PENGUAT-PENGUAT EMITER SEKUTU

1. KAPASITOR PENGGANDENG DAN KAPASITOR PINTAS

(Coupling And Bypass Capasitors)

Sebuah kapasitor penggandeng melewatkan sinyal AC dari satu titik ke titik lain.

Misalnya pada gambar 1.a, tegangan AC pada titik A diteruskan ke titik B. Agar dapat

terlaksana, reaktansi kapasitif XC harus jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan

resistansi seri.

Besarnya arus bolak balik dalam rangkaian RC satu simpul sama dengan

(1)

Gambar 1. a). Kapasitor penggandeng di antara sumber dan beban.

b). Rangkaian ekivalen untuk kapasitor penggandeng.

Dimana R adalah resistansi total dari simpul. Pada gambar 1a, R = RTH + RL.

Bila frekuensi naik, XC turun sampai menjadi jauh lebih kecil dari pada R.

GANDENGAN KAKU (STIFF COUPLING)

Ukuran kapasitor penggandeng tergantung pada frekuensi terendah dari sinyal

yang harus digandeng. Kita akan menggunakan aturan berikut ini untuk frekuensi

masuk terendah pada penguat :

XC ≤ 0,1R (2)

Untuk melihat hal ini, masukkanlah harga terburuk, yaitu XC = 0,1R, ke dalam pers.

(1) dan di peroleh

TANAH AC

Kapasitor pintas (bypass capasitors) sama dengan kapasitor penggandeng,

kecuali bahwa ia menggandengkan titik yang tidak ditanahkan ke titik yang

ditanahkan. Sekali lagi, VTH dan RTH dapat berupa satu sumber dan tahanan, seperti

yang ditunjukan, atau dapat berupa rangkaian thevenin.

2. DALIL SUPERPOSISI UNTUK PENGUAT-PENGUAT

Cara yang paling sederhana untuk menganalisa rangkaian ini adalah dengan

membagi penelaahannya menjadi 2 bagian: analisa ac dengan dc, kita dapat

menggunakan dalil superposisi dalam menganalisa penguat-penguat transistor.

RANGKAIAN-RANGKAIAN EKIVALEN AC DAN DC

Berikut ini akan diuraikan langkah-langkah penerapan super posisi pada

rangkaian-rangkaian transistor :

1. Kurangilah sumber AC menjadi nol; ini berarti menghubung-singkat sumber

tegangan dan membuka sumber arus. Buka semua kapasitor. Rangkaian yang

tinggal disebut rangkaian ekivalen DC. Dengan rangkaian ini, kita dapat

menghitung semua arus dan tegangan DC yang kita inginkan.

2. Kurangilah sumber DC menjadi nol; ini berarti sama dengan menghubung-singkat

semua tegangan dan membuka sumber arus. Hubung-singkatkan semua kapasitor

penggandeng dan kapasitor pintas. Rangkaian yang tinggal disebut rangkaian

ekivalen AC. Rangkaian ini adalah rangkaian yang digunakan untuk menghitung

arus dan tegangan AC.

Arus keseluruhan disetiap cabang pada rangkaian itu adalah jumlah arus DC dan

arus AC yang mengalir pada cabang tersebut. Tegangan keseluruhan melintas

setiap cabang adalah jumlah tegangan DC dan tegangan AC melintas tegangan

tersebut.

R1 RCR2 RL

RS

(c)

Gambar 2. Dalil superposisi. (a) Rangkaian yang sebenarnya. (b)Rangkaian ekivalen

DC. (c) Rangkaian ekivalen AC.

NOTASI

Untuk membedakan DC dari AC, adalah kebiasaan baku menggunakan huruf

besar dan tulisan di bawah garis yang besar untuk besaran-besaran DC. Misalnya, kita

menggunakan

IE, IC, IB untuk arus DC

VE, VC, VB untuk tegangan DC terhadap tanah

VBE, VCE, VCB untuk tegangan DC di antara terminal-terminal

Demikian pula kita akan menggunakan huruf kecil dan huruf di bawah garis

yang kecil untuk arus dan tegangan AC :

ie, ic, ib untuk arus AC

ve, vc, vb untuk tegangan AC terhadap tanah

vbe, vce, vcb untuk tegangan AC di antara terminal-terminal

Ada juga kebiasan baku menggunakan tanda kurung menunjukkan dua tegangan

sinusoidal yang berbeda fasa 1800. Misalnya persamaan

Vout = -Vin

Berarti bahwa tegangan keluar berbeda fasa 1800 dengan tegangan masuk.

3. RESISTANSI AC DIODE EMITER

RESISTANSI EMITER AC

Bila sinyalnya kecil, puncak A dan B dekat dengan Q, dan operasinya mendekati

linier. Dengan kata lain, busur dari A ke B hampir berupa garis lurus. Oleh karena itu

perubahan pada arus dan tegangan hampir seimbang. Artinya, sepanjang menyangkut

sinyal AC, dioda tampak seperti resistansi yang diberikan oleh

(3)

Dimana r’e = resistansi emiter AC

ΔVBE = perubahan kecil pada tegangan basis emiter

ΔIE = perubahan yang sesuai pada arus emiter

Karena perubahan pada VBE dan IE ekivalen dengan tegangan dan arus AC.

Sehingga sering ditulis sebagai :

(4)

Dimana r’e = resistansi emiter AC

vBE = tegangan AC melintas basis emiter

IE = arus AC yang melalui emiter

RUMUS UNTUK r’e

Karena r’e adalah perbandingan dari perubahan VBE terhadap perubahan IE,

nilainya tergantung dari letak titik Q :

(5)

4. BETA AC

Gambar 3, memperlihatkan grafik yang lazim antara IC terhadap IB.βdc adalah

perbandingan arus kolektor dc IC terhadap arus basis dc IB. Karena grafiknya tidak

linear, βdc tergantung pada di mana titik Q di tempatkan. Itulah sebabnya mengapa

lembaran data mencantumkan βdc untuk harga IC tertentu.

Beta ac (ditulis βac atau β saja) adalah besaran sinyal kecil yang tergantung dari

letak titik Q. Pada gambar 3, β ditetapkan sebagai

(6)

Atau, karena arus bolak-balik sama dengan perubahan arus total, maka

(7)

Secara grafis, β adalah kemiringan lengkungan pada titik Q. Itulah sebabnya ia

memiliki harga yang yang berbeda pada letak Q yang berbeda pula.

Pada lembaran data, β dicantumkan sebagai hfe. Perhatikan dengan teliti bahwa

huruf di bawah garis pada hfe adalah huruf kecil, sedangkan huruf di bawah garis pada

hFE adalah huruf besar. Jadi, kalau membaca lembaran data, jangan dibingungkan

dengan bati (penguatan) arus searah dan bati arus bolak balik. Besaran hFE adalah

perbandingan IC/IB. Juga dikenal sebagai βdc. Besaran hfe adalah perbandingan ic/ib,

sama seperti β.

Gambar 3. Lengkungan arus kolektor dc terhadap arus basis dc tidak linear

5. PENGUAT EMITER-DITANAHKAN

Gambar 4a memperlihatkan penguat CE (common emiter, emiter sekutu).

Karena emiternya dipintaskan ke tanah, penguat ini kadang-kadang disebut penguat

emiter-ditanahkan; ini berarti bahwa emiter terletak pada tanah ac, tetapi tidak pada

tanah dc.

PEMBALIKAN FASA

Selama setengah siklus tegangan masuk yang positif arus basis naik,

mengakibatkan arus kolektor juga naik. Ini menimbulkan penurunan tegangan yang

lebih besar melintas tahanan kolektor. Sehingga, tegangan kolektor turun dan kita

memperoleh setengah siklus negatif yang pertama pada tegangan keluar. Sebaliknya,

pada setengah siklus tegangan masuk yang negatif arus kolektor lebih sedikit mengalir

dan penurunan tegangan melintas tahanan kolektor berkurang. Dengan demikian,

tegangan kolektor tanah naik dan kita memperoleh setengah siklus positif pada

tegangan keluar.

DARI SUDUT PANDANGAN GARIS-BEBAN

Gambar 4b memperlihatkan garis beban ac dan titik Q. tegangan masuk ac

menghasilkan perubahan ac pada arus basis. Hal ini mengakibatkan perubahan

sinusoidal di sekitar titik Q.

Gambar 4. (a) Penguat emitter-ditanahkan. (b) Garis Beban ac

BATI TEGANGAN (VOLTAGE GAIN)

Bati tegangan sebuah penguat adalah perbandingan tegangan keluar ac dengan

tegangan masuk ac. Persamaannya adalah sebagai berikut :

(8)

Gambar 5. (a) rangkaian ekivalen ac untuk penguat emiter-ditanahkan. (b) model ac

Ebers-Moll yang digunakan untuk transistor.

Hukum ohm mengatakan bahwa arus emitter ac adalah :

Karena arus arus kolektor hampir sama dengan arus emiter, maka

Arus kolektor ac mengalir melalui tahanan kolektor, menghasilkan tegangan keluaran

sebesar

Bati tegangan dapat juga dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :

(9)

Gambar 6. Komponen-komponen dc dan ac yang dilihat dengan osiloskop

tergandeng-dc.

Contoh 1.

Sebuah Osiloskop tergandeng dc menampilkan sinyal total dengan kmponen-

komponen dc dan ac nya. Gambar 6 memperlihatkan tegangan-tegangan pada

basis,emiter,dan kolektor dari penguat emiter ditanahkan. Jelaskan apa yang

digambarkan tegangan-tegangan ini.

Penyelesaian

Pembahasan dimulai dengan menganggap bahwa sinyal masuk ac adalah

tegangan gelombang sinus yang kecil. Sinyal ini mengalir melalui kapasitor

pengandeng masukan dan muncul pada basis. Tingkat tenang tegangan basis adalah

1,8 V karena tegangan keluar dc yang berasal dari pembagi tegangan :

Dengan demikian, tegangan masuk total pada basis adalah 1,8 V dc,ditambah

sumber sinysl ac yang kecil. Bila kapasitor penggandeng kaku, semua tegangan

sumber ac muncul pada basis.

Perhatikan tegangan emiternya. Harganya 1,1 V dc karena emitter dibootstrap

0,7 V terhadap masukan tegangan dc. Tak ada sinyal ac yang muncul disini karena

emitter dipintas ke tanah melalui kapasitor pintas emitter. Dengan perkataan lain,

kapasitor pintas kaku menghubung singkat sinyal ac ke tanah. Ini sama dengan

mengatakan bahwa tak ada arus bolak-balik yan gmengalir melalui RE karena semua

arus bolak-balik dihubung singkatkan melalui kapasitor pintas. Inilah sebabnya

mengapa kita tak melihat sinyal ac pada emitter. Arus emitter dc sama dengan :

Tegangan ac yang diperkuat dan dibalik muncul pada kolektor. Titik ini

mempunyai tingkat tenang 6,04 V, yang dihitung dari :

VC = 10V –(1,1mA)(3,6kΩ) = 6,04 V

Contoh 2.

Sinyal masuk ac mempunyai harga puncak 1mV pada gambar 6. Berapa nilai puncak

tegangan keluar ac?

Penyelesaian

Pada contoh sbelumnya, kita telah menghitung arus emitter dc sebesar 1,1 Ma.

Jadi, resistansi emitter ac adalah :

Bati tegangan nya

Ini berarti bahwa tegangan keluar ac adalah :

VoutAVin = -159(1mV) = -159Mv

Tanda kurang mengingatkan kita pada pembalikan fasa.

Kesimpulannya sebagai berikut. Sinyal masuk ac dengan puncak 1mV

mengakibatkan sinyal keluar ac dengan puncak 159 mV. Sinyal keluar berbeda fasa

180° dengan sinyal masuk.

6. MODEL AC UNTUK TAHAP EMITER-SEKUTU

Untuk mendapatkan model rangkaian ekivalen ac satu tahap yang sederhana kita

harus mengetahui impedansi masuk dan keluar.

IMPEDANSI MASUK

Impedansi masuk ac ditetapkan sebagai berikut :

(10)

Di mana Vin dan Iin adalah harga puncak, harga puncak-ke-puncak, atau harga rms

(a)

(b)

Gambar 7. Impedansi Masuk Dan Impedansi Keluar

Pada gambar 7a arus konvensional i1 mengalir ke dalam R1, i2 ke dalam R2, dan

ib ke dalam basis. Impedansi yang dipandang langsung ke arah basis dilambangkan

sebagai Zin (basis), di berikan oleh :

Menurut hukum ohm

Karena , persamaan ini menjadi

Maka Zin (basis) disederhanakan menjadi

Karena arus basis adalah β kali lebih kecil daripada arus emiter, impedansi

masuk dari basis adalah β kali lebih besar daripada .

Penguat emiter di tanahkan memiliki impedansi masuk

(11)

Harga ini adalah impedansi masuk total karena mengandung tahanan pemberi

prategangan dan impedansi yang dipandang ke arah basis transistor.

IMPEDANSI KELUAR

Pada gambar 7b, tegangan thevenin yang muncul pada keluaran adalah

Vout = AVin

Impedansi thevenin adalah gabungan parallel dari dan impedansi dalam dari

sumber arus kolektor. Pada model Ebers Moll sumber arus kolektor adalah ideal:

dengan demikian, ia memiliki impedansi dalam tak terhingga. Dengan demikian,

impedansi thevenin adalah

Gambar 8. (a) tahanan sumber dan beban dihubungkan, dengan penguat emiter-

ditanahkan. (b) rangkaian ekivalen ac.

Contoh 3.

Gambar 8a memperlihatkan penguat emitter ditanahkan yang telah dianalisa pada

Contoh 2. Jika transistor memiliki ß sebesar 150, berapa tegangan keluar ac?

Penyelesaian

Ada dua hal yang baru terdapat pada gambar 8a. Pertama, sumber ac kini

memiliki impedansi sumber sebesar 1 kΩ. Dengan dmikian, sebagian dari sinyal

sumber akan turun melintas resistansi ini sebelum mencapai basis. Pada sisi keluaran,

kapasitor menggandeng sinyal ac ke resistensi beban 1,5 kΩ. Hal ini mengakibatkan

muncul nya efek pembebanan. Sehingga,sinyal keluar akan terlihat lebih rendah dai

sebelumnya. Untuk melihat pengaruh resistansi sumber dan beban, gantilah penguat

emitter ditanahkan dengan model ac nya. Mula-mula kita menghitung impedansi

masuk pasa bais sebesar :

Zin (basis) = ßr’e = 150(22,7Ω) = 3,4kΩ

Selanjutnya kita menghitung impedansi masuk penguat sebesar

Zin = R1||R2||ßr’e = 10kΩ || 2,2kΩ ||3,4kΩ = 1,18kΩ

Bati tegangan tanpa beban, yang telah ditentukan sebelumnya, adalah -159.

Impedansi keluar sama dengan RC. dengan demiian,kita dapat membayangkan

rangkaian seperti yang diperlihatkan pada gambar 8b.

Kita sekarang kedua pembagi tegangan. Pembagi tegangan masuk mengurangi sinyal

pada basis sebesar :

Tegangan keluar Thevenin adalah :

Tegangan ini adalah keluaran tanpa beban. Keluaran yang sebenarnya adalah

tegangan yang muncul melintas 1,5kΩ :

Ini berarti bahwa keluaran mempunyai tegangan puncak 25mV.

7. PENGUAT TERBENAM (SWAMPED AMPLIFIER)

Besaran idealnya sama dengan 25mV/IE. Harga yang sebenarnya

tergantung pada suhu dan jenis persambungan. Oleh karena itu, sebuah transistor

dapat berubah-ubah dalam daerah yang luasnya 2:1 untuk suhu dan transistor yang

berbeda-beda. Setiap perubahan pada harga akan mengubah bati tegangan dari

penguat emiter-ditanahkan.

PENGERTIAN TERBENAM

Bila rE jauh lebih besar daripada emiter di bootstrap ke basis untuk sinyal ac

maupun sinyal dc. Gambar 9b memperlihatkan rangkaian ekivalen ac. Karena rE seri

dengan resistansi totalnya adalah + . masukan ac muncul melintasi resistansi

ini dan menghasilkan arus emiter ac sebesar

Membenamkan dioda emiter membuat jauh lebih besar daripada .

Gambar 9. (a) Penguat terbenam. (b)Rangkaian Ekivalen

PENGARUH PEMBENAMAN PADA BATI TEGANGAN

Pada gambar 9b tegangan keluar ac adalah

Tegangan ac melintas + adalah

Sehingga, perbandingan terhadap adalah

Karena , persamaan diatas dapat ditulis kembali menjadi

(12)

Gambar 10. Komponen-komponen ac dan dc yang terlihat pada osiloskop tergandeng-

dc.

Contoh 4.

Gambar 10 memperlihatkan sebuah penguat terbenam. Jelaskan tegangan-

tegangannya.

Penyelesaian

Sepanjang menyangkut arus seara, rangkaian ini serupa dengan penguat emitter

ditanahkan yang telah dibahas pada contoh 1. Dengan alasan ini, tegangan basis dc

tetap 1,8V, tegangan emitter dc 1,1V, dengan tegangan kolektor dc 6,04 V. Perhatikan

bahwa resistansi emitter dc total adalah tetap1kΩ, sehingga r’ e tetap 22,7Ω.

Perbedaannya adalah sebagai berikut. Tegangan sumber ac lebih besar, 100mV

dan bukan 1mV. Sinyal ini digandeng ke basis. Karena pengaruh

bootstrapping,hamper semua sinyal 100mV muncul melintas tahanan pembenam.

Ujung bawah tahanan pembenam terletak pada tanah ac, dan itulah sebabnya mengapa

osiloskop memperlihatkan garis horizontal (tak ada sinyal ac) pada +0,902V.

Tegangan kolektor ac diperkuat dan dibalik seperti sebelumnya.

Contoh 5.

Hitunglah tegangan keluar pada gambar 10.

Penyelesaian

Bati tegangan adalah

Sehingga, tegangan keluar ac adalah

Ini berarti bahwa puncak tegangan keluar adalah 1,78V. Sehingga, ayunan

puncak kepuncak sepanjang garis beban adalah dua kalinya, yaitu 3,56 V. Operasinya

adalah sinyal besar, yang dimungkinkan dengan pengeringan distorsi karena adanya

pembenaman (disebut juga umpan balik setempat atau umpan balik negative).

Contoh 6.

Anggap kapasitor pintas pada gambar 10 terbuka. Apa yang terjadi dengan bati

tegangannya?

Penyelesaian

Kapasitor pintas yang terbuka bahwa

Karena ujung bawah tahanan 180 Ω tidak lagi pada tanah ac. Dalam hal seperti

ini, pembenaman menjadi terlalu besar, dan bati tegangan turun menjadi :

Tegangan keluaran hanya sebesar

Bila anda sedang memperbaiki sebuah penguat dengan keluaran yang ajauh

lebih rendah dari pada yang seharus nya. Yang mula-mula harus diperiksa adalah

kapasitor pintas. Osiloskop tergandeng dc yang dipasang melintas kapasitor pintas

harus menampilkan garis horizontal pada tingkat dc yang tepat. Jika anda melihat

sinyal ac melintas kapasitor ini dengan harga puncak ke puncak hampir sebesar

tegangan emitter ac, anda dapat memperkirakan bahwa kapasitornya terbuka.

10 Kohm

2,2 Kohm

3,6 Kohm

1 KohmVout

+10 V

51 Kohm

100 mV

(a)

180 ohm

Vload

Vin

820 ohm

Vsource

Gambar 11. (a) Tahanan sumber dan tahanan beban yang di hubungkan ke penguat

terbenam. (b) Rangkaian ekivalen ac

Contoh 7.

Bila ß = 150, berapa tegangan keluar ac pada gambar 11?

Penyelesaian

Dari persamaan (13), impedansi masuk basis adalah

Impedansi masuk penguat adalah

Bati tegangan tanpa beban dari basis ke kolektor adalah -17,8 (telah dihitung).

Jadi model ac penguat tampak seperti yang ditunjukan pada gambar 11b.

Tegangan masuk yang mencapai penguat adalah

Tegangan keluar Thevenin adalah

Tegangan ini adalah tegangan keluar tanpa beban. Tegangan keluar ac yang

sebenarnya muncul pada kolektor dan melintas tahanan beban sebesar

Ini berarti bahwa puncak tegangan keluar berharga 1,05 V

8. TAHAP-TAHAP KASKADE

Gambar 12a memperlihatkan penguat dua tahap yang menggunakan rangkaian-

rangkaian CE yang dikaskade. Sebuah sumber ac dengan resistansi sumber Rs

menggerakkan masukan penguat itu. Tahap emiter-ditanahkan memperkuat sinyal,

yang kemudian digandeng dengan tahap CE berikutnya. Lalu sinyal diperkuat sekali

lagi untuk mendapatkan keluaran yang terakhir yang jauh lebih besar daripada sinyal

sumber.

Gambar 12b memperlihatkan model ac untuk penguat dua tahap. Setiap tahap

mempunyai impedansi, yang diberikan oleh gabungan paralel dari R1, R2, dan β .

Setiap tahap mempunyai bati tegangan tanpa beban Rc/ dan impedansi keluar Rc.

Gambar 12. (a) Penguat dua tahap dengan tahap emiter-ditanahkan. (b) Rangkaian

ekivalen ac

(a)

+10 V

3,6 Kohm10 Kohm

3,6 Kohm10 Kohm

2,2 Kohm 2,2 Kohm

1 Kohm1 Kohm

1 Kohm

1,5 Kohm

Gambar 13. (a) Tahanan sumber dan tahanan beban yang di hubungkan ke penguat

dua tahap. (b) Rangkaian ekivalen ac

Contoh 8.

Setiap transistor pada gambar 13a mempunyai = 150. Berapa tegangan keluar ac

nya?

Penyelesaian

Setiap tahap adalah seupa. Pada contoh 3, kita telah menganalisa tahap CE ini,

dengan hasil-hasil sebagai berikut : r’e = 22,7 Ω, =1,18 kΩ, A= -159, dan Zout = 3,6

kΩ. Gambar 13b memperlihatkan model ac untuk penguat dua tahap. Tegangan

masuk ac pada tahap pertama adalah :

Tegangan Thevenin ac yang keluar dari tahap pertama adalah

Tegangan masuk ac pada tahap kedua adalah

Tegangan Thevenin yang keluar dari tahap kedua adalah

Dan tegangan keluar ac yang terakhir adalah

Sambil lalu, karena ada dua tahap yang mempunyai bati membalik, sinyal keluar

terakhir sefasa dengan sinyal masuk. Sehingga, bila kita menggandeng gelombang

sinus dengan puncak 1mV,kita mendapatkan gelombang sinus dengan frekuensi dan

fasa yang sama tetapi dengan puncak 991mV. Pengguat dua tahap ini mempunyai bati

tegangan 991 dari sumber sampai keluaran terakhir nya.