Modul 12. Dasar Teknik Elektro - Mismail Budiono

12 Penguat Elektronika

nam tahun setelah penemuan audion oleh Lee De Forest, baru pada tahun 1913 Edwin Howard Armstrong (1890 – 1954), seorang insinyur listrik Amerika Serikat, membuat rangkaian regeneratif yang memberikan

penguatan seratus kali lebih besar ketimbang penguat De Forest. Armstrong juga mendapatkan bahwa bila rangkaiannya itu disetel untuk penguatan maksimum, rangkaian tersebut berubah fungsi dari penguat menjadi osilasi-sendiri; menjadi generator sinyal frekuensi radio.

EPerkembangan tabung elektron dan rangkaian penguat memungkinkan saluran telepon jarak jauh, dan pada tahun 1915 Alexander Graham Bell (1847 – 1922) melakukan panggilan telepon antar benua yang pertama. Tahun 1921 Perusahaan Bell Telephone mulai melakukan percobaan dengan kawat terbuka sepanjang 1600 km dengan menggunakan pembawa frekuensi tinggi yang dimodulasi oleh sinyal suara, tetapi karena ketaklinearan tabung elektron, derau yang timbul sangat tinggi.

Dua penggunaan utama peralatan elektronika adalah dalam bidang penguatan dan pengalihan sinyal. Dengan menggunakan karakteristik peralatan kutub empat dan model-model linear yang telah dikembangkan dalam Bab Sebelas,

bab ini akan membahas analisis dan perancangan penguat elektronika praktis. Penggunaan peralatan elektronika untuk pengalihan (switching), akan dibahas dalam dua bab setelah ini.

Suatu penguat pada dasarnya adalah peralatan elektronika yang menerima sinyal masukan pada sepasang kutub masukannya dan memberikan sinyal keluaran pada kutub keluarannya. Sinyal pada kutub keluaran itu lebih besar nilainya ketimbang yang masuk ke kutub masukannya.

Rancangan penguat elektronika yang memenuhi spesifikasi unjuk kerja, berat, dan sesuai dengan biaya yang telah ditetapkan memerlukan pengetahuan, pertimbangan dan pengalaman. Sarjana teknik listrik akan mendapatkan pengetahuan dan pertimbangan yang lebih rinci setelah ia bekerja dan berpengalaman dalam praktik.

Tujuan bab ini adalah memperkenalkan berberapa jenis penguat, membahas faktor-faktor yang mempengaruhi unjuk kerja penguat, memberikan pengantar

Budiono Mismail Bab Dua Belas 340

Gambar 12. 1 Armstrongen.wikipedia.org

analisis dasar, dan pengantar cara-cara merancang penguat sederhana dan meramalkan perilakunya. Pendekatan yang digunakan di sini adalah memeriksa pertimbangan-pertimbangan praktik kerja penguat dan merancang rangkaian yang akan memberikan kerja yang diharapkan, selanjutnya menganalisis unjuk kerja penguat daya dan penguat sinyal kecil, dan akhirnya menguraikan beberapa jenis penguat yang penting. Penguat yang menggunakan tabung elektron tidak lagi dibahas dalam bab ini. Pembahasan lebih ditekankan pada penguat yang menggunakan komponen aktif semikonduktor.

Setelah menyelesaikan bab ini, pembaca diharapkan dapat:

mengenal beberapa kelas penguat; mengenal macam penguat praktis dan karakteristiknya; mengenal tanggapan frekuensi penguat.

12.1 Macam-Macam Penguat

Secara umum, suatu penguat adalah peralatan yang menggunakan tenaga yang kecil untuk mengendalikan tenaga yang lebih besar. Ada beberapa cara untuk mengungkapkan penguat. Penguat satu-tingkat terdiri atas satu unsur penguat dan rangkaian pendukungnya. Secara umum, bila beberapa unsur-unsur semacam itu digabungkan akan didapatkan penguat banyak-tingkat.

Dalam suatu sistem reproduksi suara, tahapan pertama adalah penguat tegangan (atau arus) sinyal-kecil yang dirancang menguatkan keluaran dari pembaca sinar laser yang merupakan keluaran DVD-player antara beberapa milivolt menjadi beberapa volt. Tahapan akhir merupakan penguat sinyal besar atau penguat daya (power amplifier) dan memberikan daya yang cukup untuk menggerakkan pengeras suara (loudspeaker) Penguat semacam itu disebut penguat audio (audio amplifier) jika menguatkan sinyal antara kurang lebih 20 Hz sampai dengan 20 kHz. Dalam mengukur getaran, variasi suhu atau arus listrik yang ditimbulkan oleh badan manusia, dijumpai sinyal-sinyal dengan frekuensi yang sangat rendah antara nol sampai beberapa hertz, digunakan penguat gandengan-langsung (direct-coupled).

Sebaliknya, penguat video dalam penerima televisi harus menguatkan sinyal gambar dari 30 Hz sampai 4 MHz. Suatu penguat video adalah penguat jalur lebar yang dengan penguatan yang sama untuk setiap frekuensi dalam kawasan frekuensi yang sangat lebar. Suatu penguat frekuensi radio khas untuk jalur pemancar FM (sekitar 100 MHz) ditala untuk memilih dan menguatkan sinyal dari satu stasiun pemancar dan menolak sinyal-sinyal yang lain.

Rangkaian penguat umumnya digolongkan dalam kelas-kelas, Kelas A, B, AB, dan C untuk rancangan analog, Kelas D dan E untuk rancangan pengalih (switching). Di samping itu masih ada kelas E/F untuk penguat daya pengalih efisiensi tinggi yang bekerja untuk gelombang segi empat.

Penguat Kelas A menguatkan seluruh daur masukan sehingga keluarannya merupakan salinan asli yang diperbesar amplitudonya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12.2. Penguat kelas ini umumnya digunakan sebagai penguat sinyal kecil. Penguat jenis ini tidak terlalu efisien, dengan efisiensi maksimum 50%. Bila digunakan untuk sinyal-sinyal kecil, rugi-rugi daya yang terjadi juga kecil sehingga dapat diterima. Dalam penguat Kelas A, unsur penguatnya diberi prategangan sedemikian sehingga rangkaian itu selalu menghantar dan


dioperasikan pada bagian yang linear pada lengkungan karakteristik penguat.

Karena peralatan itu selalu menghantar meskipun tidak ada masukan, terdapat daya yang terbuang, dan hal itulah yang menyebabkan efisiensinya rendah.

Pencinta audio (audiophile) percaya bahwa penguat audio Kelas A memberikan mutu suara yang tinggi karena bekerja pada kawasan linear dan lebih menyukai menggunakan tabung elektron ketimbang transistor.

Penguat Kelas B hanya menggunakan setengah daur gelombang masukan, sehingga menimbulkan cacat yang sangat besar tetapi mempunyai efisiensi yang lebih tinggi ketimbang penguat Kelas A. Penguat Kelas B mempunyai efisiensi maksimum sekitar 75% karena pada setengah daur berikutnya penguat ini tidak bekerja sehingga tidak menggunakan daya sama sekali pada saat itu. Penguat Kelas B tunggal jarang dipergunakan dalam praktik, meskipun dapat dimanfaatkan sebagai penguat daya frekuensi radio (RF) yang tidak terlalu memperhatikan cacat yang timbul.

Rangkaian penguat praktis yang menggunakan unsur Kelas B adalah pasangan saling melengkapi yang dikenal sebagai penguat tekan-tarik (push-pull). Di sini masing-masing unsur memperkuat setengah gelombang masukan yang berlawanan dan digabungkan kembali pada keluarannya. Gabungan itu memberikan efisiensi yang sangat baik tetapi mempunyai kelemahan pada bagian sambungan antara dua setengah gelombang yang berlawanan tersebut, yang disebut sebagai cacat sambungan (crossover distortion).

Untuk mengatasi cacat sambungan itu adalah dengan memberikan prategangan pada saat unsur penguat itu mulai bekerja ketimbang mematikannya sama sekali pada saat tidak digunakan. Operasi semacam itu disebut operasi Kelas AB.


Gambar 12. 2 Penguat Kelas A

Gambar 12. 3 Penguat Kelas B

Gambar 12. 4 Penguat Kelas B tekan-tarik

Masing-masing bagian bekerja pada bagian tak-linear juga di samping setengah gelombangnya pada bagian linear. Rangkaian semacam itu berperilaku sebagai Kelas A dalam kawasan bila keduanya berada dalam bagian linear, tetapi tidak dapat dikatakan sebagai Kelas A jika sinyal melewati di luar kawasan tersebut, karena di luar itu hanya satu unsur yang tetap berada dalam kawasan linear sedangkan yang lain bekerja seperti layaknya Kelas B. Dengan gabungan keduanya itu cacat sambungan dapat diperkecil atau dihilangkan sama sekali.

Perlu diperhatikan bahwa efisien penguat Kelas AB lebih besar ketimbang Kelas A, tetapi lebih kecil bila dibandingkan dengan Kelas B.

Rangkaian penguat Kelas B atau AB push-pull merupakan bentuk rancangan yang umum dipakai dalam penguat audio. Kelas AB dipandang sebagai kompromi untuk penguat audio karena banyak waktu dalam musik cukup hening sehingga sinyal banyak berada dalam kawasan ‘Kelas A’ yang dapat memberikan mutu yang sesuai dengan aslinya. Penguat Kelas B dan AB tersebut juga dapat digunakan untuk penguat RF linear.

Penguat kelas C menghantar kurang dari 50% sinyal masukan dan cacat keluarannya tinggi, tetapi efisiensinya dapat mencapai 90%. Beberapa pemakaian dapat memaafkan cacat tersebut, misalnya pada megafon (megaphone – penguat corong yang dipegang tangan).

Penggunaan umum untuk penguat Kelas C ini adalah dalam pemancar RF di situ cacat yang terjadi dapat sangat dikurangi dengan menggunakan beban yang ditala pada frekuensi tertentu. Sinyal masukan itu digunakan untuk mengalihkan penguat tersebut dari keadaan hidup ke mati dan sebaliknya, yang menimbulkan pulsa arus yang mengalir melalui rangkaian tertala tersebut. Rangkaian tertala itu hanya beesonansi pada frekuensi tertentu sehingga frekuensi-frekuensi yang tidak diinginkan dapat sangat diredam dan sinyal frekuensi yang diinginkan (berbentuk sinusoisa) dapat diterima oleh beban yang ditala untuk frekuensi itu. Asalkan pemancar itu tidak memancar dengan bidang frekuensi yang luas, susunan semacam itu bekerja dengan baik dan harmonisa-harmonisa yang lain dapat dihilangkan dengan menggunakan penyaring.

Di samping itu masih ada beberapa kelas penguat yang umum digunakan sebagai saklar. Penguat Kelas D merupakan penguat daya yang bekerja secara hidup/mati. Generator pulsa merupakan peralatan yang memanfaatkan keluaran penguat semacam itu. Umumnya penguat ini digunakan untuk menghasilkan sinyal dengan lebar jalur frekuensi sangat di bawah frekuensi pengalihannya. Keluaran penguat ini juga mengandung komponen spektrum yang tidak dikehendaki (harmonisa frekuensi pulsa) yang harus diredam dengan penyaring pasif.


Gambar 12. 5 Penguat Kelas C

Gambar 12.7 Cacat amplitudo

Keunggulan utama penguat Kelas D ini adalah efisiensi dayanya. Karena pulsa keluarannya mempunyai amplitudo yang tetap, unsur pengalihnya (umumnya berupa MOSFET) hanya dioperasikan hidup atau mati sehingga hanya sedikit daya yang dipakai selama operasi itu.

Penguat Kelas D banyak dipakai untuk mengendalikan motor, khususnya motor arus searah, tetapi sekarang mulai sudah digunakan sebagai penguat audio.

Penguat Kelas E dan Kelas F merupakan penguat daya pengalih efisiensi tinggi, umumnya digunakan dalam frekuensi tinggi.

Perlu diperhatikan bahwa huruf D tidak menyatakan digital, tetapi merupakan kelanjutan abjad setelah C. Penguat Kelas D dan E/F sering dianggap sebagai ‘digital’ karena bentuk gelombang keluarannya serupa dengan deretan pulsa.

12.2 Penguat Praktis

Secara umum penguat dicirikan oleh beberapa karakteristik, di antaranya adalah penguatan (gain), cacat, dan tanggapan frekuensi.

Perlu diketahui bahwa sinyal-sinyal yang akan dikuatkan hampir tidak pernah berupa sinusoida murni. Ahli matematika Perancis, Jean-Baptise Joseph Fourier (1768 – 1830), telah membuktikan bahwa setiap fungsi berulang sebarang dapat diwakili oleh suatu deret sinusoida takhingga dengan frekuensi n0

(kelipatan bulat frekuensi dasar 0 dengan n = 1 sampai ).

Untuk sinyal sinusoida atau komponen sinusoida pada sinyal berulang, penguatan tegangannya adalah

(12.1)


Gambar 12. 6 Fourieren.wikipedia.org

Gambar 12.8 Lengkungan tanggapan frekuensi

Dengan AV adalah perbandingan kompleks antara fasor keluaran Vo dan fasor masukan Vi. Dalam suatu penguat linear A dan tak tergantung kepada amplitudo dan frekuensi sinyal, dan sinyal keluarannya merupakan tiruan sinyal masukannya.

Jika terdapat cacat dalam suatu penguat, keluarannya bukan merupakan tiruan masukannya. Dalam Gambar 12.7, keluaran tidak sebanding dengan masukan dan terdapat cacat tak-linear atau cacat amplitudo. Dengan kata lain, A bukan merupakan konstanta sederhana. Sebagai akibat adanya cacat amplitudo, akan terdapat komponen-komponen frekuensi pada keluaran yang tidak dimiliki oleh masukannya. Analisis Fourier pada keluaran memberikan adanya harmonisa kedua, suatu komponen dengan frekuensi dua kali frekuensi dasar sinyal masukannya. Cacat amplitudo biasanya terjadi bila sinyal terlalu besar diberikan ke unsur tak linear seperti misalnya tabung elektron atau transistor.

Cacat yang lain adalah disebabkan oleh derau (noise), sinyal acak yang tidak ada hubungannya dengan sinyal masukan. Jika sinyal masukan terlalu kecil, keluaran akan terutama terdiri atas derau dan bukan merupakan tiruan sinyal masukan. ‘Semut’ yang tampak di layar pesawat penerima televisi pada saat menerima sinyal yang sangat lemah merupakan tampilan derau yang kasat mata. Salah satu sumber derau adalah gerakan termal acak elektron dalam unsur-unsur rangkaian penguat. Derau merupakan masalah penting dalam tahapan masukan dengan tingkat sinyal yang rendah. Setiap derau yang timbul diperkuat oleh semua tingkat. Rentang dinamik (dynamic range) setiap penguat dibatasi di salah satu sisi oleh tingkat sinyal yang dikalahkan oleh derau dan di sisi lain oleh tingkat yang menyebabkan cacat amplitudo menjadi berlebihan.

Dalam Gambar 12.8, lengkungan tanggapan frekuensi suatu penguat audio menunjukkan bahwa di situ ada cacat frekuensi, tidak semua frekuensi (dalam jalur terbatas) diperkuat secara sama. Dengan kata lain, penguatan A dalam Persamaan (12.1) merupakan fungsi frekuensi. Suatu sinyal yang terdiri atas satu frekuensi dasar sebesar 1 kHz, satu harmonisa kesepuluhnya sebesar 10 kHz, dan harmonisa keseratusnya pada 100 kHz akan mempunyai bentuk gelombang yang berlainan setelah mengalami penguatan. Tidak ada penguat yang bebas dari cacat frekuensi.

Jika merupakan fungsi frekuensi, amplitudo relatif komponen-komponen

sinyalnya mungkin tidak berubah tetapi kedudukan fasa komponen-komponen itu


Gambar 12.9 Cacat fasa

tergeser. Seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 12.9, cacat fasa itu mengubah bentuk gelombang pada keluarannya. Mata manusia peka terhadap perubahan semacam itu tetapi telinga tidak. Pendengaran orang tidak akan dapat membedakan antara kedua gelombang tersebut, tetapi telinga lebih peka terhadap cacat amplitudo atau frekuensi.

Cacat amplitudo dan cacat frekuensi adalah disebabkan oleh unsur-unsur rangkaian penyimpan tenaga, reaktansi kapasitif dan reaktansi induktif, yang tergantung kepada frekuensi. Beberapa parameter tabung elektron dan transistor juga tergantung kepada frekuensi. Dalam rancangan penguat tanpa tala atau penguat jalur lebar, langkah-langkah khusus perlu dilakukan untuk mengurangi variasi penguatannya terhadap frekuensi.

Untuk sinyal-sinyal kecil dengan frekuensi menengah, penguatan tegangan dan arus dapat dihitung dengan menggunakan model-model arus bolak-balik linear seperti yang telah diuraikan dalam Bab Sebelas. Model-model tersebut mengandaikan bahwa transistor itu bekerja pada titik kerja yang sesuai dan tetap serta berbagai persyaratan praktisnya telah terpenuhi. Beberapa pertimbangan praktis dalam rancangan penguat transistor dilukiskan dalam penguat audio dua tingkat yang disederhanakan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12.10.

Transistor itu dipertahankan pada titik kerja yang sesuai dengan catu daya arus searah dan rangkaian prategangannya. Dalam unit jinjing (portable) digunakan baterai, tetapi untuk yang lain menggunakan jala-jala 50 hertz yang disearahkan dan disaring guna memberikan catu arus searah yang diperlukan. Dalam Gambar 12.10, baterai VCC memberikan tegangan kolektor ke transistor TR1 dan TR2 dan,

melalui resistor RB dan RD, arus bias basis. Dapat digunakan pembagi tegangan bila diperlukan beberapa prategangan yang berlainan.

Tujuan pemberian prategangan adalah menetapkan titik kerja yang benar dan mempertahankannya meskipun timbul variasi sebagai akibat dari suhu kamar dan variasi masing-masing transistor dengan jenis yang sama. Di samping itu adalah


Gambar 12.10 Penguat dua tingkat yang disederhanakan

agar unjuk kerja rangkaian yang diinginkan tidak berkurang. Masalah pemberian prategangan ini cukup sukar karena hal-hal berikut ini.

1. Hubungan yang rumit antara masing-masing variabel pada transistor;2. Variasi yang besar dalam parameter transistor dengan jenis yang sama

sebagai akibat produksi massal transistor;3. Sifat kepekaan semikonduktor terhadap suhu.

Karena pentingnya hal itu, telah banyak perhatian ditujukan untuk mengatasi masalah tersebut dan berbagai macam rangkaian telah diciptakan untuk itu.

Tegangan yang ditimbulkan oleh keluaran sensor perangkat DVD digandengkan ke transistor TR1 oleh gabungan RVC dan CC. Resistor variabel RVC memberikan pengaturan keras suara melalui rangkaian pembagi tegangan. Transistor TR1

digandengkan ke tahap kedua melalui resistor kolektor RC dan kapasitor gandengan CC. Rangkaian gandengan RC itu memberikan sinyal keluaran yang diperlukan di antara RC dan meneruskannya ke masukan tahap berikutnya, tetapi tegangan dan arus searah yang ada di situ ditahan oleh CC.

Pengeras suara digandengkan ke TR2 melalui transformator T. Gandengan transformator lebih mahal ketimbang gandengan RC, tetapi lebih efisien dan memungkinkan penyepadanan guna penyaluran daya yang lebih baik. Gabungan RD dan CD merupakan penyaring pelepas (decoupling filter) guna mencegah umpan balik sinyal yang dikuatkan ke masukan pada tahap yang lebih rendah. Umpan balik semacam itu dapat terjadi bila baterai yang sama digunakan untuk mencatu beberapa tahapan mulai menjadi tua dan menimbulkan resistansi dalam baterai yang cukup besar.

Jika dimungkinkan, impedansi beban suatu penguat tanpa tala dibuat sepenuhnya berupa resistansi murni untuk mengurangi variasi penguatan terhadap frekuensi. Dalam penguat tertala, impedansi keluarannya berupa suatu rangkaian resonansi paralel. Untuk penguat tegangan, nilai RL yang besar lebih diinginkan, tetapi RL

yang besar memerlukan tegangan catu yang besar pula, sehingga nilai yang dipilih merupakan kompromi antara keduanya.

Bila beberapa tahapan penguat dihubungkan secara bertingkat (cascade), karakteristik keluaran salah satu tingkatnya akan dipengaruhi oleh karakteristik masukan tahap berikutnya. Untuk sinyal-sinyal arus bolak-balik, resistansi beban TR1 merupakan hubungan simpang (shunt) oleh adanya resistansi bias RB dan juga oleh resistansi masukan TR2. Resistansi beban efektif yang digunakan untuk menghitung penguatan tahap pertama adalah gabungan ketiga resistansi tersebut. Sebenarnya impedansi masukan yang diinginkan untuk setiap tahapan penguat adalah setinggi mungkin sehingga mengurangi ‘pembebanan’ tahap berikutnya, dan impedansi keluaran harus rendah untuk memberikan penyaluran daya yang efisien.

Gambar 12.10 adalah diagram hubungan dan menunjukkan komponen-komponen, bukan unsur-unsur rangkaian. Sepotong penghantar, betapa pun pendeknya, dapat menyimpan tenaga kecil dalam bentuk medan magnet atau medan listrik (antara penghantar dengan tanah atau chassis logam). Pengaruh medan magnet hanya patut diperhitungkan untuk frekuensi-frekuensi sangat tinggi dan diabaikan di sini, pengaruh medan listrik dapat diwakili oleh kapasitansi kawat.


Dengan cara yang sama, tenaga yang tersimpan karena perbedaan potensial antara elektrode dalam tabung elektron atau antara gerbang dan sumber dalam MOSFET dapat diwakili dengan kapasitansi setaranya. Pada sambungan transistor dalam bahasan ini terdapat pemisahan muatan dan perbedaan potensial antara kawasan transisi. Perubahan potensial sambungan akan menyebabkan perubahan distribusi muatan (q = Cv) dan pengaruh ini diwakili oleh kapasitansi sambungan Cj.

Transistor bipolar mempunyai pengaruh penyimpan muatan tertentu. Dalam keadaan setimbang, basis harus netral secara listrik. Sebagian muatan dari pembawa mayoritas (lubang dalam transistor pnp) yang merembes dari emiter ke basis dinetralkan oleh pembawa minoritas (elektron untuk transistor pnp) dari hubungan basis. Perubahan pada potensial emiter-basis menyebabkan penyaluran muatan ke dalam atau ke luar basis, dan pengaruh itu diwakili oleh kapasitansi rembesan Cd. Model rangkaian yang digunakan untuk menganalisis unjuk kerja penguat harus mengikutsertakan unsur-unsur tak sengaja tersebut sehingga rangkaiannya sangat berbeda dengan yang ditunjukkan oleh Gambar 12.6.

12.3 Tanggapan Frekuensi Penguat Sinyal Kecil

Dalam penguat sinyal kecil, sinyal-sinyal masukannya kecil bila dibandingkan dengan bias arus searah dan kisaran keluaran hasilnya kecil ketimbang nilai-nilai kerja tegangan dan arusnya. Dalam kerja sinyal kecil, pemberian prategangan tidak terlalu menentukan dan cacat amplitudo dengan mudah dapat dihindari. Meskipun dimungkinkan untuk melakukan analisis secara grafik, model-model linear yang telah dikembangkan dalam Bab Sebelas lebih memudahkan untuk dipakai.

Telah digunakan model-model linear untuk meramalkan unjuk kerja penguat satu tingkat pada frekuensi menengah. Selanjutnya akan ditinjau pengaruh penggabungan beberapa tingkat dan diselidiki penguatan penguat tanpa tala sebagai fungsi frekuensi. Tabung elektron dan transistor dengan gandengan RC merupakan rangkaian yang paling banyak dipakai untuk penguatan sinyal kecil dalam rentang frekuensi dari beberapa hertz sampai beberapa megahertz.


Gambar 12.11 Tanggapan frekuensi suatu penguat satu tahap gandengan RC

Meskipun tabung elektron dan transistor bekerja dengan prinsip fisika yang berbeda, perilaku luarnya serupa dan pendekatan yang sama dapat digunakan dalam meramalkan tanggapan frekuensinya.

Setiap tahap suatu penguat bertahap terdiri atas suatu jala-jala kutub-empat, rangkaian prategangan, dan rangkaian gandengan. Umumnya, keluaran suatu transistor digandengkan dengan tahap berikutnya melalui suatu resistor beban (R) dan suatu kapasitor gandengan (C).

Penguatan tegangan pada satu tahap pada suatu penguat gandengan RC ditunjukkan pada Gambar 12.12. Penguatan itu relatif konstan sepanjang kawasan frekuensi menengah (midfrequency range), tetapi sangat menurun pada frekuensi-frekuensi rendah dan frekuensi-frekuensi tinggi. Dalam penguat yang umum, lengkungan tanggapan frekuensi adalah simetri jika frekuensi itu dilukis pada skala logaritma seperti yang ditunjukkan pada gambar itu. Lebar jalur dibatasi oleh frekuensi-frekuensi potong atas dan bawah f1 dan f2 tepat seperti pada tanggapan frekuensi suatu rangkaian resonansi. Pada frekuensi-frekuensi daya-setengah, tanggapannya adalah 70,7% penguatan pada frekuensi menengah,

atau dengan sudut fasa = 45.

Pengaruh perubahan rangkaian pada tanggapan frekuensi dapat ditentukan secara percobaan atau diramalkan berdasarkan pembahasan sebelum ini. Jika nilai resistansi beban dalam rangkaian penguat itu diperbesar, seluruh lengkungan penguatan akan meningkat. Dalam penguat dasar seperti pada Gambar 10.23 atau 10.28, tegangan keluarannya sebanding dengan resistansi beban (RL). Jika CK

dilepaskan, seluruh lengkungan itu akan menurun.

Secara umum, suatu rangkaian penguat dapat dilukiskan seperti pada Gambar 12.12. Sinyal masukannya dapat berasal dari suatu ‘sumber,’ yang dapat berupa sinyal dari sensor DVD atau keluaran penguat tahapan sebelumnya dan dinyatakan sebagai suatu sumber tegangan Vs dan impedansi setara Thévenin Zs. Sinyal masukan itu terdiri atas sinusoida dengan berbagai amplitudo dan frekuensi, sehingga variabel itu dinyatakan sebagai fasor dengan nilai efektif. Penguat satu tahap itu dicirikan oleh impedansi masukan dan keluaran Zi dan Zo

serta suatu sumber tak bebas yang dikendalikan oleh tegangan atau arus masukan. Penguatan penguat itu adalah seperti yang diberikan oleh Persamaan (12.1), yaitu

dengan A merupakan suatu fungsi frekuensi kompleks. Beban penguat itu

dapat berupa suatu transduser atau penguat pada tahap berikutnya. Bila


Gambar 12.12 Rangkaian penguat satu tahap umum

komponen-komponen sinyal masukan dan karakteristik sumber dan beban diketahui, dapat diramalkan keluarannya jika diketahui pula tanggapan frekuensi penguat tersebut.

Rangkaian penguat sinyal kecil khas ditunjukkan pada Gambar 12.13. Rangkaian yang ditunjukkan itu menggunakan FET sebagai komponen aktifnya, yang tentu saja – dengan sedikit penyesuaian – dapat dengan mudah menggantikan FET itu dengan BJT atau pentode bila diperlukan.

Rangkaian tersebut adalah rangkaian penguat gandengan RC karena kapasitor gandengan CC1 dan CC2 serta resistornya yang terkait. Selanjutnya rangkaian yang cukup rumit itu digantikan oleh model linear yang akan menanggapi sinyal bolak-balik. Dengan mengandaikan bahwa transistor itu bekerja pada titik kerja yang sesuai, maka tegangan dan prategangan yang ada tidak perlu diperhatikan lagi. Resistor prategangan RS dan RE diandaikan telah dipintas (bypass) oleh kapasitor CS dan CE sehingga tidak digambarkan dalam model pada Gambar 12.14. Karena baterai merupakan hubung singkat bagi sinyal bolak-balik, kutub atas RD atau RC

ditanahkan melalui baterai. Dipandang dari sinyal masukan, R1 dan R2 merupakan hubungan paralel dan digantikan oleh RG. Semua baterai dihilangkan.

Di samping itu, unsur-unsur yang tidak ada dalam diagram rangkaian, seperti kapasitansi kawat (Cw) dapat ditunjukkan dalam model penguat itu. Dengan


Gambar 12.13 Penguat FET gandengan RC satu tingkat

Gambar 12.14 Model linear penguat FET gandengan RC

mengacu kepada keadaan dalam praktik umumnya, impedansi sumber dapat digantikan oleh Rs dan beban digantikan oleh RL dan CL dalam hubungan paralel.

Model yang digunakan di sini adalah model yang telah dikembangkan dalam Bab 10 dengan memperhitungkan kapasitansi yang terdapat dalam komponen aktifnya. Dalam hal ini, untuk FET, Cgs dan Cgd adalah kapasitansi gerbang-sumber dan kapasitansi gerbang-pembuang serta gm adalah transkonduktansi. Dalam hal ini rd

dihilangkan karena biasanya rd >> RD.

Penentuan nilai masing-masing unsur dalam Gambar 12.14 tidak mudah, nilai-nilai khas tergantung kepada faktor-faktor seperti tegangan atau arus kerja, suhu kerja, karakteristik tahap selanjutnya, dan konsigurasi rangkaian fisiknya. Dalam pembahasan di sini yang ditekankan adalah rangkaian yang rumit itu dapat digantikan, sejauh untuk sinyal-sinyal kecil, dengan suatu model linear dan selanjutnya dapat dianalisis dengan cara-cara yang berlaku untuk rangkaian linear itu. Untuk BJT, hal yang sama juga berlaku karena bentuknya juga serupa hanya parameternya yang berbeda.

Model linear itu berlaku cukup baik untuk frekuensi dari beberapa hertz sampai beberapa megahertz. Memang dimungkinkan untuk melakukan analisis umum bagi rangkaian-rangkaian itu sebagaimana adanya, tetapi lebih memudahkan, dan lebih mendidik untuk meninjau pendekatan dengan penyederhanaan. Gambar 12.15 menunjukkan bahwa rangkaian seri dan paralel resistansi R dan kapasitansi C adalah

(12.2)

Tampak bahwa dalam Persamaan (12.2) itu bahwa jika CR 10, Zser R dalam 0,5%. Juga jika CR 0,1, Zpar R dalam 0,5%. Bila persyaratan itu dipenuhi, impedansinya adalah resistif murni dan tidak bergantung kepada frekuensi.

Kenyataan bahwa penguatan tak tergantung kepada frekuensi sepanjang frekuensi menengah, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 12.11, menunjukkan bahwa ada suatu kawasan frekuensi yang memungkinkan untuk mengabaikan pengaruh kapasitansi. Hal itu berlaku untuk penguat yang sesungguhnya dan menuntun ke suatu kesimpulan penting. Karena C meningkat dengan kenaikan frekuensi, kapasitansi seri hanya penting untuk frekuensi di bawah frekuensi menengah dan kapasitansi paralel menjadi penting untuk frekuensi di atas frekuensi menengah.

Hal itu berarti bahwa tanggapan frekuensi penguat RC dapat dibagi menjadi tiga


Gambar 12.15 Impedansi kombinasi RC

kawasan. Dalam rentang frekuensi menengah kapasitansi dapat diabaikan. Dalam kawasan frekuensi rendah, kapasitansi CC harus diperhitungkan. Dalam kawasan frekuensi tinggi, kapasitansi paralel harus diperhitungkan.

Untuk frekuensi sekitar = 104 rads–1 (f 1500 Hz), kapasitansi dapat diabaikan dan model rangkaian linear pada Gambar 12.14 dapat digantikan dengan rangkaian resistif murni seperti pada Gambar 12.16. Karena RG >> Rs, Vgs

= Vs dan RG umumnya dapat diabaikan. Selanjutnya, resistansi paralel pada ruas kanan (RD dan RL) dapat digabungkan menjadi resistansi setara Ro dan tegangan keluarannya adalah

(12.3)

Penguatan tegangan frekuensi menengahnya adalah

(12.4)

Contoh 12.1

Suatu JFET dengan gm = 2000 S, Cgs = 20 pF, dan Cgd = 2 pF digunakan dalam penguat gandengan RC, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 12.13, dengan RG = 1 M, RS = 2 k, dan RD = 5 k. Resistansi sumber sinyal Rs = 1 k dan resistansi beban RL = 5 k. Kapasitansi gandengan CC1 = CC2 = 1 F dan Cgs = 20 F. Kapasitansi beban, termasuk juga kapasitansi perkawatan, CL = 20 pF. Ramalkan penguatan tegangan pada = 104 rads-1.

Jawab

Frekuensi kerja rangkaian itu adalah

= 1590 Hz

dan pada frekuensi itu, impedansi kapasitansi Cs adalah

= 5

Oleh karenanya, RS = 2000 secara efektif dihubung singkat impedansi 5 itu dan rangkaian setaranya telah diberikan oleh Gambar 12.14.

Karena CC1 dalam hubungan seri dengan RG yang besarnya 1 M, dan CC2 dengan RL yang besarnya 5 k, impedansi kapasitansi gandeng itu masing-masing besarnya adalah


Gambar 12.16 Model penguat frekuensi menengah

= 100

praktis dapat diabaikan karena sangat kecil bila dibandingkan dengan resistansi yang terhubung seri dengannya.

Dengan CC1 dan CC2 yang diabaikan, reaktansi CL merupakan hubungan paralel dengan RL dan RD; dan Cgs dalam hubungan seri dengan Rs. RL dan RD dapat diwakili oleh resistansi setaranya Ro. Reaktansi kapasitansi-kapasitansi itu

= 5 M

sangat besar sehingga CL dan Cgs dapat diabaikan.

Reaktansi

= 50 M

Sangat besar sehingga dipandang tidak ada arus yang mengalir melalui Cgd.

Frekuensi 1590 Hz itu merupakan kawasan frekuensi menengah penguat tersebut dan model yang diberikan pada Gambar 12.16 cukup mewakili. Nilai Ro dapat dihitung sebagai,

dan, menurut Persamaan (12.32),

Di bawah frekuensi menengah, suseptansi kapasitansi paralel dapat diabaikan karena kecilnya, tetapi reaktansi kapasitor gandengan CC menjadi lebih penting, sehingga bentuk umum pada Gambar 12.14 dapat disederhankan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12.17 dan pada rangkaian tersebut RG dipertahankan karena cukup berarti.


Gambar 12.17 Model penguat frekuensi rendah

Rangkaian masukan dan keluarannya itu merupakan penyaring pelewat tinggi, yaitu rangkaian yang hanya melewatkan frekuensi-frekuensi tinggi dan menahan frekuensi-frekuensi di bawahnya. Rangkaian umum filter pelewat tinggi itu ditunjukkan pada Gambar 12.18a yang dapat diwakili oleh bentuk Thévenin (b) sebagai rangkaian masukan atau bentuk Norton (c) sebagai rangkaian keluaran. Untuk frekuensi menengah dengan CC seakan-akan dihubung singkat, keluaran rangkaian Thévenin adalah

(12.5)

Pada frekuensi rendah dengan CC yang cukup berarti, keluaran rangkaian Thévenin itu adalah

(12.6)

Jadi, keluaran tegangan frekuensi rendah VL kedua rangkaian penyaring tersebut bergantung kepada keluaran tegangan menengah Vo, faktor kompleks yang bergantung kepada frekuensi, dan suatu hasil kali RC. Pada saat frekuensi berkurang, lebih besar tegangan VT yang muncul di antara CC sehingga V pada keluaran akan berkurang

Frekuensi potong atau frekuensi setengah daya yaitu pada saat

didefinisikan oleh

(12.7)

Dengan mengacu kepada Gambar 12.17, pada suatu frekuensi yang didefinisikan oleh

(12.8)

tegangan masukan Vgs akan turun sebesar 70% bila dibandingkan dengan Vo dan penguatan penguat itu akan berkurang. Pada suatu frekuensi yang didefinisikan oleh

(12.9)


Gambar 12.18 Rangkaian setara penyaring

tegangan keluaran Vos akan turun sebesar 70% bila dibandingkan dengan gmVgsR dan penguatannya akan berkurang. Penguatan tegangan frekuensi rendah keseluruhan untuk penguat FET dapat dinyatakan sebagai

(12.10)

atau, penguatan relatif pada frekuensi rendah dapat dituliskan sebagai

(12.11)

Untuk meramalkan perilaku suatu rangkaian, ditentukan 11 dan 12; yang tertinggi di antara keduanya menentukan besarnya frekuensi potong. Untuk merancang suatu rangkaian dengan perilaku tertentu, dihitung CC1 dan CC2 dari Persamaan 12.8 dan 12.9, dipilih yang terbesar dari nilai yang dihitung dan yang kecil beberapa kali, sedikitnya sepuluh kali, dari nilai hasil hitungan.

Contoh 12.2

Dalam rangkaian pada Gambar 12.17, Rs = 1 k, RG = 1 M, RD = 4,5 k, RL = 9 k , gm = 2000 S, dan CC1 = CC1 = 1 F. Perkirakan besarnya penguat frekuensi menengah dan frekuensi potong bawahnya.

Jawab

Pada frekuensi menengah semua kapasitor dipandang dihubung singkat dan menurut Persamaan 12.4,

Ro merupakan hubungan paralel antara RD dan RL, sehingga

= 3 k

sehingga diperoleh

AVO = –2000 10-6 3 103 = –6

Frekuensi-frekuensi potong bawahnya adalah

rads

rads

Oleh karena itu, dengan dipilih nilai yang terbesar, frekuensi potong bawah penguat itu adalah

12 = 74,04 rads atau f12 = 11,79 Hz

Analisis tanggapan frekuensi rendah yang telah dibahas sebelumnya mengandaikan bahwa CS telah disimpangi (bypass) oleh RS pada frekuensi yang terendah. Dalam praktik ternyata CS lebih besar ketimbang CC1 atau CC2 dan CS

merupkan unsur yang penting dalam menentukan frekuensi potong bawah. Pendekatan praktis dalam hal ini adalah dengan mengandaikan bahwa kapasitor-


kapasitor gandengan itu masih efektif pada frekuensi yang membuat CS harus diperhitungkan. Dengan pengandaian itu, model penguat FET frekuensi rendah diberikan pada Gambar 12.19.

Pada frekuensi rendah, penguatan tegangan berkurang karena arus gmVgs mengalir melalui Zs (yang merupakan kombinasi paralel antara RS dan CS) menimbulkan suatu tegangan yang mengurangi tegangan sinyal Vs. Pada rangkaian tertutup masukan,

Vgs = Vs – gmVgsZS

atau

(12.12)

dan penguatan tegangannya, , berkurang dengan faktor (1 + gmZS). Frekuensi

potong bawah diperoleh bila (1 + gmZS) besarnya sama dengan . Karena ZS

adalah besaran kompleks, tidak terlalu sederhana untuk menetapkan nilai CS. Oleh karena itu diperlukan kiat khusus untuk menentukan suatu pendekatan.

Dengan RS tidak disimpangi, penguatannya akan rendah (tetapi tidak sama dengan nol, karena nilai maksimum ZS adalah sama dengan nilai RS). Dengan RS

disimpangi, penguatannya adalah AV = gmRo. Oleh karena itu andaikan CS cukup

besar sehingga pada f1 reaktansi sama dengan resistansi efektif yang

disimpanginya. Resistansi efektif itu didefinisikan sebagai resistansi setara Thévenin dilihat dari kutub-kutub RS tempat CS terhubung. Dengan membuat ZS = RS dalam Persamaan 12.12,

(12.13)

Karena ISC = gmVs dengan RS dihubung singkat, resistansi setara Théveninnya adalah

(12.14)


Gambar 12.19 Model penguat frekuensi rendah dengan CS menjadi kritis

atau resistansi efektif itu merupakan kombinasi paralel antara RS dan . Oleh

karena itu kriteria rancangan untuk frekuensinya adalah

(12.15)

Contoh 12.3

Tentukan CS untuk frekuensi potong bawah sebesar 20 Hz untuk rangkaian pada Gambar 12.19 dengan gm = 2000 S dan RS = 2 k. Buktikan bahwa penguatan tegangan pada 20 Hz itu turun sekitar 70% dari nilai frekuensi menengahnya.

Jawab

Berdasarkan Persamaan (12.15),

20 F

Dengan nilai CS sebesar itu dan f = 20 Hz,

0,78/–78,7°

1 + gmZs = 1 + (0,15 – j0,77) = 1,15 + j0,77 = 1,38/33°

Besar |1 + gmZs| adalah 1,38 = 1,41; oleh karena itu f1 dapat dianggap sebagai frekuensi potong bawah dan Persamaan (12.15) dapat dipakai.

Dalam penguat BJT, CE merupakan faktor penting dalam menentukan frekuensi potong bawah. Analisis untuk itu serupa dengan yang berlaku untuk FET.

Frekuensi potong merupakan ukuran yang memudahkan pada tanggapan frekuensi rendah suatu penguat dan tidak berarti bahwa tidak terjadi penguatan di bawah frekuensi tersebut.


Gambar 12.20 Model penguat FET frekuensi tinggi

Di atas frekuensi tengah, reaktansi kapasitansi gandeng CC, dan kapasitansi simpang CS, sangat kecil dan dapat diabaikan, tetapi suseptansi kapasitansi yang lain menjadi semakin penting. Dalam keadaan itu, model rangkaian penguat untuk frekuensi tinggi menjadi rangkaian seperti pada Gambar 12.20. Pada rangkaian itu Ro adalah RD yang dihubung paralel dengan RL dan = CW + CL (kapasitansi perkawatan dan kapasitansi parasitik yang lain). Analisis untuk rangkaian ini diperumit dengan adanya Cgd yang memberikan umpan balik negatif dari keluaran ke masukan sehingga cenderung mengurangi penguatan pada frekuensi tinggi.

Pada Gambar 12.21, tegangan di antara kapasitansi umpan balik CF menyebabkan mengalirnya arus I1 adalah

V1 – V2 = V1 – (–gmRo)V1 = V1(1 + gmRo) = V1(1 + A) (12.16)

dengan

yang merupakan penguatan rangkaian itu. Arus tersebut dapat dianggap sebagai terjadi dalam rangkaian masukan karena suatu kapasitansi yaitu (1 + A) kali:

C1 = CF(1 + A) = CF(1 + gmRo)

karena V1.

Dengan alasan yang sama, arus I2 dapat dipandang mengalir karena kapasitansi C2:

(12.17)

karena V2 sebab

Bila hasil itu diperhitungkan dan kapasitansi-kapasitansi itu berturut-turut

digabungkan dengan Cgs dan Co′, maka model rangkaian yang disederhanakan adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12.22b dengan


Gambar 12.21 Kapasitansi Miller

Ceq = Cgs + Cgd(1 + A)

dan

Co = Cgd + CW + CL

Pada rangkaian setara Thévenin, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12.22a,

karena pada umumnya RG >> Rs. Rangkaian masukannya itu berupa suatu penyaring pelewat rendah (low-pass filter). Pada frekuensi tengah, Vgs = VT Vs. Pada frekuensi tinggi dengan Ceq menjadi berarti,

(12.18)

Dengan meningkatnya frekuensi, sebagian kecil tegangan Vs muncul di antara Ceq

dan tegangan Vgs menjadi berkurang. Pada frekuensi potong atas yang didefinisikan oleh

(12.19)

tegangan masukan Vgs akan turun menjadi 70% Vs dan penguatannya akan berkurang juga. Dengan cara yang serupa, pada frekuensi potong atas

(12.20)

Tegangan keluaran Vo akan turun menjadi 70% gmVgsRo dan penguatannya akan berkurang juga. Penguatan frekuensi tinggi keseluruhan penguat FET itu dapat dinyatakan sebagai

(12.21)

Atau penguatan relatif pada frekuensi tinggi adalah

(12.22)

Untuk meramalkan perilaku suatu rangkaian tertentu, ditentukan 21 dan 22 dari Persamaan 12.19 dan 12.20, yang terendah dari keduanya menentukan frekuensi potong atasnya.

Dalam merancang suatu rangkaian dengan perilaku tertentu, perancang tidak dapat dengan bebas menentukan nilai Ceq dan Co karena keduanya ditentukan oleh parameter komponen, keadaan kerja, dan penguatan. Jika perilaku yang


Gambar 12.22 Rangkaian penyaring pelewat rendah

diramalkan itu tidak memuaskan, salah satu caranya adalah dengan memperkecil RD, yang akan mengurangi penguatan (dan juga Ceq) dan meningkatkan 21 dan 22.

Contoh 12.4

Seperti pada Contoh 12.1, JFET (gm = 2000 S, Cgs = 20 pF, dan Cgd = 2 pF) itu digunakan dalam suatu penguat gandengan RC dengan Rs = 1 k, RG = 1 M, RD = 5 k, dan RL = 5 k untuk memberikan penguatan frekuensi menengah sebesar –gmRo = –5. Jika CW + CL 4 + 16 = 12 pF, ramalkan frekuensi potong atasnya.

Jawab

Kapasitansi setara masukan dan keluarannya adalah

Ceq = Cgs + Cgd(1 + gmRo) = 20 + 2(1 + 5) = 32 pF

Co = CW + CL + Cgd = 4 + 16 + 2 = 22 pF

Resistansi setara masukan dan keluarannya adalah

Frekuensi-frekuensi potongnya adalah

Mrads–1

Mrads–1

Jadi, frekuensi potong atas penguat itu adalah

MHz

11.4 Penguat Tanpa Tala Bertingkat

Untuk menguatkan sinyal dari suatu antena atau dari suatu mikrofon ke tingkat daya yang mampu menggerakkan pengeras suara biasanya memerlukan beberapa tahap penguatan. Untuk mendapatkan penguatan tegangan atau arus yang cukup besar, dapat memerlukan beberapa tahap. Secara umum, tiga tahap: tahap masukan, tahap penguatan, dan tahap keluaran diperlukan. Untuk itu diperlukan tiga hal penting berikut:


1. Memilih impedansi masukan yang sesuai untuk penguat itu sedhingga tidak membebani sumber dengan sinyal kecil (antena atau mikrofon). Impedansi masukannya harus besar.

2. Memberikan penguatan yang cukup.3. Menyepadankan impedansi keluaran penguat dengan beban. Hal itu

umumnya dapat dipenuhi dengan impedansi keluaran yang kecil.

Masing-masing hal itu dapat dilaksanakan dengan cara yang berlainan dan dengan menggunakan lebih dari satu tingkat penguatan, bergantung kepada penggunaannya.

Suatu penguat tiga tingkat ditunjukkan pada Gambar 12.23. Tahap pertama merupakan penguat MOSFET. MOSFET digunakan untuk tahap masukan karena imedansi masukannya yang tinggi. Pada rangkaian itu tampak bahwa tingkat pertama merupakan gandengan arus bolak-balik, jadi penguat itu mempunyai karaktersitik pelewat jalur. Pemilihan MOSFET sebagai penguat tahap masukan karena peran tahap pertama adalah memperkuat sinyal yang sangat kecil amplitudonya dan terletak di kawasan kerja yang relatif sempit. Dalam hal itu pendekatan linear dapat dilakukan dan sangat kecil cacat yang akan terjadi. Tahap kedua berupa tingkat penguat dengan BJT emiter bersama, yang juga berupa gandengan arus bolak-balik dengan penguat tingkat pertama. Penguat ini merupakan penguat dengan penguatan yang tertinggi. Tahap keluaran berupa BJT pengikut emiter yang tidak memberikan tambahan penguatan tetapi mempunyai impedansi keluaran rendah yang diperlukan untuk menyepadankan impedansi beban. Penguat terakhir itu mempunyai gandengan arus searah dengan penguat sebelumnya dan bergandengan arus bolak-balik dengan beban.


Gambar 12.24 Diagram blok tiga penguat bertingkat

Gambar 12. 7 Penguat tiga tingkat

Dengan mendefinisikan suatu tingkat untuk memasukkannya ke karakteristik masukan unsur penguat berikutnya, akan diperoleh pengaruh gabungan tingkat-tingkat kaskade yang mudah diramal. Dalam Gambar 12.24, setiap tingkat diwakili oleh blok segi empat yang diberi nama sesuai dengan penguatan tegangannya masing-masing. Penguatan tegangan keseluruhan adalah

(12.23)

atau

(12.24)

Penguatan tegangan keseluruhan adalah hasil kali amplitudo penguatan dan jumlah pergeseran fasa, baik A maupun keduanya merupakan fungsi frekuensi. Hal yang serupa berlaku untuk penguatan arus secara keseluruhan.

Perhitungan penguatan keseluruhan dalam penguat banyak tingkat atau dalam sistem pengendalian dipermudah dengan menggunakan satuan logaritma. Menurut definisi, penguatan daya dalam bel (untuk menghormati Alexander Graham Bell) adalah logaritma dengan bilangan dasar 10 terhadap perbandingan daya. Satuan yang lebih memudahkan adalah desibel (decibel disingkat sebagai dB) yang didefinisikan sebagai

Penguatan dalam desibel (dB) = (12.25)

Karena untuk resistansi yang diketahui, daya sebanding dengan pangkat dua tegangan,

Penguatan dalam desibel = (12.26)

Contoh 12.5

Nyatakan penguatan relatif penguat transistor pada frekuensi potong bawahnya dalam desibel.

Jawab

Pada f1 keluaran tegangannya adalah 0,707 nilai frekuensi tengahnya. Oleh karena itu

Penguatan relatif dalam dB =

Atau, pernyataan itu merupakan frekuensi setengah daya, sehingga

Penguatan relatif dalam dB =

Penguatan itu dikatakan ‘menurun 3 dB’ pada frekuensi potong.

Secara umum, resistansi masukan dan keluaran suatu penguat tidak sama, tetapi desibel merupakan tolok ukur yang memudahkan sehingga digunakan sebagai ukuran penguatan tegangan (atau arus) tanpa memandang resistansinya.


Salah satu keunggulan satuan desibel adalah bila tanggapan dipetakan dalam dB lengkungan tanggapan keseluruhan suatu penguat banyak tingkat dapat diperoleh dengan menambahkan masing-masing lengkungan tanggapan setiap tingkat. Gambar 12.24 menunjukkan lengkungan tanggapan untuk dua tingkat a dan b yang dilukis dalam dB. Persamaan (12.11) dan (12.22) menunjukkan bahwa untuk f << f1, penguatan relatif sebanding dengan frekuensinya, dan untuk f >> f1

penguatan relatif berbanding terbalik dengan frekuensi. Pada skala logaritma, hubungan tersebut berupa garis lurus dengan kemiringan 20 dB per dekade (kelipatan sepuluh) dan tanggapan penguat gandengan RC dapat didekati oleh lengkungan Aa. Sebenarnya, penguatan turun 3 dB pada frekuensi titik potong. Penguat kedua dengan tanggapan frekuensi rendah yang lebih baik didekati dengan lengkungan Ab. Penguatan keseluruhan gabungannya adalah jumlah kedua lengkungan tersebut dan pendekatan garis lurusnya dengan mudah dapat digambar, dan hasilnya adalah lengkungan A seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12.25 itu.

Lebar jalur (bandwidth) suatu penguat merupakan ukuran yang berguna dalam perancangan; suatu penguat audio memerlukan lebar jalur sekitar 20 kHz sedangkan suatu penguat video memerlukan lebar jalur sekitar 4 MHz. Untuk suatu penguat tanpa tala, lebar jalur didefinisikan sebagai

karena 1 umumnya jauh lebih kecil ketimbang 2. Untuk suatu penguat satu tingkat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 12.26, penguatannya adalah


Gambar 12.25 Tanggapan frekuensi dalam desibel

(12.27)

Dengan , setiap peningkatan lebar jalur dengan mengurangi Ro berarti

akan menurunkan penguatan frekuensi tengah. Hasil kali besar penguatan dengan lebar jalur adalah

(12.28)

Karena Ceq Cgs jika pengaruh Miller tidak besar. Karena Cgs dan gm adalah parameter komponen, hasil kali besar penguatan dengan lebar jalur itu adalah suatu konstanta untuk FET tertentu.

Transistor mempunyai angka mutu (figure of merit) yang serupa, tetapi biasanya dinyatakan dengan cara yang berbeda. Jika tanggapan frekuensi tinggi dibatasi oleh titik potong , lebar jalurnya didekati oleh f dan penguatan maksimum yang mungkin adalah sehingga hasil kali penguatan dengan lebar jalur adalah

(12.58)

Frekuensi fT dengan f = 1 umumnya berkisar dari 100 kHz untuk transistor daya sambungan-paduan sampai 10 GHz untuk transistor frekuensi tinggi.

Soal-Soal

12.1 Jelaskan berbagai macam kelas penguat dan apa keunggulan dan kelemahannya masing-masing.

12.2 Uraikan macam-macam cacat yang terdapat pada suatu penguat dan apa pengaruh cacat itu pada suatu pesawat penerima televisi.

12.3 Mengapa prategangan merupakan masalah yang sangat penting untuk dan tidak sederhana. Jelaskan upaya-upaya untuk mengatasinya.

12.4 Apa yang menentukan besar dan kecilnya sinyal dalam analisis penguat?

12.5 Pada Gambar 12.13, jelaskan pengaruhnya jika CS dihilangkan.

12.6 Bagaimana cara menentukan lebar jalur suatu penguat?

12.7 Mengapa ada batasan frekuensi untuk model linear?


Gambar 12.26 Hubungan penguatan-lebar jalur untuk suatu penguat FET

12.8 Mengapa untuk penguat yang bekerja pada frekuensi di bawah frekuensi menengah kapasitansi paralel dapat diabaikan? Buktikan secara matematika.

12.9 Gambarlah suatu rangkaian penguat gandengan RC satu tahap dengan menggunakan EN MOSFET.

12.10 Untuk rangkaian pada 12.9, Buatlah model rangkaian yang berlaku untuk frekuensi antara 20 Hz sampai dengan 20 kHz.

12.11 Mengapa penguat audio umumnya mempunyai lebar jalur antara 20 Hz sampai dengan 20 kHz?

12.12 Apa beda antara kapasitor simpang dan kapasitor gandengan?

12.13 Mengapa untuk penguat yang menggunakan BJT lebih ditekankan pada penguatan arus, sedangkan yang menggunakan FET pada penguatan tegangan?

12.14 Bandingkan karakteristik berikut untuk penguat BJT dan penguat FET: impedansi masukan, penguatan tegangan, penguatan arus, dan linearitas.

12.15 Dalam penguat pada Gambar 12.13, Zs dan ZL adalah resistansi murni. Dengan mengandaikan bahwa penguat itu bekerja dengan frekuensi sangat rendah, lukiskan model rangkaiannya untuk sinyal kecil.

12.16 Dalam penguatan bertingkat, mengapa dipergunakan MOSFET untuk tahap masukannya? Dan mengapa untuk tahap penguatan dan tahap keluaran menggunakan BJT?

12.17 Untuk suatu penguat gandengan RC, 21 = 22 = 200 krads–1. Tentukan 2.

12.18 Mengapa dalam mengukur penguatan digunakan desibel?

12.19 Buktikan kebenaran bahwa Persamaan (12.25) sama dengan Persamaan (12.26)

12.20 Apa yang dimaksud dengan pengaruh Miller?


angka mutu, 363Armstrong, 338audion, 338bel, 361Bell, 338cacat, 342, 343cacat amplitudo, 343cacat fasa, 344cacat frekuensi, 343cacat sambungan, 340cacat tak-linear, 343derau, 343desibel, 361ditala, 339frekuensi potong, 347frekuensi titik potong, 362generator sinyal, 338kapasitansi kawat, 346kapasitor gandengan, 347kawasan frekuensi menengah, 347Lebar jalur, 347lengkungan tanggapan frekuensi, 343megafon, 341pengalihan, 338pengeras suara, 339penguat, 339penguat audio, 339

penguat banyak-tingkat, 339penguat daya, 339penguat gandengan-langsung, 339penguat jalur lebar, 339Penguat Kelas A, 339Penguat Kelas AB, 341Penguat Kelas B, 340Penguat kelas C, 341Penguat Kelas D, 341Penguat Kelas E, 342Penguat Kelas F, 342penguat linear, 343Penguat satu-tingkat, 339penguat sinyal besar, 339penguat sinyal-kecil, 339penguat tekan-tarik, 340penguat video, 339penguatan, 342Penguatan, 348Penguatan tegangan frekuensi menengah, 351penyaring pelepas, 345penyaring pelewat rendah, 358Rentang dinamik, 343resistansi efektif, 355resistor beban, 347simpang, 345tanggapan frekuensi, 342


Modul 12. Dasar Teknik Elektro - Mismail Budiono

Documents