Kunci analisis sinyal kecil transistor adalah penggunaan rangkaian ekivalen (model) yang akan dibahas dalam bab ini.

Model adalah kombinasi elemen-elemen rangkaian dari sebuah perangkat semikonduktor yang dipilih dengan tepat dan yang paling mendekati karakteristik sebenarnya pada sebuah kondisi kerja tertentu.

Setelah rangkaian ekivalen AC ditentukan, simbol perangkat semikonduktor dapat digantikan dengan rangkaian ekivalen ini dan metode-metode dasar analisis rangkaian dapat diterapkan untuk menentukan parameter-parameter rangkaian.

Kekurangan menggunakan rangkaian ekivalen ini adalah rangkaian ekivalen tersebut hanya dipilih untuk rentang kondisi kerja tertentu, yang mungkin tidak sesuai dengan kondisi kerja sebenarnya. Dalam kebanyakan kasus, hal ini bukan merupakan kekurangan yang serius karena kondisi kerja sebenarnya cenderung mendekati kondisi kerja yang dipilih pada datasheet. Selain itu, selalu ada perbedaan nilai resistor sebenarnya dan nilai beta transistor, sehingga sebagai pendekatan, metode ini cukup dapat diandalkan.

Seiring waktu, penggunaan model re menjadi pendekatan yang banyak digunakan karena parameter penting rangkaian ekivalen ditentukan oleh kondisi kerja sebenarnya, daripada menggunakan nilai dari datasheet yang dalam beberapa kondisi bisa sangat berbeda dengan kondisi sebenarnya. Namun, anda masih harus mengacu pada datasheet untuk beberapa parameter lain pada rangkaian ekivalen.

Model r_e adalah versi sederhana dari model hibrida 𝜋 yang digunakan secara khusus untuk analisis frekuensi tinggi. Di dalam Model r_e juga dibahas tentang hubungan antara output dan input untuk memperhitungkan efek umpan balik dari tegangan output dan parameter-parameter input.

Dalam pembahasan ini, model re merupakan model utama yang digunakan kecuali jika pembahasan berfokus pada penjelasan model lain atau terdapat suatu kasus yang sebelumnya telah ditentukan modelnya.

Gambar 5.3 merupakan contoh rangkaian yang digunakan untuk menghasilkan rangkaian ekivalen AC. Asumsikan bahwa rangkaian ekivalen AC sinyal kecil transistor telah ditentukan. Karena yang dibahas hanya respons AC pada rangkaian maka semua sumber DC dapat digantikan dengan short-circuit, Karena sumber DC hanya menentukan nilai DC tegangan output dan bukan besarnya perubahan tegangan (swing) output AC.

Hal ini jelas ditunjukkan oleh Gambar 5.4. Nilai/sumber DC hanya digunakan untuk menentukan titik kerja Q yang tepat. Setelah ditentukan, Nilai/sumber DC dapat diabaikan dalam analisis rangkaian AC. Selain itu, kapasitor kopling C₁, C₂ dan kapasitor bypass C₃ dipilih sedemikian rupa sehingga memiliki reaktansi yang sangat kecil pada frekuensi yang digunakan. Oleh karena itu, dalam praktiknya, kapasitor-kapasitor tersebut juga dapat digantikan oleh short circuit. Perlu diperhatikan bahwa hal ini akan mengakibatkan resistor bias DC R_E menjadi short circuit. Ingat bahwa kapasitor diasumsikan sebagai rangkaian ekivalen open circuit pada kondisi DC steady-state yang memungkinkan pemisahan antara tahap pada level/tingkat DC dan kondisi quiescent(titik Q).

Saat Anda melakukan modifikasi terhadap rangkaian, penting untuk menentukan ekivalen AC yang melibatkan parameter-parameter seperti Z_i (impedansi input), Z_o (impedansi output), I_i (arus input) dan I_o (arus output) sebagaimana yang ditunjukkan pada Gambar 5.5. Meskipun tampilan rangkaian berubah, Anda harus memastikan bahwa nilai-nilai yang Anda dapatkan dalam rangkaian yang disederhanakan tetap sama dengan yang nilai-nilai pada rangkaian aslinya. Pada kedua rangkaian (yang disederhanakan dan aslinya), impedansi input ditetapkan dari terminal basis ke ground, arus input sebagai arus basis transistor, tegangan output sebagai tegangan dari terminal kolektor ke ground, dan arus output sebagai arus yang melewati resistor beban R_C.

Parameter-parameter pada Gambar 5.5 dapat diterapkan pada sistem apa pun, baik sistem tersebut memiliki satu atau seribu komponen. Untuk semua analisis yang akan dibahas dalam teks ini meliputi arah arus, polaritas tegangan, dan arah impedansi memiliki standar seperti yang terlihat dalam Gambar 5.5. Dengan kata lain, arah arus masukan Ii dan arus keluaran Io diatur masuk ke dalam sistem. Jika terdapat contoh tertentu yang  arus keluaran memiliki arah keluar dari sistem bukan masuk ke dalam sistem sebagaimana yang ditunjukkan dalam Gambar 5.5 maka tanda minus harus diterapkan pada arus. Polaritas yang ditentukan untuk tegangan masukan dan tegangan keluaran juga sesuai dengan Gambar 5.5. Jika V_o memiliki polaritas yang berlawanan maka tanda minus harus diterapkan pada tegangan. Perhatikan bahwa Z_i adalah impedansi yang masuk ke dalam sistem, sedangkan Z_o adalah impedansi sistem pada sisi keluaran. Dengan memilih arah yang telah ditentukan pada arus dan tegangan sebagaimana terlihat dalam Gambar 5.5 maka baik impedansi masukan maupun impedansi keluaran memiliki nilai positif.

Sebagai contoh pada Gambar 5.6, impedansi masukan dan impedansi keluaran pada sistem tertentu keduanya bersifat resistif. Jika arah arus I_i dan I_o sesuai dengan Gambar 5.6 maka tegangan yang dihasilkan pada elemen resistif akan memiliki polaritas yang sama dengan V_i dan V_o. Jika I_o memiliki arah yang berlawanan dengan Gambar 5.5 maka tanda minus harus diterapkan pada Io. Pada setiap kasus, Z_i = V_i/I_i dan Z_o = V_o/I_o akan bernilai positif jika semuanya memiliki arah dan polaritas yang sama dengan Gambar 5.5. Jika arah arus keluaran I_o sistem aktual berlawanan dengan Gambar 5.5 maka tanda minus harus diterapkan pada hasilnya karena V_o harus diatur seperti dalam Gambar 5.5. Jadikan Gambar 5.5 sebagai acuan saat Anda menganalisis rangkaian BJT dalam bab ini. Ini adalah pengantar yang penting untuk "Analisis Sistem" terlebih untuk sistem yang terdapat pada IC.

Jika kita menentukan titik ground bersama (common ground) dan menata ulang elemen-elemen pada Gambar 5.4, R₁ dan R₂ akan terparalel, dan R_C akan terhubung pada terminal kolektor ke emitor seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5.7. Karena komponen-komponen rangkaian ekivalen transistor yang muncul dalam Gambar 5.7 menggunakan komponen yang umum seperti resistor dan sumber terkontrol independen maka teknik analisis seperti superposisi, teorema Thévenin, dan sebagainya dapat diterapkan untuk menentukan besaran yang dicari.

Mari kita kaji lebih lanjut Gambar 5.7 dan mengidentifikasi besaran penting yang harus ditentukan pada sistem tersebut. Karena transistor adalah sebuah perangkat penguat maka terdapat hubungan antara tegangan output Vo dengan tegangan input V_i — yaitu penguatan tegangan. Perhatikan dalam Gambar 5.7, untuk konfigurasi ini penguatan arus didefinisikan oleh A_i = I_o/I_i.

Kesimpulannya, ekivalen AC pada rangkaian transistor dapat diperoleh dengan:

1. Mengatur semua sumber DC menjadi nol dan menggantinya dengan ekivalen short-circuit (hubung singkat)
2. Mengganti semua kapasitor dengan ekivalen short-circuit (hubung singkat)
3. Menghapus semua elemen yang dilewati oleh ekivalen short-circuit yang terdapat pada langkah 1 dan 2
4. Menggambar ulang rangkaian dalam bentuk yang lebih mudah dipahami

Pada bagian-bagian berikutnya, model ekivalen transistor akan dibahas untuk melengkapi analisis AC pada rangkaian Gambar 5.7.

.

Video Tutorial: