diktat dasar elektronika

Upload: dharmawan-setiadi

Post on 12-Jul-2015

3.769 views

Category:

Documents


2 download

TRANSCRIPT

I.

PENDAHULUAN Elektronika merupakan pengembangan dari ilmu listrik yang mempelajari teori

tentang gerakan-gerakan elektron dari komponen-komponen aktif serta penggunaannya. Ilmu elektronika dikelompokkan menjadi dua cabang yang luas yaitu yang berhubungan dengan aliran electron dalam tabung hampa, gas atau benda padat disebut elektronika fisika. Sedang yang berhubungan dengan perencanaan, pengembangan dan pemakaian peralatan disebut teknik elektronika. 1.1 Perkembangan Elektronika Bidang elektronika dimulai dengan peremuan oleh Hertz (1888) bahwa energi elektromagnetik dapat dirambatkan dan dideteksi. Elektronika memasuki suatu masa evolusi yang cepat dengan ditemukan dioda tabung oleh Fleming (1903), diikuti penemuan pendeteksi kristal oleh Picard (1906) dan selanjutnya penemuan triode tabung oleh De Forest (1907). Perkembangan selanjutnya dengan ditemukan komponen semikonduktor sebagai bahan dasar pembuatan komponen elektronika; dan pada tahun 1948 ditemukan transistor oleh Bardeen dan Brattain selanjutnya oleh Shockly tahun 1949 dikembangkan teori junction transisitor dan berkembang terus sampai ke komponen terpadu (IC = integrated Circuit) Elektronika telah maju dengan pesat dan digunakan secara luas di berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi dan tidak dapat dipisahkan dari kehidupan modern. 1.2 Tabung Elektron Tabung elektron merupakan komponen elektronika yang berbentuk tabung silinder yang di dalam ruang hampa atau sebagian dihampakan terjadi penghantaran elektronis. Di dalam tabung electron terpasang elektroda-elektroda dan pemanas (heater). Tabung electron terdapat 2 macam yaitu 1. Tabung hampa yaitu tabung electron yang di dalamnya tedapat tekanan gas sangat rendah sehingga tak berpengaruh pada kerja tabung

1

2. Tabung gas yaitu tabung electron yang di dalamnya terdapat gas mulia sperti helium, neon,argon, krypton dan xenon untuk maksud-maksud tertentu. Uap dari gas-gas tersebut mempengaruhi kerja tabung. Tabung elektron didapatkan dalam berbagai jenis dengan ditandai jumlah elektrodanya yaitu dioda; trioda; tetroda; pentode; hexoda ; septoda dst. Konstruksi tabung electron dan simbulnya terlihat pada gambar berikut. A= anoda A K Dioda ( a) K Dioda gas ( b) Gambar 1. Tabung elektron a) Bentuk fisik b) Simbol-simbol 1.3 Pancaran /emmisi elektron Emmisi elektron adalah peristiwa memancarnya elektron dari bahan emisi karena pengaruh dari luar yang 1. Panas disebut emmisi thermis 2. Medan listrik disebut emmisi kuat medan 3. Sinar (foto) disebut emmisi foto. 4. Enersi elektron disebur emisi primer 5. Pantulan elektron disebut emisi sekunder Tabung elektron bekerjanya berdasarkan emisi termis dan emmisi kuat medan. 1.4 Bahan emmisi Oleh karena tabung berkerja berdasarkan emmisi thermis maka dibutuhkan bahan emisi yang mempunyai daya tahan terhadap panas ( 0 K -1) . Bahan-bahan tersebut adalah : mampu mengalahkan rintangan permukaan bahan emisi. Emisi elektron dapat terjadi akibat : A G K Trioda Tetroda K = Katoda A G = Grid A G SG K SG = Sreen Grid

2

No 1. 2. 3. 4. 5.

Nama Bahan Calsium Carbon Cesium Nickel Oxide Coating

(K-1) 31.100 54.400 21.000 58.000 11.600

No 6. 7. 8. 9.

Nama Bahan Tantalum Thorium Tungsten Thoriated Tungsten

(K-1) 47.600 39.400 52.400 30.500

2. BAHAN SEMIKONDUKTOR Susunan pita dari benda padat dapat dikelompakkan menjadi 3 kelompok yaitu : 1. logam (konduktor) yang memiliki tahanan jenis antara 10 -6 sampai 10-5 . 2. isolator yang memiliki tahanan jenis antara 10 -6 sampai 10-18 . 3. semikonduktor yang memiliki tahanan jenis antara 10 -3 sampai 10-7 . Bahan semikonduktor besar tahanan jenisnya berada diantara konduktor dan isolator sehingga dapat bersifat sebagai konduktor dan isolator. Tahanan jenis dengan inisial p (baca rho) dihitung dengan rumus P= p = tahanan jenis R = tahanan bahan A (q) = luas l = panjang banah /cm cm2 cm

R. A ( ) 2 = cm l cm

Contoh : konduktor ( tembaga p = 10 -6 cm ) semikonduktor ( germanium p = 5. 10 1 cm, silikon p = 5. 10 4 cm ) isolator ( mica p = 10 12 cm ) 2.1. Level Energi Diagram pita (band) energi elektron untuk bahan isolator, semikondfuktor dan konduktor seperti terlihat pada gambar 2. berikut ini.

3

Energi elektron pita conduksi EG=0 pita valenci pita valenci

pita konduksi pita konduksi EG EG EG = Energi gap

pita valenci konduktor semi konduktor isolator jarak jarak konduktor semi konduktor isolator Gambar.2. Level energi Besar level energi W = Q.V (elektron Volt / eV ) = (1,6 . 10 -19 coulomb). V 1. eV = 1,6 . 10 -19 joule 2.2. Bahan Dasar Semikonduktor Penggolongan bahan untuk semikonduktor adalah sebagai berikut: Bahan utama : silicon dan germanium sebagai golongan IV 1. Bahan campuran : Be, Mg, Zn, Cd, Hg . golongan II B, Al, Ga, In, Tl golongan III (aseptor) C, Sn, Pb ...golongan I N, P, As, Sb, Bi .golongan V (donor) O, S, Se, Te, Po .golongan VI Bila golongan V didoping ke golongan IV maka menghasilkan logam type N (elektron) Golongan III didoping ke golongan IV menghasilkan logam type P (hole). Logam jenis N memiliki pembawa muatan negatip sebesar 1,6. 10 pembawa muatan positip + 1,6. 10 dengan nama dioda PN.-19 -19

isolator

C sedang logam jenis P

C. Apabila kedua kedua logam tersebut

dihubungkan/ disambung, maka akan terjadi sambungan (junction) PN dan dikenal

4

2.3. Bahan Instrinsik N dan P Penghantaran semikonduktor terutama hanya ditentukan oleh pembawa yang dibangkitkan panas, maka semikonduktor ini dinamakan semikonduktor murni atau instrinsik. Semikonduktor murni pada 0 o K bersifat isolator. Semikonduktor yang mengandung atom pencampur dinamakan semikonduktor teresapi, tercamur atau ekstrinsik. Penghantaran semikonduktor ekstinsik ditentukan oleh kelebihan elektron atau hole dari atom ato-atom pencampur. Pencampuran yang sering digunakan adalah golongan III dan V. Semikonduktor yang berisi pencampur jenis donor (golongan V) dinamakan semikonduktor jenis N, karena pembawa-pembawa arus yang dihasilkan merupakan muatan negatip (elektron) sedang yang berisi pencampur jenis aseptor (golongan III) dinamakan semikonduktor jenis P karena pembawa-pembawa arusnya merupakan muatan positip (lobang)

5

3. DIODA SEMIKONDUKTOR 3.1. Karakteristik Dioda Dioda semikonduktor merupakan sambungan antara logam jenis P dengan jenis N. Jenis P disebut anoda sedang N disebut katoda. Sifat dari dioda PN dipengaruhi oleh pemberian catu daya. 1. Dalam kondisi tidak diberi pengaruh (VD = 0V ) dari luar, pada sambungan tersebut terjadi depletion layer (daerah kosong =dk) dan merupakan energi halangan, karena pada daerah tersebut elektron (negatip) dan lobang (positip) saling berdifusi Daerah ini lebarnya sekitar 0,5m. 2. Apabila dioda dicatu daya dengan VD > 0V atau P lebih positip terhadap N maka akan terjadi gaya pada lobang (positip) dan elektron (negatip) yang mengakibatkan lobang dan elektron bergerak menuju sambungan. Akibatnya daerah kosong menyempit dan energi halangan menjadi sangat kecil. Hal ini menyebabkan arus mengalir terutama akibat pembawa mayoritas (IB) yaitu jenis P ke N dan jenis N ke P. Sebaliknya arus pembawa minoritas(IS) mengalir arah sebaliknya tidak dipengaruhi oleh catu daya. Pemberian catu daya ini disebut forward bias. 3. Apabila dioda dicatu daya dengan VD < 0V mengakibatkan lobang dan elektron bergerak menjauhi sambungan sehingga menyebabkan daerah kosong melebar dan energi halangan menjadi besar. Hal ini menyebabkan arus pembawa mayoritas akan sama dengan nol. Namun arus pembawa minoritas yang melalui daerah kosong ini sangat kecil. Arus ini disebut arus jenuh balik Pemberian catu daya ini disebut dicatu balik atau mundur atau reverse bias. anoda (a) IB =0 IS =0 dk P N VD=0 (b) IB P VD>0 (c) dk IS N IB =0 P VD0V ID > 0

-VD Reverse bias VD< 0V ID = - IS

0 - ID A

VD non bias VD=0V ID = 0

Gambar 4. Karakteristik dioda Arus total yang mengalir pada dioda daerah forward dan reverse adalah ID = IS ( e kVD/T - 1 ) Keterangan : IS = arus jenuh balik e = muatan electron ( 1,6 . 10 -19 colomb ) k = konstanta Boltzman ( 1,38 . 10 -23 joule oK -1) VD = tegangan dioda T = temperature dalam oK (300 oK ) Bila dioda dialiri DC maka tahanan dioda dinamakan tahanan statis yang besarnya Bila dialiri AC tahanan dioda dinamakan tahanan dinamis sebesarRDC = VD ID

r AC = vd / id r AC = (kT/e) / id 3.2. Ekivalen Dioda

vd = k. T /q r AC =

maka

26mV id

Dalam kondisi dioda tidak mendapat catu daya dari luar dioda memiliki daerah kosong. Daerah kosong tersebut akan dapat mengalirkan arus dari luar bila catu daya yang

7

dipasang mampu mengalahkan halangan pada daerah kosong tersebut.Tegangan E yang dibutuhkan lebih besar dari tegangan halangan (VT) yang dimiliki oleh dioda. tersebut dioda. VT dioda germanium adalah 0,3V sedang untuk silicon 0,7V. Demikian juga tahanan dioda besarnya dipengaruhi tegangan dari luar. Kondisi maju (forward ) tahanan dioda ( Rf ) sangat kecil yang idealnya Rf =0. Bila dipersamakan dengan sebuah saklar maka saklar (S) tersebut dalam keadaan tertutup. Sedang kondisi mundur ( reverse) tahanan dioda (Rr ) sangat besar yang idealnya Rr = . Bila dipersamakan saklar keadaan terbuka. Dioda dapat digambarkan rangkaian persamaannya seperti gambar 5.b berikut.ini. S Kondisi forward Kondisi reverse Rf =0 Rr = . (a) Anoda + ID VD Katoda ID A VD VT R K Dioda ideal S

(b) Gambar. 5. Ekivalen dioda (a) saklar (b) rangkaian

8

4. RANGKAIAN DASAR DIODA

Dioda sering juga disebut komponen satu arah yang artinya bahwa dioda hanya dapat mengalirkan arus dari luar bilamana anoda lebih positip dari katoda. Sebaliknya bila anoda negatip terhadap katoda maka dioda tidak dapat mengalirkan arus. Pada kondisi maju, tahanan ideal dioda adalah nol, oleh karena itu rangkaian dioda perlu ditambahkan resistan yang dipasang seri sebagai pengaman terhadap arus lebih. Seperti komponen lainnya, dioda dalam rangkaian dapat dipasang seri, atau.parallel4.1. Analisis Garis Beban

Karakteristik sebuah dioda dapat ditemukan pada katalog atau dioda spesifikasi sheet. Data spesifik dioda memuat antara lain : 1. Tegangan forward (VF) 2. Arus maksimum forward ( IF) 3. Arus jenuh reverse (IR) 4. Tegangan reverse atau Peak Invert Voltage (PIV) 5. Penyimpangan daya (power dissipastion) 6. Operasi daerah panas. Apabila sebuah dioda dibebani resistan R dan dihubungkan dengan batre E maka akan mengalis arus dioda sebesar ID dan tegangan pada R sebesar ID R

ID E

VD R VR

IDE/R

IDQ 0 VDQ

Q

Garis beban

E (b)

VD

(a)

Gambar 6. Susunan dioda seri. (a) Rangkaian (b) Garis beban

9

Dari gambar 6a menurut hukum Kirchoff tegangan : E - VD - VR = 0 E = VD + ID R Arus dioda ID akan maksimum apabila VD = 0 sehingga E = 0 + ID R maka IDmax = E / R VD maksimum bila ID = 0 sehingga E = VDmax Apabila antara IDmax dan E ditarik sebuah garis, maka garis tersebut disebut garis beban. Titik perpotongan antara garis beban dan lengkung karakteristik dinamakan titik Q (quisent point) atau titik kerja ( work point). Pada titik tersebut arus mengalir sebesar IDQ dan tegangan VDQ4.2. Susunan Rangkaian Dioda 4.2.1. Dioda seri dengan beban

Sebuah dioda silicon dihubungkan seri dengan beban R seperti terlihat pada gambar 6.a bila besar E< VT maka ID = 0 ini berarti bahwa rangkaian dalam keadaan terbuka (open)dan tegangan pada beban nol atau VR = 0. Dengan demikian tegangan pada dioda VD=E Sebagai contoh Tegangan E sebesar 0,4V dicatukan pada dioda silicon yang dibebani R sebesar 1 Hitung besar ID ,VR, VD dan titik kerja. Penyelesaian: oleh karena 0,4 V < 0,7 V maka ID = 0 VR = ID R = 0. 1 K.= 0V VD = E= 0,4V ini berarti bahwa titik kerja dioda pada 0,4V 0E

ID VD 0,7V 0,4V Gambar 7. titik kerja E=0,4V

10

4.2.2. Dua dioda seri non oposisi

Rangkaian dua dioda silicon dan germanium non oposisi atau terhubung seri saling memperkuat dibebaani R seperti gambar berikut +E ID Si Ge IRR

Vo

Vo dan ID dapat dihitung sbb: Vo = E ( 0,7 + 0,3) V ID = IR = VR/R = Vo / R

Gambar 8. Dioda seri saling memperkuat4.2.3. Dioda seri oposisi

Rangkaian dua dioda silicon terhubung seri oposisi dibebani R seperti gambar berikut Pada kondisi tersebut dioda D1 forward tapi D2 reverse maka IR terbuka sehingga ID = IR =0 maka Vo = 0 Tegangan VD2 = E dan VD1= 0 Gambar 9. Dioda seri oposisi Rangkaian dioda dengan 2 catu daya pada gambar berikut ini tegangan pada masingmasing R, tegangan output dan arus dapat dihitung sbb: Dari rangkaian tersebut E1 dan E2 dalam hubungan saling menguatkan sehingga besar tegangan catu adalah ET = E1+E2

E1 V1

R1 V2 E2

Si I R2 E2

Vo I=

Arus yang mengalir pada rangkaian

( ET E T ) (R1 + R2 )

Gambar 10. Rangkaian dioda dengan dua catu daya

V 1 = I R2 V2 = I R 2 Menurut hukum Kircchof tegangan - E2 + V2 Vo = 0 maka Vo = V2 - E2

Bila E2 > V2 maka Vo mempunyai arah berlawanan dari yang ditentukan

11

4.2.4. Dua dioda hubungan jajar (parallel )

Dua buah dioda silicon arah sama dihubungkan jajar arus pada msing-masing dioda dan tegangan ouput dapat dihitung sbb: I R E ID1 D1 D2 Vo ID2 D1 // D2 maka VT1 // VT2 = Vo = 0,7V I = ( E Vo ) / R Oleh karena D1 = D2 maka ID1 = ID2

Gambar 11. Dua dioda parallelSoal soal : 1. Hitunglah besar arus ( I ) yang mengalir pada rangkaian gambar 12 berikut:

D1E1=20V I R=2,2K Si E2=4V

Si

D2

Gambar 12. Rangkaian soal 1 2.Hitunglah V2, V1, I2, dan ID2 rangkaian berikut di bawah ini D1=D2=Silikon I2 VT1 E=20V ID2 R2=5,6K V2 Gambar 13. Rangkaian soal 2 VT2 I1 R1=3,3k V1

12

5. APLIKASI DIODA 5.1. Gerbang AND / OR

Dioda sebagai saklar dapat digunakan untuk rangkaian gerbang /logika sebagai dasar dari rangkaian komputer. Dalam bilangan biner hanya dikenal angka 1 dan 0. Angka 1 dalam hal ini berarti positip, sedang angka nol berarti nol atau negatif.5.1.1. Gerbang OR

Rangkaian gerbang OR (ATAU) logikanya adalah lampu C akan menyala (1) apabila saklar A atau B atau keduanya tertutup (1) ini berarti bahwa bila A dan B terbuka (0) maka lampu akan mati (1) seperti tabel 10.c A 0 0 1 1 Gambar 10. Gerbang OR (a) rangkaian logika (b) rangkaian dioda (c) tabel kebenaran Dari gambar 14 b. pada kondisi A=B=0 berarti terhubung pada batere minus, maka arus tidak mengalir (I=0) beban. Pada A=0 dan B=1 arus mengalir lewat D1 sebesar I = (E VT1) /R. Begitu juga saat A = 1 dan B = 0. Bila A = B = 1 maka arus mengalir melalui kedua dioda. Oleh karena VT1 = VT2 = VT besar arus yang mengalir pada beban adalah I = (E -VT) /R. Besar tegangan pada beban Vo = I. R5.1.2 Gerbang AND

B 0 1 0 1

C 0 1 1 1

Rangkaian gerbang AND (DAN) logikanya adalah lampu C akan menyala (1) bila saklar A dan B tertutup (1). Ini berarti bahwa bila A atau B atau keduanya terbuka (0) maka lampu akan mati (0) seperti terlihat pada tabel kebenaran gambar 11 b. A 0 0 1 1 Gambar 15. Gerbang AND (a) rangkaian logika (b) rangkaian dioda (c) tabel kebenaran B 0 1 0 1 C 0 0 0 1

13

Bila A = B = 0 kedua dioda melalukan arus pada R sebesar I = ( E VT ) /R besar tegangan pada C sama dengan VT atau I . (Rf1 // Rf2 ) = 0 V Besar arus tersebut akan sama saat A = 0 ; B=1 atau A=1; B=0 Pada kondisi tersebut salah satu dioda on dan lainnya off secara bergantian. Pada kondisi A = B = 1 rangkaian menjadi terbuka sehingga arus tak mengalir dan tegangan pada C = E = 15.2. Pemotong (Clipper)

Dioda dapat melalukan

bagian positip atau bagian negatipnya saja apabila dioda

diberikan masukan (input) berupa sinyal bolak balik dari berbagai bentuk. Pemasangan dioda dapat secara seri atau parallel terhadap masukannya.

0

vi R

vo 0

0

vi R

vo 0

0

vi R

vo 0

0

vi R

vo 0

Gambar 16. Clipper seri

R 0 vi R 0 vi vo 0 0 vo 0 0

R vi R vi vo 0 vo 0

Gambar 17. Clipper paralel

14

Dengan menambahkan tegangan DC sisipan

pemotong

dapat melalukan bentuk

gelombang masukkan dan keluaran (output) sesuai dengan yang diinginkan

Gambar 18. Cliper seri dengan sisipan tegangan DC a) Rangkaian cliper seri b) Bentuk masukkan c) Bentuk keluaran V R vi =Vm VD V vi Vm 0 Vm V 0 vo

Gambar 19. Cliper paralel dengan sisipan tegangan DC a) Rangkaian cliper paralel b) Bentuk masukkan c) Bentuk keluaran5.3. Dioda Penjepit (Clamper)

Dengan memanfaatkan sebuah kondensator maka dioda dapat berfungsi sebagai penjepit ( clamper) seperti terlihat pada gambar 12. berikut ini. Fungsi dari kondensator(C) adalah menyimpan dan melepas muatan pada beban R dengan tetapan waktu RC. Pada saat masukan positip kondensator akan terisi muatan listrik sampai tegangan maksimum sehingga tegangan pada kondensatorVc = Q/C sama dengan tegangan masukkan (V). Pada kondisi ini dioda akan forward atau hubung singkat (short), sedang saat masukan negatip dioda akan reverse atau terbuka (open) dan kondensator melepas muatan ke beban R.Dalam satu periode input tegangan keluaran pada R menjadi vo= -V+(-Vc)= -2V

15

vi V 0 + (a)

+

CD R

-

vo

vo0

vo0

+2V

vi

-2V (b) (c) Gambar. 20 Clamping (d)

a) bentuk masukkan b) rangkaian c) bentuk keluaran d) bentuk keluaran Apa bila dioda gambar 20 b. arahnya dibalik, maka bentuk gelombang keluaran akan menjadi positip tegangan sebesar vo= V+(Vc)= 2V Seperti halnya clipper, bila clamping disisipkan tegangan DC sebesar V dan masukkan mempunyai frekuensi dan amplitudo tertentu seperti terlihat pada gambar 19, bentuk gelombang keluaran dapat dianalisis sebagai berikut

Gambar 21 Clamping dengan sisipan DC Frekuensi 1 KHz dalam 1 periode T=1/f = 1 ms. Interval tiap setengah periode adalah 0,5 ms. Untuk setengan periode t1 t2 (gambar 21 a) tegangan masukkan adalah -20V dioda short (gambar 21.b) maka Vo = 5V. Tegangan pada konndensator Vc menurut persamaan Khirrchof dapat dihitung : - 20 + Vc 5V = 0 Vc = 20 + 5 = 25 V Untuk setengah periode t2 t3 masukkan + 10V dioda menjadi open dan tegangan DC tidak berfungsi maka arus mengalir dari masukkan ke kondensator kemudian ke R dan kembali ke masukkan. Menurut hokum Khirrchof tegangan + 10V + 25V Vo = 0 Vo = 10V + 25V = 35V Tetapan waktu selama pengosongan kondensator adalah = RC. = ( 100 K) ( 0,1F) = 0,01 s = 10 ms Tegangan keluaran Vo menjadi 35V 5V = 30V diatas level tegangan DC 5V seperti terlihat pada gambar 21c.

16

5.4. Penyearah

Penyearah (rectifier) menjadi DC yaitu:

adalah rangkaian yang bertujuan megubah masukkan AC

(alternating current) menjadi DC (direct current). Ada dua cara penyearahan AC

5.4.1 Penyearah setengah gelombang (half wave rectifier)

Penyearah setengah gelombang adalah penyearah yang setiap periode input ( positip dan negatip) output nya menghasilkan setengah periode positip atau satu puncak positip.

Gambar 22. Penyearah setengah gelombang. a) Rangkaian b) input sinusoidal c) bentuk output Saat input setengah periode positip 0 t 1 (gambar 22.b) dioda on maka tegangan padaoutput R sebesar Vo = Vm - VT (gambar 22.c). Bila Vm >> VT maka Vo = VM atau

dioda dianggap ideal. Setengah periode negatip berikutnya dioda akan off, sehingga tidak ada arus yang mengalir pada R sehingga output nya Vo = 0. Tegangan output ratarata VDC dapat ditentukan dengan rumus VDC = 0,318 (Vm - VT) Bila arah dioda dibalik maka bentuk gelombang output pada gambar 22 c.akan terbalik.5.4.2 Penyearah gelombang penuh (full wave rectifier)

Penyearah gelombang penuh adalah penyearah yang setiap periode input pada output nya menghasilkan dua puncak positip. Ada dua cara penyearah gelombang penuh yaitu cara cabang tengah dan cara jembatan.

17

5.4.2.1 Cara cabang tengah (centre tap)

Vi 0 t1 (a) t2

Vo0

D1 A

t1

VDC =0,636 V t2 (b)

PB

S

R

D2

(c)

Gambar 23. Penyearah cabang tengah a) bentuk input b) bentuk output c) rangkaian Saat input setengah periode 0-t1 titik A positip maka dioda D1 positip (on) dan dioda D2 negatip (off )maka arus mengalir dari D1 ke R kemudian ke cabang tengah. Pada R menghasilkan setengah peiode positip. Setengah periode berikutnya t1

t2 titik B

positip dioda D1 negatip (off ) dan dioda D2 positip (on ) dan arus mengalir dari D2 ke R kemudian ke cabang tengah. Pada R menghasilkan setengah peiode positip. Dengan demikian dalam satu periode input menghasilkan 2 puncak positip . Tegangan rata-rata DC adalah 2 x 0,318 VM = 0,636 VM. Tegangan maksimum VM adalah tegangan antara titik A atau B dengan cabang tengah.5.4.2.2 Cara jembatan ( bridge )

Cara ini menggunakan 4 buah dioda jenis sama yang dihubungkan secara jembatan, Cara kerjanya tidak berbeda dengan cara cabang tengah. Pada cara jembatan ini saatinput setengah periode 0-t1 titik A positip dioda D1 dan D3 positip (on) dan dioda D2 dan

D4 negatip (off ) maka arus dari A ke dioda D1 ke R ke D3 terakhir ke B. Pada R menghasilkan setengah peiode positip.

Gambar 24. Penyearah jembatan a) bentuk input b) bentuk output c) rangkaian

18

Setengah periode berikutnya t1 t2 dioda D1 dan D3 negatip (off ) sedang dioda D2 dan D4 positip (on ) dan arus mengalir dari titik B ke D4 ke R kemudian ke. D2 dan terakhir ke titik A. Pada R menghasilkan setengah peiode positip. Dengan demikian dalam satu periode input menghasilkan 2 puncak positip . Tegangan rata-rata DC adalah 2 x 0,318 Vm = 0,636 Vm. Tegangan Vm.adalah tegangan maksimum antara titik A dan titik B.5.5. Saringan (filter)

Bentuk gelombang output penyearah setengah gelombang maupun gelombang penuh belum rata seperti yang diharapkan, namun masih merupakan perubahan dari 0 ke puncak positip dan ke 0 lagi. Perubahan ini disebut riak (ripple). Bila bentuk ini diberikan pada pesawat audio, maka akan menghasilkan suara yang berdengung, karena pengaruh frekuensi jala-jala sebesar 50 Hz. Agar bentuk gelombang menjadi/mendekati rata, maka perlu dipasangkan saringan (filter) pada bagian output. Sebagai komponen penyaring dapat dipergunakan kondensator. Kondensator dipilh oleh karena mempunyai sifat dapat diisi (charger) dan menyimpan (storage) serta membuang (discharger) muatan listrik. Waktu yang dibutuh untuk terisi, menyimpan dan membuang muatan listrik dipengaruhi oleh besar komponen tempat pembuangan muatan listrik, seperti terlihat pada gambar berikut ini. S Vo E C (a) R 0 t1 t2 t3 E Vc RC t Vo

(b) Gambar 25. Saringan kondensator a) rangkaian b) grafik pengisian, penyimpanan dan pengosongan Dari gambar 25 a. bila saklar S ditutup maka arus mengalir dari sumber tegangan E ke kondensator. Kondensator terisi muatan listrik selama t1 sampai mencapai maksimum sehingga tegangan kondensator besarnya sama dengan sumber tegangan (Vc=E). Karena Vc=E arus terhenti dan saklar S disamakan terbuka. Pada keadaan tersebut kondensator menyimpan muatan listrik selama t2. Kemudian pada saat tertentu

19

kondensator membuang muatan listriknya ke R selama t3 atau

RC. Semakin besar

kapasitas kondensator ( C ) dan resistan ( R ) maka waktu pembuangan semakin lama. Sifat kondensator tersebut diterapkan pada penyearah, sehingga bentuk output mendekati rata. Bentuk input dan output penyearah terlihat pada gambar berikut ini. Penyearah setengah gelombang . Vi Vm 0 t1 (a) t2 t3 t Vo Vm VDC VMin 0 VRiple VRiple max VRiple min t

(b) Gambar 26. Penyearah setengah gelombang (a) bentuk input (b) bentuk output

Penyearah gelombang penuh Vi Vm Vo Vm VDC VMin 0 t1 t2 t3 (c) t 0 t (d) Gambar 27. Penyearah gelombang penuh (a) bentuk input (b) bentuk output VRiple

Saat input 0 - t1 kondensator terisi sampai mencapai maksimum Vm dan menyimpannya dan saat input t1 - t2 kondensator membuang muatan listrik ke beban ( R ). Muatan yang dibuang belum habis sudah terisi lagi saat input t2 - t3 sehingga output mencapai Vm lagi. Demikian seterusnya sehingga bentuk gelombang output seperti terlihat pada gambar 26 b dan 27 b. Penurunan tegangan dari Vm sampai Vmin disebut tegangan riak (ripple), yang besarnya dapat dihitung V Ripple = Q/C volt : =I .t Keterangan : c

Q = muatan listrik .coulomb C = kapasitas kondensator Farad

20

I = arus pada beban .ampere t = waktu .. detik untuk setengan gelombang t = 0,02 detik, gelombang penuh t = 0,01 detik Tegangan ripple terdiri dari tegangan ripple masksimum (VRiple max ) dan tegangan ripple minimum (VRiple min ). V Ripple = (VRiple max ) + (VRiple min ). Tegangan searah VDC = Vm - VRiple max5.6. Besaran-besaran listrik

Besaran listrik yang utama terdiri dari tegangan, arus dan daya terbagi menjadi tiga besaran yaitu :5.6.1 Besaran maksimum

Besaran maksimum diukur dan digambarkan oleh alat ukur Osiloskop. Osiloskop mengukur dan menggambarkan dalam besaran puncak ke puncak (peack to peack) atau maksimum positip sampai minimum negatip. Besaran maksimun merupakan setengah dari puncak ke puncak. Untuk tegangan maksimum Vm = (V ptp)/2 dan untuk arus maksimum Im = ((I ptp)/25.6.2 Besaran effektif.

Besaran effektif diukur dengan alat ukur AC. Besaran effektip lebih kecil 0.707 dari besaran maksimum Untuk tegangan effektip Veff = 0,707 Vm dan untuk arus maksimum Ieff = 0,707 Im5.6.3. Besaran rata-rata

Besaran rata-rata (average) diukur dengan alat ukur DC. Untuk penyearah setengah gelombang besaran rata-rata lebih kecil 0,318 dari besaran maksimum sedang untuk penyearah gelombang penuh 0,636 dari basaran maksimum Penyeerah setengah gelombang Tegangan rata-rata Vr = V rata-rata = 0.318 Vm dan arus rata-rata Ir = I rata-rata = 0.318 Im Penyearah gelombang penuh

21

Tegangan rata-rata V rata-rata = 0.636 Vm

arus rata-rata I rata-rata = 0.636 Im

5.6.4. Hubungan besaran effektip dengan besaran rata-rata

Besaran rata-rata bisa diukur dengan menggunakan alat ukur AC tetapi harga yang ditunjukkan meter harus diperhitungkan sebagai berikut: Penyearah setengah gelombang Veff = 0,707 Vm = 0,707. 3,144 V rata-rata = 2,22 V rata-rata maka untuk tegangan Untuk tegangan V rata-rata = 0,45 Veff untuk arusnya I rata-rata = 0,45 Ieff Penyearah gelombang penuh V rata-rata = 0,9 Veff untuk arusnya I rata-rata = 0,9 Ieff Demikian sebaliknya bila besaran AC diukur dengan meter DC. Dari ke tiga besaran tersebut bila digambarkan pada gelomnag bentuk sinusoidal adalah sepert berikut V Vm 0,707 0,636 0,318 0

Vr

Vr

Veff

Vm

V p t p = Vm t m t

-Vm Gambar 22. Hubungan besaran besaran listrik

22

6. TRANSISTOR 6.1. Konstruksi dan Operasi

Pada

tanggal

23

Desember

1947

Walter

H

Brattain

dan

John

Barden

mendemonstrasikan penambahan elektroda ketiga diantara dua jenis semikonduktor kristal tunggal yang sama yaitu germanium atau silikon pada sambungan. Sehingga didapatkan sambungan logam P diapit N dan logam N diapit P.(gambar 23a) Sambungan ketiga logam tersebut transistor singkatan dari tranfer resistor atau disebutbi junction transistor (BJT). Pada dasarnya BJT tersebut merupaka dua buah dioda PN

yang terhubung bertolak belakang seperti terlihat pada gambar 29b. berikut ini. ++ P E -- + + N P (a) B C (b) E B (c) Gambar 29. Transistor a) Teknologi PNP dan NPN b) Analogi 2 dioda c) Simbul PNP dan NPN C E B C E B C --- ++ --N P N

Dari gambar 29b. ujung kiri disebut elektroda Emitor, titik sambungan disebut Base dan ujung kanan disebut Colektor. Identik dengan tabung electron Trioda, emitor (katoda) sebagai penghasil emisi electron, Basis (grid) sebagai pengatur arus elektron dan Colektor (anoda) sebagai pengumpul electron. Simbul transistor PNP dan NPN dibedakan dengan arah panah pada Emitor. PNP arah emitor masuk sedang NPN keluar.6.2. Susunan Penguat Transistor dan pembiasan

Fungsi utama dari transistor adalah untuk penguat sinyal input baik tegangan maupun arus. Disamping penguat, transisitor dapat juga berfungsi seperti apa yang dilakukan oleh dioda bahkan besaran pada output nya lebih besar dari input nya sedang dioda adalah sebaliknya.

23

Susunan /konfigurasi untuk penguat dapat disusun menjadi 3 (tiga) susunan yaitu: 1. Susunan penguat Common Base ( Basis bersama) 2. Susunan penguat Common Emitor (Emitor bersama) 3. Susunan penguat Common Colector (Colektor bersama) Common (bersama) artinya bahwa elektroda tersebut merupakan titik pertemuan dua sumber daya elektroda lainnya yang mempunyai kondisi netral dan biasanya ditandai dengan simbul ground atau tanah. Inisial sumber daya ditentukan oleh elektrodaelektroda yang bukan elektroda yang terhubung tanah. Ke tiga susunan tersebut diuraikan seperti berikut.6.2.1 Susunan Common Base (CB)

Pada susunan ini, Basis terhubung dengan sumber tegangan VEE milik Emitor dan VCC milik Colektor dan Basis merupakan netral /ground nya. Biasanya sumber tegangan tidak digambarkan dalam simbul batre, tetapi cukup ditulis dengan inisial tegangan (V) dan polaritasnya ( + atau - ) saja. Arah arus input dan output untuk transisitor untuk PNP dan NPN adalah berlawanan seperti gambar berikut E + VEE IE IB B B (a) (b) IC C E IE IC C +

Gambar 30. Susunan Common Base a) arah arus PNP b) arah arus NPN Pada gambar 30. arus IE adalah arus input, sedang IC arus output. Perbandingan antaraoutput dengan input disebut penguatan. Penguatan arus DC pada CB diberi inisial

(alfa) adalah : dc = IC / IE jadi IC = IE I C IE dan IE = IC /

24

IB = IE - IC atau IB = IE - IE atau IB = IE ( 1 - ) Dalam kondisi beroperasi, transisitor akan mengalami arus bocor dari basiss ke kolektor yang disebabkan oleh agitasi termis sebesar ICBO. Bilamana diperhitungkan maka : IB = IE ( 1 - ) - ICBO maka IC = IE + ICBO Makin tinggi temperature transisitor akan makin besar ICBO dan IC makin besar dan panas akan tinggi pula sehingga ICBO makin tinggi. Hali ini akan menyebabkan transistor rusak. Peristiwa ini disebut Thermal run away. Penguatas arus AC merupakan perbandingan antara perubahan arus output (IC) terhadap pengaruh perubahan arus input (IE) untuk tegangan output (VCB) tetap. ac = (IC) / (IE)6.2.2 Susunan Common Emitor (CE)

VCB = constant

Untuk susunan Emitor bersama, input terletak antara Basis Emitor sedang outputnya Antara kolektor emitor. Emitor merupakan netral seperti terlihat pada gambar 25 berikut.- VCC IC

IC - VBB IB IE (b)

+ VCC

+VBB

IB IE (a)

Gambar 31. Susunan Common Emitor a) arah arus PNP b) arah arus NPN Arus-arus yang mengalir pada transistor adalah sebagai berikut: IE = IB + IC dan IC = IE + ICBO IC = { (IB + IC )} + ICBO IC = { ( IB )/ (1- ) }+ { (ICBO) / (1- ) } IC =I I B + CBO 1 I 25

Penguatan arus untuk emitor bersama ditunjukkan dengan inisial (beta) adalah arusoutput IC berbanding arus input IB

Untuk penguatan arus DC Penguatas arus AC merupakan perbandingan antara perubahan arus output (IC) terhadap pengaruh perubahan arus input (IB) untuk tegangan output (VCE) tetap. ac = (IC) / (IB) VCE = constant Hubungan dan dapat dikembangkan sehingga menjadi rumus-rumus sperti di bawah ini dengan mengingat = IC /IB , IB = IC / ; = IC / IE , dan IE = IC / disubstitusikan ke IE = I B + I C IC / = I C / + I C masing-masing dibagi dengan IC didapatkan 1/ = 1/ + 1 atau jadi atau =+ = ( +1 ) = / ( +1) = / 1- IE = I B + I C= IB + I B

Arus emitor IE dapat ditentukan juga dengan mengingat IC = IB maka

IE = ( +1 ) IB6.2.3 Susunan Common Colector (CC)

Susunan common collector-kolektor bersama inputnya adalah basis kolektor sedangoutputnya emitor kolektor

IE- VBB

IB IB

+VEE

IE +VBB IB IB

-VEE

26

(a)

(b)

Gambar 32. Susunan common colector a) PNP b) NPN Arus-arus pada susunan kolektor bersama adalah IE = I B + I C IE - IE = IB + ICBO ( 1- ) IE = IB + ICBO IE = {(1/1- ) IB } + {(1/1- ) ICBO} 1 1 IE = I B + I CBO 1 1

karena IC = IE + ICBO

= IB + ( IE + ICBO )

6.3. Karakteristik Dan Parameter PenguatNotasi-notasi dan rumus umum yang digunakan untuk masing-masing susunan penguat seperti terlihat pada tabel berikut ini.

Tabel 1. Karakteristik dan perameterKarakteristik/ parameter Karakteristik Input Output Penguatan arus Tegangan balik Parameter Impendansi Input (Zi) Impendansi Output (Zo) Penguatan arus (Ai) Penguatan Tegangan (Av)

CB IE = f(VEB); VCB=C IC = f(VCB); IE=C IC =f ( IE) ; VCB=C VEB= f(VCB); IE=C VEB/ IE (kecil) VCB/ IC (besar) IC / IE (kecil) VCB/ VEB (besar)

CE IB = f(VBE); VCE=C IC = f(VCE); IB=C IC =f ( IB) ; VCE=C VBE= f (VCE); IB=C VBE/ IB (besar) VCE/ IC (besar) IC /( IB) (besar) VCE /VBE (besar)

CC IB = f(VBC); VEC=C IC =f (VEC);VCE=C IE =f ( IB) ; VEC=C VBC= f(VEC); IB=C VBC /IB (besar) VEC/IE (kecil) IE / IB (besar) VEC /VBC (kecil)

27

7. PEMBIASAN PADA TRANSISTOR PENGUATBerdasarkan besaran parameter ternyata penguat susunan Emitor bersama mempunyai besaran parameter yang lebih pada susunan Basis dan Kolektor bersama. Oleh karena itu pembahasan dan analisis penguat berdasarkan penguat susunan Emitor bersama. Pembiasan atau pemberian catu daya bertujuan agar penguat dapat bekerja sesuai dengan karakteristiknya dengan hanya menggunakan sebuah catu daya saja.

7.1. Fixed Bias (Bias tetap)Pada susunan emitor bersama seperti pada gambar 31 menggunakan 2 catu daya yaitu VBB dan VCC sehingga tidak efisien. Oleh karena itu dipasangkan sebuah resistor yang berfungsi sebagai pembagi tegangan VCC dang dapat menggantikan besar tegangan VBB. VCC RB Input AC C1 VBE IE IB IC RC Output AC C2

Gambar 31. Fixed bias Ditinjau dari input Basis Emitor, menurut hokum Kirchhof tegangan: + VCC - IB RB - VBE = 0 IB = (VCC - VBE ) / RB Ditinjau dari output Kolektor Basis I C = IB Berdasarkan Kirrchof tegangan VCE + IC RC +VE - VCC = 0 VCE = VCC - VE - IC RC Maka dan VCE = VCC - VC VBE = VB - VE VBE = VB VE = 0 dan IC RC = VC

28

7.2. Fixed bias dengan stabilisasi emitorDengan menambah resistor RE dan kondensator CE pada emitor maka akan terjadi kestabilan pada outputnya karena merupakan umpan balik negatip (akan dijelaskan pada bab berikutnya) VCC RB Input AC C1 VB VBE RE IB IC RC Output AC C2 IE CE

Gambar 34. Fixed bias stabilisasi emitor Ditinjau dari input berdasarkan hokum Kirchoff tegangan + VCC - IB RB - VBE - IE RE = 0 + VCC - IB RB - VBE - (IB + IC )RE = 0 + VCC - IB RB - VBE - (IB + IB)RE = 0 + VCC - IB RB - VBE - ( +1) IB RE = 0 - IB{ (RB +( +1) RE}+ VCC - VBE = 0 Dengan mengalikan (-1) didapatkan IB{ (RB +( +1) RE}- VCC +VBE = 0 IB{ (RB +( +1) RE}= VCC -VBE IB didaptkanTegangan input VB VB = VBE + VE VB = VCC - IB RB Arus output IC dapat ditentukan dengan + VCC - IB RB - VBE - (IB + IC )RE = 0 VCC = (IC / )RB + VBE + (IC / + IC )RE I B = IC / + VCC - (IC / )RB - VBE - (IC / + IC )RE = 0 atau

IB =

VCC V BE RB + ( + 1)R E

29

Oleh karena IC / jauh lebih kecil terhadap IC, maka IC / diabaikan, atau IE IC sehingga VCC = (IC / )RB + VBE + IC RE VCC = (IC)RB/ + VBE + IC RE VCC = IC{ (RB/ )+ RE }+VBE IC didapatkan IC =

VCC V BE RB + RE

Tahanan input dilihat dari basis emitor sebesar Ri = ( +1) RE Ditinjau dari output, menurut Kircoff tegangan VCE + IC RC +IE RE - VCC = 0 VCE = VCC - IC (RC + RE )

7.3. Base biasPada bias ini resistor menghubungkan atara basis dengan seperti terlihat pada gambar. I RB C1 IB VBE VCC RC IC IE

Output ACC2

Input AC

Gambar 35 Base bias Ditinjau dari input VCC = I RC + IB RB + VBE = (IB + IC) RC + IB RB + VBE = IC (RC + RB/ ) + VBE IC dapat dihitung IC = ( VCC - VBE) / ((RC + RB/ ) Ditinjau dari output VCE = VCC - IC RC

30

7.4. Base bias dengan stabilisasi EmitorI RB C1 IB VBE RE VCC RCIC

Input AC

IE

Output AC C2CE

Gambar 36. Base bias dengan stabilisasi Emitor Ditinjau dari input VCC = I RC + IB RB + VBE + IE RE = (IB + IC) RC + IB RB + VBE +(IB + IC) RE

R = IC RC + B + RE + V BE IC dapat dihitung IC =

VCC V BE R RC + B + RE

Ditinjau dari output VCE = VCC - IC (RC + RE )

7.5. Potensio BiasResistor pada bagian input merupakan pembagi tegangan (voltage divider) VCC R1 IB VBE RE IE RC IC Output AC C2 CE

Input ACC1 VB R2

Gambar 31. Potensio bias

31

Dilihat dari basis tahanan input basis (RB) merupakan R2 dan R1 terhubung jajar senigga RB = R1 // R2 =

R1 .R2 R1 + R

Tegangan input basis VB =

R1 .R2 .VCC R1 + R IB

Dari rumus-rumus tersebut bila digambar sebagai berikut:

VB

RB

VBE RE IE

Gambar 38. Rangkaian pengganti input Arus basis IB dapat dihitung VB = IB RB + VBE + IE RE VB = IB RB + VBE + RE( +1) IB IB = (VB - VBE ) / {RB + ( +1)RE} = Tegangan output VCE = VCC - IC (RC + RE ) V B V BE RB + ( + 1)R E

32

8. PEMBIASAN FETRangkaian Bias FET

VGG = VDD RG2 / (RG1 + RG2) VGG = VGS + ID RS ID = VGG/RS - 1/RS VGS

Rangkaian Bias FET dengan Feedback

Gambar 79. Rangkaian Biasfet Dengan Feedback vDS = VDD RD iD iD = VDD/RD 1/RD vDS iD = K (vDS Vt)2

33

8.1. Rangkaian Dasar Amplifier FET

Gambar 80 Rangkaian Dengan Penguat FET

Jenis PenguatCommon Source Common Gate Common Drain

Node Common (grounded) Y (source) X (gate) Z (drain)

Node InputX (gate) Z (drain) Y (source)

Node OutputZ (drain) Y (source) X (gate)

34

Penguat Common Source

Gm= -gm Ri = R G Av vo/vi = - gm (RL//RD//ro) Av = - gm RL/(RL + Ro) Avo vo/vi = - gm (RD//ro) RL =

Ro = RD // ro

35

Penguat Common Gate

Gambar 81. Rangkaian Penguat Common Gate Mencari Ri (vi/ii | vo=0) vgs =- vi Ri 1/gm ( ! ro >> 1/gm) Ro = (ro // RD) Av vo/vi = gm (RL // RD // ro) Av gm (RL // RD )

36

Penguat Common Drain

Gambar 82. Penguat Common Drain

37

iy = -gmvgs + (vy/ro) iy = gmvy + (vy/ro) Ro vy/iy = 1/(gm + 1/ro) Ro = 1/gm // ro 1/gm

Gambar 83. Penyederhanaan Gambar 82 Avo vo/vi RL = vo =vs = gm vgs ro vi =vgs + vo vi =vo/(gm ro) + vo Avo =(1 + 1/(gm ro))-1 Av vo/vi Avo RL/(RL+Ro)

8.2. Rangkaian Terintegrasi Penguat MOSBeban MOS enhancement

Beban MOS Deplesi

38

Persamaan arus i = K(-2 VtD v - v2) Pada batas saturasi i = K VtD2 = IDSS dengan modulasi panjang kanal i K VtD2 (1 + v/VA) Amplifier dengan Beban MOS enhancement

Gambar 84. Penguat Dengan Beban MOS Enhancement

39

Arus pada transistor M1iD1 = K1(vgs1 - Vt)2 dari rangkaian iD1 =iD2 = iD dan vgs1 = vI sehingga iD = K1(vI - Vt)2 dan iD = K2(vgs2 - Vt)2 dengan vgs2 = VDD - vO maka iD = K2(VDD - vO - Vt)2 atau vO = (VDD-Vt+(K1/K2)1/2Vt) - (K1/K2)1/2 vI penguatan tegangan Av = -(K1/K2)1/2 = - [(W/L)1/(W/L)2]1/2 Analisis Sinyal Kecil Amplifier MOS

vo = -gm1vgs1[(1/gm2) // ro1 // ro2 ] Av = vo/vi = -gm1 / (gm2 + 1/ro1 + 1/ro2)

40

Av gm1 / gm2 Body Effect pada MOS

gmb = gm Vt / VSB = g/2 (2 f + VSB)-1/2

Body Effect pada Amplifier MOS

vo = - gm1vgs1[(1/gm2)//(1/gmb2)//ro1//ro2] dengan vgs1 = vI maka Av = - gm1 / [ gm2 + gmb2 + 1/ro1 +1/ro2 ] Av - gm1 / [ gm2 + gmb2 ] Av =- gm1 / gm2 [1/ (1+)]

41

Amplifier dengan Beban MOS deplesi

untuk daerah III (kedua transistor saturasi) Av vo/vi = -gm [ro1 // ro2] untuk daerah III bila body effect diperhitungkan

42

vo = - gm1vgs1 [ (1/gmb2) // ro1 // ro2 ] Av vo/vi = - gm1 [ (1/gmb2) // ro1 // ro2 ] Av - gm1 / gmb2 = gm1 / ( gm2) alternatif lain Av = - [(W/L)1/(W/L)2 ]1/2 [1 / Cermin Arus

IREF = K1 (VGS Vt) IO = K2 (VGS Vt)2 IO = IREF K2 / K1 IO = IREF (W/L)2 / (W/L)1

2

Gambar 86. Cermin Arus

43

Gambar 87. Garis Beban ro2 = |VA| / IREF Av = - gm1 [ ro1 // ro2 ] Av = - |VA| [ Kn / IREF ]1/2 Source Follower gm1 = [2n

COX (W/L)1 IREF]1/2

Gambar 87. Source Follower

44

vo = [(1/gmb) // ro] (1/gmb) + [(1/gmb) // ro] vi vo/vi gm / (gm + gmb) vo/vi =1 / (1 + ) Ro = (1/gmb) // (1/gmb) // ro FET sebagai Saklar

Gambar 89. FET sebagai Saklar

45

Saklar Analog FET dan Arah Arus

Gambar 90. Saklar Analog FET dan Arah Arus

46

Gerbang Transmisi CMOS

Gambar 90. Gerbang Transmisi CMOS

47

Arah Arus Gerbang Transmisi CMOS Saat ON

Gambar 92. Arah Arus Gerbang Transmisi CMOS Saat ON

48

9. TRANSISTOR SEBAGAI PENGUATUntuk menganalisis transistor sebagai penguat dapat dilakukan dengan dua cara yaitu: 1. Analisis grafis. 2. Analisis teoritis

9.1. Analisis GrafisAnalisis grafis adalah analisis penguatan baik arus maupun tegangan yang memperhatikan masalah besaran dan bentuk gelombang baik input maupun output. Untuk keperluan analisis grafis ini dibutuhkan :

9.1.1 Grafik karakteristis outputKarakteristik output untuk penguat susunan Emitor bersama IC f VCE untuk IB = constant tergambar berikut ini IC mA IB1 (A) IB2 IB3 IB4 IB5

IB6 IB7 VCE (volt)

0

Gambar 39. Karakteristik output Emitor bersama

9.1.2 10.1.1.Garis beban (load line) DC/ACGaris beban adalah garis yang menghubungkan garis sumbu tegak IC dan garis sumbu datar VCE dan memotong garis lengkung IB . Untuk menentukan garis beban harus memperhatikan rangkaian penguat dengan meninjau bagian output nya

49

VCC R1 Input AC C1 VB R2 VBE RE IE IB I C RC Output AC C2 CE

Gambar 40. Rangkaian penguat Emitor bersama Dengan memperhatikan bagian outputnya VCE = VCC - IC (RC + RE ) Garis beban didapatkan dengan menentukan arus dan tegangan maksimum IC maksimum bila VCE = 0, maka IC Max = (VCC) / (RC + RE) VCE maksimum bila IC = 0 maka VCE Max = VCC Garis beban dengan menghubungkan IC Max dengan VCC terlihat pada gambar berikut

IC (mA) IC Max Q1

Q2

IB1 (A) IB2 IB3 Q3 Q4 IB4 IB5 IB6 IB7 VCC

Q5

Q6

Garis beban DC VCE (volt)

0

Q7

Gambar 41. Garis beban DC

50

9.1.3 Titik Kerya dan daerah kerjaTitik Q (Q point)disebut titik kerja, merupakan perpotongan antara garis beban dengan garis lengkung IB. Titik Q1 perpotongan antara garis beban dengan IB1 dan seterusnya untuk masing-masing IB. Dari gambar 41 terdapat tiga daerah dan dua titik keadaan yaitu : Daerah antara IC Max sampai Q1 disebut daerah jenuh (saturasi) Daerah antara Q1 sampai Q7 disebut daerah kerja Daerah antara Q7 sampai VCC disebut daerah mati (Cut off) IC Max disebut titik jenuh VCC disebut titik mati. Kemiringan garis beban dipengaruhi oleh besar resistor RC dan RE. dan tegangan VCC VCC. Semakin besar RC + RE garis beban akan semakin landai dan semakin kecil RC + RE garis beban semakin curam untuk VCC yang tetap. Semakin tinggi VCC garis beban semakin landai dan semakin rendah VCC garis beban semakin curam untuk IC Max yang tetap. Daerah kerja dan titik kerja (Q) yang terbaik berada di tengah daerah kerja karena dengan sinyal input besar akan menghasilkan output yang besar pula dengan bentuk yang murni sesuai dengan bentuk input nya. Bila titik kerja berada di daerah jenuh atau titik jenuh, maka bila sinyal input nya besar, pada bentuk gelombang output nya akan cacat atau terpotong bagian positipnya. Sedangkan bila titk kerja berada pada daerah mati atau titik mati, maka benntuk gelombang output akan cacat atau terpotong bagian negatipnya seperti terlihat pada gambar 36. Sebagai ilustrasi diberikan permisalan analisis grafis berikut ini Nilai/besar R1 dan R2 menyebabkan arus basisi IB menghasilkan arus sebesar 20A. Dengan memperhatikan karakteristik output maka arus 20A adalah milik IB5. Ini berarti titk kerjanya adalah Q5.

51

IC (mA) IC Max output 0 50 40 30 20 0 Q1

IB1 60A IB2 50 A input IB3 40 A IB430A IB5 20A IB6 10A IB7 0A VCC

Q2

Q 3 Q4 0 Q5

Q6 Q7

Garis beban DC

VCE (volt)

Gambar 42. Hubungan sinyal input dan output pada daerah kerja

9.1.4 Penguatan arus dan teganganMisalkan penguat (gambar 42) menerima sinyal input AC berbentuk sinusoidal sebesar 20A ptp maka garis nol nya berada pada titik kerja Q4 dengan input 10A positip pada Q3 dan 10A negatip pada Q5.. Sinyal input digambarkan tegak lurus terhadap garis beban. Dengan memproyeksikan Q4, Q5 dan Q6 datar ke sumbu IC, ternyata Q6 memotong IC di 20mA, Q5 di 30 mA dan Q4 40 mA. Dengan demikian arus output IC sebesar 20 mA ptp. Penguatan arus A i = IC / IB = ( 40 20) mA / (30 10) A = 20. 103 / 20 = 1000 x Dengan membandingkan antara bentuk gelombang input dan output ternyata terjadi perbedaan phase sebesar 180 beda phase 180 oo

sehingga dikatakan terjadi penguatan 1000 kali dengan

52

output IC Max

IC Q1

input

Q2

Q3 Q4

Q5

VCE Q7 0 VCC Gambar 43 Hubungan input output pada daerah jenuh dan mati

Q6

9.2.

Analisis Teoritis

Analisis penguatan secara teoritis harus memperhatikan semua parameter yang dimiliki oleh sebuah susunan penguat. Oleh karena analisis penguatan maka penguat dalam kondisi bekerja yang berarti ada sumber daya ( tegangan catu daya) dan sinyal input yang akan dikuatkan. Untuk menganalisis tersebut maka rangkaian penguat, khususnya transistor harus dibuat rangkaian pengganti atau dibuat model yang dapat menggambarkan sebagai transistor dengan berbagai parameternya.

53

10. PEMODELAN TRANSISTORModel adalah gabungan dari rangkaian komponen yang dipilih secara tepat dengan pendekatan sifat yang sebenarnya dari rangkaian semikonduktor pada keadaan kerja Tujuannya adalah untuk memudahkan analisis parameter-parameter yang ada pada komponen dan rangkaian semikonduktor. Pada keadaan kerja penguat menerima sinyal input berbentuk AC dan diperkuat oleh transistor. Parameter yang ada pada transistor adalah parameter AC. Parameter AC dipe ngaruhi juga oleh tegangan catu daya DC. Penguatan transistor dapat dianalisis menggunakan model-model antara lain sebagai berikut : 1. Model re 2. Model parameter hybrid h 3. Model parameter impedansi z 4. Model parameter admitansi y 5. Model 6. Model T dari model-model tersebut di atas yang akan dibahas adalah model re dan h

10.1. Pemodelan re Pada dioda tahanan AC diberi notasi rd = 26 mV/ Id Transisitor dalam kondisi tak kerja tahanan AC sebesar re = 26 mV/ IE . Pada kondisi kerja faktor penguatan arus akan memperbesar tahanan AC menjadi re = (26 mV)/ IE untuk susunan basis bersama re = (26 mV)/ IE untuk susunan emitor dan kolektor bersama Model re mengganti transistor bagian inputnya menjadi sebuah dioda dengan katoda terhubung pada jenis susunan, sedang pada output nya menjadi sebuah sumber arus sebesar arus output dengan faktor penguat arusnya, parallel dengan tahanan outputnya seperti terlihat pada gambar berikut:

54

Susunan basis bersama

Gambar 37 Susunan basis bersama a) transistor b) dioda E-B c) model renol ideal Dalam analisis model, kondisi transistor sebagai penguat dianggap ideal sehingga faktor-faktor yang menyebabkan turunnya penguatan dianggap nol atau ditiadakan. Oleh karena itu komponen ro dianggap takterhingga besarnya sehingga pada bagian outputnya ro dianggap terbuka (open). Untuk analisis selanjutnya transistor dianggap ideal. Susunan Emitor bersama C Ic B Vi Ib (a) Vo E B Vi Ib Ic C Vo B Ib vi ib E C ic vo E

re

ib

(b) (c) Gambar 45. Susunan Emitor bersama a) transistor b) dioda B-E c) model re ideal C Ic B ib v i Ie (b) ib E RE v o ic re B ib vi ie (c) E RE C ic Ib vo

Susunan Kolektor bersama C B Vi Ib Ie (a) E R E Vo

Gambar 46. Susunan Kolektor bersama a) transistor b) dioda B-E c) model re ideal

55

Dari ketiga model re besaran parameter masing-masing susunan terlihat pada tabel di bawah Parameter Impendansi Input (Zi) Impendansi Output (Zo) Penguatan arus (Ai) Penguatan Tegangan (Av) CB re + 50 (kecil) Mega (besar) - ic / ie > re maka Zi = re Z o = ro // RC oleh karena ro >>RC maka ro = RC v o = - io RC vo = - ib RC vo = - ii RC io = iC = ib oleh karena RB>> re maka ib = ii sedang ii = vi / re bila masing-masing dibagi dengan vi maka

vo = - (vi / re) RC vo = - vi (RC / re) didapatkan penguatan tegangan AV vo / vi = AV = - RC / re ( tanda menunjukkan beda phase 180o) Penguatan arus Ai dapat dicari dengan mudah Ai = -io / ii = i1 / ii = - Bila non ideal ro diperhitungkan maka io = (-ib){ ro / (ro+ RC) } io = (-ii){ ro / (ro+ RC) } bila masing-masing dibagi dengan ii maka: IO .ro = Ai = re didapatkan dari I1 ro + RC ib = ( VCC VBE ) / RB ie = ( +1 ) ib ic = ic re =

26mV ic

10.3. Analisis fixed bias dengan stabilisasi emitor

VCC RB Ii Input AC Zi C1 Ib VBE Io RC Output AC C2 Ie Zo

RE

(a)

57

C

Ii Vi

B

Vo IoE

ii Zi

B

ib re RB RE (c)

C

RB Zi

RC Zo

vi

E

ib ie

ro

vo io Zo RC

(b)

Gambar 48. Fixed bias dengan stabilisasi emitor a) rangkaian DC b) rangkaian AC c) model re non ideal Analisis model re vi = ib re + RE ie = ib re + RE ( +1 ) ib= ib { RE ( +1 ) + re }

ZB = vi / ib = RE ( +1 ) + re = RE + re = (RE + re ) Impedansi input Zi = ZB // RB= (RE + re ) // RB

1