BAB DUA - elogika.files.wordpress.com file · Web viewKilby dan Noyce dipandang sebagai pencipta rangkaian terpadu dan keduanya memperoleh penghargaan Charles Stark Draper Prize,

Model Komponen

Elektronika11iga kunci pembuka kemajuan di bidang elektronika yang menyulut revolusi di dunia teknik komunikasi, kendali, pengolahan informasi, komputasi, dan berbagai segi kenyamanan kehidupan manusia adalah

triode, transistor, dan rangkaian terpadu. Lee De Forest adalah insiyur radio yang berupaya memperbaiki unjuk kerja tabung Fleming sebagai detektor. Ia akhirnya menemukan bahwa dengan menambahkan elektrode ketiga yang disebut kisi (grid) dapat digunakan untuk mengendalikan aliran elektron dari katode ke anode. Dari sinyal radio yang lemah, audion ciptaan De Forest dapat menghasilkan tegngan keluaran yang cukup besar, ia telah menciptakan suatu penguat. Dengan menggunakan keluaran dari rangkaian penguat itu untuk diberikan ke masukannya, ia telah menciptkan osilator yang dengan mudah menghasilkan gelombang radio dengan frekuensi tinggi.

T

Setelah Perang Dunia II, penelitian di bidang semikonduktor berkembang di Bell Telephone Laboratories. Percobaan-percobaan itu menuntun ke arah dikembangkannya konsep-konsep teori baru. William Shockly memberikan usulan baru bagi penguat semikonduktor. Peralatan yang dibuat ternyata mempunyai penguatan ayng jauh lebih rendah dari ramalan berdasarkan teori itu. John Bardeen menyarankan perbaikan untuk teori itu. Pada percobaan berikutnya John Bardeen dan Walter Brattain menemukan suatu gejala baru dan menciptakan transistor yang disempurnakan oleh Shockley setahun kemudian.Ketersediaan penguat transistor yang memerlukan daya dan dibuat dalam ukuran kecil mulai menggeser fungsi tabung elektronik sebagai komponen utama elektronika. Texas Instrument mulai memproduksi transistor di awal 1954. Patrick E. Haggerty, seorang insinyur di Texas Instrument, Amerika Serikat, melihat kemungkinan untuk menjual radio transistor saku dan pada tahun itu dijual dengan harga US$50.Rangkaian terpadu diciptakan oleh Jack S. Kilby yang bergabung dengan Texas Instrument di tahun 1958. Ia merancang dan membuat osilator yang terdiri atas suatu transistor, suatu kapasitor, dan berbagai resistor sepenuhnya pada satu keping wafer germanium. Kilby menggunakan kawat emas dan aluminium untuk menghubungkan komponen-komponen rangkaiannya.

Budiono Mismail Bab Sebelas 300

Gambar 11.1 Rangkaian terpadu Kilby yang pertama

en.wikipedia.org

Robert Noyce dari perusahaan Fairchild Semiconductor Corporation, Amerika Serikat, membuat rangkaian terpadu dengan semua sambungannya terletak dalam satu chip tunggal. Kilby dan Noyce dipandang sebagai pencipta rangkaian terpadu dan keduanya memperoleh penghargaan Charles Stark Draper Prize, semacam hadiah Nobel di bidang rekayasa.Penggunaan model untuk mewakili suatu gejala, peralatan, atau sistem yang rumit merupakan praktik yang lazim digunakan dalam ilmu rekayasan dan sains. Berdasarkan pengamatan percobaan, ilmuwan dapat mengusulkan suatu model yang selanjutnya diuji dalam berbagai keadaan. Rekayasawan menggunakan model untuk menyederhanakan analisis suatu peralatan atau sistem dan untuk meramalkan perilaku suatu rancangan yang dibuatnya. Model itu umumnya berupa model fisik atau model matematika.Dengan menggunakan model sempurna bagi unsur-unsur rangkaian praktis, akan diperoleh sarana ampuh untuk analisis rangkaian linear dalam berbagai keadaan. Komponen elektronika pada dasarnya adalah tak-linear. Sebagai contoh, dalam tabung elektron yang dipengaruhi muatan ruang, arus anoda berubah menurut pangkat tiga per dua dari tegangan elektrodanya, dan dalam semikonduktor arus di antara sambungan berubah secara eksponensial dengan tegangan sambungannya. Tentu saja dimungkinkan untuk menganalisis unjuk kerja peralatan semacam itu secara grafik atau dengan penyelesaian secara numerik, tetapi itu bukan pekerjaan yang mudah dan tidak dapat berlaku umum. Untungnya, dalam keadaan tertentu peralatan elektronika dapat diwakili oleh model rangkaian linear sehingga dapat diterapkan metode analisis linear yang ampuh.Model listrik linear suatu peralatan sering kali disebut sebagai model rangkaian karena mengandung unsur-unsur rangkaian sempurna. Dalam bab ini akan dimanfaatkan sumber-sumber tak-bebas yang telah dibahas dalam Bab Dua sehingga dimungkinkan untuk mewakili suatu peralatan fisik yang rumit dalam keadaan tertentu dengan suatu model rangkaian yang sederhana. Model-model itu akan diturunkan dari lengkungan karakteristik peralatan yang sebenarnya dan selanjutnya dapat digunakan untuk meramalkan perilaku komponen-komponen elektronika dalam penggunaan praktik seperti penyearah dan penguat.Setelah menyelesaikan bab ini, pembaca diharapkan dapat:

mengenal model rangkaian untuk diode; mengenal transistor BJT dan FET; mengenal dan menerapkan model linear untuk beberapa jenis transistor,

11.1 DiodeDiode adalah suatu peralatan tak-linear kutub-dua yang memberikan resistansi yang relatif rendah terhadap aliran arus pada suatu arah dan resistansi yang relatif sangat tinggi pada arah aliran arus yang sebaliknya. Pada diode semikonduktor(Gambar 11.2a), dalam keadaan prategangan maju perembesan pembawa mayoritas didorong dan arus akan mengalir dengan tegangan sambungan beberapa ratus milivolt. Dengan prategangan mundur, hanya ada arus karena gerakan pembawa minoritas yang dibangkitkan karena panas dan sangat kecil. Dalam diode Zener (Gambar 11.2b), bila prategangan mundur itu mencapai nilai bobol arus mundur meningkat cepat dengan peningkatan tegangan yang sangat kecil.


Gambar 11.3 Model diode sempurna

Gambar 11.2 Karakteristik beberapa jenis diode yang sebenarnya

Dalam diode hampa dengan tegangan nol, terdapat arus kecil karena beberapa elektron yang keluar dari katoda dengan kecepatan awal yang cukup tinggi dan dapat mengatasi muatan ruang (gambar 11.2c). Dengan tegangan negatif yang kecil arusnya nol, dan untuk tegangan positif arus meningkat cepat dalam kawasan yang dibatasi oleh muatan ruang. Untuk diode gas, bila tegangan mencapai potensial ionisasi gas dalam diode itu akan terjadi peningkatan arus dengan cepat tanpa adanya peningkatan tegangan, dan karakteristiknya ditunjukkan pada Gambar 11.2d. Diode gas adalah diode hampa yang diberi sedikit gas, uap argon atau air raksa, sehingga terjadi ionisasi pada atom-atom gas tersebut. Ionisasi itu dapat meningkatkan aliran arus dalam diode.

Karakteristik diode yang penting adalah perbedaan yang mencolok antara tegangan maju dan tegangan mundur. Diode sempurna memberikan resistansi nol bagi aliran arus pada arah maju dan resistansi takhingga bagi aliran arus pada arah mundur (Gambar 11.3a). Saklar pemilih, yang tertutup untuk tegangan maju dan terbuka untuk tegangan mundur, setara dengan diode sempurna karena keduanya

mempunyai karakteristik tegangan-arus yang sama (Gambar 11.3b). Rangkaian semacam itu diwakili oleh lambang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9.11 dan dilukis kembali pada Gambar 11.3c. Dalam diagram rangkaian, bentuk segi tiga menunjukkan arah aliran arus maju.


Gambar 11.5 Model diode semikonduktor

Gambar 11.4 Model rangkaian diode hampa

Diode hampa mendekati keadaan sempurna pada arah mundur, tetapi memberikan suatu resistansi tertentu pada arah maju. Perilakunya dapat didekati oleh suatu model rangkaian berdasarkan lengkungan karakteristik yang dibuat linear seperti pada Gambar 11.4. Saklar itu terbuka untuk tegangan mundur, dan saklar tertutup dan peralatan itu memberikan suatu resistansi maju RF terhadap aliran arusnya. Dalam kasus seperti yang ditunjukkan, resistansi maju itu merupakan nilai rata-rata yang diperkirakan dari kemiringan lengkungan yang dibuat linear tersebut. Dalam hal ini,

(11.1)

Dalam diode semikonduktor, hanya beberapa ratus milivolt (700 mV untuk silikon, dan 300 mV untuk germanium) prategangan maju yang diperlukan untuk menimbulkan aliran arus yang berarti. Gabungan antara diode sempurna dan sumber tegangan sempurna yang ditunjukkan pada Gambar 11.5a biasanya cukup memuaskan untuk meramalkan unjuk kerja diode semikonduktor. Jika arus jenuh mundur dalam diode semikonduktor cukup berarti, kenyataan itu harus dicantumkan dalam model. Salah satu kemungkinannya adalah menggunakan sumber arus sempurna dengan besar IS seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 11.5b.


Gambar 11.6 Rangkaian untuk Contoh 11.1

Gambar 11.7 Bentuk gelombang untuk Contoh 11.1

Contoh 11.1

Suatu diode silikon dihubungkan seri dengan resistor beban RL sebesar 10 ohm seperti pada Gambar 11.6a. Jika tegangan v yang dikenakan adalah 100 sin t volt, tentukan besar arus yang mengalir.

JawabModel rangkaian yang dianalisis ditunjukkan pada Gambar 11.6b dengan saklar pemilih, atau pada Gambar 11.6c dengan suatu diode semikonduktor. Kedua rangkaian tersebut mempunyai perilaku yang identik.Untuk 0 < t < , v positif, bersesuaian dengan prategangan maju, dan

mA

Untuk < t < 2, v negatif, bersesuaian dengan prategangan negatif, dan tidak ada arus yang mengalir.Jadi, arus yang mengalir dalam resistor beban adalah



seperti yang dilukiskan dalam Gambar 11.7.

Contoh 11.2Pemakaian umum diode silikon adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11.8a. Ramalkan arus I2 sebagai fungsi V1 jika resistansi R sama dengan 500 .

JawabKembali, mula-mula semua diode itu digantikan dengan model rangkaiannya seperti pada Gambar 11.8b. Dua diode dalam hubungan seri dapat digantikan oleh satu diode sempurna dengan suatu sumber sebesar 2 × 0,7 V = 1,4 V.V2 tidak dapat melebihi 1,4 V karena pada tegangan tersebut D2

mendapat prategangan maju dan arus I2 mengalir, atau, dengan diode D2

sebagai saklar dalam kedudukan menutup, V2 mempunyai tegangan sebesar 1,4 V.Juga V2 tidak dapat melampaui V1 + 0,7 karena pada tegangan tersebut D1

mendapat prategangan maju dan arus I1 mengalir.Nilai kritisnya adalah

V2 = 1,4 = V1 + 0,7atau

V1 = 1,4 – 0,7 = 0,7 voltUntuk 0 < V1 < 0,7 V, D1 mendapat prategangan maju dan I2 = 0Untuk V1 > 0,7 V, D2 mendapat prategangan maju dan


Gambar 11.9 Pewakilan diode Zener

Gambar 11.10 Rangkaian pengatur tegangan

mA

Dapat disimpulkan bahwa suatu perubahan kecil pada V1 dapat mengalihkan I2 dari 0 menjadi 7,2 mA.

Suatu diode Zener dengan lengkung karakteristik seperti yang telah ditunjukkan pada Gambar 11.2b dapat dibuat linear seperti pada Gambar 11.9b. Pada saat diberi prategangan maju (v positif), arus dengan bebas mengalir, resistansi maju kecil dan dapat diabaikan. Untuk tegangan prategangan mundur lebih besar dari potensial bobol, resistansinya diperkirakan sebagai

(11.2)

Model rangkaian untuk diode Zener meliputi suatu sumber tegangan sempurna untuk menunjukkan bahwa arus mundur tidak mengalir sampai tegangan negatif di antara diode itu melebihi suatu tegangan tertentu.

Diode Zener pada Gambar 11.9 yang dihubungkan dalam rangkaian seperti pada Gambar 11.10 merupakan rangkaian pengatur tegangan (voltage regulator). Rangkaian semacam itu umum digunakan pada bagian keluaran suatu penyearah. Tujuannya adalah agar tegangan keluaran arus searah itu tetap konstan meskipun arus beban berubah. Pada kawasan bobol Zener, perubahan kecil yang terjadi pada tegangan akan menimbulkan perubahan yang besar pada arusnya. Arus besar yang



mengalir melalui Rs itu akan menimbulkan tegangan yang akan memberikan kompensasi pada perubahan pada V1 atau IL.

Contoh 11.3Beban pada Gambar 11.10 itu menarik arus yang berkisar antara 10 sampai 100 mA pada tegangan 100 V dengan perubahan maksimum 1%. Tentukan V1 untuk pengatur tegangan dengan RS = 200 dengan diode Zener yang diwakili oleh VL = 100 V dan RZ = 20 seperti pada Gambar 11.11.Untuk IL = 50 mA tentukan peningkatan V1 yang bersesuaian dengan perubahan maksimum 1% pada tegangan keluarannya.

JawabAgar diode itu bekerja dengan baik pada kawasan bobol Zener, dalam praktik perencanaan ditentukan arus IZ minimum sama dengan 10% dari IL maksimum. Oleh karena itu ditentukan

IZmin = 0,1ILmax = 0,1 × 100 = 10 mA

MakaVL = VZ + IZRZ = 100 + 0,01 × 20 = 100,2 V

danV1 = VL + (IL + IZ)RS

= 100,2 + (0,05 + 0,01)200 = 112,2 VJika VL meningkat 1% atau 1 V, VL′ = 101,2 V

= 0,06 A

Dengan IL = 50 mA,V1′ = VL′ + (IL + IZ′)RS

= 101,2 + (0,05 + 0,06)200 = 123,2 VJadi perubahan V1 sebesar 11 volt menghasilkan perubahan VL hanya 1 volt.


Gambar 11.12 Resistansi dinamik diode dengan model rangkaian sinyal kecil

Model rangkaian yang diturunkan sampai saat ini berdasarkan linearisasi per potong pada lengkungan karakteristiknya dan berguna untuk meramalkan perilaku diode dalam keadaan statik atau untuk arus searah atau bila terjadi ayunan tegangan yang besar, seperti yang diberikan dalam Contoh 11.3. Diperlukan pendekatan yang lain jika diinginkan untuk menanggapi variasi kecil atau sinyal yang ditumpangkan ke nilai arus searah. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11.12, suatu tegangan sinyal kecil vS yang ditumpangkan pada suatu tegangan mantap Vdc menghasilkan suatu arus sinyal iS yang bersesuaian. Hubungan tegangan-arus untuk sinyal kecil didefinisikan oleh kemiringan lengkungan pada titik kerja yang ditentukan oleh Vdc. Resistansi dinamik didefinisikan sebagai

(11.3)

Secara umum, resistansi dinamik rac akan sangat berbeda dengan resistansi maju statik RF yang diberikan oleh Persamaan (11.1).Pada umumnya, resistansi dinamik rac itu dapat diramalkan dengan mengandaikan suatu arus dalam dioda itu mengikuti Persamaan (9.21):

Dengan menghitung turunannya,

Sehingga, untuk dioda ini,

(11.4)


Gambar 11.13 Fungsi pemindah

Resistansi dinamik berbanding lurus dengan suhu mutlak T dan berbanding

terbalik dengan arus searah dalam dioda itu. Pada suhu kamar, T = 293 K, dan

kT/e 0,025 V = 25 mV. Sehingga

(11.5)Hal itu memberikan cara sederhana untuk memperkirakan rac dalam suatu dioda.

Contoh 11.4Diketahui untuk suatu dioda silikon tertentu mempunyai arus Is = 15 mA. Perkirakan resistansi searah maju dan resistansi bolak-balik untuk arus sebesar 10 mA.

JawabResistansi maju searah, menurut Persamaan (11.1):

Resistansi arus bolak-balik, menurut Persamaan (11.5):

11.2 Transistor Sebagai Penguat dan Sebagai SaklarDengan mengacu kepada Bagian 6.4, fungsi pemindah dapat digunakan untuk menjelaskan jala-jala yang mempunyai paling sedikit dua buah pasang kutub. Fungsi ini ditentukan berdasarkan pengandaian bahwa besaran masukan (perangsang) dan besaran keluarannya (tanggapannya) berubah secara eksponensial, seperti halnya dengan pengandaian yang telah diberikan untuk fungsi impedansi dan admitansi. Fungsi pemindah tersebut menguraikan perilaku suatu jala-jala melalui persamaan diferensial yang menghubungkan variabel masukan dengan variabel keluarannya. Fungsi pemindah ini dinyatakan oleh h(s).

Terdapat empat kemungkinan yang terjadi untuk suatu jala-jala tertentu, sesuai dengan empat kombinasi masukan dan keluaran untuk suatu kutub-empat seperti yang diperlihatkan pada Gambar 6.17 yang digambar kembali pada Gambar 11.14. Dengan berpedoman pada gambar tersebut dan dengan mengandaikan bahwa tikalas i adalah untuk masukan dan o untuk keluarannya, diperoleh empat


variabel, vi, ii, vo, dan io, dan hanya dua yang berupa vaiabel bebas. Perilaku umum jala-jala itu dapat didefinisikan dengan pasangan persamaan sebagai berikut:

atau (11.6)

Untuk jala-jala linear, pasangan persamaan yang pertama itu mendefinisikan himpunan impedansi sebagai parameter dan yang kedua adalah himpunan admitansi sebagai parameter. Hubungan yang lain adalah

atau (11.7)

Untuk jala-jala linear, persamaan pertama mendefinisikan faktor admitansi dan arus, sedangkan yang kedua mendefinisikan faktor impedansi dan tegangan. Gabungan itu dikatakan sebagai parameter hibrida dan merupakan parameter yang digunakan dalam peralatan elektronika.

Transistor adalah suatu komponen elektronika berkutub tiga yang dapat dipandang sebagai peralatan kutub-empat dan dapat diwakili oleh jala-jala yang serupa dengan yang dilukiskan pada Gambar 11.13.Transistor dapat melakukan dua fungsi yang merupakan dasar dalam perancangan rangkaian elektronika: menguatkan dan sebagai saklar. Penguatan yang dilakukan transistor adalah memperbesar sinyal dengan mengambil tenaga dari luar; sedangkan sebagai saklar, transistor itu mengendalikan suatu arus atau tegangan yang relatif besar di antara dua kutubnya dengan arus atau tegangan pengendali yang kecil yang dikenakan pada kutubnya yang ketiga.Tata kerja transistor sebagai suatu penguat linear dapat dijelaskan melalui Gambar 11.14 yang menunjukkan empat kemungkinan bentuk kerjanya dengan memanfaatkan model sumber tak bebas yang telah dibahas dalam Bagian 2.3. Dalam Gambar 11.14 itu sumber tegangan dan sumber arus tak bebas itu menghasilkan keluaran yang sebanding dengan arus atau tegangan masukannya,


Gambar 11.14 Model sumber tak bebas untuk tata kerja transistor

konstanta pembandingnya, , disebut sebagai penguatan (gain) dalam transistor

itu.Secara dasarnya ada dua jenis transistor: transistor sambungan bipolar (bipolar juction transistor – BJT) dan transistor pengaruh-medan (field-effect transistor – FET). Akan ditunjukkan nanti bahwa pada dasarnya BJT berlaku sebagai komponen yang dikendalikan oleh arus dan FET berperilaku sebagai komponen yang dikendalikan tegangan. FET dapat digolongkan lagi menjadi dua macam: transistor pengaruh-medan sambungan (junction field-effect transistor – JFET) dan transistor pengaruh-medan semikonduktor-oksida-logam (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor – MOSFET). MOSFET juga ada dua macam DE MOSFET (depletion artinya terkurang) dan EN MOSFET (enhance artinya terkembang). Transistor juga dapat berfungsi sebagai saklar yang dikendalikan oleh arus atau tegangan. Pada saat transistor bekerja sebagai saklar, arus atau tegangan kecil yang dikenakan pada salah satu kutubnya digunakan sebagai pengendali aliran arus di antara dua kutub transistor yang lain untuk menghidupkan atau mematikan arus itu. Gambar 11.15 melukiskan tata kerja transistor sebagai saklar, yang menyatakan bahwa saklar tertutup (menghidupkan) bila suatu tegangan atau arus pengendali lebih besar dari nol dan terbuka (mematikan) bila sebaliknya.

Contoh 11.5Tentukan penguatan tegangan untuk model rangkaian penguat pada Gambar 11.16 dengan mengandaikan yang diketahui adalah resistansi masukan dan keluaran, ri dan ro; penguatan dalam transistor, , dan resistansi sumber RS dan resistansi beban RL.

JawabPenguatan, yang dinyatakan sebagai AV adalah perbandingan antara tegangan pada beban vL terhadap tegangan sumber vS, atau


Gambar 11.15 Model saklar sempurna untuk transistor

Sedangkan tegangan masukan, vi, dapat diperoleh menurut aturan pembagi tegangan:

Keluaran sumber tegangan tak bebas yang dikendalikan oleh tegangan adalah

sedangkan tegangan keluarannya dapat diperoleh dengan menggunakan aturan pembagi tegangan:

Sehingga penguatan tegangan rangkaian penguat itu adalah

Perlu diperhatikan dalam contoh di atas bahwa penguatan tegangan selalu lebih kecil dari pada penguatan dalam transistor, .

11.4 Transistor Sambungan Bipolar (BJT)



Hubungan transistor BJT npn pada Gambar 11.17 dikatakan sebagai susunan basis bersama karena basisnya dipakai bersama oleh pasangan kutub masukan dan

keluarannya. Karakteristik i-v transistor dalam bentuk itu dapat diturunkan dari yang telah diketahui untuk karakteristik dioda dan tata kerja transistor. Karena bagian emiter-basis pada dasarnya adalah dioda yang diberi prategangan maju, karakteristik masukan yang ditunjukkan oleh Gambar 11.18 sebelah kiri serupa dengan karakteristik dioda pada kuadran pertama seperti yang telah ditunjukkan pada Gambar 11.2a, pengaruh tegangan kolektor-basis vCB kecil. Dengan vCB

positif dan emiter dibiarkan terbuka, iE = 0 dan bagian basis-kolektor merupakan sambungan diberi prategangan mundur. Tegangan vCB negatif akan membuat sambungan CB diberi prategangan maju dan akan mengalirkan arus iC negatif. Untuk nilai iE = 0, iC ICBO dan karaktersitik kolektor serupa dengan kuadran ketiga karakteristik dioda pada Gambar 11.2a. Untuk iE = –5 mA, misalnya, arus kolektor bertambah sebesar –iE +5 mA, sesuai dengan yang ditunjukkan oleh Persamaan (9.25) dan lengkungan untuk itu ditunjukkan pada Gambar 11.18 sebelah kanan. Lereng lengkungan-lengkungan pada Gambar 11.18 sebelah kanan itu adalah karena kenaikan efektif pada saat vCB meningkat. Karena nilai selalu kurang dari 1, bentuk basis bersama tidak baik untuk dimanfaatkan sebagai penguat arus.


Gambar 11.17 Transistor dalam susunan basis bersama

Jika transistor pada Gambar 11.18, dimungkinkan bekerja sebagai penguat arus. Arus masukannya dalam hal ini adalah arus basis iB dan arus emiter iE = –(iC + iB), sehingga arus kolektor menjadi

iC = –iE + ICBO = +(iC + iB) + ICBO

sehingga

(11.8)

Guna menyederhanakan persamaan di atas, didefinisikan perbandingan transfer arus untuk emiter bersama sebagai

(11.9)

dan arus mati kolektor (collector cutoff current) untuk hubungan itu adalah

(11.10)

Persamaan yang sudah disederhanakan untuk arus keluaran (kolektor) sebagai fungsi arus masukan (basis) dan perbandingan transfer arus adalah

iC = iB + ICEO (11.11)Karakteristik khas emiter bersama ditunjukkan pada Gambar 11.19. Arus masukan iB kecil dan, untuk tegangan kolektor-emiter satu volt atau lebih, akan


Gambar 11.18 Karakteristik basis bersama transistor npn

Gambar 11.19 Transistor dalam susunan emiter bersama

bergantung kepada tegangan sambungan emiter-basis. Untuk BJT silikon diperlukan sekitar 0,7 volt prategangan maju untuk memberikan arus basis yang memadai.

Terdapat empat kawasan dalam karakteristik kolektor itu:1. Kawasan mati (cutoff), pada waktu kedua sambungan BE dan CB diberi

prategangan mundur, arus basis sangat kecil, dan tidak ada arus kolektor yang mengalir.

2. Kawasan linier aktif, transistor dapat bekerja sebagai penguat linier dengan sambungan BE diberi prategangan maju dan sambungan CB diberi prategangan mundur.

3. Kawasan jenuh, kedua sambungan itu diberi prategangan maju.4. Kawasan bobol (breakdown), merupakan batas kemampuan fisik tata

kerja transistor itu.Dari lengkungan-lengkungan yang diberikan pada Gambar 11.20 yang sebelah kanan itu tampak bahwa bila vCE dinaikkan, arus kolektor akan meningkat dengan cepat sampai mencapai nilai yang hampir konstan. Keadaan itu bertahan sampai tegangan bobol sambungan kolektor, BVCEO dicapai.Karakteristik kolektor hubungan itu sesuai dengan Persamaan (11.11), untuk iB = 0, arus kolektor kecil dan hampir konstan dengan nilai sama dengan ICBO. Untuk setiap pertambahan niilai arus iB, arus kolektor meningkat dengan iB.

Untuk = 0,98, = = 49, suatu penambahan yang kecil dalam iB

akan memberikan peningkatan nilai iC yang besar. Peningkatan kecil dalam akan memberikan perubahan besar pada , dan pengaruh vCE pada iC akan lebih terasa ketimbang dalam konfigurasi basis bersama.

Contoh 11.6Suatu transistor npn silikon dengan = 0,99 dan ICBO = 10–11 A dihubungkan seperti pada Gambar 11.21. Ramalkan nilai iC, iE, dan vCE.


Gambar 11.20 Karakteristik emiter bersama transistor npn

JawabUntuk transistor dengan hubungan seperti itu,

dan arus mati kolektornya adalahICEO = (1 + )ICBO = (1 + 99) 10–11 = 10–9 A

Arus kolektoriC = iB + ICEO = 99 2 10–5 + 10–9 = 1,98 mA

Untuk transistor silikon, ICEO merupakan bagian yang sangat kecil dari iC.Arus emiternya

iE = –(iB + iC) = –(0,02 + 1,98) 10–3 = –2 mATegangan kolektor-emiternya

vCE = 10 – iCRC = 10 – 2 10–3 2 103 = 6 VKarena vCB = vCE – vBE = 6 – 0,7 = +5,3 V, sambungan kolektor-basis np, diberi prategangan mundur seperti yang seharusnya.



Contoh 11.7Rangkaian transistor npn silikon dengan = 0,98 dan VBE = 0,7 V, dan V1

= 1,0 V, seperti pada Gambar 11.22. Tentukan tegangan keluaran VCE.

JawabPerbandingan transfer arus dapat diperoleh sebagai

Tegangan VBE = 0,7 V menyebabkan transistor itu diberi prategangan maju dengan arus basis IB sebesar

mA

Dengan mengabaikan ICBO, arus kolektor IC adalahIC = IB = 49 0,3 10–3 = 14,7 mA

Sehingga tegangan keluarannya adalahV2 = VCC – RCIC = 20 – 1000 14,7 10–3 = 5,3 V

Karakteristik kolektor transistor sambungan bipolar menunjukkan dapat terjadinya penguatan arus. Analisis grafik suatu penguat BJT npn ditunjukkan pada Gambar 11.23. Sinyal masukan ii, yang diandaikan berupa sinusoida, dikenakan dalam hubungan paralel dengan arus prategangan basis yang berupa arus searah IB. Prategangan mundur di kolektor dipertahankan oleh tegangan VCC, dan itulah tegangan yang dirasakan oleh sambungan kolektor karena tegangan antara sambungan emiter yang diberi prategangan maju sangat kecil (periksa Gambar 11.20 disebelah kiri). Dapat diperkirakan bahwa arus sinyal ii akan menimbulkan perubahan pada arus basis secara keseluruhan: iB = IB + ii, sehingga menimbulkan perubahan pada arus kolektor iC. Bagian yang berubah pada iC itu merupakan arus keluaran yang telah diperkuat.Menurut hukum tegangan Kirchhoff sepanjang rangkaian ‘tertutup’ keluaran:



vCE = VCC – iCRL (11.12)Persamaan itu merupakan persamaan garis beban yang ditunjukkan pada Gambar 11.23b. Bila tidak sinyal masukan, ii = 0 dan iB = IB, suatu nilai tenang (quiescent). Titik tenang Q, yang disebut juga sebagai titik kerja, terletak pada perpotongan antara garis beban dengan lengkungan karakteristik untuk iB = IB. Perpotongan garis beban dan lengkung-lengkung karakteristik transistor tak-linier itu merupakan penyelesaian secara grafik untuk Persamaan (11.12) dan memberikan nilai-nilai sesaat iC dan vCE yang bersesuaian dengan nilai-nilai sesaat arus sinyal masukan ii.Jika arus sinyal itu berupa sinusoida, arus basis akan menerima nilai-nilai yang berturut-turut bersesuaian dengan titik-titik , , , , dan pada bentuk gelombangnya masing-masing. Nilai-nilai arus dan tegangan kolektor yang

bersesuaian diperoleh secara grafik dari garis beban. Keluaran sinyal io adalah komponen sinusoida iC, arus keseluruhan dalam RL. Penguatan arusnya adalah

(11.13)

bergantung apakah perbandingan arus itu dinyatakan dalam nilai sesaat, maksimum, atau nilai efektif (rms).

Contoh 11.8Penguat transistor seperti pada Gambar 11.243, mempunyai tegangan kolektor yang dihubungkan dengan baterai sebesar VCC = 15 V. Titik tenang Q terletak pada iB = IB = 0,1 mA dan vCE = VCE = 9 V. Tentukan resistansi beban RL dan ramalkan penguatan arus serta tegangan keluarannya untuk arus masukan ii = 0,05 sin t mA.

JawabBerdasarkan Persamaan (11.12), resistansi beban diperoleh sebagai


Gambar 11.23 Penguat arus transistor npn dasar

Garis bebannya memotong dengan sumbu arus kolektor pada

Pada titik , = , arus basis iB = 0,15 mA, arus sinyal adalah iB – IB =

0.15 – 0,1 = 0,05 mA, dan arus kolektornya 6 mA. Arus sinyal berayun sebesar 0,05 mA menyebabkan arus kolektor berayun sebesar 6 – 4 = 2 mA. Penguatan arus pada rangkaian penguat itu adalah

Komponen sinusoida tegangan di antara RL adalahVo = RLio = 1500 0,002 sin t = 3 sin t V

Tidak seperti halnya dengan sinyal sinambung yang dikuatkan pada Gambar 11.22, informasi komputer dibangkitkan, diolah, dan disimpan sebagai sinyal diskrit, masing-masing komponen elektronika dalam hal itu hanya hidup atau mati. Karena arus basis yang kecil dapat mengendalikan arus kolektor yang jauh lebih besar, transistor dapat dimanfaatkan sebagai komponen pengendali. Kenyataan bahwa arus basis mempunyai merupakan fungsi eksponensial tegangan basis-emiter, memungkinkan BJT digunakan sebagai unsur pengalih seperti yang ditunjukkan pada Contoh 11.9. Hal tersebut akan ditinjau lebih lanjut dalam Bab 17.

Contoh 11.9Transistor dengan karakteristik emiter bersama seperti yang diberikan pada Gambar 11.20 ( 50 dan iCEO = 1 nA) digunakan sebagai rangkaian pengalih (saklar) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11.24. Perkirakan tegangan keluarannya untuk tegangan masukan sebesar 0,2, 07, dan 0,8 V.

JawabUntuk v1 = vBE = 0,2 V, tidak mencukupi sebagai prategangan maju, arus basis iB 0 dan iC = ICE) = 1 nA. Tegangan di antara resistor 1 k itu hanyalah sebesar 1 mV dan tegangan v2 15 V.Untuk v1 = vBE = 0,7 V, iB 0,12 mA, transistor itu bekerja pada kawasan tata kerjanya yang normal, dan iC = iB = 50 0,12 = 6 mA. Tegangan v2

= vCE = 15 – 1000 0,006 = 9 V.Untuk v1 = vBE = 0,8 V, iB 0,4 mA. Dengan mengandaikan b = 50, arus kolektor adalah sebesar iC = iB = 50 0,4 = 20 mA. Hal itu tidak mungkin karena hanya 15 V yang diberikan oleh baterai untuk mengalirkan arus kolektor melalui resistor 1 k.


Gambar 11.20 sebelah kanan menunjukkan bahwa konsep tidak

berlaku untuk vCE yang kecil nilainya. Pada saat iB meningkat, vCE

mendekati suatu nilai batas sebesar 1 V.Dapat disimpulkan bahwa perubahan masukan dari 0,2 V menjadi 0,8 V akan mengalihkan tegangan keluaran dari 15 V menjadi 1 V. Dapat dikatakan bahwa untuk vbe < 0,2 V rangkaian keluaran itu terbuka (hidup) dan untuk vbe > 0,8 V rangkaian itu tertutup (mati).

11.5 Transistor Pengaruh-Medan (FET)Telah diuraikan bahwa transistor sambungan bipolar (BJT) pada dasarnya adalah suatu komponen arus yang dikendalikan oleh arus, sedangkan transistor pengaruh-medan (field-effect transistor – FET) adalah komponen arus yang dikendalikan oleh tegangan. Prinsip tata kerja FET berbeda dengan tata kerja BJT, dan perbedaan-perbedaan itu memberikan keunggulan-keunggulan khusus ketimbang BJT. Di antara keunggulannya adalah resistansi masukannya jauh lebih tinggi (biasanya lebih dari 107 sampai lebih dari 1010 ), deraunya lebih kecil, mudah dalam fabrikasinya, dan beberapa jenis FET mempunyai kemampuan untuk mengendalikan arus dan daya yang lebih besar. Kelemahannya antara lain adalah kecepatan pengalihannya lebih lambat dan bila digunakan sebagai penguat mempunyai lebar bidang frekuensi yang lebih sempit untuk derajat penguatan yang sama.Karaktersitik i-v transistor pengaruh-medan menunjukkan bahwa arus keluaran dikendalikan oleh tegangan masukan, dan FET dapat juga digunakan sebagai saklar yang dikendalikan oleh tegangan. Jika arus keluaran itu dialirkan melalui suatu resistansi, tegangan yang terbetuk di antara resistor itu dapat jauh lebih besar ketimbang tegangan masukannya dan FET itu dapat digunakan sebagai penguat. Karena karakteristik masing-masing komponen elektronika itu tidak pernah secara pasti diketahui, metode analisis secara pendekatan yang umum dipakai. Dalam kawasan jenuh, yaitu antara kawasan terjepit atau daerah hidup dan daerah bobol, arus buang (drain current) iD hampir tidak bergantung kepada tegangan sumber-pembuang vDS, dan karakteristik pemindah (transfer characteristic), yang memberikan hubungan antara arus keluaran dengan tegangan



masukan ditunjukkan pada Gambar 11.25 untuk JFET, DE MOSFET, dan EN MOSFET.

Dari analisis teori dan hasil pengukuran, dapat dibuktikan bahwa karakteristik pemindah untuk ketiga jenis FET pada gambar itu hampir berupa parabola. Untuk JFET, arus pembuang dalam daerah arus konstan adalah

(11.14)

dengan iDS = arus buang dalam daerah arus konstanIDSS = nilai iDS dengan gerbang dihubung singkat ke sumberVp = tegangan jepit

MOSFET terkurang atau terkembang juga mengikuti Persamaan (11.14) dan dapat bernilai positif atau negatif, sedangkan JFET hanya bernilai negatif. Untuk MOSFET terkembang, karakteristik pemindahnya mengikuti

iDS = K(vGS – VT)2 (11.15)dengan K adalah parameter komponen dan VT adalah tegangan hidup atau tegangan ambang.Hubungan-hubungan sederhana di atas berguna untuk meramalkan perilaku arus searah FET. Untuk JFET atau DE MOSFET, pabrik biasanya menentukan nilai-nilai khas IDSS dan tegangan mati gerbang-sumber VGS(OFF). Untuk EN MOSFET, pabrik memberikan nilai VT dan nilai tertentu IDS(ON) yang bersesuaian dengan nilai VGS(ON).Karena sambungan gerbang-sumber pada JFET diberi prategangan terbalik, arus sinyal masukannya sangat kecil karena resistansi masukannya sangat besar dan tidak diperlukan daya masukan yang besar. Pada MOSFET resistansi masukannya dapat bernilai sampai 1015 .FET sangat berguna dalam sistem digital karena dapat dibuat dalam jumlah yang besar dalam satu chip silikon dengna harga yang murah, di samping kebutuhan dayanya yang sangat rendah.


Gambar 11.25 Karakteristik tiga jenis FET dalam kawasan arus konstan

Contoh 11.10EN MOSFET seperti yang dirangkai dalam Gambar 11.26, mempunyai spesifikasi pabrik sebagai berikut: VT = 4 V dan IDS = 7,2 mA untuk VGS = 10 V. Dengan VDD = 24 V dan RG = 100 M, tentukan RD agar MOSFET itu bekerja pada VDS = 8 V.

JawabDengan tanda panah yang mengarah ke dalam menunjukkan FET itu adalah kanal-n.Dengan memasukkan data yang diketahui itu ke Persamaan (11.16),

IDS = 0,0072 = K(VGS – VT)2 = K(10 – 4)2

Jadi

Karena IG = 0, tidak ada tegangan jatuh di antara RG, sehinggaVGS = VDS = 8 V

danID = 0,0002(8 – 4)2 = 3,2 mA

Sepanjang jalur pembuang-sumber,V = 0 = VDD – IDRD – VDS

sehingga


Gambar 11.26 Analisis MOSFET

k

Contoh 11.11Untuk suatu DE MOSFET dengan IDSS = 2 mA dan VGS(OFF) = –4 V, ramalkan penguatan tegangannya bila dibebani dengan resistansi RL = 4 k.

JawabKarakteristik pemindah berdasarkan Persamaan (11.14) menjadi

Untuk suatu sinyal vGS(t) = Vm sin t, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11.28, tegangan keluaran di antara RL = 4 k menjadi

vL = iDRL = 0,002(1 + 0,25Vm sin t)24000= 8(1 + 0,25Vm sin t)2

= 8 + 4Vm sin t + 0,5 Vm2sin2 t

Keluaran itu terdiri atas komponen arus searah sebesar 8 V, suatu komponen sinyal dengan frekuensi yang sama dengan masukannya sebesar 4Vm, dan suatu komponen distorsi sebesar 0,5Vm

2 sebagai akibat dari karakteristik pemindah yang tak-linier (parabola).Untuk nilai Vm yang kecil, faktor 0,5Vm

2 itu dapat diabaikan dan ini merupakan penguat dengan penguatan tegangan sebesar 4.Untuk nilai Vm yang besar, ini merupakan komponen yang mengikuti hukum akar pangkat dua.


Gambar 11.27 DE MOSFET sebagai penguat

11.6 Model Sinyal KecilPerilaku kuantitatif suatu penguat dapat ditentukan secara grafik dari lengkungan karakteristik seperti yang ditunjukkan sebelumnya pada Gambar 11.24 untuk BJT dan Gambar 11.28 untuk FET.

Dalam suatu penguat dasar dengan FET seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11.28, masukannya adalah suatu sinyal tegangan vi yang ditumpangkan ke prategangan gerbang-sumber VGG. Tegangan sinyal vgs = vi memodulasi lebar kanal penghantar dan menghasilkan suatu komponen sinyal id pada arus buang iD. Arus sinyal itu mengalir dalam resistansi RL merupakan bentuk penguatan dari tegangan masukan. Hal yang serupa juga berlaku untuk BJT.Pendekatan itu kurang baik untuk transistor karena hal itu tidak memberikan penyelesaian umum dan setiap transistor berbeda dengan transistor yang lain. Lengkungan karakteristik diberikan oleh pabrik hanya sebagai indikasi bagaimana jenis transistor itu rata-rata berperilaku. Dengan perencanaan rangkaian yang benar, variasi masing-masing transistor itu dapat diatasi dan ramalan unjuk kerja dapat ditentukan dengan model yang sesuai.Jika diandaikan sinyal yang bekerja adalah variasi kecil dalam tegangan atau arus yang ditumpangkan ke nilai arus searah. Dalam batas-batas tersebut dapat diandaikan terdapat hubungan linear antara sinyal-sinyal dalam peralatan tersebut meskipun pada dasarnya peralatan ini adalah peralatan tak linear. Berdasarkan hal itu, peralatan fisik yang rumit di dalam segi empat biru pada Gambar 11.25 atau Gambar 11.28, sejauh yang ditinjau adalah sinyal-sinyal kecil, dapat digantikan oleh model rangkaian linear seperti yang telah dibahas pada Bagian 11.2 akan cukup memadai.BJT mempunyai beberapa kemungkinan konfigurasi: basis bersama dan emiter bersama. seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 11.29, masukannya adalah suatu tegangan sinyal vs yang ditumpangkan pada prategangan emiter VEB. Tegangan sinyal itu memodulasi perintang pada sambungan emiter-basis dan menyebabkan arus sinyal ie mengalir. Variasi hasilnya di arus kolektor ic –ie menimbulkan


Gambar 11.28 Tata kerja FET dengan sinyal kecil

Gambar 11.30 Karakteristik BJT basis-bersama sempurna

Gambar 11.29 Konfigurasi BJT basis bersama

tegangan di antara resistor beban RL yang merupakan hasil penguatan tegangan masukannya. Dalam bentuk itu basis dimiliki bersama antara rangkaian masukan dan rangkaian keluaran.

Hubungan umum untuk transistor basis-bersama yang merupakan peralatan kutub empat, dapat dinyatakan dalam istilah-istilah tegangan dan arus sebagai variabel bebasnya. Dalam hal ini dapat dipilih parameter-parameter yang dipakai dalam bentuk impedansi, admitansi atau hibrida. Jika hibrida yang dipilih, hubungan umum untuk transistor basis-bersama adalah

(11.16)

Sebelum mengembangkan model umum, tinjau dahulu suatu model rangkaian yang dibentuk dari karakteristik v-i yang disempurnakan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11.30. Karakteristik emiter itu serupa dengan karakteristik diode teoritis dan karakteristik kolektor menunjukkan suatu konstanta dan ICBO yang dapat diabaikan. Untuk kerja pada titik kerja Q yang didefinisikan oleh IE = –2 mA dan VCB = 10 V, suatu perubahan kecil vEB menghasilkan perubahan kecil iE

yang selanjutnya menghasilkan perubahan kecil iC. Perilaku sinyal kecil transistor sempurna tersebut didefinisikan oleh


Gambar 11.31 Model BJT basis-bersama sempurna

(11.17)

(11.18)

(11.19)dengan re adalah resistansi sambungan dinamik (dynamic junction resistance) dan adalah perbandingan pemindah-arus maju (forward current-transfer ratio), sedangkan Persamaan (11.19) merupakan penerapan hukum Kirchhoff untuk arus. Pewakilan rangkaian hubungan di atas ditunjukkan pada Gambar 11.31.

Nilai re dapat diramalkan untuk diode teoritis menurut

seperti pada Persamaan (11.19). Dengan mengambil turunannya

(11.20)

Sehingga, untuk sambungan emiter-basis,

(11.21)

Resistansi emiter untuk sinyal kecil, re, itu sebanding dengan suhu mutlak T dan berbanding terbalik dengan arus emiter searah IE. Untuk suhu ruang sekitar 27°C

atau 300 K, 0,025 V. Sehingga

Ω (11.22)

Persamaan di atas memberikan cara yang sederhana dan cukup akurat untuk memperkirakan nilai re transistor.


Gambar 11.32 Model BJT hubungan basis-bersama

Contoh 11.11Suatu transistor dengan = 0.98 bekerja pada suhu kamar dengan IE = 0,5 mA. Perkirakan resistansi emiter dinamik transistor tersebut. Jika kemudian suhunya meningkat sebesar 60 K, ramalkan resistansi emiter untuk suhu tersebut.Transistor itu kemudian dipakai sebagai penguat dalam rangkaian pada Gambar 11.32 sebelah kiri dengan RL = 5 k. Untuk keluaran sinyal sebesar vo = 2 V, tentukan arus masukan sinyal ii dan besar penguatan tegangannya.

JawabBerdasarkan Persamaan (11.21) dan (11.22), pada suhu ruang T 300

K, maka V

sehingga

Untuk peningkatan suhu sambungan T sekitar 20%,

V

dan

Untuk perhitungan yang melibatkan sinyal-sinyal kecil, transistor itu digantikan oleh model pada Gambar 11.33.Dalam Gambar 11.32 sebelah kanan, ie = ii dan

Arus sinyal yang diperlukan adalah

A

Tegangan masukan yang diperlukan adalahV

dan penguatan tegangannya adalah


Gambar 11.33 Model BJT hubungan emiter-bersama

Salah satu keunggulan suatu model adalah kemampuannya untuk memberikan pandangan baru mengenai perilaku suatu peralatan yang sebenarnya. Sejauh penggunaan sinyal-sinyal kecil, model linear pada Gambar 11.32 sebelah kanan dapat mewakili transistor fisik yang sebenarnya catu daya arus searahnya. Jika transistor itu dihubungkan kembali seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11.34 sebelah kiri, kutub-kutub basis-emiter menjadi masukan dan kutub-kutub kolektor-emiter menjadi keluaran akan mewakili bentuk emiter bersama. Meskipun model itu tidak lain hanyalah pengaturan kembali, unjuk kerja peralatan itu sangat berubah seperti yang akan ditunjukkan oleh Contoh 11.12 berikut.

Contoh 11.12Transistor pada Contoh 11.11 dihubungkan kembali sebagai suatu penguat emiter-bersama dengan resistansi beban yang sama sebesar 5 k. Untuk tegangan keluaran yang sama, vo = 2 V, tentukan arus masukan sinyal yang diperlukan.

JawabSeperti yang ditunjukkan oleh Gambar 11.33 yang kanan,

atau

Maka

Sehingga didapatkan

A

Dibandingkan dengan 410 A yang diperlukan oleh penguat basis bersama, hanya diperlukan 8,2 A di sini. Penguatan arus efektif yang

diperlukan dalam hal ini adalah . Tanda negatif menunjukkan

pembalikan fasa.


Gambar 11.34 Model rangkaian untuk BJT sempurna hubungan emiter bersama


Kemungkinan adanya penguatan arus di samping penguatan tegangan merupakan keunggulan penting pada penguat emiter bersama. Karena bentuk ini sangat luas digunakan, cukup beralasan untuk membuat model khusus untuk bentuk tersebut. Meskipun model pada Gambar 11.34 sebelah kiri masih dapat dipakai, kurang memudahkan karena sumber tak bebas yang dipakai bukan fungsi arus masukan, juga sifat penguatan arus tidak jelas dalam model itu. Bentuk yang lebih baik adalah seperti yang diberikan oleh Gambar 11.34 sebelah kanan dengan dan r yang akan ditentukan berikut ini.Sebagai langkah pertama, tampak bahwa ib + ie = ie, sehingga

atau

(11.23)

dan adalah penguatan arus emiter-bersama.Sumber arus tak bebas pada Gambar 11.34 sebelah kanan dikendalikan oleh arus masukan ib. Pengaruh variasi dalam arus basis (suatu sinyal yang diberikan ke basis) akan muncul dalam rangkaian kolektor sebagai suatu sumber tak bebas

yang besarnya adalah kelipatan . Untuk transistor pada umumnya, dengan

= 0,98, = 49.Hubungan baru antara tegangan masukan dan arus diperoleh dengan memperhatikan bahwa

(11.24)

Resistansi masukan untuk bentuk emiter bersama adalah

(11.25)

Model rangkaian pada Gambar 11.34 sebelah kanan mewakili perilaku sinyal kecil suatu transistor sempurna dalam bentuk emiter-bersama. Dalam keadaan


Gambar 11.36 Model rangkaian hibrida yang lebih teliti

tertentu susunan basis-bersama itu unggul, tetapi jika penguatan arus di samping penguatan tegangan dipentingkan, penguat emiter-bersama jelas lebih unggul. Dalam beberapa hal yang lain bentuk kolektor-bersama mempunyai keunggulan tertentu.

Contoh 11.13Suatu penguat memanfaatkan transistor dengan = 50 dan bekerja pada IC = 50 mA dalam bentuk emiter-bersama. Masukan penguat itu adalah arus sinyal sebesar 0,2 mA efektif dengan resistansi beban sebesar 5 k. Perkirakan penguatan sinyal arus dan tegangannya.

JawabDalam hal ini model rangkaian sederhana seperti yang diberikan pada Gambar 11.35 cukup memuaskan. Karena Io = –Ic = Ib, penguatan arus sinyal adalah

Arus sinyal masukan yang diperlukan dalam besaran efektif adalah

A

Seperti yang telah diberikan pada Contoh 11.12,

karena IC = IE IE, persamaan di atas dapat digunakan untuk mendapatkan

danmV

Penguatan tegangannya adalah

Untuk peramalan yang tepat mengenai perilaku transistor, perlu dibentuk model yang lebih canggih. Dalam Gambar 11.36, resistansi basis rb memperhitungkan resistansi kawasan basis yang tipis dan panjang itu. Nilai rb berkisar antara 50 sampai 150 , dan umumnya dalam perhitungan, bila tidak ada keterangan lain, diandaikan mempunyai nilai 100 dengan anggapan bahwa r cukup tinggi. Resistansi r bertanggung jawab akan adanya arus yang sangat kecil karena


Gambar 11.37 Model parameter-h untuk BJT

perubahan tegangan kolektor-basis, pengaruh ini umumnya dapat diabaikan dan r akan diabaikan di sini. Resistansi ro diberikan untuk memperhitungkan perubahan kecil iC karena vCE untuk nilai iB tertentu (lihat Gambar 11.18). Dalam model yang diusulkan oleh L.J. Giacoletto itu unsur-unsur rangkaiannya diatur dalam bentuk dan dikenal sebagai model hibrida-. Suatu model linear umum dapat dipergunakan untuk meramalkan perilaku transistor dalam penerapan sinyal kecil dalam bentuk apa pun. Parameter hibrida (parameter-h) adalah yang paling umum dipakai dan sering kali disediakan oleh pabrik. Keunggulan utama parameter-h adalah mudahnya untuk ditentukan di laboratorium dan mudahnya untuk diperhitungkan dalam rangkaian.Dengan memilih arus masukan iI dan tegangan keluaran vo sebagai variabel-variabel bebas dan menuliskan kembali Persamaan (11.7) dalam notasi transistor yang diperlukan,

(11.26)

Untuk hubungan emiter-bersama, vi adalah tegangan basis-emiter dan io adalah arus kolektor. Dengan mengambil diferensial total, persamaan di atas menjadi

(11.27)

Sekali lagi, persamaan diferensial itu dapat didekati dengan pertambahan kecil dan pertambahan kecil itu adalah sinyal kecil. Dengan demikian, Persamaan (11.27) dapat dituliskan sebagai

(11.28)

denganhi = impedansi masukan dengan keluaran yang dihubung-singkat (ohm),hf = perbandingan arus pemindah maju dengan keluaran yang dihubung-

singkat,hr = perbandingan tegangan pemindah mundur dengan masukan yang

dibuka,ho = admitansi keluaran dengan masukan yang dibuka (siemens).


Persamaan pertama pada Persamaan (11.28) menyatakan bahwa tegangan masukan terdiri atas dua komponen. Hal itu menyatakan ada suatu hubungan seri antara tegangan jatuh hiii dengan suatu sumber tegangan tak bebas hrvo yang dikendalikan langsung oleh tegangan keluaran. Persamaan kedua menunjukkan suatu hubungan paralel antara sumber arus tak bebas hfii dengan arus melalui admitansi hovo. Model parameter-h untuk transistor itu ditunjukkan pada Gambar 11.37.Model umum itu berlaku untuk transistor dalam setiap susunan rangkaian. Dalam kasus khusus, parameter-parameter itu ditunjukkan dengan tikalas kedua b, e, atau c, tergantung apakah unsur bersamanya adalah basis, emiter, atau kolektor.

Contoh 11.14Transistor pada Contoh 11.13 mempunyai parameter-parameter h berikut: hie = 2500 , hre = 410–4, hfe = 50, dan hoe = 10 S. Untuk RL = 5 k dan Io = 0,2 mA rms, perkirakan besar penguatan arus dan penguatan tegangan serta bandingkan hasil itu dengan yang telah diperoleh dalam Contoh 11.13.

JawabDengan menerapkan prinsip pembagi arus ke keluaran model yang lebih canggih seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11.33 (dan dengan memperhatikan bahwa hoe adalah konduktansi),

Penguatan arusnya

Sinyal masukan yang diperlukan adalah


Gambar 11.38 Penerapan parameter-h pada Contoh 11.14

A

Dalam rangkaian tertutup masukan, mV

Karena Vo = IoRL = 0,2 10–3 5 103 = 1 V, maka penguatan tegangannya adalah

Dalam penerapan ini, penggunaan model yang lebih sederhana akan memberikan galat yang kecil.

Parameter-parameter-h merupakan nilai-nilai kecil yang menunjukkan variasi arus bolak-balik kecil di sekitar titik kerja yang ditetapkan oleh nilai-nilai searah tegangan dan arusnya. Dalam keadaan semacam itu, keluaran hubung singkat menyatakan tidak adanya tegangan arus bolak-balik dan hanya ada tegangan searah saja. Misalnya, hib adalah impedansi masukan dinamik atau impedansi masukan arus bolak-balik untuk bentuk basis bersama dengan tegangan kolektor-basis dipertahankan konstan. Seperti halnya pada triode, parameter semacam itu dapat didefinisikan sebagai

dan ditentukan dari kemiringan garis vCB konstan pada karakteristik masukan (periksa Gambar 11.18).Dengan cara yang serupa, parameter-parameter yang lain dapat ditentukan dari himpunan lengkungan karakteristik statik. Dalam praktik, parameter-parameter itu ditentukan menurut percobaan dengan mengukur tegangan atau arus bolak-balik yang dihasilkan oleh sinyal-sinyal bolak-balik yang diberikan pada tempat yang sesuai. Sebagai contoh, untuk menentukan hfe, tegangan bolak-balik kecil diberikan di antara basis dan emiter dan arus bolak-balik hasilnya dalam kawat basis diukur (rangkaian kolektor harus dihubung-singkat terhadap arus bolak-balik). Selanjutnya hfe adalah perbandingan antara arus kolektor terhadap arus basis dan sama dengan. Pengukuran yang serupa memungkinkan penentuan parameter-parameter sinyal kecil yang lain.


Karena parameter-parameter transistor sangat berbeda tergantung atas titik kerjanya, pengukuran dilakukan pada keadaan baku. Biasanya, nilai-nilai itu diukur untuk frekuensi 1000 Hz pada suhu kamar (25C) dengan arus emiter sebesar 1 mA dan tegangan kolektor-basis sebesar 5 V. Pabrik transistor selalu memberikan nilai-nilai maksimum dan minimum parameter itu di samping karakteristik statik rata-rata. Perancang penguat transistor harus mengatur rangkaiannya sedemikian hingga unjuk kerja penguatnya itu dalam batas-batas spesifikasi yang telah ditetapkan.Model-model yang dikembangkan untuk transistor BJT itu berlaku pula untuk JFET dan MOSFET dengan memperlakukan basis sebagai gerbang, kolektor sebagai pembuang, dan emiter sebagai sumber.Dalam memilih rumusan untuk FET, perlu diingat bahwa arus masukan sangat kecil karena dalam JFET sambungan gerbang-sumber diberi prategangan mundur dan dalam MOSFET gerbangnya diisolasi. Juga perlu diperhatikan bahwa FET adalah suatu komponen yang dikendalikan oleh tegangan. Oleh karena itu, dengan mencacu kepada Persamaan (11.6), dapat dituliskan

(11.29)

Karena iG selalu sama dengan 0, maka hanya persamaan kedua yang ada artinya. Dalam hal ini, seperti sebelumnya untuk BJT, arus buang dinyatakan sebagai

(11.30)

Persamaan (101.30) itu menyatakan bahwa perubahan dalam tegangan gerbang dvGS dan perubahan dalam tegangan buang dvDS akan memberikan suatu perubahan dalam arus buang diD. Pengaruh sumbangan parsial itu ditentukan oleh

koefisien dan yang merupakan turunan parsial arus buang terhadap

tegangan gerbang dan terhadap tegangan buang.Jika tegangan pembuang-sumber dibuat tetap, dvDS = 0 dan turunan parsial terhadap tegangan gerbang-pembuang sama dengan turunan keseluruhan atau

(11.31)

dan gm disebut transkonduktansi (transconductance) dalam satuan siemens, yang merupakan perbandingan arus diferensial pada keluaran terhadap tegangan diferensial masukannya. Nilai khas gm berkisar antara 500 S sampai 10 000 S.Parameter FET yang kedua dapat didefinisikan dengan membuat tegangan gerbang-pembuang konstan sehingga dvGS = 0 dan

(11.32)

dan rd disebut resistansi buang dinamik (dynamic drain resistance) yang sama dengan kebalikan lereng kemiringan garis vGS konstan. Nilai khas rd berkisar


anntara 20 k sampai 500 k. Kebalikan rd adalah , konduktansi

keluaran sering juga digunakan sebagai gantinya.Untuk JFET atau DE MOSFET, kawasan tata kerja normal arus buang telah diberikan oleh Persamaan (11.14), adalah

(11.33)

Pada suatu prategangan arus searah VGS, transkonduktansinya adalah

(11.34)

Transkonduktansi yang dihitung pada VGS = 0 adalah

(11.35)

yang sering dikenal sebagai yfs, transadmitansi maju (forward transadmittance). Secara umum

(11.36)

Pada umumnya pabrik memberikan nilai gmo (atau yfs) di samping nilai IDSS, oleh karenanya Persamaan (11.36) dapat digunakan untuk menghitung gm untuk setiap titik kerja ID atau VGS (dengan menyelesaikan untuk Vp dari Persamaan (11.35)). Untuk EN MOSFET, data dari pabrik biasanya jgua memberikan lengkungan gm

terhadap ID.

Contoh 11.15Perkirakan parameter model FET yang telah diberikan pada Gambar 11.28b untuk titik kerja Q yang didefinisikan pada vDS = 15 V dan vGS = –2 V. Gunakan i dan v sebagai pendekatan untuk di dan dv.


Gambar 11.39 Penentuan parameter FET untuk Contoh 11.5

Dengan mengandaikan Vp –6 V dan IDSS 10 mA, bandingkan hasil perhitungan gm dengan Persamaan (11.36) dengan nilai yang diperoleh melalui grafik.

JawabDengan mengambil bagian-bagian kecil dari titik kerja seperti yang dilukis kembali pada Gambar 11.39, dan menggunakan nilai-nilai yang bersesuaian, menghasilkan

S

k

Menurut Persamaan (11.34),

S

Ternyata hasilnya tidak berbeda jauh.Pada diagram penguat dasar FET yang telah diberikan pada Gambar 11.27, vGS, vDS, dan iD merupakan besaran-besaran sesaat yang mewakili variasi bolak-balik kecil yang ditumpangkan pada suatu nilai mantap atau nilai searah.

Nilai searah menetapkan titik kerja dan menentukan nilai-nilai parameter FET; sedangkan nilai bolak-balik yang bersesuaian dengan sinyal. Berikut akan dikembangkan suatu model sinyal kecil yang hanya mengandung nilai-nilai bolak-balik dan memungkinkan untuk meramalkan unjuk kerja FET dalam suatu penerapan sinyal bolak-balik seperti yagn ditunjukkan oleh penguat dasar ini.Untuk suatu perubahan diferensial, Persamaan (11.30) menyatakan


Gambar 11.40 Model sinyal kecil untuk FET

Dengan menggunakan diferensial itu dengan sinyal kecil dan memakai parameter FET, persamaan di atas menjadi

(11.37)

Hubungan tersebut harus memenuhi ketentuan yang berlaku dalam rangkaian listrik agar dapat digunakan sebagai suatu model fungsional. Ruas kanan Persamaan (11.37) itu terdiri atas dua suku. Jika model itu berupa suatu rangkaian paralel, salah satu cabangnya mengandung suatu sumber arus tak bebas, gmvgs, yang besarnya sebanding dengan tegangan sinyal masukan, dan cabang yang

lainnya mengalirkan arus yang berbanding lurus dengan tegangan

keluarannya. Dengan mengingat rangkaian pada Gambar 11.27a yang dilukis kembali pada Gambar 40a, Gambar 11.40b merupakan model yang sesuai dengan pernyataan tersebut.Hubungan fungsional itu berlaku pula untuk nilai-nilai efektif besaran sinusoida (dengan besaran fasornya yang sesuai) dan Persamaan (11.37) itu dapat ditulis kembali sebagai

(11.38)

Contoh 11.16Ramalkan penguatan tegangan rangkaian penguat pada Gambar 11.28a yang menggunakan FET pada Contoh 11.15, jika RL = 5 k.

JawabPenguat itu dapat digantikan dengan rangkaian pada Gambar 11.41 dengan gm = 2200 S dan rd = 50 k. Karena rd >> RL,

Dan penguatan tegangannya adalah


Gambar 11.41 Model rangkaian untuk Contoh 11.16

Tanda minus menunjukkan adanya pembalikan fasa pada sinyal keluarannya.

Penggunaan model dalam analisis penguat FET telah ditunjukkan pada Contoh 11.16. Salah satu kesimpulannya adalah bahwa nilai RL dalam praktik (yang dibatasi oleh ketersediaan tegangan catu VDD), penguatan tegangannya kecil; dan penguatan yang lebih besar dapat diperoleh dengan menggunakan BJT, seperti yang telah ditunjukkan pada Contoh 11.11 dan 11.12. Perlu juga diperhatikan bahwa umumnya rd sangat lebih besar ketimbang nilai RL sehingga ramalan dengan model di atas cukup memadai. Nilai resistansi masukan FET yang lebih tinggi memungkinkan untuk ‘beban’ yang dirasakan sumber lebih rendah bila dibandingkan dengan BJT. Karakteristik pemindah yang lebih linear pada BJT memungkinkan sinyal yang lebih besar tanpa terjadinya distorsi. Dalam bentuk rangkaian integrasi, MOSFET jauh lebih kecil dan lebih sederhana sehingga lebih murah ketimbang BJT.Pada frekuensi tinggi, baik untuk BJT maupun FET harus memperhitungkan arus pemuatan yang terjadi karena pengaruh kapasitif. Dalam Gambar 11.42, model sinyal kecil itu telah disesuaikan dengan memperhitungkan kapasitansi antara gerbang dan sumber dan kapasitansi antara gerbang dan pembuang. Dalam JFET hal itu terjadi karena sambungan pn yang diberi prategangan mundur dan mempunyai nilai antara 1 sampai 5 pF. Dapat diramalkan dengan model ini bahwa penguatan tegangan akan turun sejalan dengan meningkatnya frekuensi.

Soal-Soal11.1 Mengapa diperlukan untuk menggantikan peralatan sebenarnya dengan

model-model fiktif (yang bukan sebenarnya)? Kalau pun harus menggunakan model, mengapa diusahakan membuat model linear?

11.2 Jelaskan perbedaan antara karakteristik diode sempurna dengan diode hampa, dengan diode semikonduktor, diode Zener, dan diode gas.


Gambar 11.42 Model FET frekuensi tinggi

Gambar 11.43 Karakteristik untuk Soal 11.4

11.3 Uraikan perilaku diode Zener pada saat menerima prategangan maju dan pada saat mendapat prategangan mundur.

11.4 Dengan mengacu kepada Gambar 11.8, ramalkan arus I2 sebagai fungsi V1

jika resistansi R sama dengan 500 untuk suatu diode germanium. Bandingkan hasilnya dengan Contoh 11.2.

11.5 Turunkan model pendekatan untuk dua diode dengan karakteristik masing-masing seperti yang ditunjukkan pada Gambar 11.43.

11.6 Jelaskan perbedaan antara resistansi statik dan resistansi dinamik.11.7 Tentukanlah fungsi pemindah tegangan untuk empat rangkaian pada

Gambar 11.14.11.8 Apa perbedaan antara transistor sambungan bipolar dan transistor

pengaruh-medan?11.9 Uraikan empat kawasan dalam karakteristik kolektor.11.10 Dalam kawasan kerja mana kolektor suatu BJT bekerja sebagai sumber

arus?11.11 Dalam kawasan mana suatu BJT bekerja jika arus kolektornya sama

dengan nol?11.12 Jelaskan mengapa bila suatu BJT diuji coba dengan suatu ohmmeter

analog, sambungan basis-emiter memberikan resistansi yang tinggi pada suatu polaritas pengukuran tertentu dan bila polaritas itu dibalik memberikan resistansi yang rendah?

11.13 Mengapa ada perbedaan polaritas prategangan untuk BJT jenis npn dan

pnp?11.14 Jelaskan perbedaan antara JFET dan MOSFET.11.15 Dengan tegangan gerbang-sumber pada suatu JFET dibuat sama dengan

nol, arus pembuangnya adalah 8 mA. Jika tegangan jepitnya adalah –4 V, lukislah karakteristik pemindahnya dan perkirakan arus pembuangnya untuk VGS = –2 V.

11.16 Jelaskan perbedaan antara EN MOSFET dan DE MOSFET.


11.17 Uraikan macam-macam hubungan yang digunakan pada penguat transistor dan jelaskan untung-ruginya.

11.18 Jelaskan peran garis beban dalam analisis grafik suatu penguat.11.19 Apa makna penyataan berikut: ‘Hasil analisis unjuk kerja dengan grafik

berdasarkan lengkungan karakteristik bukan merupakan analisis umum.’11.20 Jelaskan untung rugi penggunaan model transistor dengan menggunakan

model linear dan model parameter-h.


arus buang, 318arus mati kolektor, 312audion, 298Bardeen, 298basis bersama, 310BJT, 309, 317Brattain, 298DE MOSFET, 309Diode, 299diode gas, 300diode semikonduktor, 299, 301diode Zener, 299emiter bersama, 312, 325EN MOSFET, 309FET, 309, 317fungsi pemindah, 307garis beban, 315JFET, 309karakteristik pemindah, 318Kawasan bobol, 313Kawasan jenuh, 313Kawasan linier aktif, 313Kawasan mati, 312Kilby, 298

kisi, 298konduktansi keluaran, 332Lee De Forest, 298model, 299model hibrida-, 328nilai tenang, 315Noyce, 299Parameter hibrida, 328parameter-h, 328perbandingan pemindah-arus maju, 323perbandingan transfer arus, 312rangkaian pengatur tegangan, 304resistansi basis, 328resistansi buang dinamik, 332Resistansi dinamik, 306resistansi maju, 301resistansi sambungan dinamik, 323Shockly, 298Tata kerja transistor, 308transadmitansi maju, 332transistor pengaruh-medan, 309, 317transistor sambungan bipolar, 309, 317transkonduktansi, 332wafer, 298


Documents

BAB DUA - elogika.files.wordpress.com file · Web viewKilby dan Noyce dipandang sebagai pencipta rangkaian terpadu dan keduanya memperoleh penghargaan Charles Stark Draper Prize,