Staff Site Universitas Negeri Yogyakarta

PENGUAT TRANSISTOR

Oleh : Sumarna, Jurdik Fisika, FMIPA, UNY

E-mail _{: sumarna@uny.ac.id}

1. Pendahuluan

Dalam modul terdahulu dibicarakan mengenai dasar-dasar penguat transistor terutama bagaimana transistor dioperasikan dalam kaitannya pemberian tegangan kerja atau tegangan bias. Pemahaman pemberian tegangan kerja tersebut sangat bermanfaat untuk memahami bagaimana transistor siap bekerja atau siap diberikan sinyal masukan. Selanjutnya dalam pembicaraan modul ini pemberian tegangan kerja bukan lagi suatu permasalahan yang dominan, artinya kita langsung akan membicarakan transistor sebagai penguat yang beroperasi karena adanya sinyal masuk. Sehingga tegangan kerja sedikit sekali dibahas. Oleh karena kita membicarakan transistor dalam keadaan bekerja dengan diberi sinyal atau isyarat masukan, maka dalam analisisnya kita akan banyak menggunakan rangkaian setara-h dari pada rangkaian dc.

Dalam modul ini akan dibahas fungsi rangkaian transistor sebagai rangkaian penguat baik menggunakan rangkaian diskrit (menggunakan transistor dan piranti pasif lainnya) maupun menggunakan rangkaian terintegrasi ( IC : Integrated circuit). Seperti kita ketahui bahwa hampir semua peralatan elektronik terdiri dari rangkaian penguat. Fungsi dari rangkaian penguat pada umumnya untuk menguatkan sinyal yang lemah pada masukan agar diperoleh sinyal yang lebih kuat pada keluarannya. Jadi rangkaian penguat adalah rangkaian yang dapat memberikan penguatan baik penguatan tegangan, penguatan arus maupun penguatan daya. Misalnya pesawat penerima radio yang menguatakan sinyal sangat lemah dari antena menjadi sinyal yang lebih kuat hingga di dalam suatu ruangan penuh dengan suara. Suatu tranduser atau sensor dalam bidang kesehatan maupun pendidikan menghasilkan sinyal dalam orde mikrovolt. Sinyal tersebut harus dikuatkan beribu kali bahkan jutaan kali hingga diperoleh indikasi yang cukup kuat yang dapat diamati. Selain menguatkan sinyal dalam arti yang sesungguhnya, rangkaian penguat juga dapat difungsikan sebagai penyangga (buffer). Rangkaian penyangga mengambil sinyal dari piranti dengan impedansi keluaran tinggi dan mengirimkannya ke piranti lain dengan impedansi masukan rendah. Rangkaian penyangga juga disebut rangkaian penjodoh

impedansi (impedance matching), pengikut emitor (emitor follower) atau pengikut sumber (source follower). Dalam modul ini juga akan dibicarakan fungsi rangkaian transistor sebagai penguat akhir dengan faktor penguat daya yang besar. Pada bagian ini akan dibahas bagaimana bentuk rangkaian diskrit dari berbagai macam penguat akhir dan dibicarakan pula penguat akhir yang dirangkai dari rangkaian terpadu (IC).

2. Tujuan Instruksional Umum

Setelah mempelajari Pokok Bahasan dan Sub Pokok Bahasan Penguat Transistor, diharapkan mahasiswa mempunyai pengetahuan dan memahami fungsi kerja dari rangkaian penguat transistor dalam rangkaian elektronika.

3. Tujuan Instruksional Khusus

Setelah mempelajari Pokok Bahasan dan Sub Pokok Bahasan Penguat Transistor, Mahasiswa mempunyai kemampuan

3.1.Menjelaskan fungsi rangkaian transistor sebagai rangkaian penguat awal dengan impedansi masukan tinggi

3.2.Menjelaskan fungsi rangkaian transistor sebagai rangkaian penyangga (buffer)

3.3.Menjelaskan fungsi rangkaian transistor sebagai penguat akhir dengan faktor penguat daya yang besar

3.4.Menunjukan kemudahan teknis penggunaan rangkaian terpadu (IC: integrated circuit) sebagai rangkaian penguat awal maupun rangkaian penguat akhir.

4. Kegiatan Belajar 1

PENGUAT AWAL 4.1. Pengantar

Penguat awal merupakan suatu rangkaian yang digunakan untuk memperkuat sinyal atau isyarat dari suatu sumber isyarat yang besarnya arus maupun tegangan masih lemah. Demikian pula sering didapatkan bahwa hambatan keluaran atau impedansi keluaran dari sumber isyarat cukup tinggi, sehingga isyarat akan kehilangan tegangannya atau terjadi pembebanan pada rangkaian berikutnya apabila impedansi masukan rangkaian berikut rendah. Untuk itu diperlukan suatu penguat awal yang mampu menjembatani antara sumber isyarat dan penguat berikutnya dengan penguat awal sehingga sumber isyarat tidak kehilangan tegangannya. Misalkan sebagai contoh kita mengambil tegangan dari suatu keluaran photosel, tegangan keluaran photosel sangat kecil untuk dibaca dengan millivoltmeter demikian pula impedansi keluarannya dalam orde sepuluh mega-ohm. Maka tegangan ini tidak akan terbaca oleh millivoltmeter yang orde impedansi masukannya hanya puluhan kilo-ohm. Oleh karena itu diperlukan suatu penguat awal yang mampu memperkuat sinyal dan sekaligus memiliki impedansi masukan yang tinggi. Namun sebelum kita masuk pada pembahasan materi perlu dibicarakan terlebih dahulu rangkaian setara-h untuk transistor dalam konfigurasi emitor bersama, agar pembahasan penguat dengan mendapat isyarat ac kecil lebih mudah.

4.2. Rangkaian setara-h

Kita dapat menganggap bahwa suatu penguat atau transistor merupakan piranti yang memiliki dua gerbang. Gerbang yang dimaksud adalah gerbang masukan dan gerbang keluaran, seperti tergambar di gambar 6.1., yang melukiskan atau memberikan simbol dari suatu piranti dengan dua gerbang.

Gambar 6.1 : Piranti dengan dua gerbang.

PIRANTI _Keluaran

Sesungguhnya dari kedua gerbang tersebut kita dapat meninjau untuk bagian masukannya, misalnya hambatan, tegangan dan arus masukannya. Demikian pula untuk bagian keluarannya. Namun kali ini kita akan menekankan pada rankaian setaranya. Sesungguhnya ada beberapa macam rangkaian setara, yaitu setara -T, -z, -y dan rangkaian setara parameter-h.

Rangkaian setara didasarkan pada rangkaian setara Thevenin untuk hambatan keluaran yang tidak terlalu besar atau rangkaian setara Norton untuk hambatan keluaran yang besar. Untuk kesempatan kali ini kita akan membahas rangkaian setara parameter-h. Dalam rangkaian setara parameter-h untuk transistor dengan emitor bersama pada masukan digunakan rangkaian setara Thevenin, sedangkan pada keluarannya digunakan rangkaian setara Norton. Hal ini mengingat bahwa pada transistor dwikutub emitor bersama hambatan masukan rendah, dan pada keluaran merupakan sumber arus tetap yang dikendalikan oleh arus masukan. Rangkaian setara parameter-h ditunjukkan pada gambar 6.2.

Gambar 6.2 : Rangkaian setara parameter-h.

Dari gambar 6.2 dapat diperoleh

vi = hi ii + hr v0 (1)

i0 = hf ii + h0 v0 (2)

dengan : vi = tegangan sinyal/isyarat masukan

ii = arus sinyal/isyarat masukan

v0 = tegangan sinyal/isyarat keluaran

i0 = arus sinyal/isyarat keluaran.



vI

iI

v0

i0

hr v0

hI

hf iI

Sedangkan parameter-h adalah :

hi = impedansi masukan dengan keluaran terhubung singkat

hr = nisbah tegangan balik dengan masukan terbuka

hf = nisbah arus maju dengan keluaran terhubung singkat

h0 = admitansi keluaran dengan masukan terbuka.

Untuk hubungan emitor ditanahkan digunakan parameter-h : hie, hre, hfe dan hoe.

Sedangkan untuk hubungan basis bersama digunakan hib, hrb, hfb dan hob, dan untuk

kolektor bersama digunakan hic, hrc, hfc dan h0c. Nilai hie adalah

hie = rb + ( 1 + hfe ) re (3)

rb = hambatan melintang dalam basis yang besarnya kira-kira 300 W, untuk titik Q berada

ditengah-tengah, adakalanya nilai ini dapat diabaikan terhadap ( 1 + hfe )re.

re = hambatan sambungan pn untuk panjar maju dengan isyarat kecil, yaitu

re =

mA Q I_E( )

26

atau dengan pendekatan re =

mA Q I_E( )

25

(4)

Nilai hre sangat kecil pada orde 10-4, sehingga hasil perkaliannya dengan v0 kecil

mendekati nol, dan diabaikan terhadap hi ii. Nilai hfe tidak lain adalah , sedangkan h0e

ordenya di sekitar 25 A/V (A/V = mho = siemen) atau 1/h0e di sekitar ~40 k, atau

tepatnya tergantung dari tipe transistornya.

Nilai-nilai dari parameter yang lain biasanya dilihat pada buku panduan dari transistor yang dikeluarkan oleh pabrik pembuatnya, namun untuk keperluan kegiatan belajar ini kita dapat mengadakan perandaian atau pendekatan-pendekatan nilai.

4.3. Penguat Awal

Penguat awal pada umumnya digunakan untuk memperkuat tegangan isyarat masukan yang lemah dan impedansi dari isyarat cukup tinggi. Apabila isyarat tersebut kita masukan dalam penguat emitor bersama ada kemungkinan tegangan isyarat tadi akan mengalami penurunan yang sangat besar, atau dengan kata lain terjadi pembebanan pada rangkaian masukan karena hambatan masukan penguat rendah. Oleh karena itu untuk melakukan penguatan, terlebih dahulu kita harus tahu berapa impedansi keluaran dari isyarat. Secara skematis diperlihatkan pada gambar 6.3.

Gambar 6.3 : Penggandengan dua sistem.

Pada modul 5 telah dirumuskan bahwa besarnya v jika antara keluaran sumber isyarat dihubungkan atau digandengkan dengan masukan penguat awal maka

vi = 0 z z

z i

i

 v0 = i z z₀

1 1



v0 (5)

Terlihat bahwa nilai vi sangat tergantung dari nisbah z0/zi. Jika z0 > zi maka bilangan

pembagi menjadi besar dan vi > v0, jika z0 < zi maka bilangan pembagi mendekati satu dan

vi ~ v0 dan jika z0 = zi maka vi = (½) v0. Untuk yang terakhir ini merupakan hal yang

paling ideal. Hal tersebut dikarenakan daya yang dilesapkan dari rangkaian di depan ke rangkaian berikut maksimal, atau dalam keadaan ini terjadi penyesuaian impedansi (matching impedance).

Dengan demikian masalah impedansi merupakan sangat penting untuk menggandengkan antara dua sistem tersebut di atas. Oleh karena itu di dalam pemilihan konfigurasi transistor haruslah tepat agar penguatan dapat berkerja dengan baik.

4.3.1 Analisis Penguat Awal Emitor Bersama

Ciri dari penguat emitor bersama adalah memiliki hambatan masukan dan hambatan keluaran yang bernilai sedang yaitu pada orde 1 kilo-ohm sampai 3 kilo-ohm, atau tergantung dari harga hie-nya, demikian pula nilai hambatan input tergantung dari RC atau

hambatan beban RL yang biasanya juga berorde 5 kilo-ohm. Jika suatu isyarat masukan

memiliki impedansi yang cukup rendah maka penguat emitor bersama dapat digunakan langsung dengan gandengan kapasitor saja, seperti pada gambar 6.4.

Sumber isyarat

Penguat awal z0 ; v0

Keluaran

zi ; vi

Masukan

z’0 ; v’0

Keluaran

Gambar 6.4 : Penguat emitor bersama sebagai penguat awal.

Gambar 6.5 (a) : Rangkaian setara parameter-h.

Gambar 6.5 (b) Penyederhanaan dari gambar 6.5 (a).

Dari gambar 6.5 (b) terlihat bahwa besarnya impedansi atau hambatan masukan penguat awal adalah

zi = RB // hie (6)

Kita ingat bahwa RB = R1 // R2 dan hie dihitung dengan rumus (3). Apabila nilai zi masih

lebih besar atau sama dengan hambatan/impedansi keluaran RS maka kita dapat

 R2 CE

RE

RC

R1

RS

vS

v0

RS

vS

ib

i0

hre v0

hIe

hfe ib

1/h0e



RE

CE

RB

RC

RS

vS ib

hIe

hfe ib

1/h0e

 RB RC

menggunakan penguat tersebut sebagai penguat awal. Dari gambar ini dapat kita peroleh bahwa hambatan atau impedansi keluaran dari penguat adalah

z'0 = e h₀

1

// RC (7)

Jika dihitung penguatannya maka

Av = i v v₀'

(8) dari gambar 6.5b terlihat bahwa

v'0 = - ( hfe ib )( e h₀

1

// RC ) = - ( hfe ib ) z'0 (9)

vi = hie i b (10)

sehingga persamaan (9) dan (10) masuk persamaan (8) diperoleh

A =

i v v₀'

= -

ie fe h z

h '

0

(11)

Dari rumus-rumus di atas parameter yang perlu dicari terlebih dahulu adalah hie. Apabila

arus emitor IE(Q) dapat ditentukan maka rumus-rumus selanjutnya dapat dihitung. Untuk

itu analisis dc emitor bersama harus lebih dipahami.

Apabila dalam persoalan gandengan terdapat perbedaan impedansi yang cukup besar, misalnya sumber isyarat memiliki z0 = 25 zi, maka vi akan mengalami penurunan

sampai 1/26 kali terhadap tegangan keluaran isyarat v0. Hal ini jelas tidak

menguntungkan, apalagi jika tegangan isyarat tadi sangat lemah. Untuk keperluan itu perlu alat yang digunakan untuk menyesuaikan atau seolah-olah menaikkan impedansi dari rangkaian penguat awal agar tidak terjadi penurunan tegangan. Untuk itu dapat digunakan "transformator masukan" atau sering juga disebut "transformator input", untuk menyesuaikan impedansi dari dua sistem yang akan digandengkan. Cara yang umum digunakan seperti pada gambar 6.6.

Gambar 6.6 : Prinsip penyesuai impedansi dengan tranformator. Sumber

isyarat

Penguat awal

z0 zit z0t zi

N1 N2

Dari gambar 6.6 dipilih transformator pada bagian masukan impedansinya zit dan jumlah

lilitannya N1 yang sesuai dengan impedansi keluaran sumber isyarat sehingga z0 = zit

dan bagian keluaran impedansinya z0t dan jumlah lilitannya N2 sesuai dengan impedansi

masukan penguat sehingga zot = zi. Dari pengertian mengenai transformator diperoleh

adanya hubungan antara impedansi kumparan tranformator dengan jumlah lilitan dan frekuensi yang masuk. Dalam kaitan ini misalkan frekuensi yang digunakan adalah frekuensi antara 20 sampai dengan 20.000 Hz.

Pada beberapa jenis mikropon dinamik transformator input ini sudah terpasang pada mikropon. Sehingga keluaran mikropon sudah tertentu, sebagai misal mikropon dinamik yang memiliki impedansi keluaran 600 ohm. Apabila mikropon ini dipasang pada penguat awal emitor bersama kiranya tidak akan mengalami penu-runan tegangan yang terlalu banyak.

4.3.2. Analisis Penguat Awal Kolektor Bersama

Pada keperluan tertentu penggunaan transformator input tidak praktis, terutama dalam impedansi dari sumber yang cukup tinggi, misalnya dalam orde 100 k. Transformator yang memiliki impedansi tinggi memerlukan ruang yang cukup besar. Oleh karena itu kita ingat bahwa penguat transistor dalam hubungan kolektor bersama memiliki keunggulan; yaitu impedansi masukan yang besar dan impedansi keluaran kecil.

Kita mengingat kembali rangkaian penguat terhubung kolektor bersama atau kolektor ditanahkan, lihat gambar 6.7.

Gambar 6.7 : Penguat kolektor bersama.

 R2

RE

R1

RS

vS

Gambar 6.8 (a) : Rangkaian setara penguat kolektor bersama.

Gambar 6.8 (b) : Rangkaian setara penguat kolektor bersama.

Dari rangkaian gambar 6.7 tersebut kita dapat membuat rangkaian setara parameter-h, lihat gambar 6.8 (a) atau 6.8 (b). Untuk mencari penguatannya, yaitu Av =

v'0/vi, dicari dahulu v '

0 dan vi. Pada gambar 6.8 (b) 1/h0e digambar sejajar dengan RE

agar mudah menganalisisnya. Pada RE mengalir arus ib dari jalur masukan dan arus hfe

ib dari jalur keluaran, sehingga tegangan keluaran dapat dinyatakan sebagai

v'0 = ib ( RE // e h₀

1

) + hfe ib ( RE // e h₀

1

) = ( 1 + hfe ) ib ( RE //

e h₀

1

) (12)

Sedangkan besarnya vi dapat dicari sebagai

RS

vS

hIe

1/h0e 

RE

RB

v0

RS

vS

hIe

1/h0e 

RE

RB

v0

hfe ib

vi

vI = hie ib + ib ( RE // e h₀

1

) + hfe ib ( RE // e h₀

1 ) = hie ib + (1 + hfe ) ib ( RE //

e h₀

1

) (13)

sehingga

Av = i v v'

0 ₌

) 1 // )( 1 ( ) 1 // )( 1 ( 0 0 e E fe ie e E fe h R h h h R h    (14)

Faktor arus basis ib lenyap dalam persamaan tersebut dan dilihat dari bentuk

persamaannya pastilah bahwa nilai Av selalu lebih kecil atau mendekati satu. Parameter

hie dapat ditentukan dengan persamaan (3), yaitu hie = rb + (1 + hfe )re.

Untuk menghitung impedansi masukannya zi, dengan melihat gambar 6.8 (b), dapat

diperoleh bahwa

zi = RB // Rit (15)

Rit adalah hambatan masukan transistor yang besarnya

Rit = b

i i v

= hie + (1 + hfe )( RE // e h₀

1

) (16)

Besarnya Rit ditentukan oleh nilai (1 + hfe ) RE untuk RE<< e h₀

1

. Dengan demikian nilai zi

ditentukan oleh nilai RB jika RB << Rit.

Sedang untuk menghitung impedansi keluaran kita dapat menganggap v'0 sebagai

sumber tegangan dengan arus masuk ke arah transistor sebagai i0, pada gambar 6.8 (b).

Impedansi keluarannya adalah z =

0 ' 0 i v (17)

dimana arus i0 terbagi tiga yang lewat RE // e h₀

1

, dan yang lewat (hie + RB // RS ) dan yang

i0 = ) 1 // ( 0 0 e E h R v + ) // ( 0 S B ie R R h v  + ( // ) 0 S B ie fe R R h v h  = ) 1 // ( 0 0 e E h R v + ) // ( ) 1 ( ₀ S B ie fe R R h v h  

jika v0 dibawa ke ruas kiri diperoleh 0 1 z 0 0 v i = ) 1 // ( 1 0e E h R + ) // ( ) 1 ( S B ie fe R R h h   = 0 1 z

atau impedansi z0 menjadi z0 = ( RE // e h₀ 1 ) // ) 1 ( ) // ( fe S B ie h R R h   (18)

apabila diisikan nilai-nilai tertentu akan diperoleh bahwa nilai impedansi keluaran dari penguat kolektor bersama ini yang berperan adalah z0 ~

) 1 ( ) // ( fe S B ie h R R h  

atau lebih

sederhana lagi hanya ditentukan oleh z0 = re + fe S h R  1 .

Dari pembicaraan di atas, penguat kolektor bersama ini dapat digunakan sebagai penguat awal terutama penyesuai impedansi, sehingga penguat berikutnya tidak akan menarik arus terlalu banyak karena impedansi keluaran kolektor bersama sangat kecil. Juga penguat ini karena penguatannya mendekati satu disebut sebagai penguat penyangga. Namun demikian dari rumus (15) terlihat bahwa impedansi masukan zi = RB // Rit,

dengan demikian nilai zi masih ditentukan oleh besarnya RB. Untuk mengatasi pengaruh

RB ini digunakan teknik pengangkat impedansi (bootstrap), yaitu dengan memasang

kapasitor CB seperti pada gambar 6.9.

Gambar 6.9 : Penguat kolektor bersama dengan teknik bootstrap. a

b _v

0

Vcc

RB22 CB

RB1

Nilai CB cukup besar sehingga reaktansinya pada frekuensi sinyal masuk cukup

kecil, sehingga tegangan di titik a kira-kira sama dengan di b dan sama dengan tegangan keluaran. Dengan pemasangan teknik bootstrap ini diharapkan besarnya

zi = Rit = hie + (1 + hfe )( RE // e h₀

1

) jika RE <<

e h₀

1

, maka zi = Rit = hie + (1 + hfe ) RE (19)

dengan syarat bahwa RE << (RB1 // RB22 // e h₀

1

) dan hie << RB21.

4.3.3. Penguat Awal dengan Rangkaian Terintegrasi

Penguat awal dapat juga disusun atau dirangkai menggunakan rangkaian terintegrasi atau integrated circuit. Secara umum rangkaian tersebut disebut penguat operasional atau Operational Amplifier disingkat op-amp. Pembicaraan secara khusus mengenai op-amp akan disampaikan pada modul berikutnya. Op-amp memiliki karakteristik impedansi masukannya sangat tinggi, yaitu berkisar 300 M (dengan masukan diferensial) dan sekitar 1 G (dengan masukan modus bersama / common mode). Gambar 6.10 mengilustrasikan sebuah op-amp yang ukuran luas permukaannya tidak lebih dari 1 cm2 dan tebalnya kira-kira 3 mm, untuk op-amp yang dikemas dalam plastik keras. Ada pula op-amp yang dikemas dalam logam berbentuk silinder, diameter dan tinggi silinder kira-kira 5 mm.

Gambar 6.10 : Bentuk IC dari op-amp dan simbol rangkaian. 1

2 3 4

8 7 6 5

- +

Banyak sekali jenis-jenis op-amp yang dipergunakan orang untuk keperluan penguat awal, misalnya LF 155, LF 356, LM 110, LM 170, LM 381,LM 387 dan lain sebagainya. Pada dasarnya op-amp memiliki dua buah masukan yaitu masukan yang fase keluarannya berbalik disebut masukan membalik atau inverting input dan masukan yang fase keluarannya tak membalik disebut masukan tak membalik atau non inverting input. Keluaran pada op-amp merupakan keluaran tunggal, yaitu apabila kedua masukan tersebut digunakan bersama-sama atau masukan inverting dan non inverting disambung jadi satu (dikopel) sebagai penerima sinyal, hal ini disebut sebagai masukan modus bersama (common mode), lihat gambar 6.11 (a). Namun dalam hal yang lain, yaitu apabila kedua masukan menerima masukan masing-masing, maka op-amp dikatakan dioperasikan dengan modus diferensial. Lihat Gambar 6.11 (b).

Gambar 6.11 (a) : Op-amp dipasang dalam modus bersama.

Gambar 6.11 (b) : Op-amp dipasang dalam modus diferensial.

Sebagai penguat deferensial maka masukan pembalik maupun tak membalik dapat dihubungkan dengan suatu sumber tegangan dengan teknik-teknik tertentu. Contoh yang paling mudah misalkan dihubungkan dengan termistor (hambatan yang berubah terhadap suhu). Alat ini biasanya digunakan untuk indikator perubahan suhu. Maka termistor dapat dipasang sebagai salah satu hambatan dalam konfigurasi jembatan wheatstone. Lihat gambar 12.

 v0



v0  va

Gambar 6.12 : Jembatan wheatstone sebagai piranti bantu masukan diferensial op-amp

Dari rangkaian jembatan tersebut misalkan diambil suatu suhu acuan adalah 0o Celcius hambatan termistor adalah R0 , maka tiga hambatan yang lain R1 , R2 dan R3

juga harus sama dengan R0 , dan nilai hambatan R1 , R2 dan R3 tidak berubah karena

perubahan suhu. Saat suhu acuan akan berlaku hubungan

R0 R3 = R1 R2

jika hal itu dipenuhi, maka VB = VD . Namun jika R0 berubah dengan perubahan suhu

maka potensial titik B atau VB tidak sama dengan potensial titik D atau VD . Dengan

demikian terjadi perbedaan potensial di antaranya, perbedaan ini justru digunakan sebagai masukan penguat diferensial pada op-amp.

4.4. Penguat Penyangga (Buffer)

Pada kegiatan belajar 1 telah disinggung bahwa penguat kolektor bersama atau pengikut emitor merupakan penguat penyangga. Penguat penyangga digunakan sebagai suatu tahap penyesuaian impedansi tanpa mengurangi besarnya tegangan isyarat. Sesungguhnya terdapat pengurangan tegangan namun tidak terlalu berarti. Karena penguat kolektor bersama ini bukan penguat tegangan melainkan merupakan penguat arus. Dengan memperhatikan penjelasan terdahulu pada kegiatan belajar 1 bahwa



Masukan membalik

Masukan tak membalik A

B

C

D

R0

R1

R3

arus masukan pada umumnya kecil sedangkan arus pada keluaran besar, maka penguat ini disebut penguat arus.

Jika diingat kembali konfigurasi kolektor bersama, di mana keluaran diambil dari terminal emitor dari transistor yang digunakan. Tegangan sinyal keluaran selalu sedikit lebih rendah dari pada tegangan sinyal masukan yang diakibatkan adanya jatuh tegangan pada persambungan emitor-basis. Tidak seperti tegangan kolektor, tegangan emitor adalah sefase dengan sinyal masukan. Berikut adalah gambar konfigurasi kolektor bersama (pengikut emitor).

Gambar 6.13 : Konfigurasi kolektor bersama (pengikut emitor).

Konfigurasi pengikut emitor sering digunakan untuk tujuan penjodoh impedansi (impedance matching). Konfigurasi tersebut akan memberikan impedansi masukan tinggi dan impedansi keluaran rendah. Selanjutnya, rangkaian ekivalen untuk konfigurasi pengikut emitor di atas adalah tampak seperti gambar berikut.

Gambar 6.14 : Rangkaian ekivalen dari pengikut emitor. RE

RB

Vcc

Vi

Zi

Z0

V0

I0

Ii

Ib

Zi

RE

RB

hfe Ib

hie

Z0

I0 = Ie

Ii

Vi

V0

Ie = (1 + hfe) Ib

Impedansi masukan ZI adalah ZI = RB // Zb

dengan Zb = hie + (1 + hfe)RE untuk parameter h,

atau Zb = (re + RE) untuk model re.

Sedangkan impedansi keluaran Z0 dapat ditentukan dengan mengingat Ie = (1 + hfe) Ib

dan Ib = Vi/Zb yang akan diperoleh :

Ie =

E fe ie i R h h V   )] 1 /( [ (20)

Jika persamaan (20) tersebut dituangkan dalam bentuk rangkaian akan terlihat seperti gambat berikut.

Gambar 6.15 : Rangkaian yang ditentukan dengan persamaan (20).

Z0 ditentukan dengan membuat VI menjadi nol, dan diperoleh :

Z0 = RE // fe ie

h h 

1 . (21)

Penguatan tegangan Av dapat ditentukan dengan mengenakan prinsip pembagi tegangan

pada gambar 6.15 di atas.

V0 =

)] 1 /(

[ _{ie fe}

E i E h h R V R   Dan

Av = i V V₀ = )] 1 /(

[ _{ie fe}

E E h h R R 

 . (22)

Penguatan arus Ai ditentukan berdasarkan Ib = RBII / (RB + Zb) dan I0 = Ie sehingga akan

diperoleh :

hie/(1+hfe)

RE

Vi

V0

Z0

Ai = i I I₀

=

b B

B fe

Z R

R h



 )

1 (

. (23)

Persamaan untuk model re dapat ditentukan secara langsung dengan mensubstitusikan

besaran hie = re dan hfe =  ke dalam persamaan-persamaan di atas.

4.5. Contoh-contoh Soal :

1). Suatu penguat awal seperti gambar 6.4 dimana RB1 = 50 k, RB2 = 5 k, RC = 2 k,

RE = 1 k, C1 = C2 = 30 F dan CE = 100 F. Apabila VCE = (½) V ,  = 150,

transistornya silikon dan Vcc = 6 V, tentukanlah a. hambatan masukan penguat

b. hambatan keluaran penguat

Jawab :

a. dicari dahulu IB dengan cara seperti pada Modul 5 KB 2, RB = RB1 //RB2 = 50 k //5

k = 4,54 k. Jika IE ~ IC =

E C R R

Vce Vcc

 

=

  k

V V

3 3 6

= 1 mA, maka hie = rb + ( 1 + ) re = 300  + (151)

1

25 _

= 4075  ~ 4 k, sehingga zi = RB // hie = 2,126 k.

b. Untuk menghitung z'0 = ( oe h

1

// RC ) ~ RC = 2 k.

2). Pada soal nomor 1 akan digunakan untuk memperkuat keluaran dari sebuah mikrofon yang impedansi keluarannya 50 k, apa yang harus dilakukan agar terjadi penyesuaian impedansi ?

Jawab :

Dipasang transformator input yang memiliki impedansi masukan/input sebesar 50 k dan impedansi keluaran 2 k.

3). Suatu penguat awal seperti gambar 6.4 dimana RB1 = 100 k, RB2 = 10 k, RC = 4,7

k, RE = 1 k, C1 = 0,5 F, C2 = 0,2 F dan CE = 50 F. Apabila  = 120, hie = 3,15

a. impedansi masukan penguat b. impedansi keluaran penguat c. penguatan tegangan

d. Jika ada masukan sebesar 1 mV dan hambatan dalamnya 600, tentukan pula tegangan keluarannya.

Jawab :

a. Karena hie telah diketahui, maka RB = RB1 //RB2 = 100 k // 10 k = 9,1 k jadi z = R

// h = 9,1 k // 3,15 k = 2,34 k b. z'0 = (

oe h

1

// RC ) = 50 k // 4,7 k = 4,3 k

c. Av = i o v v = - ie o fe h z h ' = - 3150 4300 120x

= - 164.

d. Jika hambatan dalam sumber isyarat zo = 600  dan zi penguat = 2,34 k dan

tegangan isyarat 1 mV, maka tegangan masukan ke penguat adalah vi =

i o i z z z

 vS =  

 k k k 34 , 2 6 , 0 34 , 2

1 mV = 0,76 mV vo = Av vi = - 164 x 0,76 mV = 124,6 mV.

4). Dari gambar 6.9 apabila diketahui RB1 = 56 k, RB21 = 10 k, RB22 = 56 k, hOE =

2,5 x 10-5 mho, RE = 3,9 k, CB = 100 F dan  = 300, tentukanlah

a. besarnya impedansi masukannya dan

b. berapa reaktansi kapasitif dari kapasitor jika frekuensi isyaratnya 1 KHz dan Vcc = 12 volt.

Jawab :

a. Dicari terlebih dahulu arus basis IB dengan mencari sumber tegangan pengganti

VB dan hambatan pengganti RB

RB = (RB1 //RB22 ) + RB21 = (56 k // 56 k) + 10 k = 38 k

VB =

22 1 22 B B B R R R

 Vcc = 

 K K

112 56

12 V = 6 V.

IB = B BE

R R V V     =     K x K V V 0,7 6

IE = (1 + 300) IB = 1,4 mA

Gunakan rumus (3) dan (4) untuk mencari hie , yaitu

hie = rb + ( 1 +  ) E I

25

hie = 300 + ( 1 + 300 )

4 , 1 25

= 5675  ~ 5,6 k

Ternyata RE << 56 k // 56 k // 40 k dan hie < RB21 = 10 k,

sehingga zi = hie + ( 1 + ) RE = 5,6 k + (1 + 300) 3,9 k = 1179,5 k ~1,18 M

Terlihat jika tidak ada bootstrap impedasi masukan hanya

38 k, sedangkan dengan bootstrap impedansinya menjadi 1,18 M. b. Reaktansi kapasitifnya adalah

XCB = B C 

1

= ₆

10 100 1000 2

1



x x x

 = 1,6 .

5). Mana yang lebih praktis dalam kenyataannya penggunaan transistor bipolar sebagai penguat awal dibandingkan dengan menggunakan op-amp dalam rangkaian terpadu, tunjukkan alasannya.

a. Penggunaan op-amp lebih praktis, karena sifat-sifat dasar op-amp sudah menunjukkan bahwa op-amp memiliki impedansi masukan tinggi dan impedansi keluaran rendah. Kualitas keluaran tentunya lebih baik karena rangkaian lebih terpadu. Namun dalam pembiayaan op-amp lebih mahal.

b. Penggunaan transistor bipolar harus menghitung secara saksama piranti pasif yang digunakan agar diperoleh impedansi masukan yang dikehendaki. Namun pebiayaan komponen relatif lebih murah. Kualitas keluaran tergantung cara pemasangan.

4.6. Latihan 1

1). Apa perbedaan penggunaan penguat basis bersama, emitor bersama dan kolektor bersama untuk keperluan penguat awal.

3). Suatu tabung hampa yang dipakai dalam efek foto listrik memiliki tegangan keluaran 0,1 V dan impedansi keluarannya 10 M. Menggunakan rangkaian penguat awal apakah agar tegangan keluaran tersebut dapat terdeteksi dengan lebih baik.

4). Tunjukkan perbedaan penguat awal kolektor bersama tanpa teknik bootstrap dan menggunakan teknik bootstrap.

5). Suatu termistor akan digunakan sebagai sensor suhu dengan menggunakan jembatan wheatstone karena akan diperkuat oleh penguat awal op-amp dengan modus diferensial. Jika pada suhu nol termistor memiliki resistansi 100  dan pada suhu 400 C termistor memiliki resistansi 116 . Tentukan beda potensial antara dua titik jembatan, jika tiga hambatan lain besarnya tetap 100 . Anggap sumber tegangannya 2 volt.

Jawaban Latihan 1

1). Perbedaan antara ketiga konfigurasi penguat pada masalah penguatan tegangan, impedansi masukan dan impedansi keluaran adalah sebagai berikut :

basis bersama emitor bersama kolektor bersama

Av Tinggi Tinggi Rendah

zi Rendah Sedang Tinggi

z0 Tinggi Sedang Rendah

2). Untuk penguat awal yang perlu diperhatikan adalah impedansi masukan. Seperti telah dibahas bersama bahwa antara impedansi keluaran dari piranti sumber isyarat yang akan diperkuat sebaik-baiknya tepat sama dengan impedansi masukan dari penguat awal. Hal itu dimaksudkan agar daya yang dilesapkan antara dua piranti tersebut maksimal.

3). Untuk memenuhi impedansi masukan sebesar itu dan memperkuat tegangan isyaratnya paling baik digunakan penguat awal op-amp.

4). Penguat awal tanpa menggunakan teknik bootstrap, impedansi masukan sangat ditentukan oleh besarnya hambatan masukan pada rangkaian basis RB seperti yang

ditunjukkan rumus (15) dan (16), yaitu

Rit adalah hambatan masukan transistor yang besarnya

(16) Rit =

b i i v

= hie + (1 + hfe)( RE // e h₀

1

)

Sedangkan menggunaka teknik bootstrap RB lenyap dan impedansi masukan tergantung

dari Rit saja.

5). Kita gunakan gambar 6.12 untuk menyelesaikan soal ini. Misalkan titik C dianggap sebagai acuan, maka beda potensial antara titik D dan C atau VDC = 1 volt (dihitung

dengan prinsip pembagi tegangan). Demikian pula dapat dihitung VBC = 1,074 volt.

Tegangan diferensial adalah VBD = VBC– VDC = 1,074 volt - 1 volt = 0,074 volt.

4.7. Rangkuman

1). Semua konfigurasi transistor dwi kutub dapat digunakan sebagai penguat awal. 2). Pemilihan rangkaian tergantung pada impedansi keluaran sumber isyarat yang akan diperkuat, dengan patokan impedansi yang saling berhubungan diharapkan sama. 3). Apabila antara sumber isyarat dan penguat impedansi tidak sesuai dapat digunakan transformator penyesuai impedansi.

4). Peningkatan impedansi masukan pada penguat kolektor bersama dapat digunakan teknik pengangkat impedansi atau bootstrap.

5). Penguat kolektor bersama dapat berfungsi sebagai penyesuai impedansi dan disebut juga sebagai penguat penyangga karena penguatannya mendekati satu.

6). Untuk impedansi masukan yang sangat tinggi dapat digunakan rangkaian penguat terintegrasi yang intinya adalah penguat diferensial atau disebut juga penguat operasi (0p-amp).

7). Rangkaian jembatan wheatstone dapat digunakan sebagai rangkaian perantara untuk menciptakan masukan diferensial.

4.8. Tes Formatif 1

1. Rangkaian setara parameter-h mempunyai sifat a. untuk menyelesaikan besaran dc

b. untuk menyelesaikan besaran ac isyarat kecil

c. bagian masukan merupakan rangkaian setara Norton d. bagian keluaran merupakan rangkaian setara Thevenin

2. Rangkaian transistor dalam konfigurasi basis bersama dapat digunakan sebagai penguat awal yang memiliki impedansi masukan pada orde

a. sekitar ratusan ohm ( rendah) b. sekitar dua ribuan ohm (sedang) c. sekitar lima puluh kilo ohm (tinggi) d. sekitar satu mega ohm (sangat tinggi)

3. Rangkaian transistor dalam konfigurasi emitor bersama akan digunakan sebagai penguat awal mikrofon yang memiliki impedansi keluaran 50 k. Maka

a. mikrofon dapat langsung dipasang b. tegangan keluaran mikrofon tetap

c. tegangan keluaran diperkecil setengahnya d. perlu alat penyesuai impedansi

4. Suatu sumber isyarat memiliki tegangan keluaran 0,1 mV dan impedansi keluaran 1 M. Agar sistem ini memiliki tegangan keluaran kira-kira tetap dan impedansi keluarannya menjadi sangat rendah diperlukan penguat jenis

a. basis bersama dengan transformator input b. emitor bersama dengan transformator input c. kolektor bersama tanpa teknik bootsrap d. kolektor bersama dengan teknik bootstrap

5. Suatu sumber isyarat memiliki tegangan keluaran 1 mV dan impedansi keluarannya 600 W dipasang pada suatu penguat yang impedansi masukannya juga 600 . Maka tegangan masukan yang akan diterima oleh penguat sebesar

a. 0,0016 mV b. 0,5 mV c. 1 mV d. 2 mV

6. Impedansi keluaran dari penguat terangkai kolektor bersama, selain tergantung pada parameter yang ada pada transistor juga tergantung pada

a. tegangan sumber isyarat

b. penurunan tegangan sumber isyarat c. impedansi keluaran sumber isyarat d. jenis tegangan sumber isyarat.

7. Penguat terintegrasi atau op-amp yang terpasang pada modus bersama memiliki impedansi masukan sebesar

a. sekitar 600  b. sekitar 2 k c. sekitar 1 M d. sekitar 1 G.

8. Penguat kolektor bersama disebut juga sebagai penguat penyangga, hal ini disebabkan karena

a. penguatannya kecil mendekati nol b. penguatannya kecil mendekati satu

c. penguatannya besar dan tergantung besarnya hfe

d. penguatannya sangat besar seperti penguatan op-amp

9. Besarnya impedansi keluaran dari kolektor bersama ditinjau dari hambatan basis besarnya

a. sama dengan rre

c.

 

1 1

d. paralel terhadap hambatan sumber isyarat

10. Untuk membentuk sumber tegangan isyarat diferensial bagi masukan modus diferensial suatu penguat dengan menggunakan op-amp yang berasal dari sumber tegangan tunggal dapat digunakan rangkaian

a. jembatan wheatstone b. penyesuai impedansi c. penyangga tegangan

IE = (1 + 300) IB = 1,4 mA

Gunakan rumus (3) dan (4) untuk mencari hie , yaitu

hie = rb + ( 1 +  )

E

I

25

hie = 300 + ( 1 + 300 )

4 , 1 25

= 5675  ~ 5,6 k

Ternyata RE << 56 k // 56 k // 40 k dan hie < RB21 = 10 k,

sehingga zi = hie + ( 1 + ) RE = 5,6 k + (1 + 300) 3,9 k = 1179,5 k ~1,18 M

Terlihat jika tidak ada bootstrap impedasi masukan hanya

38 k, sedangkan dengan bootstrap impedansinya menjadi 1,18 M. b. Reaktansi kapasitifnya adalah

XCB =

B

C 

1

= ₆

10 100 1000 2 1  x x x

 = 1,6 .

5). Mana yang lebih praktis dalam kenyataannya penggunaan transistor bipolar sebagai penguat awal dibandingkan dengan menggunakan op-amp dalam rangkaian terpadu, tunjukkan alasannya.

a. Penggunaan op-amp lebih praktis, karena sifat-sifat dasar op-amp sudah menunjukkan bahwa op-amp memiliki impedansi masukan tinggi dan impedansi keluaran rendah. Kualitas keluaran tentunya lebih baik karena rangkaian lebih terpadu. Namun dalam pembiayaan op-amp lebih mahal.

b. Penggunaan transistor bipolar harus menghitung secara saksama piranti pasif yang digunakan agar diperoleh impedansi masukan yang dikehendaki. Namun pebiayaan komponen relatif lebih murah. Kualitas keluaran tergantung cara pemasangan.

4.6. Latihan 1

1). Apa perbedaan penggunaan penguat basis bersama, emitor bersama dan kolektor bersama untuk keperluan penguat awal.

3). Suatu tabung hampa yang dipakai dalam efek foto listrik memiliki tegangan keluaran 0,1 V dan impedansi keluarannya 10 M. Menggunakan rangkaian penguat awal apakah agar tegangan keluaran tersebut dapat terdeteksi dengan lebih baik.

4). Tunjukkan perbedaan penguat awal kolektor bersama tanpa teknik bootstrap dan menggunakan teknik bootstrap.

5). Suatu termistor akan digunakan sebagai sensor suhu dengan menggunakan jembatan wheatstone karena akan diperkuat oleh penguat awal op-amp dengan modus diferensial. Jika pada suhu nol termistor memiliki resistansi 100  dan pada suhu 400 C termistor memiliki resistansi 116 . Tentukan beda potensial antara dua titik jembatan, jika tiga hambatan lain besarnya tetap 100 . Anggap sumber tegangannya 2 volt.

Jawaban Latihan 1

1). Perbedaan antara ketiga konfigurasi penguat pada masalah penguatan tegangan, impedansi masukan dan impedansi keluaran adalah sebagai berikut :

basis bersama emitor bersama kolektor bersama

Av Tinggi Tinggi Rendah

zi Rendah Sedang Tinggi

z0 Tinggi Sedang Rendah

2). Untuk penguat awal yang perlu diperhatikan adalah impedansi masukan. Seperti telah dibahas bersama bahwa antara impedansi keluaran dari piranti sumber isyarat yang akan diperkuat sebaik-baiknya tepat sama dengan impedansi masukan dari penguat awal. Hal itu dimaksudkan agar daya yang dilesapkan antara dua piranti tersebut maksimal.

3). Untuk memenuhi impedansi masukan sebesar itu dan memperkuat tegangan isyaratnya paling baik digunakan penguat awal op-amp.

4). Penguat awal tanpa menggunakan teknik bootstrap, impedansi masukan sangat ditentukan oleh besarnya hambatan masukan pada rangkaian basis RB seperti yang

ditunjukkan rumus (15) dan (16), yaitu

Rit adalah hambatan masukan transistor yang besarnya

(16) Rit =

b i

i v

= hie + (1 + hfe)( RE //

e

h₀

1

)

Sedangkan menggunaka teknik bootstrap RB lenyap dan impedansi masukan tergantung

dari Rit saja.

5). Kita gunakan gambar 6.12 untuk menyelesaikan soal ini. Misalkan titik C dianggap sebagai acuan, maka beda potensial antara titik D dan C atau VDC = 1 volt (dihitung

dengan prinsip pembagi tegangan). Demikian pula dapat dihitung VBC = 1,074 volt.

Tegangan diferensial adalah VBD = VBC– VDC = 1,074 volt - 1 volt = 0,074 volt.

4.7. Rangkuman

1). Semua konfigurasi transistor dwi kutub dapat digunakan sebagai penguat awal. 2). Pemilihan rangkaian tergantung pada impedansi keluaran sumber isyarat yang akan diperkuat, dengan patokan impedansi yang saling berhubungan diharapkan sama. 3). Apabila antara sumber isyarat dan penguat impedansi tidak sesuai dapat digunakan transformator penyesuai impedansi.

4). Peningkatan impedansi masukan pada penguat kolektor bersama dapat digunakan teknik pengangkat impedansi atau bootstrap.

5). Penguat kolektor bersama dapat berfungsi sebagai penyesuai impedansi dan disebut juga sebagai penguat penyangga karena penguatannya mendekati satu.

6). Untuk impedansi masukan yang sangat tinggi dapat digunakan rangkaian penguat terintegrasi yang intinya adalah penguat diferensial atau disebut juga penguat operasi (0p-amp).

7). Rangkaian jembatan wheatstone dapat digunakan sebagai rangkaian perantara untuk menciptakan masukan diferensial.

4.8. Tes Formatif 1

1. Rangkaian setara parameter-h mempunyai sifat a. untuk menyelesaikan besaran dc

b. untuk menyelesaikan besaran ac isyarat kecil

c. bagian masukan merupakan rangkaian setara Norton d. bagian keluaran merupakan rangkaian setara Thevenin

2. Rangkaian transistor dalam konfigurasi basis bersama dapat digunakan sebagai penguat awal yang memiliki impedansi masukan pada orde

a. sekitar ratusan ohm ( rendah) b. sekitar dua ribuan ohm (sedang) c. sekitar lima puluh kilo ohm (tinggi) d. sekitar satu mega ohm (sangat tinggi)

3. Rangkaian transistor dalam konfigurasi emitor bersama akan digunakan sebagai penguat awal mikrofon yang memiliki impedansi keluaran 50 k. Maka

a. mikrofon dapat langsung dipasang b. tegangan keluaran mikrofon tetap

c. tegangan keluaran diperkecil setengahnya d. perlu alat penyesuai impedansi

4. Suatu sumber isyarat memiliki tegangan keluaran 0,1 mV dan impedansi keluaran 1 M. Agar sistem ini memiliki tegangan keluaran kira-kira tetap dan impedansi keluarannya menjadi sangat rendah diperlukan penguat jenis

a. basis bersama dengan transformator input b. emitor bersama dengan transformator input c. kolektor bersama tanpa teknik bootsrap d. kolektor bersama dengan teknik bootstrap

5. Suatu sumber isyarat memiliki tegangan keluaran 1 mV dan impedansi keluarannya 600 W dipasang pada suatu penguat yang impedansi masukannya juga 600 . Maka tegangan masukan yang akan diterima oleh penguat sebesar

a. 0,0016 mV b. 0,5 mV c. 1 mV d. 2 mV

6. Impedansi keluaran dari penguat terangkai kolektor bersama, selain tergantung pada parameter yang ada pada transistor juga tergantung pada

a. tegangan sumber isyarat

b. penurunan tegangan sumber isyarat c. impedansi keluaran sumber isyarat d. jenis tegangan sumber isyarat.

7. Penguat terintegrasi atau op-amp yang terpasang pada modus bersama memiliki impedansi masukan sebesar

a. sekitar 600  b. sekitar 2 k c. sekitar 1 M d. sekitar 1 G.

8. Penguat kolektor bersama disebut juga sebagai penguat penyangga, hal ini disebabkan karena

a. penguatannya kecil mendekati nol b. penguatannya kecil mendekati satu

c. penguatannya besar dan tergantung besarnya hfe

d. penguatannya sangat besar seperti penguatan op-amp

9. Besarnya impedansi keluaran dari kolektor bersama ditinjau dari hambatan basis besarnya

a. sama dengan rre

c.

 

1 1

d. paralel terhadap hambatan sumber isyarat

10. Untuk membentuk sumber tegangan isyarat diferensial bagi masukan modus diferensial suatu penguat dengan menggunakan op-amp yang berasal dari sumber tegangan tunggal dapat digunakan rangkaian

a. jembatan wheatstone b. penyesuai impedansi c. penyangga tegangan