PENGUAT TRANSISTOR. dimana A V adalah penguatan tegangan (voltage gain). Hal yang sama untuk penguat arus berlaku

Transkripsi

1 13 PNGUA ANSSO 13.1 Mdel Setara Penguat Secara umum penguat (amplfer) dapat dkelmpkkan menjad 3 (tga), yatu penguat tegangan, penguat arus dan penguat transresstans. Pada dasarnya kerja sebuah penguat adalah mengambl masukan (nput), menglahnya dan menghaslkan keluaran (utput) yang besarnya sebandng dengan masukan. esarnya tegangan keluaran ( ) dbandngkan dengan tegangan masukan ( ) dnyatakan sebaga A (13.1) dmana A adalah penguatan tegangan (ltage gan). Hal yang sama untuk penguat arus berlaku A (13.2) dmana adalah arus keluaran, adalah arus masukan dan A adalah penguatan arus (current gan). Sementara n pembahasan hanya dbatas pada penguatan tegangan. Gambar 13.1 menunjukkan rangkaan setara heenn dar jarngan bergerbang dua dar suatu penguat. Secara deal, penguat tdak mengambl arus dar masukan dan tegangan keluaran tdak mengalam perubahan jka arus dambl dar ujung keluaran (lhat gambar 13.1-a). Pada kenyataannya rangkaan yang deal n tdak bsa dbuat. angkaan sepert terlhat pada gambar 13.1-b adalah lebh realstk dmana kta menambah hambatan masukan dan hambatan keluaran. 154 KONKA DASA

2 s (a) ~ ~ A Sumber Penguat eban s (b) ' ~ ~ A ' Gambar 13.1 angkaan setara heenn jarngan bergerbang dua sebesar Pada gambar 13.1-b terlhat bahwa pada bagan masukan mengalr arus masukan (13.3) Semakn besar harga penguat tersebut semakn mendekat knds deal. Hambatan sumber s dan hambatan masukan membentuk pembag tegangan sehngga + s s (13.4) Pada bagan keluaran, dengan adanya, tegangan keluaran ' menjad ' atau ' + (13.5) Penguat ransstr 155

3 Persamaan 13.5 jelas memperlhatkan bahwa semakn kecl harga suatu penguat akan medekat knds deal Penguat egangan Pada bagan sebelumnya telah dpelajar bagamana transstr dber tegangan panjar (bas) agar transstr tersebut dapat bekerja sebaga penguat. Pada gambar 13.2 dperlhatkan penguat J emtr-dtanahkan dengan tegangan panjar dar dan. + _ + _ ~ Gambar 13.2 pemasangan tegangan panjar pada penguat emtr dtanahkan Antara parameter masukan dan keluaran terdapat hubungan dalam bentuk ekspnensal sebaga berkut exp exp 1 (13.6) Arus klektr ( ) besarnya hampr mendekat arus emtr ( ), dengan demkan kta dapat menulskan exp (13.7) 156 KONKA DASA

4 (a) (b) (c) Gambar 13.3 entuk syarat keluaran suatu penguat untuk syarat masukan (a) 1 dan 1,8 m, (b) 4 dan 8 m dan (c) 15 dan 20 m Penguat ransstr 157

5 dan tegangan klektr dberkan leh exp (13.8) Persamaan 13.8 menunjukkan hubungan antara tegangan nput dan tegangan utput dmana keduanya terdapat kmpnen D (untuk panjar) dan kmpnen A (syarat). Sayangnya keluaran dan masukan merupakan hubungan yang tdak selalu lner. Dengan kata lan tdak selalu keluaran merupakan cpy dar masukan sehngga terjad keluaran yang terdestr (cacat). n terjad akbat syarat masukan yang terlalu besar. Pada gambar 13.3-a syarat keluaran dar suatu nput 1 dan 1.8 m memperlhatkan bentuk snusda yang sempurna (tdak terjad dstrs). Namun jka syarat masukan dperbesar menjad 4 dan 8 m (gambar 13.3-b) nampak bahwa untuk gars referens d 7, syarat keluaran tdak smetr lag (bagan bawah lebh tajam). Pada syarat masukan sebesar 15 m (gambar 13.3-c), syarat keluaran mengalam dstrs yang sangat nyata. Saat masukan dperbesar ke harga 20 m, masukan klektr menyama tegangan emter, akbatnya transstr berada pada daerah jenuh sehngga syarat keluaran terptng kurang lebh 2. Dengan demkan kta hanya dapat menentukan besarnya tegangan keluaran karena adanya perubahan yang sangat kecl pada masukan, yang lebh dkenal sebaga penguatan syarat kecl (small-sgnal gan). Kta memlk exp dan besarnya penguatan dberkan leh d d exp atau d d (13.9) 158 KONKA DASA

6 Pada persamaan 13.9 terlhat bahwa penguatan berharga negatf, artnya jka nak maka juga nak, tetap sebalknya akan menurun. Untuk pengperasan pada syarat kecl, tetap mendekat harga panjar D yatu, sehngga penguatan syarat kecl dberkan leh A (13.10) Penguatan n bernla cukup besar, msalnya untuk sebesar dperleh penguatan 13.3 Hambatan Masukan Pada rangkaan emtr-dtanahkan (cmmn emtr) harga hambatan masukan dapat dperleh juga dar hubungan ekspnensal exp atau exp ( β + 1) Sekal lag untuk syarat masukan yang sangat kecl dperleh d d exp ( β + 1) sehngga d d ( β + 1) exp β (13.11) Penguat ransstr 159

7 uas kr tdak lan adalah hambatan masukan untuk rangkaan emtr dtanahkan atau basa dsmblkan dengan r π. Untuk syarat kecl, arus emtr mendekat hara D ( ) sehngga r π β (13.12) Slpe 1/r π Gambar 13.4 Pengamblan harga r π dar karakterstk nput transstr Perlu dcatat bahwa r π bukanlah berasal dar resstr yang nyata; namum berasal dar kemrngan (slpe) kura karakterstk masukan (lhat gambar 13.4) pada ttk panjar D. Dengan cara yang sama untuk rangkaan penguat bass-dtanahkan, dengan arus masukan ( β + 1), hambatan masukan (r e ) adalah r e (13.13) Persamaan dturunkan langsung dar exp( / ). Dengan demkan hubungan r π dan r e dapat dtulskan sebaga 160 KONKA DASA

8 r π β r π (13.14) Sedangkan besarnya penguatan tegangan dmungknkan untuk dtulskan sebaga A r e (13.15) Dar keadaan d atas nampak bahwa besarnya penguatan tegangan adalah sama untuk setap transstr, yatu hanya tergantung pada dan bukan pada β Hambatan Keluaran rasstr mengalrkan arus lewat hambatan beban sebesar β (13.16) dmana harganya hampr tdak tergantung pada besarnya karena hampr tdak tergantung pada besarnya. esarnya hambatan keluaran walaupun keluaran terbeban akan berharga sektar Mdel-mdel syarat Kecl (Small-Sgnal Mdels) Untuk menentukan sfat-sfat sebuah penguat transstr, dapat dlakukan pendekatan yatu menggant transstr tersebut dengan rangkaan setara mdel syarat kecl. Mdel n tersusun dar rangkaan yang lebh sederhana sehngga memudahkan perhtungan. b c r π β b Gambar 13.5 Mdel syarat kecl untuk penguat emtr dtanahkan Penguat ransstr 161

9 Gambar 13.5 menunjukkan sebuah mdel syarat kecl untuk penguat emtr dtanahkan. Pada bagan masukan (bass) mengalr arus A (yatu ) lewat hambatan rπ β r e dmana r e /. Pada bagan keluaran (klektr), transstr mempunya arus A klektr ( ) yang (hampr) knstan sebesar β. b e b β b r e α e r e (a) (b) Gambar 13.6 Mdel syarat kecl untuk penguat bass dtanahkan Gambar 13.6-a menunjukkan sebuah mdel syarat kecl untuk penguat bassdtanahkan. Dengan membuat mdfkas mdel sepert terlhat pada gambar 13.6-b, kadang-kadang dapat member kemudahan dan lebh berguna. Pada bagan masukan terdapat hambatan masukan r e. Jka pada masukan dber tegangan masukan sebesar b maka arus masukan adalah b, sedangkan arus sebesar ( β + 1 mengalr lewat r e sehngga ( + ) b re β 1 (13.17) ) b b b ( β + ) 1 r π r e yang merupakan hambatan masukan sepert yang dharapkan. (13.18) 162 KONKA DASA

10 s 1 s ~ khm 2 4,7 khm Q 390 hm hm 4700 uf + _ 100 uf Gambar 13.7 nth pemberan keadaan panjar pada penguat transstr Gambar 13.7 memperlhatkan cnth rangkaan penguat transstr dengan sumber tegangan masukan S dengan resstans sumber S. Kta menganalss rangkaan tersebut dengan membuat pendekatan seperlunya. Msalkan transstr Q 1 adalah terbuat dar slkn dengan tpe n-p-n dengan penguatan arus β 200. eberapa permasalahan berkut akan kta selesakan. (a) erapa arus D klektr? (b) er kmentar seberapa efektf keadaan panjar rangkaan pada gambar 13.7 (msalnya dengan membuat perkraan besarnya perubahan arus klektr jka dlakukan penggantan transstr dengan harga gan arus setengahnya) (c) Dengan asums harga s dapat dabakan, perkrakan efek pada tanggapan frekuens syarat-kecl pada 50 Hz () dar () dar. (d) Jka S berupa gelmbang snus dengan ampltud 2 m dan frekuens 1 khz, perkrakan bentuk tegangan keluarannya dengan () berasums S 0, () berasums S 600 Ω Penguat ransstr 163

11 Penyelesaan: (a) Pertama harus kta htung besarnya sumber tegangan rangkaan terbuka bass (ngat terema heenn) sebaga 2 /( ) 9 4,7/14,7 2,88 dan hambatan sumber bass 1 // 2 3,20 k Untuk transstr dengan gan arus β berlaku + ( β + 1) 2,88 0,6 ma 3, ,39 27,9 µ A Demkan juga β ,9 5,58 ma (dalam hal n kta berasums bahwa berharga 0,6 ) (b) Untuk β 100 kta mendapatkan 2,88 0,6 3, ,39 53,5 5,35 ma ma ternyata dperleh hasl yang hampr sama dengan transstr dengan β 200. Dengan demkan rangkaan n mempunya stabltas panjar yang bak. Sebaga alternatf dar bagan (a) dperleh (201/200) 5,58 ma 390 2, KONKA DASA

12 sehngga 2,79, nampak hampr sama dengan harga, member ndkas bahwa berharga sangat kecl. Juga harga cukup besar untuk menghapus ketdakpastan pada saat menghtung. b r e β b s s ~ 2 1 Gambar 13.8 angkaan ekalen A (c) () Kta berasums bahwa berharga cukup besar untuk danggap terjad hubung sngkat pada frekuens 50 Hz, kemudan kta akan lhat efek dar. Kta akan menggunakan mdel setara transstr sepert pada gambar 13.6 (b). Kta perlu menggambar rangkaan setara A, dan untuk keperluan n untuk sebarang ttk pada tegangan D adalah pada A dtanahkan (karenanya mempunya tegangan A nl). Selengkapnya rangkaan tersebut sepert terlhat pada gambar Harga reaktans dar pada frekuens 50 Hz adalah 1/ ω ( , π 50) eaktans n paralel dengan 390 Ω dmana harganya dapat dabakan, dan n ser dengan r e 25 m/5,61 ma 4,46 Ω 1 Arus sebesar ( β + 1) mengalr melalu keduanya sehngga tegangan pada e b kedua ujungnya adalah sebesar b b (896 Ω resstf Ω kapastf) Penguat ransstr 165

13 dmana karena kta mengabakan mpedans S dan, maka harganya sama dengan S. agan dar S yang muncul pada r e adalah sebesar 4,46 / 4, ,677 0,989. Dengan demkan hanya memberkan efek yang kecl pada frekuens 50 Hz (n akan menghaslkan pergeseran fase sebesar tan -1 (0,677/4,46) 8,6 ) () Pada kasus n mdel sepert terlhat pada gambar 13.5 lebh sesua sehngga rangkaan ekalen A terlhat sepert pada gambar b r π β b s s ~ 2 1 Gambar 13.9 angkaan setara Kta dapat mengabakan besarnya reaktans dar sehngga emter dtanahkan (grunded) dan hambatan masukan merupakan kmbnas paralel 1, 2 dan rπ β / m/5, yatu n (1/896 +1/ /10000) Ω. eaktans adalah sebesar 1/ ω ( ma 2π 50) 1 31,8 2 2 agan dar S yang muncul pada r π adalah sebesar 700 / ,8 0, 999. Dengan demkan pada frekuens 50 Hz, memberkan efek yang dapat dabakan pada besarnya penguatan. 166 KONKA DASA

14 (d) Masukan sebesar 2 m (>> 25 m) adalah cukup kecl untuk menghaslkan dstrs pada keluaran, karenanya kta dapat menggunakan analss syarat-kecl. Pada frekuens 1 khz, bak dan dapat danggap terjad hubung sngkat. () Dsn be s dan besarnya penguatan adalah sebesar A - /r e - (560/4,46) -126 dengan demkan keluaran berbentuk snusda dengan ampltud 252 m () Dalam hal n hambatan masukan sebesar 700 Ω (lhat bagan c-) dkena 2 m dar sumber dengan hambatan ser sebesar 600Ω. egangan keluaran akan turun sebesar (700/( )) 2 m m Pengaturan egangan Panjar Jka kta dmnta untuk menentukan besarnya panjar (bas) pada kedua rangkaan pada gambar 13.10, kemungknan kta akan kebngungan dengan banyaknya alternatf plhan harga. Namun perlu dperhatkan bahwa kta tdak bsa memlh panjar secara acak. Untuk tu dperlukan aturan agar ddapat desan yang tepat, walaupun harga-harga plhan dmaksud tdak berupa nla yang eksak tetap dalam bentuk nteral nla. + _ 1 + _ 2 _ + (a) (b) Gambar Desan pemberan panjar pada penguat transstr Penguat ransstr 167

15 Untuk memlh desan yang tepat msalnya untuk rangkaan pada gambar a, sebaknya tdak terlalu terpengaruh leh adanya alran arus bass dar pembag ptensal (sehngga 2 /( 1 2 ) ). Untuk tu dperlukan + ( / 2 ) ( / ) 1/ β >> atau mendekat 2 << β (karena ) Sebaga acuan dapat dbuat 2 10 jka dpasang 2 yang terlalu rendah dapat mengurang hambatan masukan syarat-kecl (small-sgnal nput resstance). Pada kedua rangkaan pada gambar perbedaan tegangan antara bass dan sumber emtr harus lebh besar dar 0,6 lt; dan juga kelebhan tegangan harus lebh besar dar ketdak pastan harga ( 0,1 ). Untuk tu dperlukan 0,6 >> 0,1 0,6 >> 0,1. atau Sebaga pedman dapat dbuat 3 lt, atau 3 lt atau mungkn / 3, atau 168 KONKA DASA

16 asanya terdapat pembatasan tertentu untuk harga, jka tdak, dapat saja dpasang harga dar lt. Namun basanya akan lebh realstk dengan mengambl harga pada daerah 5 50 lt. Secara prakts basanya kta memlh 9 lt (standar batera yang banyak djual) atau 15 lt (basanya dpaka pada penguat kmersal) Dar harga 2,, dan selanjutnya dapat dtentukan harga 1. asanya juga terdapat pembatasan tertentu untuk harga,, dan. Harga dan dapat berksar dar 10 Ω - 10 MΩ serta dapat berharga dar 1µA sampa dengan 1 A. Jka hambatan keluaran dtentukan sama dengan dan jka hambatan luar harus dpasang, maka harus berharga beberapa kal lebh kecl. Jka arus beban luar harus dcatu maka harus palng tdak beberapa kal lebh besar. Jka keterbatasan-keterbatasan d atas tdak berlaku, secara prakts harga-harga berkut dapat dplh 1 ma dan untuk meyaknkan pemlhan panjar yang tepat ambl harga dan dar ( ) 0,6 / 2 Kemungknan penguatan tegangan dapat dtentukan, yatu dar A / r / e Dengan demkan harga adalah tertentu sesua dengan harga yang dpasang, yatu ( )/ 2 Penguat ransstr 169