Transistor BJT Sebagai Amplifier

Salah satu fungsi Transistor BJT (Bipolar Junction Transistor) adalah sebagai penguat sinyal baik sinyal dc maupun ac. Materi transistor sebagai penguat sinyal dc dapat dilihat pada materi transistor BJT sebagai saklar. Halaman ini membahas mengenai transistor yang digunakan sebagai amplifier atau penguat sinyal ac.

Dalam mendesain transistor sebagai penguat sinyal ac diperlukan desain rangkaian ekivalen analisis dc untuk menentukan titik kerja transistor, serta memerlukan rangkaian ekivalen analisis ac untuk menentukan nilai penguatan sinyal. Kedua hal tersebut perlu dilakukan supaya transistor bekerja sesuai harapan.

Sebelum mempelajari lebih jauh mengenai transistor sebagai penguat perlu diketahui sifat output pada terminal transistor :

1. Saat menggunakan transistor NPN, lalu output diletakan pada terminal Collector maka transistor menguatkan tegangan dimana tegangan output menjadi terbalik (inverting) terhadap sinyal input. Output diletakan pada terminal Collector disebut sebagai Common Emitter atau sering disebut Collector Follower seperti ditunjukan pada Gambar 1a.
2. Saat menggunakan BJT NPN, lalu output diletakan pada terminal Emitter maka tegangan output sedikit lebih kecil dibanding tegangan input pada terminal Base dengan fasa sinyal sama antara input dan output. Arus yang mengalir pada terminal Emitter lebih besar dibanding arus yang mengalir pada terminal Base (input). Output yang diletakan pada terminal Emitter disebut sebagai Common Collector atau sering disebut Emitter Follower dan digunakan sebagai penguat arus listrik seperti ditunjukan pada Gambar 1b. 
3. Jika menggunakan BJT PNP, lalu output diletakan pada terminal Emitter (Common Collector) maka penguatan yang terjadi adalah penguatan tegangan dengan fasa output sama dengan fasa tegangan input. Gambar 2 menunjukan penguat transistor PNP Common Collector.
4. Jika menggunakan transistor PNP, lalu output diletakan pada terminal Collector maka penguatan yang terjadi adalah penguatan arus listrik dengan fasa arus terbalik terhadap input. 

   

   Gambar 1. Penguat kelas A menggunakan transistor NPN

Gambar 2. Penguat kelas A menggunakan transistor PNP

Dari Gambar 1 dan 2 dapat dijelaskan mengapa analisis dc dan ac perlu dilakukan jika transistor digunakan sebagai penguat sinyal kelas A : 

1. Analisis dc diperlukan untuk menentukan titik kerja transistor, selain itu bias menggunakan tegangan dc berfungsi untuk menaikan sinyal ac ke level dc karena transistor hanya bisa bekerja jika tegangan pada terminal Base-Emitter mencapai 0,7 Volt dimana jika dilewati arus ac secara langsung maka sinyal ac tersebut terpotong bagian negatifnya yang menyebabkan sinyal ac hanya setengah gelombang positif saja. 
2. Supaya sinyal ac dapat dilewatkan pada transistor maka sinyal ac perlu ditumpangkan pada sinyal dc dimana memerlukan komponen yang berfungsi sebagai kopling yaitu kapasitor. 
3. Saat sinyal ac ditumpangkan pada sinyal dc, maka sinyal ac kecil (small signal) tidak ada yang terpotong karena level tegangannya dinaikan diatas 0,7 Volt.  Besarnya tegangan dc pada terminal Base disesuaikan dengan seberapa besar sinyal ac mengayun sehingga setengah gelombang negatif atau positif tidak terpotong.
   
4. Untuk mengetahui berapa besarnya penguatan sinyal ac perlu dilakukan analisis ac. 

Penguat menggunakan BJT memiliki beberapa tingkatan penguat yang umum digunakan yaitu :

Penguat kelas A

Yaitu saat titik kerja transistor disetel pada setengah atau separuh dari sumber tegangan transistor (tegangan VCE = 0,5 VCC). Penguat tipe ini boros daya karena ada sinyal input ataupun tidak ada sinyal input, transistor tetap bekerja dan mengalirkan arus listrik. Gambar 1 dan 2 menunjukan transistor sebagai penguat kelas A.

Penguat kelas B

Transistor untuk menguatkan arus (penguat daya) bekerja disekitar titik cut-off sehingga input setengah gelombang negatif terpotong. Jika penguat kelas B digunakan untuk menguatkan sinyal sinusoidal (misal audio) diperlukan satu transistor PNP dan satu NPN yang dipasang sedemikian rupa hingga transistor bekerja secara bergantian (push-pull). Transistor PNP bekerja pada setengah gelombang negatif dan transistor NPN bekerja pada setengah gelombang positif secara bergantian. Penguat kelas ini masih memiliki cacat karena pada terminal Base tidak diberi tegangan bias dc. 

Gambar 2. Penguat kelas B menggunakan push-pull transistor

Penguat kelas AB

Rangkaian sama persis dengan kelas B. Hal yang membedakan adalah pada kelas AB masing-masing terminal Base diberi tegangan bias sebesar 0,7 Volt, sehingga tidak terjadi cacat bentuk sinyal atau gelombang.

Gambar 3. Penguat kelas AB menggunakan push-pull transistor

Penguat kelas C 

Merupakan transistor yang digunakan untuk menguatkan sinyal tanpa menggunakan tegangan bias pada terminal Base, sehingga transistor penguat kelas C ini mampu memberikan efisiensi daya lebih besar dari penguat AB atau B (mendekati 100%). Beberapa sifat transistor penguat kelas C adalah :

1. Penguat kelas C umumnya menggunakan komponen tambahan induktor dan kapasitor pada terminal Collector yang bertujuan untuk mengembalikan output setengah gelombang sinyal positif yang hilang karena transistor bekerja tanpa tegangan bias pada terminal Base. 
2. Tidak cocok digunakan untuk frekuensi rendah karena rangkaian L-C harus didesain sedemikian rupa agar menghasilkan gelombang sinusoidal tanpa cacat.

Penguat ini umumnya ditemui pada rangkaian penguat frekuensi radio, dan transistor yang digunakan adalah transistor daya. 

Gambar 4. Transistor penguat kelas C

Dengan penjelasan singkat transistor penguat di atas, langsung saja masuk ke materi analisis dc dimana transistor diberi diberi tegangan bias dc pada terminal Base.

Analisis dc penguat kelas A

Bab ini memberikan contoh analisis dc menggunakan transistor NPN sebagai penguat kelas A. Gambar 5a menunjukan penguatan transistor NPN kelas A dan Gambar 5b menunjukan rangkaian analisis dc dimana semua komponen dibelakang kapasitor (tidak terhubung tegangan dc) dihilangkan karena kapasitor tidak meneruskan arus dc sehingga komponen yang tidak dilewati arus dc dihilangkan.

Titik kerja penguat kelas A umumnya digunakan pada transistor dengan membuat VCE sebesar setengah dari tegangan Vcc (setengah dari sumber tegangan).

Gambar 5. Analisis dc

Pada Gambar 5b dapat dicari rumus IB, dan IC sebagai berikut :

Rumus yang umum transistor BJT :

Besarnya tegangan pada terminal Base (Vth) dapat dicari dengan persamaan :

Keterangan variabel pada rumus di atas :

β : Rasio perbandingan antara IC dan IB arus pada transistor. Nilai beta dapat dilihat pada datasheet transistor.
Rp : Hambatan paralel R1 dan R2.
IB : Besarnya arus yang mengalir pada terminal Base.
IC : Besarnya arus yang mengalir pada terminal Collector.
Vth : Tegangan pada terminal Base.

Dari Gambar analisis dc 5b dapat dibuat garis yang melewati titik kerja (Q) transitor penguat kelas A dengan VCEQ sebesar setengah VCE yang umum digunakan pada penguat kelas A seperti ditunjukan oleh garis beban dc Gambar 6.

Gambar 6. Garis beban dc transistor penguat kelas A

Arus maksimum dijinkan melewati terminal Collector saat transistor jenuh (VC-E = 0) :
IC Maks= VCC / (RC + RE)  ----> Rumus IC maksimum pada Gambar 5b dan Gambar 6.

Besarnya arus mengalir pada terminal Base (IB) pada Gambar 5b dapat dicari sebagai berikut :

IB inilah yang lebih umum disebut IBQ yang menandakan besarnya arus dc mengalir pada terminal Base.

Sehingga besarnya arus dc pada terminal Collector (IC) atau lebih dikenal dengan ICQ dapat dituliskan sebagai berikut :

Tegangan VCE (tegangan Collector - Emitter) saat transistor tidak diberi tegangan dc pada terminal Base adalah sama dengan tegangan sumber (VCC) :

Kesimpulan analisis dc penguat kelas A :

Penguat kelas A didesain dengan memberikan tegangan dc terminal Base sehingga terdapat arus mengalir pada terminal Base dengan nilai tertentu yang menyebabkan tegangan VCE sama dengan setengah tegangan sumber (0,5 . VCC), hal ini membuat penguatan tegangan sinyal input lebih optimal (tidak terpotong setengah gelombang positif ataupun sebaliknya).

Analisis ac penguat kelas A

Penjelasan analisis ac ini merupakan kelanjutan dari penjelasan analisis dc transistor penguat di atas. Analisis ac pada rangkaian transistor penguat bertujuan untuk : 

1. Menentukan besarnya gain atau penguatan. 
2. Menentukan impedansi input dan output. 
3. Membuat respon atau tanggapan frekuensi.

Transistor memiliki memiliki Re' (hambatan dinamis) yang nilainya dapat diabaikan pada analisis dc, akan tetapi pada analisis ac nilai ini tidak dapat diabaikan karena mempengaruhi besarnya penguatan sinyal. Besarnya hambatan Re' adalah berubah - ubah atau dinamis terhadap suhu transistor. 

Gambar 7. Hambatan dinamis (Re') transistor

Besarnya Re' pada suhu dengan satuan derajat Celcius (ºC) adalah : 

Sehingga pada suhu kamar 18 ºC, besarnya Re' adalah :

Menggambar rangkaian ekivalen Analisis AC

Dalam menggambarkan rangkaian analisis ac, semua resistor yang terhubung pada kapasitor dihubungkan dengan grounding dan kapasitor dianggap terhubung singkat seperti ditunjukan pada Gambar 8 di bawah ini.

Gambar 8. Rangkaian ekivalen analisisi ac

Gambar 8b menunjukan bahwa RE dianggap tidak ada karena kapasitor dinggap terhubung singkat, sehingga hambatan pada terminal Emitter tinggal hambatan dinamis Re' transistor. RC dan RL menjadi susunan paralel terhadap terminal Collector dan ground. R1 dan R2 menjadi paralel terhadap Base dan ground. 

Sehingga dari Gambar 8b dapat dicari :

Impedansi input (Rin) rangkaian

Untuk mencari impedansi input rangkaian transistor penguat kelas A harus mengetahui besarnya impedansi input pada transistor dimana impedansi transistor (Rb) dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut :

Impedansi input BJT jika terminal Emitter dipasang kapasitor C3 :

Impedansi input BJT jika terminal Emitter tidak dipasang kapasitor C3 :

Sehingga besarnya impedansi input rangkaian penguat kelas A dapat dituliskan menjadi :

Rin adalah impedansi input rangkaian penguat, Rb adalah impedansi input transistor yang dipengaruhi besarnya Re' dan resistor pada terminal Emitter.

Impedansi output

Impedansi output tidak dipengaruhi oleh besarnya RE karena rangkaian menggunakan Common Emitter (Collector Follower). Besarnya impedansi output dapat dicari dengan memparalelkan RC dengan RL.

Setelah mengetahui impedansi input dan output selanjutnya adalah mencari variabel yang digunakan untuk menggambar garis beban ac yaitu :

Besarnya penguatan tegangan  merupakan perbandingan tegangan output dan input yang dituliskan sebagai berikut : 

Tanda negatif (-) pada rumus penguatan menandakan bahwa penguat transistor adalah inverting dimana tegangan pada output  terbalik fasanya sebesar 180 derajat.

Sehingga nilai penguatan menggunakan kapasitor C3 pada terminal Emitter dapat dituliskan sebagai berikut :

Penguatan tanpa menggunakan kapasitor pada terminal Emitter adalah melibatkan resistor RE yang ditulis sebagai berikut :

Gambar 9. Garis beban ac transistor penguat kelas A

Gambar 10. Bentuk sinyal tidak terpotong pada penguat kelas A

Dari gambar 10 dapat disimpulkan bahwa dengan menjaga atau membuat tegangan dc pada terminal VCE sebesar setengah VCC, sinyal output tidak akan terpotong selama input tidak terlalu besar melebihi garis beban ac.

EoF