bias akan menentukan kemiringan garis beban dan menentukan titik potong yang dihasilkan antara dua plot (sumbu X untuk VCE dan Y untuk IC). Semakin kecil nilai resistor beban RC maka semakin curam kemiringan garis beban rangkaian tersebut. Rangkaian pada Gambar. 4.11a menghasilkan persamaan keluaran yang menghubungkan variabel IC dan VCE sebagai berikut:
Karakteristik keluaran transistor juga menghubungkan dua variabel IC dan VCE yang sama seperti yang ditunjukkan pada Fig. 4.11b.
Karakteristik IC terhadap VCE ditunjukkan pada Gambar 4.11b. Selanjutnya, anda harus menggambar garis lurus berdasarkan Persamaan (4.12) pada karakteristik tersebut (Gambar 4.11b). Jika anda mengasumsikan IC = 0 mA maka anda dapat menentukan nilai VCE pada sumbu X. Dengan mengganti IC = 0 mA pada Persamaan (4.12) maka:
yang menghasilkan satu titik pada sumbu X seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.12.
Jika anda mengasumsikan VCE = 0V maka anda dapat menentukan nilai IC pada sumbu Y dengan persamaan berikut:
Dengan menghubungkan dua titik yang diperoleh dari persamaan (4.13) dan (4.14) maka anda dapat menggambar garis lurus yang sesuai dengan Persamaan (4.12). Garis lurus yang dihasilkan pada Gambar 4.12 disebut garis beban (load line) karena ditentukan oleh resistor beban RC. Anda dapat menentukan titik Q aktual dengan cara menghitung nilai IB seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.12.
Jika nilai IB diubah dengan mangubah nilai RB, titik Q akan naik atau turun di sepanjang garis beban seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.13 (nilai IB naik). Jika nilai VCC tetap dan RC naik, garis beban akan bergeser seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.14 (titik Q akan bergerak seperti yang ditunjukkan pada gambar dengan catatan nilai IB tetap). Jika RC tetap dan VCC turun, garis beban akan bergeser seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.15.
EXAMPLE 4.3
- Diketahui garis beban pada Fig. 4.16 dan Q-point, tentukan nilai-nilai VCC, RC, dan RB untuk konfigurasi fixed-bias.
.
Video Tutorial: