Perhitungan Bias Transistor

Meskipun rangkaian switching transistor beroperasi tanpa bias, sirkuit analog tidak biasa beroperasi tanpa bias. Salah satu dari sedikit contoh adalah “TR One, one transistor radio” TR One, Ch 9 dengan detektor AM (amplitude modulation) yang diperkuat. Perhatikan kurangnya resistor bias di pangkalan di sirkuit itu. Pada bagian ini, kita melihat beberapa rangkaian bias dasar yang dapat mengatur arus emitor yang dipilih IE. Mengingat arus emitor yang diinginkan IE, berapa nilai resistor bias yang diperlukan, RB, RE, dll?

Resistor Bias Dasar

Biasing paling sederhana menerapkan bias-dasar resistor antara alas dan baterai dasar V BB . Lebih mudah menggunakan suplai VCC yang ada daripada suplai bias baru. Contoh tahap penguat audio menggunakan bias-basis adalah “Radio kristal dengan satu transistor . . . radio kristal, Bab 9. Catat resistor dari dasar ke terminal baterai. Sirkuit serupa ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Tulis persamaan KVL (Hukum tegangan Kirchhoff) tentang loop yang berisi baterai, RB, dan penurunan dioda VBE pada transistor pada Gambar di bawah. Perhatikan bahwa kami menggunakan VBB untuk catu dasar, meskipun sebenarnya VCC. Jika besar, kita dapat membuat perkiraan bahwa IC =IE. Untuk transistor silikon VBE≅0.7V.

Basis-bias

Transistor sinyal silikon kecil biasanya memiliki dalam kisaran 100-300.

Contoh Perhitungan:

Dengan asumsi bahwa kita memiliki transistor =100, berapa nilai resistor bias-basis yang diperlukan untuk menghasilkan arus emitor sebesar 1mA? Memecahkan persamaan bias-basis IE untuk RB dan mensubstitusi , VBB, VBE, dan IE menghasilkan 930kΩ. Nilai standar terdekat adalah 910kΩ.

Berapa arus emitor dengan resistor 910kΩ? Berapa arus emitor jika kita mendapatkan transistor =300 secara acak?

Arus emitor sedikit berubah dalam menggunakan nilai standar resistor 910kΩ. Namun, dengan perubahan dari 100 menjadi 300, arus emitor meningkat tiga kali lipat. Ini tidak dapat diterima dalam penguat daya jika kita mengharapkan tegangan kolektor berayun dari dekat VCC ke dekat tanah. Namun, untuk sinyal level rendah dari mikro-volt hingga sekitar volt, titik bias dapat dipusatkan untuk akar kuadrat dari (100·300)=173. Titik bias masih akan melayang dengan jumlah yang cukup besar. Namun, sinyal tingkat rendah tidak akan terpotong.

Basis-bias tidak cocok untuk arus emitor tinggi, seperti yang digunakan dalam power amplifier. Arus emitor dengan bias basis tidak stabil terhadap suhu.

Pelarian termal adalah hasil dari arus emitor tinggi yang menyebabkan kenaikan suhu yang menyebabkan peningkatan arus emitor, yang selanjutnya meningkatkan suhu.

Bias Umpan Balik Kolektor

Variasi bias karena suhu dan beta dapat dikurangi dengan memindahkan ujung VBB dari resistor bias basis ke kolektor seperti pada gambar di bawah ini. Jika arus emitor meningkat, penurunan tegangan melintasi RC meningkat, menurunkan VC, menurunkan IB yang diumpankan kembali ke basis. Hal ini, pada gilirannya, menurunkan arus emitor, mengoreksi kenaikan aslinya.

Tulis persamaan KVL tentang loop yang berisi baterai, RC, RB, dan drop VBE. Pengganti IC≅IE dan IB≅IE/β. Pemecahan untuk IE menghasilkan persamaan IE CFB-bias. Pemecahan untuk IB menghasilkan persamaan bias CFB IB.

Bias umpan balik kolektor.

Contoh Perhitungan:

Temukan resistor bias umpan balik kolektor yang diperlukan untuk arus emitor 1 mA, resistor beban kolektor 4,7K, dan transistor dengan =100. Cari tegangan kolektor VC. Seharusnya kira-kira di tengah-tengah antara VCC dan ground.

Nilai standar terdekat dengan resistor bias umpan balik kolektor 460kΩ adalah 470kΩ. Temukan arus emitor IE dengan resistor 470KΩ. Hitung ulang arus emitor untuk transistor dengan =100 dan =300.

Kami melihat bahwa ketika beta berubah dari 100 menjadi 300, arus emitor meningkat dari 0,989mA menjadi 1,48mA. Ini merupakan peningkatan dari rangkaian base-bias sebelumnya yang mengalami peningkatan dari 1.02mA menjadi 3.07mA. Bias umpan balik kolektor dua kali lebih stabil dari bias basis sehubungan dengan variasi beta.

Bias-Emitter

Memasukkan resistor RE pada rangkaian emitor seperti pada gambar di bawah menyebabkan degenerasi , juga dikenal sebagai umpan balik negatif . Ini menentang perubahan arus emitor IE karena perubahan suhu, toleransi resistor, variasi beta, atau toleransi catu daya. Toleransi tipikal adalah sebagai berikut:resistor— 5%, beta— 100-300, catu daya— 5%. Mengapa resistor emitor dapat menstabilkan perubahan arus? Polaritas penurunan tegangan pada RE disebabkan oleh VCC baterai kolektor. Ujung resistor yang paling dekat dengan terminal baterai (-) adalah (-), ujung yang paling dekat dengan terminal (+) nya (+). Perhatikan bahwa ujung (-) RE terhubung melalui baterai VBB dan RB ke basis. Setiap peningkatan aliran arus melalui RE akan meningkatkan besarnya tegangan negatif yang diterapkan pada rangkaian basis, menurunkan arus basis, menurunkan arus emitor. Arus emitor yang menurun ini sebagian mengkompensasi kenaikan aslinya.

Bias emitor

Perhatikan bahwa baterai bias basis VBB digunakan sebagai pengganti VCC untuk membiaskan basis pada gambar di atas. Nanti kami akan menunjukkan bahwa bias emitor lebih efektif dengan baterai bias basis yang lebih rendah. Sementara itu, kami menulis persamaan KVL untuk loop melalui rangkaian basis-emitor, dengan memperhatikan polaritas pada komponen. Kami mengganti IB≅IE/β dan menyelesaikan arus emitor IE. Persamaan ini dapat diselesaikan untuk RB, persamaan:RB emitor-bias, Gambar di atas.

Sebelum menerapkan persamaan:RB emitor-bias dan IE emitor-bias, gambar di atas, kita perlu memilih nilai untuk RC dan RE. RC terkait dengan VCC suplai kolektor dan IC arus kolektor yang diinginkan yang kita asumsikan kira-kira sama dengan arus emitor IE.

Biasanya titik bias untuk VC diatur ke setengah dari VCC. Padahal, itu bisa diatur lebih tinggi untuk mengkompensasi penurunan tegangan melintasi resistor emitor RE. Arus kolektor adalah apa pun yang kita butuhkan atau pilih. Itu bisa berkisar dari mikro-Amp ke Amp tergantung pada aplikasi dan peringkat transistor. Kami memilih IC =1mA, tipikal rangkaian transistor sinyal kecil.

Contoh Perhitungan:

Kami menghitung nilai untuk RC dan memilih nilai standar yang mendekati. Sebuah resistor emitor yang 10-50% dari resistor beban kolektor biasanya bekerja dengan baik.

Sebuah resistor 883k dihitung untuk RB, sebuah 870k dipilih. Pada =100, IE adalah 1,01mA.

Untuk =300 arus emitor ditunjukkan pada Tabel di bawah ini.

Perbandingan emitor saat ini untuk =100, =300.

Sirkuit bias IC =100 IC =300 base-bias1.02mA3.07mAcollector feedback bias0.989mA1.48mAemitter-bias, V_BB =10V1.01mA2.76mA

Tabel di atas menunjukkan bahwa untuk VBB =10V, bias emitor tidak berfungsi dengan baik untuk menstabilkan arus emitor. Contoh bias emitor lebih baik dari contoh bias basis sebelumnya, tetapi tidak banyak. Kunci untuk bias emitor yang efektif adalah menurunkan VBB suplai basis mendekati jumlah bias emitor.

Pembulatan yaitu arus emitor kali resistor emitor:IERE =(1mA)(470) =0.47V. Selain itu, kita perlu mengatasi VBE =0.7V. Jadi, kita membutuhkan VBB>(0.47 + 0.7)V atau>1.17V. Jika arus emitor menyimpang, angka ini akan berubah dibandingkan dengan suplai basis tetap VBB, menyebabkan koreksi pada arus basis IB dan arus emitor IE. Nilai yang bagus untuk VB>1.17V adalah 2V.

Resistor dasar yang dihitung dari 83k jauh lebih rendah dari 883k sebelumnya. Kami memilih 82k dari daftar nilai standar. Arus emitor dengan RB 82k untuk =100 dan =300 adalah:

Membandingkan arus emitor untuk bias emitor dengan VBB =2V pada =100 dan =300 dengan contoh rangkaian bias sebelumnya pada tabel di bawah, kami melihat peningkatan yang cukup besar pada 1,75mA, meskipun, tidak sebaik kolektor 1,48mA umpan balik.

Perbandingan emitor saat ini untuk =100, =300.

Sirkuit bias IC =100 IC =300 base-bias1.02mA3.07mAcollector feedback bias0.989mA1.48mAemitter-bias, V_BB =10V1.01mA2.76mAemitter-bias, V_BB =2V1.01mA1.75mA

Untuk meningkatkan kinerja bias emitor, naikkan resistor emitor RE atau kurangi suplai bias basis VBB atau keduanya.

Sebagai contoh, kita menggandakan resistor emitor ke nilai standar terdekat 910Ω.

RB yang dihitung =39k adalah resistor nilai standar. Tidak perlu menghitung ulang IE untuk =100. Untuk =300, adalah:

Performa rangkaian bias emitor dengan resistor emitor 910 jauh lebih baik. Lihat Tabel di bawah.

Perbandingan arus emitor untuk =100, =300.

Sirkuit bias IC =100 IC =300 base-bias1.02mA3.07mAcollector feedback bias0.989mA1.48mAemitter-bias, V_BB =10V1.01mA2.76mAemitter-bias, V_BB =2V, R_E =4701.01mA1.75mAemitter-bias, V_BB =2V, R_E =9101.00mA1.25mA

Sebagai latihan, ulangi contoh bias emitor dengan resistor emitor dikembalikan ke 470Ω, dan suplai bias basis dikurangi menjadi 1,5V.

Resistor dasar 33k adalah nilai standar, arus emitor pada =100 adalah OK. Arus emitor pada =300 adalah:

Tabel di bawah ini membandingkan hasil latihan 1mA dan 1,38mA dengan contoh sebelumnya.

Perbandingan arus emitor untuk =100, =300.

Sirkuit bias IC =100 IC =300 base-bias1.02mA3.07mAcollector feedback bias0.989mA1.48mAemitter-bias, V_BB =10V1.01mA2.76mAemitter-bias, V_BB =2V, R_B =4701.01mA1.75mAemitter-bias, V_BB =2V, R_B =9101.00mA1.25mAemitter-bias, V_BB =1.5V, R_B =4701.00mA1.38mA

Persamaan bias emitor telah diulang pada gambar di bawah ini dengan resistansi emitor internal yang disertakan untuk akurasi yang lebih baik. Resistansi emitor internal adalah resistansi dalam rangkaian emitor yang terdapat dalam paket transistor. Resistansi internal rEE ini signifikan ketika resistor emitor (eksternal) RE kecil, atau bahkan nol. Nilai resistansi internal REE adalah fungsi dari arus emitor IE, Tabel di bawah.

Derivasi dari r_EE

 rEE =KT/IE m di mana:K=1.38×10
-23
 watt-sec/
o
 C, konstanta Boltzman T=suhu dalam Kelvin 300. SayaE =arus emitor m =bervariasi dari 1 hingga 2 untuk Silicon rEE 0,026V/IE =26mV/IE 

Untuk referensi pendekatan 26mV terdaftar sebagai persamaan rEE pada Gambar di bawah.

Persamaan bias emitor dengan resistansi emitor internal rEE disertakan.

Persamaan bias emitor yang lebih akurat pada gambar di atas dapat diturunkan dengan menulis persamaan KVL. Alternatifnya, mulai dengan persamaan IE-emitor-bias dan RB-emitor-bias pada Gambar sebelumnya, menggantikan RE dengan rEE+RE. Hasilnya adalah persamaan IE EB dan RB EB, masing-masing pada Gambar di atas.

Ulangi perhitungan RB pada contoh bias emitor sebelumnya dengan memasukkan rEE dan bandingkan hasilnya.

Dimasukkannya rEE dalam perhitungan menghasilkan nilai resistor dasar RB yang lebih rendah seperti yang ditunjukkan pada Tabel di bawah ini. Itu jatuh di bawah nilai standar resistor 82k, bukan di atasnya.

Pengaruh penyertaan rEE pada RB terhitung

r_EE ? r_EE Nilai Tanpa r_EE 83kDengan r_EE 80.4k

Abaikan Kapasitor untuk RE

Satu masalah dengan bias emitor adalah bahwa sebagian besar sinyal keluaran dijatuhkan melintasi resistor emitor RE (gambar di bawah). Penurunan tegangan melintasi resistor emitor ini secara seri dengan basis dan polaritas yang berlawanan dibandingkan dengan sinyal input. (Ini mirip dengan konfigurasi kolektor umum yang memiliki <1 penguatan.) Degenerasi ini sangat mengurangi penguatan dari basis ke kolektor. Solusi untuk penguat sinyal AC adalah dengan mem-bypass resistor emitor dengan kapasitor. Ini mengembalikan penguatan AC karena kapasitor adalah kependekan dari sinyal AC. Arus emitor DC masih mengalami degenerasi pada resistor emitor, sehingga arus DC menjadi stabil.

Cbypass diperlukan untuk mencegah pengurangan penguatan AC.

Nilai kapasitor bypass tergantung pada frekuensi terendah yang akan diperkuat.

Untuk frekuensi radio Cbpass akan kecil. Untuk penguat audio yang diperpanjang hingga 20Hz, itu akan menjadi besar. Sebuah "aturan praktis" untuk kapasitor bypass adalah bahwa reaktansi harus 1/10 dari resistansi emitor atau kurang. Kapasitor harus dirancang untuk mengakomodasi frekuensi terendah yang diperkuat. Kapasitor untuk penguat audio yang mencakup 20Hz hingga 20kHz adalah:

Perhatikan bahwa resistansi emitor internal rEE tidak dilewati oleh kapasitor bypass.

Bias Pembagi Tegangan

Bias emitor stabil membutuhkan suplai bias basis tegangan rendah, gambar di bawah. Alternatif untuk VBB catu dasar adalah pembagi tegangan berdasarkan VCC catu kolektor.

Bias Pembagi Tegangan menggantikan baterai dasar dengan pembagi tegangan.

Teknik desainnya adalah terlebih dahulu membuat desain bias emitor, kemudian mengubahnya menjadi konfigurasi bias pembagi tegangan dengan menggunakan Teorema Thevenin. [TK1] Langkah-langkahnya ditunjukkan secara grafis pada gambar di bawah ini. Gambarlah pembagi tegangan tanpa memberikan nilai. Hancurkan pembatas dari alasnya. (Dasar transistor adalah beban.) Terapkan Teorema Thevenin untuk menghasilkan resistansi ekuivalen Thevenin tunggal Rth dan sumber tegangan Vth.

Teorema Thevenin mengubah pembagi tegangan menjadi suplai tunggal Vth dan resistansi Rth.

Resistansi setara Thevenin adalah resistansi dari titik beban (panah) dengan baterai (VCC) dikurangi menjadi 0 (ground). Dengan kata lain, R1||R2. Tegangan ekivalen Thevenin adalah tegangan rangkaian terbuka (beban dihilangkan). Perhitungan ini dilakukan dengan metode rasio pembagi tegangan. R1 diperoleh dengan menghilangkan R2 dari pasangan persamaan untuk Rth dan Vth. Persamaan R1 adalah dalam hal jumlah yang diketahui Rth, Vth, Vcc. Perhatikan bahwa Rth adalah RB, resistor bias dari desain bias emitor. Persamaan untuk R2 adalah dalam hal R1 dan Rth.

Ubah contoh bias emitor sebelumnya menjadi bias pembagi tegangan.

Contoh bias emitor diubah menjadi bias pembagi tegangan.

Nilai-nilai ini sebelumnya dipilih atau dihitung untuk contoh bias emitor

Mengganti VCC , VBB , RB menghasilkan R1 dan R2 untuk konfigurasi bias pembagi tegangan.

R1 adalah nilai standar 220K. Nilai standar terdekat untuk R2 yang sesuai dengan 38,8k adalah 39k. Ini tidak cukup mengubah IE bagi kami untuk menghitungnya. Contoh Masalah 1. Hitung resistor bias untuk penguat cascode pada gambar di bawah. VB2 adalah tegangan bias untuk tahap emitor bersama. VB1 adalah tegangan yang cukup tinggi pada 11,5 karena kami ingin tahap basis umum menahan emitor pada 11,5-0,7=10.8V, sekitar 11V. (Ini akan menjadi 10V setelah memperhitungkan penurunan tegangan pada RB1 .) Artinya, tahap common-base adalah beban, pengganti resistor, untuk kolektor tahap common-emitter. Kami menginginkan arus emitor 1mA.

Bias untuk penguat cascode.

2. Ubah resistor bias basis untuk penguat cascode menjadi resistor bias pembagi tegangan yang digerakkan oleh VCC 20V.

Diagram rangkaian terakhir ditunjukkan dalam bab “Sirkuit Analog Praktis”, “Penguat cascode Kelas A . . . ” cascode, Bab 9 .

TINJAUAN:

• Lihat Gambar di bawah.
• Pilih konfigurasi rangkaian bias
• Pilih RC dan IE untuk aplikasi yang dimaksud. Nilai untuk RC dan IE biasanya harus menyetel tegangan kolektor VC ke 1/2 dari VCC.
• Hitung resistor basis RB untuk mencapai arus emitor yang diinginkan.
• Hitung ulang arus emitor IE untuk resistor nilai standar jika perlu.
• Untuk bias pembagi tegangan, lakukan perhitungan bias emitor terlebih dahulu, kemudian tentukan R1 dan R2.
• Untuk amplifier AC, kapasitor bypass secara paralel dengan RE meningkatkan penguatan AC. Setel XC≤0.10RE untuk frekuensi terendah.

Ringkasan persamaan bias.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Penguat BJT Kelas A