PENGUAT-PENGUAT EMITER SEKUTU

Transkripsi

1 PENGUAT-PENGUAT EMITER SEKUTU 1. KAPASITOR PENGGANDENG DAN KAPASITOR PINTAS (Coupling And Bypass Capasitors) Sebuah kapasitor penggandeng melewatkan sinyal AC dari satu titik ke titik lain. Misalnya pada gambar 1.a, tegangan AC pada titik A diteruskan ke titik B. Agar dapat terlaksana, reaktansi kapasitif XC harus jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan resistansi seri. Besarnya arus bolak balik dalam rangkaian RC satu simpul sama dengan (1) Gambar 1. a). Kapasitor penggandeng di antara sumber dan beban. b). Rangkaian ekivalen untuk kapasitor penggandeng. Dimana R adalah resistansi total dari simpul. Pada gambar 1a, R = RTH + RL. Bila frekuensi naik, XC turun sampai menjadi jauh lebih kecil dari pada R. GANDENGAN KAKU (STIFF COUPLING) Ukuran kapasitor penggandeng tergantung pada frekuensi terendah dari sinyal yang harus digandeng. Kita akan menggunakan aturan berikut ini untuk frekuensi masuk terendah pada penguat : XC 0,1R (2) Untuk melihat hal ini, masukkanlah harga terburuk, yaitu XC = 0,1R, ke dalam pers. (1) dan di peroleh

2 TANAH AC Kapasitor pintas (bypass capasitors) sama dengan kapasitor penggandeng, kecuali bahwa ia menggandengkan titik yang tidak ditanahkan ke titik yang ditanahkan. Sekali lagi, VTH dan RTH dapat berupa satu sumber dan tahanan, seperti yang ditunjukan, atau dapat berupa rangkaian thevenin. 2. DALIL SUPERPOSISI UNTUK PENGUAT-PENGUAT Cara yang paling sederhana untuk menganalisa rangkaian ini adalah dengan membagi penelaahannya menjadi 2 bagian: analisa ac dengan dc, kita dapat menggunakan dalil superposisi dalam menganalisa penguat-penguat transistor. RANGKAIAN-RANGKAIAN EKIVALEN AC DAN DC Berikut ini akan diuraikan langkah-langkah penerapan super posisi pada rangkaian-rangkaian transistor : 1. Kurangilah sumber AC menjadi nol; ini berarti menghubung-singkat sumber tegangan dan membuka sumber arus. Buka semua kapasitor. Rangkaian yang tinggal disebut rangkaian ekivalen DC. Dengan rangkaian ini, kita dapat menghitung semua arus dan tegangan DC yang kita inginkan. 2. Kurangilah sumber DC menjadi nol; ini berarti sama dengan menghubung-singkat semua tegangan dan membuka sumber arus. Hubung-singkatkan semua kapasitor penggandeng dan kapasitor pintas. Rangkaian yang tinggal disebut rangkaian ekivalen AC. Rangkaian ini adalah rangkaian yang digunakan untuk menghitung arus dan tegangan AC. Arus keseluruhan disetiap cabang pada rangkaian itu adalah jumlah arus DC dan arus AC yang mengalir pada cabang tersebut. Tegangan keseluruhan melintas setiap cabang adalah jumlah tegangan DC dan tegangan AC melintas tegangan tersebut.

3 RS R1 R2 RC RL (c) Gambar 2. Dalil superposisi. (a) Rangkaian yang sebenarnya. (b)rangkaian ekivalen DC. (c) Rangkaian ekivalen AC. NOTASI Untuk membedakan DC dari AC, adalah kebiasaan baku menggunakan huruf besar dan tulisan di bawah garis yang besar untuk besaran-besaran DC. Misalnya, kita menggunakan IE, IC, IB untuk arus DC VE, VC, VB untuk tegangan DC terhadap tanah VBE, VCE, VCB untuk tegangan DC di antara terminal-terminal

4 Demikian pula kita akan menggunakan huruf kecil dan huruf di bawah garis yang kecil untuk arus dan tegangan AC : ie, ic, ib untuk arus AC ve, vc, vb untuk tegangan AC terhadap tanah vbe, vce, vcb untuk tegangan AC di antara terminal-terminal Ada juga kebiasan baku menggunakan tanda kurung menunjukkan dua tegangan sinusoidal yang berbeda fasa Misalnya persamaan Vout = -Vin Berarti bahwa tegangan keluar berbeda fasa 1800 dengan tegangan masuk. 3. RESISTANSI AC DIODE EMITER RESISTANSI EMITER AC Bila sinyalnya kecil, puncak A dan B dekat dengan Q, dan operasinya mendekati linier. Dengan kata lain, busur dari A ke B hampir berupa garis lurus. Oleh karena itu perubahan pada arus dan tegangan hampir seimbang. Artinya, sepanjang menyangkut sinyal AC, dioda tampak seperti resistansi yang diberikan oleh (3) Dimana r e = resistansi emiter AC ΔVBE = perubahan kecil pada tegangan basis emiter ΔIE = perubahan yang sesuai pada arus emiter Karena perubahan pada VBE dan IE ekivalen dengan tegangan dan arus AC. Sehingga sering ditulis sebagai : (4) Dimana r e = resistansi emiter AC vbe = tegangan AC melintas basis emiter IE = arus AC yang melalui emiter RUMUS UNTUK r e Karena r e adalah perbandingan dari perubahan VBE terhadap perubahan IE, nilainya tergantung dari letak titik Q :

5 (5) 4. BETA AC Gambar 3, memperlihatkan grafik yang lazim antara IC terhadap IB.βdc adalah perbandingan arus kolektor dc IC terhadap arus basis dc IB. Karena grafiknya tidak linear, βdc tergantung pada di mana titik Q di tempatkan. Itulah sebabnya mengapa lembaran data mencantumkan βdc untuk harga IC tertentu. Beta ac (ditulis βac atau β saja) adalah besaran sinyal kecil yang tergantung dari letak titik Q. Pada gambar 3, β ditetapkan sebagai (6) Atau, karena arus bolak-balik sama dengan perubahan arus total, maka (7) Secara grafis, β adalah kemiringan lengkungan pada titik Q. Itulah sebabnya ia memiliki harga yang yang berbeda pada letak Q yang berbeda pula. Pada lembaran data, β dicantumkan sebagai hfe. Perhatikan dengan teliti bahwa huruf di bawah garis pada hfe adalah huruf kecil, sedangkan huruf di bawah garis pada hfe adalah huruf besar. Jadi, kalau membaca lembaran data, jangan dibingungkan dengan bati (penguatan) arus searah dan bati arus bolak balik. Besaran h FE adalah perbandingan IC/IB. Juga dikenal sebagai βdc. Besaran hfe adalah perbandingan ic/ib, sama seperti β. Gambar 3. Lengkungan arus kolektor dc terhadap arus basis dc tidak linear

6 5. PENGUAT EMITER-DITANAHKAN Gambar 4a memperlihatkan penguat CE (common emiter, emiter sekutu). Karena emiternya dipintaskan ke tanah, penguat ini kadang-kadang disebut penguat emiter-ditanahkan; ini berarti bahwa emiter terletak pada tanah ac, tetapi tidak pada tanah dc. PEMBALIKAN FASA Selama setengah siklus tegangan masuk yang positif arus basis naik, mengakibatkan arus kolektor juga naik. Ini menimbulkan penurunan tegangan yang lebih besar melintas tahanan kolektor. Sehingga, tegangan kolektor turun dan kita memperoleh setengah siklus negatif yang pertama pada tegangan keluar. Sebaliknya, pada setengah siklus tegangan masuk yang negatif arus kolektor lebih sedikit mengalir dan penurunan tegangan melintas tahanan kolektor berkurang. Dengan demikian, tegangan kolektor tanah naik dan kita memperoleh setengah siklus positif pada tegangan keluar. DARI SUDUT PANDANGAN GARIS-BEBAN Gambar 4b memperlihatkan garis beban ac dan titik Q. tegangan masuk ac menghasilkan perubahan ac pada arus basis. Hal ini mengakibatkan perubahan sinusoidal di sekitar titik Q. Gambar 4. (a) Penguat emitter-ditanahkan. (b) Garis Beban ac

7 BATI TEGANGAN (VOLTAGE GAIN) Bati tegangan sebuah penguat adalah perbandingan tegangan keluar ac dengan tegangan masuk ac. Persamaannya adalah sebagai berikut : (8) Gambar 5. (a) rangkaian ekivalen ac untuk penguat emiter-ditanahkan. (b) model ac Ebers-Moll yang digunakan untuk transistor. Hukum ohm mengatakan bahwa arus emitter ac adalah : Karena arus arus kolektor hampir sama dengan arus emiter, maka Arus kolektor ac mengalir melalui tahanan kolektor, menghasilkan tegangan keluaran sebesar Bati tegangan dapat juga dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut : (9)

8 Gambar 6. Komponen-komponen dc dan ac yang dilihat dengan osiloskop tergandeng-dc. Contoh 1. Sebuah Osiloskop tergandeng dc menampilkan sinyal total dengan kmponenkomponen dc dan ac nya. Gambar 6 memperlihatkan tegangan-tegangan pada basis,emiter,dan kolektor dari penguat emiter ditanahkan. Jelaskan apa yang digambarkan tegangan-tegangan ini. Penyelesaian Pembahasan dimulai dengan menganggap bahwa sinyal masuk ac adalah tegangan gelombang sinus yang kecil. Sinyal ini mengalir melalui kapasitor pengandeng masukan dan muncul pada basis. Tingkat tenang tegangan basis adalah 1,8 V karena tegangan keluar dc yang berasal dari pembagi tegangan : Dengan demikian, tegangan masuk total pada basis adalah 1,8 V dc,ditambah sumber sinysl ac yang kecil. Bila kapasitor penggandeng kaku, semua tegangan sumber ac muncul pada basis. Perhatikan tegangan emiternya. Harganya 1,1 V dc karena emitter dibootstrap 0,7 V terhadap masukan tegangan dc. Tak ada sinyal ac yang muncul disini karena emitter dipintas ke tanah melalui kapasitor pintas emitter. Dengan perkataan lain, kapasitor pintas kaku menghubung singkat sinyal ac ke tanah. Ini sama dengan

9 mengatakan bahwa tak ada arus bolak-balik yan gmengalir melalui RE karena semua arus bolak-balik dihubung singkatkan melalui kapasitor pintas. Inilah sebabnya mengapa kita tak melihat sinyal ac pada emitter. Arus emitter dc sama dengan : Tegangan ac yang diperkuat dan dibalik muncul pada kolektor. Titik ini mempunyai tingkat tenang 6,04 V, yang dihitung dari : VC = 10V (1,1mA)(3,6kΩ) = 6,04 V Contoh 2. Sinyal masuk ac mempunyai harga puncak 1mV pada gambar 6. Berapa nilai puncak tegangan keluar ac? Penyelesaian Pada contoh sbelumnya, kita telah menghitung arus emitter dc sebesar 1,1 Ma. Jadi, resistansi emitter ac adalah : Bati tegangan nya Ini berarti bahwa tegangan keluar ac adalah : VoutAVin = -159(1mV) = -159Mv Tanda kurang mengingatkan kita pada pembalikan fasa. Kesimpulannya sebagai berikut. Sinyal masuk ac dengan puncak 1mV mengakibatkan sinyal keluar ac dengan puncak 159 mv. Sinyal keluar berbeda fasa 180 dengan sinyal masuk. 6. MODEL AC UNTUK TAHAP EMITER-SEKUTU Untuk mendapatkan model rangkaian ekivalen ac satu tahap yang sederhana kita harus mengetahui impedansi masuk dan keluar. IMPEDANSI MASUK Impedansi masuk ac ditetapkan sebagai berikut :

10 (10) Di mana Vin dan Iin adalah harga puncak, harga puncak-ke-puncak, atau harga rms (a) (b) Gambar 7. Impedansi Masuk Dan Impedansi Keluar Pada gambar 7a arus konvensional i1 mengalir ke dalam R1, i2 ke dalam R2, dan ib ke dalam basis. Impedansi yang dipandang langsung ke arah basis dilambangkan sebagai Zin (basis), di berikan oleh : Menurut hukum ohm Karena, persamaan ini menjadi Maka Zin (basis) disederhanakan menjadi

11 Karena arus basis adalah β kali lebih kecil daripada arus emiter, impedansi masuk dari basis adalah β kali lebih besar daripada. Penguat emiter di tanahkan memiliki impedansi masuk (11) Harga ini adalah impedansi masuk total karena mengandung tahanan pemberi prategangan dan impedansi yang dipandang ke arah basis transistor. IMPEDANSI KELUAR Pada gambar 7b, tegangan thevenin yang muncul pada keluaran adalah Vout = AVin Impedansi thevenin adalah gabungan parallel dari dan impedansi dalam dari sumber arus kolektor. Pada model Ebers Moll sumber arus kolektor adalah ideal: dengan demikian, ia memiliki impedansi dalam tak terhingga. Dengan demikian, impedansi thevenin adalah

12 Gambar 8. (a) tahanan sumber dan beban dihubungkan, dengan penguat emiterditanahkan. (b) rangkaian ekivalen ac. Contoh 3. Gambar 8a memperlihatkan penguat emitter ditanahkan yang telah dianalisa pada Contoh 2. Jika transistor memiliki ß sebesar 150, berapa tegangan keluar ac? Penyelesaian Ada dua hal yang baru terdapat pada gambar 8a. Pertama, sumber ac kini memiliki impedansi sumber sebesar 1 kω. Dengan dmikian, sebagian dari sinyal sumber akan turun melintas resistansi ini sebelum mencapai basis. Pada sisi keluaran, kapasitor menggandeng sinyal ac ke resistensi beban 1,5 kω. Hal ini mengakibatkan muncul nya efek pembebanan. Sehingga,sinyal keluar akan terlihat lebih rendah dai sebelumnya. Untuk melihat pengaruh resistansi sumber dan beban, gantilah penguat emitter ditanahkan dengan model ac nya. Mula-mula kita menghitung impedansi masuk pasa bais sebesar : Zin (basis) = ßr e = 150(22,7Ω) = 3,4kΩ Selanjutnya kita menghitung impedansi masuk penguat sebesar Zin = R1 R2 ßr e = 10kΩ 2,2kΩ 3,4kΩ = 1,18kΩ Bati tegangan tanpa beban, yang telah ditentukan sebelumnya, adalah Impedansi keluar sama dengan RC. dengan demiian,kita dapat membayangkan rangkaian seperti yang diperlihatkan pada gambar 8b. Kita sekarang kedua pembagi tegangan. Pembagi tegangan masuk mengurangi sinyal pada basis sebesar :

13 Tegangan keluar Thevenin adalah : Tegangan ini adalah keluaran tanpa beban. Keluaran yang sebenarnya adalah tegangan yang muncul melintas 1,5kΩ : Ini berarti bahwa keluaran mempunyai tegangan puncak 25mV. 7. PENGUAT TERBENAM (SWAMPED AMPLIFIER) Besaran idealnya sama dengan 25mV/IE. Harga tergantung pada suhu dan jenis persambungan. Oleh karena itu, yang sebenarnya sebuah transistor dapat berubah-ubah dalam daerah yang luasnya 2:1 untuk suhu dan transistor yang berbeda-beda. Setiap perubahan pada harga akan mengubah bati tegangan dari penguat emiter-ditanahkan. PENGERTIAN TERBENAM Bila re jauh lebih besar daripada emiter di bootstrap ke basis untuk sinyal ac maupun sinyal dc. Gambar 9b memperlihatkan rangkaian ekivalen ac. Karena re seri dengan resistansi totalnya adalah +. masukan ac muncul melintasi resistansi ini dan menghasilkan arus emiter ac sebesar Membenamkan dioda emiter membuat jauh lebih besar daripada.

14 Gambar 9. (a) Penguat terbenam. (b)rangkaian Ekivalen PENGARUH PEMBENAMAN PADA BATI TEGANGAN Pada gambar 9b tegangan keluar ac adalah Tegangan ac melintas Sehingga, perbandingan Karena + adalah terhadap adalah, persamaan diatas dapat ditulis kembali menjadi (12)

15 Gambar 10. Komponen-komponen ac dan dc yang terlihat pada osiloskop tergandengdc. Contoh 4. Gambar 10 memperlihatkan sebuah penguat terbenam. Jelaskan tegangantegangannya. Penyelesaian Sepanjang menyangkut arus seara, rangkaian ini serupa dengan penguat emitter ditanahkan yang telah dibahas pada contoh 1. Dengan alasan ini, tegangan basis dc tetap 1,8V, tegangan emitter dc 1,1V, dengan tegangan kolektor dc 6,04 V. Perhatikan bahwa resistansi emitter dc total adalah tetap1kω, sehingga r e tetap 22,7Ω. Perbedaannya adalah sebagai berikut. Tegangan sumber ac lebih besar, 100mV dan bukan 1mV. Sinyal ini digandeng ke basis. Karena pengaruh bootstrapping,hamper semua sinyal 100mV muncul melintas tahanan pembenam. Ujung bawah tahanan pembenam terletak pada tanah ac, dan itulah sebabnya mengapa osiloskop memperlihatkan garis horizontal (tak ada sinyal ac) pada +0,902V. Tegangan kolektor ac diperkuat dan dibalik seperti sebelumnya.

16 Contoh 5. Hitunglah tegangan keluar pada gambar 10. Penyelesaian Bati tegangan adalah Sehingga, tegangan keluar ac adalah Ini berarti bahwa puncak tegangan keluar adalah 1,78V. Sehingga, ayunan puncak kepuncak sepanjang garis beban adalah dua kalinya, yaitu 3,56 V. Operasinya adalah sinyal besar, yang dimungkinkan dengan pengeringan distorsi karena adanya pembenaman (disebut juga umpan balik setempat atau umpan balik negative). Contoh 6. Anggap kapasitor pintas pada gambar 10 terbuka. Apa yang terjadi dengan bati tegangannya? Penyelesaian Kapasitor pintas yang terbuka bahwa Karena ujung bawah tahanan 180 Ω tidak lagi pada tanah ac. Dalam hal seperti ini, pembenaman menjadi terlalu besar, dan bati tegangan turun menjadi : Tegangan keluaran hanya sebesar Bila anda sedang memperbaiki sebuah penguat dengan keluaran yang ajauh lebih rendah dari pada yang seharus nya. Yang mula-mula harus diperiksa adalah kapasitor pintas. Osiloskop tergandeng dc yang dipasang melintas kapasitor pintas harus menampilkan garis horizontal pada tingkat dc yang tepat. Jika anda melihat sinyal ac melintas kapasitor ini dengan harga puncak ke puncak hampir sebesar tegangan emitter ac, anda dapat memperkirakan bahwa kapasitornya terbuka.

17 +10 V 10 Kohm 3,6 Kohm Vout 1 Kohm Vsource 100 mv Vload Vin 2,2 Kohm 180 ohm 820 ohm 51 Kohm (a) Gambar 11. (a) Tahanan sumber dan tahanan beban yang di hubungkan ke penguat terbenam. (b) Rangkaian ekivalen ac Contoh 7. Bila ß = 150, berapa tegangan keluar ac pada gambar 11? Penyelesaian Dari persamaan (13), impedansi masuk basis adalah Impedansi masuk penguat adalah

18 Bati tegangan tanpa beban dari basis ke kolektor adalah -17,8 (telah dihitung). Jadi model ac penguat tampak seperti yang ditunjukan pada gambar 11b. Tegangan masuk yang mencapai penguat adalah Tegangan keluar Thevenin adalah Tegangan ini adalah tegangan keluar tanpa beban. Tegangan keluar ac yang sebenarnya muncul pada kolektor dan melintas tahanan beban sebesar Ini berarti bahwa puncak tegangan keluar berharga 1,05 V 8. TAHAP-TAHAP KASKADE Gambar 12a memperlihatkan penguat dua tahap yang menggunakan rangkaian- rangkaian CE yang dikaskade. Sebuah sumber ac dengan resistansi sumber Rs menggerakkan masukan penguat itu. Tahap emiter-ditanahkan memperkuat sinyal, yang kemudian digandeng dengan tahap CE berikutnya. Lalu sinyal diperkuat sekali lagi untuk mendapatkan keluaran yang terakhir yang jauh lebih besar daripada sinyal sumber. Gambar 12b memperlihatkan model ac untuk penguat dua tahap. Setiap tahap mempunyai impedansi, yang diberikan oleh gabungan paralel dari R 1, R2, dan β Setiap tahap mempunyai bati tegangan tanpa beban Rc/ dan impedansi keluar Rc..

19 Gambar 12. (a) Penguat dua tahap dengan tahap emiter-ditanahkan. (b) Rangkaian ekivalen ac +10 V 10 Kohm 10 Kohm 3,6 Kohm 3,6 Kohm 1 Kohm 1 Kohm 1 Kohm 2,2 Kohm 2,2 Kohm (a) 1,5 Kohm

20 Gambar 13. (a) Tahanan sumber dan tahanan beban yang di hubungkan ke penguat dua tahap. (b) Rangkaian ekivalen ac Contoh 8. Setiap transistor pada gambar 13a mempunyai = 150. Berapa tegangan keluar ac nya? Penyelesaian Setiap tahap adalah seupa. Pada contoh 3, kita telah menganalisa tahap CE ini, dengan hasil-hasil sebagai berikut : r e = 22,7 Ω, =1,18 kω, A= -159, dan Zout = 3,6 kω. Gambar 13b memperlihatkan model ac untuk penguat dua tahap. Tegangan masuk ac pada tahap pertama adalah : Tegangan Thevenin ac yang keluar dari tahap pertama adalah Tegangan masuk ac pada tahap kedua adalah Tegangan Thevenin yang keluar dari tahap kedua adalah Dan tegangan keluar ac yang terakhir adalah Sambil lalu, karena ada dua tahap yang mempunyai bati membalik, sinyal keluar terakhir sefasa dengan sinyal masuk. Sehingga, bila kita menggandeng gelombang sinus dengan puncak 1mV,kita mendapatkan gelombang sinus dengan frekuensi dan fasa yang sama tetapi dengan puncak 991mV. Pengguat dua tahap ini mempunyai bati tegangan 991 dari sumber sampai keluaran terakhir nya.