Modul Praktikum Re Elektro 2019-1.pdf

i

KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat-Nya sehingga modul praktikum ini dapat tersusun hingga selesai tepat pada waktu yang telah ditentukan. Tim asisten lab menyadari bahwa tersusunnya modul praktikum ini berkat bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, kami ucapkan terima kasih yang sebesarbesarnya kepada teman-teman dan Bapak/Ibu pendidik serta narasumber yang telah membantu dan membimbing kami dalam pembuatan modul ini. Dan harapan kami semoga modul praktikum ini dapat menambah pengetahuan dan pengalaman bagi para pembaca atau praktikan laboratorium elektronika Universitas Indonesia. Karena keterbatasan pengetahuan maupun pengalaman kami, kami yakin masih banyak kekurangan dalam modul ini. Oleh karena itu kami sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari pembaca dan/atau praktikan laboratorium elektronika Universitas Indonesia demi kesempurnaan modul praktikum ini. Akhir kata, kami ucapkan terima kasih.

Senin, 21 Januari 2019

Tim Asisten Laboratorium Elektronika 2019

ii

DAFTAR ISI KATA PENGANTAR .......................................................................................................... i DAFTAR ISI ........................................................................................................................ ii PENGURUS LABORATORIUM ..................................................................................... vi PERATURAN LABORATORIUM ................................................................................. vii SISTEM PENILAIAN........................................................................................................ ix PERSENTASE MODUL..................................................................................................... x MODUL 1 : PENDAHULUAN .......................................................................................... 1 1.1 Tujuan Praktikum ...................................................................................................... 1 1.2 Poin-Poin Dasar Teori ............................................................................................... 1 1.3 Dasar Teori ................................................................................................................ 1 1.3.1

Peralatan yang Digunakan Pada Praktikum Elektronika ............................... 1

1.3.2 Komponen-Komponen yang Digunakan Pada Praktikum Rangkaian Elektronika ..................................................................................................... 6 1.3.3

Pengantar Divais Elektronika ........................................................................ 8

1.4 Praktikum ................................................................................................................ 14 1.5 Daftar Pustaka ......................................................................................................... 15 MODUL II : DIODA ....................................................................................................... 16 2.1 Tujuan Praktikum .................................................................................................... 16 2.2 Poin-Poin Dasar Teori ............................................................................................ 16 2.3 Dasar Teori .............................................................................................................. 16 2.3.1

PN Junction Diode ....................................................................................... 16

2.3.2

Mode Bias dan Karakteristik PN Junction Diode........................................ 18

2.3.3

Jenis dan Fungsi Dioda ................................................................................ 21

2.3.4

Rangkaian Ekivalen Dioda .......................................................................... 21

2.4 Praktikum ................................................................................................................ 27 Percobaan Half Wave Rectifier Circuit ................................................................... 27 Percobaan Full Wave Rectifier Circuit .................................................................... 28 Percobaan Clippers Circuit ...................................................................................... 29 Percobaan Clamper Circuit ...................................................................................... 30 Percobaan Voltage Regulator Circuit ...................................................................... 31

iii

2.5 Daftar Pustaka ........................................................................................................ 32 MODUL III : BJT ............................................................................................................. 33 3.1 Tujuan Praktikum .................................................................................................... 33 3.2 Poin-Poin Dasar Teori ............................................................................................. 33 3.3 Dasar Teori .............................................................................................................. 33 3.3.1

Pendahuluan ................................................................................................ 33

3.3.2 Peinsip Kerja BJT dengan Band Diagram ................................................... 34 3.3.3

Cara Kerja Rangkaian BJT .......................................................................... 36

3.3.4

Konfigurasi BJT .......................................................................................... 37

3.3.5

Analisa Rangkaian Voltage Divider Bias BJT ............................................ 38

3.3.6

Gerbang Logika Mengguanakan BJT .......................................................... 41

3.3.7

Package BJT BC-107 .................................................................................. 43

3.4 Praktikum ................................................................................................................. 44 Rangkaian Voltage Bias .......................................................................................... 44 Rangkaian Logika .................................................................................................... 45 3.5 Daftar Pustaka ......................................................................................................... 45 MODUL IV : RESPON FREKUENSI BJT .................................................................. 46 4.1 Tujuan Praktikum .................................................................................................... 46 4.2 Poin-Poin Dasar Teori ............................................................................................ 46 4.3 Dasar Teori .............................................................................................................. 46 4.3.1

Desibel ......................................................................................................... 46

4.3.2

Diagram Bode .............................................................................................. 47

4.3.3

Respon Frekuensi ........................................................................................ 48

4.3.4

Respon Frekuensi pada Voltage Divider BJT ............................................. 48

4.4 Praktikum ................................................................................................................ 52 4.5 Daftar Pustaka ........................................................................................................ 53 MODUL V : FET ............................................................................................................. 54 5.1 Tujuan Praktikum .................................................................................................... 54 5.2 Poin-Poin Dasar Teori ............................................................................................ 54 5.3 Dasar Teori .............................................................................................................. 54 5.3.1

Definisi FET ................................................................................................ 54

5.3.2

Perbedaan FET dan BJT .............................................................................. 55

5.3.3

Jenis-Jenis FET ............................................................................................ 57

iv

5.3.4

Biasing FET (Analisia DC) ......................................................................... 79

5.3.5

Penguat FET (Analisa AC) .......................................................................... 91

5.4 Praktikum .............................................................................................................. 103 5.5 Daftar Pustaka ...................................................................................................... 105 MODUL VI : RESPON FREKUENSI FET ................................................................ 106 6.1 Tujuan Praktikum .................................................................................................. 106 6.2 Poin-Poin Dasar Teori .......................................................................................... 106 6.3 Dasar Teori ............................................................................................................ 106 6.3.1

Respon Frekuensi Rendah - FET ............................................................... 106

6.3.2

Kapasitas Efek Miller ................................................................................ 108

6.3.3

Respon Frekuensi Tinggi - FET ................................................................ 111

6.4 Praktikum .............................................................................................................. 113 6.5 Daftar Pustaka ...................................................................................................... 114 MODUL VII : OPERATIONAL AMPLIFIER .......................................................... 115 7.1 Tujuan Praktikum .................................................................................................. 115 7.2 Poin-Poin Dasar Teori .......................................................................................... 115 7.3 Dasar Teori ............................................................................................................ 116 7.3.1

Pendahuluan .............................................................................................. 116

7.3.2

Op-Amp Ideal ............................................................................................ 117

7.3.3

Rangkaian Penguat Inverting, Non-Inverting dan Summing .................... 120

7.3.4

Komparator ................................................................................................ 123

7.3.5

Voltage Follower atau Unity Amplifier..................................................... 124

7.3.6

Rangkaian Integrator dan Diferensiator .................................................... 125

7.4 Datasheet IC LM741 ............................................................................................. 128 7.5 Praktikum .............................................................................................................. 128 Percobaan Rangkaian Penguat Pembalik (Inverting Amplifier) ........................... 128 Percobaan Rangkaian Penguat Tidak Pembalik (Noninverting Amplifier) .......... 129 Percobaan Rangkaian Summing Amplifier ........................................................... 130 Rangkaian Komparator .......................................................................................... 130 Rangkaian Integrator ............................................................................................. 131 Rangkaian Differentiator ....................................................................................... 132 7.6 Daftar Pustaka ...................................................................................................... 132 MODUL VIII : FILTER AKTIF ................................................................................. 133

v

8.1 Tujuan Praktikum .................................................................................................. 133 8.2 Poin-Poin Dasar Teori .......................................................................................... 133 8.3 Dasar Teori ............................................................................................................ 133 8.3.1

Pendahuluan .............................................................................................. 133

8.4 Praktikum .............................................................................................................. 137 Low Pass Filter ...................................................................................................... 137 High Pass Filter ..................................................................................................... 138 Band Pass Filter ..................................................................................................... 139 8.5 Daftar Pustaka ...................................................................................................... 139 MODUL IX : APLIKASI RANGKAIAN ELEKTRONIKA .................................... 140 9.1 Tujuan Praktikum .................................................................................................. 140 9.2 Poin-Poin Dasar Teori .......................................................................................... 140 9.3 Dasar Teori ............................................................................................................ 140 9.3.1

Low and High Voltage Protection Circuit ................................................. 140

9.3.2

Temperature Controlled Circuit Source Circuit ........................................ 143

9.3.3

Low Voltage Cut-Off Circuit .................................................................... 144

9.4 Daftar Pustaka ...................................................................................................... 148

vi

PENGURUS LABORATORIUM

Kepala Laboratorium Dr. Ir. Agus Santoso Tamsir, M.T.

Koordiator Praktikum Gabriel A. Manalu

Rendy B. Gumilang

Liem Kevin

Ananta R. Fernando

Rembianov

Adrian P. Sanjaya

Dzikrul I. Kamila

Syamsu R. Efendi

Farrel M. Fajar

Andrew Bastian

Risyaf Syamsi

Nicholas

vii

PERATURAN LABORATORIUM 1.

Praktikan wajib mengikuti seluruh rangkaian praktikum Rangkaian Elektronika yang terdiri atas 10 modul praktikum.

2.

Praktikan wajib membaca Petunjuk Keselamatan Umum dan Petunjuk Keselamatan pada setiap modul praktikum untuk menghindari hal -hal yang tidak diinginkan.

3.

Selama rangkaian kegiatan praktikum, setiap praktikan wajib berpakaian sopan, memakai baju berkerah dan sepatu. Apabila praktikan tidak berpakaian sesuai peraturan, maka tidak boleh mengikuti rangkaian kegiatan praktikum tersebut.

4.

Praktikan wajib melakukan persiapan materi praktikum, melalui modul praktikum, materi-materi kuliah, serta sumber lain yang berhubungan.

5.

Praktikan harus membawa Kartu Praktikum, Tugas Pendahuluan dan Dasar Teori. Jika tidak membawa salah satunya tidak dapat mengikuti praktikum. TP diupload paling lambat 1×24 jam sebelum shift dimulai.

6.

Setiap praktikan wajib membawa dasar teori yang telah ditulis tangan ketika praktikum, dasar teori tersebut akan distempel dan menjadi bahan pendukung ketika memulai praktikum.

7.

Sebelum mengambil data, pastikan rangkaian sudah dicek oleh asisten demi keselamatan bersama.

8.

Alasan yang dapat diterima adalah sakit (disertakan Surat Keterangan Dokter/Rumah Sakit), musibah mendadak, dan force major (banjir, kebakaran, dan lainnya).

9.

Setiap praktikan wajib mengisi daftar kehadiran Praktikum, laporan Praktikum dan pengumpulan tugas tambahan (optional).

10. Toleransi keterlambatan untuk setiap Modul Praktikum adalah 15 menit. Jika lewat waktu yang telah ditentukan tanpa memberikan alasan yang jelas, maka praktikan masih dapat mengikuti praktikum pada modul tersebut tetapi tidak memperoleh nilai borang.

viii

11. Praktikan yang menginginkan pergantian jadwal praktikum dapat memberitahu kepada koordinator praktikum. Pergantian jadwal hanya diizinkan apabila memiliki alasan yang jelas dan dapat diterima. 12. Apabila praktikan tidak mengikuti praktikum, maka nilai praktikum modul tersebut adalah nol. PERATURAN LABORATIUM 8 13. Nilai praktikum ditentukan oleh tingkah laku dan keaktifan praktikan selama mengikuti praktikum, termasuk saat tes lisan sebelum praktikum dimulai. Tingkah laku yang dilarang adalah segala bentuk tindakan yang dapat mengganggu jalannya praktikum dan ketertiban lab seperti bercanda, mengganggu kelompok lain, kerapihan alat setelah praktikum dan bermain gadget. 14. Tugas Tambahan dikerjakan di kertas A4 dan disatukan pada borang praktikum. 15. Seluruh perizinan dan pengaduan terkait teknis pelaksanaan modul praktikum harap disampaikan ke Koordinator Praktikum Gabriel A. Manalu.

ix

SISTEM PENILAIAN Komponen

Presentase

Dasar Teori

10 %

Tugas Pendahuluan

5%

Analisa Data

30 %

Praktikum (Sikap, proses percobaan, dan keaktifan) Tugas Tambahan

40 %

Kesimpulan

5%

Total

10 % 100 %

x

PERSENTASE MODUL Modul

Presentase

Pretest

7,5 %

Dioda

10 %

BJT

10 %

Respon Frek BJT

5%

FET

10 %

Respon Frek FET

5%

Op-Amp

10 %

Filter Aktif

10 %

Aplikasi

10 %

Proyek

22,5 %

Total

100 %

1

Modul I Pendahuluan 1.1. Tujuan Praktikum •

Mengetahui alat-alat yang digunakan pada praktikum Rangkaian Elektronika.

•

Mengetahui komponen-komponen yang digunakan pada praktikum Rangkaian Elektronika dan cara membaca serta menggunakannya.

•

Mengetahui dan memahami dasar teori divais elektronika.

1.2. Poin-Poin Dasar Teori •

Peralatan yang digunakan pada praktikum Rangkaian Elektronika.

•

Komponen yang digunakan pada praktikum Rangkaian Elektronika.

•

Dasar-dasar divais elektronika.

1.3. Dasar Teori 1.3.1.

Peralatan yang digunakan pada Praktikum Rangkaian Elektronika Sebelum kita melakukan praktikum kita harus mengetahui peralatan yang akan digunakan pada praktikum rangkaian elektronika kali ini, peralatan yang digunakan pada praktikum kali ini yaitu : •

Breadboard

•

Power Supply

•

Multimeter

•

LCR Meter

•

Oscilloscope

•

Function generator

2

1. Breadboard Breadboard digunakan untuk membuat dan menguji rangkaianrangkaian elektronik secara cepat, sebelum finalisasi desain rangkaian dilakukan. Breadboard memiliki banyak lubang yang berfungsi sebagai tepat untuk memasukkan komponen-komponen seperti resistor ataupun IC. Contoh breadboard pada umumnya adalah sebagai berikut:

Gambar 1.1 Breadboard Breadboard dilengkapi dengan lapisan strip metal yang terdapat di sepanjang permukaan bawah board dan menghubungkan lubanglubang yang ada di permukaan atas board. Layout dari strip metal tersebut adalah sebagai berikut:

Gambar 1.2 Layout strip metal dibawah permukaan Breadboard Lubang-lubang pada bagian atas dan bawah terhubung secara horizontal, namun pada breadboard lab terdapat pemisah pada tengahtengahnya sehingga untuk menyambungkanya dibutuhkan jumper, pada

3

bagian tengah lubang terhubung secara vertikal dan dipisahkan pada tengahnya seperti pada gambar 1.2. 2. Power Supply Power supply mengambil sumber listrik dari PLN dengan tegangan 220V AC. Pada power supply terdapat trafo untuk menurunkan tengan. Power supply juga mampu menghasilkan tegangan DC. Pada power supply terdapat fuse untuk proteksi jikalau ada kesalahan dalam rangkaian. Unsur-unsur yang penting dalam power supply yaitu terdiri dari: •

Sumber power supply

•

Vratings pada power supply

•

DC Variabel

•

Jumper

•

Rangkaian sumber +/- 15 Volt

•

Ground AC dan ground DC

Gambar 1.3 Power supply pada protoboard

4

3. Multimeter Multimeter digunakan untuk mengukur tegangan dan arus. Multimeter yang digunakan ada 2 jenis yaitu multimeter analog dan multimeter digital. Umumnya multimeter dapat digunakan sebagai voltmeter ataupun amperemeter. Perlu diperhatikan nilai yang muncul pada multimeter adalah nilai RMS. Pada pengukuran tegangan, multimeter dipasang secara paralel. Sedangkan untuk mengukur arus, multimeter dipasang secara seri.

Gambar 1.4 Multimeter pada protoboard 4. LCR Meter LCR meter yang digunakan adalah LCR meter digital. LCR meter dapat digunakan untuk mengukur besarnya induktansi L dan kapasitansi C. Pada LCR meter yang digunakan terdapat 3 frekuensi pengukuran.

Gambar 1.5 Boonton 5100 LCR Meter

5

5. Oscilloscope Oscilloscope merupakan sebuah instrumen laboratorium yang umumnya digunakan untuk menggambarkan dan menampilkan grafik dari suatu sinyal listrik. Grafik ini menunjukkan bagaimana sinyal berubah seiring berjalannya waktu.

Gambar 1.6 Komponen X,Y dan Z dari gelombang yang ditampilkan Sumbu vertikal (Y) menggambarkan tegangan dan sumbu horizontal (X) menggambarkan waktu. Intensitas atau kecerahan dari tampilan pada oscilloscope terkadang disebut sebagai sumbu Z. Tegangan yang terbaca pada oscilloscope merupakan tegangan peak-topeak. Untuk rangkaian Praktikum Rangkaian Elektronika ini digunakan analog oscilloscope.

Gambar 1.7 Analog Oscilloscope

6

6. Function Generator Function Generator mengambil suplai DC dari power supply. Function generator mampu menghasilkan sinyal dengan range frekuensi hingga 200kHz. Jenis gelombang yang dapat dihasilkan power supply adalah sinusoidal, segitiga, dan kotak. Unsur-unsur yang penting dalam function generator yaitu terdiri dari:

1.3.2.

•

Sumber power

•

Range frekuensi

•

Jenis gelombang

•

Grounding

Komponen-komponen yang digunakan pada Praktikum Rangkaian Elektronika 1. Resistor Resistor merupakan komponen elektronik yang berfungsi membatasi aliran arus listrik pada suatu rangkaian elektronik. Resistor dapat pula digunakan untuk memberikan tegangan yang spesifik untuk suatu divais aktif, contohnya transistor. Simbol resistor:

Berikut cara pembacaan resistor

7

Gambar 1.8 Gambar dan cara pembacaan resistor 2.

Kapasitor Kapasitor merupakan komponen elektronik yang berfungsi

menyimpan muatan listrik. Kapasitor terbuat dari dua konduktor yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Kapasitansi dari kapasitor adalah jumlah dari muatan listrik yang disimpan di dalam kapasitor tersebut pada saat diberi tegangan sebesar sumbernya. Kapasitor dikategorikan menjadi 2 grup, yaitu kapasitor polarized dan non-polarized. Pada umumnya, kapasitor dengan nilai kapasitansi yang rendah termasuk dalam kategori kapasitor non-polarized. Berikut ini merupakan cara pembacaan kapasitor:

8

Gambar 1.9 Cara pembacaan kapasitor

1.3.3.

Pengantar Divais Elektronika a.

Struktur Atom Benda yang terdapat di alam telah kita ketahui bahwa benda

tersebut tersusun dari unsur-unsur, dimana unsur terbentuk dari susunan atom. Atom merupakan penyusun terkecil dari suatu benda. Ketika memelajari kimia di SMA, kita telah mengetahui terdapat partikel yang menyusun sebuah atom, yaitu: proton, neutron dan elektron. Di antara ketiga partikel tersebut yang dapat bergerak adalah elektron. sehingga suatu atom dapat memiliki kondisi kelebihan atau kekurangan elektron. Pada kondisi ini disebut ion. Ion yang memiliki elektron berlebih disebut ion negatif dan sebaliknya ion positif. Susunan atom dapat digambarkan menggunakan model atom Bohr sebagai berikut :

9

Gambar 1.10 Struktur Atom: a. Silicon b. Germanium c. Gallium dan Arsenic Berdasarkan gambar di atas, titik hitam merupakan elektron dari suatu atom dan garis melingkar merupakan kulit energi tiap atom. Pengertian elektron adalah partikel subatomik yang bermuatan negatif. Pada kenyatannya elektron terus bergerak sehingga tidak selalu menempati kulit yang sama. Elektron dapat berpindah dari kulit satu ke kulit

lainnya.

Daerah

yang

ditingalkan

oleh

elektron

akibat

perpindahannya disebut hole. b. Karakteristrik Atom Setiap atom dapat digambarkan karakteristiknya menggunakan band diagram. Band diagram adalah representasi energi pada atom. Berikut adalah gambar dari band diagram :

10

Gambar 1.11 Band Diagram Pada gambar 1.11 dapat dilihat bahwa band diagram terdiri dari dua daerah, yaitu conduction band dan valence band yang dipisahkan oleh suatu daerah yang disebut band gap. Conduction band adalah pita energi tempat tujuan elektron berpindah. Valence band adalah pita energi dimana elektron berasal pada kondisi statis atau dengan kata lain valence band merupakan pita energi yang paling banyak ditemukan elektron pada keadaan statis. Daerah pemisah, band gap, merupakan daerah dimana elektron tidak dapat ditemukan pada daerah tersebut. Daerah ini yang menentukan sifat konduktivitas suatu atom. Band gap memiliki jarak yang bervariasi tergantung dari atom itu sendiri. Selain itu band gap merepresentasikan energi yang dibutuhkan agar suatu elektron dapat berpindah dari valence band menuju conduction band. Banyak atau tidaknya elektron ditemukan di valence band dan hole di conduction band dapat ditentukan berdasarkan dua faktor, pertama kita perlu mengetahui density of states yang tersedia untuk kepemilikan pada band tersebut, kemudian kita tentukan kemungkinan kepemilikan dari states yang bervariasi pada masing-masing level. Density of states merupakan nilai states elektron yang tersedia dalam satuan volume per satuan energi pada suatu level energi tertentu. Dari density of states ini

11

kita dapat menentukan fermi level suatu atom, yaitu level dimana probabilitas elektron dan hole ditemukan sebesar 50%. c.

Pergerakan Elektron dan Hole Analogi pergerakan elektron dan hole adalah tabung yang diisi oleh

air. Asumsikan air merupakan elektron dan udara merupakan hole. Ketika tabung diisi air sampai penuh, tidak ada udara yang tersisa di dalam tabung, kemudian kita miringkan posisi tabung tersebut. Terlihat bahwa tidak ada udara yang berpindah. Begitu pun sebaliknya jika tabung tidak diisi air. Dalam hal ini baik, elektron maupun hole tidak dapat berpindah. Ketika tabung diisi setengah penuh atau hampir penuh, ada udara tersisa, kemudian kita miringkan posisinya, terlihat bahwa udara pindah posisi menyesuaikan dengan arah kemiringannya, dimana air berpindah ke posisi yang berlawanan. Dalam hal ini, elektron dan hole dapat berpindah.Dapat disimpulkan bahwa jika suatu band terisi penuh atau tidak terisi sama sekali maka tidak terjadi pergerakan elektron dan hole.

Gambar 1.12 Fluid Analogi a.Terisi penuh dan tidak terisi b.Terisi Sebagian

12

d.

Konduktivitas Atom Seperti yang telah dijelaskan di atas bahwa konduktivitas suatu

atom ditentukan oleh daerah band gap pada band diagram. Semakin lebar band gap semakin sulit elektron untuk berpindah dari valence band menuju conduction band dan sebaliknya. Band gap dimana elektron dapat berpindah dengan sangat mudah adalah band gap yang overlap (tidak ada band gap, valence band dan conduction band seperti satu kesatuan). Oleh karena itu, band gap overlap merupakan karakteristik dari atom konduktor. Band gap dimana elektron sangat sulit berpindah adalah band gap yang sangat lebar jaraknya. Lebar jarak ini merepresentasikan energi yang dibutuhkan satu elektron untuk berpindah (Eg > 3eV). Selain itu tidak terdapat elektron sama sekali di conduction band dan valence band terisi penuh. Oleh karena itu, band gap ini merupakan karakteristik dari atom isolator Band gap dimana lebar jaraknya berada di antara lebar band gap konduktor

dan

semikonduktor.

isolator Atom

merupakan

semikonduktor

karakteristik

dari

atom

merupakan

atom

yang

konduktivitasnya dapat diatur sesuai kebutuhan. Band gap nya berkisar Eg < 2eV.

Gambar 1.13 Band Diagram konduktivitas atom

13

e.

Material Semikonduktor Berdasarkan

uraian

di

atas,

yang

termasuk

golongan

semikonduktor adalah Silicon, Germanium dan Galium Arsenide. Silicon dan Germanium (IV) merupakan semikonduktor yang terdiri dari atom yang sama sedangkan Galium Arsenide merupakan semikonduktor yang terbentuk akibat ikatan kovalen antara Galium (III) dan Arsenic (V). Setiap material semikonduktor tersebut memiliki energi gap yang berbeda- beda. Perhatikan gambar 5. Meskipun germanium memiliki energi gap yang rendah, germanium tidak banyak digunakan pada kebanyakan divais elektronika. Jumlah ketersediaan di alam yang sedikit menjadi alasannya, sehingga untuk memperolehnya dibutuhkan biaya yang cukup besar. Sedangkan GaAs memiliki band gap yang terbesar sehingga silikon-lah yang paling banyak digunakan. Selain itu, ketersediaannya di alam juga sangat besar sehingga mudah diperoleh.

f.

Semikonduktor Intrinsik dan Ekstrinsik Telah dijelaskan sebelumnya bahwa semikonduktor merupakan

konduktivitas yang dapat diatur sesuai kebutuhan. Pengaturan konduktivitas dapat dilakukan dengan cara memberikan atom lain pada atom semikonduktor. Semikonduktor intrinsik merupakan keadaan semikonduktor yang masih murni atom semikonduktor, sedangkan semikonduktor ekstrinsik merupakan semikonduktor yang telah diberi atom lain untuk mengubah sifat elektrik dari semikonduktor tersebut. Proses pemberian atom lain pada atom semikonduktor disebut doping dan atomnya disebut dopant. Terdapat 2 macam dopant, yaitu donor dan akseptor. Dopant donor merupakan atom yang memiliki elektron lebih banyak daripada atom

14

semikonduktor, sehingga setelah proses doping jumlah elektron semakin banyak. Dopant donor mayoritas berasal dari atom golongan V, misalnya fosfor dan sulfur dan golongan VI arsenic. Dopant akseptor merupakan atom yang memiliki jumlah elektron yang lebih sedikit daripada atom semikonduktor, sehingga setelah proses doping jumlah hole semakin banyak. Dopant akseptor mayoritas berasal dari atom golongan III, misalnya boron, gallium dan indium. Pemberian dopant pada semikonduktor intrinsic berdampak pada perubahan fermi level semikonduktor tersebut. Jika diberi dopant yang bersifat donor, maka fermi level akan berpindah mendekati conduction band, sedangkan jika diberi dopant yang bersifat akseptor, maka fermi level akan berpindah mendekati valence band. g.

Tipe Semikonduktor dan Carrier Semikonduktor yang telah diberi dopant akseptor disebut

semikonduktor tipe- P sedangkan yang telah diberi dopant donor disebut semikonduktor tipe-N. Tiap tipe semikonduktor memiliki dua jenis carrier, yaitu majority carrier dan minority carrier. Majority carrier merepresentasikan carrier sesuai dengan tipe semikonduktornya. Majority carrier pada semikonduktor tipe-P adalah hole, sedangkan minority carrier-nya adalah elektron, sementara majority carrier pada semikonduktor tipe-N adalah elektron dan minority carriernya adalah hole. 1.4. Praktikum Untuk modul ini, praktikumnya adalah briefing yang telah dilaksanakan. Tetapi, praktikan wajib mempelajari materi yang ada di modul 1 ini.

15

1.5. Daftar Pustaka •

Boylestad, Robert L., Nashelsky, Louis. 2013. ELECTRONIC DEVICES & CIRCUIT THEORY, Eleventh Edition. United States : Pearson.

16

Modul II Dioda 2.1 Tujuan Praktikum •

Memahami konsep dasar PN Junction : Dioda.

•

Memahami mode bias Dioda.

•

Memahami aplikasi Dioda.

2.2 Poin-Poin Dasar Teori •

Memahami konsep transfer muatan.

•

Memahami bias pada PN Junction.

•

Memahami kurva karakteristik PN Junction.

•

Mengetahui rangkaian ekivalen PN Junction.

•

Memahami titik kerja PN Juntion pada suatu rangkaian.

•

Memahami PN Junction sebagai rectifier.

•

Memahami PN Junction sebagai pengubah suatu level tegangan.

•

Memahami PN Junction sebagai pengatur tegangan.

2.3 Dasar Teori 2.3.1

PN Junction Diode PN junction diode adalah suatu divais elektronika yang terdiri dari gabungan dari dua tipe semikonduktor.

17

Gambar 2.1 Semikonduktor tipe-P dan tipe-N sebelum dan sesudah kontak Gambar 2.1 menjelaskan bagaimana dua tipe semikonduktor disatukan. Dapat dilihat bahwa gambar kiri pada gambar sebelum kontak sistem 1 merupakan Tipe-N dan sistem 2 Tipe-P berdasarkan fermi levelnya. Gambar kanan pada gambar sebelum kontak merupakan sebaliknya. Secara umum, PN junction .diode difabrikasikan dengan kondisi salah satu semikonduktornya

diberi dopan

lebih tinggi

dari

semikonduktor lainnya, misalnya dopant semikonduktor tipe-P lebih tinggi

daripada

dopant

semikonduktor

tipe-N.

Ketika

kedua

semikonduktor disatukan, muatan dari setiap tipe yang berada di daerah permukaan kontak akan saling berdifusi ke tipe lainnya, hole dari tipe-P akan berdifusi ke tipe-N dan sebaliknya. Ketika elektron dari tipe-N berdifusi ke tipe-P, ia meninggalkan ion positif, sedangkan ketika hole berdifusi membentuk ion negatif. Hasilnya adalah ion positif terkumpul di permukaan kontak tipe-N dan ion negatif terkumpul di permukaan kontak tipe-P. Daerah yang berisi ion-ion ini disebut daerah deplesi (depletion region). Kondisi diode yang seperti ini terjadi pada mode no biased.

18

Konsentrasi hole dan elektron menjadi sangat kecil dibandingkan dengan konsentrasi ketidakmurnian pada daerah deplesi akibat medan elektrostatis yang sangat tinggi. Intensitas medan listrik mengarah dari kiri ke kanan (gambar 1.1 kiri) atau kanan ke kiri (gambar 1.1 kanan) karena medan listrik didefinisikan sebagai gaya pada satuan muatan positif.

Gambar 2.2 Keadaan setelah kontak (PN Junction Diode) Pada kondisi tersebut, hole dan elektron terus saling berdifusi. Jika terus demikian maka yang sebelumnya tipe-P menjadi tipe-N dan sebaliknya merupakan hal yang salah. Medan listrik yang tercipta setelah difusi memaksa elektron dan hole kembali ke tempat asalnya, sehingga jumlah arus total yang terjadi pada kondisi ini bernilai 0. Kemudian berdifusi lagi dst. Arus yang diakibatkan oleh adanya medan listrik disebut arus drift. 2.3.2

Mode Bias dan Karakteristik PN Junction Diode Terdapat 3 mode bias PN junction diode, yaitu no biased, forward biased dan reverse biased. Mode no biased telah dijelaskan di atas. Mode forward biased merupakan mode ketika region diode dicatu bersesuaian dengan polaritas catu daya, region tipe-P dengan polar positif dan region tipe-N degan polar negatif. Mode reverse biased merupakan mode ketika region diode berlawanan dengan polaritas catu daya.

19

Ketika diode dicatu pada tegangan tertentu secara forward biased, nilai tegangan tersebut memaksa elektron pada tipe-N dan hole pada

tipe-P berekombinasi dengan ion-ion pada daerah deplesi.

Akibatnya, daerah deplesi mengecil. Muatan yang berasal dari sumber membuat region tipe-P semakin positif (semakin banyak hole) dan region tipe-N semakin negatif (semakin banyak elektron). Seiring dengan peningkatan potensial catu daya, muatan yang berekombinasi semakin banyak sehingga muatan mulai mengalir melewati daerah deplesi (daerah deplesi semakin menyempit). Hal ini menyebabkan majority carrier tiap region dapat dengan mudah melewati daerah deplesi, sehinga terjadi lonjakan arus yang mengalir melalui diode. Ketika diode dicatu pada tegangan tertentu secara reverse biased, jumlah ion positif pada daerah deplesi akan semakin banyak karena elektron bebas pada region tipe-N tertarik mendekati potensial positif dari tegangan catu (atau dapat diasumsikan ketika muatan potensial positif, hole, masuk ke region tipe-N maka elektron akan mengisi hole pada region tersebut. Sama seperti mode no biased, ketika elektron meninggalkan posisinya, ion positif akan terbentuk). Dengan alasan yang sama berlaku juga untuk region tipe-P, sehingga daerah deplesi semakin melebar. Pelebaran daerah deplesi menyebabkan majority carrier tiap region sangat sulit melewatinya, sehingga mereduksi arus mendekati nol.

20

Gambar 2.3 Kurva karakteristik dioda Gambar di atas menjelaskan kurva karakteristik diode yang terbuat dari bahan dasar yang berbeda. Sumbu V positif menjelaskan kondisi pada mode forward biased dan sumbu V negatif menjelaskan kondisi pada mode reverse biased. Dapat dilihat bahwa ketika diberi potensial positif, arus tidak langsung mengalir pada diode sampai potensial postif mencapai nilai tertentu. Setelah potensial positif mencapai nilai tertentu barulah diode dialiri arus, atau disebut on-state. Ketika polaritasnya dibalik, arus yang mengalir pada diode sangat kecil sekali mendekati nol (off-state). Namun jika nilai potensialnya terus dinaikkan sampai nilai tertentu (namun sangat besar) akan terjadi lonjakan arus. Lonjakan arus ini diakibatkan oleh peningkatan kecepatan pergerakan minority carrier (pada reverse biased carrier yang bergerak adalah minority carrier), yang mampu merubah susunan atom stabil sehingga menimbulkan carrier tambahan, dan elektron valensi yang mengalami proses ionisasi. Carrier tambahan tersebut dapat membantu proses ionisasi tersebut di

21

titik dimana lonjakan arus tersebut terjadi. Area dimana titik lonjakan arus pada mode reverse biased terjadi disebut breakdown region. Titik breakdown region dapat diperkecil dengan meningkatkan atom dopant pada kedua region diode. Breakdown region yang memiliki titik breakdown yang lebih kecil disebut zener region. 2.3.3

Jenis dan Fungsi Dioda Berdasarkan penjelasan kurva karakteristik, terdapat dua jenis diode yaitu : 1.

Diode (ordinary) Memiliki fungsi utama sebagai penyearah arus dan switch. Paling

banyak digunakan untuk merubah tegangan AC menjadi DC dengan memanfaatkan kedua fungsi tersebut. 2.

Zener diode Merupakan diode yang bekerja pada kondisi breakdown dengan

titik breakdown yang lebih kecil. Memiliki fungsi utama sebagai voltage regulator. 2.3.4

Rangkaian Ekivalen Dioda Terdapat 3 jenis rangkaian ekivalen diode : 1.

Piecewise-linear

2.

Simplified

3.

Ideal

22

(b) simplified

(c) ideal

Gambar 2.4 Rangkaian ekivalen diode

2.3.5

Aplikasi Dioda a.

Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang (Half-Wave Rectifier Circuit)

Gambar 2.5 Half-Wave Rectifier Circuit Telah dijelaskan bahwa fungsi diode sebagian penyearah arus. HWRC merupakan rangkaian yang komponennya tersusun atas diode dimana sinyal inputnya adalah sinyal sinusoidal (AC) dan outputnya adalah sinyal DC setengah gelombang.

23

Gambar sebelah kiri menjelaskan sinyal input sinusoidal. Ketika input diberikan pada rentang waktu 0 – T/2 (siklus positif), arus dari sumber akan mengalir melalui diode (asumsi ideal) karena pada siklus tersebut diode dicatu pada mode forward biased, sehingga diode dianggap short dan tegangan memasuki resistor. Ketika input diberikan pada rentang waktu T/2 – T (siklus negative), arus dari sumber tidak akan mengalir melalui diode karena berada pada mode reverse biased, sehingga diode dianggap open dan tegangan tidak masuk ke resistor. Jika input terus diberikan maka hasilnya akan terlihat seperti gambar berikut:

Gambar 2.6 Hasil HWRC b.

Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh (Full-Wave Rectifier Circuit) FWRC merupakan rangkaian yang komponennya tersusun atas

diode dimana sinyal inputnya adalah sinyal sinusoidal (AC) dan outputnya adalah sinyal DC gelombang penuh.

24

Gambar 2. 7 Full-Wave Rectifier Circuit Cara kerja FWRC sama saja dengan HWRC, namun pada FWRC harus dianalisis terlebih dahulu diode mana yang open dan mana yang short. Hasilnya polaritas resistor (output) tidak berubah, baik pada siklus positif maupun negatif, sehingga menghasilkan gelombang penuh.

Gambar 2.8 Hasil FWRC c.

Rangkaian Penjepit Tegangan (Clippers Circuit) CC adalah rangkaian yang komponennya terdiri atas diode yang

berfungsi menggeser level pergantian polaritas dari sinyal input yang masuk ke rangkaian dan menjepit (memaksa) nilai tegangan output tetap pada suatu nilai tertentu pada siklus sinyal input tertentu. Terdapat dua jenis konfigurasi CC, yaitu sinyal input terhubung seri

Gambar 2.9 Konfigurasi seri (kiri) & paralel clippers circuit

25

dengan diode dan terhubung paralel. HWRC merupakan CC yang terhubung seri. Pada konfigurasi seri, perhatikan bahwa DC supply terpasang searah dengan diode. Ketika input positif masuk ke rangkaian, jika nilainya kurang dari DC supply maka diode dalam on-state. Dengan menggunakan KVL maka nilai output dapat diperoleh. Ketika nilainya melebih DC supply, maka diode dalam off-state, sehingga nilai output 0 V dst. Dalam hal ini, CC sebagai pengubah level pergantian polaritas sinyal input. Pada konfigurasi paralel, perhatikan bahwa DC supply terpasang berlawanan dengan diode. Ketika input positif masuk ke rangkaian, diode on, sehingga dianggap short. Karean output terhubung paralel dengan DC supply, maka nilai output senilai dengan DC supply bila nilai input melebihi DC supply. Ketika input negatif maka nilai output akan sama dengan nilai input. d.

Rangkaian Pengubah Level Tegangan (Clampers Circuit) CLC adalah rangkaian yang terdiri dari diode dan kapasitor yang

berfungsi untuk menggeser level tegangan input tanpa merubah bentuk

Gambar 2.10 Clampers Circuit

26

aslinya. Misal, jika sinyal input sinusoidal memiliki amplitudo sebesar 20 V (peak-to-peak 40V), maka level tegangan output merupakan hasil pergesaran sinyal input dengan peak-to- peak yang tetap (40 V). Pertama asumsikan keadaan diode, pada gambar di atas diode dalam keadaan on pada siklus positif. Pada siklus ini kapasitor akan mengalami charging sampat sebesar nilai input dalam selang waktu т = RC. Agar rangkaian tersebut berfungsi, maka nilai RC harus memenuhi syarat 10 kali lebih kecil dari periode sinyal input. Pada gambar di atas RC bernilai kecil karena resistor ter-short oleh diode. Nilai output 0 V karena parallel dengan diode. Ketika siklus negative, kapasitor akan mengalami discharging dan diode dalam keadaan off. Nilai output dapat diperoleh dengan KVL dimana nilainya adalah total dari sinyal input dan kapasitor. Hasil clamping terdapat pada gambar sudut kanan atas. e.

Rangkaian Regulasi Tegangan (Voltage Regulator Circuit) VRC merupakan rangkaian yang menggunakan zener diode untuk

meregulasi tegangan output.

Gambar 2.11 Voltage Regulator Circuit Berbeda dengan rangkaian percobaan lain, VRC menggunakan DC supply agar arus melalui diode hanya dalam satu arah saja. Analisis rangkaian ini dimulai dengan mengasumsikan zener diode dalam keadaan open. Lalu, hitung nilai output menggunakan KVL. Zener diode memiliki nilai spesifikasi tegangan yang tetap. Jika nilai output sama atau melebihi nilai tegangan zener diode, maka zener diode dalam keadaan aktif dan nilai output akan sama dengan nilai tegangan zener diode

27

karena terhubung paralel. Jika kurang, maka zener diode dalam keadaan off. 2.4

Praktikum •

Percobaan Half Wafe Rectifier Circuit Alat dan Bahan: •

1 buah protoboard & oscilloscope

•

1 buah dioda (1N4002 / 1N4007 / 1N4148)

•

1 buah resistor (10K)

Langkah Percobaan: 1.

Susunlah rangkaian seperti gambar 1.12!

2.

Pasang jumper pada nilai 12 V, lalu hubungkan ke anoda diode!

3.

Pasang jumper pada nilai 0 V, lalu hubungkan ke ground!

4.

Pasang jumper pada katode diode, lalu hubungkan dengan probe + oscilloscope!

5.

Pasang jumper pada ground, lalu hubungkan ke probe – oscilloscope!

6.

Setelah selesai, mintalah asisten untuk mengecek rangkaian!

7.

Jika asisten sudah mengizinkan rangkaian untuk dicoba, nyalakan protoboard

8.

Amati hasilnya pada oscilloscope!

Gambar 1.12 Percobaan HWRC

28

•

Percobaan-Full Wave Rectifier Circuit Alat dan Bahan: •

1 buah protoboard & oscilloscope

•

4 buah dioda (1N4002 / 1N4007 / 1N4148)

•

1 buah resistor (10K)

Langkah Percobaan: 1. Susunlah rangkaian seperti gambar 1.13! 2. Pasang jumper pada nilai 12 V, lalu hubungkan ke antara D12 & D13! 3. Pasang jumper pada nilai 0 V, lalu hubungkan ke antara D14 & D15! 4. Pasang jumper pada katode diode, lalu hubungkan dengan probe + oscilloscope! 5. Pasang jumper pada ground, lalu hubungkan ke probe – oscilloscope! 6. Setelah selesai, mintalah asisten untuk mengecek rangkaian! 7. Jika asisten sudah mengizinkan rangkaian untuk dicoba, nyalakan protoboard 8.

Amati hasilnya pada oscilloscope!

Gambar 2.13 Percobaan FWRC

29

•

Percobaan Clippers Circuit Alat dan Bahan: •

1 buah protoboard & oscilloscope

•

1 buah dioda (1N4002 / 1N4007)

•

1 buah resistor (10K)

•

1 buah resistor (1K)

•

1 buah DC Supply

Langkah Percobaan: 1. Susunlah rangkaian seperti gambar 1.15! 2. Ikuti petunjuk percobaan HWRC! 3. Ulangi percobaan dengan membalikkan arah diode dan DC supply!

Gambar 2.14 Percobaan Clippers Atas

Gambar 2.15 Percobaan Clipper Bawah

30

•

Percobaan Clamper Circuit Alat dan Bahan: •

1 buah protoboard & oscilloscope

•

1 buah dioda (1N4002 / 1N4007) 1 buah resistor (22K)

•

1 buah DC Supply

•

1 buah kapasitor (10 uF)

Langkah Percobaan: 1.

Susunlah rangkaian seperti gambar 1.16!

2.

Ikuti petunjuk percobaan HWRC!

3.

Ulangi percobaan dengan membalikkan arah diode!

4.

Susun rangkaian seperti gambar 1.17 dan 1.18!

Gambar 2.16 Percobaan Negative Clampers Circuit

Gambar 2.17 Percobaan Negative Bias Clamper Circuit

31

Gambar 1. 18 Percobaan Negative Bias Clampers Circuit

•

Percobaan Voltage Regulator Circuit Alat dan Bahan: •

buah protoboard & oscilloscope 1 buah zener diode (1N4732)

•

buah resistor (10K)

•

1 buah resistor (100K)

•

1 buah DC Supply

Langkah Percobaan: 1.

Susunlah rangkaian seperti gambar 1.19!

2.

Ikuti petunjuk percobaan HWRC!

Gambar 2.19 Percobaan Voltage Regulator Circuit

32

NB : Pelajari materi yang tertulis pada Poin-poin Dasar Teori. Penguasaan dari setiap materi yang tertulis di atas adalah WAJIB dan akan diuji pada Tes Pendahuluan. Asisten BERHAK memberikan sanksi kepada praktikan yang tidak menguasai materi tersebut.

2.5

Daftar Pustaka •

Boylestad, Robert L., Nashelsky, Louis. 2013. ELECTRONIC DEVICES & CIRCUIT THEORY, Eleventh Edition. United States : Pearson.

•

Kano, Kanaan. - . SEMICONDUCTOR DEVICES. United States : Prentice Hall

•

Pierret, R. F.. 1996 . SEMICONDUCTOR DEVICES FUNDAMENTALS. - : Addison Weasley.

33

Modul 3 BJT 3.1. Tujuan •

Memahami prinsip kerja Bipolar Junction Transistor

•

Mengamati dan memahami DC bias pada BJT

•

Mengamati dan memahami prinsip kerja BJT sebagai penguat

•

Memahami prinsip rangkaian logika melalui BJT

3.2. Poin-Poin Dasar Teori •

Definisi Bipolar Junction Transistor

•

Penjelasan Band Diagram BJT

•

Prinsip Kerja BJT tipe PNP dan tipe NPN

•

Konfigurasi rangkaian BJT

•

DC dan AC analisi pada rangkaian voltage divider BJT

•

Aplikasi BJT pada Logic Gate (NOT, AND, OR)

3.3. Dasar Teori 3.3.1.

Pendahuluan Transistor merupakan divais semikonduktor yang berfungsi sebagai penguat arus, tegangan, dan sinyal. BJT (Bipolar Junction Transistor) merupakan jenis transistor yang sering digunakan. Disebut ‘Bipolar’ karena pengoperasian transistor ini melibatkan hole dan elektron dalam proses kerjanya. Sementara jika hanya melibatkan salah satu carrier (elektron atau hole), maka disebut unipolar.

34

BJT merupakan transistor 3 layer yang terdiri dari 2 layer tipe ndan 1 layer tipe p- (disebut transistor npn) atau 2 layer tipe p- dan 1 layer tipe n- (disebut transistor pnp). Layer BJT terdiri dari emiter, base, dan collector. Emitter merupakan sumber majority carier yang diberi doping sejumlah 1019 /cm3 (heavily doped). Base didoping lebih tipis dan lebih kecil dikarenakan agar tidak terjadi rekombinasi serta memiliki waktu transien yang kecil. Collector didoping lebih kecil tetapi layernya lebih besar dibandingkan dengan emiter dikarenakan untuk mengurangi disipasi.

(a)

(b)

Gambar 3.1 (a) BJT NPN, (b) BJT PNP

3.3.2. Prinsip Kerja BJT dengan Band Diagram Prinsip kerja BJT di atas dideskripsikan dengan aliran minority dan majority carrier, dimana menggunakan BJT tipe pnp. Apabila kita perhatikan, terdapat dua p-n junction pada BJT yang memiliki daerah

Gambar 3.2 Aliran majority dan minority carrier pada BJT

35

deplesi yang berbeda. Dalam keadaan forward active, salah satu p-n junction pada transistor diberi forward biased dan yang lain diberi reverse biased. Ketika kedua p-n junction telah diberi tegangan potensial, maka akan terjadi aliran antara minority dan majority carrier. Seperti yang telah dipelajari pada modul 2 terkait proses p-n junction, ketika p-n junction diberi forward biased maka sejumlah majority carrier akan berdifusi dari material tipe p ke tipe n dikarenakan daerah deplesi yang kecil. Carriers yang berdifusi tersebut akan berkontribusi langsung menuju arus base IB atau langsung lewat menuju material tipe p. Dikarenakan pada material tipe-n memiliki ketebalan yang tipis dan konduktifitas yang rendah maka arus yang mengalir menuju terminal base akan sangat kecil. Majority carrier akan bertindak sebagai minority carrier pada saat berada pada material tipe-n. Hal tersebut dapat dikatakan bahwa telah terjadi injeksi minority carrier pada material tipe-n. Oleh karena itu semua minority carrier pada daerah deplesi (base-collector) akan bergerak melewati reverse- biased junction dan menuju terminal kolektor atau yang dikatakan sebagai arus drift.

Gambar 3.3 Band diagram pada BJT

36

3.3.3. Cara Kerja Rangkaian BJT Pada BJT terdapat tiga kondisi/mode yaitu: cut off, aktif, dan saturasi. Kondisi cut off adalah kondisi ketika Emitter dan Collector pada BJT tidak terhubung (keadaan open) sehingga tidak ada arus Ic yang mengalir pada rangkaian. Kondisi aktif adalah kondisi yang digunakan pada rangkaian BJT untuk menjadi penguat (amplifier) faktor penguatan yang disebut β dan α, dimana : 𝛽=

𝐼𝐶 𝐼𝐶 𝑑𝑎𝑛 𝛼 = 𝐼𝐵 𝐼𝐸

Sehingga , 𝛽=

𝛼 𝛽 𝑑𝑎𝑛 𝛼 = 1−𝛼 𝛽+1

Namun penguatan tersebut hanya berlaku ketika transistor pada mode Aktif saja, pada kondisi ini Collector dan Emittor BJT terhubung dan arus kolektor (𝐼𝐶 ) bergantung pada arus pada basis (𝐼𝐵 ). Kondisi saturasi adalah kondisi ketika arus yang mengalir pada kolektor (𝐼𝐶 ) tidak tidak dipengaruhi lagi oleh arus pada basis (𝐼𝐵 ) sehingga arus yang mengalir adalah arus maksimal pada kolektor (pada kondisi ini emitter dan collector terhubung singkat). Ketiga kondisi tersebut diringkas seperti berikut. Kondisi Cut off

𝑰𝑩

𝑽𝑪𝑬 ≤

>0/∞

0 Aktif

>

>0

0 Saturasi

>

Mendekati

0

0

37

Kurva karakteristik IV pada BJT ditunjukan pada gambar 3.4 berikut.

Gambar 3.4 Kurva IV pada BJT 3.3.4. Konfigurasi BJT Pada dasarnya transistor bipolar yang digunakan sebagai penguat terdiri dari tiga konfigurasi dasar, yaitu common base, common emitter, dan common collector. Pada Common base kaki basisnya disambungkan terhadap ground sehingga basis digunakan sebagai referensi untuk input ataupun output. Pada Common emitter kaki emitter dihubungkan terhadap ground sehingga menjadi referensi untuk input ataupun outputnya. Pada Common collector kaki collector dihubung kan terhadap ground sehingga menjadi referensi untuk input ataupun outputnya. Gambar 3.5 menunjukan perbandingan antara ketiga konfigurasi dasar dari BJT.

38

Gambar 3.5 Konfigurasi dasar BJT 3.3.5. Analisa Rangkaian Voltage Divider Bias BJT a. Analisa DC Pada praktikum ini rangkaian yang digunakan adalah rangkaian Bias dengan konfigurasi Voltage divider. Konfigurasi ini menggunakan dua resistor sebagai pembagi beda potensial pada suplai tegangan untuk menyuplai sejumlah tegangan yang diperlukan oleh base pada BJT. Konfigurasi ini biasa digunakan sebagai rangkaian penguat. Metode ini sangat mengurangi efek dari perbedaan besar beta (β) dengan menahan bias pada base pada tegangan yang konstan untuk kestabilan yang baik. Besar tegangan pada Base (Vb) ditentukan oleh voltage divider yang dibentuk oleh dua resistor (R1 & R2) dan sumber tegangan Vcc.

39

Gambar 3.6 Konfigurasi voltage divider bias Analisis DC berfungsi untuk mengetahui hambatan dalam dari BJT (𝑟𝑒). Pada modul ini dijelaskan analisis DC dengan mengunakan analisis exact. Ketika DC analisis kapasitor pada input dan output akan menjadi hubungan terbuka sehingga rangkaian menjadi seperti pada gambar berikut:

Gambar 3.7 Komponen DC pada voltage divider bias Setelah itu dibuat suatu rangkaian pengganti dari rangkaian pada gambar 3.7 menjadi seperti di gambar 3.8.

40

Gambar 3.8 Rangkaian pengganti voltage divider bias Dimana 𝑅𝑇ℎ = 𝑅1 ||𝑅2 𝑑𝑎𝑛 𝐸𝑇ℎ =

𝑅2 𝑉𝐶𝐶 𝑅1 + 𝑅2

Dengan menerapkan hukum KVL pada gambar 8 didapatkan persamaan 𝐸𝑇ℎ − 𝐼𝐵 𝑅𝑇ℎ − 𝑉𝐵𝐸 − 𝐼𝐸 𝑅𝐸 = 0 Dengan

mensubtitusikan

𝐼𝐸 = (𝛽 + 1)𝐼𝐵

sehingga

didapatkan

persamaan 𝐼𝐵 =

𝐸𝑇ℎ − 𝑉𝐵𝐸 𝑅𝑇ℎ + (𝛽 + 1)𝑅𝐸

Hambatan dalam 𝑟𝑒 pada BJT (untuk silicon) 𝑟𝑒 =

b.

26𝑚𝑉 𝐼𝐸

Analisa AC Pada AC analisis rangkaian voltage divider yang terdiri dari

kapasitor akan diasumsikan terhubung singkat (berada pada frekuensi tinggi) dan juga sumber tegangan (Vcc) dihubungkan kepada ground. Sehingga rangkaian pada gambar 6 akan diubah menjadi rangkaian AC ekuivalennya menjadi seperti berikut:

41

Gambar 3.9 Rangkaian AC ekuivalen voltage divider bias Dimana 𝑅 ′ = 𝑅1 ||𝑅2 =

𝑅1 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2

Impedansi input dari rangkaian adalah Zi dan impedansi output adalah Zo 𝑍𝑖 = 𝑅 ′ ||𝛽𝑟𝑒 ,

𝑍𝑜 = 𝑅𝑐 ||𝑟𝑜

Penguatan tegangan pada BJT (Av) sebesar 𝐴𝑣 =

𝑉𝑜 −𝑅𝐶 ||𝑟𝑜 = 𝑉𝑖 𝑟𝑒

Jika 𝑟𝑜 ≥ 10𝑅𝐶 maka nilai 𝑟𝑜 dapat diabaikan (tidak diikutkan dalam perhitungan). 3.3.6. Gerbang Logika menggunakan BJT Pada

penggunakaan

BJT

sebagai

gerbang

logika

kita

memanfaatkan 2 kondisi pada BJT yaitu kondisi cutoff dan kondisi saturasi. Kita dapat secara mudah masuk kedua kondisi tersebut dengan memberikan bias pada basis (𝑉𝐵 ) nol untuk masuk pada kondisi cutoff dan 𝑉𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 untuk memasuki kondisi saturasi. Aplikasi paling dasar gerbang logika adalah gerbang NOT seperti yang ditunjukan pada gambar 10. Ketika BJT berada pada kondisi cutoff maka collector dan emitter mengalami hubungan terbuka sehingga arus tidak melalui kaki CE sehingga arus mengalir melalui output yang terletak pada kaki collector (mengalir ke LED) sedangkan ketika BJT berada pada kondisi

42

saturasi maka collector dan emitter mengalami hubungan singkat sehingga arus lebih memilih melalui kaki CE dibandingkan melalui LED.

Gambar 3.10 Package BJT BC 107

Gambar 3.11 Package BJT BC 107

43

Gambar 3.12 Package BJT BC 107 3.3.7.

Package BJT BC-107

Gambar 3.13 Package BJT BC 107

44

3.4. Praktikum a.

Voltage Divider Bias

Gambar 3.14 Rangkaian praktikum voltage divider 1. Susun komponen sesuai dengan gambar rangkaian. Pastikan kaki-kaki komponen tidak ada yang short dan kaki transistor terpasang dengan benar. 2. Hubungkan rangakain dengan multimeter untuk mengukur IB dan IC dengan menggunakan kabel capit dan jumper. Pastikan multimeter terpasang dengan benar (seri untuk mengukur arus). Pastikan port yang digunakan pada multimeter benar (gunakan port DC dengan skala mili Ampere terlebih dahulu, jika kurang terbaca pindahkan ke micro Ampere) 3. Hubungkan function generator dengan multimeter kemudian nyalakan function generator. Atur frekuensi dan juga amplitudo pada function generator sesuai yang diberikan asisten laboratorium.

45

4. Setelah didapatkan Vin dan frekuensi yang diinginkan, sambungkan Vin dan VCC (15V) dari function generator ke rangkaian . Ukurlah Vin (VAC) dan Vo (VAC) lalu ukurlah arus IB (A DC) dan IC (A DC) dengan menggunakan multimeter. 5. Ulangilah langkah 3-4 dengan mengubah amplitudo yang berbeda-beda. 6. Hitunglah β yang didapat dari hasil pengukuran IB dan IC pada setiap pengukuran. 7. Hitunglah Av yang didapat dari hasil pengukuran (Av= Vo/Vi) pada setiap data pengukuran. b. Rangkaian Logika 1.

Susun komponen menjadi gerbang logika NOT, AND, dan OR seperti pada gambar 3.10, 3.11, dan 3.12 pastikan kakai-kaki komponen terpasang dengan benar dan tidak ada yang short

2.

Hubungkan Vcc pada rangkaian ke 5V pada protoboard

3.

Berikan input untuk masing-masing input A dan B dengan diberian variasi input 0 (LOW) dan 5V (HIGH) lihatlah hasil outputnya dengan indikator nyalanya lampu LED

4.

Ulangilah langkah nomor 3 sesuai dengan lembar data yang diberikan.

3.5. Daftar Pustaka •

Boylestad, Robert L., Nashelsky, Louis. 2013. ELECTRONIC DEVICES & CIRCUIT THEORY, Eleventh Edition. United States : Pearson.

•

Alexander, Charles K., Sadiku, Matthew N.O. (2009). Fundamental of Electric Circuit ( Fourth Edition). New York : McGraw-Hill.

•

Floyd.2001.

“Electronics

Fundamentals

Circuit,

Devices,

and

Application”.New Jersey:Printice Hall, Inc. •

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/opampi.html#c2

•

http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amp_2.html

•

BJT Datasheet Catalog – BC107

46

Modul IV Respon Frekuensi BJT 4.1. Tujuan Praktikum •

Memahami analisis respon frekuensi dengan bode plot.

•

Memahami respon frekuensi rendah pada penguatan BJT.

•

Memahami respon frekuensi tinggi pada penguatan BJT.

4.2. Poin-Poin Dasar Teori •

Desibel dan diagram Bode.

•

Respon frekuensi.

•

Respon frekuensi pada rangakian voltage divider BJT.

•

Analisa DC dan AC (frekuensi rendah dan tinggi) pada rangkaian BJT.

•

Kapasitansi yang terjadi pada rangkaian BJT.

•

Kurva frekuensi terhadap penguatan pada rangkaian BJT.

4.3. Dasar Teori 4.3.1

Desibel Desibel (dB) merupakan suatu satuan power ataupun audio yang berhubungan dengan basis logaritma yang merupakan perbandingan antara Daya keluaran dengan daya masukan suatu sistem. Dapat dituliskan sebagai berikut:

47

ataupun dalam perbandingan tegangan dapat dituliskan menjadi

Perbandingan dengan satuan dB biasanya digunakan untuk mengetahui penguatan pada suatu sistem (Av) dimana dapat terjadi penguatan (> 0 dB) ataupun terjadi pelemahan ( < 0 dB) dan keterkaitannya dengan analisis frekuensi dan bode plot . Perbandingan keluaran terhadap masukan sistem dapat terlihat pada Tabel 4.1.

Tabel 4.1 Perbandingan Av = Vo/Vi terhadap Db

4.3.2

Diagram Bode Diagram Bode merupakan suatu metode analisa grafis dalam kawasan frekuensi, sehingga dapat dengan mudah menentukan sifat rangkaian bila bekerja pada frekuensi tertentu. Pembuatan diagram bode biasanya menggunakan kertas semilog graph yang ditunjukan pada gambar 4.1 terlihat perubahan 1 decade pada sisi horizontal yang menunjukan frekuensi, dan biasanya pada sisi vertikal diberikan satuan dB untuk menunjukan Magnitude, penguatan, pelemahan.

48

Gambar 4.1 Bode plot

4.3.3

Respon Frekuensi Respon frekuensi merupakan suatu fenomena rangkaian tehadap nilai-nilai frekuensi yang diberikan pada rangkain itu. Pada frekuensi rendah dan frekuensi tinggi, terdapat kapasitor bypass dan coupling yang tidak dapat digantikan lagi dengan pendekatan short circuit maupun open circuit diakibatkan penambahan reaktansi dari elemen tersebut. Pada bab ini pendekatan tidak lagi dilakukan sehingga perhitungan nilai kapasitansi akan digunakan.

4.3.4

Respon Frekuensi pada Voltage Divider BJT Rangkaian yang digunakan pada percobaan ini adalah voltage divider BJT dapat dilihat pada gambar 4.2 Terdapat capacitor C3 (Cin), C2 ( Cout), C1 (CE) dimana pada percobaan ini dilakukan untuk melihat respon dari rangakaian BJT terhadap variasi frekuensi yang diberikan.

49

Gambar 4.2 Rangkaian Voltage divider BJT Pada analisa DC dimana frekuensinya adalah 0 maka capacitor C1,C2, dan C3 akan dianggap open circuit dikarenakan reaktansinya yang tak hingga. Namun pada analisa AC terdapat efek dari capacitor untuk setiap level frekuensi yang berbeda yaitu pada frekuensi rendah, menengah, dan tinggi. Sebelum melanjutkan analisis perlu diketahui mengenai penamaan capacitor dan lokasinya, secara garis besar terdapat dua tipe capacitor yaitu : •

Practical capacitor : Cin, Cout, CE seperti yang dijelaskan sebelumnya, berbentuk fisik dan dipasang pada rangkaian gambar 4.2.

•

Virctual capacitor : Cwi, Cwo, CBE, CBC, CCE, capasitor ini tidak berbentuk secara fisik namun muncul kapasitansi diantara kaki-kaki transistor akibat frekuensi tinggi atau yang sering dikenal yaitu efek miller.

50

Posisi virtual capacitor dapat dilihat pada gambar 4.3 sehingga harus dilakukan pengukuran kembali dengan LCR meter

untuk

kapasitansi antar kaki-kaki transistor dan kapasitansi input & output terhadap ground.

Gambar 4.3 Virtual Capacitor Selanjutnya variasi frekuensi akan menghasilkan

penguatan

yang berbeda-beda disetiap frekuensinya. Kurva antara penguatan (Vo/Vi)

terhadap frekuensi ditunjukan pada gambar 4.4. Pada

percobaan ini untuk mendapatkan hasil yang akurat kurva dibuat pada diagram bode.

51

Gambar 4.4 Respon frekuensi terhadap penguatan BJT Pada gambar 4.4 terdapat fc1 dan fc2 dimana hal tersebut dimaksudkan adalah frekuensi cutoff bawah dan frekuensi cutoff atas. Frekuensi cut off adalah dimana ketika penguatan turun sebesar 0.707 (-3dB) dari keadaan stabilnya. Sehingga pada percobaan ini kita akan mengetahui respon dari suatu sistem terhadap variasi frekuensi yang diberikan, rangkaian ini memiliki fungsi yang mirip seperti filter yang akan dipelajari pada modul filter aktif.

52

4.4. Praktikum a.

Rangkaian Voltage Divider BJT

Gambar 4.5 Rangkaian Voltage Divider BJT 1.

Susun komponen sesuai dengan gambar rangkaian. Pastikan kaki-kaki komponen tidak ada yang short dan kaki transistor terpasang dengan benar.

2.

Hubungkan rangakain dengan multimeter untuk mengukur IB dan Ic dengan menggunakan kabel capit dan jumper. Pastikan multimeter terpasang dengan benar (seri untuk mengukur arus). Pastikan port yang digunakan pada multimeter benar (port arus DC untuk mengukur IB (0.3mA), dan Ic 30mA)).

3.

Hubungkan function generator dengan multimeter kemudian nyalakan function generator. Atur frekuensi menjadi 50 Hz dan juga amplitudo pada function generator agar Vs sesuai yang diinginkan.

53

4.

Setelah didapat Vs yang diinginkan, sambungkan Vs dan VCC (15V) dari function generator ke rangkaian . Ukurlah Va (VAC) dan Vb (VAC) lalu ukurlah arus Ib (A DC) dan Ic (A DC) dengan menggunakan multimeter.

5.

Ulangilah langkah 3-4 dengan mengubah frekuensi yang berbeda-beda.

4.5. Daftar Pustaka •

Boylestad, Robert., Louis Nashelsky, “Electronic Devices and Circuit Theory : eleventh Edition”, Prentice Hall International Editions, 2013

54

Modul 5 FET 5.1 Tujuan •

Memahami prinsip kerja FET.

•

Mengamati dan memahami biasing pada FET.

•

Mengamati dan memahami prinsip kerja FET sebagai penguat.

5.2 Poin-Poin Dasar Teori •

Definisi FET.

•

Prinsip kerja FET.

•

Perbedaan BJT dan FET.

•

Jenis-jenis FET (Konstruksi, kurva dan karakteristiknya).

•

Analisis DC FET.

•

Analisis AC FET.

5.3 Dasar Teori 5.3.1

Definisi FET FET (Field Effect Trasistor) merupakan divais aktif elektronika tiga terminal yang biasa dipergunakan sebagai penguat dan sebagai switching. FET merupakan jenis transistor yang memakai efek medan listrik dalam aplikasinya sebagai amplifier ataupun sebagai switching dan merupakan komponen unipolar.

55

5.3.2

Perbedaan FET dan BJT Perbedaan utama antara BJT dan FET adalah variable yang mengendalikan output arus pada divais. Besar arus 𝐼𝐶 pada BJT dikendalikan oleh arus 𝐼𝐵 pada base, sedangkan arus 𝐼𝐷 pada FET dikendalikan oleh besar tegangan VGS antara terminal gate dan source. Dari kedua pernyataan di atas, BJT merupakan divais currentcontrolled

sebagaimana

digambarkan

pada

gambar

5.1a,

sedangkan FET merupakan divais voltage-controlled sebagaimana digambarkan pada gambar 5.1b. Sama seperti adanya BJT tipe npn dan pnp, terdapat FET tipe nchannel dan p-channel. Akan tetapi, penting untuk diingat bahwa BJT merupakan divais bipolar, awalan bi mengindikasikan tingkat konduksi merupakan fungsi dari dua carrier bermuatan: elektron dan hole. FET merupakan divais unipolar, hanya bergantung pada satu carrier, elektron (n-channel) dan hole (p-channel). Salah satu karakteristik penting FET yaitu impedansi input yang tinggi, bervariasi dari 1 MΩ sampai ratusan megaohm, jauh lebih tinggi dibandingkan BJT. Karakteristik ini penting dalam desain sistem amplifier linear AC. Di pihak lain, BJT lebih sensitif terhadap perubahan pada sinyal yang diaplikasikan. Variasi pada arus output umumnya lebih besar pada BJT untuk perubahan tegangan yang sama dengan FET. Dengan kata lain, gain tegangan AC untuk penguat BJT lebih besar dibandingkan FET. Akan tetapi, FET lebih stabil terhadap suhu

dibandingkan BJT,

serta

FET

umumnya

lebih

kecil

dibandingkan BJT, mengakibatkan FET lebih sering digunakan pada chip IC.

56

Gambar 5.1 Divais Current Controlled (kiri) dan Divais Voltage Controlled (kanan). Istilah field effect didapatkan dari bagaimana transistor jenis ini bekerja. Dianalogikan field effect ini sebagai kemampuan magnet permanen untuk menarik besi tanpa perlunya kontak langsung. Sebagaimana dengan FET, medan listrik dihasilkan oleh muatan yang ada, di mana muatan tersebut mengendalikan lajur konduksi dari rangkaian output tanpa perlunya kontak langsung antara variabel pengendali dan variabel yang dikendalikan. Secara singkat, perbedaan BJT dan FET terdapat pada tabel 5.1 di bawah ini: BJT Mengubah arus menjadi arus

FET Mengubah tegangan menjadi arus

CCCS

VCCS

Bipolar

Unipolar

Switching Lambat Impedansi input rendah Gain lebih besar Lebih sensitif terhadap suhu

Switching Cepat Impedansi input tinggi Gain lebih kecil Kurang sensitif terhadap suhu

Tabel 5.1 Perbedaan BJT dan FET

57

5.3.3

Jenis-Jenis FET a. Junction FET (J-FET) 1.

Konstruksi Dasar JFET merupakan divais semikonduktor tiga terminal yang salah

satu terminalnya memiliki kemampuan untuk mengendalikan besarnya arus pada dua terminal lainnya. Konstruksi dasar dari n-channel JFET ditunjukkan pada gambar 5.2. Dapat dilihat bahwa bagian besar dari divais merupakan material tipe n. Bagian ini membentuk channel di antara lapisan tipe p yang tertanam. Bagian kanan dari channel tipe n dihubungkan melalui ohmic contact ke terminal yang dilabelkan drain (D), sedangkan bagian kiri dari channel dihubungkan juga ohmic contact ke terminal yang dilabelkan source (S). Dua material tipe p disatukan ke terminal gate (G). Pada kondisi no-bias, JFET memiliki dua junction p-n. Hasil dari daerah deplesi dalam setiap junction memiliki karakteristik yang sama dengan diode dalam kondisi No.-bias. Diingatkan kembali bahwa daerah deplesi tidak memiliki carrier bebas dan tidak dapat melakukan konduksi. Diingatkan kembali bahwa daerah deplesi tidak memiliki carrier bebas dan tidak dapat melakukan konduksi.

Gambar 5.2 Konstruksi n-channel Junction FET.

58

Prinsip kerja JFET dapat dianalogikan sebagai keran air. Aliran air mengalir dari source ke drain, sedangkan gate mengatur kuat aliran air. 1.

Karakteristik

•

VGS = 0 V, VDS nilai positif Pada gambar 5.3a, tegangan positif VDS diterapkan pada channel

dan gate dihubungkan secara langsung ke source untuk menghasilkan kondisi VGS = 0 V. Hasilnya berupa terminal gate dan source berada pada potensial yang sama dan daerah deplesi pada bagian bawah dari setiap material p sama dengan distribusi pada kondisi no-bias sesuai dengan gambar 5.2. Lajur muatan mengalir secara jelas menunjukkan bahwa arus drain dan source sama besar (ID = IS). Di bawah kondisi pada gambar 5.3a, aliran arus tidak terhalangi dan hanya dibatasi oleh hambatan nchannel antara drain dan source. Daerah deplesi lebih lebar dekat bagian atas material tipe p. Alasan dari perbedaan lebar ini dibantu oleh gambar 5.3a. Asumsi hambatas pada n-channel itu seragam, hambatan dari channel dapat dibagi menjadi per bagian pada gambar 5.3b. Terdapat perbedaan tegangan yang berbeda-beda pada setiap divisi. Hal ini mengakibatkan pn junction mengalami reverse bias sepanjang channel menghasilkan arus gate sebesar 0 ampere. Nilai IG = 0 A merupakan karakteristik penting dari JFET.

59

Gambar 5.3 JFET pada VGS = 0V dan VDS > 0 V. Seiring tegangan VDS ditingkatkan dari 0 V menjadi beberapa volt, arus akan meningkat sesuai dengan hukum Ohm dan fungsi pada gambar 5.4 akan terjadi. Kelurusan relatif pada fungsi menunjukkan pada daerah yang VDS-nya kecil, hambatan relatif konstan. Seiring nilai VDS meningkat dan melewati tingkat yang direfrensikan sebagai VP, daerah deplesi pada gambar 5.3b akan melebar, menghasilkan penyusutan lebar channel. Lajur konduksi yang berkurang ini menyebabkan hambatan meningkat dan mengalami fungsi kurva. Semakin horizontal kurvanya, semakin meningkat hambatan, mengindikasikan bahwa hambatan mendekati nilai tak hingga dalam daerah horizontal. Jika VDS ditingkatkan sampai dua daerah deplesi saling bersentuhan pada gambar 5.5, kondisi yang dinamakan pinch-off akan terjadi. Tingkat VDS yang menghasilkan kondisi ini direfrensikan sebagai tegangan pinch-off (VP). Berkebalikan dengan istilahnya,

kondisi

pinch-off

merupakan

kondisi

di

mana

ID

mempertahankan tingkat saturasi yang didefinisikan sebagai Arus Drain pada Saturation State (IDSS). Channel yang sangat kecil masih ada dengan densitas arus yang sangat tinggi. Tidak terjadinya jatuh arus pada drain

60

ketika pinch-off dibuktikan oleh pernyataan bahwa ketidakhadiran arus drain akan menghilangkan kemungkinan dari tingkat potensial sepanjang material n-channel untuk menghasilkan tingkat reverse bias yang berbeda-beda sepanjang p-n junction. Hasil ini berupa hilangnya distribusi daerah deplesi yang mengakibatkan kondisi pinch-off. Dengan kata lain, IDSS merupakan arus drain maksimum untuk JFET dan didefinisikan oleh kondisi VGS = 0V dan VDS > |VP|.

Gambar 5.4 Grafik fungsi ID terhadap VDS ketika VGS = 0 V.

Gambar 5.5 kondisi pinch-off.

61

Tegangan dari gate ke source merupakan tegangan pengendali JFET. Untuk divais n-channel, tegangan pengendali VGS dibuat lebih negatif dibandingkan nilai awal VGS = 0V. Dengan kata lain, terminal gate akan dibuat nilai potensialnya lebih rendah dibandingkan source. •

VGS = < 0 V Pada gambar 5.6 tegangan negatif -1 V diaplikasikan di antara

terminal source dan gate untuk nilai VDS yang rendah. Pengaruh bias VGS negatif bertujuan menghasilkan daerah deplesi yang serupa dengan yang dihasilkan pada VGS = 0 V, namun dalam nilai VDS yang lebih rendah. Hasil aplikasi bias negatif ke gate bertujuan mencapai tingkat saturasi pada nilai VDS yang lebih rendah. Tingkat saturasi untuk ID dikurangi dan akan terus berkurang semakin VGS dibuat negatif. Dapat dilihat pada gambar 5.7 bahwa tegangan pinch-off terus menurun dalam sifat parabolik semakin VGS menjadi negatif. Pada akhirnya, VGS akan cukup negatif untuk menghasilkan tingkat saturasi senilai 0 mA, dan secara praktis divais ini dalam keadaan “OFF”.

Gambar 5.6 Aplikasi tegangan terhadap negatif gate pada JFET.

62

Gambar 5.7 karakteristik JFET n-channel dengan IDSS = 8 mA dan VP = -4 V.

Tingkat VGS yang menghasilkan ID = 0 mA didefisinisikan oleh VGS = VO, dengan VP sebagai tegangan negatif untuk divais JFET nchannel dan tegangan positif untuk divais p-channel. •

Voltage-Controlled Resistor Daerah di sebelah kiri dari locus pinch-off pada gambar 5.7

direfrensikan sebagai daerah ohmic atau voltage-controlled resistance. Dalam daerah ini JFET dapat dianggap sebagai hambatan variabel (umumnya untuk sistem automatic gain control [AGC]) yang di mana hambatannya dikendalikan oleh tegangan gate ke source. Pada gambar 5.7 gradien setiap kurva, hambatan, pada divais antara drain dan source untuk VDS < VP merupakan fungsi dari tegangan VGS. Semakin VGS bersifat negatif, gradien semakin horizontal, mengikuti hambatan yang meningkat. Persamaan ini memberikan perkiraan nilai hambatan sesuai dengan tegangan VGS yang diaplikasikan:

63

𝑟𝑑 =

𝑟𝑜 (1 − 𝑉𝐺𝑆 / 𝑉𝑃 )2

Di mana ro merupakan hambatan ketika VGS = 0 V dan rd merupakan hambatan pada nilai VGS tertentu. •

Divais p-Channel JFET P-channel dikonstruksikan mirip dengan varian n-channel,

hanya saja material tipe p dan tipe n dibalik sesuai dengan gambar 5.8. Arah arus dibalik, karena terdapat polaritas untuk tegangan VGS dan VDS. Untuk divais p-channel, channel menyempit semakin tegangan VGS membesar dan VDS menjadi negatif sesuai dengan gambar 5.9, di mana IDSS sebesar 6 mA dan tegangan pinch off VGS = +6 V. Notasi negatif menunjukkan potensial pada source lebih tinggi daripada drain.

Gambar 5.8 JFET p-channel

64

Gambar 5.9 Karakteristik JFET p-channel dengan IDSS = 6 mA dan VP = +6 V. Perlu diperhatikan bahwa nilai VDS yang tinggi naik ke nilai tak hingga. Kenaikan vertikal merupakan indikasi bahwa breakdown terjadi dan arus yang melewati channel hanya dibatasi oleh rangkaian eksternal. Hal ini tidak terjadi pada divais n-channel. •

Simbol Simbol grafik untuk JFET terdapat pada gambar 5.10. Panah

merepresentasikan arah arus IG akan mengalir jika p-n junction mengalami forward bias.

Gambar 5.10 Simbol JFET (a) n-channel; (b) p-channel.

65

•

Karakteristik transfer

Penurunan rumus

Berbeda dengan BJT yang arus collector-nya berbanding lurus linear terhadap arus base, arus drain tidak berbanding lurus dengan tegangan gatesource. Hubungan antara keduanya didefinisikan dengan persamaan yang dikemukakan oleh William Bradford Shockley: 𝐼𝐷 = 𝐼𝐷𝑆𝑆 (1 −

𝑉𝐺𝑆 2 ) 𝑉𝑃

IDSS dan VP merupakan konstanta, sedangkan VGS merupakan variabel bebas. Notasi kuadrat menghasilkan kurva yang naik secara eksponensial

dengan

magnituda

VGS

yang

berkurang.

Gambar 5.11 Kurva transfer dari karakteristik drain. Secara singkat, ketika VGS = 0 V, ID = IDSS. Ketika VGS = VP, ID = 0 mA b. Depletion MOSFET (D-MOSFET) MOSFET

dibagi

menjadi

tipe

depletion

dan

tipe

enhancement. Kedua istilah ini mendefisinikan mode operasi dasar. Nama MOSFET diartikan sebagai metal-oxide-semiconductor field-

66

effect transistor. Karena terdapat perbedaa karakteristik dan operasi MOFET yang jenisnya berbeda-beda, pada modul ini dijelaskan per bagian. Pada bagian ini dibahas Depletion-type MOSFET, yang memiliki karakteristik yang sama dengan JFET antara cutoff dan saturasi pada IDSS, dan karakteristik yang baru ditambahkan ke daerah yang polaritasnya berkebalikan dengan VGS. • Konstruksi dasar

Gambar 5.12 Konstruksi n-channel depletion-type MOSFET. Konstruksi dasar n-channel depletion type MOSFET terdapat pada gambar 5.12. Lempengan material tipe p dibentuk dari base silikon dan direfrensikan sebagai substrat. Istilah ini merupakan bagian dasar konstruksi divais ini. Dalam beberapa kasus, substrat terhubung secara internal ke terminal source. Akan tetapi, banyak divais diskrit memberikan terminal tambahan SS, yang menghasilkan divais menjadi bersifat empat terminal. Terminal source dan drain terhubung pada kontak logam ke daerah yang ter-doping n yang terhubung pada nchannel. Gate juga dihubungkan ke kontak logam, tetapi sisanya

67

terinsulasi dari n-channel oleh lapisan silikon dioksida yang sangat tipis (SiO2). SiO2 merupakan jenis insulator jenis dielektrik, yang mengatur medan listrik yang berlawanan dalam dielektrik ketika terpaparkan medan listrik dari luar. Karena SiO2 merupakan lapisan insulator, tidak ada hubungan listrik langsung antara terminal gate dan channel MOSFET manapun. Ditambah lagi, Lapisan insulasi ini mengakibatkan impedansi input yang sangat tinggi pada divais, lebih tinggi dibandingkan JFET. Hal ini mengakibatkan arus IG sebesar 0 A untuk konfigurasi DC. Lapisan insulasi ini pula menyebabkan divais ini emmiliki nama lain insulated-gate FET atau IGFET. • Operasi dasar dan karakteristik: n-channel depletion type MOSFET Pada gambar 5.13 tegangan VGS diatur menjadi 0 V dengan hubungan langsung antarterminal, dan tegangan VDD diaplikasikan sepanjang terminal drain dan source. Hasilnya yaitu ketertarikan dari elektron bebas pada n-channel untuk tegangan positif pada drain. Hasilnya yaitu arus sama dengan seperti pada JFET. Arus hasil VGS = 0 V berupa IDSS juga, sesuai dengan gambar 5.15.

Gambar 5.13 n-channel Depletion MOSFET dengan VGS = 0 V dan tegangan VDD

68

Gambar 5.14 Reduksi carrier bebas dalam channel karena potensial negatif pada terminal gate

Gambar 5.15 Karakteristik drain dan transfer untuk n-channel depletion MOSFET Pada gambar 5.14 VGS diatur pada tegangan negatif sebesar -1 V. Potensial negatif pada gate akan menekan elektron menuju substrat tipe p (muatan sama tolak menolak) dan menarik hole dari substrat tipe p (muatan beda tarik-menarik). Tergantung magnituda dari bias negatif yang

69

dihasilkan oleh VGS, tingkat rekombinasi antara elektron dan hole akan terjadi yang akan mengakibatkan berkurangnya jumlah elektron bebas pada n-channel untuk konduksi. Semakin negatif biasnya, tingkat rekombinasinya semakin tinggi. Hasil tingkat arus drain dikurangi dengan bias negatif VGS yang semakin besar, hingga tegangan pinch-off pada -6 V. Dapat dilihat bahwa pemetaan kurva mirip dengan kurva pada JFET. Untuk nilai positif VGS, gate positif akan mengambil elektron bebas dari substrat tipe p karena arus bocor reverse dan menghasilkan carrier baru hasil dari tubrukan antara partikel. Tegangan VGS terus dinaikkan secara positif, gambar 5.15 menunjukkan arus drain akan meningkat dalam laju cepat. Jarak antara VGS = 0 V dan VGS = +1 V pada kurva menunjukkan bahwa harus diperhatikan akan arus drain maksimum karena dapat ditingkatkan dengan tegangan gate positif. Sebagai contoh, pada gambar 5.15, tegangan VGS = +4 V menghasilkan arus drain sebesar 22.2 mA, yang dapat melebihi rating maksimum. Aplikasi tegangan VGS positif menghasilkan istilah berupa enhancement region. • Operasi dasar dan karakteristik: p-channel depletion type MOSFET Konstruksi p-channel depletion MOSFET merupakan kebalikan dari gambar 5.12, yaitu terdapat substrat tipe n dan tipe p, sebagaimana dipaparkan pada gambar 5.16a. Terminal tetap sama, tetapi polaritas tegangan dan arah arus dibalik. Karakteristik drain dapat terlihat seperti gambar 5.15, tetapi VDS berupa nilai negatif, ID memiliki nilai positif, dan VGS memiliki polaritas berkebalikan sesuai gambar 5.16c. Kebalikan dari VGS menghasilkan gambar cerminan karakteristik transfer. Dengan kata lain, arus drain akan meningkat dari cutoff pada VGS= VP pada daerah positif VGS ke IDSS dan lanjut meningkat pada nilai negatif VGS. Persamaan Shockley masih dapat diaplikasikan.

70

Gambar 5.16 p-type depletion MOSFET dengan IDSS = 6 mA dan VP = +6 V • Simbol Simbol grafik untuk kedua jenis depletion MOSFET ditunjukkan pada gambar 5.17. Tidak adanya koneksi antara gate dan channel direpresentasikan dengan jarak antara gate dan terminal lain pada simbol. Garis vertikal merepresentasikan channel yang disambung antara drain dan source dan ditopang oleh substrat. Dua simbol dari setiap jenis channel mencerminkan substrat dapat tersedia secara eksternal dan tidak.

Gambar 5.17 Simbol untuk (a) n-channel depletion MOSFET dan (b) p-channel depletion MOSFET

71

c. Enhancement-type MOSFET (E-MOSFET) • Konstruksi

Gambar 5.18 Konstruksi n-channel E-MOSFET Konstruksi dasar n-channel enhancement-type MOSFET terdapat pada gambar 6.18. Pada depletion-type MOSFET, substrat kadang-kadang terhubung sevara internal ke terminal source, sedangkan pada kasus lain konektor keempat (SS) dibuat terbuka untuk kendali eksternal untuk tingkat potensialnya. Terminal source dan drain terhubung lewat kontak metalik ke daerah n yang terdoping. Akan tetapi, tidak terdapat channel diantara daerah terdoping n. Ketidakberadaan ini merupakan perbedaan utama dari konstruksi MOSFET tipe depletion dan enhancement. Lapisan SiO2 masih ada untuk mengisolasi plafon metalik gate dari daerah antara drain dan source, tetapi untuk ini hanya dipisah dari bagian material tipe p.

72

• Operasi dasar dan karakteristik: n-channel enhancement type MOSFET Jika VGS diatur menjadi 0 V dan tegangan yang diberikan antara drain dan source dari divais pada gambar 5.18, ketidakberadaannya channel n akan mengakibatkan arus sebesar 0 A, berbeda dengan defletion type MOSFET dan JFET, di mana ID = IDSS. Hal ini tidaklah cukup untuk memiliki akumulasi carrier berjumlah besar pada drain dan source jika jalur antar keduanya tidak ada. Dengan memberikan VDS tegangan positif, VGS pada 0 V, dan terminal SS terhubung sevara langsung ke sourve, terdapat dua pn junction bersifat reverse bias antara daerah terdoping n dan substrat p untuk melawan arah arus antara drain dan source. Pada gambar 5.19, VDS dan VGS diatur pada tegangan positif yang lebih tinggi dari 0 V, menghasilkan drain dan gate pada potensial positif terhadap source.

Gambar 5.18 Konstruksi n-channel E-MOSFET

73

Potensial positif pada gate akan memberikan tekanan pada hole (muatan sama tolak-menolak) pada substrat p bersamaan dengan ujung lapisan SiO2 untuk meninggalkan daerah dan masuk ke daerah substrat p yang lebih dalam. Hasil dari ini yaitu daerah deplesi dekat SiO2 tidak lagi memiliki hole. Akan tetapi, elektron pada substrat p (di mana ini berupa minority carrier) akan ditarik ke gate positif dan berakumulasi pada daerah dekat permukaan lapisan SiO2. Lapisan ini dan sifat insulasinya menghentikan carrier negatif diserap pada terminal gate. Semakin naik nilai VGS, konsentrasi elektron dekat SiO2 meningkat sampai daerah tipe n yang terinduksi dapat menopang aliran arus antara drain dan sourve. Tingkat VGS yang menghasilkan kenaikan arus drain yang signifikan dinamakan tegangan threshold (VT). Pada datasheet direfrensikan sebagai VGS(TH). Karena channel tidak ada dengan VGS = 0 V dan ter-enhance oleh pemberian tegangan positif gate-source, jenis MOSFET ini dinamakan enhancement MOSFET. Kedua jenis MOSFET memiliki daerah enhancement, tetapi label diberikan ke E-MOSFET karena mode ini merupakan satu-satunya mode operasi. VGS dinaikkan melebihi nilai threshold, densitas dari carrier bebas pada channel yang terinduksi akan meningkat, menghasilkan tingkat arus drain yang dinaikkan. Akan tetapi, jika VGS dibuat konstan dan peningkatan nilai VDS, arus drain pada suatu titik akan mencapai tingkat saturasi sama seperti jenis FET yang lain. Peningkatan dari ID disebabkan oleh proses pinching-off yang direfrensikan oleh channel ang lebih sempit pada bagian drain dari channel yang terinduksi pada gambar 5.19. Hukum tegangan Kirchoff yang diterapkan ke tegangan terminal dari MOSFET menghasilkan: 𝑉𝐷𝐺 = 𝑉𝐷𝑆 − 𝑉𝐺𝑆 Jika VGS dibuat konstan pada suatu nilai seperti 8V dan VDS ditingkatkan dari 2 V ke 5 V, tegangan VDG akan naik dari -6 V ke – 3 V

74

dan gate akan menjadi kurang positif terhadap drain. Pengurangan pada tegangan gate-drain ini akan mengurangi pula gaya tarik-menarik untuk carrier bebas (elektron) pada daerah channel yang terinduksi, mengakibatkan pengurangan lebar channel yang efektif. Pada suatu titik, channel ini akan dikurangi ke titik pinch-off dan kondisi saturasi akan dihasilkan sebagaimana dijelaskan pada JFET. Dengan kata lain, kenaikan VDS lebih lanjut pada nilai VGS yang tetap tidak akan memengaruhi tingkat saturasi ID sampai kondisi breakdown terjadi.

Gambar 5.19 Perubahan channel dan daerah deplesi dengan naiknya nilai VDS pada nilai VGS yang tetap Karakteristik drain dar gambar 6.35 emmberikan untuk divais pada gambar 5.19 dengan VGS = 8 V, saturasi terjadi pada tingkat VDS = 6 V. Tingkat saturasi VDS berhubungan langsung terhadap nilai VGS sebesar 𝑉𝐷𝑆(𝑠𝑎𝑡) = 𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇 Untuk nilai VT yang tetap, pada nilai VGS yang makin ninggi, nilai VDS makin tinggi pula, sesuai pada gambar 5.20.

75

Gambar 5.20 Kurva Transfer n-type E-MOSFET Untuk karakteristik pada gambar 5.19, tingkat VT sebesar 2 V, sesuai pada arus drain yang jatuh ke 0 ma. Secara umum, dengan demikian: Untuk nilai VGS yang kurang dari tingkat threshold, arus drain pada enhancement-type MOSFET sebesar 0 mA. Gambar 5.20 memberikan informasi bahwa naiknya jilai VGS dari VT ke 8 V, nilai saturasi resultan ID juga meningkat dari 0 mA ke 10 mA. Ditambah lagi, dapat dilihat bahwa penjarakan antara tingkat VGS meningkat sesuai nilai VGS, menghasilkan inkremen arus drain yang meningkat. Untuk nilai VGS > VT, arus drain berhubungan pada tegangan gatesource yang diberikan pada hubungan nonlinier ini: 𝐼𝐷 = 𝑘(𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇 )2 Rumus yang mengandung kuadrat menghasilkan hubungan nonlinier antara ID dan VGS. k merupakan konstanta yang merupakan fungsi dari konstruksi divais. Nilai k dapat ditentukan dari persamaan di bawah ini, merupakan ID(on) dan VGS(on) merupakan nilai untuk keduanya pada titik tertentu untuk karakteristik divais ini.

76

𝑘=

𝐼𝐷(𝑜𝑛) (𝑉𝐺𝑆(𝑜𝑛) − 𝑉𝑇 )2

• P-Channel Enhancement-Type MOSFET Konstruksi p-channel enhancement-type MOSFET merupakan kebalikan dari pada varian n-channel. Terdapat substrat tipe n dan daerah terdoping p pada hubungan drain dan source. Terminal tetap bersifat sama, tetapi polaritas tegangan dan arah arus dibalik. Karakteristik drain terdapat pada gambar 5.21c, dengan naiknya tingkat arus menghasilkan nilai VGS yang maikn negatif. Karakteristik transfer gambar 5.21b merupakan grafik cermin dari gambar 5.20.

Gambar 5.22 Kurva Transfer p-type E-MOSFET dengan VT = 2 V dan k = 0,5 x 10-3 A/V2

Gambar 5.23 Simbol untuk (a) n-channel E-MOSFET, dan (b) p-channel E-MOSFET.

77

d. Metal Semiconductor FET (MESFET) Penggunaan GaAs pada konstruksi semikonduktor tidak sesering pada dulunya, dikarenakan masalah pada biaya perancangan dan densitas IC. Keperluan divais berkecepatan tinggi dan metode produksi yang lebih baik menghasilkan kebutuhan akan IC skala besar menggunakan GaAs. Produksi menggunakan ini dapat dipermudah dengan menggunakan schottky barrier pada gate. Penggunaan Schottky barrier pada gate sangat berbeda dengan penggunaan lapisan insulasi pada MOSFET. Tidak adanya insulasi mengurangi jarak antara permukaan kontak metal dari gate dan lapisan semikonduktor, menghasilkan nilai kapasitansi yang rendah antara dua permukaan. Hal ini mengakibatkan sensitivitas yang rendah pada frekuensi yang rendah yang menopang mobilitas tinggi dari carrier pada material GaAs. Nama FET ini diambil dari keberadaan junction metal semikonduktor, Metal Semiconductor Field Effect Transistor (MESFET). Konstruksi dasar MESFET terdapat pada gambar 5.24. Dapat dilihat bahwa terminal gate disambung secara langsung ke konduktor metal terpasang secara langsung terhadap channel n antara terminal source dan drain. Satu-satunya perbedaan dari D-MOSFET yaitu tidak adanya insulator pada gate. Ketika tegangan negatif diterapkan pada gate, carrier bebas negatif (elektron) pada channel ditarik ke permukaan metal, mengurangi jumlah carrier pada channel. Hal ini mengakibatkan berkurangnya arus drain pada setiap nilai tegangan negatif yang meningkat pada terminal gate. Untuk tegangan positif, elektron tambahan ditarik ke channel dan arus akan meningkat sesuai gambar 5.25. Polaritas dan arah arus MESFET terdapat pada gambar 5.26.

78

Gambar 5.24 Konstruksi dasar n-channel MESFET

Gambar 5.25 Karakteristik n-channel MESFET

Gambar 5.26 Simbol dan biasing dasar n-channel MESFET

79

5.3.4

Biasing FET (Analisi DC) Materi yang sudah dijelaskan pada bagian sebelumnya menyatakan bahwa variabel bebas pada FET merupakan tegangan, bukan arus seperti pada BJT. Akan tetapi, variabel terikat merupakan nilai arus yang menyatakan nilai tegangan yang penting pada tegangan output. Hubungan umum yang dapat diterapkan ke analisis DC untuk semua penguat FET yaitu: 𝐼𝐺 ≃ 0 𝐴 𝐼𝐷 = 𝐼𝑆 Untuk JFET, dan Depletion MOSFET dan MESFET, persamaan Shockley diterapkan untuk menghubungkan kuantitas input dan output. 𝑉𝐺𝑆 2 𝐼𝐷 = 𝐼𝐷𝑆𝑆 (1 − ) 𝑉𝑃 Untuk Enhancement MOSFET dan MESFET, persamaan ini dapat diterapkan. 𝐼𝐷 = 𝑘(𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇 )2 Perlu diingat bahwa semua persamaan di atas tidak berubah berdasarkan konfigurasi rangkaian. Solusi dari konfigurasi dapat ditentukan menggunakan pendekatan matematis atau grafis. Akan tetapi, pendekatan grafis lebih ditekankan karena tidak memerlukan penyelesaian rumus. a.

Konfigurasi Fixed Bias Susunan rangkaian biasing yang paling sederhana untuk JFET n

channel terdapat pada gambar 5.27. Konfigurasi ini dimanakan fixed bias. Konfigurasi ini merupakan salah satu konfigurasi yang dapat diselesaikan hanya menggunakan pendekatan matematis atau grafis.

80

Kedua metode dimasukkan pada bagian ini untuk menunjukkan perbedaan antara kedua metode.

Gambar 5.27 Konfigurasi fixed bias.

Gambar 5.28 Rangkaian analisis DC Konfigurasi di atas terdapat nilai tegangan AC Vi dan Vo dan kapasitor coupling (C1 dan C2). Kedua kapasitor ini dianggap sebagai rangkaian terbuka pada analisis DC dan impedansi rendah (rangkaian arus pendek) pada analisis AC. Resistor RG dihubungkan dengan tujuan memastikan Vi terdapat pada input ke penguat FET untuk analisis AC. Untuk analisis AC, digunakan analisis mesh (KVL) dengan menghubungkan terminal ground satu sama lain, 𝑉𝐺 = 𝐼𝐺 𝑅𝐺 = (0 A)𝑅𝐺 = 0 𝑉

81

RG dianggap arus pendek karena tidak terdapat jatuh tegangan pada RG, sesuai gambar 5.28. Terminal negatif baterai disambung langsung pada potensial negatif VGS, menunjukkan bahwa polaritas VGS berkebalikan dengan VGG. Aplikasi KVL menghasilkan: −𝑉𝐺𝐺 −𝑉𝐺𝑆 = 0 𝑉𝐺𝑆 = −𝑉𝐺𝐺 VGG merupakan suplai DC tetap, maka tegangan VGS tetap sama, menghasilkan istilah “fixed bias configuration”. Arus drain dikendalikan oleh persamaan shockley. Karena VGS merupakan kuantitas tetap pada konfigurasi ini, nilainya dapat disubstitusikan pada persamaan Shockley. Aplikasi matematis ini terus terang. Analisis grafis memerlukan persamaan Shockley pada gambar 5.29. Dapat diingat kembali bahwa VGS = VP/2 akan menghasilkan arus drain IDSS/4 ketika menggambar persamaan. Untuk analisis, tiga titik yaitu IDSS, VP, dan titik potong merupakan variabel yang penting dalam menggambar kurva.

Gambar 5.29 Menggambar persamaan Shockley.

82

Gambar 5.30 Menemukan solusi konfigurasi fixed bias Pada gambar 5.30, titik tetap VGS ditumpangkan pada garis vertikal VGS = - VGG. Pada titik manapun pada garis vertikal, nilai VGS sama dengan –VGG, nilai ID harus ditentukan pada garis vertikal ini. Titik di mana dua kurva yang berpotongan merupakan solusi umum dari konfigurasi ini, umumnya disebut operating point. Huruf bawah Q akan diterapkan pada arus drain dan tegangan gate-source untuk mengidentifikasikan nilainya pada Q(quiescent)-point. Dapat dilihat pada gambar 5.30 bahwa nilai diam ID ditentukan dengan menggambar garis horizontal dari q-point pada sumbu ID vertikal. Sangatlah penting untuk memastikan bahwa ketika rangkaian mulai beroperasi, nilai DC ID dan VGS yang akan diukur oleh alat ukur.

Gambar 5.31 Pengukuran nilai quiescent ID dan VGS

83

Tegangan drain-source pada output dapat ditentukan dengan aplikasi KVL: 𝑉𝐷𝑆 = 𝑉𝐷𝐷 − 𝐼𝐷 𝑅𝐷 Tegangan VG, VD, dan VS merujuk ke tegangan pada titik tertentu pada FET terhadap ground. 𝑉𝑆 = 0 𝑉 𝑉𝐷𝑆 = 𝑉𝐷 −𝑉𝑆 𝑉𝐷 = 𝑉𝐷𝑆 𝑉𝐺𝑆 = 𝑉𝐺 −𝑉𝑆 𝑉𝐺 = 𝑉𝐷𝑆 Konfigurasi fixed biastidak memainkan tegangan pada terminal. Maka dari itu, ketiga pernyataan di atas belum tentu berlaku pada konfigurasi FET yang lain. b.

Konfigurasi Self-Bias Konfigurasi self-bias menghilangkan perlunya dua suplai DC.

Tegangan gate-source yang mengendalikan sistem ditentukan oleh tegangan sepanjang resistor RS yang dihubungkan pada kaki source seperti ditunjukkan pada gambar 5.32.

Gambar 5.32 Konfigurasi self-bias JFET

84

Gambar 5.33 Analisis DC konfigurasi self-bias Untuk analisis DC, kapasitor dapat diganti dengan rangkaian terbuka dan resistor RG diganti oleh ekivalen arus pendek karena IG = 0 A. Hasilnya terdapat pada gambar 5.33. Arus yang melewati RS merupakan arus sumber IS, tetapi IS = ID dan 𝑉𝑅𝑆 = 𝐼𝐷 𝑅𝑆 Dari gambar 5.33, didapatkan bahwa 𝑉𝑅𝑆 = −𝑉𝐺𝑆 𝑉𝐺𝑆 = −𝐼𝐷 𝑅𝑆 VGS merupakan fungsi dari arus output ID dan tidak tetap seperti fixed bias. Persamaan di atas didefinisikan oleh konfigurasi rangkaian, dan persamaan Shockley menghubungkan nilai input dan output pada divais. Kedua persamaan berhubungan dengan dua variabel yang sama, ID dan VGS.

85

Solusi matematis didapatkan dengan mensubstitusika persamaan di atas dengan persamaan Shockley, sehingga menjadi: 𝐼𝐷 𝑅𝑆 2 𝐼𝐷 = 𝐼𝐷𝑆𝑆 (1 + ) 𝑉𝑃 Dari persamaan di atas, persmaan kuadrat didapatkan: 𝐼𝐷 2 + 𝐾1 𝐼𝐷 + 𝐾2 = 0 Pendekatan grafis diperlukan penentuan karakteristik divais seperti pada gambar 5.34. Karena persamaan menjelaskan garis lurus pada grafik yang sama, dua titik diidentifikasikan yang terdapat pada garis dan pada kedua titik tersebut dibentangkan garis lurus. Kondisi yang paling jelas yaitu penulisan pada ID = 0 A karena ini menghasilkan VGS = -IDRS = (0 A)RS = 0V. Untuk persamaan di atas, satu titik pada garis lurus ditentukan dengan ID = 0 A dan VGS = 0 V, sebagaimana pada gambar 5.24.

Gambar 5.34 Penentuan titik pada garis self-bias. Titik kedua pada persamaan memerlukan tingkat VGS atau ID untuk dipilih dan tingkat yang berhubungan pada kuantitas yang berbeda

ditentukan

menggunakan

menjelaskan titik lain pada garis lurus.

persamaan.

Hasilnya

akan

86

𝑉𝐺𝑆 =

−𝐼𝐷𝑆𝑆 𝑅𝑆 2

Hasil titik kedua pada garis lurus pada gambar 5.35. Garis berpotongan dengan kurva merupakan Q-point. Nilai VDS dapat ditentukan dengan menerapkan KVL ke rangkaian output, yang menghasilkan: 𝑉𝑅(𝑆) + 𝑉𝐷𝑆 + 𝑉𝑅(𝐷) − 𝑉𝐷𝐷 = 0 𝑉𝐷𝑆 = − 𝑉𝑅(𝑆) + 𝑉𝐷𝐷 − 𝑉𝑅(𝐷) = 𝑉𝐷𝐷 −𝐼𝐷 𝑅𝐷 −𝐼𝑆 𝑅𝑆

Gambar 5.35 Penggambaran garis self-bias c.

Konfigurasi Voltage-Divider Konfigurasi voltage divider yang terdapat pada transistor BJT juga

berlaku pada penguat FET sesuai pada gambar 5.36. Konstruksi dasarnya sama, tetapi analisis DC untuk keduanya berbeda. Hal ini disebabkan oleh sifat arus gate yang bernilai 0 A, sedangkan IB memengaruhi nilai tegangan dan arus DC pada rangkaian BJT. Pada gambar 5.36 segala jenis kapasitor dibuat open circuit. Sumber VDD dipisah menjadi dua sumber ekivalen. IG = 0 A, KCL memerlukan bahwa IR1 = IR2, dan rangkaian ekivalen seri di sebelah kiri

87

dapat digunakan untuk menentukan nilai VG yang sama dengan tegangan sepanjang R2, dapat ditentukan menggunakan hukum voltage-divider.

Gambar 5.36 Rangkaian Voltage Divider

Gambar 5.37 Analisis DC konfigurasi Aplikasi KVL didapatkan 𝑉𝐺𝑆 = 𝑉𝐺 −𝐼𝐷 𝑅𝑆

Di mana dua variabel terdapat pada persamaan Shockley. Kuantitas VG dan RS tetap pada konstruksi rangkaian. Persmaan di atas

88

merupakan persamaan garis lurus, tetapi titik asal bukan titik dalam penggarisan. Prosedur penggarisan, tinjau ketika ID = 0 mA. Nilai VFS = VG pada ID = 0 mA. Hasil dari ini dapat digariskan sesuai gambar 5.38.

Gambar 5.38 Penggambaran garis voltage-divider-bias Dari titik lain, tinjau ketika VGS = 0 V dan nilai ID dapat diselesaikan dengan: 𝐼𝐷 =

𝑉𝐺 𝑅𝑆

(VGS = 0 V)

Setelah kedua garis digambar, grafik akan terlihat seperti gambar 5.39. Perpotongan pada sumbu vertikal ditentukan oleh ID = VG/RS dan VG konstan, nilai RS berbanding terbalik dengan ID. Nilai RS yang meningkat menghasilkan nilai quiescent ID makin rendah bersama dengan nilai VGS.

Gambar 5.39 Pengaruh RS terhadap Q-point

89

Ketika nilai quiescent IDQ dan VGSQ ditentukan, analisis rangkaian dapat dilakukan: 𝑉𝐷𝑆 = 𝑉𝐷𝐷 −𝐼𝐷 (𝑅𝐷 + 𝑅𝑆 ) 𝑉𝐷 = 𝑉𝐷𝐷 −𝐼𝐷 𝑅𝐷 𝑉𝑆 = 𝐼𝐷 𝑅𝑆

𝐼𝑅1 = 𝐼𝑅2 = d.

𝑉𝐷𝐷 𝑅1 + 𝑅2

Transistor Selain JFET Dapat diingat bahwa depletion MOSFET bersifat sama dengan

JFET, maka rumus analisis DC pada JFET dapat diaplikasikan pada DMOSFET. Hanya saja, titik operasional D-MOSFET dengan nilai VGS dan ID positif yang melebihi IDSS. Pada transistor selain JFET analisis DC menghasilkan hasil yang berbeda bagi. Sebagai contoh, dapat diingat bahwa pada n-type Enhancement MOSFET, arus drain bernilai 0 A untuk nilai VGS kurang dari nilai ambang VGS(Th). Untuk nilai VGS yang melebihi VGS(Th), arus drain dapat dihitung menggunakan: 𝐼𝐷(𝑜𝑛) = 𝑘(𝑉𝐺𝑆(𝑜𝑛) − 𝑉𝐺𝑆(𝑇ℎ) )2 𝑘=

𝐼𝐷(𝑜𝑛) (𝑉𝐺𝑆(𝑜𝑛) − 𝑉𝐺𝑆(𝑇ℎ) )2

Setelah nilai k ditentukan, nilai ID dapat ditentukan untuk nilai VGS yang dipilih. Umumnya, titik antara VGS(Th) dan VGS(on) dan lebih tinggi dibandingkan VGS(on). Untuk konfigurasi-konfigurasi lainnya, dapat merujuk tabel pada halaman selanjutnya.

90

91

5.3.5

Penguat FET (Analisa AC) FET memberikan gain tegangan yang bagus dengan sifat impedansi input yang tinggi. Ukuran FET yang kecil menghasilkan konsumsi daya yang kecil. JFET, D-MOSFET, dan MESFET dapat digunakan untuk mendesain penguat karena memiliki gain tegangan yang tinggi. Akan tetapi, rangkaian DMOSFET dan MESFET memiliki impedansi input yang tinggi. Dibandingkan dengan BJT yang mengendalikan arus output yang besar oleh arus kecil, FET mengendalikan arus output oleh tegangan input yang kecil. FET memiliki faktor transkonduktansi (gm) sebagaimana BJT memiliki faktor penguatan β (beta). FET dapat digunakan sebagai penguat linier atau rangkaian logika divais digital. E-MOSFET paling sering digunakan dalam rangkaian logika, khususnya pada rangkaian CMOS yang memerlukan konsumsi daya yang rendah. FET juga digunakan aplikasi frekuensi tinggi

a.

JFET Small-Signal Model Analisis AC JFET memerlukan model small-signal untuk JFET.

Komponen utama pada model AC akan menyatakan bahwa tegangan AC yang diterapkan pada terminal gate-source akan mengendalikan nilai arus dari drain ke source. Perubahan pada arus drain yang akan menghasilkan perubahan pada tegangan gate-source ditentukan oleh faktor transkonduktansi gm dalam persamaan garis lurus berikut ini: Δ𝐼𝐷 = 𝑔𝑚 Δ𝑉𝐺𝑆 • Penentuan Grafis gm Konduktansi merupakan kebalikan dari nilai hambatan. Awalan trans digunakan untuk menyatakan hubungan antara kuantitas output dan input. Dapat diingat bahwa gm merupakan gradien karakteristik pada suatu titik pada kurva fungsi, yaitu:

92

𝑔𝑚 =

Δ𝐼𝐷 Δ𝑉𝐺𝑆

Gambar 5.40 Definisi gm menggunakan karakteristik transfer • Pendekatan Matematis gm Pendekatan matematis dapat dilakukan untuk mengetahui nilai transkonduktansi akurat. Hal ini dapat dilakukan dengan menurunkan rumus pada halaman sebelumnya. Didapatkan: 𝑔𝑚 =

2𝐼𝐷𝑆𝑆 𝑉𝐺𝑆 [1 − ] |𝑉𝑃| 𝑉𝑃

Di mana |VP| menyatakan magnituda, membuang notasi ± untuk menjamin nilai gm positif. Gradien dari kurva transfer terbesar terdapat pada VGS = 0 V. Memasukkan VGS = 0 V, nilai maksimum didapatkan ketika Vgs = VP. Nilai ini dinyatakan gm0. Maka dari itu, dinyatakan: 𝑔𝑚 = 𝑔𝑚0 [1 −

𝑉𝐺𝑆 ] 𝑉𝑃

Pada datasheet gm umumnya dinyatakan sebagai gfs atau yfs. y mengindikasikan

rangkaian

admitansi

ekivalen.

f

menyatakan

93

konduktansi transfer forward, dan s merupakan terminal source yang terhubung. Hubungan matematis antara gm dan arus dc bias IDE dapat diturunkan dengan menulis ulang persamaan Shockley pada rumus di bawah ini:

1−

𝑉𝐺𝑆 𝐼𝐷 =√ 𝑉𝑃 𝑉𝐺𝑆

Menyubstitusikan persamaan didapatkan: 𝐼𝐷 𝑔𝑚 = 𝑔𝑚0 √ 𝑉𝐺𝑆 • Impedansi Input dan Output Impedansi

input

dari

JFET

Zi

cukup

besar

untuk

mengasumsikan terminal input sama dengan rangkaian terbuka. Maka dari itu, Zi(JFET) = ∞ Ohm. Umumnya, nilai JFET 1000 Megaohm, sedangkan pada MOSFET dan MESFET sebesar 1 Teraohm dan 1000 teraohm. Impedansi Output JFET ZO sama dengan nilai BJT konvensional. Pada datasheet impedansi output berupa gos atau yos dengan satuan μS. Parameter yos merupakan komponen rangkaian admitansi ekivalen, dengan “os” menyatakan output dan source. Dalam bentuk persamaan, 𝑍𝑂(𝐽𝐹𝐸𝑇) = 𝑟𝑑 = Impedansi

output

1 𝑦𝑜𝑠

didefinisikan

sebagai

kebalikan

dari

transkonduktansi sebagai gradien dari kurva karakteristik horizontal. Semakin horizontal kurva tersebut, impedansi output makin besar. 𝑟𝑑 =

Δ𝑉𝐺𝑆 Δ𝐼𝐷

94

• Rangkaian Ekivalen JFET AC Model JFET pada domain AC dapat dibuat. Kendali Id oleh Vgs dimasukkan sebagai sumber arus gmVgs terhubung dari drain ke source seperti pada gambar 5.41. Panah ke bawah menunjukkan adanya beda fasa 180 derajat antara tegangan output dan input.

Gambar 5.41 Rangkaian ekivalen AC JFET Impedansi input dinyatakan oleh rangkaian terbuka pada terminal input dan impedansi output oleh resistor rd dari drain ke source. Dapat dilihat bahwa tegangan gate-source ditunjukkan sebagai Vgs (huruf kecil) untuk membedakan dari nilai DC. Ditambah lagi, source merupakan bagian pada kedua port. Kadangkala, rd diabaikan oleh nilai impedansi yang sangat besar, rangkaian ekivalen merupakan sumber arus yang nilainya dikendalikan oleh sinyal Vgs dan parameter gm. b.

Konfigurasi Fixed-Bias Pendekatan analisis AC sama dengan pada penguat BJT dengan

parameter penting yaitu Zi, Zo, dan Av untuk semua konfigurasi. Konfigurasi fixed bias pada gambar 5.42 memasukkan kapasitor coupling C1 dan C2 yang mengisolasi pembiasan DC dari sinyal terapan dan beban. Pada analisis AC, kedua kapasitor ini dianggap tertutup.

95

Gambar 5.42 Rangkaian konfigurasi JFET fixed-bias Ketika nilai gm dan rd ditentukan dari dc biasing, model ekivalen AC dapat disubstitusikan pada terminal yang sesuai pada gamabr 5.43. Kapasitor dianggap tertutup karena reaktansi kapasitifnya sangat kecil dibandingkan nilai hambatan resistif pada rangkaian, dan baterai DC dijadikan 0 V oleh ekivalen rangkaian arus pendek. Rangkaian pada gambar 5.43 digambar ulang seperti pada gamabr 5.44. Polaritas pada Vgs menyatakan arah gmVgs. Sinyal yang diterapkan dinyatakan oleh Vi dan sinyal output RD||rd oleh Vo.

Gambar 5.43 Substiusi rangkaian ekivalen AC JFET

96

Gambar 5.44 Penggambaran ulang rangkaian Zi, karena impedansi input yang tak terhingga pada terminal input JFET, pada Gambar 5.44 𝑍𝑖 = 𝑅𝐺 Zo mengatur Vi = 0 V sesuai definisi Zo menghasilkan Vgs = 0 V. Hasilnya, gmVgs = 0 mA, dan arus source dapat digantikan oleh ekivalen rangkaian terbuka pada gambar 5.45. Impedansi output dinyatakan: 𝑍𝑂 = 𝑅𝐷 ||𝑟𝑑

Gambar 5.45 Menentukan Zo. Apabila nilai rd 10:1 RD, nilai Zo sama dengan RD. AV Menyelesaikan Vo pada 8.12, dan diingatkan kembali bahwa Vgs = Vi, didapatkan: 𝑉𝑂 = −𝑔𝑚 𝑉𝑖 (𝑅𝐷 ||𝑟𝑑 ) Maka dari itu didapatkan:

97

𝐴𝑣 =

c.

𝑉𝑜 = −𝑔𝑚 (𝑅𝐷 ||𝑟𝑑 ) 𝑉𝑖

Konfigurasi Self-Bias

• RS yang di-bypass Konfigurasi fixed-bias memiliki kekurangan yaitu memerlukan dua sumber DC. Konfigurasi ini hanya memerlukan satu catu DC untuk mendapatkan titik operasional.

Gambar 5.46 Konfigurasi self-bias JFET Kapasitor CS sepanjang hambatan source mengasumsikan ekivalen rangkaian terbuka untuk DC, membolehkan RS untuk menentukan titik opersinya. Pada AC, kapasitor menjadi tertutup dan mengaruspendekkan RS. Jika terus ditinggalkan pada AC, gain akan berkurang. Rangkaian ekivalen JFET terdapat pada gambar 5.47 dan digambar ulang pada gambar 5.48. Karena konfigurasinya sama dengan konfigurasi fixed-bias, persamaan Zi, Zo, dan AV sama.

98

Gambar 5.47 Substiusi rangkaian ekivalen AC JFET

Gambar 5.48 Penggambaran ulang rangkaian 5.43. • RS yang tidak di-bypass Apabila CS dihilangkan pada gambar 5.46, resistor RS akan menjadi bagian dari rangkaian ekivalen AC seperti pada gambar 5.49. Dalam menentukan nilai Zi, Zo, Av, notasi dan polaritas dan arah yang dijelaskan, harus diperhatikan. Awalnya, nilai rd akan diabaikan dari analisis.

99

Gambar 5.49 Konfigurasi JFET self-bias termasuk pengaruh Rs dengan rd = ∞ ohm Zi Kondisi rangkaian terbuka antara gate dan output input menjadi: 𝑍𝑖 = 𝑅𝐺 Zo Impedansi output dirumuskan oleh (ketika Vi = 0): 𝑍𝑂 =

𝑉𝑜 𝐼𝑜

Meninjau Vi = 0 V pada gambar 5.49 mengakibatkan terminal gate terdapat pada potensial tanah (0 V). Tegangan sepanjang RG menjadi 0 V, dan RG di-short-kan. Aplikasi KVL mendapatkan: 𝐼𝑜 + 𝐼𝐷 = 𝑔𝑚 𝑉𝑔𝑠 𝑉𝑔𝑠 = −(𝐼𝑜 + 𝐼𝐷 )𝑅𝑆 Maka 𝐼𝑜 + 𝐼𝐷 = −𝑔𝑚 (𝐼𝑜 + 𝐼𝐷 )𝑅𝑆 Untuk sumber arus yang dikendalikan gmVgs = 0 A pada kondisi penerapan 𝐼𝑜 = −𝐼𝐷 𝑉𝑜 = −𝐼𝐷 𝑅𝐷 )

100

𝑉𝑜 = −(−𝐼𝑜 𝑅𝐷 ) Maka dari itu: 𝑍𝑂 =

𝑉𝑜 = 𝑅𝐷 𝐼𝑜

AV Aplikasikan KVL pada rangkaian input 𝑉𝑖 − 𝑉𝑔𝑠 − 𝑉𝑅𝑠 = 0 Tegangan sejauh rd: 𝑉𝑟𝑑 = 𝑉𝑜 − 𝑉𝑅𝑆 𝐼′ =

𝑉𝑟𝑑 𝑉𝑜 −𝑉𝑅𝑠 = 𝑟𝑑 𝑟𝑑

Sehingga aplikasi KCL: 𝐼𝐷 = 𝑔𝑚 𝑉𝑔𝑠 +

𝑉𝑜 −𝑉𝑅𝑠 𝑟𝑑

Tegangan output menjadi: 𝑉𝑂 = 𝐼𝐷 𝑅𝐷 =

𝐴𝑉 =

𝑔𝑚 𝑅𝐷 𝑅 −𝑅 1 + 𝑔𝑚 𝑅𝑆 + 𝐷𝑟 𝑆 𝑑

𝑉𝑜 𝑔𝑚 𝑅𝐷 =− 𝑅 −𝑅 𝑉𝑖 1 + 𝑔𝑚 𝑅𝑆 + 𝐷𝑟 𝑆 𝑑

101

d.

Konfigurasi Voltage Divider

Gambar 5.50 Konfigurasi JFET voltage-divider Menyubstitusikan model ekivalen AC untuk JFET menghasilkan konfigurasi pada gambar 5.51. Menggantikan catu DC VDD oleh ekivalen rangkaian arus pendek telah mengetanahkan ujung R1 dan RD. Karena setiap segmen memiliki ground yang sama, R1 dapat diparalelkan dengan R2, seperti pada gambar 5.52. RD juga dapat dikebumikan, tetapi pada rangkaian output sepanjang rd.

Gambar 5.51 Rangkaian ekivalen AC voltage divider bias

102

Gambar 5.52 Penggambaran ulang 5.51

Zi R1 dan R2 paralel dengan ekivalen rangkaian terbuka JFET. 𝑍𝑖 = 𝑅1 ||𝑅2 Zo Mengatur Vi = 0 V mengubah Vgs dan gmVgs menjadi nol 𝑍𝑜 = 𝑅𝑑 ||𝑅𝐷 Av 𝐴𝑉 = e.

𝑉𝑜 = −𝑔𝑚 𝑅𝐷 𝑉𝑖

D-MOSFET

Persamaan Shockley dapat diterapkan pada D-MOSFET, mengakibatkan persamaan gm yang sama dengan JFET. Perbedaan utama pada D-MOSFET yaitu pada VGSQ dapat bernilai positif untuk divais channel n dan negatif untuk varian channel p. Hasilnya yaitu gm dapat lebih besari dibandingkan gm0.

f.

E-MOSFET Pada E-MOSFET terdapat impedansi output dari drain ke source,

umumnya berupa transkonduktansi gos atau yos. Persamaan gm diturunkan dari persamaan Shockley. Untuk E-MOSFET, hubungan antara arus output dan tengangan pengendali dinyatakan dengan:

103

Gambar 5.53 Model small signal AC E-MOSFET 𝑔𝑚 = 2𝑘(𝑉𝐺𝑆𝑄 − 𝑉𝐺𝑆(𝑇ℎ)

5.4 Praktikum •

Percobaan Voltage Divider

Alat dan Bahan •

1 buah breadboard;

•

1 buah oscilloscope;

•

1 buah power supply DC;

•

3 buah multimeter;

•

1 buah function generator;

•

BS170;

•

Resistor;

104

Langkah Percobaan

Gambar 5.16 Rangkaian E-MOSFET Voltage Divider

Gambar 5.17 Rangkaian E-MOSFET untuk mengukur VT

105

1.

Susun komponen sesuai dengan gambar rangkaian diatas. Pastikan kaki-kaki komponen tidak ada yang short dan kaki transistor terpasang dengan benar. (Nilai resistor diubah sesuai kemauan asisten)

2.

Ubahlah tegangan Vin sesuai instruksi asisten, lalu ukurlah Vo dan catat hasilnya!

3.

Buatlah rangkaian diatas untuk mengukur VT.

4.

Carilah nilai Vin sampai di amperemeter menunjukan adanya arus, lalu catat nilai Vin sebagai nilai VT.

5.5 Daftar Pustaka •

Boylestad, Robert L., Nashelsky, Louis. 2013. ELECTRONIC DEVICES & CIRCUIT THEORY, Eleventh Edition. United States : Pearson.

106

Modul 6 Respon Frekuensi FET 6.1 Tujuan •

Memahami analisis respon frekuensi dengan bode plot.

•

Memahami respon frekuensi rendah pada penguatan FET.

•

Memahami respon frekuensi tinggi pada penguatan FET.

6.2 Poin-Poin Dasar Teori •

Desibel dan diagram Bode.

•

Respon frekuensi.

•

Respon frekuensi pada rangkaian self bias FET.

•

Analisis DC dan AC (frekuensi rendah dan tinggi) pada rangkaian FET.

•

Kapasitansi yang terjadi pada rangkaian FET.

•

Kurva frekuensi terhadap penguatan pada rangkaian FET.

6.3 Dasar Teori 6.3.1

Respon Frekuensi Rendah - FET Analisis penguat FET pada daerah frekuensi rendah mirip dengan pada penguat BJT pada modul 4. Terdapat tiga kapasitor yang akan menjadi perhatian sesuai pada gambar 6.1: CG, CC, CS. Meski gambar ini digunakan untuk menjelaskan persamaan dasar, prosedur ini dapat diterapkan pada konfigurasi FET manapun. Persamaan ini sudah dijelaskan pada modul 5.

107

Untuk kapasitor coupling antara source dan divais aktif, rangkaian ekivalen AC terdapat pada gambar 6.2. Frekuensi cutoff yang ditentukan oleh CG yaitu: 𝑓𝐿𝐺 =

1 2𝜋(𝑅𝑠𝑖𝑔 + 𝑅𝑖 )𝐶𝐺 𝑅𝑖 = 𝑅𝐺

Gambar 6.1 Elemen kapasitif pada reson frekuensi rendah pada penguat JFET

Gambar 6.2 Mengukur pengaruh CG pada respon frekuensi rendah Umumnya, RG>>Rsig, dan frekuensi cutoff yang lebih rendah ditentukan oleh RG dan CG. Sangat besarnya nilai RG membuat nilai CG dapat menjadi sekecil mungkin selagi mempertahankan frekuensi cutoff rendah.

108

Untuk kapasitor coupling antara divais aktif dan beban pada gambar 6.3, frekuensi cutoff yaitu : 𝑓𝐿𝐶 =

1 2𝜋(𝑅𝑂 + 𝑅𝐿 )𝐶𝐶

𝑅𝑂 = 𝑅𝐷 ||𝑟𝑑 Untuk kapasitor source CS, nilai hambatan signifikan terdapat pada gambar 6.4. Frekuensi cutoff dapat dihitung menggunakan: 𝑓𝐿𝑆 =

𝑅𝑒𝑞 =

6.3.2

1 2𝜋𝑅𝑒𝑞 𝐶𝑆

𝑅𝑆 1 + 𝑅𝑆 (1 + 𝑔𝑚 𝑟𝑑 )/(𝑟𝑑 + 𝑅𝐷 ||𝑅𝐿 )

Gambar 6.3

Gambar 6.4

Mengukur pengaruh CC pada

Mengukur pengaruh CS pada

respon frekuensi rendah

respon frekuensi rendah

Kapasitansi Efek Miller Pada daerah frekuensi tinggi, elemen kapasitif signifikan merupakan kapasitansi interelektroda yang terdapat pada divais aktif dan kapasitansi pangabelan. Kapasitor besar yang dikendalikan oleh respon frekuensi rendah diganti oleh ekivalen rangkaian pendek karena niali reaktansi yang sangat rendah. Untun penguat inverting (beda fasa 180 derajat antara input dan output), , kapasitansi input dan output ditingkatkan oleh nilai

109

kapasitansi sensitif terhadap kapasitansi interelektroda antara terminal input dan output pada divais serta gain pada penguat. Pada gamabr 6.5, kapasitansi feedback ditentukan oleh Cf.

Gambar 6.5 Rangkaian hasil penurunan persamaan untuk kapasitansi input miller Aplikasi KVL : 𝐼𝑖 = 𝐼1 + 𝐼2 Menggunakan Hukum Ohm: 𝑉𝑖 𝑉𝑖 , 𝐼1 = 𝑍𝑖 𝑅𝑖

𝐼𝑖 = 𝐼2 =

𝑉𝑖 − 𝑉𝑜 𝑉𝑖 − 𝐴𝑣 𝑉𝑖 (1 − 𝐴𝑣 )𝑉𝑖 = = 𝑋𝐶𝑓 𝑋𝐶𝑓 𝑋𝐶𝑓

Substitusikan: 𝑉𝑖 𝑉𝑖 (1 − 𝐴𝑣 )𝑉𝑖 = + 𝑍𝑖 𝑅𝑖 𝑋𝐶𝑓 1 𝑍𝑖

=

𝑋 𝐶𝑓 (1−𝐴𝑣 )

1 𝑅𝑖

=

+

1 𝑋𝐶𝑓 (1−𝐴𝑣 ) 1

𝜔(1−𝐴𝑣 )𝐶𝑓

= 𝑋𝐶𝑀

110

Maka dari itu: 1 𝑍𝑖

=

1 𝑅𝑖

+

1 𝑋𝐶𝑀

Membuat rangkaian ekivalen pada gambar 6.6, hasilnya merupakan impedansi input ekivalen pada penguat pada gamabr 6.7 yang memasukkan Ri, dengan tambahan kapasitor feedback. Kapasitansi interelektroda amnapun pada terminal input ke amplifier dihubungkan paralel.

Gambar 6.6 Rangkaian hasil penurunan persamaan untuk kapasitansi output miller. Secara umum, kapasitansi input efek Miller dirumuskan dengan: 𝐶𝑀𝑖 = (1 − 𝐴𝑣 )𝐶𝑓 Untuk penguat inverting, kapasitansi input akan ditingkatkan oleh kapasitansi efek Milelr sensitif terhadap gain penguat dan kapasitansi parasit antara terminal input dan output pada divais aktif.

Gambar 6.7 Demonstrasi efek kapasitansi Efek Miller

111

Menggunakan metode KVL yang sama seperti menentukan kapasitansi input, kapasitansi Miller output memiliki rumus: 1

𝐶𝑀𝑜 = (1 − 𝐴 )𝐶𝑓 𝑣

6.3.3

Respon Frekuensi Tinggi - FET Seperti halnya kesamaan analisis frekuensi rendah penguat FET sama dengan BJT, analisis frekuensi tinggi dilakukan dengan sama. Terdapat kapasitansi parasit dan pengabelan pada gambar 6.8 yang menentukan karakteristik frekuensi tinggi penguat. Kapasitor Cgs dan Cgd umumnya berkisar 1 pF – 10 pF, sedangkan Cds berkisar 0,1 pF – 1 pF. Karena rangkaian pada gambar 6.8 merupakan penguat inverting, kapasitansi efek Miller terdapat pada operasi frekuensi tinggi pula pada gambar 6.9. Pada frekuensi tinggi, Ci akan bersifat pendek dan Vgs mengalami jatuh tegangan dan gain akan menurun. Pada frekuensi di mana Co mendekati ekivalen rangkaian pendek, tegangan output paralel Vo akan berkurang.

Gambar 6.8 Elemen kapasitansi yang memengaruhi respon frekuensi tinggi penguat JFET.

112

Gambar 6.9 Rangkaian ekivalen AC frekuensi tinggi Frekuensi cutoff ditentukan oleh rangkaian input dan output dapat didapat oleh menggambar rangkaian thevenin ekivalen untuk setiap bagian seperti pada gambar 6.10. Untuk rangkaian input,

𝑓𝐻𝑖 =

1 2𝜋𝑅𝑇ℎ 𝐶𝑖

Gambar 6.10 Rangkaian ekivalen Thevenin untuk (a) rangkaian input dan (b) rangkaian output. 𝑅𝑇ℎ𝑖 = 𝑅𝑠𝑖𝑔 ||𝑅𝐺 𝐶𝑖 = 𝐶𝑤𝑖 + 𝐶𝑔𝑠 + 𝐶𝑀𝑖 𝐶𝑀 = 1 − (𝐴𝑣 )𝐶𝑔𝑑 Untuk rangkaian output,

𝑓𝐻𝑜 =

1 2𝜋𝑅𝑇ℎ 𝐶𝑜

𝑅𝑇ℎ𝑜 = 𝑅𝐷 ||𝑅𝐿 ||𝑟𝑑

113

𝐶𝑜 = 𝐶𝑤𝑜 + 𝐶𝑑𝑠 + 𝐶𝑀𝑜 𝐶𝑀𝑜 = (1 −

1 )𝐶 𝐴𝑣 𝑔𝑑

6.4 Praktikum •

Respon Frekuensi

Gambar 6.11 Rangkaian E-MOSFET Voltage Divider 1.

Susun komponen sesuai dengan gambar rangkaian diatas. Pastikan kaki-kaki komponen tidak ada yang short dan kaki transistor terpasang dengan benar. (Nilai resistor diubah sesuai kemauan asisten)

2.

Hubungkan function generator dengan multimeter kemudian nyalakan function generator.

114

Tentukan tegangan Vin dan ubahlah frekuensi sesuai instruksi aslab, lalu ukurlah Vo dan catat hasilnya! 6.5 Daftar Pustaka •

Alexander, Charles K., Sadiku, Matthew N.O. (2009). Fundamental of Electric Circuit (Fourth Edition). New York : McGraw-Hill.

•

Boylestad, Robert., Louis Nashelsky, “Electronic Devices and Circuit Theory : eleventh Edition”, Prentice Hall International Editions, 2013

115

Modul 7 Operational Amplifier

7.1. Tujuan Praktikum •

Memahami prinsip kerja op-amp.

•

Memahami dan mampu menganalisis rangkaian penguat inverting, noninverting, dan summing pada op-amp.

•

Memahami dan mampu menganalisis rangkaian comparator pada op-amp.

•

Memahami fungsi op-amp sebagai voltage follower atau unity gain follower.

•

Memahami

dan

mampu

menganalisis

rangkaian

integrator

dan

differentiator pada op-amp. 7.2. Poin-Poin Dasar Teori •

Mengetahui simbol dan rangkaian ekuivalen yang ada di dalam op-amp.

•

Mengetahui karakteristik op-amp ideal.

•

Mengetahui karakteristik op-amp pada kehidupan nyata.

•

Mengetahui cara menganalisis rangkaian ekuivalen op-amp.

•

Mengetahui apa itu tegangan offset dalam op-amp.

•

Mengetahui cara menganalisis rangkaian penguat inverting, non-inverting, summing amplifier.

•

Mengetahui cara menganalisis rangkaian comparator.

•

Mengetahui cara kerja op-amp sebagai voltage follower pada suatu rangkaian.

•

Mengetahui cara menganalisis rangkaian differentiator dan integrator.

116

7.3. Dasar Teori 7.3.1.

Pendahuluan Penguat operasional atau Operational Amplifier (Op-Amp) merupakan sebuah divais penguat tegangan yang memiliki gain yang sangat besar dengan impedansi input yang besar dan impedansi output yang kecil. Penggunaan op-amp pada umumnya adalah untuk mengubah sinyal input (amplitudo, polaritas, ataupun keduanya) menjadi sinyal output yang diharapkan dengan cara memadukan op-amp dengan dua komponen eksternal, yaitu resistor, kapasitor, ataupun keduanya. Gambar 7.1 menampilkan block diagram dari op-amp dengan sinyal input dan sinyal output.

Gambar 7.1 Block diagram op-amp Op-amp pada umumnya tersedia dalam bentuk rangkaian terintegrasi atau biasa disebut dengan Integrated Circuit (IC). Sebagai contoh IC op-amp yang ada dan banyak digunakan adalah LM741, TL071, LM311, dan lain sebagainya. Op-amp di representasikan dalam bentuk simbol yang ditampilkan pada Gambar 7.2. Umumnya, op-amp terdiri dari 2 terminal input, 1 terminal output, dan 2 terminal untuk power supply.

117

Gambar 7.2 Simbol op-amp Terminal input pada op-amp terdiri dari inverting input yang ditandai dengan simbol negatif (-) dan non-inverting input dengan tanda positif (+). Sedangkan, untuk power supply pada op-amp terdiri dari terminal 𝑉𝐶𝐶+ dan 𝑉𝐶𝐶− untuk dual power supply op-amp atau 𝑉𝐶𝐶+ dan 𝐺𝑁𝐷 untuk single power supply op-amp. 7.3.2.

Op-Amp Ideal Op-amp umumnya dianalisis pada kondisi yang diasumsikan ideal. Hal ini dikarenakan pada kenyataannya tidak ada op-amp yang ideal. Tabel 7.1 menampilkan perbandingan op-amp ideal dengan opamp pada IC LM741. No. Karakteristik Ideal 1.

Gain

∞

LM741

Keterangan

105 − 106

Pada op-amp ideal gain

Tegangan

bergantung

pada

konfigurasi

rangkaian

sehingga gain tegangan dapat dibuat berapapun sesuai kebutuhan. 2.

Impedansi input

∞

2 𝑀Ω

Impedansi

input

diasumsikan bernilai tak hingga pada op-amp ideal agar tidak ada arus yang

118

masuk

melalu

kedua

terminal input. 3.

Impedansi

0

75 Ω

output

Impedansi output bernilai 0 menyebabkan tegangan pada terminal output sama dengan source yang ada di dalam op-amp.

4.

Bandwith

∞

1.5 MHz

Bandwith berfungsi untuk menentukan frekuensi

rentang yang

dapat

dilewatkan. Karakteristik ini

biasanya

untuk

digunakan

mendesain

filter

aktif. Bandwith tak hingga dapat

memudahkan

proses

desain

filter

sehingga frekuensi yang dilewatkan

dapat

disesuaikan

dengan

kebutuhan. 5.

Tegangan offset

0

1 𝑚𝑉

Tegangan

offset

adalah

tegangan

pada

output

ketika

diberi

tegangan

input sebesar nol. Tabel 7.1 Perbandingan op-amp ideal dengan LM741 Untuk dapat memahami karakteristik op-amp ideal perhatikan Gambar 7.3 yang menampilkan rangkaian ekuivalen dari op-amp.

119

•

Analisis rangkaian ekuivalen op-amp

Gambar 7.3 Rangkaian ekuivalen op-amp Pada Gambar 7.3, terdapat dua terminal input dengan impedansi input 𝑍0 . Berdasarkan karakteristik op-amp ideal bahwa impedansi input op-amp bernilai tak hingga, sehingga tidak ada arus yang masuk dari terminal input dan tegangan dari kedua terminal terpisah atau dianggap open-circuit. Di dalam op-amp terdapat source yang merupakan nilai selisih dari kedua tegangan input dikalikan dengan gain pada op-amp. Source yang ada pada op-amp terhubung ke terminal output dan terdapat impedansi output yang bernilai 0 sesuai karakteristik op-amp ideal sehingga dapat dianggap short circuit. Hubungan short-circuit menjadikan nilai 𝑉𝑜 sama dengan 𝐴(𝑉2 − 𝑉1 ). • Analisis op-amp ideal

Gambar 7.4 Op-amp ideal

120

Seperti halnya analisis rangkaian ekuivalen op-amp, untuk menganalisis sebuah rangkaian op-amp dilakukan pedekatan pada opamp ideal. Impedansi input bernilai tak hingga atau open loop sehingga tidak akan ada arus yang masuk melalui terminal input berdasarkan Hukum Ohm. Namun, arus pada terminal output tidak sama dengan nol. 𝑖1 = 0

𝑖2 = 0

Tegangan di antara terminal input sama dengan nol. Hal ini berdasarkan persamaan di atas bahwa tidak adanya arus yang mengalir sehingga tegangan diantara kedua input bernilai nol. 𝑣𝑑 = 𝑣2 − 𝑣1 = 0 ↔ 𝑣1 = 𝑣2 7.3.3.

Rangkaian Penguat Inverting, Non-Inverting, dan Summing Terdapat dua jenis rangkaian penguat pada op-amp, yaitu inverting amplifier dan non-inverting amplifier. Berdasarkan namanya, yang membedakan kedua rangkaian penguat tersebut adalah tengangan yang diberikan pada terminal input dari op-amp. Berikut adalah penjelasan detail dari rangkaian inverting amplifier dan non-inverting amplifier. • Inverting Amplifier Inverting amplifier atau dalam Bahasa Indonesia disebut penguat pembalik merupakan suatu rangkaian penguat tegangan di mana polaritas tegangan pada terminal output berkebalikan dengan tegangan input. Input non-inverting dihubungkan dengan ground. 𝑣𝑖 terhubung dengan resistor 𝑅1 dan juga resistor feedback 𝑅𝑓 terhubung dengan terminal output.

121

Gambar 7.5 Inverting Amplifier Circuit Analisis yang dilakukan adalah dengan menerapkan KCL pada node 1, didapatkan : 𝑖1 = 𝑖2 ↔

𝑣𝑖 − 𝑣1 𝑣1 − 𝑣𝑜 = 𝑅1 𝑅𝑓

Telah dijelaskan sebelumnya pada op-amp ideal bahwa 𝑣1 = 𝑣2 . 𝑣2 terhubung dengan ground di mana tegangannya bernilai 0 𝑉, sehingga 𝑣1 = 𝑣2 = 0 𝑉. Oleh karena itu, didapatkan persamaan berikut : 𝑅𝑓 𝑣𝑖 𝑣𝑜 =− ↔ 𝑣𝑜 = − 𝑣𝑖 𝑅1 𝑅𝑓 𝑅1 Seperti yang kita ketahui bahwa gain adalah perbandingan output dengan input di mana secara matematis : 𝐴𝑣 =

𝑅𝑓 𝑣𝑜 =− 𝑣𝑖 𝑅1

Persamaan di atas menunjukan bahwa tegangan output memiliki nilai negatif sesuai dengan yang sudah disebutkan sebelumnya di mana polaritas tegangan output berkebalikan. • Non-inverting Amplifier Non-inverting amplifier merupakan rangkaian penguat dengan polaritas pada tegangan output yang sama dengan polaritas tegangan input. Konfigurasi rangkaian non-inverting amplifier tidak jauh berbeda dari konfigurasi rangkaian inverting amplifier. Namun, tegangan input ada berada di terminal non-inverting dan terminal inverting terhubung dengan ground.

122

Gambar 7.6 Non-inverting Amplifier Circuit Menerapkan analisis rangkaian seperti pada inverting amplifier, maka terapkan KCL pada node 𝑣1 didapatkan persamaan berikut : 𝑖1 = 𝑖2 ↔

0 − 𝑣1 𝑣1 − 𝑣𝑜 = 𝑅1 𝑅𝑓

Dengan karakteristik op-amp ideal 𝑣1 = 𝑣2 , di mana pada noninverting amplifier 𝑣2 = 𝑣𝑖 . Sehingga, 𝑣1 = 𝑣2 = 𝑣𝑖 maka didapatkan 𝑅𝑓 −𝑣𝑖 𝑣𝑖 − 𝑣𝑜 = ↔ 𝑣𝑜 = (1 + ) 𝑣𝑖 𝑅1 𝑅𝑓 𝑅1 Dari persamaan di atas kita bisa menentukan gain dari konfigurasi rangkaian, yaitu : 𝐴𝑣 =

𝑅𝑓 𝑣𝑜 = 1+ 𝑣𝑖 𝑅1

• Summing Amplifier Summing amplifier adalah rangkaian penguat dengan banyak input, di mana tegangan output-nya merupakan hasil penjumlahan aljabar seluruh tegangan input, setiap tegangan input dikalikan dengan faktor konstanta gain-nya masing-masing. Gambar 7.6 menampilkan konfigurasi rangkaian summing amplifier dengan tiga tegangan input yang dihubungkan dengan terminal inverting.

123

1

Gambar 7.6 Summing Amplifier Dalam menganalisis rangkaian summing amplifier, terapkan KCL pada node 1 dengan mengasumsikan pada masing-masing resistor terdapat arus yang mengalir, maka berdasarkan Hukum Ohm arus pada masingmasing resistor adalah : 𝑣1 𝑣2 𝑣3 −𝑣𝑜 𝑖1 = ; 𝑖2 = ; 𝑖3 = ; 𝑖𝑓 = 𝑅1 𝑅2 𝑅3 𝑅𝑓 Sehingga, berdasarkan KCL 𝑖1 + 𝑖2 + 𝑖3 = 𝑖𝑓 𝑣1 𝑣2 𝑣3 −𝑣𝑜 + + = 𝑅1 𝑅2 𝑅3 𝑅4 Dari persamaan di atas maka tegangan pada terminal output, didapatkan : 𝑣𝑜 = − [

𝑅𝑓 𝑅𝑓 𝑅𝑓 𝑣1 + 𝑣2 + 𝑣3 ] 𝑅1 𝑅2 𝑅3

Pada dasarnya, summing amplifier memiliki prinsip yang sama persis seperti inverting amplifier, hanya saja pada summing amplifier memiliki banyak input. 7.3.4.

Komparator Komparator

adalah

salah

satu

aplikasi

op-amp

yang

membandingkan input pada terminal inverting dan non-inverting untuk menghasilkan output berdasarkan perbandingan kedua tegangan input tersebut. Pada umumnya, salah satu terminal input ditetapkan sebagai tegangan referensi (𝑉𝑅𝐸𝐹 ). Seperti yang sudah diketahui penguatan loop

124

terbuka (open loop gain) bergantung pada spesifikasi op-amp, yaitu 𝐴𝑉0 , di mana nilai tersebut bernilai besar. Karena besarnya penguatan open loop, tegangan output pada komparator hanya memungkinkan dua keluaran yaitu tegangan saturasi positif mendekatin +𝑉𝐶𝐶 dan tegangan saturasi negatif mendekati −𝑉𝐶𝐶 .

Gambar 7.7 Komparator pada op-amp Dengan singkat, rangkaian komparator membandingkan dua buah tegangan input dan menentukan mana yang paling besar dari kedua tegangan tersebut. 7.3.5.

Voltage Follower atau Unity Amplifier

Gambar 7.8 Voltage Follower Voltage follower adalah aplikasi op-amp yang digunakan untuk mengisolasi satu rangkaian dengan rangkaian lainnya. Rangkaian voltage follower memiliki gain sebesar 1 sehingga rangkaian ini juga disebut

125

dengan unitiy amplifier. Rangkaian ini dapa meminimalisir interaksi antara dua rangkaian dan meminimalisir terjadinya interstage loading.

Gambar 7.9 Voltage follower digunakan untuk mengisolasi dua rangkaian yang dirangkai cascade Analisis kerja voltage follower memiliki kesamaan seperti analisis rangkaian non-inverting amplifier. Namun, yang membedakan adalah pada rangkaian voltage follower nilai 𝑅1 diasumsikan bernilai ∞ (opencircuit) dan 𝑅𝑓 bernilai 0 (short-circuit). Oleh karena itu, kita dapat mensubtitusikan nilai 𝑅1 dan 𝑅𝑓 ke persamaan tegangan output rangkaian non-inverting amplifier. 𝑣𝑜 = (1 +

𝑅𝑓 0 ) 𝑣𝑖 ↔ 𝑣𝑜 = (1 + ) 𝑣𝑖 𝑅1 ∞

Sehingga didapatkan 𝑣𝑜 = 𝑣𝑖 7.3.6.

Rangkaian Integrator dan Differentiator • Rangkaian Integrator Sejauh ini, konfigrasi rangkaian op-amp yang dipelajari menggunakan resistor sebagai komponen hambatan input dan feedback pada rangkaian. Jika, komponen feedback pada konfigurasi inverting amplifier diganti dengan kapasitor seperti yang ditunjukan pada Gambar 7.10. Maka rangkaian tersebut disebut sebagai integrator. Rangkaian integrator melakukan operasi matematika dari integrasi, yaitu

126

menghasilkan tegangan output yang mengalami perubahan jika terjadi perubahan tegangan input dari waktu ke waktu.

Gambar 7.10 Integrator Configuration Dengan menggunakan analisis yang sama seperti analisis pada rangkaian inverting amplifier, menggunakan KCL didapatkan arus yang melalui resistor sama dengan arus yang melalui kapasitor. 𝑑(0 − 𝑣𝑜 (𝑡)) 𝑣𝑖𝑛 (𝑡) − 0 =𝐶 𝑅 𝑑𝑡 𝑣𝑖𝑛 (𝑡) 𝑑𝑣𝑜 (𝑡) = −𝐶 𝑅 𝑑𝑡 1 𝑑𝑣𝑜 (𝑡) = − 𝑣 (𝑡)𝑑𝑡 𝑅𝐶 𝑖𝑛 𝑣𝑜 (𝑡) = −

1 𝑡 ∫ 𝑣 (𝑡) 𝑑𝑡 + 𝑣𝑜 (0) 𝑅𝐶 0 𝑖𝑛

• Rangkaian Differentiator Berkebalikan dari rangkaian integrator, rangkaian differentiator menghitung nilai sesaat dari setiap titik pada kemiringan garis bentuk gelombang (diferensial)

Gambar 7.11 Differentiator Configuration

127

Dengan analisis yang sama, maka didapatkan 𝐶

𝑑(𝑣𝑖𝑛 (𝑡) − 0) 0 − 𝑣𝑜 (𝑡) = 𝑑𝑡 𝑅 𝑑𝑣𝑖𝑛 (𝑡) 𝑣𝑜 (𝑡) 𝐶 =− 𝑑𝑡 𝑅 𝑑𝑣𝑖𝑛 (𝑡) 𝑣𝑜 (𝑡) = −𝑅𝐶 𝑑𝑡

Kedua rangkaian di atas memiliki suatu frekuensi transisi di mana terjadi pemisahan frekuensi saat gelombang diberi penguatan dan saat gelombang

dilakukan

integrasi/diferensiasi.

Ideal

differentiator

nyatanya tidak digunakan secara praktik. Hal ini dikarenakan, rangkaian yang rentan terhadap high frequency noise yang akan dikuatkan dengan sangat tinggi, karena respon frekuensi dari rangkaian ideal differentiator yang semakin diperkuat saat frekuensi tinggi. Bila dilihat dari rangkaiannya, maka pada dasarnya differentiator adalah rangkaian high pass filter sementara integrator adalah rangkaian low pass filter. Filter akan memiliki frekuensi cut-off, sebuah frekuensi ambang batas filter yang akan menentukan apakah sinyal dilewatkan atau ditahan, atau frekuensi yang membatasi daerah pass-band dan daerah stop-band. Dalam hal ini, baik rangkaian integrator maupun diferensiator hanya akan mengubah bentuk gelombang pada frekuensi yang termasuk pada frekuensi pass-band. Adapun persamaan frekuensi cut-off adalah sebagai berikut : 1

1

𝜔𝑐𝑢𝑡−𝑜𝑓𝑓 = 𝑅𝐶 atau 𝑓𝑐𝑢𝑡−𝑜𝑓𝑓 = 2𝜋𝑅𝐶

128

7.4.

Datasheet IC LM741

Gambar 7.12 Pinout LM741 7.5. Praktikum •

Percobaan Rangkaian Penguat Pembalik (Inverting Amplifier)

Gambar 7.13 Rangkaian Inverting Amplifier 1.

Buatlah rangkaian seperti yang ditampilkan Gambar 7.13! Nilai resistansi 𝑅1 dan 𝑅2 akan diberikan oleh asisten laboratorium!

129

2.

Buatlah gelombang sinusoidal dengan amplitudo dan frekuensi yang ditentukan oleh asisten laboratorium pada function generator!

3.

Perhatikan dan catat nilai amplitudo tegangan output yang tertera pada osiloskop!

4.

•

Ulangi langkah kedua dan ketiga dengan tegangan input yang berbeda!

Percobaan

Rangkaian

Penguat

Tidak

Membalik

(Noninverting

Amplifier)

Gambar 7.14 Rangkaian non-inverting amplifier 1.

Buatlah rangkaian seperti yang ditampilkan pada Gambar 7.14! Nilai resistansi R1 dan R2 akan diberikan oleh asisten laboratorium.

2.

Buatlah gelombang sinusoidal dengan amplitudo dan frekuensi yang ditentukan oleh asisten laboratorium pada function generator!

3.

Perhatikan dan catat nilai amplitudo tegangan output yang tertera pada osiloskop!

4.

Ulangi langkah kedua dan ketiga dengan tegangan input yang berbeda!

130

•

Percobaan Rangkaian Summing Amplifier

Gambar 7.15 Rangkaian summing amplifier 1.

Buatlah rangkaian seperti yang ditampilkan Gambar 7.15! Nilai resistansi 𝑅1 , 𝑅2 , 𝑅3 , dan 𝑅4 diberikan oleh asisten laboratorium.

2.

Buatlah gelombang sinusoidal pada masing-masing function generator dengan amplitudo dan frekuensi yang ditentukan oleh asisten laboratorium!

3.

Perhatikan dan catat nilai amplitudo tegangan output yang tertera pada osiloskop!

4.

Ulangi langkah kedua dan ketiga dengan tegangan input yang berbeda!

•

Rangkaian Komparator

1.

Buatlah rangkaian seperti yang ditunjukan pada Gambar 7.16!

2.

Variasikan nilai 𝑣𝑖𝑛 sebesar 1V, 2V, 3V, 4V, 5V, dan 6V!

3.

Amati yang terjadi pada kedua LED!

131

Gambar 7.16 Rangkaian Komparator •

Rangkaian Integrator

Gambar 7.17 Integrator Circuit

132

1.

Buatlah rangkaian seperti yang ditampilkan Gambar 7.17 dengan nilai 𝑅1 = 1𝑘Ω dan 𝐶1 = 0.1𝜇𝐹!

2.

Aturlah function generator agar mengeluarkan gelombang sinusoidal dengan amplitudo 1 𝑉𝑃 dan frekuensi sebesar 1 kHz!

3.

Amati gelombang masukan dan keluarannya pada osiloskop!

4.

Ulangi langkah 2 dan 3 untuk gelombang segitiga dan persegi!

•

Rangkaian Differentiator

Gambar 7.18 Differentiator Circuit 1.

Buatlah rangkaian seperti yang ditampilkan Gambar 7.17 dengan nilai 𝑅1 = 1𝑘Ω dan 𝐶1 = 0.1𝜇𝐹!

2.

Aturlah function generator agar mengeluarkan gelombang sinusoidal dengan amplitudo 1 𝑉𝑃 dan frekuensi sebesar 1 kHz!

3.

Amati gelombang masukan dan keluarannya pada osiloskop!

4.

Ulangi langkah 2 dan 3 untuk gelombang segitiga dan persegi!

133

Modul 8 Filter Aktif 8.1 Tujuan Praktikum •

Praktikan dapat mengetahui fungsi dan kegunaan dari sebuah filter.

•

Praktikan dapat mengetahui karakteristik sebuah filter.

•

Praktikan dapat membuat suatu filter aktif dengan karakteristik yang diinginkan.

8.2 Poin-Poin Dasar Teori •

Pengertian Dasar Filter elektronik.

•

Pengertian Filter Ideal.

•

Jenis Filter berdasarkan komponennya.

•

Jenis Filter berdasarkan frekuensi yang diloloskan.

•

Cara kerja filter secara umum.

8.3 Dasar Teori 8.3.1

Pendahuluan Filter aktif RC adalah rangkaian pemilah frekuensi yang komponen-komponen pasifnya terdiri dari tahanan ( R ), kapasitor ( C ) dan Op Amp sebagai komponen aktifnya. Tidak digunakannya induktor merupakan suatu keuntungan terutama dalam fabrikasi rangkaian terpadu, induktor dalam fabrikasi rangkaian terpadu maupun dalam rangkaian diskrit menggunakan space yang cukup besar sehingga tidak diinginkan. Ada empat jenis filter yang mempunyai tanggapan frekuensi ideal seperti ditunjukkan pada gambar 1 dibawah ini:

134

Respon frekuensi filter ideal tersebut ialah dari jenis: •

Lewat bawah (Low Pass), keluaran filter (yang mungkin merupakan penguatan), yang dinyatakan oleh H(j2πf) muncul untuk frekuensifrekuensi rendah, dalam gambar ditunjukkan dari frekuensi nol sampai frekuensi batas atas fH.

•

Lewat pita (Band Pass), keluaran filter yang dinyatakan oleh H(j2πf) muncul untuk frekuensi-frekuensi antara frekuensi batas bawah f1 dan frekuensi batas atas f2.

•

Lewat atas (High Pass), keluaran filter yang dinyatakan oleh H(j2πf) muncul untuk frekuensi-frekuensi antara frekuensi batas bawah f1 dan frekuensi batas atas tak terhingga.

135

•

Eliminasi pita / penolakan pita (Band Rejection), keluaran filter yang dinyatakan oleh H(j2πf) tidak muncul untuk frekuensi-frekuensi antara frekuensi batas bawah f1 dan frekuensi batas atas f2. Pada kenyataannya, tanggapan frekuensi sebuah filter tidak

seideal seperti yang ditunjukkan pada gambar 1. Tanggapan H(j2πf) tidak tetap besarnya, bervariasi antara harga maksimum H0 dan H1. Beda antara H0 dan H1 dinamakan kerutan (ripple). Untuk lebih jelasnya pada gambar 2 akan terlihat karakteristik yang sesungguhnya dari suatu filter lewat bawah (Low Pass).

Gambar 8.2 Karakteristik Low Pass Filter Non-Ideal Jika melihat dari persamaan fungsi transfer dari suatu filter aktif, dapat dibagi menjadi sebagai berikut: • Filter Butterworth, merupakan filter yang keluarannya dapat mengurangi atenuasi, seiring dengan bertambahnya orde dari filter tersebut.

136

• Filter Chebyshev, merupakan filter yang keluarannya dapat mengurangi ripple, seiring dengan bertambahnya orde dari filter tersebut. • Filter Bassel, merupakan filter yang keluarannya dapat mengurangi perbedaan fasa, seiring dengan bertambahnya orde dari filter tersebut.

Jika melihat dari topologi atau konfigurasi rangkaian suatu filter aktif, dapat dilihat topologi seperti: • Filter Sallen Key, merupakan filter aktif, yang digunakan untuk orde genap (n = 2,4,6,..) sehingga dapat langsung menghasilkan orde 2 (atau kelipatannya) dan dapat menghemat pemakaian komponen lainnya. • Filter Multiple Feedback, merupakan filter aktif yang digunakan untuk orde genap (n = 2,4,6,), konfigurasi ini merupakan inverting amplifier pada dasarnya, sehingga fasa yang dihasilkan berbeda 180 derajat dari fasa asli sumber. Topologi Filter Aktif Sallen-Key

Gambar 8.3 Rangkaian Filter Aktif Sallen-Key

137

Frekuensi Cutoff Sallen-Key High Pass Filter Fungsi transfer untuk filter high pass Sallen-Key dengan gain unity sebagai berikut: 𝑓𝑐 =

1 2𝜋√𝑅1𝑅2𝐶1𝐶2

Frekuensi Cutoff Sallen-Key Low Pass Filter Fungsi transfer untuk filter low pass Sallen-Key dengan gain unity sebagai berikut: 𝑓𝑐 =

1 2𝜋√𝑅1𝑅2𝐶1𝐶2

8.4 Praktikum •

Low Pass Filter Alat dan Bahan • Perangkat lunak simulasi Proteus/ Multisim Rangkaian Percobaan

Gambar 8.4 Rangkaian Low Pass Filter

138

Langkah Percobaan 1. Susun rangkaian seperti pada gambar. 2. Pasang function generator dengan mode gelombang sinusoidal pada kanal input dan multimeter pada kanal output. 3. Beri catu daya pada rangkaian, catat level tegangan dan frekuensi yang tertera pada multimeter untuk masukan frekuensi yang berbeda. •

High Pass Filter Alat dan Bahan • Perangkat lunak simulasi Proteus/ Multisim Rangkaian Percobaan

Gambar 8.5 Rangkaian High Pass Filter Langkah Percobaan 1. Susun rangkaian seperti pada gambar. 2. Pasang function generator dengan mode gelombang sinusoidal pada kanal input dan multimeter pada kanal output. 3. Beri catu daya pada rangkaian, catat level tegangan dan frekuensi yang tertera pada multimeter untuk masukan frekuensi yang berbeda.

139

•

Band Pass Filter Alat dan Bahan • Perangkat lunak simulasi Proteus/ Multisim Rangkaian Percobaan

Gambar 8.6 Rangkaian Band Pass Filter Langkah Percobaan 1. Susun rangkaian High Pass dan Low Pass secara seri. 2. Pasang function generator dengan mode gelombang sinusoidal pada kanal input dan multimeter pada kanal output. 3. Beri catu daya pada rangkaian, catat level tegangan dan frekuensi yang tertera pada multimeter untuk masukan frekuensi yang berbeda.

8.5 Daftar Pustaka • Sutanto, Rangkaian Elektronika Analog dan Terpadu. • Millman, Jacob & Arvin Grabel, Microelectronics. • Millman, Jacob & Christos Halkias, Integrated Electronics.

140

Modul 9 Aplikasi Rangkaian Elektronika

9.1 Tujuan Praktikum •

Memahami cara kerja dari rangkaian Low and High Voltoge Protection untuk sistem pengisian daya dari sel surya.

•

Memahami cara kerja dari rangkaian Temperature Controlled Voltage Source untuk pembatasan daya pengisian terhadap baterai.

•

Memahami cara kerja dari rangkaian Low Voltage Cut-Off untuk pembatasan wilayah kerja baterai pada tegangan rendah.

9.2 Poin-Poin Dasar Teori •

Blokade switch on pada tegangan referensi rendah dengan Zener dan FET.

•

Switch off pada tegangan referensi tinggi dengan Zener dan BJT.

•

Mekanisme kontrol tegangan keluaran dengan variabel suhu.

•

Pembatasan tegangan kerja baterai pada tegangan rendah.

9.3 Dasar Teori 9.3.1

Low and High Voltage Protection Circuit Rangkaian ini merupakan rangkaian yang membatasi pengaliran arus dari sumber, seperti sel surya, menuju beban atau baterai. Rangkaian ini menggunakan dioda Zener untuk menyediakan tegangan referensi rendah dan tegangan referensi tinggi. Switching dilakukan oleh FET dan BJT. Skematik rangkaian dapat dilihat pada gambar berikut.

141

Gambar 9.1 Skematik rangkaian Low and High Voltage Protection Terdapat 3 stage pada skematik di atas, stage tegangan rendah, stage tegangan tinggi dan stage switching. Penjelasan masing-masing stage sebagai berikut. a.

Stage tegangan rendah Stage ini terdiri dari dioda Zener 1N4733A (D2), FET IRFZ44N

(Q1) dan resistor (R2 dan R3) terhubung pada sumber. Tegangan yang terukur pada gate Q1 tegantung pada tegangan sumber yang diaplikasikan. Pada tegangan sumber yang bernilai di bawah tegangan dioda Zener D2, maka tidak ada arus yang mengalir melalui dioda Zener dan tegangan yang terukur pada gate Q1 sama dengan tegangan ground. Karena tegangan 𝑉𝐺𝑆 di bawah tegangan 𝑉𝐺𝑆(𝑇ℎ) maka Q1 tidak aktif, sehingga tidak ada arus yang mengalir dari drain menuju source. Pada tegangan sumber yang bernilai di atas tegangan dioda Zener D2, maka terdapat arus yang mengalir melalui dioda Zener dan tegangan yang terukur pada gate Q1 sama dengan selisih tegangan sumber dan tegangan dioda Zener. Jika tegangan 𝑉𝐺𝑆 masih di bawah tegangan 𝑉𝐺𝑆(𝑇ℎ)

142

maka Q1 tetap tidak aktif. Namun, jika tegangan 𝑉𝐺𝑆 di atas tegangan 𝑉𝐺𝑆(𝑇ℎ) maka Q1 aktif dan arus dapat mengalir dari drain menuju source. b.

Stage tegangan tinggi Stage ini terdiri dari dioda Zener 1N4740A (D1), BC547A (Q2)

dan resistor (R1) terhubung pada sumber. Tegangan yang terukur pada base Q2 tegantung pada tegangan sumber yang diaplikasikan. Pada tegangan sumber yang bernilai di bawah tegangan dioda Zener D1, maka tidak ada arus yang mengalir melalui dioda Zener dan tegangan yang terukur pada base Q2 sama dengan tegangan ground. Karena tegangan 𝑉𝐵𝐸 di bawah tegangan 𝑉𝐵𝐸(𝑂𝑛) maka Q2 tidak aktif, sehingga tidak ada arus yang mengalir dari collector menuju emitter. Pada tegangan sumber yang bernilai di atas tegangan dioda Zener D1, maka terdapat arus yang mengalir melalui dioda Zener dan tegangan yang terukur pada base Q2 sama dengan selisih tegangan sumber, tegangan dioda Zener dan tegangan resistor R1. Jika tegangan 𝑉𝐵𝐸 masih di bawah tegangan 𝑉𝐵𝐸(𝑂𝑛) maka Q2 tetap tidak aktif. Namun, jika tegangan 𝑉𝐵𝐸 di atas tegangan 𝑉𝐵𝐸(𝑂𝑛) maka Q2 aktif dan arus dapat mengalir dari collector menuju emitter. c.

Stage switching Stage ini terdiri dari dioda 1N4002 (D3), Relay SPDT (K1),

kapasitor (C1), resistor (R4), dan LED1 terhubung pada sumber. Jika Q1 aktif, maka arus dapat mengalir melalui K1 dan relay hidup, sehingga sumber dapat terhubung pada beban. Jika Q2 aktif, maka terjadi bypassing gate Q1 menuju ground sehingga Q2 tidak aktif, maka tidak ada arus yang mengalir melalui K1 dan relay mati. Sehingga sumber tidak terhubung pada beban.

143

9.3.2

Temperature Controlled Voltage Source Circuit Rangkaian ini merupakan rangkaian yang mengubah nilai tegangan keluaran berdasarkan nilai suhu yang dibaca oleh thermistor. Pada rangkaian ini, thermistor disimulasikan dengan voltage controlled resistor di mana semakin besar nilai tegangan semakin besar juga resistansinya. Skematik rangkaian dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 9.2 Skematik rangkaian Temperature to Voltage Converter Terdapat 3 stage pada skematik di atas, yaitu stage sensor, stage penguatan dan stage switching. Penjelasan masing-masing stage sebagai berikut. a.

Stage sensor Stage ini terdiri dari resistor (R3 dan R6), thermistor (R5),

potensiometer (VR1) dan terhubung pada sumber. Stage ini menggunakan prinsip voltage divider antara tegangan R5, VR1 dan R3. Ketika V2 meningkat, maka R5 juga ikut meningkat. Sehingga, dengan menggunakan voltage divider tegangan R5 juga meningkat. Ketika V2 menurun, maka R5 juga ikut menurun. Sehingga, tegangan R5 juga menurun. Tegangan R5 ini akan menjadi masukan kepada non-inverting input pada UA741.

144

b.

Stage penguatan Stage ini berfungsi untuk mengonversi tegangan masukan

menjadi tegangan keluaran berdasarkan komponen-komponen yang dipasang di UA741. Stage ini terdiri dari resistor (R4, R6, R7 dan R8), kapasitor (C1) dan op-amp UA741 (U1) serta terhubung pada sumber tegangan. Dengan selisih tegangan masukan inverting dan non-inverting kemudian dikalikan penguatan yang dihasilkan oleh perbandingan resistansi R8 dan R6, didapatkan keluaran output tegangan hasil penguatan yang diinginkan. c.

Stage switching Stage ini terdiri dari resistor (R10 dan R11), FET IRFZ44N (Q1),

dan LED1 terhubung pada sumber. Jika tegangan keluaran dari U1 bernilai di bawah tegangan 𝑉𝑇ℎ , maka sumber tidak terhubung dengan beban sehingga LED1 tidak menyala. Sebaliknya, jika tegangan keluaran U1 bernilai lebih dari tegangan 𝑉𝑇ℎ , maka sumber terhubung dengan beban seingga LED1 menyala. 9.3.3

Low Voltage Cut-Off Circuit Rangkaian ini merupakan rangkaian yang secara otomatis memutuskan hubungan antara baterai dengan beban ketika tegangan baterai berada di bawah tegangan yang ditentukan. Rangkaian ini menggunakan dioda Zener untuk menyediakan tegangan referensi dan op-amp sebagai komparator input. Switching dilakukan oleh FET dengan memvariasikan tegangan gate. Skematik rangkaian dapat dilihat pada gambar berikut.

145

Gambar 9.3 Skematik rangkaian Low Voltage Cut-Off Terdapat 3 stage pada skematik di atas, stage divider, stage reference dan stage switching. Penjelasan masing-masing stage sebagai berikut. a.

Stage divider Stage ini terdiri dari resistor (R1) dan potensiometer (R8)

terhubung pada sumber. Dengan menggunakan prinsip voltage divider maka tegangan pada potensiometer akan menjadi input dari LM358AD. b.

Stage reference Stage ini terdiri dari dioda Zener 1N4732A (D1), dioda rectifier

(D2), BC548A (Q1) dan resistor (R2, R3, R4, R5) dan switch (S1) terhubung pada sumber. Tahapan kerja dari tegangan di bawah tegangan referensi menuju tegangan maksimal dari baterai dengan saklar terbuka dan saklar tertutup ialah sebagai berikut. 1.

Keadaan S1 terbuka. •

Ketika tegangan baterai mulai dari tegangan rendah dan S1 terbuka, maka Q1 tidak dapat aktif karena input bernilai sama dengan ground.

146

•

Dengan Q1 yang tidak aktif, tegangan masukan inverting LM358AD bernilai sama tegangan sumber.

•

Dengan kata lain, dari tegangan rendah menuju tegangan maksimal baterai, tegangan masukan inverting dari LM358AD akan sama dengan tegangan batereai.

2.

Keadaan S1 tertutup. •

Ketika tegangan baterai mulai dari tegangan rendah dan S1 tertutup, jika tegangan R4 (dengan menggunakan prinsip voltage divider) bernilai lebih dari 𝑉𝐵𝐸(𝑜𝑛) Q1, maka Q1 aktif.

•

Dengan Q1 aktif, tegangan masukan inverting LM358AD akan bernilai sama dengan tegangan Zener D1 dan 𝑉𝐶𝐸 Q1 saat dioda Zener D1 aktif.

•

Keadaan lainnya, dengan Q1 aktif, tegangan masukan inverting LM358AD akan bernilai sama dengan tegangan 𝑉𝐶𝐸 Q1 saat tegangan baterai tidak melebihi tegangan Zener D1.

c.

Stage komparator Stage ini terdiri dari op-amp LM358AD (U1A) dan kapasitor (C1)

terhubung pada sumber. Tahapan kerja pada stage ini (dari tegangan rendah menuju tegangan tinggi) juga dibagi menjadi dua, yaitu keadaan S1 terbuka dan S1 tertutup yang akan dijelaskan sebagai berikut. 1.

Keadaan S1 terbuka. •

Karena tegangan masukan inverting akan bernilai sama dengan tegangan baterai dan tegangan masukan non-inverting akan bernilai sama dengan tegangan hasil pembagian tegangan antara R8 dan R1, maka dapat dinyatakan bahwa tegangan masukan non-inverting akan selalu lebih kecil daripada tegangan masukan inverting.

147

•

Tegangan masukan non-inverting lebih kecil daripada tegangan masukan inverting menyebabkan keluaran dari U1A bernilai sama dengan tegangan ground.

2.

Keadaan S1 tertutup. •

Ketika tegangan masukan non-inverting lebih besar dari tegangan masukan inverting, maka keluaran UA1 akan bernilai sama dengan tegangan baterai.

•

Ketika tegangan masukan non-inverting lebih kecil dari tegangan masukan inverting, maka keluaran UA1 akan bernilai sama dengan tegangan ground.

d.

Stage switching Stage ini terdiri dari resistor (R6, R7 dan R9), FET MTP3055V

(Q2), dan LED1 terhubung pada sumber. Jika tegangan keluaran dari U1A bernilai di bawah tegangan 𝑉𝑇ℎ Q1, maka sumber tidak terhubung dengan beban sehingga LED1 tidak menyala. Sebaliknya, jika tegangan keluaran U1 bernilai lebih dari tegangan 𝑉𝑇ℎ , maka sumber terhubung dengan beban seingga LED1 menyala. e.

Stage latching Stage ini terdiri dari resistor (R5) dan dioda 1N914 (D2)

terhubung pada op-amp LM358AD (U1A). Tahapan kerja pada stage ini dijelaskan sebagai berikut. •

Ketika tahapan U1A aktif sudah terpenuhi (keadaan S1 tertutup dengan alur tegangan rendah menuju tegangan tinggi), D2 akan aktif.

•

Dengan D2 aktif, 1. Keadaan S1 tertutup Tegangan R4 akan sama dengan hasil pembagian tegangan R4 dan R3 terhadap baterai. 2. Keadaan S1 terbuka

148

Tegangan R4 akan sama dengan tegangan resultan antara tegangan keluaran U1A dengan D2. •

Pada keadaan ini, dapat dilihat bahwa saat keadaan S1 terbuka dapat mengaktifkan Q1. Sehingga pada keadaan S1 terbuka, LED1 masih dapat menyala, dengan syarat bahwa keadaan S1 tertutup sudah pernah dipenuhi dan tegangan baterai tidak di bawah tegangan referensi.

9.4 Daftar Pustaka •

Boylestad, Robert L., Nashelsky, Louis. 2013. ELECTRONIC DEVICES & CIRCUIT THEORY, Eleventh Edition. United States : Pearson.