PENGUAT TRANSISTOR. Oleh : Sumarna, Jurdik Fisika, FMIPA, UNY

Transkripsi

1 PENGUAT TRANSISTOR Oleh : Sumarna, Jurdik Fisika, FMIPA, UNY sumarna@uny.ac.id. Pendahuluan Dalam modul terdahulu dibicarakan mengenai dasar-dasar penguat transistor terutama bagaimana transistor dioperasikan dalam kaitannya pemberian tegangan kerja atau tegangan bias. Pemahaman pemberian tegangan kerja tersebut sangat bermanfaat untuk memahami bagaimana transistor siap bekerja atau siap diberikan sinyal masukan. Selanjutnya dalam pembicaraan modul ini pemberian tegangan kerja bukan lagi suatu permasalahan yang dominan, artinya kita langsung akan membicarakan transistor sebagai penguat yang beroperasi karena adanya sinyal masuk. Sehingga tegangan kerja sedikit sekali dibahas. Oleh karena kita membicarakan transistor dalam keadaan bekerja dengan diberi sinyal atau isyarat masukan, maka dalam analisisnya kita akan banyak menggunakan rangkaian setara-h dari pada rangkaian dc. Dalam modul ini akan dibahas fungsi rangkaian transistor sebagai rangkaian penguat baik menggunakan rangkaian diskrit (menggunakan transistor dan piranti pasif lainnya) maupun menggunakan rangkaian terintegrasi ( IC : Integrated circuit). Seperti kita ketahui bahwa hampir semua peralatan elektronik terdiri dari rangkaian penguat. Fungsi dari rangkaian penguat pada umumnya untuk menguatkan sinyal yang lemah pada masukan agar diperoleh sinyal yang lebih kuat pada keluarannya. Jadi rangkaian penguat adalah rangkaian yang dapat memberikan penguatan baik penguatan tegangan, penguatan arus maupun penguatan daya. Misalnya pesawat penerima radio yang menguatakan sinyal sangat lemah dari antena menjadi sinyal yang lebih kuat hingga di dalam suatu ruangan penuh dengan suara. Suatu tranduser atau sensor dalam bidang kesehatan maupun pendidikan menghasilkan sinyal dalam orde mikrovolt. Sinyal tersebut harus dikuatkan beribu kali bahkan jutaan kali hingga diperoleh indikasi yang cukup kuat yang dapat diamati. Selain menguatkan sinyal dalam arti yang sesungguhnya, rangkaian penguat juga dapat difungsikan sebagai penyangga (buffer). Rangkaian penyangga mengambil sinyal dari piranti dengan impedansi keluaran tinggi dan mengirimkannya ke piranti lain dengan impedansi masukan rendah. Rangkaian penyangga juga disebut rangkaian penjodoh

2 impedansi (impedance matching), pengikut emitor (emitor follower) atau pengikut sumber (source follower). Dalam modul ini juga akan dibicarakan fungsi rangkaian transistor sebagai penguat akhir dengan faktor penguat daya yang besar. Pada bagian ini akan dibahas bagaimana bentuk rangkaian diskrit dari berbagai macam penguat akhir dan dibicarakan pula penguat akhir yang dirangkai dari rangkaian terpadu (IC). 2. Tujuan Instruksional Umum Setelah mempelajari Pokok Bahasan dan Sub Pokok Bahasan Penguat Transistor, diharapkan mahasiswa mempunyai pengetahuan dan memahami fungsi kerja dari rangkaian penguat transistor dalam rangkaian elektronika. 3. Tujuan Instruksional Khusus Setelah mempelajari Pokok Bahasan dan Sub Pokok Bahasan Penguat Transistor, Mahasiswa mempunyai kemampuan 3..Menjelaskan fungsi rangkaian transistor sebagai rangkaian penguat awal dengan impedansi masukan tinggi 3.2.Menjelaskan fungsi rangkaian transistor sebagai rangkaian penyangga (buffer) 3.3.Menjelaskan fungsi rangkaian transistor sebagai penguat akhir dengan faktor penguat daya yang besar 3.4.Menunjukan kemudahan teknis penggunaan rangkaian terpadu (IC: integrated circuit) sebagai rangkaian penguat awal maupun rangkaian penguat akhir. 2

3 4. Kegiatan Belajar PENGUAT AWAL 4.. Pengantar Penguat awal merupakan suatu rangkaian yang digunakan untuk memperkuat sinyal atau isyarat dari suatu sumber isyarat yang besarnya arus maupun tegangan masih lemah. Demikian pula sering didapatkan bahwa hambatan keluaran atau impedansi keluaran dari sumber isyarat cukup tinggi, sehingga isyarat akan kehilangan tegangannya atau terjadi pembebanan pada rangkaian berikutnya apabila impedansi masukan rangkaian berikut rendah. Untuk itu diperlukan suatu penguat awal yang mampu menjembatani antara sumber isyarat dan penguat berikutnya dengan penguat awal sehingga sumber isyarat tidak kehilangan tegangannya. Misalkan sebagai contoh kita mengambil tegangan dari suatu keluaran photosel, tegangan keluaran photosel sangat kecil untuk dibaca dengan millivoltmeter demikian pula impedansi keluarannya dalam orde sepuluh mega-ohm. Maka tegangan ini tidak akan terbaca oleh millivoltmeter yang orde impedansi masukannya hanya puluhan kilo-ohm. Oleh karena itu diperlukan suatu penguat awal yang mampu memperkuat sinyal dan sekaligus memiliki impedansi masukan yang tinggi. Namun sebelum kita masuk pada pembahasan materi perlu dibicarakan terlebih dahulu rangkaian setara-h untuk transistor dalam konfigurasi emitor bersama, agar pembahasan penguat dengan mendapat isyarat ac kecil lebih mudah Rangkaian setara-h Kita dapat menganggap bahwa suatu penguat atau transistor merupakan piranti yang memiliki dua gerbang. Gerbang yang dimaksud adalah gerbang masukan dan gerbang keluaran, seperti tergambar di gambar 6.., yang melukiskan atau memberikan simbol dari suatu piranti dengan dua gerbang. Masukan PIRANTI Keluaran Gambar 6. : Piranti dengan dua gerbang. 3

4 Sesungguhnya dari kedua gerbang tersebut kita dapat meninjau untuk bagian masukannya, misalnya hambatan, tegangan dan arus masukannya. Demikian pula untuk bagian keluarannya. Namun kali ini kita akan menekankan pada rankaian setaranya. Sesungguhnya ada beberapa macam rangkaian setara, yaitu setara -T, -z, -y dan rangkaian setara parameter-h. Rangkaian setara didasarkan pada rangkaian setara Thevenin untuk hambatan keluaran yang tidak terlalu besar atau rangkaian setara Norton untuk hambatan keluaran yang besar. Untuk kesempatan kali ini kita akan membahas rangkaian setara parameter-h. Dalam rangkaian setara parameter-h untuk transistor dengan emitor bersama pada masukan digunakan rangkaian setara Thevenin, sedangkan pada keluarannya digunakan rangkaian setara Norton. Hal ini mengingat bahwa pada transistor dwikutub emitor bersama hambatan masukan rendah, dan pada keluaran merupakan sumber arus tetap yang dikendalikan oleh arus masukan. Rangkaian setara parameter-h ditunjukkan pada gambar 6.2. i I i 0 v I h I h r v 0 h f i I /h 0 v 0 Gambar 6.2 : Rangkaian setara parameter-h. Dari gambar 6.2 dapat diperoleh v i = h i i i + h r v 0 () i 0 = h f i i + h 0 v 0 (2) dengan : v i = tegangan sinyal/isyarat masukan i i = arus sinyal/isyarat masukan v 0 = tegangan sinyal/isyarat keluaran i 0 = arus sinyal/isyarat keluaran. 4

5 Sedangkan parameter-h adalah : h i = impedansi masukan dengan keluaran terhubung singkat h r = nisbah tegangan balik dengan masukan terbuka h f = nisbah arus maju dengan keluaran terhubung singkat h 0 = admitansi keluaran dengan masukan terbuka. Untuk hubungan emitor ditanahkan digunakan parameter-h : h ie, h re, h fe dan h oe. Sedangkan untuk hubungan basis bersama digunakan h ib, h rb, h fb dan h ob, dan untuk kolektor bersama digunakan h ic, h rc, h fc dan h 0c. Nilai h ie adalah h ie = r b + ( + h fe ) r e (3) r b = hambatan melintang dalam basis yang besarnya kira-kira 300 W, untuk titik Q berada ditengah-tengah, adakalanya nilai ini dapat diabaikan terhadap ( + h fe )r e. r e = hambatan sambungan pn untuk panjar maju dengan isyarat kecil, yaitu r e = 26 I E ( Q) ma atau dengan pendekatan r e = 25 I E ( Q) ma (4) Nilai h re sangat kecil pada orde 0-4, sehingga hasil perkaliannya dengan v 0 kecil mendekati nol, dan diabaikan terhadap h i i i. Nilai h fe tidak lain adalah, sedangkan h 0e ordenya di sekitar 25 A/V (A/V = mho = siemen) atau /h 0e di sekitar ~40 k, atau tepatnya tergantung dari tipe transistornya. Nilai-nilai dari parameter yang lain biasanya dilihat pada buku panduan dari transistor yang dikeluarkan oleh pabrik pembuatnya, namun untuk keperluan kegiatan belajar ini kita dapat mengadakan perandaian atau pendekatan-pendekatan nilai Penguat Awal Penguat awal pada umumnya digunakan untuk memperkuat tegangan isyarat masukan yang lemah dan impedansi dari isyarat cukup tinggi. Apabila isyarat tersebut kita masukan dalam penguat emitor bersama ada kemungkinan tegangan isyarat tadi akan mengalami penurunan yang sangat besar, atau dengan kata lain terjadi pembebanan pada rangkaian masukan karena hambatan masukan penguat rendah. Oleh karena itu untuk melakukan penguatan, terlebih dahulu kita harus tahu berapa impedansi keluaran dari isyarat. Secara skematis diperlihatkan pada gambar

6 Keluaran Masukan Keluaran Sumber isyarat z 0 ; v 0 z i ; v i akan digandeng Penguat awal z 0 ; v 0 Gambar 6.3 : Penggandengan dua sistem. Pada modul 5 telah dirumuskan bahwa besarnya v jika antara keluaran sumber isyarat dihubungkan atau digandengkan dengan masukan penguat awal maka v i = z i z i z 0 v 0 = z 0 z i v 0 (5) Terlihat bahwa nilai v i sangat tergantung dari nisbah z 0 /z i. Jika z 0 > z i maka bilangan pembagi menjadi besar dan v i > v 0, jika z 0 < z i maka bilangan pembagi mendekati satu dan v i ~ v 0 dan jika z 0 = z i maka v i = (½) v 0. Untuk yang terakhir ini merupakan hal yang paling ideal. Hal tersebut dikarenakan daya yang dilesapkan dari rangkaian di depan ke rangkaian berikut maksimal, atau dalam keadaan ini terjadi penyesuaian impedansi (matching impedance). Dengan demikian masalah impedansi merupakan sangat penting untuk menggandengkan antara dua sistem tersebut di atas. Oleh karena itu di dalam pemilihan konfigurasi transistor haruslah tepat agar penguatan dapat berkerja dengan baik Analisis Penguat Awal Emitor Bersama Ciri dari penguat emitor bersama adalah memiliki hambatan masukan dan hambatan keluaran yang bernilai sedang yaitu pada orde kilo-ohm sampai 3 kilo-ohm, atau tergantung dari harga h ie -nya, demikian pula nilai hambatan input tergantung dari R C atau hambatan beban R L yang biasanya juga berorde 5 kilo-ohm. Jika suatu isyarat masukan memiliki impedansi yang cukup rendah maka penguat emitor bersama dapat digunakan langsung dengan gandengan kapasitor saja, seperti pada gambar

7 R C R R S v 0 v S R 2 R E C E Gambar 6.4 : Penguat emitor bersama sebagai penguat awal. i 0 R S i b h Ie h fe i b /h 0e R B h re v 0 R C v S R E C E Gambar 6.5 (a) : Rangkaian setara parameter-h. R S v S h Ie v i h fe i b v 0 R B i b /h 0e R C Gambar 6.5 (b) Penyederhanaan dari gambar 6.5 (a). Dari gambar 6.5 (b) terlihat bahwa besarnya impedansi atau hambatan masukan penguat awal adalah z i = R B // h ie (6) Kita ingat bahwa R B = R // R 2 dan h ie dihitung dengan rumus (3). Apabila nilai z i masih lebih besar atau sama dengan hambatan/impedansi keluaran R S maka kita dapat 7

8 menggunakan penguat tersebut sebagai penguat awal. Dari gambar ini dapat kita peroleh bahwa hambatan atau impedansi keluaran dari penguat adalah Jika dihitung penguatannya maka dari gambar 6.5b terlihat bahwa z' 0 = A v = // RC (7) h 0 e v ' 0 (8) v i v' 0 = - ( h fe i b )( h 0 e // R C ) = - ( h fe i b ) z' 0 (9) v i = h ie i b (0) sehingga persamaan (9) dan (0) masuk persamaan (8) diperoleh A = v ' 0 = - v i h fe h z ie ' 0 () Dari rumus-rumus di atas parameter yang perlu dicari terlebih dahulu adalah h ie. Apabila arus emitor I E(Q) dapat ditentukan maka rumus-rumus selanjutnya dapat dihitung. Untuk itu analisis dc emitor bersama harus lebih dipahami. Apabila dalam persoalan gandengan terdapat perbedaan impedansi yang cukup besar, misalnya sumber isyarat memiliki z 0 = 25 z i, maka v i akan mengalami penurunan sampai /26 kali terhadap tegangan keluaran isyarat v 0. Hal ini jelas tidak menguntungkan, apalagi jika tegangan isyarat tadi sangat lemah. Untuk keperluan itu perlu alat yang digunakan untuk menyesuaikan atau seolah-olah menaikkan impedansi dari rangkaian penguat awal agar tidak terjadi penurunan tegangan. Untuk itu dapat digunakan "transformator masukan" atau sering juga disebut "transformator input", untuk menyesuaikan impedansi dari dua sistem yang akan digandengkan. Cara yang umum digunakan seperti pada gambar 6.6. Sumber isyarat N N 2 z 0 z it z 0t z i transformator Penguat awal Gambar 6.6 : Prinsip penyesuai impedansi dengan tranformator. 8

9 Dari gambar 6.6 dipilih transformator pada bagian masukan impedansinya z it dan jumlah lilitannya N yang sesuai dengan impedansi keluaran sumber isyarat sehingga z 0 = z it dan bagian keluaran impedansinya z 0t dan jumlah lilitannya N 2 sesuai dengan impedansi masukan penguat sehingga z ot = z i. Dari pengertian mengenai transformator diperoleh adanya hubungan antara impedansi kumparan tranformator dengan jumlah lilitan dan frekuensi yang masuk. Dalam kaitan ini misalkan frekuensi yang digunakan adalah frekuensi antara 20 sampai dengan Hz. Pada beberapa jenis mikropon dinamik transformator input ini sudah terpasang pada mikropon. Sehingga keluaran mikropon sudah tertentu, sebagai misal mikropon dinamik yang memiliki impedansi keluaran 600 ohm. Apabila mikropon ini dipasang pada penguat awal emitor bersama kiranya tidak akan mengalami penu-runan tegangan yang terlalu banyak Analisis Penguat Awal Kolektor Bersama Pada keperluan tertentu penggunaan transformator input tidak praktis, terutama dalam impedansi dari sumber yang cukup tinggi, misalnya dalam orde 00 k. Transformator yang memiliki impedansi tinggi memerlukan ruang yang cukup besar. Oleh karena itu kita ingat bahwa penguat transistor dalam hubungan kolektor bersama memiliki keunggulan; yaitu impedansi masukan yang besar dan impedansi keluaran kecil. Kita mengingat kembali rangkaian penguat terhubung kolektor bersama atau kolektor ditanahkan, lihat gambar 6.7. Vcc R S R v S R 2 R E Gambar 6.7 : Penguat kolektor bersama. 9

10 R S h Ie /h 0e v S R B v 0 R E Gambar 6.8 (a) : Rangkaian setara penguat kolektor bersama. R S R B i b h Ie h fe i b v i v S R E /h 0e v 0 Gambar 6.8 (b) : Rangkaian setara penguat kolektor bersama. Dari rangkaian gambar 6.7 tersebut kita dapat membuat rangkaian setara parameter-h, lihat gambar 6.8 (a) atau 6.8 (b). Untuk mencari penguatannya, yaitu A v = v ' /v 0 i, dicari dahulu v ' dan v 0 i. Pada gambar 6.8 (b) /h 0e digambar sejajar dengan R E agar mudah menganalisisnya. Pada R E mengalir arus i b dari jalur masukan dan arus h fe i b dari jalur keluaran, sehingga tegangan keluaran dapat dinyatakan sebagai v' 0 = i b ( R E // ) + hfe i b ( R E // h 0 e = ( + h fe ) i b ( R E // ) h 0 e ) (2) h 0 e Sedangkan besarnya v i dapat dicari sebagai 0

11 v I = h ie i b + i b ( R E // sehingga = h ie i b + ( + h fe ) i b ( R E // ) + hfe i b ( R E // h 0 e h 0 e ) ) (3) h 0 e A v = v ' 0 = v i ( hfe)( RE // ) h0 e hie ( hfe)( RE // ) h 0e (4) Faktor arus basis i b lenyap dalam persamaan tersebut dan dilihat dari bentuk persamaannya pastilah bahwa nilai A v selalu lebih kecil atau mendekati satu. Parameter h ie dapat ditentukan dengan persamaan (3), yaitu h ie = r b + ( + h fe )r e. Untuk menghitung impedansi masukannya z i, dengan melihat gambar 6.8 (b), dapat diperoleh bahwa z i = R B // R it (5) R it adalah hambatan masukan transistor yang besarnya R it = vi i b = h ie + ( + h fe )( R E // ) (6) h 0 e Besarnya R it ditentukan oleh nilai ( + h fe ) R E untuk R E << ditentukan oleh nilai R B jika R B << R it.. Dengan demikian nilai zi h 0 e Sedang untuk menghitung impedansi keluaran kita dapat menganggap v' 0 sebagai sumber tegangan dengan arus masuk ke arah transistor sebagai i 0, pada gambar 6.8 (b). Impedansi keluarannya adalah z = v i ' 0 0 (7) dimana arus i 0 terbagi tiga yang lewat R E //, dan yang lewat (hie + R B // R S ) dan yang h 0 e lewat sumber arus h fe i b. Maka besarnya arus total adalah

12 i 0 = = i v 0 0 ( R E ( R E v0 + // ) h 0e v0 + // ) h 0e = ( RE // ) h 0e ( h ie v R 0 B // R S ) ( hfe) v0 ( h R // R ) + ie ( h ie B ( h R B S fe ) + // R S ) ( h ie h fe R v B 0 // R S ) jika v 0 dibawa ke ruas kiri diperoleh = z 0 z 0 ( h atau impedansi z 0 menjadi z 0 = ( R E // ) // ie RB // RS ) h 0 ( h ) e fe (8) apabila diisikan nilai-nilai tertentu akan diperoleh bahwa nilai impedansi keluaran dari ( hie RB // RS ) penguat kolektor bersama ini yang berperan adalah z 0 ~ atau lebih ( h ) sederhana lagi hanya ditentukan oleh z 0 = r e + RS h Dari pembicaraan di atas, penguat kolektor bersama ini dapat digunakan sebagai penguat awal terutama penyesuai impedansi, sehingga penguat berikutnya tidak akan menarik arus terlalu banyak karena impedansi keluaran kolektor bersama sangat kecil. Juga penguat ini karena penguatannya mendekati satu disebut sebagai penguat penyangga. Namun demikian dari rumus (5) terlihat bahwa impedansi masukan z i = R B // R it, dengan demikian nilai z i masih ditentukan oleh besarnya R B. Untuk mengatasi pengaruh R B ini digunakan teknik pengangkat impedansi (bootstrap), yaitu dengan memasang kapasitor C B seperti pada gambar 6.9. a R B fe. fe Vcc R B2 b v 0 R B22 C B Gambar 6.9 : Penguat kolektor bersama dengan teknik bootstrap. 2

13 Nilai C B cukup besar sehingga reaktansinya pada frekuensi sinyal masuk cukup kecil, sehingga tegangan di titik a kira-kira sama dengan di b dan sama dengan tegangan keluaran. Dengan pemasangan teknik bootstrap ini diharapkan besarnya jika R E << z i = R it = h ie + ( + h fe )( R E // h 0 e ) h 0 e, maka z i = R it = h ie + ( + h fe ) R E (9) dengan syarat bahwa R E << (R B // R B22 // ) dan hie << R B2. h 0 e Penguat Awal dengan Rangkaian Terintegrasi Penguat awal dapat juga disusun atau dirangkai menggunakan rangkaian terintegrasi atau integrated circuit. Secara umum rangkaian tersebut disebut penguat operasional atau Operational Amplifier disingkat op-amp. Pembicaraan secara khusus mengenai op-amp akan disampaikan pada modul berikutnya. Op-amp memiliki karakteristik impedansi masukannya sangat tinggi, yaitu berkisar 300 M (dengan masukan diferensial) dan sekitar G (dengan masukan modus bersama / common mode). Gambar 6.0 mengilustrasikan sebuah op-amp yang ukuran luas permukaannya tidak lebih dari cm 2 dan tebalnya kira-kira 3 mm, untuk op-amp yang dikemas dalam plastik keras. Ada pula op-amp yang dikemas dalam logam berbentuk silinder, diameter dan tinggi silinder kira-kira 5 mm Gambar 6.0 : Bentuk IC dari op-amp dan simbol rangkaian. 3

14 Banyak sekali jenis-jenis op-amp yang dipergunakan orang untuk keperluan penguat awal, misalnya LF 55, LF 356, LM 0, LM 70, LM 38,LM 387 dan lain sebagainya. Pada dasarnya op-amp memiliki dua buah masukan yaitu masukan yang fase keluarannya berbalik disebut masukan membalik atau inverting input dan masukan yang fase keluarannya tak membalik disebut masukan tak membalik atau non inverting input. Keluaran pada op-amp merupakan keluaran tunggal, yaitu apabila kedua masukan tersebut digunakan bersama-sama atau masukan inverting dan non inverting disambung jadi satu (dikopel) sebagai penerima sinyal, hal ini disebut sebagai masukan modus bersama (common mode), lihat gambar 6. (a). Namun dalam hal yang lain, yaitu apabila kedua masukan menerima masukan masing-masing, maka op-amp dikatakan dioperasikan dengan modus diferensial. Lihat Gambar 6. (b). v 0 Gambar 6. (a) : Op-amp dipasang dalam modus bersama. v a v b v 0 Gambar 6. (b) : Op-amp dipasang dalam modus diferensial. Sebagai penguat deferensial maka masukan pembalik maupun tak membalik dapat dihubungkan dengan suatu sumber tegangan dengan teknik-teknik tertentu. Contoh yang paling mudah misalkan dihubungkan dengan termistor (hambatan yang berubah terhadap suhu). Alat ini biasanya digunakan untuk indikator perubahan suhu. Maka termistor dapat dipasang sebagai salah satu hambatan dalam konfigurasi jembatan wheatstone. Lihat gambar 2. 4

15 R B R 0 Masukan membalik A R 3 R 2 C D Masukan tak membalik Gambar 6.2 : Jembatan wheatstone sebagai piranti bantu masukan diferensial op-amp Dari rangkaian jembatan tersebut misalkan diambil suatu suhu acuan adalah 0 o Celcius hambatan termistor adalah R 0, maka tiga hambatan yang lain R, R 2 dan R 3 juga harus sama dengan R 0, dan nilai hambatan R, R 2 dan R 3 tidak berubah karena perubahan suhu. Saat suhu acuan akan berlaku hubungan R 0 R 3 = R R 2 jika hal itu dipenuhi, maka V B = V D. Namun jika R 0 berubah dengan perubahan suhu maka potensial titik B atau V B tidak sama dengan potensial titik D atau V D. Dengan demikian terjadi perbedaan potensial di antaranya, perbedaan ini justru digunakan sebagai masukan penguat diferensial pada op-amp Penguat Penyangga (Buffer) Pada kegiatan belajar telah disinggung bahwa penguat kolektor bersama atau pengikut emitor merupakan penguat penyangga. Penguat penyangga digunakan sebagai suatu tahap penyesuaian impedansi tanpa mengurangi besarnya tegangan isyarat. Sesungguhnya terdapat pengurangan tegangan namun tidak terlalu berarti. Karena penguat kolektor bersama ini bukan penguat tegangan melainkan merupakan penguat arus. Dengan memperhatikan penjelasan terdahulu pada kegiatan belajar bahwa 5

16 arus masukan pada umumnya kecil sedangkan arus pada keluaran besar, maka penguat ini disebut penguat arus. Jika diingat kembali konfigurasi kolektor bersama, di mana keluaran diambil dari terminal emitor dari transistor yang digunakan. Tegangan sinyal keluaran selalu sedikit lebih rendah dari pada tegangan sinyal masukan yang diakibatkan adanya jatuh tegangan pada persambungan emitor-basis. Tidak seperti tegangan kolektor, tegangan emitor adalah sefase dengan sinyal masukan. Berikut adalah gambar konfigurasi kolektor bersama (pengikut emitor). R B Vcc V i I i V 0 R E Z i I 0 Z 0 Gambar 6.3 : Konfigurasi kolektor bersama (pengikut emitor). Konfigurasi pengikut emitor sering digunakan untuk tujuan penjodoh impedansi (impedance matching). Konfigurasi tersebut akan memberikan impedansi masukan tinggi dan impedansi keluaran rendah. Selanjutnya, rangkaian ekivalen untuk konfigurasi pengikut emitor di atas adalah tampak seperti gambar berikut. I i V i I b Z i h ie h fe I b R B Z b R E V 0 I 0 = I e Z 0 Ie = ( + hfe) Ib Gambar 6.4 : Rangkaian ekivalen dari pengikut emitor. 6

17 Impedansi masukan Z I adalah Z I = R B // Z b dengan Z b = h ie + ( + h fe )R E untuk parameter h, atau Z b = (r e + R E ) untuk model r e. Sedangkan impedansi keluaran Z 0 dapat ditentukan dengan mengingat I e = ( + h fe ) I b dan I b = V i /Z b yang akan diperoleh : I e = [ h ie Vi /( h )] R fe E (20) Jika persamaan (20) tersebut dituangkan dalam bentuk rangkaian akan terlihat seperti gambat berikut. h ie /(+h fe ) V 0 V i R E Z I 0 e Gambar 6.5 : Rangkaian yang ditentukan dengan persamaan (20). Z 0 ditentukan dengan membuat V I menjadi nol, dan diperoleh : Z 0 = R E // hie h fe. (2) Penguatan tegangan A v dapat ditentukan dengan mengenakan prinsip pembagi tegangan pada gambar 6.5 di atas. REVi V 0 = RE [ hie /( hfe)] Dan V A v = 0 RE =. (22) R h /( h )] V i E [ ie fe Penguatan arus A i ditentukan berdasarkan I b = R B I I / (R B + Z b ) dan I 0 = I e sehingga akan diperoleh : 7

18 A i = I 0 = I i ( h ) R R B fe Z b B. (23) Persamaan untuk model r e dapat ditentukan secara langsung dengan mensubstitusikan besaran h ie = r e dan h fe = ke dalam persamaan-persamaan di atas Contoh-contoh Soal : ). Suatu penguat awal seperti gambar 6.4 dimana R B = 50 k, R B2 = 5 k, R C = 2 k, R E = k, C = C 2 = 30 F dan C E = 00 F. Apabila V CE = (½) V, = 50, transistornya silikon dan Vcc = 6 V, tentukanlah a. hambatan masukan penguat b. hambatan keluaran penguat Jawab : a. dicari dahulu I B dengan cara seperti pada Modul 5 KB 2, R B = R B //R B2 = 50 k //5 Vcc Vce 6V 3V k = 4,54 k. Jika I E ~ I C = = = ma, R C R E 3k 25 maka h ie = r b + ( + ) r e = (5) = 4075 ~ 4 k, sehingga z i = R B // h ie = 2,26 k. b. Untuk menghitung z' 0 = ( // RC ) ~ R C = 2 k. h oe 2). Pada soal nomor akan digunakan untuk memperkuat keluaran dari sebuah mikrofon yang impedansi keluarannya 50 k, apa yang harus dilakukan agar terjadi penyesuaian impedansi? Jawab : Dipasang transformator input yang memiliki impedansi masukan/input sebesar 50 k dan impedansi keluaran 2 k. 3). Suatu penguat awal seperti gambar 6.4 dimana R B = 00 k, R B2 = 0 k, R C = 4,7 k, R E = k, C = 0,5 F, C 2 = 0,2 F dan C E = 50 F. Apabila = 20, h ie = 3,5 k, h oe = 2 x 0-5 mho, transistornya silikon dan Vcc = 20 V, tentukanlah 8

19 a. impedansi masukan penguat b. impedansi keluaran penguat c. penguatan tegangan d. Jika ada masukan sebesar mv dan hambatan dalamnya 600, tentukan pula tegangan keluarannya. Jawab : a. Karena h ie telah diketahui, maka R B = R B //R B2 = 00 k // 0 k = 9, k jadi z = R // h = 9, k // 3,5 k = 2,34 k b. z' 0 = ( // RC ) = 50 k // 4,7 k = 4,3 k h oe c. A v = v v o i = - h ' fe o h z ie = - 20x = d. Jika hambatan dalam sumber isyarat z o = 600 dan z i penguat = 2,34 k dan tegangan isyarat mv, maka tegangan masukan ke penguat adalah v i = zi z z o i 2,34k v S = mv = 0,76 mv 0,6k 2,34k v o = A v v i = - 64 x 0,76 mv = 24,6 mv. 4). Dari gambar 6.9 apabila diketahui R B = 56 k, R B2 = 0 k, R B22 = 56 k, h OE = 2,5 x 0-5 mho, R E = 3,9 k, C B = 00 F dan = 300, tentukanlah a. besarnya impedansi masukannya dan b. berapa reaktansi kapasitif dari kapasitor jika frekuensi isyaratnya KHz dan Vcc = 2 volt. Jawab : a. Dicari terlebih dahulu arus basis I B dengan mencari sumber tegangan pengganti V B dan hambatan pengganti R B R B = (R B //R B22 ) + R B2 = (56 k // 56 k ) + 0 k = 38 k V B = I B = RB22 R R R B B B22 VB VBE ( ) R 56K Vcc = 2 V = 6 V. 2K E 6V 0,7V = = 4,7 A 38K 30x3,9 K 9

20 I E = ( + 300) I B =,4 ma Gunakan rumus (3) dan (4) untuk mencari h ie, yaitu h ie = r b + ( + ) 25 I E h ie = ( ) 25 = 5675 ~ 5,6 k,4 Ternyata R E << 56 k // 56 k // 40 k dan h ie < R B2 = 0 k, sehingga z i = h ie + ( + ) R E = 5,6 k + ( + 300) 3,9 k = 79,5 k ~,8 M Terlihat jika tidak ada bootstrap impedasi masukan hanya 38 k, sedangkan dengan bootstrap impedansinya menjadi,8 M. b. Reaktansi kapasitifnya adalah X CB = C B 2 x000x00x0 = 6 =,6. 5). Mana yang lebih praktis dalam kenyataannya penggunaan transistor bipolar sebagai penguat awal dibandingkan dengan menggunakan op-amp dalam rangkaian terpadu, tunjukkan alasannya. a. Penggunaan op-amp lebih praktis, karena sifat-sifat dasar op-amp sudah menunjukkan bahwa op-amp memiliki impedansi masukan tinggi dan impedansi keluaran rendah. Kualitas keluaran tentunya lebih baik karena rangkaian lebih terpadu. Namun dalam pembiayaan op-amp lebih mahal. b. Penggunaan transistor bipolar harus menghitung secara saksama piranti pasif yang digunakan agar diperoleh impedansi masukan yang dikehendaki. Namun pebiayaan komponen relatif lebih murah. Kualitas keluaran tergantung cara pemasangan Latihan ). Apa perbedaan penggunaan penguat basis bersama, emitor bersama dan kolektor bersama untuk keperluan penguat awal. 2). Faktor-faktor apa yang harus diperhatikan untuk keperluan penguat awal. 20

21 3). Suatu tabung hampa yang dipakai dalam efek foto listrik memiliki tegangan keluaran 0, V dan impedansi keluarannya 0 M. Menggunakan rangkaian penguat awal apakah agar tegangan keluaran tersebut dapat terdeteksi dengan lebih baik. 4). Tunjukkan perbedaan penguat awal kolektor bersama tanpa teknik bootstrap dan menggunakan teknik bootstrap. 5). Suatu termistor akan digunakan sebagai sensor suhu dengan menggunakan jembatan wheatstone karena akan diperkuat oleh penguat awal op-amp dengan modus diferensial. Jika pada suhu nol termistor memiliki resistansi 00 dan pada suhu 40 0 C termistor memiliki resistansi 6. Tentukan beda potensial antara dua titik jembatan, jika tiga hambatan lain besarnya tetap 00. Anggap sumber tegangannya 2 volt. Jawaban Latihan ). Perbedaan antara ketiga konfigurasi penguat pada masalah penguatan tegangan, impedansi masukan dan impedansi keluaran adalah sebagai berikut : basis bersama emitor bersama kolektor bersama A v Tinggi Tinggi Rendah z i Rendah Sedang Tinggi z 0 Tinggi Sedang Rendah 2). Untuk penguat awal yang perlu diperhatikan adalah impedansi masukan. Seperti telah dibahas bersama bahwa antara impedansi keluaran dari piranti sumber isyarat yang akan diperkuat sebaik-baiknya tepat sama dengan impedansi masukan dari penguat awal. Hal itu dimaksudkan agar daya yang dilesapkan antara dua piranti tersebut maksimal. 3). Untuk memenuhi impedansi masukan sebesar itu dan memperkuat tegangan isyaratnya paling baik digunakan penguat awal op-amp. 4). Penguat awal tanpa menggunakan teknik bootstrap, impedansi masukan sangat ditentukan oleh besarnya hambatan masukan pada rangkaian basis R B seperti yang ditunjukkan rumus (5) dan (6), yaitu (5) z i = R B // R it 2

22 R it adalah hambatan masukan transistor yang besarnya (6) R it = v i = hie + ( + h fe )( R E // i b ) h 0 e Sedangkan menggunaka teknik bootstrap R B lenyap dan impedansi masukan tergantung dari R it saja. 5). Kita gunakan gambar 6.2 untuk menyelesaikan soal ini. Misalkan titik C dianggap sebagai acuan, maka beda potensial antara titik D dan C atau V DC = volt (dihitung dengan prinsip pembagi tegangan). Demikian pula dapat dihitung V BC =,074 volt. Tegangan diferensial adalah V BD = V BC V DC =,074 volt - volt = 0,074 volt Rangkuman ). Semua konfigurasi transistor dwi kutub dapat digunakan sebagai penguat awal. 2). Pemilihan rangkaian tergantung pada impedansi keluaran sumber isyarat yang akan diperkuat, dengan patokan impedansi yang saling berhubungan diharapkan sama. 3). Apabila antara sumber isyarat dan penguat impedansi tidak sesuai dapat digunakan transformator penyesuai impedansi. 4). Peningkatan impedansi masukan pada penguat kolektor bersama dapat digunakan teknik pengangkat impedansi atau bootstrap. 5). Penguat kolektor bersama dapat berfungsi sebagai penyesuai impedansi dan disebut juga sebagai penguat penyangga karena penguatannya mendekati satu. 6). Untuk impedansi masukan yang sangat tinggi dapat digunakan rangkaian penguat terintegrasi yang intinya adalah penguat diferensial atau disebut juga penguat operasi (0pamp). 7). Rangkaian jembatan wheatstone dapat digunakan sebagai rangkaian perantara untuk menciptakan masukan diferensial. 22

23 4.8. Tes Formatif. Rangkaian setara parameter-h mempunyai sifat a. untuk menyelesaikan besaran dc b. untuk menyelesaikan besaran ac isyarat kecil c. bagian masukan merupakan rangkaian setara Norton d. bagian keluaran merupakan rangkaian setara Thevenin 2. Rangkaian transistor dalam konfigurasi basis bersama dapat digunakan sebagai penguat awal yang memiliki impedansi masukan pada orde a. sekitar ratusan ohm ( rendah) b. sekitar dua ribuan ohm (sedang) c. sekitar lima puluh kilo ohm (tinggi) d. sekitar satu mega ohm (sangat tinggi) 3. Rangkaian transistor dalam konfigurasi emitor bersama akan digunakan sebagai penguat awal mikrofon yang memiliki impedansi keluaran 50 k. Maka a. mikrofon dapat langsung dipasang b. tegangan keluaran mikrofon tetap c. tegangan keluaran diperkecil setengahnya d. perlu alat penyesuai impedansi 4. Suatu sumber isyarat memiliki tegangan keluaran 0, mv dan impedansi keluaran M. Agar sistem ini memiliki tegangan keluaran kira-kira tetap dan impedansi keluarannya menjadi sangat rendah diperlukan penguat jenis a. basis bersama dengan transformator input b. emitor bersama dengan transformator input c. kolektor bersama tanpa teknik bootsrap d. kolektor bersama dengan teknik bootstrap 23

24 5. Suatu sumber isyarat memiliki tegangan keluaran mv dan impedansi keluarannya 600 W dipasang pada suatu penguat yang impedansi masukannya juga 600. Maka tegangan masukan yang akan diterima oleh penguat sebesar a. 0,006 mv b. 0,5 mv c. mv d. 2 mv 6. Impedansi keluaran dari penguat terangkai kolektor bersama, selain tergantung pada parameter yang ada pada transistor juga tergantung pada a. tegangan sumber isyarat b. penurunan tegangan sumber isyarat c. impedansi keluaran sumber isyarat d. jenis tegangan sumber isyarat. 7. Penguat terintegrasi atau op-amp yang terpasang pada modus bersama memiliki impedansi masukan sebesar a. sekitar 600 b. sekitar 2 k c. sekitar M d. sekitar G. 8. Penguat kolektor bersama disebut juga sebagai penguat penyangga, hal ini disebabkan karena a. penguatannya kecil mendekati nol b. penguatannya kecil mendekati satu c. penguatannya besar dan tergantung besarnya h fe d. penguatannya sangat besar seperti penguatan op-amp 9. Besarnya impedansi keluaran dari kolektor bersama ditinjau dari hambatan basis besarnya a. sama dengan r re b. sama dengan h ie 24

25 c. d. paralel terhadap hambatan sumber isyarat 0. Untuk membentuk sumber tegangan isyarat diferensial bagi masukan modus diferensial suatu penguat dengan menggunakan op-amp yang berasal dari sumber tegangan tunggal dapat digunakan rangkaian a. jembatan wheatstone b. penyesuai impedansi c. penyangga tegangan d. teknik bootstrap. 25