ELEKTRONIKA ANALOG [ EAN T]

Transkripsi

1 i Sampul ELEKTRONIKA ANALOG [ EAN T] 2015 POLITEKNIK BOSOWA Kampus II - Jalan Kapasa Raya No. 17, Makassar-Sulawesi Selatan Telp , Faks info@politeknik-bosowa.ac.id, Website:

2 Kata Pengantar ii Kata Pengantar Buku ini diperuntukkan bagi Mahasiswa politeknik Bosowa semester I yang memprogramkan matakuliah elektronika Analog secara teori, konsep dan penerapannya. Pembahasan dilakukan secara komprehensif dan mendalam mulai dari pemahaman konsep dasar hingga ke taraf kemampuan untuk menganalisis dan mendesain rangkaian elektronika. Penggunaan matematika tingkat tinggi diusahakan seminimal mungkin, sehingga buku ini bias digunakan oleh berbagai kalangan. Pembaca dapat beraktivitas dengan mudah karena didukung banyak contoh soal dalam hamper setiap pokok bahasan serta latihan soal pada setiap akhir bab. Beberapa rangkaian penguat sedapat mungkin diambilkan dari pengalaman praktikum. Sebagai pengetahuan awal, pemakai buku ini harus memahami teori dasar rangkaian DC dan matematika dasar. Teori Thevenin, Norton, dan Superposisi juga digunakan dalam beberapa pokok bahasan. Di samping itu penguasaan penerapan hukum Ohm dan Kirchhoff merupakan syarat mutlak terutama pada bagian analisis dan perancangan. Semoga buku ini bermanfaat bagi siapa saja. Saran-saran dari pembaca sangat diharapkan. Makassar, Agustus 2015 Penulis Dosen Prodi Teknik Listrik Politeknik Bosowa

3 Daftar Isi iii Daftar Isi SAMPUL... I KATA PENGANTAR... II DAFTAR ISI... III BAB I KOMPONEN ELEKTRONIKA... 1 I.1. PENDAHULUAN... 1 I.2. RESISTOR... 1 I.3. RANGKAIAN RESISTOR... 3 I.4. KAPASITOR... 3 I.5. INDUKTOR... 5 BAB II DIODA... 7 II.1. PENDAHULUAN... 7 II.2. KARAKTERISTIK DIODA... 8 II.3. MACAM-MACAM DIODA: II.3.1. DIODA ZENER II.3.2. LED II.4. APLIKASI UMUM DIODA DIGUNAKAN SEBAGAI: II.4.1. PENYEARAH ½ GELOMBANG II.4.2. PENYEARAH GELOMBANG PENUH II.4.3. PENGGANDA TEGANGAN II.4.4. CLIPPER SERI II.4.5. CLIPPER PARALEL BAB III TRANSISTOR III.1. PENDAHULUAN III.2. BJT (BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS) III.3. MENCARI KAKI BASE III.4. MENCARI KAKI KOLEKTOR DAN EMITTER III.5. APLIKASI III.5.1. TRANSISTOR SEBAGAI PENGUAT ARUS III.5.2. TRANSISTOR SEBAGAI PENGUAT III.6. FET BAB IV TRANSISTOR EFEK MEDAN IV.1. PENDAHULUAN IV.2. KONSTRUKSI DAN KARAKTERISTIK JFET IV.3. KRAKTERISTIK TRANSFER JFET IV.4. KONSTRUKSI DAN KARAKTERISTIK D-MOSFET IV.5. KONSTRUKSI DAN KARAKTERISTIK E-MOSFET BAB V BIAS DC FET V.1. PENDAHULUAN V.2. BIAS TETAP V.3. BIAS SENDIRI (SELF-BIAS) V.4. BIAS PEMBAGI TEGANGAN BAB VI PENGUAT FET VI.1. PENDAHULUAN VI.2. MODEL SINYAL KECIL FET VI.3. ANALISIS PENGUAT CS VI.4. PENGUAT CS DENGAN RS VI.5. RANGKAIAN PENGIKUT SOURCE... 65

4 Daftar Isi iv VI.6. PENGUAT GATE BERSAMA (CG) BAB VII PENGUAT DAYA VII.1. PENDAHULUAN VII.2. KELAS PENGUAT VII.3. PENGUAT DAYA KELAS A BEBAN RESISTOR VII.4. PENGUAT DAYA KELAS A BEBAN TRAFO VII.5. PENGUAT DAYA PUSH-PULL KELAS B VII.6. PENGUAT DAYA KOMPLEMENTER DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN A DAFTAR RESISTOR STANDAR TOLERANSI 5 % LAMPIRAN B KARAKTERISTIK BERBAGAI JENIS KAPASITOR... 93

5 Bab I Komponen Elektronika 1/90 BAB I KOMPONEN ELEKTRONIKA I.1. Pendahuluan Elektronika terbagi menjadi 2 macam, yaitu: Elektronika analog Elektronika digital Komponen elektronika analog pasif antara lain resistor, kapasitor, dan induktor. Komponen elektronika analog aktif antara lain transistor dan op amp. I.2. Resistor Resistor adalah komponen dasar elektronika yang digunakan untuk membatasi jumlah arus yang mengalir dalam suatu rangkaian. Resistor bersifat resistif dan umumnya terbuat dari bahan karbon. Satuan resistansi dari suatu resistor disebut Ohm atau dilambangkan dengan simbol Ω (Omega). Karakteristik utama dalam penggunaan resistor yaitu : a) harga resistansinya b) rating dayanya Rating daya menunjukkan daya maksimum yang bisa didisipasikan tanpa menimbulkan panas yang berlebihan sehingga rusak terbakar. Disipasi menunjukkan daya sebesar I2.R akan dibuang/digunakan oleh resistor. Disipasi ini menjadi panas seiring dengan waktu yang berjalan. Bentuk resistor yang umum adalah seperti tabung dengan dua kaki di kiri dan kanan. Pada badannya terdapat lingkaran membentuk cincin kode warna untuk mengetahui besar resistansi tanpa mengukur besarnya dengan Ohmmeter. Kode warna tersebut adalah standar manufaktur yang dikeluarkan oleh EIA (Electronic Industries Association) seperti yang ditunjukkan pada tabel di bawah Gambar 1 Model Resistor

6 Bab I Komponen Elektronika 2/90 Tabel 1. Kode Warna Transistor Besarnya ukuran resistor sangat tergantung watt atau daya maksimum yang mampu ditahan oleh resistor. Umumnya di pasar tersedia ukuran 1/8, 1/4, 1, 2, 5, 10 dan 20 watt. Resistor yang memiliki daya maksimum 5, 10 dan 20 watt umumnya berbentuk balok berwarna putih dan nilai resistansinya dicetak langsung dibadannya, misalnya 1KΩ 5W. Contoh: Urutan cincin warna (resistor): Coklat Ungu biru emas : ± 5 % = 17MΩ± 5 % coklat merah hitam jingga coklat : ± 1 % = 120kΩ±5% Resistor dibedakan a) Menurut bahan Resistor yang bahan dasarnya dari lilitan kawat (Wirewound resistor) Resistor yang bahan dasarnya dari karbon Resistor film b) Menurut kelinieran nilai arusnya (tidak sesuai dengan hukum ohm V=I.R) Thermistor (resistor yang sensitive terhadap temperatur) VDR (Voltage Dependent Resistor yaitu resistor yang tergantung terhadap tegangan) LDR (Light Dependent Resistor yaitu resistor yang sensitive terhadap cahaya) Resistor yang sensitive terhadap tekanan/regangan c) Menurut nilai tahanannya Resistor dengan nilai yang tetap (fixed resistor) Resistor tetap yaitu resistor yang nilai hambatannya relatif tetap, biasanya terbuat dari karbon, kawat atau paduan logam. Nilainya hambatannya ditentukan oleh tebalnya dan panjangnya lintasan karbon. resistor dengan nilai yang berubah-ubah (variable resistor / potensiometer) Resistor variabel atau potensiometer, yaitu resistor yang besarnya hambatan dapat diubah-ubah. Yang termasuk ke dalam potensiometer ini antara lain : Resistor KSN

7 Bab I Komponen Elektronika 3/90 (koefisien suhu negatif), Resistor LDR (light dependent resistor) dan Resistor VDR (Voltage Dependent Resistor). Gambar 2 Simbol Resistor Resistor yang mempunyai kode angka dan huruf biasanya adalah resistor lilitan kawat yang diselubungi dengan keramik/porselin. Arti kode angka dan huruf pada resistor dengan kode 5 W 22 RJ adalah sebagai berikut : Gambar 3 Kode pada resistor 5 W berarti kemampuan daya resistor besarnya 5 watt 22 R berarti besarnya resistansi 22 Ω Dengan besarnya toleransi 5% I.3. Rangkaian Resistor Rangkaian resistor secara seri akan mengakibatkan nilai resistansi total semakin besar. Di bawah ini contoh resistor yang dirangkai secara seri. Pada rangkaian resistor seri berlaku rumus: Rtotal = R1 + R2 + R3 Rangkaian resistor secara paralel akan mengakibatkan nilai resistansi pengganti semakin kecil. Di bawah ini contoh resistor yang dirangkai secara paralel. Pada rangkaian resistor paralel berlaku rumus: I.4. Kapasitor Kapasitor atau kondensator adalah suatu komponen listrik yang dapat menyimpan muatan listrik. Kapasitas kapasitor diukur dalam F (Farad) = 10 6 mf (mikro Farad) = 10 9 nf (nano Farad) = pf (piko Farad). Salah satu karateristik kapasitor yaitu dapat meyimpan tenaga listrik dalam suatu medan elektrostatis. Pengaruh dari medan listrik ini sudah diketahui, namun tidak dapat dilihat mata.

8 Bab I Komponen Elektronika 4/90 Untuk membuat kapasitor dibutuhkan plat penghantar dan bahan dielektriknya harus tipis agar bias membuat kapasitor dengan volume yang kecil pula. Dengan lapisan dielektrik yang tipis kapasitor harus mampu menahan tegangan DC yang tinggi tanpa menimpulkan kerusakan kapasitor (breakdown). Kapasitor mempunyai nilai kapasitansi tidak konstan tergantung dengan temperatur, pembesaran dielektrik bahan dan perubahan permitivitas dielektrik Kapasitor elektrolit mempunyai dua kutub positif dan kutub negatif (bipolar), sedangkan kapasitor kering misal kapasitor mika, kapasitor kertas tidak membedakan kutub positif dan kutub negatif (non polar). Bentuk dan simbol kapasitor dapat dilihat pada gambar di bawah ini: Gambar 4 Simbol Kapasitor Kapasitor dapat dibedakan menurut: a) Nilai kapasitansinya Dapat diubah ubah (variable capasitor dan trimming capasitor) Tetap (fixed capasitor) b) Bahan dasar Mika Keramik Kertas Plastik Eletrolit Contoh:

9 Bab I Komponen Elektronika 5/90 Tabel 2. kode warna pada kapasitor: Tabel 3. Kode Angka pada Kapasitor I.5. Induktor Induktor adalah komponen listrik yang digunakan sebagai beban induktif. Gambar 5 Simbol Induktor Kapasitas induktor dinyatakan dalam satuan H (Henry) = 1000mH (mili Henry). Kapasitas induktor diberi lambang L, sedangkan reaktansi induktif diberi lambang XL. Suatu coil mempunyai nilai induktansi. Suatu arus yang berubah-ubah dalam suatu coil akan menghasilkan medan magnet yang berubah ubah dan akan menghasilkan tegangan dengan arah yang berlawanan pada coil yang sama, gejala ini sesuai Hukum Lenz yang disebut induksi diri (self-induction). Besarnya induktansi bergantung pada besar fisik, banyaknya lilitan dan jenis bahan inti dari inductor yang bersangkutan.

10 Bab I Kerugian pada inductor ini dibagi 2 jenis yaitu: Komponen Elektronika 6/90 Kerugian dalam lilitan yang besarnya bergantung pada besarnya resistansi dari kawat dan besar arus yang mengalir. Kerugian dalam inti yang besarnya bergantung pada bahan inti dan frekuensi kerjanya Factor kualitas dari inductor bisa ditunjukkan dengan sebuah resistor yang dipasang seri dengan inductor. Jenis-jenis inductor tergantung dengan jenis bahan lilitan, jenis bahan inti dan bentuk melilitkan kumparan pada inti. Induktor yang umum digunakan yaitu jenis transformator.

11 Bab II II.1. Pendahuluan DIODA 7/90 BAB II DIODA Dioda yang dipakai secara umum, dibuat dari bahan Germanium dan Silikon. Dioda tersebut mempunyai tegangan knee sebesar 0.7 Volt untuk dioda silikon dan Volt untuk tegangan Germanium. Pada Gambar di bawah, dioda yang digunakan dioda Silikon. Jika sumber tegangan kurang dari 0.7 Volt maka tidak ada arus yang mengalir. Sebaliknya jika lebih dari 0.7 Volt, maka akan ada arus yang mengalir melalui dioda. Gambar 6 Forward bias dioda Pada suatu rangkaian dioda seperti pada Gambar di bawah, rangkaian ada yang dibias maju dan dibias mundur. Jika dibias mundur, maka arus yang mengalir kecil sekali dan bisa dianggap tidak ada. Karena itu nilai tegangan sama dengan nol dan lampu tidak menyala. Sebaliknya jika dibias maju, maka ada arus yang mengalir pada rangkaian dan lampu menyala. Gambar 7 Arah arus Froward bias dioda Untuk menguji dioda apakah bias maju atau bias balik dapat dapat menggunakan cara seperti di bawah

12 Bab II DIODA 8/90 Gambar 8 Karakteristik Dioda Tegangan Kaki (Knee Voltage) yaitu tegangan pada saat arus mulai naik secara cepat pada saat dioda berada pada daerah maju, tegangan ini sama dengan tegangan penghalang. Apabila tegangan dioda lebih besar dari tegangan kaki maka dioda akan menghantar dengan mudah dan sebaliknya bila tegangan dioda lebih kecil maka dioda tidak menghantar dengan baik. Di atas tegangan kaki, arus dioda akan membesar secara cepat, dengan kata lain pertambahan yan kecil pada tegangan dioda akan menyebabkan perubahan yang besar pada arus dioda. Setelah tegangan penghalang terlampaui, yang menghalangi arus adalah hambatan Ohmic daerah P dan N, Jumlah hambatan tersebut dinamakan Hambatan Bulk. II.2. Karakteristik Dioda Dioda adalah komponen semikonduktor yang paling sederhana, yang terdiri atas dua elektroda yaitu katoda (untuk memancarkan elektron dengan cara pemancaran elektronik) dan anoda (untuk mengumpulkan elektron yang dipancarkan dari katoda). katoda dan anoda yang dipisahkan oleh hampa maka dioda membentuk kapasitor, besarnya kapsitansi berkisar antara 5 sampai 10 P F. Lambang dioda seperti anak panah yang arahnya dari anoda (sisi P) ke katoda (sisi N). Gambar 9 Simbol Dioda Ujung badan dioda biasanya di beri tanda, berupa gelang atau berupa titik, yang menandakan letak katoda. Dioda hanya bisa dialiri arus DC searah saja, pada arah sebaliknya arus DC tidak akan mengalir. Apabila dioda silicon dialiri arus AC ialah arus listrik dari PLN, maka yang mangalir hanya satu arah saja

13 Bab II DIODA 9/90 sehingga arus output dioda berupa arus DC.. Adanya sifat ini, dioda jenis tersebut digunakan untuk switch. Dalam pendekatan dioda ideal, dioda di anggap sebagai sebuah saklar tertutup jika diberi forward bias (saat bagian anoda mendapatkan tegangan positif sedangkan katodanya mendapatkan tegangan negatif) dan dioda sebagai saklar terbuka jika diberi reverse bias (saat bagian anoda mendapatkan tegangan negatif sedangkan katoda mendapatkan tegangan positif). Artinya secara ideal, dioda berlaku seperti konduktor sempurna (tegangan nol) jika di bias forward dan seperti isolator sempurna (arus nol) saat di bias reverse. Pada forward bias, perbedaan voltage antara katoda dan anoda disebut threshold voltage atau knee voltage. Besar voltage ini tergantung dari jenis diodanya, bisa 0.2V, 0.6V dan sebagainya. Dioda jenis germanium misalnya type 1N4148 atau 1N60 bila diberikan forward bias dapat meneruskan getaran frekuensi radio dan bila forward bias dihilangkan, akan memblok getaran frekuensi radio tersebut. Bila dioda diberi reverse bias (yang beda voltagenya tergantung dari tegangan catu) tegangan tersebut disebut tegangan terbalik. Tegangan terbalik ini tidak boleh melampaui harga tertentu, harga ini disebut breakdown voltage, misalnya dioda type 1N4001 sebasar 50V. Gambar 10 Dioda dengan bias maju (forward bias) dan Dioda dengan bias negatif (reverse bias) Gambar 11 Grafik arus dioda Dalam pendekatan ke dua, diperlukan tegangan lebih besar dari 0,7V (untuk dioda yang terbuat dari bahan silikon) pada anoda terhadap katoda agar dioda dapat menghantarkan arus listrik. Tegangan sebesar 0,7V ini disebut sebagai tegangan halang (barrier voltage). Dioda dapat digambarkan sebagai suatu saklar yang di seri dengan tegangan penghambat 0,7 V. Apabila tegangan sumber lebih besar dari 0,7 V maka saklar akan tertutup. Sebaliknya apabila tegangan sumber lebih kecil dari 0,7 V maka saklar akan terbuka. Dioda yang terbuat dari bahan Germanium memiliki tegangan halang kira-kira 0,3 V. Dalam pendekatan ke tiga akan diperhitungkan hambatan bulk RB).Rangkaian ekivalen untuk pendekatan ketiga ini adalah sebuah saklar yang terhubung seri dengan tegangan 0,7 V dan hambatan

14 Bab II DIODA 10/90 RB. Saat tegangan dioda lebih besar dari 0,7 V maka dioda akan menghantar dan tegangan akan naik secara linier dengan kenaikan arus. Semakin besar arus, akan semakin besar tegangan dioda karena tegangan ada yang jatuhmenyebrangi hambatan bulk. Untuk memahami karakteristik dioda yang berhubungan dengan tegangan dan arus, mengetahui cara mengukur parameter-parameter pada dioda dan mengetahui karakteristik dioda Zener. Langkahlangkah yang harus dilakukan adalah sebagai berikut: a. Merangkai rangkaian di mana sumber tegangan diberikan setelah rangkaian selesai disusun. b. Sumber tegangan di berikan pada rangkaian tersebut. Sumber tegangan yang digunakan adalah sumber tegangan searah (DC). Kondisi dioda pada saat itu belum aktif, hal ini disebabkan nilai tegangan sumber yang lebih kecil dari 0,7V. c. Setelah nilai tegangan sumber dinaikkan, maka akan ada arus yang mengalir melewati dioda. d. Kita dapat mengetahui tegangan pada dioda (VD) dengan melihat Voltmeter, dan arus yang mengalir dengan melihat Amperemeter. Dari kedua nilai ini maka akan didapat nilai resistansi dioda saat konduksi. e. Kemudian percobaan diatas diulang dengan membalik tegangan tegangan bias dioda II.3. II.3.1. Macam-macam dioda: Dioda zener Sebenarnya tidak ada perbedaan sruktur dasar dari zener, melainkan mirip dengan dioda. Tetapi dengan memberi jumlah doping yang lebih banyak pada sambungan P dan N, ternyata tegangan breakdown dioda bisa makin cepat tercapai. II.3.2. LED Gambar 12 Simbol dioda Zener LED adalah singkatan dari Light Emiting Dioda, merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya. LED merupakan produk temuan lain setelah dioda. Strukturnya juga sama dengan dioda, tetapi belakangan ditemukan bahwa elektron yang menerjang sambungan P-N juga melepaskan energi berupa energi panas dan energi cahaya. Gambar 13 Simbol LED II.4. II.4.1. Aplikasi umum dioda digunakan sebagai: Penyearah ½ gelombang Penerapan dioda yang paling banyak dijumpai adalah sebagai penyearah. Penyearah berarti mengubah arus bolak-balik (ac) menjadi arus searah (dc). Sebagian besar peralatan elektronik membutuhkan sumber daya yang berupa arus searah. Untuk kebutuhan daya dan tegangan yang kecil biasanya cukup digunakan baterai atau accu, namun untuk lebih dari itu diperlukan power supply yang berupa penyearah.

15 Bab II DIODA 11/90 Penyearah yang paling sederhana adalah penyearah setengah gelombang, yaitu yang terdiri dari sebuah dioda. Melihat dari namanya, maka hanya setengah gelombang saja yang akan disearahkan. Gambar 14 menunjukkan rangkaian penyearah setengah gelombang. Rangkaian penyearah setengah gelombang mendapat masukan dari skunder trafo yang berupa sinyal ac berbentuk sinus, vi = Vm Sin ωt (Gambar 14(b)). Dari persamaan tersebut, Vm merupakan tegangan puncak atau tegangan maksimum. Harga Vm ini hanya bisa diukur dengan CRO yakni dengan melihat langsung pada gelombangnya. Sedangkan pada umumnya harga yang tercantum pada skunder trafo adalah tegangan efektif. Hubungan antara tegangan puncap Vm dengan tegangan efektif (Veff) atau tegangan rms (Vrms) adalah: Gambar 14 Penyearah setengah gelombang (a) rangkaian; (b) tegangan sekunder trafo; (c) arus beban II.4.2. Penyearah gelombang penuh Rangkaian penyearah gelombang penuh ada dua macam, yaitu dengan menggunakan trafo CT (center-tap = tap tengah) dan dengan sistem jembatan. Gambar 15 menunjukkan rangkaian penyearah gelombang penuh dengan menggunakan trafo CT.

16 Bab II DIODA 12/90 Gambar 15 Penyearah gelombang penuh Gambar di atas adalah rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Jembatan dimana bagian (a) Rangkaian Dasar; (b) Saat Siklus Positip; (c) Saat Siklus Negatip; (d) Arus Beban Prinsip kerja rangkaian penyearah gelombang penuh sistem jembatan dapat dijelaskan sbb: II.4.3. a. Pada saat rangkaian jembatan mendapatkan bagian positip dari siklus sinyal ac, maka : - D1 dan D3 hidup (ON), karena mendapat bias maju - D2 dan D4 mati (OFF), karena mendapat bias mundur Sehingga arus i1 mengalir melalui D1, RL, dan D3. b. Pada saat jembatan memperoleh bagian siklus negatip, maka: - D2 dan D4 hidup (ON), karena mendapat bias maju - D1 dan D3 mati (OFF), karena mendapat bias mundur Sehingga arus i2 mengalir melalui D2, RL, dan D4. Pengganda Tegangan Dengan menggunakan rangkaian pelipat tegangan (voltage multiplier) pada skunder trafo yang relatif kecil dapat diperoleh tegangan searah keluaran sebesar dua, tiga, empat atau lebih kali lipat tegangan input. Rangkaian ini banyak digunakan pada pembangkit tegangan tinggi namun dengan arus yang kecil seperti pada catu daya tabung gambar

17 Bab II DIODA 13/90 Gambar 16 (a) Rangkaian pelipat tegangan dua kali setengah gelombang; (b) kondisi pada saat siklus positip; (c) kondisi pada saat siklus negatip II.4.4. Clipper Seri Rangkaian clipper (pemotong) digunakan untuk memotong atau menghilangkan sebagian sinyal masukan yang berada di bawah atau di atas level tertentu. Contoh sederhana dari rangkaian clipper adalah penyearah setengah gelombang. Rangkaian ini memotong atau menghilangkan sebagian sinyal masukan di atas atau di bawah level nol. Secara umum rangkaian clipper dapat digolongkan menjadi dua, yaitu: seri dan paralel. Rangkaian clipper seri berarti diodanya berhubungan secara seri dengan beban, sedangkan clipper paralel berarti diodanya dipasang paralel dengan beban. Sedangkan untuk masingmasing jenis tersebut dibagi menjadi clipper negatip (pemotong bagian negatip) dan clipper positip (pemotong bagian positip). Dalam analisa ini diodanya dianggap ideal. Petunjuk untuk menganalisa rangkaian clipper seri adalah sebagai berikut: 1. Perhatikan arah dioda bila arah dioda ke kanan, maka bagian positip dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian negatip akan dipotong (berarti clipper negatip) bila arah dioda ke kiri, maka bagian negatip dari sinyal input akan dilewatkan, dan bagian positip akan dipotong (berarti clipper positip) 2. Perhatikan polaritas baterai (bila ada) 3. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol pada level baterai (yang sudah ditentukan pada langkah 2 di atas)

18 Bab II DIODA 14/90 4. Batas pemotongan sinyal adalah pada sumbu nol semula (sesuai dengan sinyal input) Rangkaian clipper seri positip adalah seperti Gambar 17 dan rangkaian clipper seri negatip adalah Gambar 18 Gambar 17 Rangkaian clipper seri positif Gambar 18 Rangkaian clipper seri negatif II.4.5. Clipper paralel Petunjuk untuk menganalisa rangkaian clipper paralel adalah sebagai berikut: 1. Perhatikan arah dioda. bila arah dioda ke bawah, maka bagian positip dari sinyal input akan dipotong (berarti clipper positip) bila arah dioda ke atas, maka bagian negatip dari sinyal input akan dipotong (berarti clipper negatip) 2. Perhatikan polaritas baterai (bila ada). 3. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol sesuai dengan input. 4. Batas pemotongan sinyal adalah pada level baterai. Rangkaian clipper paralel positip adalah seperti Gambar 19 dan rangkaian clipper paralel negatip adalah Gambar 20.

19 Bab II DIODA 15/90 Gambar 19 Rangkaian clipper paralel positif Gambar 20 Rangkaian clipper paralel negatif

20 Bab III TRANSISTOR 16/90 BAB III TRANSISTOR III.1. PENDAHULUAN Transistor adalah suatu komponen aktif semikonduktor yang bekerjanya menggunakan pengolahan aliran arus elektron di dalam bahan tersebut. Transistor dapat berfungsi sebagai penguat arus maupun tegangan. Transistor merupakan peralatan yang mempunyai 3 lapis N-P-N atau P-N-P. Transistor terdiri dari beberapa jenis, yaitu: III.2. BJT (Bipolar Junction Transistors) Gambar 21 Jenis Transistor Transistor terdiri dari 3 elemen yaitu: Basis (B), Kolektor (C), Emitor (E). Transistor mempunyai dua junction, yaitu batas pertemuan antara emitor-basis dan pertemuan antara basis-kolektor.dalam rentang operasi, arus kolektor IC merupakan fungsi dari arus basis I B. Perubahan pada arus basis I B memberikan perubahan yang diperkuat pada arus kolektor untuk tegangan emitor-kolektor VCE yang diberikan. Perbandingan kedua arus ini dalam orde 15 sampai 100.

21 Bab III TRANSISTOR 17/90 Gambar 22 Simbol Transistor Perbandingan arus kolektor dengan arus emitter hampir sama, alphadc sebagai definisi perbandingan kedua arus tersebut. Arus kolektor telah dihubungkan dengan arus emiter dengan menggunakan α DC. Juga menghubungkan arus kolektor dengan arus basis dengan mendefnisikan beta DC transistor : Hukum kirchoff menyatakan : I E = I C + I B Dengan aljabar maka dapat disusun menjadi : Transistor mempunyai daerah kerja seperti grafik di bawah, yang perlu dilakukan perhitungan terlebih dahulu, namun perhitungan tergantung dari rangkaiannya. Yang perlu dikuasai yaitu hukum ohm, hukum kirchoff, dan rumus β-α.

22 Bab III TRANSISTOR 18/90 Gambar 23 Kurva karakteristik transistor Contoh: Ada rangkaian seperti di bawah Tentukan posisi titik Q Jawab: Arus I b (misalnya I b1 ) yang diberikan dengan mengatur V b akan memberikan titik kerja pada transistor. Pada saat itu transistor akan menghasilkan arus collector (I c ) sebesar I c dan tegangan V ce sebesar V ce1. Titik Q (titik kerja transistor) dapat diperoleh dari persamaan sebagai berikut : Persamaan garis beban = Y = V ce = V cc I c. R L Jadi untuk I c = 0, maka V ce = V cc dan untuk V ce = 0, maka diperoleh I c = V cc /R L Apabila harga-harga untuk Ic dan Ice sudah diperoleh, maka dengan menggunakan karakteristik transistor yang bersangkutan, akan diperoleh titik kerja transistor atau titik Q. Pada kondisi V b = 0, harga I c = 0, dan berdasarkan persamaan loop : V cc + I c.r 1 + V ce = 0, dihasilkan V ce = +V cc Pada kondisi V b = V 1, harga V ce = 0 dan I v = I saturasi Contoh: diketahui:

23 Bab III TRANSISTOR 19/90 R c = 2kΩ R b = 150kΩ V cc = 10V V bb = 4V β = 100 Buat grafik antara I c -V ce dan I b -V be V be = 0,7 V Jawab: Loop 1 V bb = i b R b +V be 4 V = i b. 150 kω + 0,7 V i b = (4-0,7) / i b = 0,022 ma saat i b = 0 maka V bb = V be = 4 V saat V be = 0 maka V bb / R b = i b = 4 / 150 k = 0,0267 ma Loop 2 V cc = i c R c +V ce 10 V = i c.2 kω + V ce i c = i b. β = 0,022 ma. 100 = 2,2mA maka 10 V =2,2mA. 2 kω + V ce V ce = 10 (2,2. 2) = 5,6 V Saat i c = 0 maka V cc = V ce = 10 V Saat V ce = 0 maka ic = V cc / R c = 10 / 2k = 5 ma

24 Bab III TRANSISTOR 20/90 Ketiga kaki transistor dapat ditentukan menggunakan Ohmmeter. III.3. Mencari Kaki Base Atur multimeter pada pengukuran ohmmeter x100. Lakukan pengukuran seperti gambar dibawah ini. Gambar 24 Pengukuran komponen dioda Perhatikan penunjukkan pergerakan jarum. Apabila jarum bergerak ke kanan dengan posisi probe yang satu tetap pada kaki 3 dan probe lainnya pada kaki 1 atau kaki 2 berarti kaki 3 adalah base transistor. Jika probe positif yang berada pada kaki 3 berarti transistor tersebut berjenis NPN, sebaliknya jika probe negatif berada pada kaki 3 berarti transistor tersebut berjenis PNP.

25 Bab III III.4. Mencari Kaki Kolektor dan Emitter TRANSISTOR 21/90 Misal: transistor berjenis NPN Lakukan pengukuran seperti gambar dibawah ini. Perhatikan penunjukkan jarum, apabila jarum bergerak ke kanan maka kaki 1 (pada probe positif) adalah emitter dan kaki 2 (pada posisi probe negatif) adalah kolektor. Atau jika dipasang kebalikkannya (probe positif pada kaki 2 dan probe negatif pada kaki 1) dan jarum tidak bergerak, maka kaki 1 adalah emitter dan kaki 2 adalah kolektor. Gambar 25 Menentukan kaki kolektor emitter dioda Untuk transistor jenis PNP dapat dilakukan seperti diatas dan hasilnya kebalikan dari transistor jenis NPN. Di pasaran banyak terdapat jenis transistor yang berbeda fisiknya, antara lain: III.5. Aplikasi Gambar 26 Model dan posisi kaki-kaki dioda Secara umum, transistor dapat dibeda-bedakan berdasarkan banyak kategori simbol transistor dari berbagai tipe, antara lain: Materi semikonduktor: Germanium, Silikon, Gallium Arsenide. Kemasan fisik: Through Hole Metal, Through Hole Plastic, Surface Mount, IC, dan lain-lain. Tipe: UJT, BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, HBT, MISFET, VMOSFET, MESFET, HEMT, SCR serta pengembangan dari transistor yaitu IC(Integrated Circuit) dan lain-lain. Polaritas: NPN atau N-channel, PNP atau P-channel. Maximum kapasitas daya: Low Power, Medium Power, High Power. Maximum frekuensi kerja: Low, Medium, atau High Frequency, RF transistor, Microwave, dan lain-lain. Aplikasi: Amplifier, Saklar, General Purpose, Audio, Tegangan Tinggi, dan lain-lain.

26 Bab III TRANSISTOR 22/90 III.5.1. Transistor sebagai penguat arus Fungsi lain dari transistor adalah sebagai penguat arus. Karena fungsi ini maka transistor bisa dipakai untuk rangkaian power supply dengan tegangan yang di set. Untuk keperluan ini transistor harus dibias tegangan yang konstan pada basisnya, supaya pada emitor keluar tegangan yang tetap. Biasanya untuk mengatur tegangan basis supaya tetap digunakan sebuah dioda zener. Gambar 27 Rangkaian transistor sebagai penguat arus Pada gambar tampak bahwa R15 dan R16 bekerjasama dalam mengatur tegangan bias pada basis transistor. Konfigurasi ini termasuk jenis penguat kelas A. Sinyal input masuk ke penguat melalui kapasitor C8 ke basis transistor. Dan sinyal output diambil pada kaki kolektor dengan melewati kapasitor C7. Fungsi kapasitor pada input dan output penguat adalah untuk mengisolasi penguat terhadap pengaruh dari tegangan DC eksternal penguat. Hal ini berdasarkan karakteristik kapasitor yang tidak melewatkan tegangan DC. III.5.2. Transistor sebagai Penguat Salah satu fungsi Transistor yang paling banyak digunakan di dunia Elektronika Analogadalah sebagai penguat yaitu penguat arus,penguar tegangan, dan penguat daya. Fungsi komponen semikonduktor ini dapat kita temukan pada rangkaian Pree-Amp Mic, Pree-Amp Head, Mixer, Echo, Tone Control, Amplifier dan lain-lain. Prinsip kerja transistor pada contoh rangkaian di bawah adalah, arus kecil pada basis (B) yang merupakan input dikuatkan beberapa kali setelah melalui Transistor. Arus output yang telah dikuatkan tersebut diambil dari terminal Collector (C). Besar kecilnya penguatan atau faktor pengali ditentukan oleh beberapa perhitungan resistor yang dihubungkan pada setiap terminal transistor dan disesuaikan dengan tipe dan karakteristik transistor. Signal yang diperkuat dapat

27 Bab III TRANSISTOR 23/90 berupa arus DC (searah) dan arus AC (bolak-balik) tetapi maksimal tegangan output tidak akan lebih dari tegangan sumber (Vcc) Transistor. Gambar 28 Rangkaian transistor sebagai penguat Gambar 29 Bentuk signal input dan output penguatan Pada gambar pertama (Transistor Sebagai Penguat), tegangan pada Basis (dalam mv) dikuatkan oleh Transistor menjadi besar (dalam Volt). Perubahan besarnya tegangan output pada Collector akan mengikuti perubahan tegangan input pada Basis. Pada gambar kedua dapat terlihat perubahan dan bentuk gelombang antara input dan output yang telihat melalui Osciloscope. Berdasarkan cara pemasangan ground dan pengambilan output, penguat transistor dibagi menjadi tiga bagian yaitu:

28 Bab III III.6. FET TRANSISTOR 24/90 Field Effect Transistor adalah salah satu komponen aktif selain junction transistor, yang bekerja dengan asas pengaturan arus oleh medan listrik. FET merupakan transistor unipolar, dimana transistor unipolar hanya tergantung pada satu muatan saja baik lubang maupun elektron. FET yang umum digunakan terbagi menjadi 2 yaitu Junction FET (JFET) dan MOSFET (Metal Oxide Semiconductor). JFET tipe n merupakan sekeping silikon dari bahan semikonduktor tipe n dengan dua pulau dari bahan tipe-p yang ditempelkan pada kedua sisinya. Ujung salah satu JFET disebut sumber (S) karena elektron-elektron bebas memasuki JFET melalui ujung ini. Ujung yang atas disebut penguras (D) karena elektron-elektron bebas pergi dari JFET melalui ujung ini. Di bagian tengah titik tersebut disebut gerbang (G) karena tempat dilaluinya elektron atau merupakan saluran sempit tempat bergerak dari sumber menuju penguras. Lebar saluran ini menentukan banyaknya arus yang mengalir pada JFET. MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) adalah suatu transistor bahan dasarnya adalah semikonduktor silicon, dibuat agar antara substrat dan gerbangnya dibatasi oleh oksida silikon yang sangat tipis. Transistor ini secara fisik terdiri dari 3 saluran yaitu gerbang (G), source (S), drain (D) dan bulk (B). Dan operasi transistor ini terdiri 3 keadaan, yaitu keadaan saturasi, cut off, dan linier. Jika dilihat dari jenis saluran yang digunakan pada transistor MOSFET, maka MOSFET dapat dikelompokkan menjadi 3 macam yaitu nmos (n-channel MOS), pmos (p-channel MOS), CMOS (Complementary MOS). MOSFET dapat dibagi dua, yaitu: Transistor Mode Pengosongan (transistor mode depletion) Pada transistor mode depletion antara drain dan source ada saluran yang menghubungkan dua terminal tersebut yang mempunyai fungsi sebagai saluran mengalirnya electron bebas. Lebar saluran dapat dikendalikan oleh tegangan gerbang. Transistor Mode Peningkatan (transistor mode enhancement) Mosfet mode ini pada fisiknya tidak mempunyai saluran antara drain dan source karena lapisan bulk meluas sampai dengan lapisan SiO2 pada terminal gate.

29 Bab IV TRANSISTOR EFEK MEDAN 25/90 BAB IV TRANSISTOR EFEK MEDAN IV.1. Pendahuluan Transistor efek medan (field-effect transistor = FET) mempunyai fungsi yang hampir sama dengan transistor bipolar yang sudah dibahas pada buku jilid 1. Meskipun demikian antara FET dan transistor bipolar terdapat beberapa perbedaan yang mendasar. Perbedaan utama antara kedua jenis transistor tersebut adalah bahwa dalam transistor bipolar arus output (IC) dikendalikan oleh arus input (IB). Sedangkan dalam FET arus output (ID) dikendalikan oleh tegangan input (VGS), karena arus input adalah nol. Sehingga resistansi input FET sangat besar, dalam orde puluhan megaohm. Disamping itu, FET lebih stabil terhadap temperatur dan konstruksinya lebih kecil serta pembuatannya lebih mudah dari transistor bipolar, sehingga amat bermanfaat untuk pembuatan keping rangkaian terpadu. FET bekerja atas aliran pembawa mayoritas saja, sehingga FET cenderung membangkitkan noise (desah) lebih kecil dari pada transistor bipolar. Namun umumnya transistor bipolar lebih peka terhadap input atau dengan kata lain penguatannya lebih besar. Disamping itu transistor bipolar mempunyai linieritas yang lebih baik dan respon frekuensi yang lebih lebar. Keluarga FET yang penting adalah JFET (junction field-effect transistor) dan MOSFET (metaloxide semiconductor field-effect transistor). JFET terdiri atas kanal-p dan kanal-n. MOSFET terdiri atas MOSFET tipe pengosongan (D-MOSFET = Depletion-mode metal-oxide semiconductor FET) dan MOSFET tipe peningkatan (E-MOSFET = Enhancement-mode metal-oxide semiconductor FET). Masing-masing tipe MOSFET ini masih terbagi juga dalam kanal-p dan kanal-n. IV.2. Konstruksi dan Karakteristik JFET JFET adalah komponen tiga terminal dimana salah satu terminal dapat mengontrol arus antara dua terminal lainnya. JFET terdiri atas dua jenis, yakni kanal-n dan kanal-p, sebagaimana transistor terdapat jenis NPN dan PNP. Umumnya yang akan dibahas pada bab ini adalah kanal-n, karena untuk kanal-p adalah kebalikannya. Gambar 30 Konstruksi JFET kanal N

30 Bab IV TRANSISTOR EFEK MEDAN 26/90 Konstruksi dasar komponen JFET kanal-n adalah seperti pada Gambar 30. Terlihat bahwa sebagian besar strukturnya terbuat dari bahan tipe-n yang membentuk kanal. Bagian atas dari kanal dihubungkan ke terminal yang disebut Drain (D) dan bagian bawah dihubungkan ke terminal yang disebut Source (S). Pada sisi kiri dan kanan dari kanal-n dimasukkan bahan tipe P yang dihubungkan bersama-sama ke terminal yang disebut dengan Gate (G). Pada saat semua terminal belum diberi tegangan bias dari luar, maka pada persambungan P dan N pada kedua gate terdapat daerah pengosongan. Hal ini terjadi sebagaimana pada pembahasan dioda persambungan. Pada daerah pengosongan tidak terdapat pembawa muatan bebas, sehingga tidak mendukung aliran arus sepanjang kanal. Gambar 31 kanal N dengan VGS = 0 dan VDS >0 Apabila antara terminal D dan S diberi tegangan positip (VDS = positip) dan antara terminal G dan S diberi tegangan nol (VGS = 0), maka persambungan antara G dan D mendapat bias negatip, sehingga daerah pengosongan semakin lebar. Sedangkan persambungan antara G dan S daerah pengsongannya tetap seperti semula saat tidak ada bias. Untuk membuat VGS = 0 adalah dengan cara menghubungkan terminal G dan terminal S. Lihat Gambar 31. Dengan adanya VDS bernilai positip, maka elektron dari S akan mengalir menuju D melewati kanal N, karena kanal-n tersedia banyak pembawa muatan mayoritas berupa elektron. Dengan kata lain arus listrik pada drain (ID) mengalir dari sumber VDS dan arus pada source (IS) menuju sumber. Aliran elektron ini melewati celah yang disebabkan oleh daerah pengosongan sebelah kiri dan kanan.

31 Bab IV TRANSISTOR EFEK MEDAN 27/90 Gambar 32 Kurva hubungan ID dengan VDS Pada kondisi seperti pada Gambar 32, aliran elektron sepenuhnya hanya tergantung pada resistansi kanal antara S dan D. Lihat Gambar 33. Pada saat ini hubungan arus ID dan VDS masih mengikuti hukum Ohm. Apabila tegangan VDS diperbesar lagi hingga beberapa volt, maka persambungan G dan D semakin besar mendapat tegangan bias mundur, sehingga daerah pengosongan semakin melebar. Apabila tegangan VDS dinaikkan terus hingga daerah pengosongan sebelah kiri dan kanan bersentuhan maka aliran elektron akan jenuh yang disebut dengan kondisi pinch-off. Lihat Gambar 34. Pada kondisi ini (arus mulai jenuh dan VGS = 0) tegangan VDS disebut dengan tegangan pinch-off (Vp). Kenaikan VDS sesudah ini tidak akan menambah arus ID lebih besar lagi atau ID akan tetap, yakni yang disebut dengan IDSS (drain-source saturation current). IDSS adalah arus drain maksimum dengan kondisi VGS = 0 Volt dan VDS = Vp. Gambar 33 JFET kanal N dengan VGS = 0 dan VDS = Vp Selanjutnya apabila VGS diberi tegangan negatip, misalnya sebesar VGS = -1 Volt, maka bias mundur untuk persambungan G-S maupun G-D semakin besar, sehingga daerah pengosongannya semakin lebar. Dengan demikian untuk mencapai kondisi pinch-off (kedua sisi daerah pengosongan bersentuhan) diperlukan tegangan VDS lebih kecil. Arus ID akan mencapai titik jenuh (maksimum) pada tegangan VDS

32 Bab IV TRANSISTOR EFEK MEDAN 28/90 yang lebih kecil. Namun perlu diingat arus bahwa arus jenuh pada VGS bukan nol namanya bukanlah IDSS. Perhatikan kurva karakteristik pada Gambar 34. Gambar 34 Kurva karakteristik JFET Pada kuva karakteristik JFET kanal-n secara lengkap (Gambar 34) terlihat bahwa apabila VGS dinaikkan terus kearah negatip, maka pada suatu tegangan VGS negatip tertentu arus ID tetap nol meskipun tegangan VDS dinaikkan. Tegangan VGS ini disebut dengan VGS(off) atau tegangan pinch-off (Vp). Hal ini karena daerah pengosongan pada kedua sisi saling bersentuhan. Pada kurva Gambar 34 tersebut tegangan Vp = -4 Volt. Pada kurva tersebut bisa dilihat pada tegangan VDS saat VGS = 0 dan ID = IDSS. Juga bisa dilihat pada tegangan VGS saat ID = 0 meskipun VDS dinaikkan terus, yaitu VGS(off). Harga Vp ini adalah negatip untuk JFET kanal-n dan positip untuk JFET kanal-p. Pada beberapa buku data istilah VGS(off) maupun Vp keduanya biasa dipakai untuk menyatakan tegangan pinch-off. Simbol JFET untuk kanal-n dan kanal-p ditunjukkan pada Gambar 35 (a) dan (b). Dalam simbol tersebut, arah tanda panah pada gate merupakan arah arus pada persambungan seandainya diberi bias maju. Tetapi perlu diingat bahwa daerah kerja JFET adalah bila persambungan tersebut diberi bias mundur. Oleh karena itulah, maka arus gate IG adalah nol (sangat kecil) dan akibatnya resistansi input dari JFET adalah tinggi sekali (dalam orde puluhan megaohm). Gambar 35 Simbol JFET (a) kanal-n, (b) kanal-p

33 Bab IV IV.3. Krakteristik Transfer JFET TRANSISTOR EFEK MEDAN 29/90 Pada transistor bipolar hubungan antara arus output IC dan arus input yang mengendalikan IB dianggap linier, yakni: IC = βib. Namun pada JFET hubungan antara arus output ID dengan tegangan input yang mengendalikan VGS tidaklah linier, yakni ditentukan dengan persamaan Shockley: Dengan persamaan Shockley tersebut dapat dibuat karakteristik transfer JFET. Karakteristik transfer JFET merupakan hubungan antara arus drain ID dengan tegangan gate-source VGS setelah tercapai titik pinch-off. Meskipun dibuat dengan harga VDS konstan, tetapi sebenarnya kurva karakteristik transfer ini tidaklah tergantung dari nilai VDS. Hal ini karena setelah mencapai titik pinch-off, arus ID tetap konstan walaupun tegangan VDS dinaikkan. Gambar 40 menunjukkan kurva karakteristik transfer JFET. Kurva ini diperoleh dengan menggunakan persamaan Shockley dari kurva karakteristik output Gambar 34. Dengan diketahuinya nilai IDSS dan Vp dari buku data, maka dengan mudah hubungan ID dengan VGS dapat ditentukan. Pada Gambar 40 tersebut, misalnya apabila harga VGS = 0 dimasukkan ke persamaan Shockley, maka diperoleh: Apabila harga VGS = Vp dimasukkan, maka diperoleh: Selanjutnya dengan memasukkan berbagai harga VGS kedalam persamaan Shockley akan diperoleh kurva transfer lengkap.

34 Bab IV TRANSISTOR EFEK MEDAN 30/90 Gambar 36 Kurva karakteristik transfer dan output JFET Tegangan VDS yang diperlukan untuk membuat arus ID menjadi jenuh (titik pinch-off) tergantung dari harga VGS-nya. Bila VGS =0, maka VDS yang diperlukan adalah sebesar Vp. Bila VGS dibuat semakin negatip, maka VDS yang diperlukan adalah semakin kecil. Hubungan VDS(sat) ini dinyatakan dengan persamaan: VDS(sat) = VGS = Vp Daerah operasi yang linier adalah sesudah titik pinch-off dan dibawah daerah break-down. Pada daerah ini arus ID jenuh dan tergantung dari harga VGS dan tidak tergantung dari VDS, sesuai dengan persamaan Shockley. Daerah antara titik pinch-off dan break-down ini disebut juga dengan daerah aktif atau daerah jenuh, dimana JFET banyak dipakai sebagai penguat. Sedangkan sebelum titik pinch-off disebut dengan daerah ohmik atau daerah yang dikendalikan tegangan (voltage-controlled region), dimana JFET berlaku seperti resistor variabel. Beberapa persamaan penting berkenaan dengan karakteristik JFET adalah sebagai berikut : Persamaan tersebut perlu diingat karena banyak digunakan dalam analisa selanjutnya. IV.4. Konstruksi dan Karakteristik D-MOSFET MOFET tipe pengosongan atau D-MOSFET (Depletion-metal-oxide semiconductor FET) terdiri atas kanal- N dan kanal-p. Gambar 40 menunjukkan konstruksi D-MOSFET kanal-n.

35 Bab IV TRANSISTOR EFEK MEDAN 31/90 Gambar 37 Konstruksi D-MOSFET kanal-n D-MOSFET kanal-n dibuat di atas bahan dasar silikon tipe P yang biasanya disebut dengan substrat. Pada kebanyakan komponen diskret, substrat ini dihubungkan ke terminal yang disebut SS (substrat) sebagai terminal keempat. Terminal drain (D) dihubungkan ke bahan tipe N melalui kontak metal demikian juga dengan terminal source (S). Antara bahan-n drain dan bahan-n source dihubungkan kanal yang terbuat juga dari bahan-n. Terminal gate dihubungkan ke sisi kanal-n melalui kontak metal. Tetapi yang paling penting disini adalah bahwa antara kontak metal gate dengan kanal-n ada lapisan oksida silikon (SiO2) yang berfungsi sebagai isolasi (dielektrikum). Secara kelistrikan antara terminal gate dengan kanal-n tidak ada hubungan. Hal ini membuat impedansi dari D-MOSFET sangat tinggi, lebih tinggi dari impedansi input JFET. Dengan demikian dalam pembiasan dc, arus gate IG dianggap sama dengan nol (IG = 0). Istilah MOSFET (metal-oxide semiconductor FET) ini timbul karena dalam konstruksinya terdapat metal dan oksida silikon. Dalam literatur lama MOSFET ini disebut dengan IGFET (insulated-gate FET) karena memang terminal gatenya terisolasi dengan kanal-n. Penjelasan cara kerja dan karakteristik D-MOSFET kanal-n dimulai dengan memberikan VGS = 0 dan VDS positip seperti pada Gambar 42. Pemberian VGS = 0 dilakukan dengan cara menghubungkan terminal G dengan S. Biasanya terminal SS dihubungkan ke terminal S. Tegangan positip VDS akan menarik elektron bebas pada kanal-n dari source menuju drain, sehingga mengalir arus ID. Hal ini sama seperti pada JFET. BilaVDS diperbesar hingga mencapai Vp, maka arus ID akan jenuh (tidak naik lagi) yang disebut dengan IDSS. Apabila VGS dibuat negatip, maka muatan negatip pada terminal gate akan menolak elektron bebas pada kanal-n menjauhi daerah kanal-n dan menuju daerah substrat-p. Hal ini akan mengosongkan kanal-n dari elektron bebas, sehingga arus ID semakin kecil. Apabila tegangan negatip VGS dinaikkan terus hingga kanal-n kosong dari semua elektron bebas, maka arus ID sudah tidak bisa dinaikkan lagi meskipun dengan memperbesar VDS.

36 Bab IV TRANSISTOR EFEK MEDAN 32/90 Gambar 38 D-MOSFET kanal-n dengan VGS = 0 dan VDS positip D-MOSFET dengan tegangan VGS nol hingga VGS negatip ini disebut dengan mode pengosongan. Hal ini karena dengan tegangan VGS ini kanal-n dikosongkan dari elektron bebas, atau dengan kata lain pada kanal-n timbul daerah pengosongan. Seperti halnya pada JFET, saat VGS negatip tertentu, arus ID tidak bisa mengalir lagi (mati) meskipun VDS diperbesar. VGS yang menyebabkan ID nol ini disebut dengan VGS(off). Selain dengan tegangan VGS negatip, D-MOSFET bisa juga bekerja dengan tegangan VGS positip. Berbeda dengan JFET yang hanya bisa bekerja dengan VGS negatip saja. Bila VGS pada D-MOSFET dibuat positip, maka muatan positip pada terminal gate ini akan menarik elektron bebas dari substrat ke daerah kanal-n, sehingga elektron bebasnya lebih banyak. Dengan demikian arus ID mengalir lebih besar dibanding saat VGS = 0. Semakin diperbesar harga VGS ke arah positip, semakin banyak jumlah pembawa muatan elektron bebas pada kanal N, sehingga semakin besar arus ID. D-MOSFET yang bekerja dengan VGS positip ini disebut dengan mode peningkatan, karena jumlah pembawa muatan elektron bebas pada daerah kanal- N ditingkatkan dibanding saat VGS = 0. Pada saat memperbesar VGS positip ini perlu diperhatikan kemampuan arus ID maksimum agar tidak terlampaui. Besarnya arus maksimum dari setiap D-MOSFET dapat dilihat pada buku data. Kurva karakteristik output dan kurva transfer D-MOSFET kanal-n dapat dilihat pada Gambar 42. Terlihat bahwa D-MOSFET ini dapat bekerja baik pada mode pengosongan (saat VGS negatip) maupun pada mode peningkatan (VGS positip). Oleh karena itu D-MOSFET ini sering juga disebut dengan DE-MOSFET (depletion-enhancement MOSFET). Persamaan Shockley (persamaan 1.1) juga masih berlaku pada D- MOSFET ini baik pada mode pengosongan maupun pada mode peningkatan.

37 Bab IV TRANSISTOR EFEK MEDAN 33/90 Konstruksi dan prinsip kerja D-MOSFET kanal-p adalah kebalikan dari D-MOSFET kanal-n yang sudah dijelaskan di depan. Demikian juga polaritas tegangan VGS, VDS, dan arus ID juga berlawanan dengan yang ada pada D-MOSFET kanal-n. Simbol D-MOSFET kanal-n dan kanal-p adalah seperti ditunjukkan berturut-turut pada Gambar 39a dan Gambar 39b. Bila terminal SS tidak terhubung di dalam, maka D-MOSFET menjadi komponen empat terminal. Berbeda dengan simbol JFET yang tanda panahnya pada gate, untuk gate D-MOSFET tidak ada panahnya karena gate dengan kanal bukanlah P-N junction. Gambar 39 Simbol D-MOSFET (a) kanal-n dan (b) kanal-p IV.5. Konstruksi dan Karakteristik E-MOSFET MOSFET tipe peningkatan atau E-MOSFET (Enhancement-metal-oxide semiconductor FET) terdiri atas kanal-n dan kanal-p. Pembahasan akan dilakukan hanya untuk E-MOSFET kanal-n saja, karena pada dasarnya kanal-n dan kanal-p hanya berbeda polaritas. Gambar 40 menunjukkan konstruksi E-MOSFET kanal-n. Seperti halnya pada D-MOSFET, E-MOSFET ini juga dibuat di atas bahan dasar silikon tipe-p yang disebut dengan substrat. Pada umumnya substrat P ini dihubungkan ke terminal SS melalui kontak metal. Terminal SS pada beberapa MOSFET terhubung langsungdi dalam komponen, sehingga yang keluar tinggal tiga terminal saja, yakni Source (S), Drain (D) dan Gate (D).

38 Bab IV TRANSISTOR EFEK MEDAN 34/90 Gambar 40 Konstruksi E-MOSFET kanal-n Source (S) dan drain (D) masing-masing dibuat dengan menumbuhkan doping bahan-n dari substrat-p, sehingga dapat dihubungkan keluar menjadi terminal S untuk Source dan D untuk drain melalui kontak metal. Sedangkan terminal G (gate) dibuat melalui kontak metal yang diletakkan ditengah-tengah antara Source dan Drain. Antara gate dan substrat P terdapat silikon dioksida (SiO2) yang berfungsi sebagai isolasi (dielektrikum). Hal demikian ini sama seperti pada D-MOSFET. Impedansi input E-MOSFET juga sangat tinggi. Perbedaan utama antara keduanya adalah bahwa pada D-MOSFET terdapat kanal yang menghubungkan S dan D, sedangkan pada E-MOSFET tidak terdapat kanal tersebut. Dengan demikian aliran elektron dari source yang akan menuju drain harus melalui substrat-p. Pembahasan prinsip kerja E-MOSFET kanal-n dimulai dengan memberikan tegangan VGS = 0 Volt dan VDS positip. Pemberian tegangan VGS = 0 adalah dengan cara menghubung-singkatkan terminal Gate (G) dan Source (S). Perhatikan Gambar 41. Gambar 41 E-MOSFET kanal-n dengan VGS = 0 dan VDS positip Oleh karena antara S dan D tidak ada kanal-n (yang mempunyai banyak elektron bebas), maka meskipun VDS diberi tegangan positip yang cukup besar, arus ID tetap tidak mengalir atau ID = 0. Antara source

39 Bab IV TRANSISTOR EFEK MEDAN 35/90 dan drain adalah bahan tipe-p dimana elektron adalah sebagai pembawa minoritas, sehingga saat VGS = 0 dan VDS positip yang mengalir adalah arus bocor saja. Disinilah perbedaannya dengan D-MOSFET yang mengalirkan arus ID pada saat VGS = 0 dan VDS positip. Apabila VGS dinaikan kearah positip, maka muatan positip pada gate ini akan menolak hole dari substrat-p menjauhi perbatasannya dengan SiO2. Dengan demikian daerah substrat-p yang berdekatan dengan gate akan kekurangan pembawa mayoritas hole. Sebaliknya elektron dari substrat-p akan tertarik oleh muatan positip gate dan mendekati perbatasan substrat dengan SiO2. Perlu diingat bahwa elektron tidak bisa masuk ke gate karena substrat dan gate ada pembatas SiO2, sehingga IG tetap sama dengan nol. Bila tegangan VGS dinaikan terus hingga jumlah elektron yang berada di dekat perbatasan dengan SiO2 cukup banyak untuk menghasilkan arus ID saat VDS positip, maka VGS ini disebut dengan tegangan threshold (VT). Pada beberapa buku data VT ini disebut juga VGS(th). Setelah mencapai tegangan VT ini, maka dengan memperbesar harga VGS, arus ID semakin besar. Hal ini karena semakin besar VGS berarti jumlah elektron yangtersedia antara source dan drain semakin banyak. Kurva tranfer dan karakteristik E- MOSFET kanal-n dapat dilihat pada Gambar 42. Istilah peningkatan (enhancement) dalam E-MOSFET ini menunjuk pada fenomena bahwa saat VGS masih nol, arus ID tidak ada karena tidak terdapat elektron antara source dan drain. Kemudian apabila VGS dibuat positip hingga melebihi VT, maka terjadi peningkatan jumlah elektron antara source dan drain yang berakibat meningkatnya arus ID bila tegangan VDS positip diperbesar. Pada saat VGS > VT, apabila VDS masih kecil arus ID naik dengan cepat, namun bila VDS dinaikkan terus hingga mencapai VDSsat, maka arus ID akan konstan. Hal ini karena dengan memperbesar VDS sementara VGS tetap, maka tegangan relatif antara G dan D makin kecil sehingga mengurangi daya tarik elektron pada sisi D-G. Akibatnya arus ID akan jenuh dan kenaikan VDS lebih jauh tidak akan memperbesar arus ID. Harga VDS ini disebut dengan VDSsat (atau VDS saturasi). Dengan melihat kurva karakteristik E-MOSFET ternyata terdapat hubungan antara VDSsat dengan VGS. Hubungan tersebut adalah dengan semakin tingginya harga VGS, VDSsat makin tinggi juga. Pada saat VGS = VT yang mana arus ID mulai mengalir dengan cukup berarti, maka VDSsat = 0. Hal ini karena arus ID sudah mengalami kejenuhan sejak VDS dinaikkan.

40 Bab IV TRANSISTOR EFEK MEDAN 36/90 Gambar 42 Kurva karakteristik transfer dan output E-MOSFET kanal-n Hubungan antara arus ID dengan VGS tidak lagi mengikuti persamaan Shockley sebagaimana pada JFET dan D-MOSFET, akan tetapi mengikuti persamaan 1.2. Persamaan ini berlaku untuk VGS > VT. dimana: k adalah tetapan (konstanta) sebagai fungsi dari konstruksi komponen. Namun demikian dengan menurunkannya dari persamaan 1.2 tersebut bisa diperoleh harga k untuk suatu titik dalam kurva harga ID(on) dan VGS(on) tertentu, yaitu: Konstruksi dan prinsip kerja E-MOSFET kanal-p adalah kebalikan dari E-MOSFET kanal-n yang sudah dijelaskan di depan. Demikian juga polaritas tegangan VGS, VDS, dan arus ID juga berlawanan dengan yang ada pada E-MOSFET kanal-n. Simbol E-MOSFET kanal-n dan kanal-p adalah seperti ditunjukkan berturut-turut pada Gambar 43a dan Gambar 43b. Bila terminal SS tidak terhubung di dalam, maka E-MOSFET menjadi komponen empat terminal. Berbeda dengan simbol JFET yang tanda panahnya pada gate, untuk gate E-MOSFET tidak ada panahnya karena gate dengan kanal bukanlah P-N junction.

41 Bab IV TRANSISTOR EFEK MEDAN 37/90 Gambar 43 Simbol D-MOSFET (a) kanal-n dan (b) kanal-p Adanya lapisan SiO2 antara gate dan kanal dalam MOSFET menyebabkan impendansi input sangat tinggi. Akan tetapi karena lapisan SiO2 ini sangat tipis, maka perlu kehati-hatian dalam menangani MOSFET ini. Muatan statis yang ada pada tangan manusia dikawatirkan bisa menyebabkan lapisan Si02 tembus, sehingga MOSFET akan rusak. Oleh karena itu biasanya pabrik sudah memberikan cincin penghubung singkat ujung-ujung kaki MOSFET. Dengan demikian akan dapat menghindari terjadinya beda potensial atau muatan yang tidak disengaja pada terminal MOSFET. Beberapa keluarga FET yang belum dibahas pada bab ini adalah VMOS dan CMOS. VMOS merupakan jenis MOSFET yang dirancang khusus untuk pemakaian pada daya tinggi. Sedangkan CMOS dibentuk dengan menghubungkan secara complementer antara E-MOSFET kanal P dan E-MOSFET kanal-n. CMOS banyak dipakai pada rangkaian terpadu untuk digital, karena kecepatan kerja yang tinggi, daya rendah, mudah dibuat dan impedansi input tinggi.

42 Bab V Bias DC FET 38/90 BAB V BIAS DC FET V.1. Pendahuluan Rangkaian penguat dengan menggunakan FET, seperti juga transistor bipolar, selalu diberikan tegangan bias agar dapat bekerja sebagai penguat. Tegangan bias untuk FET dapat diberikan dengan berbagai cara. Diantara yang paling banyak digunakan untuk rangkaian penguat FET adalah self-bias. Pemberian tegangan bias yang tepat akan menjamin FET dapat bekerja pada daerah yang aktif. Beberapa metode pemberian bias termasuk menentukan titik kerja FET akan dibahas pada bab ini. Kemudian dilanjutkan dengan analisis rangkaian penguat FET guna menentukan beberapa parameter penguat seperti penguatan tegangan (Av), penguatan arus (Ai) dan sebagainya. Disamping analisis rangkaian, juga dikenalkan metode perancangan suatu penguat dengan FET. V.2. Bias Tetap Metode pemberian tegangan bias yang paling sederhana adalah bias tetap (fixed-bias). Gambar 44 menunjukkan rangkaian penguat JFET kanal-n dengan bias tetap. Untuk JFET kanal-p, semua polaritas tegangan harus dibalik. Rangkaian bias tetap ini menggunakan dua buah sumber daya VGG dan VDD. Tegangan VGS sepenuhnya tergantung pada sumber VGG yang harganya tetap, sehingga tegangan VGS juga tetap. Untuk analisis dc, kapasitor kopel C1 dan C2 dianggap terbuka. Gambar 44 Rangkaian penguat FET dengan bias tetap Sebagaimana telah dibahas pada bab sebelumnya bahwa arus IG = 0, maka dengan hukum Ohm diperoleh: VRG = IG.RG = (0)(RG) = 0 Volt Terlihat bahwa turun tegangan VGG pada RG tidak ada atau nol, sehingga semua tegangan VGG masuk pada G-S. Secara matematis besarnya tegangan VGS dapat diturunkan: VGG - VGS = 0

43 Bab V Bias DC FET 39/90 Dengan menggunakan persamaan Shockley dapat diperoleh harga arus ID. Oleh karena VGS tetap, maka arus ID juga tetap. Titik kerja JFET VGSQ dan IDQ pada kurva transfer dapat dilihat pada Gambar 45. Gambar 45 Titik kerja JFET pada kurva transfer Tegangan VDS dapat ditentukan dengan menerapkan hukum Kirchhoff pada ikal output, yaitu: Contoh 2.1 Diketahui rangkaian JFET seperti Gambar 46 dengan data IDSS = 10 ma dan Vp = - 8 Volt, tentukan: a. VGSQ b. IDQ c. VDSQ

44 Bab V Bias DC FET 40/90 Gambar 46 Penguat FET bias tetap untuk contoh 2.1 Penyelesaian: Titik kerja JFET tersebut adalah: VGSQ = - 2 Volt IDQ = 5,625 ma VDS = 4,75 Volt

45 Bab V V.3. Bias Sendiri (Self-bias) Bias DC FET 41/90 Metode self bias atau bias sendiri mengatasi dua buah sumber daya pada bias tetap, yakni hanya dengan menggunakan sebuah catu daya. Tegangan VGS pada bias sendiri ini ditentukan oleh besarnya RS pada kaki source. Rangkaian penguat JFET kanal-n dengan bias sendiri terlihat pada Gambar 47.. Gambar 47 Rangkaian penguat FET dengan self-bias Dalam analisis dc semua kapasitor dianggap rangkaian terbuka. Disamping itu perlu untuk diketahui bahwa harga tegangan dengan subskrip tunggal (misalnya: VG) adalah harga tegangan pada titik subskrip tersebut terhadap ground (tanah). VG berarti tegangan antara titik G dengan ground. Untuk harga tegangan dengan subskrip ganda (misalnya: VGS) adalah harga tegangan antara dua titik pada subskrip tersebut. VGS berarti harga tegangan antara titik G dan titik S. Beberapa asumsi yang selalu berlaku pada FET (baik JFET maupun MOSFET) untuk analisis dc adalah bahwa IG = 0 dan ID = IS. Selanjutnya dengan menerapkan hukum Kirchhoff pada ikal input, diperoleh: G = VGS + VS IG.RG = VGS + ID.RS 0 = VGS + ID.RS - ID.RS = VGs Dari persamaan 2.4 tersebut terlihat bahwa tegangan VGS semata-mata ditentukan oleh arus ID dan resistor RS. Akan tetapi persamaan 2.4 tersebut masih belum bisa diselesaikan karena VGS dan ID belum diketahui. Oleh karena itu perlu memperhatikan persamaan lain yang mengandung VGS dan ID, yaitu persamaan Shockley

46 Bab V Bias DC FET 42/90 Dengan memasukkan harga ID dari persamaan Shockley ini kedalam persamaan 2.4, maka harga VGS dapat dicari secara matematis, yaitu: Sehingga diperoleh : Akhirnya diperoleh persamaan kuadrat:

47 Bab V Bias DC FET 43/90 Persamaan 2.5 ini dapat diselesaikan dengan rumus ABC (istilah dalam matematis untuk menyelesaikan persamaan kuadrat), yaitu: Dengan menggunakan rumus ABC ini akan diperoleh dua buah harga VGS, namun diantara dua tersebut hanya satu VGS yang memenuhi syarat. Syarat VGS adalah: Harga VGS harus bernilai antara 0 sampai Vp. Disamping itu harga (B2-4AC) dalam rumus ABC tersebut harus bernilai positif. Apabila bernilai negatif berarti tidak ada penyelesaian. Setelah harga VGS diperoleh maka dengan menasukkan VGS ke persamaan 2.4 akan dapat ditentukan nilai arus ID, yaitu: Tegangan VDS dapat diperoleh dengan menerapkan hukum Kirchhoff pada ikal output, yaitu: VDD = VDS + ID RD + ID RS VDD = VDS + ID (RD + RS) Dengan demikian dapat ditentukan titik kerja penguat FET, yaitu: VGSQ, IDQ, dan VDSQ. Contoh 2.2 Suatu rangkaian penguat JFET dengan self-bias seperti pada Gambar 48. Diketahui data JFET adalah sebagai berikut: IDSS = 8 ma dan Vp = - 6 Volt. Tentukan:

48 Bab V Bias DC FET 44/90 a. VGSQ b. IDQ c. VDSQ Gambar 48 Rangkaian penguat JFET untuk contoh 2.2 Penyelesaian: a. Menentukan VGSQ dengan persamaan 2.5. dengan menggunakan rumus ABC dapat diperoleh VGS1 = - 2,587 Volt dan VGS2 = - 13,9 Volt Diantara dua harga VGS tersebut yang memenuhi syarat sebagai VGSQ adalah VGS1 = - 2,587 Volt karena terletak antara nilai 0 hingga Vp = - 6 Volt. b. Harga VGSQ = -2,587 Volt dimasukkan ke persamaan 2.6 diperoleh:

49 Bab V Bias DC FET 45/90 c. Dengan persamaan 2.7 diperoleh harga VDS, yaitu: VDS = VDD - ID (RD + RS) VDS = 20 - (2,587m) (3,3K + 1K) = 8,87 Volt Penentuan titik kerja VGSQ secara matematis seperti yang dibahas di atas membutuhkan waktu yang cukup banyak apabila dilakukan secara manual. Hal ini karena persamaan 2.5 cukup panjang dan juga harus diselesaikan dengan rumus ABC. Oleh karena itu perhitungan akan jauh lebih cepat apabila persamaan tersebut dibuat program misalnya dengan bahasa BASIC. Contoh program dengan menggunakan bahasa BASIC untuk menyelesaikan persamaan tersebut adalah sebagai berikut: 100 CLS 110 PRINT : PRINT "======= ANALISA PEMBIASAN FET =======": PRINT 140 PRINT "Masukkan data berikut:" 160 INPUT "R1 (gunakan 1E30 jika terbuka) ="; R1 170 INPUT "R2 ="; R2 180 INPUT " RS ="; RS 190 INPUT " RD ="; RD 210 INPUT " POWER SUPPLY, VDD ="; DD 240 INPUT " TEGANGAN PINCH-OFF, VP ="; VP 250 INPUT " ARUS SATURASI, IDSS ="; SS 280 GOSUB PRINT : PRINT : PRINT "Hasil Perhitungan:" 290 PRINT " ARUS ID ="; ID * 1000; "ma" 310 PRINT " VGS ="; GS; "Volt" 320 PRINT " VD ="; VD; "Volt" 330 PRINT " VS ="; VS; "Volt" 340 PRINT " VDS ="; DS; "Volt" 342 PRINT "VGS1 ="; V1; "Volt" 444 PRINT "VGS2 ="; V2; "Volt" 350 END

50 Bab V GG = (R2 / (R1 + R2)) * DD A = SS * RS / VP ^ B = 1-2 * SS * RS / VP C = SS * RS - GG D = B ^ 2-4 * A * C Bias DC FET 46/ IF D < 0 THEN PRINT : PRINT : PRINT " === TIDAK ADA PENYELESAIAN!!! ===": END V1 = (-B + SQR(D)) / (2 * A) V2 = (-B - SQR(D)) / (2 * A) IF ABS(V1) > ABS(VP) THEN GS = V IF ABS(V2) > ABS(VP) THEN GS = V ID = SS * (1 - GS / VP) ^ VS = ID * RS VG = GG VD = DD - ID * RD DS = VD - VS RETURN Setelah program ini dijalankan dan data pada contoh 2.2 dimasukkan, maka tampilan output nya adalah sebagai berikut: ==========ANALISA PEMBIASAN FET =========== Masukkan data berikut: R1 (gunakan 1E30 jika terbuka)=? 1E30 R2 =? 1E6 RS =? 1E3 RD =? 3.3E3 POWER SUPPLY, VDD =? 20 TEGANGAN PINCH-OFF, VP =? -6 ARUS SATURASI, IDSS =? 8E-3 Hasil Perhitungan:

51 Bab V ARUS ID = ma VGS = VOLT VD = VOLT VS = VOLT VDS = VOLT VGS1 = VOLT VGS2 = VOLT V.4. Bias Pembagi Tegangan Bias DC FET 47/90 Bias pembagi tegangan seperti yang diterapkan pada transistor bipolar juga bisa diterapkan pada FET. Penerapan rangkaian pada kedua komponen tersebut tidak berbeda, namun analisis dc-nya berbeda sekali. Rangkaian penguat FET dengan bias pembagi tegangan tampak pada Gambar 49. Gambar 49 Rangkaian penguat FET dengan bias pembagi tegangan Oleh karena IG = 0, maka rangkaian pembagi tegangan yang diwujudkan oleh R1 dan R2 tidak akan terbebani oleh FET. Dengan demikian tegangan pada G (gate) adalah sama dengan turun tegangan pada R2, yaitu: Dengan menerapkan hukum Kirchhoff pada ikal input diperoleh: VG = VGS + VS VG = VGS + ID.RS

52 Bab V Bias DC FET 48/90 Harga VGS disamping ditentukan oleh ID dan RS juga dipengaruhi oleh VG yakni besaran yang terdiri atas R1, R2, dan VDD. Pada bias tetap tegangan VGS hanya ditentukan oleh ID dan RS. Pada persamaan 2.9 tersebut terdapat dua besaran yang belum diketahui yaitu ID dan VGS. Oleh karena itu perlu sebuah persamaan yang juga mengandung dua besaran yang belum diketahui tersebut, yakni persamaan Shockley: Apabila harga ID pada persamaan Shockley ini dimasukkan ke persamaan 2.9, maka diperoleh: VGS = VG - ID.RS diselesaikan dengan formula matematis: (a - b) 2 = (a 2 + b 2-2ab) sehingga diperoleh: VGS = VG - IDSS RS {1+(VGS 2 /Vp 2 ) - 2(VGS/Vp)} VGS = VG - IDSS RS - IDSS RS(VGS2/Vp2) + 2IDSS RS(VGS/Vp) akhirnya diperoleh persamaan kuadrat:

53 Bab V Bias DC FET 49/90 Persamaan 2.10 ini dapat diselesaikan dengan rumus ABC (istilah dalam matematis untuk menyelesaikan persamaan kuadrat), yaitu: Dengan menggunakan rumus ABC ini akan diperoleh dua buah harga VGS, namun diantara dua tersebut hanya satu VGS yang memenuhi syarat. Syarat VGS adalah: Harga VGS harus bernilai antara 0 sampai Vp. Disamping itu harga (B2-4AC) dalam rumus ABC tersebut harus bernilai positip. Apabila bernilai negatip berarti tidak ada penyelesaian. Setelah harga VGS diperoleh maka dengan menasukkan VGS ke persamaan 2.9 akan dapat ditentukan nilai arus ID, yaitu: Tegangan VDS dapat diperoleh dengan menerapkan hukum Kirchhoff pada ikal output, yaitu: VDD = VDS + ID RD + ID RS VDD = VDS + ID (RD + RS) Dengan demikian dapat ditentukan titik kerja penguat FET, yaitu: VGSQ, IDQ, dan VDSQ. Contoh 2.3 Suatu rangkaian penguat JFET dengan bias pembagi tegangan ditunjukkan pada Gambar 50. Diketahui data JFET adalah: IDSS = 8mA dan Vp = - 4 Volt.

54 Bab V Bias DC FET 50/90 Tentukan: a. VGSQ b. IDQ c. VDSQ Gambar 50 Rangkaian penguat FET bias pembagi tegangan untuk contoh 2.3 Penyelesaian: a. Menentukan VGSQ dengan persamaan 2.10 dengan terlebih dahulu menghitung VG dengan persamaan 2.8

55 Bab V Bias DC FET 51/90 dengan menggunakan rumus ABC dapat diperoleh VGS1 = - 1,8 Volt dan VGS2 = - 7,53 Volt Diantara dua harga VGS tersebut yang memenuhi syarat sebagai VGSQ adalah VGS1 = -1,8 Volt karena terletak antara nilai 0 hingga Vp = - 4 Volt. b. Harga VGSQ = - 1,8 Volt dimasukkan ke persamaan 2.11 diperoleh: c. Dengan persamaan 2.12 diperoleh harga VDS, yaitu: VDS = VDD - ID (RD + RS) VDS = 16 - (2,41m) (2,4K + 1,5K) = 6,6 Volt Untuk mempermudah analisis titik kerja pada rangkaian bias pembagi tegangan ini dapat juga dipakai pemrograman yang sudah dibahas pada bias sendiri. Pemrograman tersebut dapat dipakai untuk kedua metode bias ini. Untuk bias sendiri, karena R1 tidak ada maka harga tersebut ditulis 1E30, dan yang dimaksud R2 adalah RG. Pemberian tegangan bias untuk D-MOSFET pada dasarnya sama seperti untuk JFET. Demikian juga analisis titik kerjanya. Satu hal yang berbeda diantara keduanya adalah bahwa pada D-MOSFET dimungkinkan pemberian tegangan VGS positip.

56 BAB VI PENGUAT FET 52/90 BAB VI PENGUAT FET VI.1. Pendahuluan Rangkaian penguat dengan menggunakan FET, seperti juga transistor bipolar, selalu diberikan tegangan bias agar dapat bekerja sebagai penguat. Tegangan bias untuk FET dapat diberikan dengan berbagai cara. Diantara yang paling banyak digunakan untuk rangkaian penguat FET adalah self-bias. Pemberian tegangan bias yang tepat akan menjamin FET dapat bekerja pada daerah yang aktif. Beberapa metode pemberian bias termasuk menentukan titik kerja FET akan dibahas pada bab ini. Kemudian dilanjutkan dengan analisis rangkaian penguat FET guna menentukan beberapa parameter penguat seperti penguatan tegangan (Av), penguatan arus (Ai) dan sebagainya. Disamping analisis rangkaian, juga dikenalkan metode perancangan suatu penguat dengan FET. VI.2. Model sinyal kecil FET FET dapat digunakan sebagai penguat sinyal kecil dengan impedansi input yang sangat tinggi. Untuk melalukan analisis ac pada rangkaian penguat FET diperlukan rangkaian ekivalen atau modelnya. Dengan analisis ini dapat diperoleh beberapa parameter penguat seperti: Av, Ai, Zi, dan Zo. Rangkaian ekivalen ac (model ac) suatu JFET adalah seperti pada Gambar 51. Gambar 51 Rangkaian ekivalen ac JFET Pada rangkaian ekivalen ac JFET terlihat bahwa bagian input merupakan rangkaian terbuka yang menunjukkan bahwa input JFET mempunyai impendasi yang sangat tinggi. Bagian output JFET terdiri atas sumber arus yang tergantung pada nilai gm dan vgs dan diparalel dengan rd s. Parameter FET yang penting adalah transkonduktansi atau gm. Parameter gm merupakan perbandingan antara perbahan arus ID dan perubahan tegangan VGS disekitar titik kerja dengan VDS konstan. Nilai g m dapat diperoleh dari kurva transfer, sehingga kurva transfer ini sering juga disebut dengan kurva transkonduktansi.

57 BAB VI PENGUAT FET 53/90 Gambar 52 Kurva transfer untuk menentukan transkonduktansi Harga g m tergantung dari posisi titik kerja Q, karena kurva transkonduktansi tidak linier. Harga g m terkecil diperoleh apabila VGS = Vp atau pada saat JFET cut-off. Sedangkan harga g m terbesar diperoleh saat VGS = 0, yakni pada saat arus ID sama dengan IDSS. Harga gm pada saat VGS = 0 ini disebut dengan g m0. Secara matematis harga gm dapat diperoleh dengan menurunkan persamaan transfer atau persamaan Shockley: sehingga didapatkan:

58 BAB VI PENGUAT FET 54/90 Atau Dimana : Persamaan 3.1, 3.2 dan 3.3 berlaku untuk JFET dan D-MOSFET baik kanal P maupun kanal N. Sedangkan untuk E-MOSFET karena persamaan transfernya berbeda dengan kedua keluarga FET tersebut, maka harga gmnya juga berbeda. Harga g m untuk E-MOSFET diturunkan dari persamaan transfernya (persamaan 1.2): Persamaan 3.4 tersebut berlaku untuk E-MOSFET baik untuk kanal N maupun kanal P.

59 BAB VI PENGUAT FET 55/90 Dari rangkaian ekivalen ac JFET Gambar 51, selain parameter gm yang merupakan parameter penting lainnya adalah parameter rds. Parameter rds merupakan resistansi output FET yang nilai tipikalnya berkisar antara 40 KΩ hingga 100 KΩ, sehingga dalam berbagai analisis praktek parameter ini sering diabaikan. Apabila parameter rds diabaikan, maka resistor tersebut dianggap terbuka atau tak terhingga. Gambar 53 Kurva karakteristik JFET untuk menentukan parameter rds Parameter rds dapat diperoleh dari kurva karakteristik output suatu FET. Gambar 53 menunjukkan cara mendapatkan parameter rds dari kurva output FET. Untuk memperoleh harga rds yang akurat secara grafis, diperlukan kurva output JFET dengan skala yang teliti. Sulitnya mendapatkan parameter rds secara grafis karena kurva output terlihat mendatar. Akan tetapi pada umumnya harga rds sudah diketahui dari buku data yang dikeluarkan pabrik. Pabrik umumnya mengeluarkan spesifikasi parameter r ds dalam istilah y os. Parameter y os ini disebut dengan admitansi output yaitu kebalikan dari resistansi output. dimana: Contoh 3.4 r ds dalam satuan Ohm (Ω) y os dalam satuan Siemens (S) Hitunglah harga gm untuk JFET yang mempunyai data IDSS = 8 ma dan Vp = - 4 Volt pada titik kerja VGSQ =:

60 BAB VI PENGUAT FET 56/90 a) Volt b) Volt c) Volt Penyelesaian: Menentukan gm pada saat VGS = 0 yaitu g m0 dengan persamaan 3.3: a) Pada VGSQ = - 0,5 Volt: b) Pada VGSQ = - 1,5 Volt: c) Pada VGSQ = - 2,5 Volt: Harga g m terbesar diperoleh pada saat VGS = 0, kemudian apabila VGS dibuat semakin negatip maka harga g m semakin kecil. VI.3. Analisis Penguat CS Seperti halnya pada penguat transistor bipolar, penguat FET juga dapat dirangkai dalam beberapa konfigurasi. Konfigurasi penguat JFET dengan source sebagai terminal bersama disebut dengan penguat Common Source (CS). Rangkaian penguat CS dapat dilihat pada Gambar 54. Untuk menganalisa parameter penguat seperti Av, Zi, dan Zo, rangkaian penguat tersebut perlu diubah menjadi rangkaian ekivalen ac. Gambar 55a merupakan rangkaian ekivalen ac dari Gambar 54.

61 BAB VI PENGUAT FET 57/90 Gambar 54 Rangkaian penguat CS Gambar 55 Rangkaian ekivalen ac penguat CS Pembuatan rangkaian ekivalen ac tersebut didasarkan atas asumsi bahwa pada kondisi ac semua kapasitor termasuk kapasitor kopling (C1 dan C2) dan by-pass (CS) dianggaphubung singkat. Dengan demikian RS seolah-olah tidak ada karena telah dihubung singkat oleh CS. Pada rangkaian ekivalen ac terminal source langsung terhubung ke ground. Sumber tegangan VDD juga dianggap hubung singkat ke ground. Analisis pertama adalah menentukan penguatan tegangan (Av). Dengan menerapkan hukum Kirchhoff pada ikal output dapat diperoleh Av sebagai berikut: Apabila harga rds diabaikan (atau tidak diketahui) yang disebabkan karena rds >> RD, maka persamaan 3.6 tersebut menjadi:

62 BAB VI PENGUAT FET 58/90 Tanda negatip pada kedua persamaan tersebut menunjukkan bahwa antara sinyal output dan input berbeda fasa 180 o atau berlawanan fasa. Impedansi input (Zi) dari rangkaian tersebut adalah: Sebenarnya impedansi rangkaian penguat tersebut (Zi) adalah paralel antara RG dengan impedansi input FET. Akan tetapi karena impedansi input FET sangat tinggi ( 10 9 Ω harga tipikal untuk JFET dan hingga Ω harga tipikal untuk MOSFET), maka praktis yang menentukan impedansi input rangkaian adalah RG. Impedansi output (Zo) dari JFET adalah: Zo(FET) = rds Sedangkan impedansi input dari rangkaian adalah paralel antara rds dengan RD. Apabila harga rds diabaikan atau tidak diketahui, maka besarnya Zo tersebut hanya ditentukan oleh RD, yaitu: Zo = RD Contoh 3.5 Suatu rangkaian penguat CS seperti pada Gambar 56 mempunyai data JFET sebagai berikut: yos = 40 µs, IDSS = 8 ma, dan VGS(off) = -4 Volt. Tentukanlah: a. Titik kerja: VGSQ dan IDQ b. Penguatan tegangan (Av) c. Impedansi input (Zi) d. Impedansi output(zo)

63 BAB VI PENGUAT FET 59/90 Gambar 56 Rangkaian penguat JFET untuk contoh 7.5 Penyelesaian: a. Dengan menggunakan persamaan 3.5 dan 3.6 diperoleh titik kerja: VGSQ = - 1,8 Volt IDQ = 2,4 ma b. Penguatan tegangan ditentukan dengan persamaan 3.6, namun perlu dicari dulu gm0, gm, dan rds dari data JFET yang ada. Menentukan gm0 dengan persamaan 3.3: Menentukan gm0 dengan persamaan 3.1: Menentukan gm0 dengan persamaan 3.5: Menentukan gm0 dengan persamaan 3.6: c. Impedansi input (Zi) Zi = RG = 10 MΩ d. Impedansi output (Zo) Zo = rds RD = 2,2K 25K = 2.02 KΩ

64 BAB VI PENGUAT FET 60/90 VI.4. Penguat CS dengan RS Rangkaian penguat Common-Source (CS) berarti bahwa kapasitor by-pass yang memparalel RS dilepas, sehingga terdapat turun tegangan ac pada resistor RS. Hal ini akan memperkecil penguatan tegangan (Av) rangkaian penguat tersebut. Rangkaian penguat CS dengan RS dapat dilihat pada Gambar 57. Pada pembahasan penguat CS dengan RS ini terdapat perbedaan analisis antara rds diabaikan dan rds diperhitungkan. Tidak seperti pada penguat CS dengan C by-pass yang lalu yang hanya memparalel antara rds dengan RD. Oleh karena itu pembahasan pertama akan dilakukan dengan menganggap rds tidak ada atau rds diabaikan. Rangkaian ekivalen ac dari penguat CS dengan RS adalah seperti pada Gambar 58. Gambar 57 Rangkaian penguat CS dengan RS Gambar 58 Rangkaian ekivalen ac penguat CS dengan RS Pada rangkaian ekivalen ac tampak bahwa rds tidak ada, hal ini disebabkan karena rds diabaikan atau dianggap terbuka. Sedangkan RS terlihat terhubung antara S dan ground, hal ini disebabkan karena C bypass (CS) yang memparalel RS telah dilepas. Dengan memperhatikan rangkaian ekivalen ac tersebut, maka penguatan tegangan (Av) dapat diperoleh sebagai berikut: Av =vo/vi harga vi dapat diperoleh dari rangkaian ekivalen, yaitu:

65 BAB VI PENGUAT FET 61/90 vi = vgs + vs vi = vgs + (gm vgs)(rs) vi = vgs (1 + gm RS) Apabila harga vi ini dimasukkan ke persamaan Av, maka diperoleh: Av =vo/vi dengan meniadakan harga vgs pada pembilang dan penyebut, maka akhirnya diperoleh: Impedansi input (Zi) dan output (Zo) dari rangkaian penguat CS dengan RS ini sama seperti persamaan 3.8, yakni untuk penguat CS dengan CS (tanpa RS). Zi = RG Zo = RD Contoh 3.6 Diketahui rangkaian penguat CS seperti pada Gambar 59, dimana data D-MOSFET yang digunakan adalah: IDSS = 10 ma, dan Vp = Volt. Tentukan penguatan tegangan (Av) rangkaian tersebut. Gambar 59 Rangkaian penguat CS dengan RS untuk contoh 3.6

66 BAB VI PENGUAT FET 62/90 Penyelesaian: Menentukan titik kerja VGSQ dan IDQ dengan persamaan 3.5 dan 3.6, diperoleh: VGSQ = Volt IDQ = 2.3 ma Menentukan gm0 dengan persamaan 3.3: Menentukan gm dengan persamaan 3.1: Menentukan Av dengan persamaan 3.10: Pembahasan di atas didasarkan atas anggapan bahwa rds diabaikan karena nilainya relatif sangat besar dibanding RD maupun RS atau karena alasan datanya tidak diketahui. Namun untuk perhitungan yang lebih teliti, maka rds perlu dimasukkan dalam analisis. Pembahasan berikut ini dengan anggapan bahwa rds diketahui. Gambar 60 merupakan rangkaian ekivalen ac penguat CS dengan RS dimana harga rds diperhitungkan. Gambar 60 Rangkaian ekivalen ac penguat CS dengan RS Dari gambar rangkaian ekivalen tersebut dapat dilihat bahwa arus yang mengalir pada rds sesuai hukum Ohm adalah:

67 BAB VI PENGUAT FET 63/90 Arus yang mengalir melewati RS maupun RD disebut dengan arus Io, sehingga: Vo = - Io RD dan Vs = Io RS Dengan demikian Irds dapat dinyatakan: Arus Io sebenarnya merupakan jumlah arus dari sumber arus g m v gs dan arus dari Irds, yaitu: Io = g m.v gs +Irds apabila harga arus Irds dimasukkan, maka diperoleh: Dari rangkaian ekivalen diperoleh juga: Vi = Vgs + Vs Vi = Vgs + Io RS Vgs = Vi - Io RS harga vgs ini selanjutnya dimasukkan ke persamaan Io, yaitu:

68 BAB VI PENGUAT FET 64/90 akhirnya diperoleh: Dengan demikian Vo adalah: Vo = - Io RD Oleh karena penguatan tegangan Av adalah: Av = Vo/Vi maka: Persamaan 3.11 terlihat panjang karena adanya rds dalam pembahasan. Apabila dikembalikan ke depan yaitu bila dalam persamaan 3.11 tersebut harga rds dibuat tak terhingga, maka persamaan 3.11 menjadi persamaan Persamaan 3.10 adalah persamaan Av dimana rds tidak ada. Selanjutnya apabila dalam persamaan 3.11 tersebut harga rds dibuattak terhingga dan RS adalah nol, maka persamaan 3.11 menjadi persamaan 3.3. Persamaan 3.7 ini adalah persamaan Av tanpa rds dan RS hubung singkat. Impedansi input untuk rangkaian ekivalen Gambar 60 adalah: Zi = RG Sedangkan impedansi output (Zo)nya adalah jumlah paralel antara rds + RS dengan RD, yaitu:

69 BAB VI PENGUAT FET 65/90 Contoh 3.7 Perhatikan Gambar 61 pada contoh 3.6. Diketahui yos = 25 µs sebagai data tambahan untuk rangkaian tersebut. Hitunglah Av sekarang. Penyelesaian: Menentukan rds dengan persamaan 3.5 Dari contoh 3.6 tersebut diperoleh gm = 2,77 ms, sehingga bisa langsung dihitung Av nya dengan persamaan Pada contoh 3.6 dengan mengabaikan rds diperoleh Av = - 1,35, dan pada contoh 3.7 dengan memperhitungkan rds diperoleh Av = -1,3. Secara praktis perbedaan ini cukup kecil, sehingga pada kebanyakan perhitungan praktis rds selalu diabaikan. VI.5. Rangkaian Pengikut Source Pada transistor bipolar terdapat konfigurasi common kolektor atau rangkaian pengikut emitor. Sebagai padanan dalam FET terdapat rangakaian pengikut source atau common drain. Seperti halnya pada transistor bipolar, ciri-ciri rangkaian pengikut source ini adalah mempunyai Av kurang dari satu, Zo rendah, dan Zi sangat tinggi. Rangkaian pengikut source dapat dilihat pada Gambar 61. Sedangkan Gambar 62 merupakan rangkaian ekivalen ac pengikut source.

70 BAB VI PENGUAT FET 66/90 Gambar 61 Rangkaian pengikut source Gambar 62 Rangkaian ekivalen ac penguat pengikut source Dari rangkaian ekivalen ac pada Gambar 61 dapat diturunkan formula untuk penguatan tegangan (Av), yaitu: Av = Vo/Vi harga Vo dapat diperoleh dari rangkaian ekivalen, yaitu: Vo = (gm vgs)(rs//rds) Oleh karena: Vi = vgs + Vo vgs = Vi - Vo

71 BAB VI PENGUAT FET 67/90 bila vgs dimasukkan ke persamaan Vo, maka: Vo = (gm)(vi - Vo)(RS//rds) Vo = (gm Vi - gm Vo)(RS//rds) Vo = gm Vi(RS//rds) - gm Vo(RS//rds) Vo + gm Vo(RS//rds) = gm Vi(RS//rds) Vo {1 + gm (RS//rds)} = gm Vi(RS//rds) Akhirnya bisa diperoleh Vo/Vi atau Av, yaitu: Apabila pembilang dan penyebut dibagi gm, maka diperoleh: Dari persamaan 3.13 tersebut terlihat bahwa harga Av selalu kurang dari satu. Semakin besar harga gm, harga Av semakin mendekati satu. Harga Av adalah positip berarti sinyal output dan input sefasa. Impedansi input (Zi) rangkaian pengikut source adalah: Zi = RG Sedangkan impedansi output (Zo) adalah: Contoh 3.7 Perhatikan rangkaian pengikut source seperti pada Gambar 63. Diketahui data JFET adalah: IDSS = 16 ma, Vp = -4 Volt, dan yos = 25 µs. Tentukan Av, Zi dan Zo.

72 BAB VI PENGUAT FET 68/90 Gambar 63 Rangkaian pengikut source Penyelesaian: Menentukan titik kerja dengan persamaan 3.5, diperoleh: VGSQ = - 2,86 Volt Menentukan gm0 dengan persamaan 3.3:

73 BAB VI Menentukan Zi: Zi = RG = 1 MΩ Menentukan Zo dengan persamaan 3.14: Zo = RS //rds//(1/gm) Zo = (2,2K)//(40K)//(1/2,28m) = 362 Ω VI.6. Penguat Gate Bersama (CG) PENGUAT FET 69/90 Konfigurasi terakhir yang dibahas sebagai penguat FET adalah penguat Gate Bersama (Common Gate = CG). Sebagaimana akan terlihat pada analisis berikut irangkaian penguat CG mempunyai impedansi input kecil, impedansi output seperti CS, dan Av seperti CS namun tidak membalikkan. Gambar 64 dan Gambar 65 berturut-turut adalah rangkaian penguat CG dan rangkaian ekivalen ac nya. Gambar 64 Rangkaian penguat CG Gambar 65 Rangkaian ekivalen ac penguat CG Dari gambar rangkaian ekivalen ac terlihat bahwa terminal G berada di bawah dan tidak terhubung baik dengan source maupun drain. Besarnya tegangan gate - source adalah: Vgs = - Vi. Penguatan tegangan Av dapat diturunkan sebagai berikut: Av = Vo/Vi harga Vo dapat diperoleh dari rangkaian ekivalen, yaitu: Vo = (- gm vgs)(rd) Vo = (- gm)(-vi)(rd) Vo = (gm Vi)(RD)