Solusi Ujian 2 EL2005 Elektronika Sabtu, 3 Mei 2014 13.00-15.30 1. Transistor MOSFET Penguat berikut memiliki penguatan -25V/V. Anggap nilai kapasitor tak berhingga. VDD = 5V, Vt=0,7V, kn=1mA/V2. Resistansi input Rin sebesar 0,5M. Hitunglah a) VOV b) ID c) RD d) RG e) Amplitudo maksimum sinyal input . +VDD=5V RD RG
C2
C1 vout vin
Rin Petunjuk: Anggap arus AC yang melewati RG=0 untuk perhitungan penguatan sinyal kecil. Anggap ada arus AC yang melalui RG dalam perhitungan Rin. Jawab a) Arus DC pada RG nol sehingga diperoleh MOSFET selalu dalam keadaan saturasi apabila
, tegangan DC drain-source
dan juga sehingga
Arus pada MOSFET
Dengan demikian diperoleh (pers 1)
Transkonduktasi sinyal kecil MOSFET 1
Dengan menganggap arus AC yang melewati RG=0 untuk perhitungan penguatan sinyal kecil, maka diperoleh
Substitusi persamaan terakhir ke persamaan 1
(tidak memenuhi)
b) Arus drain
c) Resistansi drain
d) Dari resistansi input
e) Amplituda input maksimum saat MOSFEt memasuki batas saturasi
Mengingat
maka
2. Respons Frekuensi Rendah Penguat Penguat berikut memiliki CC1=CE=CC2=1F, RB=100k, Rsig=5k, gm=40mA/V, r=2,5k, RC=8k, dan RL=5k. Anggap tidak ada interaksi antar ketiga kapasitor. a) Hitunglah fp1, fp2, dan fp3. b) Hitung pula fL.
2
+VCC RC Rsig
Cc2
CC1
Vsig
RB
CE
I
RL
-VEE Jawab a) Pole rangkaian
b) Pole
merupakan pole dominan sehingga frekuensi cut-off rendah
= 2213Hz
3. Respons Penguat Frekuensi Tinggi Pada rangkaian penguat MOSFET CS di bawah ini, nilai Rsig=120kRG1=300k RG2=200k Cgs=5pF, Cgd=1pF, gm=3,33mA/V, RD=5k, RS=2k, RL=10k, CL=5pF, dengan efek panjang kanal diabaikan (=0), nilai CC1=CC2=CS= . +VDD
RD RG1 Rsig
CC2
CC1 vout
Vsig
vin
RG2 RS
-VSS 3
CS
RL
CL
a) Gambar rangkaian pengganti sinyal kecil pada daerah frekuensi tengah (midband) dan hitung penguatan tegangan pada daerah frekuensi ini AM=Vo/Vsig. b) Gambarkan rangkaian pengganti pada daerah frekuensi tinggi. Ubah rangkaian pengganti ini dengan menggunakan Teorema Miller, lalu turunkan fungsi transfer Av(s)=Vo(s)/Vsig(s). Dari fungsi transfer ini, hitunglah nilai fH (upper 3-dB frekuency) dengan memperhitungkan semua pole yang ada. c) Untuk rangkaian yang sama seperti pada soal (b), gunakan Metode OCTC (Open Circuit Time-Constant) untuk menghitung fH. d) Jika menurut perhitungan cara eksak nilai fH=43,2MHz, hitung prosentase kesalahan harga hasil masing-masing perhitungan pada soal (b) dan (c). Jawab a) Rangkaian pengganti sinyal kecil frekuensi tengah
0
Rsig
vin
vsig
Rin
RD vout
i
i
RL
1/gm
b) Rangkaian pengganti frekuensi tinggi
Cgd
Rsig
vsig
vin
i
0 i
Rin
Cgs
Rangkaian pengganti dengan Teorema Miller
4
1/gm
RD vout
RL
0
Rsig
vsig
i
vin
Rin
i
1/gm
Cin
Fungsi transfer
Frekuensi cut-off dapat dihitung dari pole dominan
c) Frekuensi cut-off dengan OCTC
d) Prosentasi kesalahan cara perhitungan frekuensi pole
Prosentasi kesalahan cara perhitungan konstanta waktu
5
RD vout
RL
Cout
4. Tahap Output Penguat Daya Untuk merancang tahap output sebuah penguat daya akan digunakan transistor dengan casing yang memiliki resistansi termal 2,5oC/W dan heatsink dengan resistansi termal 5,1oC/W. Temperatur ambient penguat dirancang untuk 30oC dan temperatur junction maksimum transistor ditentukan 125oC. Tegangan saturasi kolektor-emitor dan tegangan cut-in base-emitor dapat diabaikan. a) Transistor dengan daya disipasi maksimum PDmax berapakah yang dapat digunakan dengan pendinginan di atas yang masih aman digunakan? b) Berapakah daya output maksimum pada beban bila tahap output menggunakan kelas A dengan arus pada sumber arus dipilih agar tegangan swing output maksimum? c) Berapakah daya output maksimum pada beban bila tahap output menggunakan kelas B? Jawab a) Nilai resistansi termal total adalah 2,5+5,1=7,6oC/W Selisih temperatur junction ke ambien 125-30=95 oC Daya disipasi maksimum yang dialirkan transistor 95/7,6=12,5W. Jadi transistor yang digunakan harus mempunyai PDmax sekurangnya 12,5W b) Pada kelas A daya disipasi maksimum terbesar saat tegangan output nol. Besar daya disipasi ini sama dengan daya dari catu daya. Daya output maksimum sebesar 25% daya dari catu daya atau sebesar 12,5*25%=3,125W. Dengan demikian dengan tahap penguat kelas A daya output terbesar diperoleh 3,125W. c) Pada kelas B daya disipasi maksimum saat
Daya output maksimum sebesar
sehingga daya ouput penguat
Dengan demikian dengan tahap penguat kelas B daya output terbesar diperoleh 30,84W. 5. Rangkaian Logika CMOS Fungsi logika di bawah ini akan disusun dengan teknologi CMOS dengan L=0,1m dan perbandingan geometri transistor n=1 dan p=3. Rancanglah rangkaian untuk fungsi tersebut dan tentukan ukuran geometri tiap transistornya. Sinyal input tersedia dalam bentuk active-high dan active-low. Jawab Fungsi logika akhir 6
Dalam bentuk ouutput active-low
Rangkaian dan ukuran geometri
7
