PENGUAT TRANSISTOR Oleh : Sumarna, Jurdik Fisika, FMIPA, UNY E-mail :
[email protected]
1. Pendahuluan Dalam modul terdahulu dibicarakan mengenai dasar-dasar penguat transistor terutama bagaimana transistor dioperasikan dalam kaitannya pemberian tegangan kerja atau tegangan bias. Pemahaman pemberian tegangan kerja tersebut sangat bermanfaat untuk memahami bagaimana transistor siap bekerja atau siap diberikan sinyal masukan. Selanjutnya dalam pembicaraan modul ini pemberian tegangan kerja bukan lagi suatu permasalahan yang dominan, artinya kita
langsung
akan
membicarakan transistor
sebagai penguat yang beroperasi karena adanya sinyal masuk. Sehingga tegangan kerja sedikit sekali dibahas. Oleh karena kita membicarakan transistor dalam keadaan bekerja dengan diberi sinyal atau isyarat masukan, maka dalam analisisnya kita akan banyak menggunakan rangkaian setara-h dari pada rangkaian dc. Dalam modul ini akan dibahas fungsi rangkaian transistor sebagai rangkaian penguat baik menggunakan rangkaian diskrit (menggunakan transistor dan piranti pasif lainnya) maupun menggunakan rangkaian terintegrasi ( IC : Integrated circuit). Seperti kita ketahui bahwa hampir semua peralatan elektronik terdiri dari rangkaian penguat. Fungsi dari rangkaian penguat pada umumnya untuk menguatkan sinyal yang lemah pada masukan agar diperoleh sinyal yang lebih kuat pada keluarannya. Jadi rangkaian penguat adalah rangkaian yang dapat memberikan penguatan baik penguatan tegangan, penguatan arus maupun penguatan daya. Misalnya pesawat penerima radio yang menguatakan sinyal sangat lemah dari antena menjadi sinyal yang lebih kuat hingga di dalam suatu ruangan penuh dengan suara. Suatu tranduser atau sensor dalam bidang kesehatan maupun pendidikan menghasilkan sinyal dalam orde mikrovolt. Sinyal tersebut harus dikuatkan beribu kali bahkan jutaan kali hingga diperoleh indikasi yang cukup kuat yang dapat diamati. Selain menguatkan sinyal dalam arti yang sesungguhnya, rangkaian penguat juga dapat difungsikan sebagai penyangga (buffer). Rangkaian penyangga mengambil sinyal dari piranti dengan impedansi keluaran tinggi dan mengirimkannya ke piranti lain dengan impedansi masukan rendah. Rangkaian penyangga juga disebut rangkaian penjodoh 1
impedansi (impedance matching), pengikut emitor (emitor follower) atau pengikut sumber (source follower). Dalam modul ini juga akan dibicarakan fungsi rangkaian transistor sebagai penguat akhir dengan faktor penguat daya yang besar. Pada bagian ini akan dibahas bagaimana bentuk rangkaian diskrit dari berbagai macam penguat akhir dan dibicarakan pula penguat akhir yang dirangkai dari rangkaian terpadu (IC).
2. Tujuan Instruksional Umum Setelah mempelajari Pokok Bahasan dan Sub Pokok Bahasan Penguat Transistor, diharapkan mahasiswa mempunyai pengetahuan dan memahami fungsi kerja dari rangkaian penguat transistor dalam rangkaian elektronika.
3. Tujuan Instruksional Khusus Setelah mempelajari Pokok Bahasan dan Sub Pokok Bahasan Penguat Transistor, Mahasiswa mempunyai kemampuan 3.1.Menjelaskan fungsi rangkaian transistor sebagai rangkaian penguat awal dengan impedansi masukan tinggi 3.2.Menjelaskan fungsi rangkaian transistor sebagai rangkaian penyangga (buffer) 3.3.Menjelaskan fungsi rangkaian transistor sebagai penguat akhir dengan faktor penguat daya yang besar 3.4.Menunjukan kemudahan teknis penggunaan rangkaian terpadu (IC: integrated circuit) sebagai rangkaian penguat awal maupun rangkaian penguat akhir.
2
4. Kegiatan Belajar 1 PENGUAT AWAL 4.1. Pengantar Penguat awal merupakan suatu rangkaian yang digunakan untuk memperkuat sinyal atau isyarat dari suatu sumber isyarat yang besarnya arus maupun tegangan masih lemah. Demikian pula sering didapatkan bahwa hambatan keluaran atau impedansi keluaran dari sumber isyarat cukup
tinggi,
sehingga
isyarat akan
kehilangan
tegangannya atau terjadi pembebanan pada rangkaian berikutnya apabila impedansi masukan
rangkaian berikut rendah. Untuk itu diperlukan suatu penguat awal yang
mampu menjembatani antara sumber isyarat dan penguat berikutnya dengan penguat awal sehingga sumber isyarat tidak kehilangan tegangannya. Misalkan sebagai contoh kita mengambil tegangan dari suatu keluaran photosel, tegangan keluaran photosel sangat kecil untuk dibaca dengan millivoltmeter demikian pula impedansi keluarannya dalam orde sepuluh mega-ohm. Maka tegangan ini tidak akan terbaca oleh millivoltmeter yang orde impedansi masukannya hanya puluhan kilo-ohm. Oleh karena itu diperlukan suatu penguat awal yang mampu memperkuat sinyal dan
sekaligus
masukan yang tinggi. Namun sebelum kita masuk pada
memiliki
pembahasan
impedansi
materi perlu
dibicarakan terlebih dahulu rangkaian setara-h untuk transistor dalam konfigurasi emitor bersama, agar pembahasan penguat dengan mendapat isyarat ac kecil lebih mudah.
4.2. Rangkaian setara-h Kita dapat menganggap bahwa suatu penguat atau transistor merupakan piranti yang memiliki dua gerbang. Gerbang yang dimaksud adalah gerbang masukan dan gerbang keluaran, seperti tergambar di gambar 6.1., yang melukiskan atau memberikan simbol dari suatu piranti dengan dua gerbang.
Masukan
PIRANTI
Keluaran
Gambar 6.1 : Piranti dengan dua gerbang. 3
Sesungguhnya dari kedua gerbang tersebut kita dapat meninjau untuk bagian masukannya, misalnya hambatan, tegangan dan arus masukannya. Demikian pula untuk bagian keluarannya. Namun kali ini kita akan menekankan pada rankaian setaranya. Sesungguhnya ada beberapa macam rangkaian setara, yaitu setara -T, -z, -y dan rangkaian setara parameter-h. Rangkaian setara didasarkan pada rangkaian setara Thevenin untuk hambatan keluaran yang tidak terlalu besar atau rangkaian setara Norton untuk hambatan keluaran yang besar. Untuk kesempatan kali ini kita akan membahas rangkaian setara parameter-h. Dalam rangkaian setara parameter-h untuk
transistor dengan emitor bersama pada
masukan digunakan rangkaian setara Thevenin, sedangkan pada keluarannya digunakan rangkaian setara Norton. Hal ini mengingat bahwa pada
transistor dwikutub emitor
bersama hambatan masukan rendah, dan pada keluaran merupakan sumber arus tetap yang dikendalikan oleh arus masukan. Rangkaian setara parameter-h ditunjukkan pada gambar 6.2. iI
i0 hI
vI
1/h0 hf iI
v0
hr v0 Gambar 6.2 : Rangkaian setara parameter-h.
Dari gambar 6.2 dapat diperoleh
dengan :
vi = hi ii + hr v0
(1)
i0 = hf ii + h0 v0
(2)
vi = tegangan sinyal/isyarat masukan ii = arus sinyal/isyarat masukan v0 = tegangan sinyal/isyarat keluaran i0 = arus sinyal/isyarat keluaran.
4
Sedangkan parameter-h adalah : hi = impedansi masukan dengan keluaran terhubung singkat hr = nisbah tegangan balik dengan masukan terbuka hf = nisbah arus maju dengan keluaran terhubung singkat h0 = admitansi keluaran dengan masukan terbuka. Untuk hubungan emitor ditanahkan digunakan parameter-h : hie, hre, hfe dan hoe. Sedangkan untuk hubungan basis bersama digunakan hib, hrb, hfb dan hob, dan untuk kolektor bersama digunakan hic, hrc, hfc dan h0c. Nilai hie adalah hie = rb + ( 1 + hfe ) re
(3)
rb = hambatan melintang dalam basis yang besarnya kira-kira 300 W, untuk titik Q berada ditengah-tengah, adakalanya nilai ini dapat diabaikan terhadap ( 1 + hfe )re. re = hambatan sambungan pn untuk panjar maju dengan isyarat kecil, yaitu
Nilai
re =
26 atau dengan pendekatan I E (Q)mA
hre
sangat kecil pada orde 10-4, sehingga hasil perkaliannya dengan v0 kecil
re =
25 I E (Q)mA
(4)
mendekati nol, dan diabaikan terhadap hi ii. Nilai hfe tidak lain adalah , sedangkan h0e ordenya di sekitar 25 A/V (A/V = mho = siemen) atau 1/h0e di sekitar ~40 k, atau tepatnya tergantung dari tipe transistornya. Nilai-nilai dari parameter yang lain biasanya dilihat pada buku panduan dari transistor yang dikeluarkan oleh pabrik pembuatnya, namun untuk keperluan kegiatan belajar ini kita dapat mengadakan perandaian atau pendekatan-pendekatan nilai.
4.3. Penguat Awal Penguat awal pada umumnya digunakan untuk memperkuat tegangan isyarat masukan yang lemah dan impedansi dari isyarat cukup tinggi. Apabila isyarat tersebut kita masukan dalam penguat emitor bersama ada kemungkinan tegangan isyarat tadi akan mengalami penurunan yang sangat besar, atau dengan kata lain terjadi pembebanan pada rangkaian masukan karena hambatan masukan penguat rendah. Oleh karena itu untuk melakukan penguatan, terlebih dahulu kita harus tahu berapa impedansi keluaran dari isyarat. Secara skematis diperlihatkan pada gambar 6.3. 5
Keluaran Sumber isyarat
z0 ; v0
Masukan
Keluaran Penguat awal
zi ; vi
z’0 ; v’0
akan digandeng
Gambar 6.3 : Penggandengan dua sistem.
Pada modul 5 telah dirumuskan bahwa besarnya v jika antara keluaran sumber isyarat dihubungkan atau digandengkan dengan masukan penguat awal maka
vi =
zi 1 v0 = v0 z0 zi z 0 1 zi
(5)
Terlihat bahwa nilai vi sangat tergantung dari nisbah z0/zi. Jika z0 > zi maka bilangan pembagi menjadi besar dan vi > v0, jika z0 < zi maka bilangan pembagi mendekati satu dan vi ~ v0 dan jika z0 = zi maka vi = (½) v0. Untuk yang terakhir ini merupakan hal yang paling ideal. Hal tersebut dikarenakan daya yang dilesapkan dari rangkaian di depan ke rangkaian
berikut maksimal, atau dalam keadaan ini terjadi penyesuaian impedansi
(matching impedance). Dengan
demikian
masalah
impedansi
merupakan
sangat
penting
untuk
menggandengkan antara dua sistem tersebut di atas. Oleh karena itu di dalam pemilihan konfigurasi transistor haruslah tepat agar penguatan dapat berkerja dengan baik.
4.3.1 Analisis Penguat Awal Emitor Bersama Ciri dari penguat emitor bersama adalah memiliki hambatan masukan dan hambatan keluaran yang bernilai sedang yaitu
pada orde 1 kilo-ohm sampai 3 kilo-ohm, atau
tergantung dari harga hie-nya, demikian pula nilai hambatan input tergantung dari RC atau hambatan beban RL yang biasanya juga berorde 5 kilo-ohm. Jika suatu isyarat masukan memiliki impedansi yang cukup rendah maka penguat emitor bersama dapat digunakan langsung dengan gandengan kapasitor saja, seperti pada gambar 6.4. 6
RC R1 RS
v0
vS
R2
CE
RE
Gambar 6.4 : Penguat emitor bersama sebagai penguat awal. i0
RS
hIe
ib RB
RC
hre v0
vS
1/h0e hfe ib
RE
CE
Gambar 6.5 (a) : Rangkaian setara parameter-h.
hIe
RS vS
vi
RB
1/h0e hfe ib RC
ib
v0
Gambar 6.5 (b) Penyederhanaan dari gambar 6.5 (a).
Dari gambar 6.5 (b) terlihat bahwa besarnya impedansi atau hambatan masukan penguat awal adalah zi = RB // hie
(6)
Kita ingat bahwa RB = R1 // R2 dan hie dihitung dengan rumus (3). Apabila nilai zi masih lebih besar atau sama dengan hambatan/impedansi keluaran RS maka kita dapat 7
menggunakan penguat tersebut sebagai penguat awal. Dari gambar ini dapat kita peroleh bahwa hambatan atau impedansi keluaran dari penguat adalah z'0 =
1 // RC h0 e
(7)
Av =
v0' vi
(8)
Jika dihitung penguatannya maka
dari gambar 6.5b terlihat bahwa v'0
= - ( hfe ib )(
vi
= hie i b
1 // RC ) = - ( hfe ib ) z'0 h0 e
(9) (10)
sehingga persamaan (9) dan (10) masuk persamaan (8) diperoleh A =
h z' v0' = - fe 0 vi hie
(11)
Dari rumus-rumus di atas parameter yang perlu dicari terlebih dahulu adalah hie. Apabila arus emitor IE(Q) dapat ditentukan maka rumus-rumus selanjutnya dapat dihitung. Untuk itu analisis dc emitor bersama harus lebih dipahami. Apabila dalam persoalan gandengan terdapat perbedaan impedansi yang cukup besar, misalnya sumber isyarat memiliki z0 = 25 zi, maka vi akan mengalami penurunan sampai 1/26
kali terhadap tegangan keluaran isyarat v0.
Hal
ini
jelas
tidak
menguntungkan, apalagi jika tegangan isyarat tadi sangat lemah. Untuk keperluan itu perlu
alat
yang
digunakan
untuk menyesuaikan
atau
seolah-olah
menaikkan
impedansi dari rangkaian penguat awal agar tidak terjadi penurunan tegangan. Untuk itu dapat digunakan "transformator masukan" atau sering juga disebut "transformator input", untuk menyesuaikan impedansi dari dua sistem yang akan digandengkan. Cara yang umum digunakan seperti pada gambar 6.6.
Sumber isyarat
z0
N1
N2
zit
z0t
zi
Penguat awal
transformator
Gambar 6.6 : Prinsip penyesuai impedansi dengan tranformator. 8
Dari gambar 6.6 dipilih transformator pada bagian masukan impedansinya zit dan jumlah lilitannya N1 yang sesuai dengan impedansi keluaran sumber isyarat sehingga z 0 = zit dan bagian keluaran impedansinya z0t dan jumlah lilitannya N2 sesuai dengan impedansi masukan penguat sehingga zot = zi. Dari pengertian mengenai transformator diperoleh adanya hubungan antara impedansi kumparan tranformator dengan jumlah lilitan dan frekuensi yang masuk. Dalam kaitan ini misalkan
frekuensi yang digunakan adalah
frekuensi antara 20 sampai dengan 20.000 Hz. Pada beberapa jenis mikropon dinamik transformator input ini sudah terpasang pada mikropon. Sehingga keluaran
mikropon sudah tertentu, sebagai misal mikropon
dinamik yang memiliki impedansi keluaran 600 ohm. Apabila mikropon ini dipasang pada penguat awal emitor bersama kiranya tidak akan mengalami penu-runan tegangan yang terlalu banyak.
4.3.2. Analisis Penguat Awal Kolektor Bersama Pada keperluan tertentu penggunaan transformator input tidak praktis, terutama dalam impedansi dari sumber yang cukup tinggi, Transformator
misalnya dalam
orde 100 k.
yang memiliki impedansi tinggi memerlukan ruang yang cukup besar.
Oleh karena itu kita ingat bahwa penguat transistor dalam hubungan kolektor bersama memiliki keunggulan; yaitu impedansi masukan yang besar dan impedansi keluaran kecil. Kita mengingat kembali rangkaian
penguat
terhubung kolektor bersama atau
kolektor ditanahkan, lihat gambar 6.7. Vcc R1 RS vS
R2 RE
Gambar 6.7 : Penguat kolektor bersama. 9
hIe
RS
1/h0e RB vS
v0
RE
Gambar 6.8 (a) : Rangkaian setara penguat kolektor bersama.
RS
hIe
R B ib
hfe ib
vi vS
1/h0e
RE
v0
Gambar 6.8 (b) : Rangkaian setara penguat kolektor bersama.
Dari rangkaian gambar 6.7
tersebut
kita
dapat
membuat rangkaian setara
parameter-h, lihat gambar 6.8 (a) atau 6.8 (b). Untuk mencari penguatannya, yaitu A v = v '0 /vi, dicari dahulu v '0 dan vi. Pada gambar 6.8 (b) 1/h0e digambar sejajar dengan RE agar mudah menganalisisnya. Pada RE mengalir arus ib dari jalur masukan dan arus hfe ib dari jalur keluaran, sehingga tegangan keluaran dapat dinyatakan sebagai
v'0 = ib ( RE // = ( 1 + hfe
1 1 ) + hfe ib ( RE // ) h0 e h0 e 1 ) ib ( RE // ) h0 e
Sedangkan besarnya vi dapat dicari sebagai
10
(12)
1 1 ) + hfe ib ( RE // ) h0 e h0 e 1 = hie ib + (1 + hfe ) ib ( RE // ) h0 e
vI = hie ib + ib ( RE //
(13)
sehingga 1 ) v h0e Av = = 1 vi hie (1 h fe )( RE // ) h0e ' 0
Faktor arus basis
(1 h fe )( RE //
ib
lenyap
dalam
(14)
persamaan
tersebut
dan dilihat dari
bentuk
persamaannya pastilah bahwa nilai Av selalu lebih kecil atau mendekati satu. Parameter hie dapat ditentukan dengan persamaan (3), yaitu hie = rb + (1 + hfe )re. Untuk menghitung impedansi masukannya zi, dengan melihat gambar 6.8 (b), dapat diperoleh bahwa zi = RB // Rit
(15)
Rit adalah hambatan masukan transistor yang besarnya Rit =
vi 1 = hie + (1 + hfe )( RE // ) ib h0 e
(16)
Besarnya Rit ditentukan oleh nilai (1 + hfe ) RE untuk RE<<
1 . Dengan demikian nilai zi h0 e
ditentukan oleh nilai RB jika RB << Rit. Sedang untuk menghitung impedansi keluaran kita dapat menganggap v'0 sebagai sumber tegangan dengan arus masuk ke arah transistor sebagai i0, pada gambar 6.8 (b). Impedansi keluarannya adalah
z =
v0' i0
(17)
1 , dan yang lewat (hie + RB // RS ) dan yang h0 e lewat sumber arus hfe ib. Maka besarnya arus total adalah dimana arus i0 terbagi tiga yang lewat RE //
11
v0
i0 =
( RE //
1 ) h0 e
v0
=
( RE //
1 ) h0 e
+
h fev0 v0 + (hie RB // RS ) (hie RB // RS )
+
i0 1 = 1 v0 ( RE // ) h0e
(1 h fe )v0 (hie RB // RS )
+
atau impedansi z0 menjadi
(1 h fe ) (hie RB // RS )
jika v0 dibawa ke ruas kiri diperoleh
=
1 z0
1 z0
z0 = ( RE //
(h RB // RS ) 1 ) // ie (1 h fe ) h0 e
(18)
apabila diisikan nilai-nilai tertentu akan diperoleh bahwa nilai impedansi keluaran dari (h RB // RS ) penguat kolektor bersama ini yang berperan adalah z0 ~ ie atau lebih (1 h fe ) sederhana lagi hanya ditentukan oleh z0 = re +
RS . 1 h fe
Dari pembicaraan di atas, penguat kolektor bersama ini dapat digunakan sebagai penguat awal
terutama
penyesuai impedansi, sehingga penguat berikutnya tidak akan
menarik arus terlalu banyak karena impedansi keluaran kolektor bersama sangat kecil. Juga penguat ini karena penguatannya mendekati satu disebut sebagai penguat penyangga. Namun demikian dari rumus (15) terlihat bahwa impedansi masukan z i = RB // Rit, dengan demikian nilai zi masih ditentukan oleh besarnya RB. Untuk mengatasi pengaruh RB ini digunakan teknik pengangkat impedansi (bootstrap),
yaitu dengan memasang
kapasitor CB seperti pada gambar 6.9. Vcc RB1 a RB21
b RB22
v0 CB
Gambar 6.9 : Penguat kolektor bersama dengan teknik bootstrap. 12
Nilai CB cukup besar sehingga reaktansinya pada frekuensi sinyal masuk cukup kecil, sehingga tegangan di titik a kira-kira sama dengan di b dan sama dengan tegangan keluaran. Dengan pemasangan teknik bootstrap ini diharapkan besarnya zi = Rit = hie + (1 + hfe )( RE // jika RE <<
1 , maka h0 e
1 ) h0 e
zi = Rit = hie + (1 + hfe ) RE
dengan syarat bahwa RE << (RB1 // RB22 //
(19)
1 ) dan hie << RB21. h0 e
4.3.3. Penguat Awal dengan Rangkaian Terintegrasi Penguat awal dapat juga disusun atau dirangkai
menggunakan rangkaian
terintegrasi atau integrated circuit. Secara umum rangkaian tersebut disebut penguat operasional atau Operational Amplifier disingkat op-amp. Pembicaraan secara khusus mengenai op-amp akan disampaikan pada modul berikutnya. Op-amp karakteristik impedansi
masukannya
memiliki
sangat tinggi, yaitu berkisar 300 M (dengan
masukan diferensial) dan sekitar 1 G (dengan masukan modus bersama / common mode). Gambar 6.10 mengilustrasikan sebuah op-amp yang ukuran luas permukaannya tidak lebih dari 1 cm2 dan tebalnya kira-kira 3 mm, untuk op-amp yang dikemas dalam plastik keras. Ada pula op-amp yang dikemas dalam logam berbentuk silinder, diameter dan tinggi silinder kira-kira 5 mm.
1
8
2
7
3
6
4
5
+
Gambar 6.10 : Bentuk IC dari op-amp dan simbol rangkaian. 13
Banyak sekali jenis-jenis op-amp yang dipergunakan
orang untuk keperluan
penguat awal, misalnya LF 155, LF 356, LM 110, LM 170, LM 381,LM 387 dan lain sebagainya. Pada dasarnya op-amp memiliki dua buah
masukan
yaitu
masukan
yang fase keluarannya berbalik disebut masukan membalik atau inverting input dan masukan yang fase keluarannya tak membalik disebut masukan tak membalik atau non inverting
input. Keluaran pada op-amp merupakan keluaran tunggal, yaitu apabila
kedua masukan tersebut digunakan bersama-sama atau masukan inverting dan non inverting disambung jadi satu (dikopel) sebagai penerima sinyal, hal ini disebut sebagai masukan modus bersama (common mode), lihat gambar 6.11 (a). Namun dalam hal yang lain, yaitu apabila kedua masukan menerima masukan masing-masing, maka op-amp dikatakan dioperasikan dengan modus diferensial. Lihat Gambar 6.11 (b).
v0
Gambar 6.11 (a) : Op-amp dipasang dalam modus bersama.
va
v0
vb
Gambar 6.11 (b) : Op-amp dipasang dalam modus diferensial.
Sebagai penguat deferensial maka masukan pembalik
maupun tak membalik dapat
dihubungkan dengan suatu sumber tegangan dengan teknik-teknik tertentu. Contoh yang paling mudah misalkan dihubungkan dengan termistor (hambatan yang
berubah
terhadap suhu). Alat ini biasanya digunakan untuk indikator perubahan suhu. Maka termistor dapat dipasang sebagai salah satu hambatan dalam konfigurasi jembatan wheatstone. Lihat gambar 12. 14
B
Masukan membalik
R0
R1
C A
R2
R3
Masukan tak membalik
D
Gambar 6.12 : Jembatan wheatstone sebagai piranti bantu masukan diferensial op-amp Dari rangkaian jembatan tersebut misalkan diambil suatu suhu acuan adalah 0o Celcius hambatan termistor adalah R0 , maka tiga hambatan yang lain R1 , R2 dan R3 juga harus sama dengan R0 , dan nilai hambatan R1 , R2 dan R3 tidak berubah karena perubahan suhu. Saat suhu acuan akan berlaku hubungan
R0 R3 = R1 R2 jika hal itu dipenuhi, maka VB = VD . Namun jika R0 berubah dengan perubahan suhu maka potensial titik B atau VB
tidak sama dengan potensial titik D atau VD . Dengan
demikian terjadi perbedaan potensial di antaranya, perbedaan
ini
justru digunakan
sebagai masukan penguat diferensial pada op-amp.
4.4. Penguat Penyangga (Buffer) Pada kegiatan belajar 1 telah disinggung bahwa penguat kolektor bersama atau pengikut
emitor
merupakan
penguat penyangga. Penguat penyangga digunakan
sebagai suatu tahap penyesuaian impedansi tanpa mengurangi besarnya
tegangan
isyarat. Sesungguhnya terdapat pengurangan tegangan namun tidak terlalu berarti. Karena penguat kolektor bersama ini bukan penguat tegangan melainkan merupakan penguat arus. Dengan memperhatikan penjelasan terdahulu pada kegiatan belajar 1 bahwa 15
arus masukan pada umumnya kecil sedangkan arus pada keluaran besar, maka penguat ini disebut penguat arus. Jika diingat kembali konfigurasi kolektor bersama, di mana keluaran diambil dari terminal emitor dari transistor yang digunakan. Tegangan sinyal keluaran selalu sedikit lebih rendah dari pada tegangan sinyal masukan yang diakibatkan adanya jatuh tegangan pada persambungan emitor-basis. Tidak seperti tegangan kolektor, tegangan emitor adalah sefase dengan sinyal masukan. Berikut adalah gambar konfigurasi kolektor bersama (pengikut emitor). Vcc
RB Vi Ii
V0 RE
Zi
I0
Z0
Gambar 6.13 : Konfigurasi kolektor bersama (pengikut emitor).
Konfigurasi pengikut emitor sering digunakan untuk tujuan penjodoh impedansi (impedance matching). Konfigurasi tersebut akan memberikan impedansi masukan tinggi dan impedansi keluaran rendah. Selanjutnya, rangkaian ekivalen untuk konfigurasi pengikut emitor di atas adalah tampak seperti gambar berikut. Ii Ib
Vi hie
Zi RB
hfe Ib V0
Zb RE
Z0
Ie = (1 + hfe) Ib
I0 = Ie
Gambar 6.14 : Rangkaian ekivalen dari pengikut emitor.
16
Impedansi masukan ZI adalah
ZI = RB // Zb
dengan
Zb = hie + (1 + hfe)RE untuk parameter h,
atau
Zb = (re + RE) untuk model re.
Sedangkan impedansi keluaran Z0 dapat ditentukan dengan mengingat Ie = (1 + hfe) Ib dan Ib = Vi/Zb yang akan diperoleh :
Ie =
Vi [hie /(1 h fe )] RE
(20)
Jika persamaan (20) tersebut dituangkan dalam bentuk rangkaian akan terlihat seperti gambat berikut. hie/(1+hfe) V0 Vi RE Ie
Z0
Gambar 6.15 : Rangkaian yang ditentukan dengan persamaan (20).
Z0 ditentukan dengan membuat VI menjadi nol, dan diperoleh :
Z0 = RE //
hie . 1 h fe
(21)
Penguatan tegangan Av dapat ditentukan dengan mengenakan prinsip pembagi tegangan pada gambar 6.15 di atas. V0 =
REVi RE [hie /(1 h fe )]
Av =
RE V0 = . Vi RE [hie /(1 h fe )]
Dan (22)
Penguatan arus Ai ditentukan berdasarkan Ib = RBII / (RB + Zb) dan I0 = Ie sehingga akan diperoleh : 17
Ai =
(1 h fe ) RB I0 = . RB Z b Ii
(23)
Persamaan untuk model re dapat ditentukan secara langsung dengan mensubstitusikan besaran hie = re dan hfe = ke dalam persamaan-persamaan di atas.
4.5. Contoh-contoh Soal : 1). Suatu penguat awal seperti gambar 6.4 dimana RB1 = 50 k, RB2 = 5 k, RC = 2 k, RE = 1 k, C1 = C2 = 30 F dan CE = 100 F. Apabila VCE
= (½) V , = 150,
transistornya silikon dan Vcc = 6 V, tentukanlah a. hambatan masukan penguat b. hambatan keluaran penguat
Jawab : a. dicari dahulu IB dengan cara seperti pada Modul 5 KB 2, RB = RB1 //RB2 = 50 k //5 6V 3V Vcc Vce k = 4,54 k. Jika IE ~ IC = = = 1 mA, RC RE 3k 25 maka hie = rb + ( 1 + ) re = 300 + (151) = 4075 ~ 4 k, 1 sehingga zi = RB // hie = 2,126 k. 1 b. Untuk menghitung z'0 = ( // RC ) ~ RC = 2 k. hoe 2). Pada soal nomor 1 akan digunakan untuk memperkuat keluaran dari sebuah mikrofon yang impedansi keluarannya 50 k, apa yang harus dilakukan agar terjadi penyesuaian impedansi ?
Jawab : Dipasang transformator input yang memiliki impedansi masukan/input sebesar 50 k dan impedansi keluaran 2 k. 3). Suatu penguat awal seperti gambar 6.4 dimana RB1 = 100 k, RB2 = 10 k, RC = 4,7 k, RE = 1 k, C1 = 0,5 F, C2 = 0,2 F dan CE = 50 F. Apabila = 120, hie = 3,15 k, hoe = 2 x 10-5 mho, transistornya silikon dan Vcc = 20 V, tentukanlah 18
a. impedansi masukan penguat b. impedansi keluaran penguat c. penguatan tegangan d. Jika ada masukan sebesar 1 mV dan hambatan dalamnya 600, tentukan pula tegangan keluarannya.
Jawab : a. Karena hie telah diketahui, maka RB = RB1 //RB2 = 100 k // 10 k = 9,1 k jadi z = R // h = 9,1 k // 3,15 k = 2,34 k b. z'0 = (
1 // RC ) = 50 k // 4,7 k = 4,3 k hoe
h fe zo' 120x 4300 vo c. Av = === - 164. 3150 vi hie
d. Jika hambatan dalam sumber isyarat zo = 600 dan zi penguat = 2,34 k dan tegangan isyarat 1 mV, maka tegangan masukan ke penguat adalah vi =
zi 2,34k vS = 1 mV = 0,76 mV z o zi 0,6k 2,34k
vo = Av vi = - 164 x 0,76 mV = 124,6 mV.
4). Dari gambar 6.9 apabila diketahui RB1 = 56 k, RB21 = 10 k, RB22 = 56 k, hOE = 2,5 x 10-5 mho, RE = 3,9 k, CB = 100 F dan = 300, tentukanlah a. besarnya impedansi masukannya dan b. berapa reaktansi kapasitif dari kapasitor jika frekuensi isyaratnya 1 KHz dan Vcc = 12 volt. Jawab : a. Dicari terlebih dahulu arus basis IB dengan mencari sumber tegangan pengganti VB dan hambatan pengganti RB RB = (RB1 //RB22 ) + RB21 = (56 k // 56 k) + 10 k = 38 k VB = IB =
56 K RB 22 Vcc = 12 V = 6 V. RB1 RB 22 112 K 6V 0,7V VB VBE = = 4,7 A 38K 301x3,9 K RB (1 ) RE 19
IE = (1 + 300) IB = 1,4 mA Gunakan rumus (3) dan (4) untuk mencari hie , yaitu hie = rb + ( 1 + ) hie = 300 + ( 1 + 300 )
25 IE
25 = 5675 ~ 5,6 k 1,4
Ternyata RE << 56 k // 56 k // 40 k dan hie < RB21 = 10 k, sehingga zi = hie + ( 1 + ) RE = 5,6 k + (1 + 300) 3,9 k = 1179,5 k ~1,18 M Terlihat jika tidak ada bootstrap impedasi masukan hanya 38 k, sedangkan dengan bootstrap impedansinya menjadi 1,18 M. b. Reaktansi kapasitifnya adalah XCB =
1 1 = = 1,6 . 2x1000 x100 x10 6 C B
5). Mana yang lebih praktis dalam kenyataannya penggunaan transistor bipolar sebagai penguat awal dibandingkan dengan menggunakan op-amp dalam rangkaian terpadu, tunjukkan
alasannya.
a. Penggunaan op-amp lebih praktis, karena sifat-sifat dasar op-amp sudah menunjukkan bahwa op-amp memiliki impedansi masukan tinggi dan impedansi keluaran rendah. Kualitas keluaran tentunya lebih baik karena rangkaian lebih terpadu. Namun dalam pembiayaan op-amp lebih mahal. b. Penggunaan transistor bipolar harus menghitung secara saksama piranti pasif yang digunakan agar diperoleh impedansi masukan yang dikehendaki. Namun pebiayaan komponen relatif lebih murah. Kualitas keluaran tergantung cara pemasangan.
4.6. Latihan 1 1). Apa perbedaan penggunaan penguat basis bersama, emitor bersama dan kolektor bersama untuk keperluan penguat awal. 2). Faktor-faktor apa yang harus diperhatikan untuk keperluan penguat awal.
20
3). Suatu tabung hampa yang dipakai dalam efek foto listrik memiliki tegangan keluaran 0,1 V dan impedansi keluarannya 10 M. Menggunakan rangkaian penguat awal apakah agar tegangan keluaran tersebut dapat terdeteksi dengan lebih baik. 4). Tunjukkan perbedaan penguat awal kolektor bersama tanpa teknik bootstrap dan menggunakan teknik bootstrap. 5). Suatu termistor akan digunakan sebagai sensor suhu dengan menggunakan jembatan wheatstone karena akan diperkuat oleh penguat awal op-amp dengan modus diferensial. Jika pada suhu nol termistor memiliki resistansi 100 dan pada suhu 400 C termistor memiliki resistansi 116 . Tentukan beda potensial antara dua titik jembatan, jika tiga hambatan lain besarnya tetap 100 . Anggap sumber tegangannya 2 volt.
Jawaban Latihan 1 1). Perbedaan antara ketiga konfigurasi penguat pada masalah penguatan tegangan, impedansi masukan dan impedansi keluaran adalah sebagai berikut : basis bersama
emitor bersama
kolektor bersama
Av
Tinggi
Tinggi
Rendah
zi
Rendah
Sedang
Tinggi
z0
Tinggi
Sedang
Rendah
2). Untuk penguat awal yang perlu diperhatikan adalah impedansi masukan. Seperti telah dibahas bersama
bahwa
antara impedansi keluaran dari piranti sumber isyarat yang
akan diperkuat sebaik-baiknya tepat sama dengan impedansi masukan dari penguat awal. Hal itu dimaksudkan agar daya yang dilesapkan antara dua piranti tersebut maksimal.
3). Untuk memenuhi impedansi masukan sebesar itu dan memperkuat tegangan isyaratnya paling baik digunakan penguat awal op-amp.
4). Penguat awal tanpa menggunakan teknik bootstrap,
impedansi masukan sangat
ditentukan oleh besarnya hambatan masukan pada rangkaian basis R B ditunjukkan rumus (15) dan (16), yaitu (15)
zi = RB // Rit
21
seperti yang
Rit adalah hambatan masukan transistor yang besarnya (16)
Rit =
vi 1 = hie + (1 + hfe)( RE // ) ib h0 e
Sedangkan menggunaka teknik bootstrap RB lenyap dan impedansi masukan tergantung dari Rit saja. 5). Kita gunakan gambar 6.12 untuk menyelesaikan soal ini. Misalkan titik C dianggap sebagai acuan, maka beda potensial antara titik D dan C atau VDC = 1 volt (dihitung dengan prinsip pembagi tegangan). Demikian pula dapat dihitung VBC = 1,074 volt. Tegangan diferensial adalah VBD = VBC – VDC = 1,074 volt - 1 volt = 0,074 volt.
4.7. Rangkuman 1). Semua konfigurasi transistor dwi kutub dapat digunakan sebagai penguat awal. 2). Pemilihan rangkaian tergantung pada impedansi keluaran sumber isyarat yang akan diperkuat, dengan patokan impedansi yang saling berhubungan diharapkan sama. 3). Apabila antara sumber isyarat dan penguat impedansi tidak sesuai dapat digunakan transformator penyesuai impedansi. 4).
Peningkatan impedansi masukan pada penguat kolektor bersama dapat digunakan
teknik pengangkat impedansi atau bootstrap. 5). Penguat kolektor bersama dapat berfungsi sebagai penyesuai impedansi dan disebut juga sebagai penguat penyangga karena penguatannya mendekati satu. 6). Untuk impedansi masukan yang sangat tinggi dapat digunakan rangkaian penguat terintegrasi yang intinya adalah penguat diferensial atau disebut juga penguat operasi (0pamp). 7). Rangkaian jembatan wheatstone dapat digunakan sebagai rangkaian perantara untuk menciptakan masukan diferensial.
22
4.8. Tes Formatif 1 1. Rangkaian setara parameter-h mempunyai sifat a. untuk menyelesaikan besaran dc b. untuk menyelesaikan besaran ac isyarat kecil c. bagian masukan merupakan rangkaian setara Norton d. bagian keluaran merupakan rangkaian setara Thevenin
2. Rangkaian transistor dalam konfigurasi basis bersama dapat digunakan sebagai penguat awal yang memiliki impedansi masukan pada orde a. sekitar ratusan ohm ( rendah) b. sekitar dua ribuan ohm (sedang) c. sekitar lima puluh kilo ohm (tinggi) d. sekitar satu mega ohm (sangat tinggi)
3. Rangkaian transistor dalam konfigurasi emitor bersama akan digunakan sebagai penguat awal mikrofon yang memiliki impedansi keluaran 50 k. Maka a. mikrofon dapat langsung dipasang b. tegangan keluaran mikrofon tetap c. tegangan keluaran diperkecil setengahnya d. perlu alat penyesuai impedansi
4. Suatu sumber isyarat memiliki tegangan keluaran 0,1 mV dan impedansi keluaran 1 M. Agar sistem ini memiliki
tegangan keluaran kira-kira tetap dan impedansi
keluarannya menjadi sangat rendah diperlukan penguat jenis a. basis bersama dengan transformator input b. emitor bersama dengan transformator input c. kolektor bersama tanpa teknik bootsrap d. kolektor bersama dengan teknik bootstrap
23
5. Suatu sumber isyarat memiliki tegangan keluaran 1 mV dan impedansi keluarannya 600 W dipasang pada suatu penguat yang impedansi masukannya juga 600 . Maka tegangan masukan yang akan diterima oleh penguat sebesar a. 0,0016 mV b. 0,5 mV c. 1 mV d. 2 mV 6. Impedansi keluaran dari penguat terangkai kolektor bersama, selain tergantung pada parameter yang ada pada transistor juga tergantung pada a. tegangan sumber isyarat b. penurunan tegangan sumber isyarat c. impedansi keluaran sumber isyarat d. jenis tegangan sumber isyarat. 7. Penguat terintegrasi atau op-amp yang terpasang pada
modus bersama memiliki
impedansi masukan sebesar a. sekitar 600 b. sekitar 2 k c. sekitar 1 M d. sekitar 1 G. 8. Penguat
kolektor
bersama
disebut
juga
sebagai
penguat penyangga, hal ini
disebabkan karena a. penguatannya kecil mendekati nol b. penguatannya kecil mendekati satu c. penguatannya besar dan tergantung besarnya hfe d. penguatannya sangat besar seperti penguatan op-amp 9. Besarnya impedansi keluaran dari kolektor bersama besarnya a. sama dengan rre b. sama dengan hie 24
ditinjau dari hambatan basis
c.
1 1
d. paralel terhadap hambatan sumber isyarat 10. Untuk membentuk sumber tegangan isyarat diferensial suatu penguat dengan
diferensial
bagi masukan modus
menggunakan op-amp yang berasal
tegangan tunggal dapat digunakan rangkaian a. jembatan wheatstone b. penyesuai impedansi c. penyangga tegangan d. teknik bootstrap.
25
dari
sumber
