Instruksi Pengerjaan Tugas

Transkripsi

1 TUGAS #1 EL3009 ELEKTRONIKA II SOLUSI batas akhir Senin, 8 September 015, pukul 16:00 pengumpulan Laboratorium Manufaktur Elektronika PME-ITB dosen Farkhad Ihsan Hariadi (NIP ) asisten Vincentius Timothy (NIM ) topik Penguat kaskode dan cermin arus Instruksi Pengerjaan Tugas 1. Cetak lembar pertama bundel soal ini sebagai sampul pengumpulan tugas. Tulis (dengan pulpen) nama, NIM, tanda tangan, dan beri pas foto 3 cm 4 cm di tempat yang telah disediakan.. Gunakan kertas HVS berukuran A4 sebagai lembar jawaban tugas. 3. Beri border sebanyak cm pada sisi kiri, kanan, atas, dan bawah pada lembar jawaban tugas. Border boleh dicetak atau digambar tangan. Tugas harus dikerjakan di dalam border tersebut. 4. Rangkaian/grafik/diagram harus digambar dengan bantuan penggaris. Rangkaian/grafik/diagram boleh digambar dengan pensil. Persamaan tidak harus ditulis dengan bantuan penggaris. 5. Langkah-langkah pengerjaan dan jawaban tugas harus ditulis tangan, tidak boleh ditik. 6. Hal-hal teknis yang tidak dimuat di instruksi pengerjaan tugas ini boleh diasumsikan sendiri. Nama: NIM: Cetak atau tempel pas foto di sini. Pernyataan: Saya menyatakan bahwa tugas ini saya kerjakan tanpa menyalin dari sumber mana pun (diskusi diperbolehkan). Tanda tangan: HALAMAN 1 9

2 Soal 1 Penguat Kaskode 1 Gambar 1 menunjukkan penguat CMOS kaskode-lipat yang menggunakan sumber arus sederhana Q yang menyuplai arus I, dan sumber arus kaskode Q 4 dan Q 5 yang menyuplai arus I. Agar sederhana, asumsikan bahwa semua MOSFET memiliki parameter g m dan r o yang sama. a. Berikan ekspresi aproksimasi untuk R o1, R o, R in3, R o3, R o4, R o5, dan R o. b. Tunjukkan bahwa transkonduktansi rangkaian hubung-singkat G m dapat diaproksimasi sama dengan g m1. c. Cari gain tegangan keseluruhan v o /v i. Gambar 1 Solusi Soal 1 a. Berikan ekspresi aproksimasi untuk R o1, R o, R in3, R o3, R o4, R o5, dan R o. Asumsikan semua transistor memiliki g m dan r o yang sama. Dengan demikian R o1 = r o R o = r o R o3 = g m r o (R o1 R o ) = g m r o (r o r o ) = 1 g mr o R o5 = r o R o4 = g m r o (R o5 ) = g m r o (r o ) = g m r o R in3 = 1 + R o4 = 1 + g mr o = 1 + r g m g m r o g m g m r o g o m R o = R o3 R o4 = ( 1 g mr o ) (g m r o ) = 1 3 g mr o HALAMAN 9

3 Soal Penguat Kaskode Perhatikan penguat kaskode-lipat di Gambar untuk kasus berikut: V DD = 1.8 V, k p = (1/4)k n, dan V tn = V tp = 0.5 V. Untuk mengoperasikan Q 1 dan Q pada arus bias yang sama yaitu I, sehingga I 1 = I dan I = I. I 1 diimplementasikan dengan struktur sumber arus sederhana, sedangkan I diimplementasikan dengan sumber arus kaskode. Rasio MOSFET (W/L) dipilih sedemikian hingga tiap MOSFET beroperasi pada tegangan overdrive 0. V. a. Gambarkan rangkaian lengkap penguat kaskode-lipat ini. b. Tentukan hubungan (W/ L) dengan (W/ L) 1. c. Tentukan nilai V SG dari Q. Dari nilai ini, tentukan nilai terbesar V BIAS yang mungkin. d. Tentukan tegangan DC minimum dari sumber arus I agar dapat beroperasi dengan benar. e. Dari nilai di (c) dan (d), tentukan jangkauan swing sinyal output. Gambar Solusi Soal a. Gambarkan rangkaian lengkap penguat kaskode-lipat ini. V DD V BIAS3 Q 3 I v i I g Q m v i 1 Q I V BIAS v o V BIAS4 Q 4 V BIAS5 Q 5 HALAMAN 3 9

4 b. Tentukan hubungan (W/ L) dengan (W/ L) 1. Bandingkan I D dengan I D1 : I D = (1/)μ pc ox (W/L) V OV I D1 (1/)μ n C ox (W/L) 1 V = (1/)μ pc ox (W/L) V OV OV (1/)4μ p C ox (W/L) 1 V = (W/L) OV 4(W/L) 1 Karena I D = I D1 = I, maka (W/L) = 4(W/L) 1 c. Tentukan nilai V SG dari Q. Dari nilai ini, tentukan nilai terbesar V BIAS yang mungkin. V OV = V SG V tp V SG = V OV + V tp = 0. V V = 0.7 V Bandingkan keadaan transistor Q 3 dengan Q 1 : I 3 = (1/)μ pc ox (W/L) p V OV3 I 1 (1/)μ n C ox (W/L) n V OV1 I 1 ( I = ) μ pc ox 4 ( W L ) n ( 1 ) 4μ pc ox ( W L ) n ( V OV3 0. V ) V OV3 = 0. V 0.83 V Agar Q 3 tetap saturasi, maka Q 3 harus memenuhi V SD3 V OV3. Dengan demikian, V SD3,min = V OV3 = 0.83 V. Karena V S3 = V DD = 1.8 V, maka V D3 = V S,max = V DD V SD3,min = V. Karena V S,max = V dan V SG = 0.7 V, maka V G = V BIAS,max = V S,max V SG = V. d. Tentukan tegangan DC minimum dari sumber arus I agar dapat beroperasi dengan benar. Sumber arus I tersusun dari dua buah NMOS yang disusun secara kaskode, masing-masing memiliki V OV = 0. V. Agar kedua NMOS beroperasi pada daerah saturasi, maka masing-masing V DS NMOS harus memenuhi V DS V OV, atau V DS,min = V OV = 0. V. Dengan demikian, tegangan DC di antara sumber arus I haruslah V DS,min yaitu 0.4 V. e. Dari nilai di (c) dan (d), tentukan jangkauan swing sinyal output. Dari soal (c), V S,max = V. Karena Q memiliki V OV = 0. V dan Q harus dalam daerah saturasi, maka V SD V OV atau V SD,min = 0. V. Dengan demikian V D,max = V o,max = V S,max V DS,min = V Dari soal (d), tegangan minimum di antara sumber arus adalah 0.4 V. Padahal, V o,min = 0 + tegangan minimum sumber arus. Dengan demikian V o,min = 0.4 V. Dari pemaparan di atas, rentang sinyal output adalah V o,min V o V o,max 0.4 V V o V HALAMAN 4 9

5 Soal 3 Cermin Arus 1 Pada rangkaian Op-Amp CMOS yang ditunjukkan di Gambar 3, semua MOSFET memiliki V t = 1 V, μ n C ox = μ p C ox = 40 μa/v, V A = 50 V, dan L = 5 μm. Lebar MOSFET ditunjukkan sebagai kelipatan dari W = 5 μm. Diinginkan arus referensi adalah 10 μa. Pada analisis DC, G 1 dan G diground, V O = 0 V, dan Q 7 cut-off. a. Tentukan R. b. Tentukan I D seluruh MOSFET dan tegangan DC pada simpul A, B, C, E, F, G, dan H. Solusi Soal 3 a. Tentukan R. Gambar 3 Dengan mengabaikan V A untuk tiap NMOS yang saturasi, berlaku I D = 1 μ nc ox ( W L ) (V GS V tn ) I D V GS = μ n C ox (W/L) + V tn (3.1) Untuk tiap PMOS yang saturasi, berlaku I D V SG = μ p C ox (W/L) + V tp (3.) Gunakan (3.1) dan (3.) pada Q F, Q E, dan Q A. 10 μa Q F : V SG = 0 μa/v (5 μm/5 μm) + 1 V = V V F = 5 V V SG = 5 V V = 3 V 10 μa Q E : V SG = 0 μa/v (5 μm/5 μm) + 1 V = V V E = V F V SG = 3 V V = 1 V HALAMAN 5 9

6 10 μa Q A : V GS = 40 μa/v (5 μm/5 μm) + 1 V 1.7 V V A = 5 V V = 3.3 V Dengan demikian nilai R adalah R = V E V A 1 V ( 3.3 V) = = 4.3 V = 430 kω I REF 10 μa 0.01 ma b. Tentukan I D seluruh MOSFET dan tegangan DC pada simpul A, B, C, E, F, G, dan H. Dari rangkaian di sisi kiri, I DF = I DE = I DA = I REF = 10 μa Q B : I DB = (W/L) B I (W/L) DA = (W/L) 10 μa = 0 μa A (W/L) Q C : I DC = (W/L) C I (W/L) DA = (W/L) 10 μa = 10 μa A (W/L) Q D : I DD = (W/L) D I (W/L) DA = 5(W/L) 10 μa = 50 μa A (W/L) Q 1, Q : I D1 I D = (1/)μ nc ox (W/L) 1 (V GS1 V tn ) (1/)μ n C ox (W/L) (V GS V tn ) = 1 I D1 = I D Lihat KCL di node B. Berlaku I D1 + I D = I DB. Namun karena I D1 = I D, maka I D1 = I D = 1 I DB = 1 0 μa = 10 μa Q 3 : I D3 = I D1 = 10 μa Q 4 : I D4 = (W/L) 4 I (W/L) D3 = 4(W/L) 10 μa = 0 μa 3 (W/L) Q 5 : I D5 = I DC = I D4 I D = 10 μa Q 7 : Q 7 cut-off sehingga I D7 = 0 Q 6 : I D6 = I D7 + I DD = μa = 50 μa Dari analisis di soal (a), didapat V A = 3.3 V; V E = 1 V; V F = 3 V 10 μa Q 1 : V GS = 40 μa/v (5 μm/5 μm) + 1 V 1.7 V V B = 0 V GS = V = 1.7 V 10 μa Q 3 : V SG = 0 μa/v (10 μm/5 μm) + 1 V 1.7 V V G = 5 V 1.7 V = 3.3 V 10 μa Q 5 : V SG = 0 μa/v (10 μm/5 μm) + 1 V 1.7 V V H = V E + V SG = 1 V V =.7 V Dari soal diketahui V D = 0. HALAMAN 6 9

7 50 μa Q 6 : V GS = 40 μa/v (50 μm/5 μm) + 1 V = 1.5 V V C = V D + V GS = V = 1.5 V Kesimpulan: MOSFET Q A Q B Q C Q D Q E Q F Q 1 Q Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 Q 7 I D (μa) Node A B C D E F G H V(V) HALAMAN 7 9

8 Soal 4 Cermin Arus Tentukan tegangan di semua node dan arus di semua cabang di rangkaian di Gambar 4. Asumsikan V BE = 0.7 V dan β =. Solusi Soal 4 Menentukan arus tiap cabang Gambar 4 Q 1 : V C1 = V B1 = 10 V V EB = 10 V 0.7 V = 9.3 V Q : V C = V B = 10 V + V BE = 10 V V = 9.3 V I R1 = V C1 V C 9.3 V ( 9.3 V) = = 0.93 ma R 1 0 kω I C1 = I C = I C3 = I C4 = I C5 = I C6 = I C7 = I C8 = I C9 = I C10 = I C11 = I R1 = 0.93 ma I E1 = I E = I E3 = I E4 = I E5 = I E6 = I E7 = I E8 = I E9 = I E10 = I E11 = I R1 = 0.93 ma I R1 = I R = I R3 = I R5 = 0.93 ma I R4 = I C8 + I C7 = 0.93 ma ma = 1.86 ma Menentukan tegangan tiap node V C3 = 0 V + I R R = 0 V + (0.93 ma)(5 kω) = 4.65 V V C6 = 5 V I R3 R 3 = 5 V (0.93 ma)(3.6 kω) = 1.65 V V C8 = V C7 = 0 V I R4 R 4 = 0 V (1.86 ma)( kω) = 3.7 V V C11 = 0 V + I R5 R 5 = 0 V + (0.93 ma)(3 kω) =.79 V HALAMAN 8 9

9 Kesimpulan: Tegangan di Q 1 Q Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 Q 7 Q 8 Q 9 Q 10 Q 11 Base (V) Collector (V) Emitter (V) HALAMAN 9 9