Teknik Biasing (BJT)

Di bagian emitor umum dari bab ini, kita melihat analisis SPICE di mana bentuk gelombang keluaran menyerupai bentuk setengah gelombang yang disearahkan:hanya setengah dari bentuk gelombang masukan yang direproduksi, dengan setengah lainnya benar-benar terputus. Karena tujuan kami saat itu adalah untuk mereproduksi seluruh bentuk gelombang, ini merupakan masalah. Solusi untuk masalah ini adalah menambahkan tegangan bias kecil ke input penguat sehingga transistor tetap dalam mode aktif sepanjang seluruh siklus gelombang. Penambahan ini disebut tegangan bias .

Output setengah gelombang tidak bermasalah untuk beberapa aplikasi. Beberapa aplikasi mungkin memerlukan jenis amplifikasi ini, karena dimungkinkan untuk mengoperasikan penguat dalam mode selain reproduksi gelombang penuh dan aplikasi tertentu memerlukan rentang reproduksi yang berbeda, sehingga berguna untuk menggambarkan sejauh mana penguat mereproduksi bentuk gelombang input dengan menunjuknya menurut kelas . Pengoperasian kelas amplifier dikategorikan dengan huruf abjad:A, B, C, dan AB.

Untuk Kelas A operasi, seluruh bentuk gelombang input direproduksi dengan tepat.

Kelas Penguat

Kelas A

Operasi hanya dapat diperoleh ketika transistor menghabiskan seluruh waktunya dalam mode aktif, tidak pernah mencapai cutoff atau saturasi. Untuk mencapai hal ini, tegangan bias DC yang cukup biasanya diatur pada tingkat yang diperlukan untuk menggerakkan transistor tepat di tengah antara cutoff dan saturasi. Dengan cara ini, sinyal input AC akan "terpusat" sempurna antara level batas sinyal tinggi dan rendah amplifier.

Kelas A:Output amplifier adalah reproduksi input yang setia.

Kelas B

Operasi adalah apa yang kami lakukan pertama kali sinyal AC diterapkan ke penguat emitor bersama tanpa tegangan bias DC. Transistor menghabiskan separuh waktunya dalam mode aktif dan separuh lainnya dalam mode cutoff dengan tegangan input terlalu rendah (atau bahkan dengan polaritas yang salah!) untuk membias maju sambungan basis-emitornya.

Kelas B:Bias sedemikian rupa sehingga setengah (180°) bentuk gelombang direproduksi.

Dengan sendirinya, amplifier yang beroperasi dalam mode kelas B tidak terlalu berguna. Dalam kebanyakan keadaan, distorsi parah yang dimasukkan ke dalam bentuk gelombang dengan menghilangkan setengahnya tidak dapat diterima. Namun, operasi kelas B adalah mode bias yang berguna jika dua amplifier dioperasikan sebagai push-pull berpasangan, setiap amplifier hanya menangani setengah bentuk gelombang pada satu waktu:

Penguat push pull kelas B:Setiap transistor mereproduksi setengah dari bentuk gelombang. Menggabungkan bagian-bagiannya menghasilkan reproduksi yang tepat dari seluruh gelombang.

Transistor Q1 "mendorong" (menggerakkan tegangan output ke arah positif terhadap ground), sedangkan transistor Q2 "menarik" tegangan output (dalam arah negatif, menuju 0 volt terhadap ground). Secara individual, masing-masing transistor ini beroperasi dalam mode kelas B, aktif hanya untuk setengah dari siklus bentuk gelombang input. Namun, bersama-sama, keduanya berfungsi sebagai tim untuk menghasilkan bentuk gelombang keluaran yang identik dengan bentuk gelombang masukan.

Keuntungan yang pasti dari desain amplifier kelas B (push-pull) dibandingkan desain kelas A adalah kemampuan daya keluaran yang lebih besar. Dengan desain kelas A, transistor membuang energi yang cukup besar dalam bentuk panas karena tidak pernah berhenti menghantarkan arus. Pada semua titik dalam siklus gelombang, ia berada dalam mode aktif (menghantarkan), menghantarkan arus yang besar dan menjatuhkan tegangan yang besar. Ada daya substansial yang dihamburkan oleh transistor sepanjang siklus. Dalam desain kelas B, setiap transistor menghabiskan separuh waktu dalam mode cutoff, di mana ia menghilangkan daya nol (arus nol =disipasi daya nol). Ini memberi setiap transistor waktu untuk "beristirahat" dan mendinginkan sementara transistor lain memikul beban. Amplifier Kelas A lebih sederhana dalam desain tetapi cenderung terbatas pada aplikasi sinyal berdaya rendah karena alasan sederhana pembuangan panas transistor.

Kelas AB

Kelas lain dari operasi penguat yang dikenal sebagai kelas AB berada di antara kelas A dan kelas B:transistor menghabiskan lebih dari 50% tetapi kurang dari 100% waktu menghantarkan arus.

Jika bias sinyal input untuk penguat sedikit negatif (berlawanan dengan polaritas bias untuk operasi kelas A), bentuk gelombang output akan lebih "terpotong" daripada dengan bias kelas B, menghasilkan operasi di mana transistor menghabiskan sebagian besar waktunya. waktu dalam mode cutoff:

Kelas C

Kelas C:Konduksi kurang dari setengah siklus (<180 °).

Pada awalnya, skema ini mungkin tampak sama sekali tidak ada gunanya. Lagi pula, seberapa bergunakah penguat jika memotong bentuk gelombang seburuk ini? Jika output digunakan secara langsung tanpa pengkondisian apa pun, itu memang akan menjadi utilitas yang dipertanyakan. Namun, dengan penerapan rangkaian tangki (kombinasi induktor-kapasitor resonansi paralel) ke output, lonjakan keluaran sesekali yang dihasilkan oleh amplifier dapat menggerakkan osilasi frekuensi tinggi yang dipertahankan oleh rangkaian tangki. Ini dapat disamakan dengan mesin di mana roda gila yang berat diberi “tendangan” sesekali untuk membuatnya tetap berputar:

Penguat kelas C menggerakkan sirkuit resonansi.

Disebut kelas C operasi, skema ini juga menikmati efisiensi daya yang tinggi karena transistor menghabiskan sebagian besar waktu dalam mode cutoff, di mana mereka menghilangkan daya nol. Tingkat peluruhan bentuk gelombang keluaran (mengurangi amplitudo osilasi antara "tendangan" dari amplifier) ​​dilebih-lebihkan di sini untuk kepentingan ilustrasi. Karena rangkaian tangki yang disetel pada output, rangkaian ini hanya dapat digunakan untuk memperkuat sinyal dengan amplitudo tetap dan tetap. Penguat kelas C dapat digunakan dalam pemancar radio FM (modulasi frekuensi). Namun, penguat kelas C mungkin tidak secara langsung memperkuat sinyal AM (amplitudo termodulasi) karena distorsi.

Kelas D

Jenis lain dari operasi penguat, berbeda secara signifikan dari Kelas A, B, AB, atau C, disebut Kelas D . Itu tidak diperoleh dengan menerapkan ukuran tegangan bias tertentu seperti kelas operasi lainnya, tetapi membutuhkan desain ulang radikal dari rangkaian penguat itu sendiri. Terlalu dini dalam bab ini untuk menyelidiki dengan tepat bagaimana penguat kelas D dibangun, tetapi tidak terlalu dini untuk membahas prinsip dasar operasinya.

Penguat kelas D mereproduksi profil bentuk gelombang tegangan input dengan menghasilkan yang berdenyut cepat gelombang persegi keluaran . Siklus kerja dari bentuk gelombang keluaran (waktu "on" versus total waktu siklus) bervariasi dengan amplitudo sesaat dari sinyal input. Plot di (Gambar di bawah menunjukkan prinsip ini.

Penguat Kelas D:Sinyal input dan output tanpa filter.

Semakin besar tegangan sesaat dari sinyal input, semakin besar siklus kerja pulsa gelombang persegi keluaran. Jika ada tujuan yang dinyatakan dari desain kelas D, itu adalah untuk menghindari operasi transistor mode aktif. Karena transistor keluaran dari penguat kelas D tidak pernah dalam mode aktif, hanya terputus atau jenuh, akan ada sedikit energi panas yang hilang olehnya. Hal ini menghasilkan efisiensi daya yang sangat tinggi untuk amplifier. Tentu saja, kelemahan dari strategi ini adalah adanya harmonik yang berlebihan pada output. Untungnya, karena frekuensi harmonik ini biasanya jauh lebih besar daripada frekuensi sinyal input, ini dapat disaring oleh filter low-pass dengan relatif mudah, menghasilkan output yang lebih mirip dengan bentuk gelombang sinyal input asli. Teknologi Kelas D biasanya terlihat pada tingkat daya yang sangat tinggi dan frekuensi yang relatif rendah, seperti pada inverter industri (perangkat yang mengubah daya DC menjadi AC untuk menjalankan motor dan perangkat besar lainnya) dan amplifier audio performa tinggi.

Istilah yang kemungkinan besar akan Anda temui dalam studi elektronik adalah sesuatu yang disebut diam , yang merupakan pengubah yang menetapkan kondisi input nol dari suatu rangkaian. Arus diam, misalnya, adalah jumlah arus dalam rangkaian dengan tegangan sinyal input nol diterapkan. Tegangan bias dalam rangkaian transistor memaksa transistor untuk beroperasi pada tingkat arus kolektor yang berbeda dengan tegangan sinyal input nol daripada tanpa tegangan bias itu. Oleh karena itu, jumlah bias dalam rangkaian penguat menentukan nilai diamnya.

Arus diam dari Amplifier

Dalam penguat kelas A, arus diam harus tepat setengah dari nilai saturasinya (setengah antara saturasi dan cutoff, cutoff menurut definisi adalah nol). Penguat Kelas B dan Kelas C memiliki nilai arus diam nol karena ini seharusnya terputus tanpa sinyal yang diterapkan. Penguat kelas AB memiliki nilai arus diam yang sangat rendah, tepat di atas cutoff. Untuk mengilustrasikan hal ini secara grafis, “garis beban” terkadang diplot di atas kurva karakteristik transistor untuk menggambarkan jangkauan operasinya saat terhubung ke resistansi beban dengan nilai tertentu yang ditunjukkan pada gambar di bawah.

Contoh garis beban yang ditarik di atas kurva karakteristik transistor dari Vsupply ke arus saturasi.

Garis beban adalah plot tegangan kolektor-ke-emitor pada rentang arus kolektor. Di sudut kanan bawah garis beban, tegangan maksimum dan arus nol, menunjukkan kondisi pemutusan. Di sudut kiri atas saluran, tegangan berada pada nol sementara arus maksimum, mewakili kondisi saturasi. Titik-titik yang menandai di mana garis beban berpotongan dengan berbagai kurva transistor menunjukkan kondisi operasi yang realistis untuk arus basis yang diberikan.

Kondisi operasi diam dapat ditunjukkan pada grafik ini dalam bentuk titik tunggal di sepanjang garis beban. Untuk penguat kelas A, titik diam akan berada di tengah garis beban seperti pada (Gambar di bawah.)

Titik diam (titik) untuk kelas A.

Dalam ilustrasi ini, titik diam terjadi pada kurva yang mewakili arus basis 40 A. Jika kita mengubah resistansi beban di sirkuit ini ke nilai yang lebih besar, itu akan mempengaruhi kemiringan garis beban, karena resistansi beban yang lebih besar akan membatasi arus kolektor maksimum pada saturasi, tetapi tidak akan mengubah tegangan kolektor-emitor pada memotong. Secara grafis, hasilnya adalah garis beban dengan titik kiri atas yang berbeda dan titik kanan bawah yang sama seperti pada

Garis beban yang dihasilkan dari peningkatan resistensi beban.

Perhatikan bagaimana garis beban baru tidak memotong kurva 75 A di sepanjang bagian datarnya seperti sebelumnya. Hal ini sangat penting untuk diketahui karena bagian non-horizontal dari kurva karakteristik merupakan kondisi kejenuhan. Memiliki garis beban mencegat kurva 75 A di luar rentang horizontal kurva berarti penguat akan jenuh pada jumlah arus basis tersebut. Peningkatan nilai resistor beban inilah yang menyebabkan garis beban memotong kurva 75 A pada titik baru ini, dan ini menunjukkan bahwa kejenuhan akan terjadi pada nilai arus basis yang lebih rendah dari sebelumnya.

Dengan resistor beban lama yang bernilai lebih rendah di sirkuit, arus basis 75 A akan menghasilkan arus kolektor proporsional (arus basis dikalikan dengan ). Pada grafik garis beban pertama, arus basis 75 A memberikan arus kolektor hampir dua kali lipat dari yang diperoleh pada 40 A, seperti yang diprediksi oleh rasio . Namun, arus kolektor meningkat sedikit antara arus basis 75 A dan 40 A, karena transistor mulai kehilangan tegangan kolektor-emitor yang cukup untuk terus mengatur arus kolektor.

Untuk mempertahankan operasi linier (tanpa distorsi), amplifier transistor tidak boleh dioperasikan pada titik di mana transistor akan jenuh; yaitu, di mana garis beban tidak akan berpotensi jatuh pada bagian horizontal dari kurva arus kolektor. Kita harus menambahkan beberapa kurva lagi ke grafik pada Gambar di bawah sebelum kita dapat mengetahui seberapa jauh kita dapat "mendorong" transistor ini dengan peningkatan arus basis sebelum jenuh.

Lebih banyak kurva arus basis menunjukkan detail saturasi.

Tampak pada grafik ini bahwa titik arus tertinggi pada garis beban yang jatuh pada bagian lurus suatu kurva adalah titik pada kurva 50 A. Titik baru ini harus dianggap sebagai level sinyal input maksimum yang diizinkan untuk operasi kelas A. Juga untuk operasi kelas A, bias harus diatur sehingga titik diam berada di tengah-tengah antara titik maksimum baru ini dan cutoff ditunjukkan pada Gambar di bawah.

Titik diam baru menghindari wilayah saturasi.

Sekarang kita tahu lebih banyak tentang konsekuensi dari tingkat tegangan bias DC yang berbeda, sekarang saatnya untuk menyelidiki teknik bias praktis. Sumber tegangan DC (baterai) dihubungkan secara seri dengan sinyal input AC untuk membiaskan amplifier untuk kelas operasi apa pun yang diinginkan. Dalam kehidupan nyata, koneksi baterai yang dikalibrasi dengan tepat ke input amplifier sama sekali tidak praktis. Bahkan jika dimungkinkan untuk menyesuaikan baterai untuk menghasilkan jumlah tegangan yang tepat untuk setiap persyaratan bias yang diberikan, baterai itu tidak akan tetap pada tegangan produksinya tanpa batas. Setelah mulai dikosongkan dan tegangan outputnya turun, amplifier akan mulai beralih ke operasi kelas B.

Ambil sirkuit ini, yang diilustrasikan di bagian emitor bersama untuk simulasi SPICE, misalnya, pada gambar di bawah.

Bias baterai dasar yang tidak praktis.

Baterai "Vbias" 2,3 volt itu tidak praktis untuk dimasukkan ke dalam rangkaian amplifier yang sebenarnya. Metode yang jauh lebih praktis untuk mendapatkan tegangan bias untuk penguat ini adalah dengan mengembangkan 2,3 volt yang diperlukan menggunakan jaringan pembagi tegangan yang terhubung melalui baterai 15 volt. Lagi pula, baterai 15 volt sudah ada karena kebutuhan, dan rangkaian pembagi tegangan mudah dirancang dan dibuat. Mari kita lihat bagaimana tampilannya pada gambar di bawah ini.

Bias pembagi tegangan.

Jika kita memilih sepasang nilai resistor untuk R2 dan R3 yang akan menghasilkan 2,3 volt melintasi R3 dari total 15 volt (seperti 8466 untuk R2 dan 1533 untuk R3), kita harus memiliki nilai yang diinginkan 2,3 volt antara basis dan emitor untuk biasing tanpa input sinyal. Satu-satunya masalah adalah, konfigurasi rangkaian ini menempatkan sumber sinyal input AC secara paralel dengan R3 pembagi tegangan kita. Ini tidak dapat diterima, karena sumber AC akan cenderung mengalahkan tegangan DC yang turun pada R3. Komponen paralel harus memiliki tegangan yang sama, jadi jika sumber tegangan AC dihubungkan langsung pada satu resistor pembagi tegangan DC, sumber AC akan “menang” dan tidak akan ada tegangan bias DC yang ditambahkan ke sinyal.

Salah satu cara untuk membuat skema ini berhasil, meskipun mungkin tidak jelas mengapa itu akan berhasil, adalah menempatkan kapasitor kopling antara sumber tegangan AC dan pembagi tegangan seperti pada Gambar di bawah ini.

Kopling kapasitor mencegah bias pembagi tegangan mengalir ke generator sinyal.

Kapasitor membentuk filter high-pass antara sumber AC dan pembagi tegangan DC, melewatkan hampir semua tegangan sinyal AC pada transistor sambil memblokir semua tegangan DC agar tidak korsleting melalui sumber sinyal AC. Ini jauh lebih masuk akal jika Anda memahami teorema superposisi dan cara kerjanya. Menurut superposisi, sirkuit bilateral linier apa pun dapat dianalisis sedikit demi sedikit dengan hanya mempertimbangkan satu sumber daya pada satu waktu, kemudian secara aljabar menambahkan efek dari semua sumber daya untuk menemukan hasil akhir. Jika kita memisahkan kapasitor dan rangkaian pembagi tegangan R2—R3 dari amplifier lainnya, mungkin akan lebih mudah untuk memahami bagaimana superposisi AC dan DC ini akan bekerja.

Dengan hanya sumber sinyal AC yang berlaku, dan kapasitor dengan impedansi rendah sewenang-wenang pada frekuensi sinyal, hampir semua tegangan AC muncul di R3:

Karena impedansi kapasitor kopling yang sangat rendah pada frekuensi sinyal, kapasitor ini berperilaku seperti sepotong kawat, sehingga dapat dihilangkan untuk langkah ini dalam analisis superposisi.

Dengan hanya sumber DC yang berlaku, kapasitor tampak sebagai rangkaian terbuka, dan dengan demikian, baik kapasitor maupun sumber sinyal AC korsleting tidak akan berpengaruh pada pengoperasian pembagi tegangan R2—R3 pada gambar di bawah.

Kapasitor tampaknya merupakan rangkaian terbuka sejauh menyangkut analisis DC

Menggabungkan dua analisis terpisah pada Gambar di bawah, kita mendapatkan superposisi (hampir) 1,5 volt AC dan 2,3 volt DC, siap untuk dihubungkan ke basis transistor.

Gabungan sirkuit AC dan DC.

Cukup bicara—sudah waktunya untuk simulasi SPICE dari seluruh rangkaian amplifier pada gambar di bawah ini. Kami akan menggunakan nilai kapasitor 100 F untuk mendapatkan impedansi rendah sewenang-wenang (0,796 ) pada 2000 Hz:

Simulasi SPICE dari bias pembagi tegangan.