BJT Common Emitter Amplifier

Salah satu bentuk desain rangkaian penguat (amplifier) adalah menggunakan BJT jenis NPN dengan konfigurasi Common Emitter dengan ciri-ciri output rangkaian penguat diletakan pada terminal Collector. Rangkaian dasar penguat atau amplifier Common Emitter ditunjukan pada Gambar 1 menggunakan pembagi tegangan (voltage divider) pada terminal Base, penguat ini termasuk jenis penguat kelas A.

Common Emitter memiliki beberapa sifat yaitu :

1. Merupakan penguatan tegangan. 
2. Tegangan output berbeda fasa 180 derajat sehingga juga disebut sebagai penguat inverting.
3. Dari Gambar 1 dapat dilihat impedansi input umumnya rendah dan nilainya tergantung dari nilai RE, R1 dan R2, dan faktor penguatan transistor (β). 
4. Impedansi output tinggi dipengaruhi oleh nilai resistor RC.

Gambar 1. Penguat Common Emitter

Penjelasan gambar rangkaian Gambar 1:

1. Kapasitor C1 berfungsi untuk mem-blok arus dc agar tidak mengalir atau tidak mengganggu sumber tegangan input. Nilai C1 disesuaikan dengan frekuensi minimum yang diloloskan (high pass filter) sehingga arus listrik dapat mengalir melalui terminal Base. C2 juga memilik fungsi yang sama dengan C1 hanya saja C2 untuk output.
2. R1 dan R2 merupakan rangkaian pembagi tegangan (voltage divider) untuk membagi tegangan sumber sebagai tegangan bias pada terminal Base agar BJT bekerja pada titik kerja dc (Q) yang diinginkan. 
3. RC digunakan untuk membatasi maksimum arus yang mengalir pada transistor sehingga transistor tidak mengalami kerusakan. RC juga berfungsi sebagai hambatan yang mempengaruhi impedansi output (Zout) dimana juga mempengaruhi nilai penguatan tegangan. 
4. RE juga digunakan untuk membatasi arus maksimum pada transistor. Selain itu RE juga dapat berfungsi menjaga agar arus yang mengalir pada terminal Base tidak terlalu besar dimana hal ini juga membantu menentukan titik kerja dc transistor.

Dari penjelasan di atas menunjukan bahwa gambar rangkaian Common-Emitter digunakan sebagai penguat tegangan, bukan sebagai penguat arus, karena rangkaian ini memiliki impedansi output tinggi.

Rumus dasar yang digunakan pada transistor adalah :

Dari rumus IE di atas jelas bahwa besarnya arus pada terminal Emitter merupakan penjumlahan arus yang mengalir pada terminal Base dan terminal Collector dimana besarnya arus yang mengalir pada terminal Collector dapat dicari dengan persamaan :

Dari persamaan dasar arus di atas dapat disimpulkan bahwa besarnya penguatan arus dc transistor dipengaruhi oleh β yang nilainya tertera pada datasheet transistor yang digunakan. Penggunaan persamaan di atas untuk membantu mendesain penguat Common Emitter dalam menentukan titik kerja dc transistor (Q). Transistor akan aktif atau dapat bekerja jika pada terminal Base-Emitter diberi tegangan lebih besar dari 0,7 Volt.

Selain menentukan titik kerja transistor, Anda perlu membuat analisis ac untuk dapat menghitung besarnya penguatan rangkaian penguat transistor.

Analisis dc
Seperti yang telah dijelaskan di atas bahwa analisis dc digunakan untuk menentukan titik kerja transistor. Tujuan menetukan titik kerja transistor adalah agar sinyal output tidak terpotong pada puncaknya atau terpotong setengah gelombang negatif.  Rangkaian ekivalen analisis dc perlu dibuat untuk mempermudah analisis. Semua komponen yang terhubung dengan kapasitor dan tidak terhubung langsung dengan sumber dc dihilangkan karena kapasitor tidak mengalirkan arus dc sehingga rangkaian ekivalen analisis dc untuk Gambar 1 ditunjukan pada Gambar 2. 

Gambar 2. Rangkaian ekivalen analisis dc

Tegangan bias pada pada terminal Base diperlukan untuk menyetel besarnya arus dc yang mengalir melalui terminal Base sehingga didapatkan arus dc terminal Collector yang diinginkan. Besarnya tegangan pada terminal Base dapat dihitung dengan persamaan :

Selain tegangan, hambatan pada terminal Base  juga mempengaruhi besarnya arus listrik yang mengalir pada termina Base. Nilai hambatan pada terminal Base (RB) didapatkan dengan memparalelkan resistor R1 dan resistor R2 yang dapat ditulis sbeagai berikut :

Besarnya arus dc maksimum yang diijinkan melewati terminal Collector tergantung dari besarnya resistor RC dan RE. Hambatan dalam transistor (re) sebenarnya juga berpengaruh terhadap besarnya arus yang mengalir pada terminal Emitter, hanya saja pengaruhnya sangat kecil sekali sehingga dapat diabaikan. Besarnya arus dc maksimum yang mengalir pada terminal Emitter dapat dituliskan sebagai berikut :

Besarnya arus listrik yang mengalir pada terminal Collector dipengaruhi oleh arus dc yang mengalir pada terminal Base. Umumnya arus dc pada terminal Collector ditulis sebagai ICQ  sehingga :

β adalah faktor penguatan arus transistor. IBQ adalah besarnya arus dc yang mengalir pada terminal Base.

Umumnya untuk menentukan titik kerja dc (Q) adalah dengan mengatur tegangan pada terminal Collector-Emitter (VCE) sekitar 1/2 Vcc. Tegangan dc VCE ini sering ditulis sebagai VCEQ. Pengaturan VCEQ ini bertujuan agar sinyal output dapat mengayun secara simetris antara puncak atas dan bawah sehingga tidak ada sinyal yang terpotong. 

Besarnya arus dc pada terminal Base transistor (IBQ) rangkaian Gambar 2 adalah sbb :

Arus dc pada terminal Base (IB) merupakan titik kerja dc sehingga sering ditulis dengan IBQ.

Dari rumus analisis dc dapat digambarkan garis beban dc yang ditunjukan pada Gambar 3. 

Gambar 3. Garis beban dc BJT

VCE-cutoff terjadi saat tegangan pada terminal Collector- Emitter sama dengan VCC yang menandakan transistor tidak bekerja.

Analisis ac

Analisis ac digunakan untuk mencari nilai penguatan sinyal sehingga analisis ini diperlukan jika transistor digunakan sebagai penguat sinyal seperti sinyal audio dan lainnya. Analisis ini perlu membuat rangkaian ekivalen analisis ac untuk mempermudah analisis dimana komponen kapasitor dianggap terhubung singkat, dan setiap komponen resistor yang terhubung dengan kapasitor seperti ditunjukan pada Gambar 1 dihubungkan paralel. Rangkaian ekivalen analisis ac penguat Common-Emitter Gambar 1 ditunjukan pada Gambar 4.

 

Gambar 4. Rangkaian ekivalen analisis ac

Gambar 4 menunjukan terdapat re yang merupakan hambatan dalam transistor, hambatan ini dapat diabaikan pada analisis dc karena nilainya sangat kecil, akan tetapi pada analisis ac, re tidak dapat diabaikan karena mempengaruhi besarnya penguatan sinyal.

Besarnya re berubah-ubah berdasarkan suhu transistor dimana nilainya dapat dicari dengan persamaan :

ºC adalah suhu transistor. Untuk perkiraan suhu dapat menggunakan suhu ruangan sehingga re juga dapat ditulis sebagai berikut:

Besarnya impedansi yang mempengaruhi besarnya arus ac (Zac) yang mengalir pada terminal Collector merupakan penjumlahan semua hambatan pada terminal Emitter dan Collector sehingga dapat ditulis sebagai berikut :

Impedansi output Common-Emitter pada Gambar 4 merupakan nilai paralel resistor RC dengan hambatan beban (RL) sehingga dapat ditulis :

Impedansi input (Zin) Common-Emitter Gambar 4 dapat dicari dengan persamaan berikut :

Besarnya arus IC-ac maksimum pada rangkaian penguat dapat dicari dengan persamaan :

Besarnya tegangan Collector- Emitter (VCE-ac) maksimum rangkaian penguat dapat dicari dengan persamaan :

Besarnya penguatan dengan konfigurasi Common Emitter dapat dicari dengan persamaan :

Karena IE dan IC nilainya hampir sama sehingga dapat diasumsikan bahwa IE = IC, maka besarnya penguatan tegangan dapat dituliskan :

Untuk mencari besarnya kapasitas kapasitor C1 dan C2 pada Gambar 1 adalah dengan menentukan frekuensi cut-off rendah sinyal input. C1 dan C2 merupakan kapasitor kopling yang juga berfungsi sebagai komponen rangkaian high pass filter sehingga besarnya C1 dan C2 dapat ditulis dengan persamaan :

Dari beberapa rumus analisis ac di atas dapat digambarkan garis beban ac dimana garis beban ac harus memotong garis beban dc di titik Q yang ditunjukan pada Gambar 5. 

Gambar 5. Garis beban ac Common Emitter

Kemudian dapat digambarkan sinyal input yang besarnya dibuat sedemikian rupa agar pada sinyal VCE dan IC tidak terpotong. Dengan kata lain tegangan input tidak boleh terlalu besar yang dapat menyebabkan sinyal output terpotong. 

Gambar 6. Sinyal pada garis beban ac

Bagaimana jika pada RE ditambahkan kapasitor paralel (kapasitor bypass)?

Jika common emitter ditambahkan sebuah kapasitor bypass yang dipasang paralel terhadap RE seperti ditunjukan pada Gambar 7, maka rangkaian ekivalen ac juga berubah seperti ditunjukan pada Gambar 8. 

Gambar 7. Common Emitter dengan bypass kapasitor

Gambar rangkaian ekivalen analisis ac berubah dimana RE ditiadakan karena kapasitor C3 dianggap terhubung singkat. C3 dianggap terhubung singkat dengan tujuan untuk menyederhanakan perhitungan karena dalam kondisi sebenarnya kapasitor memiliki reaktansi kapasitif (hambatan pada kapasitor) dimana besarnya reaktansi kapasitif tergantung dari frekuensi yang melalui kapasitor tersebut. Jika frekuensi semakin tinggi maka reaktansi kapasitif kapasitor akan semakin kecil dan sebaliknya jika frekuensi berkurang atau semakin rendah maka reaktansi kapasitif kapasitor semakin besar.

 

Gambar 8. Rangkaian ekivalen analisis ac tanpa RE

Penguatan tegangan penguat Common Emitter menggunakan kapasitor bypass lebih besar dibanding tanpa menggunakan kapasitor yang dituliskan dengan persamaan :

Karena besarnya IE dan IC diasumsikan sama maka besarnya penguatan tegangan Common Emitter menggunakan kapasitor bypass adalah : 

Contoh penerapan semua rumus yang ditulis di atas : 

Pada Gambar 9, carilah nilai Penguatan (gain), C1 dan C2. 

Gambar 9. BJT Common Emitter tanpa kapasitor bypass

 

Pertama kali yang perlu dilakukan adalah melakukan analisis dc :

Mencari besarnya VB (Tegangan pada terminal Base)  :

VB = [R2 / (R1 + R2) ] . Vcc

VB  = [10kΩ / (33kΩ + 10kΩ)] . 12 Volt

VB  = 2,78 Volt

Mencari besarnya hambatan input dc pada terminal Base (Rin) :

RB = R1 // R2   

RB = 33kΩ // 10kΩ

RB = (33kΩ. 10kΩ) / (33kΩ + 10kΩ)

RB = 7,67 kΩ

Mencari nilai IC max dc :

IC max= VCC / (RC + RE)

IC max= 12V / (1kΩ + 330Ω)

IC max= 9mA

Mencari IBQ :

IB= [VB - 0,7] / [(RB + ( [1 + β ] . RE)]

IB= [2,78V - 0,7V] / [(7,67kΩ + ( [1 + 100 ] . 330Ω)]

IB= 2,08V / 41kΩ

IB= IBQ = 50,7µA 

Mencari ICQ :

ICQ = IB Q. β

ICQ = 50,7µA . 100

ICQ = 5,1mA ->ICQ  masih memenuhi persyaratan dimana ICQ masih di bawah IC max = 9mA

IE = ICQ+ IBQ:

IE = 5,1mA + 50,7µA 

IE = 5,15mA

Nilai IE dan ICQ dapat dianggap sama sehingga bisa diasumsikan IE=ICQ = 5,1mA.

Mencari besarnya VCEQ :

Vcc - ICQ.RC - VCE - IE.RE = 0

VCE = Vcc - ICQ.RC  - IE.RE = 0

VCE = Vcc - ICQ . (RC  + RE) = 0

VCE = 12V - 5,1mA . (1kΩ  + 330Ω) 

VCE = 12V - 6,78 V

VCEQ= 5,2V

Setelah mendapatkan nilai VCEQ, ICQ adalah langkah selanjutnya adalah melakukan analisis ac.

Mencari nila re :

re = [(ºC + 273) / 291] . [25mV / IE]

Nilai IE diambil dari analisis dc.

Untuk lebih mudah maka suhu dapat diabaikan sehingga :

re = 25mV / IE

re = 25mV / 5,15mA

re = 4,8Ω

Mencari nilai Zac :

Zac = RE + re + (RC//RL)

Zac = 330Ω + 4,8Ω  + (1kΩ // 2,2kΩ)

Zac = 1kΩ

Mencari nilai Zin :

Zin = (R1 // R2) // [( β + 1) . (re + RE)]

Zin = 7,67kΩ // [( 100 + 1) . (4,8Ω+ 330Ω)]

Zin = 7,67kΩ // (101 . 334,8Ω)

Zin = 6,25kΩ

Mencari nila Zout :

Zout =  RC // RL

Zout =  1kΩ // 2,2kΩ

Zout =  0,69kΩ

Mencari nila IC-ac max :

IC-ac max = ICQ + [VCEQ / Zac]

IC-ac max = 5,1mA + [5,2V / 1kΩ]

IC-ac max = 10,3mA

Mencari nilai VCE-ac max :

VCE-ac max = VCEQ + [ICQ . Zac]

VCE-ac max = 5,2V + [5,1mA . 1kΩ]

VCE-ac max = 10,3 V

Penguatan tegangan transistor adalah:

AV = Zout / (re + RE)

AV = 690Ω/ (4,8Ω + 330Ω)

AV = 2,1x

Asusmsi frekuensi cutoff bawah yang digunakan adalah 100Hz sehingga :

C1 = 1 / (2 . π . Zin . fC)

C1 = 1 / (2 . 3,14 . 6,25kΩ . 100Hz)

C1 = 0,255µF

C2 = 1 / (2 . π . Zout . fC)

C2 =......?

Dari hasil perhitungan di atas dapat digambarkan garis beban dc dan ac BJT seperti ditunjukan pada Gambar 8.

Gambar 10. Grafik analisis dc dan ac Common Emitter

Bagaimana jika gambar rangkaian Common Emitter tanpa rangkaian pembagi tegangan pada terminal Base seperti ditunjukan pada Gambar 11.

Gambar 11. Common Emitter tanpa resistor pembagi tegangan

Analisis dc dari rangkaian Gambar 11. 

Besarnya arus dc pada terminal Base dapat dicari dengan persamaan :

Besarnya arus maksimum yang diijinkan melewati terminal Collector dapat dicari dengan persamaan :

Analisis ac dari rangkaian Gambar 11.

Gambar 12. Rangkaian ekivalen analisis ac Gambar 11.

Impedansi yang mempengaruhi besarnya arus ac yang mengalir pada transistor dapat dicari dengan persamaan :

Besarnya impedansi output dapat dicari dengan persamaan :

Besarnya penguatan tegangan rangkaian ekivalen ac Gambar 12 dapat dicari dengan persamaan:

Hal yang perlu diperhatikan dalam mendesain penguat kelas A Common Emitter :

1. Menentukan besarnya VCEQ ≈ 1/2 . VCC 
2. Kemudian menentukan nilai ICQ max , RC dan RE.
3. Menentukan arus dc yang mengalir pada terminal Base (IBQ) dan hambatan pada terminal Base (RB).

EoF