PENGUAT FET

PENGUAT FET Praktikan: Nicholas Melky S Sianipar (13206010) Asisten: Saiful Waktu Percobaan: 8 April 2009 EL2140 – Praktikum Elektronika Laboratorium Dasar Teknik Elektro Sekolah Teknik Elektro dan Informatika – ITB

Abstrak

2. Dasar Teori

Pada praktikum ini praktikan mencoba kit praktikum yang berisi rangkaian percobaan karakteristik FET yaitu transistor FET dan komponen rangkaian penguat berkonfigurasi lainnya. Dengan menggunakan 3 buah multimeter, praktikan dapat memahami dan mengamati karakteristik transistor yaitu tegangan dan arus diantara diketiga kakinya. Dengan mengubah-ubah kondisi rangkaian, seperti tegangan yang akan mengakibatkan perubahan arus, maka praktikan dapat memproyeksikan data-data tersebut pada kurva yang dapat menghasilkan beberapa kesimpulan. Namun juga, praktikan mencoba rangkaian-rangkaian penguat FET seperti rangkaian percobaan common source dan kedua konfigurasi penguat lainnya. Dan dari hasil pengamatan tersebut, praktikan dapat mengamati bagaimana karakteristik rangkaian penguat FET dan bermacam-macam output ketiga penguat berkonfigurasi ini.

2.1 Transistor FET

1.

Pendahuluan

Halaman

1

Pada Praktikum Elektronika EL2140 yang keempat ini, bertujuan agar praktikan dapat melakukan percobaan dan pengamatan secara langsung mengenai komponen elektrik, yaitu transistor. Jenis transistor yang digunakan pada praktikum adalah Field Effect Transistor / FET yang bertipe CD4007UB. Dan karakteristik yang diukur praktikum ini adalah ID, Vt, VGS, VDS dan gm dari transistor. Dari data-data pecobaan praktikan akan mencoba memamahai keterkaitan antara kondisi karakteristik arus-tegangan tersebut. Untuk tegangan yang digunakan adalah VCC sebesar 10V dari power supply. Dan untuk percobaan memahami penguat common source, Vin adalah sebesar 50 mVpp dengan frekuensi 10KHz. Dengan berbagai rangkaian tersebut, diharapkan praktikan dapat memahami karakteristik FET dan aplikasinya.

Transistor FET adalah transistor yang bekerja berdasarkan efek medan elektrik yang dihasilkan oleh tegangan yang diberikan pada kedua ujung terminalnya. Mekanisme kerja transistor ini berbeda dengan transistor BJT. Pada transistor ini, arus yang dihasilkan/dikontrol dari Drain (analogi dengan kolektor pada BJT), dilakukan oleh tegangan antara Gate dan Source (analogi dengan Base dan Emiter pada BJT). Bandingkan dengan arus pada Base yang digunkan untuk menghasilkan arus kolektor pada transistor BJT. Jadi, dapat dikatakan bahwa FET adalah transistor yang berfungsi sebagai “konverter” tegangan ke arus. Transistor FET memiliki beberapa keluarga, yaitu JFET dan MOSFET. Pada praktikum ini akan digunakan transistor MOSFET walaupun sebenarnya karakteristik umum dari JFET dan MOSFET adalah serupa. Karakteristik umum dari transistor MOSFET dapat digambarkan pada kurva yang dibagi menjadi dua, yaitu kurva karakteristik ID vs VGS dan kurva karakteristik ID vs VDS. Kurva karakteristik ID vs VGS diperlihatkan pada gambar di bawah ini. Pada gambar tersebut terlihat bahwa terdapat VGS minimum yang menyebabkan arus mulai mengalir. Tegangan tersebut dinamakan tegangan threshold, Vt. Pada MOSFET tipe depletion, Vt adalah negative, sedangkan pada tipe enhancement, Vt adalah positif.

Gambar 2.1–1 Karakteristik Transistor FET (VGS – ID)

Pada gambar tersebut terlihat bahwa terdapat VGS minimum yang menyebabkan arus mulai mengalir. Tegangan tersebut

dinamakan tegangan threshold, Vt. Pada MOSFET tipe depletion, Vt adalah negative, sedangkan pada tipe enhancement, Vt adalah positif. Kurva karakteristik ID vs. VDS ditunjukkan oleh gambar di bawah ini. Pada gambar tersebut terdapat beberapa kurva untuk setiap VGS yang berbeda‐beda. Gambar ini digunakan untuk melakukan desain peletakan titik operasi/titik kerja transistor. Pada gambar ini juga ditunjukkan daerah saturasi dan Trioda.

Gambar 3–1 Metodologi Percobaan

Pada kit praktikum telah tersedia komponen yang akan dilakukan pada percobaan. Praktikan dipermudah karena cukup menghubung-hubungkan komponen tersebut sesuai model rangkaian beserta 3 buah multimeter yang dipakai untuk mengukur arus dan tegangan pada kaki transistor. Power supply disetting sebesar 10V sebagai VCC rangkaian. Untuk VIN pada rangkaian bias, akan telebih dahulu dilakukan kalibrasi osiloskop, dan pengukuran amplitude dan frekuensi sinyal dari generator sinyal yang tepat. 2. Hasil dan Analisis 2.1 Kurva Karakteristik Transistor MOSFET

Gambar 2.1–2 Karakteristik Transistor FET (VDS – ID)

2.2 Penguat FET

Gambar 4.1–1 Rangkaian Pengukuran VGS – ID

Hasil pengukuran dari rangkaian karakteristik transistor pada Gambar 4.1-1 dilakukan dengan mengubah-ubah tegangan VGS. Akibat perubahan pada VGS, dapat diukur perubahan ID. Data yang diperoleh dapat dilihat pada tabel berikut. Tabel 4.1–1 Karakteristik ID-VGS VGS (V) 0 1.5 2 2.5 3 4 5 7.5

ID (mA) 0 0 0.12 0.39 0.81 1.92 3.44 8.23

Apabila data karakteristik diproyeksikan dalam sebuah diperoleh kurva sebagai berikut.

diatas kurva,

Gambar 4.1–2 Kurva Karakteristik ID-VGS

1. Metodologi

2

Gambar 2.2–1 Rangkuman Karakteristik Ketiga Konfigurasi

Dari data diatas dapat diamati bahwa arus ID meningkat apabila VGS meningkat juga. Arus ID meningkat dengan cepat ketika VBE diantara 0,25V-0,7V. Peningkatan ini terlihat jelas secara eksponensial. Hal ini sama dengan perhitungan matematis pada sifat yang menyerupai transistor BJT. Dan VGS antara 0V-0,25V merupakan tegangan cut-off yang ditunjukan dengan nilai ID nol.

Halaman

Untuk menggunakan transistor MOSFET sebagai penguat, maka transistor harus berada dalam daerah saturasinya. Hal ini dapat dicapai dengan memberikan arus ID dan tegangan VDS tertentu. Cara yang biasa digunakan dalam mendesain penguat adalah dengan menggambarkan garis beban pada kurva ID vs VDS. Setelah itu ditentukan Q point‐nya yang akan menentukan ID dan VGS yang harus dihasilkan pada rangkaian. Setelah Q point dicapai, maka transistor telah dapat digunakan sebagai penguat, dalam hal ini, sinyal yang diperkuat adalah sinyal kecil (sekitar 40‐50 mVp‐p dengan frekuensi 1‐10 kHz). Terdapat 3 konfigurasi penguat pada transistor MOSFET, yaitu 1. Common Source 2. Common Gate 3. Common Drain Ketiganya memiliki karakteristik yang berbeda‐beda dari faktor penguatan, resistansi input, dan resistansi output. Tabel berikut ini merangkum karakteristik dari ketiga konfigurasi tersebut.

Dan besar tegangan sebesar 0.25 V.

threshold

adalah

disimpulkan bahwa ID bergantung / merupakan fungsi dari nilai VGS. Ini adalah sifat dari transistor pada keadaan active. Untuk itu daerah kerja transistor terlihat jelas yaitu trioda region sampai pada VDS = 4V dan daerah cut-off seperti pada kurva ID untuk VDS = 0V yang nilainya nol / sejajar sumbu datar kurva tersebut. 2.2 Desain Q-Point

Gambar 4.2–1 Rangkaian Percobaan Karakteristik ID-VDS

Pada praktikum ini digunakan dua sumber tegangan yang besarnya dapat dipilih untuk menentukan tegangan pada kaki-kaki transistor. Oleh sebab itu tidak diperlukan lagi pengukuran tegangan menggunakan multimeter karena telah tertampil pada power supply. Jadi dengan mengubah-ubah tegangan VDS dari power supply, dapat diukur perubahan ID untuk setiap besar tegangan VGS yang berbeda-beda, seperti pada tabel berikut.

Gambar 4.2–1 Merancang Load Line (garis beban)

Tabel 4.2–1 Karakteristik Output Ic-VCE

VGS= 2V 0 0.1

VGS= 2.5V 0 0.23

VGS= 3V 0 0.35

ID (mA) VGS= 4V 0 0.51

VGS= 5V 0 0.66

VGS= 7V 0 0.91

VGS= 9V 0 1.12

0.13 0.13 0.13 0.13 0.13

0.35 0.4 0.41 0.41 0.42

0.61 0.8 0.83 0.84 0.84

0.99 1.55 1.82 1.86 1.87

1.29 2.19 3.1 3.23 3.26

1.94 3.59 5.57 6.61 6.91

5

0.14

0.42

0.84

1.88

3.28

6.97

6

0.14

0.42

0.85

1.89

3.29

7.0

7

0.14

0.42

0.85

1.9

3.31

7.02

8

0.14

0.42

0.86

1.91

3.31

7.04

9

0.14

0.43

0.86

1.91

3.32

7.05

2.33 4.16 7.45 9.53 10.7 3 11.1 4 11.2 3 11.2 7 11.2 7 11.2 8

VDS (V) 0 0.2 5 0.5 1 2 3 4

Apabila data tabel diatas diproyeksikan dalam sebuah kurva, diperoleh kurva sebagai berikut.

iD = K (vGS − Vt )2

3.23x10−3 = K (5 − 0.25)2

K = 0.00014316 Dan setelah diketahui konstanta K dapat diperhitungkan nilai gm seperti berikut.

g m = 2 K ( vGS − Vt ) g m = 0.00028632(5 − 0.25) g m = 1.36 x10 −3

3

Dari kurva diatas dapat diamati bahwa arus ID meningkat sangat cepat sampai ketika VDS disekitar 0.4V. Namun ketika VDS bernilai lebih besar dari 0.4V kurva ID meningkat dengan lambat dengan suatu kemiringan / slope yang lebih kecil. Fenomena ini hampir sama pada penguat BJT yaitu Early Effect. Namun yang paling dapat diamati perbedaannya adalah untuk suatu nilai VGS menghasilkan suatu kurva ID tersendiri yang mana semakin besar nilai VGS maka nilai ID beserta tegangan thresholdnya juga semakin besar. Dari sifat ini dapat

Pada kurva karakteristik ID vs. VDS setelah dirancang load line (garis beban) seperti pada Gambar 4.2-2 dapat kita hitung gm dengan terlebih dahulu mencari nilai K berdasarkan formula dan perhitungan berikut.

Halaman

Gambar 4.2–2 Kurva Karakteristik ID-VDS

Gambar 4.2–2 Menentukan Q Point pada kurva

Gambar 4.2–3 Merancang Q-Point dengan menentukan gm dari gradien

Gambar 4.3–2 Hasil Output penguat FET

Namun karena keterbatasan waktu kelompok kami hanya sempat melihat sekilas hasil output penguat FET dan tidak mengukur resistansi input atau outputnya. Dari gambar dapat dilihat bahwa penguatan cukup besar (hamper menyerupai penguat BJT berkonfigurasi Common Base).

Gambar 4.2–4 Menghitung Gradien pada kurva ID-VGS untuk mendapatkan gm

Pada gambar dapat diketahui gm dengan menghitung gradien pada rancangan QPoint sebelumnya yaitu pada titik VGS = 5V. Hasil gm tersebut adalah sebagai berikut.

gm =

3.44 −1.92 = 1.52x10 −3 5−4

Dapat dilihat hasil kedua perhitungan gm hampir mendekati sama. Sedikit perbedaaan tersebut disebabkan beberapa hal, salah satu diantaranya karena ketidak linier nya kurva pada saat pengukuran yang disebabkan kurangnya presisi pada saat pengukuran. 2.3 Penguat Common Source

3. Kesimpulan Transistor FET memiliki juga karakteristik yang unik seperti transistor BJT yatiu arus ID yang merupakan fungsi dari VGS dan arus ID yang merupakan fungsi penguatan dari VDS sebesar β. Transistor FET juga memiliki 3 wilayah kerja yaitu trioda region, saturation region dan cut-off region yang dapat diperoleh dari sifat karakteristik ID terhadap VGS. Tegangan threshold dapat diperoleh ketika transistor memulai bersifat konduksi yang dapat dilihat pada saat ID lebih dari 0A. Dari perhitungan tersebut dapat dicari pula karakteristik gm-nya. Transistor FET dapat digunakan pula sebagai penguat dengan berbagai konfigurasi seperti pada penguat BJT. 4. Daftar Pustaka A. S. Sedra et.al., Microelectronic Circuits 5th Ed, Hal. 377-458, Oxford University Press, New York, 2004

[2]

Mervin T. Hutabarat, Petunjuk Praktikum Elektronika EL-2140, Hal 13-24, Laboratorium Dasar Teknik Eletro STEI-ITB, Bandung, 2009

Halaman

4

Gambar 4.3–1 Rangkaian Penguat Berkonfigurasi Common Source

[1]

Halaman

5