Bias Transistor
Bias Transistor adalah proses pengaturan tegangan operasi DC atau kondisi arus ke tingkat yang benar sehingga setiap sinyal input AC dapat diperkuat dengan benar oleh transistor.
Keadaan operasi yang stabil dari Transistor sangat tergantung pada arus base-nya, tegangan collector, dan arus collector dan oleh karena itu, jika sebuah transistor ingin beroperasi sebagai penguat linier, transistor harus bias dengan benar untuk memiliki titik operasi yang sesuai.
Menetapkan titik operasi yang benar membutuhkan pemilihan resistor bias dan resistor beban yang tepat untuk memberikan kondisi input dan tegangan collector yang sesuai.
Titik bias yang benar untuk transistor bipolar, baik transistor NPN atau transistor PNP, umumnya terletak di antara dua operasi ekstrem sehubungan dengan itu menjadi "sepenuhnya-ON" atau "sepenuhnya-OFF" di sepanjang garis bebannya. Titik operasi pusat ini disebut "Titik Operasi Diam", atau singkatnya titik-Q.
Ketika sebuah transistor bipolar bias sehingga titik-Q berada di dekat bagian tengah jangkauan operasinya, yang kira-kira setengah antara cut-off dan saturasi, dikatakan beroperasi sebagai penguat Kelas A. Mode operasi ini memungkinkan arus output meningkat dan berkurang di sekitar amplifier titik-Q tanpa distorsi ketika sinyal input berayun melalui siklus lengkap. Dengan kata lain, arus output mengalir selama 360° penuh dari siklus input.
Jadi bagaimana kita mengatur bias titik-Q dari sebuah transistor? - Bias transistor yang benar dicapai dengan menggunakan proses yang dikenal sebagai Bias Base.
Tetapi sebelum kita mulai melihat kemungkinan pengaturan bias transistor yang berbeda , mari kita ingatkan diri kita sendiri tentang rangkaian dasar transistor dan tegangan serta arus yang terkait seperti ditunjukkan di gambar sebelah.
Fungsi "Level DC Bias" atau "tidak ada level sinyal input" adalah untuk mengatur dengan benar titik-Q transistor dengan mengatur arus collector ( IC ) ke nilai keadaan konstan dan mantap tanpa sinyal input yang diterapkan ke basis transistor. Titik operasi stabil atau DC ini diatur oleh nilai tegangan supply DC rangkaian ( Vcc ) dan nilai resistor bias yang menghubungkan terminal Base transistor.
Karena arus bias Base transistor adalah arus DC keadaan tunak, penggunaan kapasitor kopling dan kapasitor bypass yang tepat akan membantu memblokir penyiapan arus bias untuk satu tahap transistor yang memengaruhi kondisi bias berikutnya. Jaringan bias base dapat digunakan untuk konfigurasi transistor Common-Base (CB), Common-Collector (CC) atau Common-Emitter (CE).
Dalam tutorial bias transistor sederhana ini, kita akan melihat berbagai pengaturan bias yang tersedia untuk Penguat Amplifier Common Emitter.
Dua bentuk bias transistor yang paling umum adalah: Beta Dependent dan Beta Independent. Tegangan bias transistor sebagian besar tergantung pada transistor beta, ( β ) sehingga bias yang diatur untuk satu transistor mungkin tidak selalu sama untuk transistor lain.
Bias transistor dapat dicapai baik dengan menggunakan resistor umpan balik tunggal atau dengan menggunakan jaringan pembagi tegangan sederhana untuk memberikan tegangan bias yang diperlukan.
Berikut ini adalah lima contoh konfigurasi bias Base transistor dari satu catu ( Vcc ).
Rangkaian yang ditunjukkan disebut sebagai "rangkaian bias base tetap", karena arus base transistor, IB tetap konstan untuk nilai Vcc yang diberikan, dan oleh karena itu titik operasi transistor juga harus tetap tetap. Jaringan bias dua resistor ini digunakan untuk menetapkan daerah operasi awal transistor menggunakan bias arus tetap.
Jenis susunan bias transistor ini juga merupakan bias dependen beta karena kondisi operasi tunak adalah fungsi dari nilai beta β transistor, sehingga titik bias akan bervariasi pada kisaran lebar untuk transistor dengan jenis yang sama dengan karakteristik dari Transistor tidak akan persis sama.
Dioda emitter dari transistor bias maju dengan menerapkan tegangan bias base positif yang diperlukan melalui resistor yang membatasi arus RB. Dengan asumsi transistor bipolar standar, penurunan tegangan base-emitter maju akan menjadi 0.7V. Maka nilai RB secara sederhana: ( VCC - VBE )/IB di mana IB didefinisikan sebagai IC/β.
Dengan jenis Resistor tunggal dari metode bias ini, tegangan dan arus bias tidak tetap stabil selama operasi transistor dan dapat sangat bervariasi. Juga suhu transistor dapat mempengaruhi titik operasi.
Konfigurasi bias umpan balik collector dependent ini adalah metode bias lain yang tergantung beta yang hanya membutuhkan dua resistor untuk memberikan bias DC yang diperlukan untuk transistor.
Konfigurasi umpan balik collector ke base memastikan bahwa transistor selalu bias di wilayah aktif terlepas dari nilai Beta ( β ) karena tegangan bias base DC berasal dari tegangan collector, VC memberikan stabilitas yang baik.
Di rangkaian ini, resistor base Bias, RB terhubung ke transistor collector C, bukannya ke rel tegangan supply, Vcc. Sekarang jika arus collector meningkat, tegangan collector turun, mengurangi drive base dan dengan demikian secara otomatis mengurangi arus collector untuk menjaga titik-Q transistor tetap.
Maka metode ini umpan balik collector bias menghasilkan umpan balik negatif karena ada umpan balik dari output ke input melalui resistor, RB.
Tegangan bias berasal dari drop tegangan di resistor beban, RL. Jadi jika arus beban meningkat akan ada drop tegangan yang lebih besar di RL, dan mengurangi tegangan collector yang sesuai, VC yang akan menyebabkan penurunan yang sesuai dalam arus base, IB yang pada gilirannya, membawa IC kembali normal.
Reaksi sebaliknya juga akan terjadi ketika arus collector transistor menjadi kurang. Maka metode bias ini disebut bias dengan stabilitas transistor menggunakan jenis jaringan bias umpan balik yang umumnya baik untuk sebagian besar desain amplifier.
Menambahkan resistor tambahan ke jaringan bias base dari konfigurasi sebelumnya meningkatkan stabilitas bahkan lebih berkaitan dengan variasi Beta, ( β ) dengan meningkatkan arus yang mengalir melalui resistor bias base.
Arus yang mengalir melalui RB1 umumnya ditetapkan pada nilai yang sama dengan sekitar 10% dari arus collector , IC. Jelas itu juga harus lebih besar dari arus base yang diperlukan untuk nilai minimum Beta, β.
Salah satu keuntungan dari jenis konfigurasi self bias ini adalah bahwa resistor menyediakan bias otomatis dan umpan balik Rƒ pada saat yang sama.
Jenis konfigurasi bias transistor ini, sering disebut self-emitter bias, menggunakan umpan balik emitter dan base-collector untuk menstabilkan arus collector bahkan lebih sebagai resistor RB1 dan RE serta persimpangan base-emitter dari transistor semuanya efektif terhubung secara seri dengan tegangan supply, VCC.
Kelemahan dari konfigurasi umpan balik emitter ini adalah bahwa output telah mengurangi penguatan karena koneksi resistor base karena tegangan collector menentukan arus yang mengalir melalui resistor umpan balik, RB1 menghasilkan apa yang disebut “umpan balik degeneratif”.
Arus yang mengalir dari emitter, IE (yang merupakan kombinasi dari IC + IB ) menyebabkan penurunan tegangan muncul di RE dalam arah sedemikian rupa, sehingga membalikkan bias persimpangan/junction base-emitter.
Jadi jika arus emitter meningkat, penurunan tegangan I*RE juga meningkat. Karena polaritas tegangan balik ini bias pada junction base-emitter, IB secara otomatis berkurang. Oleh karena itu peningkatan arus emitter kurang dari seharusnya jika tidak ada resistor bias sendiri.
Nilai resistor umumnya diatur sehingga drop tegangan resistor emitter RE adalah sekitar 10% dari VCC dan arus yang mengalir melalui resistor RB1 adalah 10% dari arus collector IC. Konfigurasi transistor bias jenis ini bekerja paling baik pada tegangan catu daya yang relatif rendah.
Transistor common emitter bias menggunakan jaringan pembagi tegangan untuk meningkatkan stabilitas. Nama konfigurasi bias ini berasal dari fakta bahwa dua resistor RB1 dan RB2 membentuk jaringan pembagi tegangan atau potensial di seluruh supply dengan junction titik pusatnya menghubungkan terminal base transistor seperti yang ditunjukkan.
Konfigurasi bias pembagi tegangan ini adalah metode bias transistor yang paling banyak digunakan, karena emitter dioda dari transistor maju bias dengan tegangan jatuh melintasi resistor RB2. Juga, bias jaringan pembagi tegangan membuat rangkaian transistor tidak tergantung pada perubahan beta karena tegangan pada base transistor, emitter, dan collector tergantung pada nilai-nilai rangkaian eksternal.
Untuk menghitung tegangan yang dikembangkan melintasi resistor RB2 dan oleh karena itu tegangan yang diterapkan ke terminal base kita cukup menggunakan rumus pembagi tegangan untuk resistor secara seri.
Secara umum penurunan tegangan pada resistor RB2 jauh lebih sedikit daripada resistor RB1. Maka jelas transistor tegangan base VB sehubungan dengan ground, akan sama dengan tegangan RB2. Arus yang mengalir melalui resistor RB2 umumnya ditetapkan pada 10 kali nilai arus base yang diperlukan IB sehingga tidak berpengaruh pada arus pembagi tegangan atau perubahan dalam Beta.
Tujuan Bias Transistor adalah untuk menetapkan titik-Q yang diketahui agar transistor dapat bekerja secara efisien dan menghasilkan sinyal output yang tidak terdistorsi. Bias yang benar dari transistor juga menetapkan wilayah operasi AC awalnya dengan rangkaian bias praktis menggunakan jaringan bias dua atau empat resistor.
Dalam rangkaian transistor bipolar, titik-Q diwakili oleh ( VCE, IC ) untuk transistor NPN atau ( VEC, IC ) untuk transistor PNP. Stabilitas jaringan bias base dan oleh karena itu titik-Q umumnya dinilai dengan mempertimbangkan arus collector sebagai fungsi dari Beta ( β ) dan suhu.
Di sini kita telah melihat secara singkat pada lima konfigurasi berbeda untuk "bias transistor" menggunakan jaringan resistif. Tetapi kita juga dapat membiasakan transistor menggunakan silikon dioda, dioda zener atau jaringan aktif yang semuanya terhubung ke terminal base transistor atau dengan membiasakan transistor dari catu daya ganda.
Keadaan operasi yang stabil dari Transistor sangat tergantung pada arus base-nya, tegangan collector, dan arus collector dan oleh karena itu, jika sebuah transistor ingin beroperasi sebagai penguat linier, transistor harus bias dengan benar untuk memiliki titik operasi yang sesuai.
Menetapkan titik operasi yang benar membutuhkan pemilihan resistor bias dan resistor beban yang tepat untuk memberikan kondisi input dan tegangan collector yang sesuai.
Titik bias yang benar untuk transistor bipolar, baik transistor NPN atau transistor PNP, umumnya terletak di antara dua operasi ekstrem sehubungan dengan itu menjadi "sepenuhnya-ON" atau "sepenuhnya-OFF" di sepanjang garis bebannya. Titik operasi pusat ini disebut "Titik Operasi Diam", atau singkatnya titik-Q.
Ketika sebuah transistor bipolar bias sehingga titik-Q berada di dekat bagian tengah jangkauan operasinya, yang kira-kira setengah antara cut-off dan saturasi, dikatakan beroperasi sebagai penguat Kelas A. Mode operasi ini memungkinkan arus output meningkat dan berkurang di sekitar amplifier titik-Q tanpa distorsi ketika sinyal input berayun melalui siklus lengkap. Dengan kata lain, arus output mengalir selama 360° penuh dari siklus input.
Jadi bagaimana kita mengatur bias titik-Q dari sebuah transistor? - Bias transistor yang benar dicapai dengan menggunakan proses yang dikenal sebagai Bias Base.
Fungsi "Level DC Bias" atau "tidak ada level sinyal input" adalah untuk mengatur dengan benar titik-Q transistor dengan mengatur arus collector ( IC ) ke nilai keadaan konstan dan mantap tanpa sinyal input yang diterapkan ke basis transistor. Titik operasi stabil atau DC ini diatur oleh nilai tegangan supply DC rangkaian ( Vcc ) dan nilai resistor bias yang menghubungkan terminal Base transistor.
Karena arus bias Base transistor adalah arus DC keadaan tunak, penggunaan kapasitor kopling dan kapasitor bypass yang tepat akan membantu memblokir penyiapan arus bias untuk satu tahap transistor yang memengaruhi kondisi bias berikutnya. Jaringan bias base dapat digunakan untuk konfigurasi transistor Common-Base (CB), Common-Collector (CC) atau Common-Emitter (CE).
Dalam tutorial bias transistor sederhana ini, kita akan melihat berbagai pengaturan bias yang tersedia untuk Penguat Amplifier Common Emitter.
Bias Base Penguat Common Emitter
Salah satu rangkaian bias yang paling sering digunakan untuk rangkaian transistor adalah dengan bias diri dari rangkaian bias-emitter di mana satu atau lebih resistor bias digunakan untuk mengatur nilai DC awal arus transistor, ( IB ), ( IC ) dan ( IE ).Dua bentuk bias transistor yang paling umum adalah: Beta Dependent dan Beta Independent. Tegangan bias transistor sebagian besar tergantung pada transistor beta, ( β ) sehingga bias yang diatur untuk satu transistor mungkin tidak selalu sama untuk transistor lain.
Bias transistor dapat dicapai baik dengan menggunakan resistor umpan balik tunggal atau dengan menggunakan jaringan pembagi tegangan sederhana untuk memberikan tegangan bias yang diperlukan.
Berikut ini adalah lima contoh konfigurasi bias Base transistor dari satu catu ( Vcc ).
Bias Base Transistor Tetap
Rangkaian yang ditunjukkan disebut sebagai "rangkaian bias base tetap", karena arus base transistor, IB tetap konstan untuk nilai Vcc yang diberikan, dan oleh karena itu titik operasi transistor juga harus tetap tetap. Jaringan bias dua resistor ini digunakan untuk menetapkan daerah operasi awal transistor menggunakan bias arus tetap.
Jenis susunan bias transistor ini juga merupakan bias dependen beta karena kondisi operasi tunak adalah fungsi dari nilai beta β transistor, sehingga titik bias akan bervariasi pada kisaran lebar untuk transistor dengan jenis yang sama dengan karakteristik dari Transistor tidak akan persis sama.
Dioda emitter dari transistor bias maju dengan menerapkan tegangan bias base positif yang diperlukan melalui resistor yang membatasi arus RB. Dengan asumsi transistor bipolar standar, penurunan tegangan base-emitter maju akan menjadi 0.7V. Maka nilai RB secara sederhana: ( VCC - VBE )/IB di mana IB didefinisikan sebagai IC/β.
Dengan jenis Resistor tunggal dari metode bias ini, tegangan dan arus bias tidak tetap stabil selama operasi transistor dan dapat sangat bervariasi. Juga suhu transistor dapat mempengaruhi titik operasi.
Bias Transistor Umpan Balik Collector
Konfigurasi bias umpan balik collector dependent ini adalah metode bias lain yang tergantung beta yang hanya membutuhkan dua resistor untuk memberikan bias DC yang diperlukan untuk transistor.
Konfigurasi umpan balik collector ke base memastikan bahwa transistor selalu bias di wilayah aktif terlepas dari nilai Beta ( β ) karena tegangan bias base DC berasal dari tegangan collector, VC memberikan stabilitas yang baik.
Di rangkaian ini, resistor base Bias, RB terhubung ke transistor collector C, bukannya ke rel tegangan supply, Vcc. Sekarang jika arus collector meningkat, tegangan collector turun, mengurangi drive base dan dengan demikian secara otomatis mengurangi arus collector untuk menjaga titik-Q transistor tetap.
Maka metode ini umpan balik collector bias menghasilkan umpan balik negatif karena ada umpan balik dari output ke input melalui resistor, RB.
Tegangan bias berasal dari drop tegangan di resistor beban, RL. Jadi jika arus beban meningkat akan ada drop tegangan yang lebih besar di RL, dan mengurangi tegangan collector yang sesuai, VC yang akan menyebabkan penurunan yang sesuai dalam arus base, IB yang pada gilirannya, membawa IC kembali normal.
Reaksi sebaliknya juga akan terjadi ketika arus collector transistor menjadi kurang. Maka metode bias ini disebut bias dengan stabilitas transistor menggunakan jenis jaringan bias umpan balik yang umumnya baik untuk sebagian besar desain amplifier.
Bias Transistor Umpan Balik Ganda
Menambahkan resistor tambahan ke jaringan bias base dari konfigurasi sebelumnya meningkatkan stabilitas bahkan lebih berkaitan dengan variasi Beta, ( β ) dengan meningkatkan arus yang mengalir melalui resistor bias base.
Arus yang mengalir melalui RB1 umumnya ditetapkan pada nilai yang sama dengan sekitar 10% dari arus collector , IC. Jelas itu juga harus lebih besar dari arus base yang diperlukan untuk nilai minimum Beta, β.
Salah satu keuntungan dari jenis konfigurasi self bias ini adalah bahwa resistor menyediakan bias otomatis dan umpan balik Rƒ pada saat yang sama.
Bias Transistor dengan Umpan Balik Emitter
Jenis konfigurasi bias transistor ini, sering disebut self-emitter bias, menggunakan umpan balik emitter dan base-collector untuk menstabilkan arus collector bahkan lebih sebagai resistor RB1 dan RE serta persimpangan base-emitter dari transistor semuanya efektif terhubung secara seri dengan tegangan supply, VCC.
Kelemahan dari konfigurasi umpan balik emitter ini adalah bahwa output telah mengurangi penguatan karena koneksi resistor base karena tegangan collector menentukan arus yang mengalir melalui resistor umpan balik, RB1 menghasilkan apa yang disebut “umpan balik degeneratif”.
Arus yang mengalir dari emitter, IE (yang merupakan kombinasi dari IC + IB ) menyebabkan penurunan tegangan muncul di RE dalam arah sedemikian rupa, sehingga membalikkan bias persimpangan/junction base-emitter.
Jadi jika arus emitter meningkat, penurunan tegangan I*RE juga meningkat. Karena polaritas tegangan balik ini bias pada junction base-emitter, IB secara otomatis berkurang. Oleh karena itu peningkatan arus emitter kurang dari seharusnya jika tidak ada resistor bias sendiri.
Nilai resistor umumnya diatur sehingga drop tegangan resistor emitter RE adalah sekitar 10% dari VCC dan arus yang mengalir melalui resistor RB1 adalah 10% dari arus collector IC. Konfigurasi transistor bias jenis ini bekerja paling baik pada tegangan catu daya yang relatif rendah.
Bias Transistor Pembagi Tegangan
Transistor common emitter bias menggunakan jaringan pembagi tegangan untuk meningkatkan stabilitas. Nama konfigurasi bias ini berasal dari fakta bahwa dua resistor RB1 dan RB2 membentuk jaringan pembagi tegangan atau potensial di seluruh supply dengan junction titik pusatnya menghubungkan terminal base transistor seperti yang ditunjukkan.
Konfigurasi bias pembagi tegangan ini adalah metode bias transistor yang paling banyak digunakan, karena emitter dioda dari transistor maju bias dengan tegangan jatuh melintasi resistor RB2. Juga, bias jaringan pembagi tegangan membuat rangkaian transistor tidak tergantung pada perubahan beta karena tegangan pada base transistor, emitter, dan collector tergantung pada nilai-nilai rangkaian eksternal.
Untuk menghitung tegangan yang dikembangkan melintasi resistor RB2 dan oleh karena itu tegangan yang diterapkan ke terminal base kita cukup menggunakan rumus pembagi tegangan untuk resistor secara seri.
Secara umum penurunan tegangan pada resistor RB2 jauh lebih sedikit daripada resistor RB1. Maka jelas transistor tegangan base VB sehubungan dengan ground, akan sama dengan tegangan RB2. Arus yang mengalir melalui resistor RB2 umumnya ditetapkan pada 10 kali nilai arus base yang diperlukan IB sehingga tidak berpengaruh pada arus pembagi tegangan atau perubahan dalam Beta.
Tujuan Bias Transistor adalah untuk menetapkan titik-Q yang diketahui agar transistor dapat bekerja secara efisien dan menghasilkan sinyal output yang tidak terdistorsi. Bias yang benar dari transistor juga menetapkan wilayah operasi AC awalnya dengan rangkaian bias praktis menggunakan jaringan bias dua atau empat resistor.
Dalam rangkaian transistor bipolar, titik-Q diwakili oleh ( VCE, IC ) untuk transistor NPN atau ( VEC, IC ) untuk transistor PNP. Stabilitas jaringan bias base dan oleh karena itu titik-Q umumnya dinilai dengan mempertimbangkan arus collector sebagai fungsi dari Beta ( β ) dan suhu.
Di sini kita telah melihat secara singkat pada lima konfigurasi berbeda untuk "bias transistor" menggunakan jaringan resistif. Tetapi kita juga dapat membiasakan transistor menggunakan silikon dioda, dioda zener atau jaringan aktif yang semuanya terhubung ke terminal base transistor atau dengan membiasakan transistor dari catu daya ganda.