Multistage BJT Amplifier

Multistage BJT amplifier bertujuan untuk mendapatkan penguatan lebih besar yaitu penguatan tegangan atau arus tergantung dari desain rangkaian penguat tersebut. Untuk memahami apa yang dijelaskan pada halaman ini Anda perlu mengetahui dasar penguat menggunakan transistor Common Emitter dan Common Collector.

Amplifier (penguat) multistage merupakan rangkaian penguat menggunakan lebih dari satu BJT (Bipolar Junction Transistor) dengan menyusunnya sedemikian rupa untuk mendapatkan penguatan tegangan atau penguatan arus (penguat daya) atau keduanya.

Penguat Common Emitter dua tingkat

Gambar 1 adalah contoh dasar rangkaian penguat Common Emitter dua tingkat (dua transistor) kelas A.

Gambar 1. Rangkaian penguat Common Emitter dua tingkat

Rangkaian penguat pada Gambar 1 bertujuan untuk memperbesar penguatan tegangan dimana jika menggunakan satu penguat saja penguatan tegangan masih kurang besar. Rumus yang digunakan dalam mendesain penguat ini adalah rumus penguat Common Emitter.

Rangkaian ekivalen analisis dc Common Emitter dua tingkat ditunjukan Gambar 2 yang memilikit dua rangkaian analisis dc yaitu rangkaian pada transistor 1 (Tr1) dan pada transistor 2 (Tr2). Semua kapasitor dapat diasumsikan tidak terhubung karena arus dc tidak dapat melewati kapasitor.

Gambar 2. Rangkaian ekivalen analisis dc Common Emitter dua tingkat

Resistansi pada terminal Base transistor 1 adalah semua resistor yang terhubung langsung dengan terminal Base transistor 1. Semua resistor yang terhubung pada kapasitor tetapi tidak terhubung langsung dengan terminal Base transistor 1 dianggap terputus karena kapasitor tidak bisa dilewati arus dc.

Besarnya resistansi pada terminal Base transistor 1 (RBTr1) adalah :

Resistansi pada terminal Base transistor 2 adalah semua resistor yang terhubung langsung dengan terminal Base transistor 2. Semua resistor yang terhubung dengan kapasitor tetapi tidak terhubung secara langsung dianggap terputus karena kapasitor tidak meneruskan atau mengalirkan arus dc.

Besarnya resistansi pada terminal Base pada transistor 2 (RBTr2) adalah :

Berdasarkan Gambar 2, tegangan pada terminal Base merupakan tegangan yang dihasilkan oleh voltage divider antara R1 dan R2 sehingga Besarnya tegangan terminal Base transistor 1 (VBTr1) adalah :

Besarnya tegangan pada terminal Base transistor2 (VBTr2) adalah :

Arus maksimum yang diperbolehkan mengalir melalui terminal Collector transistor 1 (ICTr1 max) adalah saat transistor bekerja pada daerah saturasi yang ditandai tegangan VCE mendekati 0 atau bisa diasumsikan VCE sama dengan 0. Sehingga arus maksimum ICTr1 max dapat mengikuti aturan hukum Ohm yaitu :

Arus maksimum yang diijinkan mengalir pada terminal Collector transistor 2 (ICTr2 max) adalah :

Arus dc yang mengalir pada terminal Base dipengaruhi oleh semua hambatan yang terhubung pada terminal Base dan terminal Emitter karena Emitter dan Base dapat diasumsikan sebagai dioda dengan tegangan barrier 0,7 Volt. Dan tentu saja besarnya tegangan pada terminal Base juga menentukan besarnya arus yang mengalir pada terminal Base.

Dengan KVL (Kirchhoff Voltage Law) pada rangkaian transistor 1 (IBQTr1) maka didapat persamaan sebagai berikut :

Dari KVL pada rangkaian transistor 1 dapat dicari besarnya arus mengalir pada terminala Base (IBTr1):

KVL (Kirchhoff Voltage Law) pada rangkaian penguat transistor 2 (IBQTr2) adalah :

Dengan cara yang sama dengan IBQTr1, maka arus pada terminal Base transistor 2 IBTr2 dapat ditulis menjadi :

Besarnya arus dc terminal Collector pada transistor 1 (ICQTr1) adalah :

Besarnya arus dc terminal Collector pada transistor 2 (ICQTr2) adalah :

Jika pada rangkaian penguat menggunakan dua transistor dengan β yang sama dan menginginkan penguatkan sama besar antara rangkaian transistor 1 dan transistor 2, maka nilai resistor R1 = R3, R2 = R4, RE1 = RE2, RC1 = RC2 .

Rangkaian ekivalen analisis ac.

Untuk mempermudah perhitungan maka setiap kapasitor pada rangkaian dianggap terhubung singkat sehingga RE1 dan RE2 diasumsikan tidak ada karena bypass kapasitor CE1 dan CE2 terhubung singkat. Kemudian resistor voltage divider pada terminal Base berubah menjadi paralel. Lalu pada terminal Collector, resistor yang terhubung pada kapasitor digambarkan secara paralel. Gambar 3 menunjukan rangkaian ekivalen analisis ac dari Gambar 1.

Gambar 3. Rangkaian ekivalen analisis ac Common Emitter dua tingkat

Gambar 3 dapat disederhanakan dengan mem-paralelkan resistor sehingga Gambar rangkaian ekivalen ac berubah seperti yang ditunjukan pada Gambar 4.

Gambar 4. Rangkaian ekivalen analisis ac disederhanakan

Besarnya impedansi input pada transistor 1 (ZinTr1) adalah :

Besarnya impedansi output Tr1 (ZoutTr1) sama dengan impedansi input Tr2 (ZinTr2):

Besarnya impedansi output Tr2 (ZoutTr2) :

Penguatan tegangan pada transistor 1 (AVTr1) :

Penguatan tegangan pada transistor 2 (AVTr2) :

Total penguatan tegangan (AV) :

Besarnya tegangan output sinyal (Vout) rangkaian penguat adalah :

Penguat Dua Tingkat Common Emitter dan Common Collector

Penguat dua tingkat Common Emitter dan Common Collector bertujuan untuk menguatkan tegangan dan menguatkan arus. Common Emitter sebagai penguat tegangan sedangkan Common Collector sebagai penguat arus (penguat daya).

Gambar 5 menunjukan rangkaian penguat dua tingkat Common Emitter dan Common Collector.

Gambar 5. Penguat dua tingkat Common Emitter - Common Collector

Dalam menentukan titik kerja dc rangkaian penguat Gambar 5 diperlukan analisis dc dengan cara sama persis dengan penjelasan Gambar 2 di atas sehingga tidak dibahas lagi.

Analisis ac

Gambar 6 menunjukan gambar rangkaian ekivalen analisis ac penguat dua tingkat Common Emitter dan Common Collector dari rangkaian Gambar 5.

Gambar 6. Rangkaian ekivalen analisis ac penguat dua tingkat Common Emitter dan Common Collector

Impedansi input transistor 1 merupakan impedansi yang dianggap sebagai beban terhadap tegangan input VAC sehingga semua resistor pada rangkaian penguat yang merupakan beban sumber tegangan VAC dianggap sebagai impedansi input transistor 1 (ZinTr1). Sehingga besarnya impedansi input transistor 1 adalah :

Transistor 1 menggunakan konfigurasi Common Emitter dimana impedansi output transistor adalah semua resistor yang terhubung dengan terminal Collector transistor 1, termasuk resistor pada terminal Emitter transistor 2. Selain itu, impedansi output transistor 1 juga berfungsi sebagai impedansi input transistor 2. Besarnya impedansi output transistor 1 (ZoutTr1) dapat dicari dengan persamaan:

Impedansi output transistor 2 adalah semua resistor pada terminal Emitter dan terhubung secara paralel dengan beban dimana impedansi output dipengaruhi oleh besarnya impedansi atau hambatan beban dan juga dipengaruhi resistor pada terminal Base, hal ini disebabkan resistor dan beban pada terminal Emitter juga terhubung dengan resistor pada terminal Base transistor 2. Besarnya impedansi output transistor 2 (ZoutTr2) dapat dicari dengan persamaan :

Besarnya penguatan tegangan pada transistor 1 (Av1) adalah :

Tanda negatif (-) pada penguatan tegangan menandakan bahwa fasa sinyal terbalik 180 ^o.

Besarnya tegangan output Tr1 (VoutTr1) adalah sebagai berikut :

Untuk menghitung besarnya penguatan arus transistor 2 (AI2) adalah :

Kapasitor kopling input dan output

Kapasitor kopling merupakan kapasitor yang dipasang dengan tujuan memblok arus dc dari sumber tegangan agar tidak mengalir pada sumber sinyal input. kapasitor ini juga berfungsi sebagai filter yang meloloskan frekuensi tertentu.

Asusmsi nilai kapasitor C1 dapat dicari dengan menggunakan pendekatan rumus high pass filter dimana harus menentukan frekuensi minimum yang akan diloloskan oleh high pass filter. Sehingga nilai C1 dapat dicari sebagai berikut :

Dimana :

C1 : Kapasitor coupling input pada transistor 1.

ZinTr1 : Impedansi input transistor 1.

fc : Frekuensi cut-off sinyal input.

Asusmsi besarnya nilai kapasitor coupling C2 juga dicari menggunakan rumus high pass filter sebagai berikut :

Dimana :

C2 = Besarnya kapasitas kapasitor coupling C2.

ZoutTr1 = Impedansi output transistor 1.

fc : Frekuensi cut-off sinyal input.

Asusmsi besarnya nilai kapasitor coupling CE2 juga dicari menggunakan rumus high pass filter sebagai berikut :

CE2 = Kapasitas kapasitor coupling CE2.

ZoutTr2 = Impedansi output transistor 2.

fc : Frekuensi cut-off sinyal input.

Bypass Kapasitor

Bypass kapasitor hanya berlaku atau diterapkan pada Common Emitter dengan tujuan untuk menguatkan sinyal ac. Bypass kapasitor dipasang secara paralel terhadap resistor pada terminal Emitter (RE) yang berfungsi sebagai reaktansi kapasitif untuk membantu memperbesar penguatan tegangan sinyal ac dimana saat ada sinyal masuk dengan frekuensi tertentu maka kapasitor akan menjadi rendah nilai reaktansinya. Jika frekuensi semakin tinggi maka rekatansi kapasitif akan semakin kecil dan penguatan sinyal pada transistor semakin besar. Jika tidak ada sinyal ac pada input transistor maka reaktansi kapasitif menjadi besar atau bisa dianggap tidak terhubung (open).

Umumnya nilai reaktansi kapasitif bypass kapasitor yang digunakan adalah sepuluh kali lebih kecil dibanding RE (RE/10 ) pada frekuensi cut-off terendah.

Sehingga nilai CE dapat dicari dengan persamaan :