MODUL I DIODA - labsistel.hol.eslabsistel.hol.es/wp-content/uploads/2013/09/Modul-Elektronika.pdf · pada gambar tersebut merupakan kurva karakteristik dioda saat mendapatkan prategangan

Laboratorium Sistem Elektronika | Modul Praktikum Elektronika 1

MODUL I

DIODA

A. PENDAHULUAN

Dioda adalah divais semikonduktor berupa silikon atau germanium yang memiliki dua

buah elektroda dan berlaku sebagai konduktor satu arah. Dioda sendiri mempunyai beberapa

jenis yaitu diode tabung, diode sambungan p-n, diode kontak titik, dan lainnya. Pada dioda

sambungan p-n, tipe dasar sambungannya terdiri atas bahan tipe-p dan tipe-n yang dipisahkan

oleh sebuah junction.

B. TUJUAN PRAKTIKUM

Tujuan praktikum adalah sebagai berikut:

1. Mengetahui karakteristik i-v dari dioda.

2. Memahami aplikasi dioda dalam rangkaian listrik.

3. Menganalisisfungsi kerja dari aplikasi dioda dalam rangkaian listrik.

C. ALAT DAN KOMPONEN

Alat dan komponen yang digunakan dalam praktikum adalah sebagai berikut:

1. 1 Set Osiloskop dan Probe.

2. 2 Set Multimeter.

3. 1 Unit Function Generator.

4. 1 Unit DC Power Supply.

5. 1 Unit Project Board.

6. Kabel Jumper.

7. 1 Unit Tang Potong.

8. Komponen:

- Dioda 1N 4002, 1N 4148.

- Resistor 1KΩ, 4K7Ω.

- Kapasitor 10 µF, 47µF, 100µF.

- IC 7805.

- Trafo 250 mA, CT ± 12 Volt AC.


D. TEORI DASAR

Struktur dasar dioda terdiri dari bahan semikonduktor tipe-p yang disambungkan

dengan bahan tipe-n. Pada ujung bahan tipe p dijadikan terminal anoda (A), sedangkan ujung

lainnya dijadikan terminal katoda (K), sehingga dua terminal inilah yang menyiratkan nama

dioda. Pada gambar 1.1 diperlihatkan simbol dan struktur dari dioda.

Gambar 1.1.Simbol dan Struktur Dioda

A) SAMBUNGAN P-N

Bahan tipe-p terbentuk dari muatan intrinsik golongan 3A, sedangkan bahan tipe-n

terbentuk dari muatan intrinsik golongan 5A. Pada gambar 1.2, muatan yang diberi lingkaran

menyatakan ion, dan muatan ini tetap ditempat, tidak bergerak walaupun diberi muatan

listrik. Muatan intrinsik yaitu muatan yang berasal dari ikatan kovalen pada atom silikon

yang menjadi bebas oleh karena eksitasi termal. Pembawa muatan yang lain adalah muatan

bebas, yaitu hole yang dihasilkan oleh atom akseptor pada bahan tipe-p, dan elektron bebas

yang dihasilkan oleh atom donor pada bahan tipe-n. Pembawa muatan bebas ini adalah

pembawa muatan ekstrisik.

Gambar 1.2.Sambungan P-N

Hal yang perlu diperhatikan pada persambungan p-n adalah sebagai berikut:

1. Saat persambungan p-n terbentuk, elektron bebas pada tipe-n akan berdifusi melalui

junction, masuk ke dalam tipe-p, dan terjadi rekombinasi dengan hole yang ada di

dalam tipe-p.


2. Sebaliknya, hole pada tipe-p akan berdifusi masuk kedalam tipe-n dan berekombinasi

dengan elektron yang ada pada tipe-n.

3. Rekombinasi elektron bebas dengan hole disekitar junction saling meniadakan sehingga

tepat pada daerah junction, terjadi daerah tanpa muatan bebas yang disebut daerah

pengosongan (deplesi).

4. Karena muatan positif dan negatif terpisah, maka didalam daerah deplesi terjadi medan

listrik yang melawan proses difusi selanjutnya. Dengan adanya medan listrik ini maka

terjadi beda potensial listrik, potensial barier, antara tipe-p dan tipe-n. sehingga secara

tidak langsung difusi elektron bebas akan terhenti.

5. Pada suhu ruang, diodasilikon mempunyai potensial barier 0,7 volt dan dioda

germanium 0.3 volt.

B) PRATEGANGAN (BIAS) PADA DIODA

Terdapat karakteristik i-v pada dioda yang terdiri dari prategangan maju (forward bias)

dan prategangan balik (reverse bias).

1. Prategangan Maju (Forward Bias)

Prategangan maju pada dioda sambungan p-n didapatkan dengan cara menghubungkan

tipe-p dengan kutub positif baterai dan tipe-n dengan kutub negatif baterai. Oleh karena itu,

elektron bebas dari sisi tipe-n ditolak kearah persambungan demikian pula padatipe-p.

Dengan demikian, pada sisi tipe-n akan penuh dengan elektron dan sisi tipe-p penuh dengan

hole. Elektron-elektron bebas yang menyebrangi persambungan akan kembali dengan hole

yang tiba di persambungan. Hasilnya arus yang kontinu akan berlangsung didalam kristal dan

kawat-kawat yang dihubungkan ke kristal tersebut. Prategangan maju menyebabkan daerah

deplesi semakin mengecil.

Gambar 1.3.Prategangan Maju pada Sambungan P-N


2. Prategangan Balik (Reverse Bias)

Prategangan balik didapatkan dengan cara menghubungkan tipe-p dengan kutub negatif

baterai dan tipe-n dengan kutub positif baterai. Hole pada tipe-p dan elektron bebas pada tipe-

n akan menjauhi persambungan sehingga memperlebar lapisan pengosongan sampai potensial

menyamai potensial terpasang. Dalam keadaan ini pembawa mayoritas akan berhenti

mengalir dan dalam beberapa nano-detik arus listrik akan menurun sampai sekitar nol.

Gambar 1.4.Prategangan Mundur pada Sambungan P-N

C) KURVA KARAKTERISTIK DIODA

Pada gambar 1.5, menunjukan dua macam kurva, yaitu dioda germanium (Ge) dan

dioda silikon (Si). Bagian kiri bawah dari grafik pada gambar tersebut merupakan kurva

karakteristik dioda saat mendapatkan prategangan mundur. Bagian kanan atas dari grafik

pada gambar tersebut merupakan kurva karakteristik dioda saat mendapatkan prategangan

maju.

Gambar 1.5.Kurva Karakteristik dari Dioda


1. Dioda diberi Prategangan Maju

Arus ID akan naik dengan cepat setelah VA-K mencapai tegangan cut-in (Vg). Tegangan

cut-in ini kira-kira sekitar 0,2 volt untuk dioda Ge dan 0,6 volt untuk dioda Si. Dengan

pemberian tegangan baterai sebesar ini, maka potensial penghalang (potensialbarrier) pada

persambungan akan teratasi, sehingga arus dioda mulai mengalir dengan cepat. Besarnya arus

jenuh mundur (reverse saturation current) IS untuk dioda Ge adalah dalam orde mikro amper

(1 mA), sedangkan untuk dioda Si, IS nya dalam orde nano amper (10 nA).

2. Dioda diberi Prategangan Mundur

Apabila VA-K yang berpolaritas negatif tersebut dinaikan terus, maka suatu saat akan

mencapai tegangan patah (breakdown) dimana arus ID akan naik dengan tiba-tiba. Pada saat

mencapai tegangan breakdown ini, pembawa minoritas dipercepat hingga mencapai

kecepatan yang cukup tinggi untuk mengeluarkan elektron valensi dari atom. Kemudian

elektron ini juga dipercepat untuk membebaskan yang lainnya sehingga arusnya semakin

besar. Pada diodaprategangana, pencapaian tegangan breakdown ini selalu dihindari karena

dioda bisa rusak.

Hubungan arus dioda (ID) dengan tegangan dioda (VD) dapat dinyatakan dalam

persamaan 1.1.

/ .1d TV n V

D SI I e

(1.1)

Keterangan:

ID = Arus dioda (A)

IS = Arus jenuh mundur (A)

e = Bilangan natural (2,71828…)

Vd = Beda tegangan pada dioda (V)

n = konstanta, 1 untuk Ge dan 2 untuk Si

VT = Tegangan ekivalen temperatur (V)

Harga IS suatu dioda dipengaruhi oleh temperatur, tingkat doping, dan geometri dari

dioda. Konstanta n tergantung pada sifat konstruksi dan parameter fisik dioda. Harga

VTkurang lebih 26 mV pada temperatur ruang.


D) APLIKASI DIODA

Beberapa aplikasi dioda dalam rangkain listrik dapat dipelajari pada sub-bab berikut

ini.

a) Dioda Sebagai Saklar

Dioda merupakan saklar tertutup saat diberi prategangan maju dan merupakan saklar

terbuka saat diberi prategangan mundur. Oleh karenanya, dioda bisa berfungsi seperti sebuah

saklar.

b) Dioda Sebagai Penyearah

Dioda semikonduktor banyak digunakan sebagai penyearah.

Penyearah Setengah Gelombang

Gambar 1.6.Penyearah Setengah Gelombang

Prinsip kerja dari penyearah setengah gelombang adalah bahwa pada saat sinyal input

berupa siklus positif maka dioda mendapat prategangan maju sehingga arus (I) mengalir ke

beban (RL), dan sebaliknya bila sinyal input berupa siklus negatif maka dioda mendapat

prategangan mundur sehingga arus tidak mengalir.

Penyearah Gelombang Penuh dengan Center Tap

Pada gambar 1.7, merupakan rangkaian penyearah gelombang penuh dengan

menggunakan center tap. Terlihat dengan jelas bahwa rangkaian penyearah gelombang penuh

ini merupakan gabungan 2 buah penyearah setengan gelombang yang kerjanya bergantian

setiap setengah siklus. Sehingga arus maupun tegangan rata-ratanya adalah 2 x penyearah

setengah gelombang, PIV = 2 Vm


Gambar 1.7.Penyearah Gelombang Penuh

Prinsip kerjanya yaitu pada terminal sekunder dari trafo CT mengeluarkan 2 buah

tegangan output yang sama tapi berbeda fasa, karena fasanya berlawanan dengan titik CT

sebagai titik tengahnya. Kedua output ini masing-masing dihubungkan ke D1 dan D2,

sehingga saat D1 mendapat sinyal positif maka D2 mendapat sinyal negatif, dan sebaliknya.

Dengan demikian D1 dan D2 hidupnya saling bergantian. Namun karena arus i1 dan i2

melewati tahanan beban (RL) dengan arah yang sama, maka iL menjadi satu arah.

Penyearah Gelombang Penuh dengan Bridge

Gambar 1.8.Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh dengan Bridge

Prinsip kerjanya:

o Pada saat rangkaian bridge mendapatkan bagian positif dari siklus sinyal AC, makaD1

dan D3 ON karena mendapat prategangan maju, sedangkan D2 dan D4 OFF karena

mendapat prategangan mundur. Sehingga arus i1 mengalir melalui D1, RL, dan D3.


o Pada saat rangkaian jembatan mendapatkan bagian negatif dari siklus sinyal AC,

makaD2 dan D4 ON karena mendapat prategangan maju, sedangkan D1 dan D3 OFF

karena mendapat prategangan mundur. Sehingga arus i2 mengalir melalui D2, RL, dan

D4.

c) Dioda Sebagai Catu Daya

Penyearah gelombang penuh dengan bridge sudah mendapat sinyal dc dari input sinyal

ac. Akan tetapi, sinyal yang dihasilkan belum terlalu baik. Oleh karenanya, ada beberapa

bagian yang dapat ditambahkan untuk menghasilkan sinyal dc yang lebih baik.

Low Pass Filter (Tapis Lolos Rendah)

Gambar 1.9. Bentuk Sinyal Output setelah Melewati Low Pass Filter

Low Pass Filter (LPF)merupakan suatu rangkaian yang akan melewatkan suatu sinyal

tertentu sampai ke suatu frekuensi cut-off dan akan menahan sinyal yang frekuensinya diatas

frekuensi cut-off dari rangkaian tersebut. Rangkaian penyearah dengan LPF digunakan agar

tegangan DC yang dihasilkan lebih rata. Dengan adanya pemasangan sebuah kapasitor,

tegangan output tidak akan segera turun walaupun tegangan input sudah turun. Hal ini

disebabkan karena kapasitor memerlukan waktu untuk mengosongkan muatannya. Tegangan

yang terjadi dikenal dengan tegangan riak (ripple voltage). Kualitas rangkaian penyearah

dengan LPF dinyatakan oleh nisbah riak puncak ke puncak (peak-to-peak ripple ratio / pprr).

;rpp p

DC rata rata

DC rata rata

V Vpprr V

V

(1.2)

Untuk setengah gelombang : 1

rpp pV VfRC

Untuk gelombang penuh : 1

rpp pV VfRC


dengan Vp adalah tegangan puncak dari tegangan output.

Dioda Zener

Gambar 1.10. Simbol dari Dioda Zener

Dioda zener dibuat sedemikian rupa sehingga daerah deplesinya lebih besar daripada

diodabiasa. Akibatnya, medan listrik yang dihasilkan juga lebih besar. Dioda zener memiliki

karakteristik yang sama seperti diodabiasa pada kondisi prategangan maju. Pada dasarnya,

tidak ada perbedaan secara struktur dari dioda biasa. Dioda zenerdiberi jumlah doping yang

lebih banyak pada sambungan P dan N, sehingga tegangan breakdownbisa semakin cepat

tercapai.Analisis rangkaian dengan menggunakan dioda zener sama seperti diodabiasa.

Perbedaan hanya terletak pada permodelan kondisi ON dan OFF dioda zener dibandingkan

diodabiasa.

Gambar 1.11.Kurva Karakteristik dari Dioda Zener

Pada saat dioda zener mendapat prategangan maju dan tegangannya lebih kecil dari

tegangan threshold, maka kondisi dioda zener OFF. Sedangkan pada saat tegangannya lebih

besar daripada tegangan threshold, maka kondisi dioda zener ON dimana tegangan dioda

zener sama dengan tegangan threshold.


Pada saat dioda zener mendapat prategangan mundur dan tegangannya lebih kecil dari

tegangan zener, maka kondisi dioda zener OFF. Sedangkan pada saat tegangannya lebih besar

daripada tegangan zener, maka kondisi dioda zener ON dimana tegangan dioda zener sama

dengan tegangan zener.

Tegangan yang menyebabkan munculnya arus mundur yang sangat besar disebut

tegangan dadal (breakdown voltage). Dimana pada saat terjadi tegangan tersebut, daerah

deplesinya lebar dan arus yang bertambah cepat akibat dua hal berikut ini:

a. Zener Breakdown

Dengan adanya tegangan mundur yang relatif tinggi, medan listriknya dapat menarik

keluar elektron dari ikatan kovalen sehingga terjadi pembentukan pasangan elektron

dan hole sebagai pengangkut muatan yang memungkinkan terjadinya arus mundur.

b. AvalancheBreakdown.

Elektron dan hole yang dibangkitkan dipercepat oleh medan listrik yang tinggi, karena

kecepatan yang tinggi menabrak ikatan kovalen sehingga menambah pembangkitan

beruntun pasangan elektron-hole sehingga mempercepat pertambahan arus mundur.

Salah satu aplikasi dari dioda zener adalah sebagai regulator tegangan. Seperti pada

gambar 1.12, tegangan sumber adalah 12V, tetapi tegangan yang terukur pada Rload adalah

9V sama dengan nilai tegangan pada dioda zener.

Gambar 1.12.Contoh Rangkaian Regulator Tegangan dengan Menggunakan Dioda Zener

IC 78xx / IC 79xx

IC 78xx merupakan regulator tegangan positif dc sedangkan IC79xx merupakan

regulator tegangan negatif dc. Tanda „xx‟ menyatakan nilai dari tegangan output yang

dihasilkan. Misalkan IC 7812 menyatakan regulator tegangan +12 VDC, sementara 7912

menyatakan regulator tegangan -12 VDC.


(a) (b)

Gambar 1.13. (a) Penggunaan IC 7812 pada Rangkaian; dan

(b) Kaki-Kaki yang terdapat pada IC 7812

d) Dioda Sebagai Clipper

Rangkaian clipper (pemotong) digunakan untuk memotong atau menghilangkan

sebagian sinyal input yang berada dibawah atau diatas level tertentu. Rangkaian ini adalah

rangkaian yang digunakan untuk membatasi tegangan agar tidak melebihi dari suatu nilai

tegangan tertentu.

Secara umum rangkaian clipper dapat digolongkan menjadi 2, yaitu seri dan paralel.

Rangkaian clipper seri berarti dioda-nya dipasang secara seri dengan beban, sedangkan

clipper paralel berarti dioda-nya dipasang paralel dengan beban.Sedangkan untuk masing-

masing jenisnya dibagi menjadi clippernegatif, memotong bagian negatif, dan clipper positif,

memotong bagian positif.

Petunjuk untuk menganalisis rangkaian clippersecara seri adalah sebagai berikut:

a. Perhatikan arah dioda

Bila arah dioda kekanan, maka bagian positif dari sinyal input akan dilewatkan,

dan bagian negatif akan dipotong, berarti clippernegatif.

Bila arah dioda kekiri, maka bagian negatif dari sinyal input akan dilewatkan, dan

bagian positif akan dipotong, berarti clipper positif.

b. Perhatikan polaritas baterai, bila ada.

c. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol pada level baterai, yang sudah ditentukan

pada langkah 2 diatas.

d. Batas pemotongan sinyal adalah pada sumbu nol semula, sesuai dengan sinyal input.


Gambar 1.14.Clipper Positif secara Seri

Gambar 1.15.Clipper Negatif secara Seri

Petunjuk untuk menganalisis rangkaian clipper secara paralel adalah sebagai berikut:

a. Perhatikan arah dioda:

Bila arah dioda kebawah, maka bagian positif dari sinyal input akan dipotong,

berarti clipper positif.

Bila arah dioda keatas, maka bagian negatif dari sinyal input akan dipotong,

berarti clippernegatif.

b. Perhatikan polaritas baterai, bila ada.

c. Gambarlah sinyal output dengan sumbu nol sesuai dengan input.

d. Batas pemotongan sinyal adalah pada level baterai.


Gambar 1.16.Clipper Positif secara Paralel

Gambar 1.17.Clipper Negatif secara Paralel

e) Dioda Sebagai Clamper

Rangkaian clamper adalah rangkaian yang digunakan untuk memberikan offset

tegangan DC. Dengan demikian, tegangan yang dihasilkan adalah tegangan inputdan

tegangan DC. Rangkaian ini disebut juga rangkaian penggeser yang digunakan untuk

menggeser suatu sinyal ke level DC yang lain.

Rangkaian ini paling tidak harus mempunyai sebuah kapasitor, dioda, dan resistor,

disamping itu bisa pula ditambahkan sebuah baterai. Harga R dan C harus dipilih sedemikian

rupa sehingga konstanta waktu RC cukup besar agar tidak terjadi pengosongan muatan yang

cukup berarti saat dioda tidak menghantar. Sebuah rangkaian clamper sederhana, tanpa

baterai, terdiri atas R, D, dan C terlihat pada gambar 1.18.


Gambar 1.18.Rangkaian Clamper

Keterangan:

(a) Gelombang kotak yang menjadi sinyal input rangkaian clamper.

(b) Pada saat 0 – T/2, sinyal input adalah positif sebesar +V, sehingga dioda ON. Kapasitor

mengisi muatan dengan cepat melalui tahanan dioda yang rendah, seperti hubung

singkat karena dioda ideal.

(c) Sinyal output merupakan penjumlahan tegangan input –V dan tegangan pada kapasitor

–V sehingga sebesar -2V.

Terlihat pada gambar 1.18, bahwa sinyal output merupakan bentuk gelombang kotak,

seperti gelombang input, yang level DC-nya sudah bergeser kearah negatif sebesar –V.

Besarnya penggeseran ini bisa divariasi dengan menambahkan sebuah baterai secara seri

dengan dioda. Dan juga arah penggeseran bisa dibuat kearah positif dengan cara dioda

dibalik.

Gambar 1.19.Rangkaian ClamperNegatif dan Positif


f) Dioda Sebagai Rangkaian Logika

Aplikasi lain dari dioda adalah dapat digunakan sebagai rangkaian logika AND dan

OR. Pada gambar 1.20 terdapat rangkaian gerbang logika AND dan OR.

Gambar 1.20.Rangkaian AND dan Rangkaian OR dengan Menggunakan Dioda

g) Light Emitting Diode (LED)

LED merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya. Struktur LED

sama dengan dioda, tetapi belakangan ditemukan bahwa elektron yang menerjang sambungan

P-N juga melepaskan energy berupa energy panas dan energy cahaya.

Gambar 1.21. Simbol LED

h) Photodiode

Photodioda adalah dioda yang bekerja berdasarkan intensitas cahaya, jika photodioda

terkena cahaya maka photodioda bekerja seperti dioda pada umumnya, tetapi jika tidak

mendapat cahaya maka photodioda akan berperan seperti resistor dengan nilai tahanan yang

besar sehingga arus listrik tidak dapat mengalir.

Gambar 1.22. Contoh Aplikasi LED dan Photodiode dalam Optocoupler


E. PROSEDUR PRAKTIKUM

Lakukan dan amati setiap percobaan yang akan dilakukan. Ikuti instruksi khusus dari

Asisten Praktikum dengan baik dan seksama.

1. KARAKTERISTIK DIODA

a. Rangkaian A

Gambar 1.23. Rangkaian A

Langkah kerja:

1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar 1.23.

2. Hubungkan titik 1 dan titik 2 dengan amperemeter DC dengan orde mA.

3. Hubungkan titik 3 dan titik 4 dengan voltmeter DC.

4. Naikkan tegangan sumber DC (Vs) dari 0 – 5 volt dengan kenaikan 0,5 volt. Khusus

tegangan dari 1 – 2 volt, kenaikan tegangan 0,1 volt.

5. Catat nilai arus (Id) dan tegangan pada dioda (Vd) kemudian masukkan ke dalam tabel

1.1.

6. Gambarkan grafik Id terhadap Vd pada Gambar 1.1.

b. Rangkaian B

Gambar 1.24. Rangkaian B

Langkah kerja:


2. Hubungkan titik 1 dan titik 2 dengan amperemeter DC dengan orde mA.


3. Hubungkan titik 3 dan titik 4 dengan voltmeter DC

4. Naikkan tegangan sumber DC (Vs) dari 0 – 5 volt dengan kenaikan 0,5 volt.

5. Catat nilai arus (Id) dan tegangan pada dioda (Vd) kemudian masukkan ke dalam tabel

1.2.

6. Gambarkan grafik Id terhadap Vd pada Gambar 1.2.

2. DIODA SEBAGAI PENYEARAH SETENGAH GELOMBANG

a. Rangkaian A

Gambar 1.25. Rangkaian Dioda sebagai Penyearah Setengah Gelombang

Langkah kerja:

1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar 1.25. Sumber tegangan AC dari Signal

Generator.

2. Berikan tegangan 4 Vpp, dengan frekuensi 1 KHz.

3. Pada osiloskop, hubungkan channel 1 dengan input sumber AC, probe positif pada

titik 1 dan probe negatif pada titik 3. Hubungkan channel 2 dengan output, probe

positif pada titik 2 dan probe negatif pada titik 3.

4. Gambarkan bentuk sinyal input dan output pada gambar 2.1.

b. Rangkaian B

Gambar 1.26. Rangkaian Dioda sebagai Penyearah Setengah Gelombang

Langkah kerja:

1. Rangkailah rangkaian seperti pada gambar 1.25. Sumber tegangan AC dari Signal

Generator.

2. Berikan tegangan 4 Vpp, dengan frekuensi 1 KHz.





4. Gambarkan bentuk sinyal input dan output pada gambar 2.2.

3. DIODA SEBAGAI PENYEARAH GELOMBANG PENUH DENGAN

CENTERTAP

Gambar 1.27. Rangkaian Dioda sebagai Penyearah Gelombang Penuh dengan Center Tap

Langkah kerja:





3. Gambarkan bentuk sinyal input dan output pada gambar 3.

4. DIODA SEBAGAI PENYEARAH GELOMBANG PENUH DENGAN BRIDGE

Gambar 1.28. Rangkaian Dioda sebagai Penyearah Gelombang Penuh dengan Bridge

Langkah kerja:






3. Gambarkan bentuk sinyal input dan output pada gambar 4.

5. DIODA SEBAGAI CATU DAYA

Gunakan dan lanjutkan skema rangkaian pada gambar 1.28 untuk percobaan berikut ini.

a. LPF

Gambar 1.29. Rangkaian Catu Daya dengan LPF

Langkah kerja:

1. Tambahkan rangkaian LPF dengan menggunakan resistor 1 KΩ dan kapasitor 470 µF,

seperti pada gambar 1.29.


titik 1 dan probe negatif pada titik 3. Hubungkan channel 2 dengan output,

probepositif pada titik 2 dan probenegatif pada titik 3.

3. Gambarkan bentuk sinyal input dan output, serta hitung tegangan ripple-nya.

b. Regulator dengan Dioda Zener

Gambar 1.30. Rangkaian Catu Daya dengan Dioda Zener

Langkah kerja:


1. Tambahkan dioda zener pada gambar rangkaian 1.29 seperti rangkaian pada gambar

1.30.

2. Catat nilai arus dan tegangan pada beban RL.

3. Ubahlah nilai RL dari yang paling besar menuju nol.

c. Regulator dengan IC 78**

Gambar 1.31 Rangkaian Catu Daya dengan Regulator IC 78**

Langkah kerja:

1. Tambahkan regulator IC 78** pada gambar rangkaian 1.29 seperti rangkaian pada

gambar 1.31.

2. Catat nilai arus dan tegangan pada beban RL.

3. Ubahlah nilai RL sesuai dengan kebutuhan.

6. DIODA SEBAGAI CLIPPER

Gambar 1.32. Rangkaian Dioda sebagai Clipper

Langkah kerja:

1. Atur Signal Generator agar tegangannya 10 Vpp dengan frekuensi 1 KHz.

2. Beri sumber tegangan DC 4 V dan 2 V pada masing-masing dioda dengan arah yang

berlawanan, seperti pada gambar diatas.


titik 1 dan probe pada titik 3.Hubungkan channel 2 dengan output, probepositif pada

titik 2 dan probenegatif pada titik 3.


4. Gambarkan sinyal input dan output.

7. DIODA SEBAGAI CLAMPER

Gambar 1.33. Rangkaian Dioda sebagai Clamper

Langkah kerja:

1. Atur Signal Generator dengan sinyal masukkan berupa sinyal kotak yang

tegangannya 10 Vpp dengan frekuensi 1 KHz.


titik 1 dan probe pada titik 3.Hubungkan channel 2 dengan output, probepositif pada

titik 2 dan probenegatif pada titik 3.

3. Gambarkan sinyal input dan output.

8. DIODA SEBAGAI RANGKAIAN LOGIKA

Gambar 1.34. Rangkaian Dioda sebagai Rangkaian Logika

Langkah kerja:


2. Berikan input pada V1 dan V2 dengan kombinasi 0 V dan 5 V.

3. Ukurlah arus dan tegangan pada resistor.


MODUL 2

BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR (BJT)

A. PENDAHULUAN

Pada prinsipnya suatu transistor terdiri dari dua buah dioda yang disatukan. Agar

transistor dapat bekerja pada kaki-kakinya harus diberikan tegangan. Sambungan kedua dioda

tersebut membentuk transistor PNP dan NPN. Transistor yang dibahas ini adalah Bipolar

Junction Transistor (BJT) karena struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan

elektron di kutub negatif mengisi kekurangan elektron ( hole) dikutub positif. Sifat transistor

adalah bahawa antara Collector dan Emitor akan ada arus (transistor akan menghantar) bila

ada arus Basis. Pada transistor PNP tegangan Basis dan Collector negatif terhadap Emitor

sedangkan pada transistor NPN tegangan Basis dan Collector positif terhadap Emitor.

B. TUJUAN PRAKTIKUM


1. Memahami dan menggambarkan kurva karakteristik transistor.

2. Mengidentifikasi daerah kerja transistor berdasarkan pada kurva karakteristik transistor

3. Mengaplikasikan transistor sebagai penguat dan saklar berdasarkan pada daerah kerja transistor

dan datasheet-nya

4. Pengenalan aplikasi TTL (Transistor-Transistor Logic)



1. 1 Set Osiloskop dan Probe.

2. 2 Set Multimeter.

3. 1 Unit Function Generator.

4. 1 Unit DC Power Supply.

5. 1 Unit Project Board.

6. Kabel Jumper.

7. 1 Unit Tang Potong.

8. Komponen:

Transistor BJT BC 140

Resistor 100 kΩ, 470 kΩ, 47 kΩ, 10 kΩ, 1 kΩ, 27k Ω, 10 Ω, 50Ω dan 4k7 Ω

Kapasitor ELCO 4.7 µF,100µF dan 470 µF


Resistor variable 100kΩ

Led

D. TEORI DASAR

Transistor yang dibahas ini adalah Bipolar Junction Transistor (BJT) karena struktur

dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutub negatif mengisi

kekurangan elektron ( hole) dikutub positif. Sifat transistor adalah bahawa antara Collector

dan Emitor akan ada arus (transistor akan menghantar) bila ada arus Basis. Pada transistor

PNP tegangan Basis dan Collector negatif terhadap Emitor sedangkan pada transistor NPN

tegangan Basis dan Collector positif terhadap Emitor.

A) TIPE TRANSISTOR

Transistor NPN

Tipe NPN terdiri dari selapis semikonduktor tipe-p di antara dua lapisan tipe-n. Arus

kecil yang memasuki basis pada tunggal emitor dikuatkan di keluaran kolektor. Dengan kata

lain, transistor NPN hidup ketika tegangan basis lebih tinggi daripada emitor.

Transistor PNP

Tipe PNP terdiri dari selapis semikonduktor tipe-n di antara dua lapis semikonduktor

tipe-p. Arus kecil yang meninggalkan basis pada moda tunggal emitor dikuatkan pada

keluaran kolektor. Dengan kata lain, transistor PNP hidup ketika basis lebih rendah daripada

emitor.

Gambar 2.1. Transistor PNP dan NPN

B) OPERASI TRANSISTOR

Pengoperasian transistor disesuaikan dengan tipe dari transistor tersebut, yakni PNP

atau NPN. Transistor memiliki tiga daerah operasi yang sering dimanfaatkan yakni, daerah

aktif, saturasi, dan cut off.


Transistor Tipe PNP

Mode EBJ CBJ

Cut Off Reverse Reverse

Aktif Forward Reverse

Saturasi Forward Forward

Transistor Tipe NPN

Mode EBJ CBJ

Cut Off Reverse Reverse

Aktif Forward Reverse

Saturasi Forward Forward

C) ANALISA PRATEGANGAN

Ada beberapa macam prategangan/bias yang biasanya digunakan dalam berbagai

macam transistor baik itu NPN maupun PNP. Berikut ini akan dijelaskan secara singkat

beberapa bias yang sering digunakan.

Fixed Bias

Pada konfigurasi ini, catuan transistor dihubungkan hanya ke satu sumber teganganyang

biasanya dinotasikan dengan Vcc. Di bawah ini akan dijelaskan secara umum mengenai

konfigurasi fixed bias.

Gambar 2.2. Rangkaian Fixed Bias

Emiter Stabilized Bias

Pada dasarnya konfigurasi pra tegangan ini hampir mirip dengan fixed bias, namun di

sini ditambahi lagi resistor pada kaki emitor.


Gambar 2.3. Rangkaian Emitter Stabilized Bias

Voltage Divider Bias

Pada konfigurasi ini, catuan tegangan untuk basis didapatkan melalui pembagian

tegangan antara dua buah resistor yang terhubung dengan kaki basis.

Gambar 2.4. Rangkaian Voltage Divider Bias

D) KONFIGURASI PENGUAT TRANSISTOR

Transistor merupakan komponen dasar untuk sistem penguat. Untuk bekerja sebagai

penguat, transistor harus berada dalam kondisi aktif. Kondisi aktif dihasilkan dengan

memberikan bias pada transistor. Bias dapat dilakukan dengan memberikan arus yang

konstan pada basis atau pada kolektor. Jika pada kondisi aktif transistor diberikan sinyal

(input) yang kecil, maka akan dihasilkan sinyal keluaran (output) yang lebih besar. Ada 3

macam konfigurasi dari rangkaian penguat transistor yaitu : Common‐Emitter (CE),

Common‐Base (CB), dan Common‐Collector (CC). Konfigurasi umum transistor bipolar

penguat ditunjukkan oleh gambar berikut ini.


Penguat Common Emitter

Gambar 2.5. Rangkaian Penguat Common Emitter

Penguat Common Base

Gambar 2.6. Rangkaian Penguat Common Base

Penguat Common Collector

Gambar 2.7. Rangkaian Penguat Common Collector


E) APLIKASI TRANSISTOR

Sebelum melangkah ke aplikasi dari transistor,ada baiknya menelaah terlebih dahulu

kurva karakteristik transistor berikut ini.

Gambar 2.8. Kurva Karakteristik Transistor

Fungsi transistor sebagai penguat telah sedikit dibahas sebelumnya. Yang sekarang akan

dibahas adalah transistor sebagai saklar dan inverter dengan memanfaatkan daerah saturasi

dan cut-off dari transistor tersebut.

Transistor Sebagai Inverter

Pada rangkaian ini, transistor masih bekerja pada kondisi saturasi maupun cut-off.

Layaknya gerbang logika NOT(inverter), transistor dapat mengubah input High(bit 1)

menjadi Low(bit 0) ataupun sebaliknya. Ketika ada arus input pada kaki basis(dalam hal

ini isyarat 1) maka transistor akan ON dan arus mengalir dari kolektor ke emitor,

sehingga output F akan bernilai 0. Sebaliknya jika tidak ada arus input pada kaki Basis

maka transistor akan OFF. Tidak akan ada arus mengalir menuju emitor,sehingga arus

akan dialirkan ke output. Output bernilai 1.

Gambar 2.9. Transistor Sebagai Inverter


Menentukan nilai RB dan RC :

- Asumsi hFE = 100, Ic sat = 10 mA dan VBE = 0,7 V (sebaiknya melihat

datasheet transistor yang digunakan)

- Maka akan didapatkan

RC =

atau RC = 500Ω

- Untuk mencari nilai RB, maka akan ditentukan dulu nilai Ib

Ib =

atau Ib = 0.1 mA

- Terakhir akan didapatkan

RB =

atau RB = 43 kΩ

Transistor Sebagai Saklar

Pada prinsipnya, switching menggunakan transistor sama halnya dengan switching

menggunakan saklar ataupun relay. Di sini fungsi transistor digunakan untuk

menyambung ataupun memutuskan arus pada suatu rangkaian listrik. Agar transistor

dapat berfungsi sebagai saklar, maka harus di set dulu komponen-komponen yang

digunakan serta tegangan pencatu yang digunakan agar transistor berada pada daerah

saturasi (saklar on) dan juga cut off (saklar off). Berikut ini sedikit ilustrasinya.

Gambar 2.9. Transistor Sebagai Saklar

Dari gambar diatas dan dari keterangan sebelumnya, saat transistor berada pada kondisi

saturasi (saklar ON), maka kaki collector dan emmitor akan terhubung sehingga VCE = 0,

namun sebaliknya jika berada pada kondisi cut off (saklar OFF), maka akan didapat VCE

= VCC.



1. KURVA KARAKTERISTIK TRANSISTOR

Gambar 2.10. Karakterisasi Transistor

Langkah kerja:

1. Susunlah komponen-komponen yang digunakan pada project board sesuai dengan

rangkaian skematik di atas (RB=100kΩ, RC = 470 kΩ)

2. Karena hanya ada satu buah multimeter, maka untuk mengukur arus maupun

tegangan dilakukan secara bergantian

3. Perhatikan rangkian sebelah kiri dan susun seperti pada gambar di atas dengan

menyambung secara seri multimeter yang digunakan dengan RB serta VBB,

sedangkan rangkaian di sebelah kanan dibiarkan saja terbuka dengan tidak

membentuk satu loop tertutup.

4. Set VBB agar arus yang terukur di multimeter (IB) tersebut sama dengan 0.02 mA.

Jika sudah pindahkan multimeter ke rangkaian sebelah kanan dan biarkan untuk

sementara waktu rangkaian di sebelah kiri dalam keadaan open circuit

5. Sekarang perhatikan rangkaian sebelah kanan, pasang multimeter secara seri untuk

mengukur arus (IC) yang melewati rangkaian sebelah kanan

6. Sambunglah rangkaian sebelah kiri yang terputus tersebut dengan jumper kabel dan

kemudian amati nilai IC yang terukur dengan mengubah nilai VCC dari 0 V – 10 V

7. Jika telah mendapatkan nilai IC, sekarang amati nilai VCE dengan memasang secara

parallel multimeter tersebut,dengan terlebih dahulu menyambungkan kembali

rangkaian sebelah kanan dengan jumper

8. Ulangi lagi langkah di atas untuk nilai Ib yang berbeda (0.04 – 0.01mA)

9. Catat hasilnya dalam jurnal


10. Gambarkan hasil yang didapat ke dalam grafik kurva karakteristik transistor

menggunakan kertas yang tersedia

11. Tentukan juga Ic saturasi dan VCE saturasi dari masing-masing kurva

2. PENGUAT COMMON BASE

Gambar 2.11. Penguat Common Base

Langkah Kerja :


rangkaian skematik di atas.

2. Berikan sinyal input dan ukur harganya (Vi). Dengan amplitude kurang dari 50mV

(sinyal kecil) dan frekuensi 1kHz.

3. Sambungkan Probe Ch1 Osiloskop pada input dan Ch2 pada output.

4. Amati sinyal output dan hitung berapa penguatannya.

5. Ukur tahanan masukan (Rin) dan tahanan luaran (Rout) menggunakan

potensiometer.

6. Potensiometer dipasang seri antara generator sinyal dan kapasitor C1 (4.7uF) untuk

mendapatkan nilai Rin. Ubah-ubah nilai potensiometer sehingga didapat nilai sinyal

input Vi‟ = ½ Vi. Dengan nilai Vi‟ adalah tegangan yang terukur setelah C1

7. Lepaskan potensiometer, lalu ukur potensiometer tersebut menggunakan multimeter.

Nilai yang terukur tersebut adalah nilai Rin.

8. Pengukuran Rout dilakukan dengan memasang potensiometer pada output.

9. Pasang potensiometer sebagai beban.

10. Berikan input, kemudian ukur output sebelum dipasang potensiometer. Nilai ini

adalah Vo

11. Ukur Vo‟ (tegangan pada potensiometer yang telah terpasang pada output) dan ubah

nilai potensiometer sampai didapat Vo2 = 1/2Vo1 (input tidak diubah).


12. Lakukan seperti nomor 7. Nilai yang terukur tersebut adalah nilai Rout.

3. PENGUAT COMMON EMITTER

Gambar 2.12. Penguat Common Emitter

Langkah Kerja :







5. Ukur tahanan masukan (Rin) dan tahanan luaran (Rout) menggunakan potensiometer.

Cara pengukuran Rin dan Rout sama seperti praktikum 3.

4. PENGUAT COMMON COLLECTOR

Gambar 2.13. Penguat Common Collector


Langkah Kerja :







5. Ukur tahanan masukan (Rin) dan tahanan luaran (Rout) menggunakan potensiometer.

Cara pengukuran Rin dan Rout sama seperti praktikum 3 dan 4.

5. TRANSISTOR SEBAGAI INVERTER

Gambar 2.14. Transistor Sebagai Inverter

Langkah Kerja :



2. Atur nilai VCC = 5 V.

3. Sambungkan sinyal generator pada Rb dengan amplitude 2 Vpp dan frekuensi 1 kHz.

4. Sambungkan probe Ch1 osiloskop pada sinyal masukan dan Ch2 pada sinyal keluaran

di kaki colletor BJT.

5. Amati bentuk sinyal dan Gambarkan.

6. Tuliskan hasil pengamatan pada jurnal.

7. Lakukan variasi bentuk sinyal (Segitiga, Kotak, Persegi)

8. Amati bentuk sinyal dan Gambarkan.


6. TRANSISTOR SEBAGAI SAKLAR

Gambar 2.15. Transistor Sebagai Saklar

Langkah Kerja :



2. Atur nilai VCC = 5 V.

3. Set potensiometer sehingga nilai VBE = 0. Ukur resistansinya.

4. Putar Potensiometer hingga led indicator menyala. Cabut potensioter dan ukur

resistansinya saat led menyala.

5. Kemudian ukur nilai tegangan di kolektor. Tulis Hasil Pengamatan pada jurnal.


MODUL III

MOSFET

A. PENDAHULUAN

Dalam bab ini akan dibahas transistor efek medan (Field Effect Transistor – FET). Ada

dua macam FET, yaitu FET sambungan (junction FET = JFET) dan Transistor Efek Medan

Logam-Oksida-Semikonduktor (metal-oxide-semiconductor field effect transistor-MOSFET).

Prinsip dasar perangkat ini pertama kali diusulkan oleh Julius Edgar Lilienfeld pada tahun

1925 . MOSFET mencakup kanal dari bahan semikonduktor tipe-N dan tipe-P, dan disebut

NMOSFET atau PMOSFET (juga biasa nMOS, pMOS).

B. TUJUAN PRAKTIKUM


1. Mengetahui dan mempelajari karakteristik transistor MOSFET.

2. Memahami konfigurasi MOSFET sebagai penguat untuk konfigurasi Common Source

dan Common Drain.

3. Mengaplikasikan MOSFET sebagai saklar.



1. 1 Set Osiloskop dan Probe

2. 1 Set Multimeter

3. 1 Set Function Generator

4. 1 Set DC Power Supply

5. Kabel Jumper

6. Tang Potong

7. Project Board

8. Komponen

Transistor MOSFET Enhancement Mode (IRF530)

Resistor (100KΩ dan 2K2Ω)

Kapasitor 100μF


D. TEORI DASAR

Field Effect Transistor (FET) adalah piranti tiga terminal seperti BJT. Istilah field effect

(efek medan listrik) sendiri berasal dari prinsip kerja transistor ini yang berkenaan dengan

lapisan deplesi (depletion layer). Lapisan ini terbentuk antara semikonduktor tipe-N dan tipe-

P, karena bergabungnya elektron dan hole disekitar daerah perbatasan. Sama seperti medan

listrik, lapisan deplesi ini bisa membesar atau mengecil tergantung dari tegangan antara Gate

dan Source. Namun, perbedaan utama dari kedua transistor ini adalah BJT merupakan piranti

yang dikontrol oleh arus sedangan FET merupakan piranti yang cara kerjanya berdasarakan

pengendalian arus listrik oleh tegangan. Perbedaan lainnya terdapat pada prinsip kerja kedua

jenis transistor tersebut. FET disebut juga transistor unipolar, yaitu transistor yang prinsip

kerjanya berdasarkan salah satu pembawa muatan, elektron atau hole. Sedangkan pada BJT

(Bipolar Junction Transistor) prinsip kerjanya berdasarkan dua muatan yang berbeda, yaitu

pembawa muatan positif (hole) dan pembawa muatan negatif (elektron). Untuk dapat lebih

memahami, perhatikan gambar berikut :

Gambar 3.1 : (a) Current Controller (b) Voltage Controller

Pada gambar 3.1 (a) (BJT), nilai IC (arus Collector) bergantung pada nilai dari IB (arus Basis),

sedangkan pada gambar (b) (FET), ID (arus Drain) nilainya bergantung pada tegangan VGS.

Pada gambar 3.1 juga terlihat bahwa kaki D (Drain) pada FET dapat dianalogikan dengan

kaki Collector pada BJT. Selain itu, kaki G (Gate) pada FET dapat dianalogikan dengan kaki

Base pada BJT dan kaki S (Source) dapat dianalogikan dengan kaki Emiter.Transistor FET

bekerja berdasarkan efek medan elektrik yang dihasilkan oleh tegangan yang diberikan pada

kedua ujung terminalnya. Pada transistor ini, arus yang muncul pada kaki Drain dihasilkan

oleh tegangan antara Gate dan Source. Jadi, dapat dikatakan bahwa FET adalah transistor

yang berfungsi sebagai “konverter” tegangan ke arus.


Karakteristik transistor efek medan dibandingkan transistor bipolar :

1. Operasinya tergantung pada aliran pembawa mayoritas saja.

2. Ukurannya kecil (yang terdapat di dalam IC).

3. Impedansi input tinggi (ratusan MW).

4. Stabil terhadap temperatur.

Ada dua jenis transistor FET, yaitu JFET (Junction FET) dan MOSFET (Metal-oxide

Semikonduktor FET). Kedua jenis transistor tersebut sebenarnya memiliki karakteristik

umum yang serupa, namun tetap ada perbedaan yang mendasar pada struktur dan

karakteristiknya. Transistor yang akan digunakan pada praktikum kali ini adalah transistor

MOSFET.

A) JFET

Junction FET terdiri atas dua jenis, yaitu JFET kanal-N dan JFET kanal-P. Kanal-N

dibuat dari bahan semikonduktor tipe-N dan kanal-P dibuat dari semikonduktor tipe-P. Ujung

ata dinamakan Drain dan ujung bawah dinamakan Source. Pada kedua sisi kiri dan kanan

terdapat implant semikonduktor yang berbeda tipe. Terminal kedua sisi implant ini terhubung

satu dengan lainnya secara internal dan dinamakan Gate. Gambar di bawah ini

menggambarkan struktur JFET kanal-N dan JFET kanal-P.

Gambar 3.2 : Struktur JFET (A) Kanal-N (B) Kanal-P

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya, istilah field effect transistor berasal dari

prinsip kerja transistor yang berkaitan dengan lapisan deplesi. Pada gambar di atas, lapisan

deplesi ditunjukan dengan warna kuning di sisi kiri dan kanan. Pada skema rangkaian

elektronika, JFET disimbolkan seperti pada gambar dibawah ini:


(a) (b)

Gambar 3.3 : Simbol Komponen (a) JFET-N (b) JFET-P

JFET kanal-n

Salah satu JFET adalah JFET kanal-N. Prinsip kerja JFET dapat ditinjau dari transistor

JFET kanal-N. Drain dan Source transistor ini dibuat dengan semikonduktor tipe-N dan Gate

dengan tipe-P. Gambar dibawah ini menunjukan bagaimana transistor ini diberi tegangan

bias. Tegangan bias antara Gate dan Source adalah tegangan reverse bias atau bias negatif.

Tegangan bias negatif berarti tegangan Gate lebih negatif terhadap Source. Pada transistor

ini, kedua Gate terhubung satu dengan lainnya.

Gambar 3.4 : Lapisan Deplesi Jika Gate-Source Diberi Bias Negatif

Elektron yang mengalir dari Source menuju Drain harus melewati lapisan deplesi. Disini

lapisan deplesi berfungsi seperti keran air. Banyaknya elektron yang mengalir dari Source

menuju Drain tergantung dari ketebalan lapisan deplesi. Lapisan deplesi bisa menyempit,

melebar atau terbuka tergantung dari tegangan Gate terhadap Source.

Jika Gate semakin negatif terhadap Source, maka lapisan deplesi akan semakin

menebal. Lapisan deplesi bisa saja menutup seluruh kanal transistor bahkan dapat menyentuh

Drain dan Source. Pada kondisi ini, arus Drain yang muncul akan sangat kecil,atau bahkan


tidak ada arus yang muncul sama sekali. Jadi jika tegangan Gate semakin negatif terhadap

Source maka semakin kecil arus yang bisa melewati kanal Drain dan Source.

Jika Gate lebih positif dari Source, maka daerah deplesi akan semakin menyempit,

sehingga arus Drain akan selalu muncul tanpa dapat dikontrol oleh tegangan GS.

Gambar 3.5 : Lapisan Deplesi Pada Saat Tegangan Gate-Source = 0 Volt

Jika pada sisi G-S tidak diberi bias (VGS = 0), ternyata lapisan deplesi mengecil hingga

muncul celah sempit. Arus elektron akan mengalir melalui celah sempit ini dan terjadilah

konduksi Drain dan Source. Arus yang terjadi pada keadaan ini merupakan arus maksimun

yang dapat mengalir berapapun tegangan Drain terhadap Source. Hal ini karena celah lapisan

deplesi sudah maksimum tidak bisa lebih lebar lagi. Tegangan Gate tidak bisa dinaikkan

menjadi positif, karena apabila nilainya positif maka Gate-Source tidak lain hanya sebagai

dioda. Karena tegangan bias yang negatif, maka arus Gate yang disebut IG akan sangat kecil

sekali. Dengan nilai arus yang sangat kecil, resistansi input (input impedance) Gate akan

sangat besar. Impedansi input transisitor FET umumnya bisa mencapai satuan MOhm. Dari

prinsip kerja FET, dapat disimpulkan seperti pada gambar kurva karakteristik dibawah ini :

Gambar 3.6 : Kurva Karakteristik JFET N-Channel


Dari gambar diatas, terlihat bahwa nilai ID = 0 mA saat nilai VGS = VP, dengan nilai VP pada

JFET kanal-N adalah negatif dan nilai VP pada JFET kanal-P adalah positif.

JFET kanal-P

Transistor JFET kanal-P memiliki prinsip yang sama dengan JFET kanal-N, hanya saja

sisi Drain dan Source dibuat dengan semikonduktor tipe-P, dan Gate dari semikonduktor tipe-

N. Dengan demikian polaritas tegangan dan arah arus berlawanan jika dibandingkan dengan

transistor JFET kanal-N.

B) MOSFET

Sebenarnya MOSFET (Metal-oxide semiconduktor FET) memiliki kemiripan dengan

JFET, yaitu memiliki kaki Drain, Source, dan Gate. Namun perbedaannya Gate terisolasi oleh

bahan oksida. Gate tersebut terbuat dari bahan metal seperti Aluminium. Oleh karena itulah

transistor ini dinamakan metal-oxide. Karena Gate yang terisolasi, transistor ini disebut juga

IGFET yaitu Insulated-Gate FET.

Ada dua jenis MOSFET, yaitu depletion-mode dan enhancement-mode. Jenis

MOSFET yang kedua adalah komponen utama dari gerbang logika dalam bentuk IC

(Integrated Circuit), µC (Mikro Controller) dan µP (Mikro Processor) yang merupakan

komponen utama dari komputer modern saat ini. Kedua jenis MOSFET tersebut juga

memiliki dua jenis, yaitu jenis MOSFET tipe-N dan jenis MOSFET tipe P. Transistor

MOSFET dalam berbagai referensi disingkat dengan nama MOS. Dua jenis tipe-N atau P

dibedakan dengan nama NMOS dan PMOS. Simbol untuk menggambarkan MOS tipe

depletion-mode dibedakan dengan tipe enchancement-mode. Perbedaan simbol tersebut dapat

terlihat pada gambar dibawah ini :

Simbol transistor (a) NMOS (b) PMOS tipe depletion mode

Simbol transistor (a) NMOS (b) PMOS tipe enhancement mode


MOSFET Depletion Mode

Pada gambar dibawah ini, terlihat struktur dari transistor depletion-mode. Pada sebuah

kanal semikonduktor tipe-N terdapat semikonduktor tipe-P dengan menyisakan sedikit celah.

Hal tersebut bertujuan agar elektron mengalir dari Source menuju Drain melalui celah sempit

tersebut. Gate terbuat dari metal (seperti Aluminium) dan terisolasi oleh bahan oksida tipis

SiO2 (kaca).

Gambar 3.7 : Struktur MOSFET Depletion-Mode

Semikonduktor tipe-P pada transistor ini disebut substrat-P dan biasanya dihubung

singkat dengan Source. Seperti pada transistor JFET, lapisan deplesi akan muncul saat VGS =

0. Dengan menghubung singkat substrat-P dengan Source diharapkan ketebalan lapisan

deplesi yang terbentuk antara substrat dengan kanal adalah maksimum. Sehingga ketebalan

lapisan deplesi selanjutnya hanya akan ditentukan oleh tegangan Gate terhadap Source. Pada

gambar, lapisan deplesi yang dimaksud ditunjukkan pada daerah yang berwarna kuning.

Saat tegangan Gate terhadap Source semakin negatif, arus Drain yang bias mengalir

akan semakin kecil, bahkan bias jadi tidak ada arus yang mengalir sama sekali. Hal ini

disebabkan karena lapisan deplesi telah menutup kanal. Saat tegangan Gate dinaikkan sama

dengan tegangan Source, arus akan mengalir. Karena lapisan deplesi mulai membuka.

Karena Gate yang terisolasi, tegangan kerja VGS boleh positif. Jika VGS semakin

positif, arus elektron yang mengalir dapat semakin besar. Hal inilah yang merupakan

perbedaan antara JFET dengan MOSFET depletion-mode, transistor MOSFET depletion-

mode bisa bekerja sampai tegangan Gate positif.


Kurva Drain MOSFET Depletion Mode

Analisa kurva Drain dilakukan dengan mencoba beberapa tegangan Gate VGS konstan,

lalu dibuat grafik hubungan antara arus Drain ID terhadap tegangan VDS.

Gambar 3.8 : Kurva Drain Transistor MOSFET Depletion-Mode

Dari kurva ini terlihat jelas bahwa transistor MOSFET depletion-mode dapat bekerja

(ON) mulai dari tegangan VGS negatif sampai positif. Terdapat dua daerah kerja, yang

pertama adalah daerah aktif/ohmic. Jika tegangan VGS tetap dan VDS terus dinaikkan,

transistor selanjutnya akan berada pada daerah saturasi. Jika keadaan ini tercapai, arus IDS

adalah konstan. Tentu saja ada tegangan VGS(maks), yang diperbolehkan. Karena jika lebih dari

tegangan ini akan dapat merusak isolasi Gate yang tipis atau akan merusak transistor itu

sendiri.

MOSFET Enhancement Mode

Jenis transistor MOSFET yang kedua adalah MOSFET enhancement-mode. Transistor

ini dapat dikatakan merupakan evolusi dari MOSFET depletion-mode. Gate terbuat dari metal

Aluminium dan terisolasi oleh lapisan SiO2 sama seperti transistor MOSFET depletion-mode.

Perbedaan struktur yang mendasar adalah substrat pada transisitor MOSFET enhancement-

mode dibuat sampai menyentuh Gate. Seperti terlihat pada gambar dibawah ini.


Gambar 3.9 : Struktur Mosfet Enhancement-Mode

Gambar di atas menunjukkan struktur transistor MOSFET enhancement-mode kanal-N.

Jika tegangan Gate VGS dibuat negatif, arus elektron tidak dapat mengalir. Juga ketika VGS =

0 ternyata arus belum juga bisa mengalir, karena tidak ada lapisan deplesi maupun celah

yang bisa dialiri elektron. Satu-satunya jalan adalah dengan memberi tegangan VGS positif.

Karena substrat terhubung dengan Source, maka jika tegangan Gate positif berarti tegangan

Gate terhadap substrat juga positif.

Tegangan positif ini akan menyebabkan elektron tertarik kearah substrat-P. Elektron-

elektron akan bergabung dengan hole yang ada pada substrat-P. Karena potensial Gate lebih

positif, maka elektron terlebih dahulu tertarik dan menumpuk di sisi substrat yang berbatasan

dengan Gate. Elektron akan terus menumpuk dan tidak dapat mengalir menuju Gate karena

terisolasi oleh bahan insulator SiO2 (kaca).

Jika tegangan Gate cukup positif, maka tumpukan elektron akan menyebabkan

terbentuknya semacam lapisan-N yang negatif dan seketika itulah arus Drain dan Source

dapat mengalir. Lapisan yang terbentuk ini disebut dengan istilah inversion layer. Kira-kira

terjemahannya adalah lapisan dengan tipe yang berkebalikan. Disini karena substratnya tipe-

P, maka lapisan inversion yang terbentuk adalah bermuatan negatif atau tipe-N.

Tentu ada tegangan minimum dimana lapisan inversion N mulai terbentuk. Tegangan

minimum ini disebut tegangan threshold VGS(th). Hal inilah yang merupakan perbedaan

utama prinsip kerja transistor MOSFET enhancement-mode dibandingkan dengan JFET. Jika

pada tegangan VGS = 0, transistor JFET sudah bekerja atau ON, maka transistor MOSFET

enhancement-mode masih OFF. Dikatakan bahwa JFET adalah komponen normally ON dan

MOSFET adalah komponen normally OFF.


Kurva Drain MOSFET Enhancement-Mode

VGS semua bernilai positif. Garis kurva paling bawah adalah garis kurva dimana

transistor mulai ON. Tegangan VGS pada kurva ini disebut tegangan threshold VGS(th).

Gambar 3.10 : Kurva Drain E-Mosfet

Karena transistor MOSFET umumnya digunakan sebagai saklar (switch), parameter

yang penting pada transistor E-MOSFET adalah resistansi Drain-Source. Biasanya yang

tercantum pada datasheet adalah resistansi pada saat transistor ON. Resistansi ini dinamakan

RDS(on). Untuk aplikasi power switching, semakin kecil resistansi RDS(on) maka semakin baik

transistor tersebut. Karena akan memperkecil rugi-rugi disipasi daya dalam bentuk panas.

Juga penting diketahui parameter arus Drain maksimum ID(maks) dan disipasi daya maksimum

PD(maks).MOSFET dapat berfungsi sebagai saklar, dengan ketentuan saklar akan ON ketika

VGS ≥ Vth dan VDD ≥ Vth. Vth merupakan V threshold dimana MOSFET mulai bekerja.

C) ANALISA PRATEGANGAN MOSFET ENHANCEMENT

Saat melakukan prategangan DC, semua sumber tegangan AC short circuit, sumber arus AC

open circuit, dan kapasitor open circuit. Setelah itu dapat kita buat rangkaian pengganti

MOSFET tersebut.

Rumus dasar transistor MOSFET antara lain : IG = 0 A, ID = IS

ID –

k =


Macam-macam Rangkaian MOSFET

1. Feedback Bias

IG = 0

VRG = IG x RG = 0

- VDD + ID.RD + VDS = 0

VDS = VDD – ID.RD

VDS = VGS

2. Voltage Divider Bias

Vth =

Rth = R1 // R2

- VDD + ID.RD + VDS + ISRS= 0

VDS = VDD – ID(RD + RS)

Vth + VGS + ISRS= 0

VGS = Vth - ISRS


D) PENGUAT FET

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.



1. PRATEGANGAN PADA MOSFET

Langkah Kerja :

1. Buatlah rangkaian seperti diatas ini pada project board dengan RG = 100KΩ dan RD =

2K2Ω.

2. Berikan catuan VGS pada rangkaian tersebut sebesar 0 Volt.

3. Berikan catuan VDD pada rangkaian tersebut mulai dari 0 Volt hingga 10 Volt dan

kemudian catat nilai VGS dan ID-nya.

4. Ulangi lagi poin C untuk VGS sebesar 1 Volt, 2 Volt, 2,5 Volt, 3 Volt, 3,5 Volt, 4

Volt, 4,5 Volt, dan 5 Volt.

5. Catat hasilnya pada tabel.

6. Buatlah kurva hubungan antara VDS dan ID.

2. PENGUAT COMMON SOURCE

Faktor Penguat

1. Buatlah rangkaian seperti pada gambar diatas.

2. Aturlah VDD sebesar 15 Volt.


3. Atur function generator dengan keluaran berupa sinyal sinusoidal dengan amplitudo

sebesar 200mVpp dan frekuensi 50 KHz.

4. Gunakan osiloskop untuk melihat sinyal pada Gate dan Drain transistor.

5. Tentukan penguatannya (AV = Vo /Vi).

6. Naikkan amplitudo generator sinyal dan perhatikan sinyal output ketika sinyal mulai

terdistorsi. Catatlah tegangan input ini.

7. Bandingkan nilai penguatan yang diperoleh dari percobaan ini dengan nilai dari hasil

perhitungan dengan menggunakan tabel karakteristik penguat MOSFET.

Resistansi Input

1. Hubungkan rangkaian diatas dengan sebuah resistor variabel pada inputannya seperti

pada gambar dibawah ini.

2. Hubungkan osiloskop pada Gate transistor.

3. Aturlah resistor variabel tersebut sampai amplitudo sinyal input menjadi ½ dari sinyal

input tanpa resistor variabel.

4. Catatlah nilai Rvar yang menyebabkan hal tersebut terjadi. Jadi, Rin = Rvar.

5. Bandingkan nilai resistansi input yang diperoleh dari percobaan ini dengan nilai dari

hasil perhitungan dengan menggunakan table karakteristik penguat FET.

Resistansi Output

1. Hubungkan rangkaian diatas dengan sebuah resistor variabel pada outputnya seperti

pada gambar dibawah ini.


2. Hubungkan osiloskop pada kapasitor Drain transistor.

3. Aturlah resistor variabel tersebut sampai amplitudo sinyal output menjadi ½ dari

sinyal output tanpa resistor variabel.

4. Catatlah nilai Rvar yang menyebabkan hal tersebut terjadi. Jadi, Rout = Rvar.

5. Bandingkan nilai resistansi output yang diperoleh dari percobaan ini dengan nilai dari

hasil perhitungan dengan menggunakan table karakteristik penguat FET.

3. COMMON DRAIN

Lakukan percobaan Faktor Penguatan, Resistansi Input, dan Resistansi Output seperti pada

Common Source, namun dengan konfigurasi rangkaian dibawah ini(RS = 2K2Ω).

4. MOSFET SEBAGAI SAKLAR

1. Buatlah rangkaian seperti gambar di bawah ini.

2. Atur nilai catuan untuk VGS sebesar 5 Volt.


3. Atur nilai VDD sebesar 10 Volt.

4. Rangkailah VDD dengan kaki Source dan RD.

5. Sambungkan catuan VGS dengan RG, apakah yang terjadi dengan LED tersebut.

6. Putuskanlah catuan VGS dengan RG, apakah yang terjadi dengan LED tersebut.


MODUL III

OPERATIONAL AMPLIFIER

A. PENDAHULUAN

Penguat porasional atau Op-Amp (dari kata operational amplifier) adalah penguat

diferensial dengan dua masukan dan sati keluaran yang mempunyai penguatan tegangan yag

amat tinggi, yaitu sampai orde . Dengan penguat yang sangat tinggi ini, penguat

oprasional dengan rangkaian balikan lebih banyak digunakan daripada dalam lingkar terbuka.

B. TUJUAN PRAKTIKUM

1. Memahami karakteristik dasar penguat Op-Amp

2. Memahami mode operasi dasar Op-amp

3. Mengetahui berbagai macam aplikasi Op-Amp


1. Osiloskop

2. Fucntion generator

3. Sumber teganan DC ( 2 buah )

4. Multimeter

5. Kaber jumper

6. Komponen

IC Op-amp ( IC 741 )

Resistor

Kapasitor

D. DASAR TEORI

Op-Amp pada hakekatnya merupakan sejenis IC. Penguat operasional ( Op-Amp )

adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat

diferensial. Op-Amp pada dasarnya adalah penguat bertingkat 4 kaki, tetap kaki (-)nya selalu

terhubung ke ground, sehingga lebih sering dilihat hanya mempunyai 3 kaki.


Penguat operasional memiliki dua masukan dan satu keluaran serta memiliki penguat

DC yang tinggi. Salah satu masukkan disebut pembalik (inverting) diberi tanda (-), dan satu

lagi adalah masukkan bukan pembalik(non-inverting) diberi tanda (+). Untuk dapat bekerja

dengan baik, penguat operasional memerlukan tegangan catu yang simetris yaitu tegangan

yang berharga positif (+V) dan tegangan yang berharga negatif (-V) terhadap tanah (ground).

Rangkaian ekivalensi Op-Amp ideal :

Gambar Karakteristik Op-Amp

Konfigurasi pin Op-Amp 741 :

A) KARAKTERISTIK PENGUAT OPERASIONAL IDEAL

1. Penguatan tegangan loop terbuka (open-loop voltage gain) sangat tinggi

Penguatan tengangan loop terbuka adalah penguatan diferensial Op-Amp pada kondisi

tidak terdapat umpan balik (feedback) yang diterapkan

= Vo / Vid = -


= ⁄ = -

keluaran Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran Vo berbeda fasa dengan

tegangan masukkan Vid. Dalam penerapannya, tegangan keluaran Vo tidak lebih dari

tegangan catu yang diberikan Op-Amp. Karena itu Op-Amp baik digunakan untuk penguat

sinyal yang amplitudonya sangat kecil.

2. Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) sangat rendah; = 0

Tegangan ofset keluaran adalah harga tegangan keluaran Op-Amp terhadap ground

pada kondisi = 0. Op-Amp yang dapat memenuhi harga = 0 V disebut Op-Amp

dengan CMR (Common Mode Rejection ) ideal. Dalam kondisi praktis, akibat adanya

ketidakseimbangan dan ketidakidentikkan dalam penguat diferensial, maka biasanya

berharga sedikit di atas 0 V. Apalagi bila tidak digunakan umpa baik, maka harga kan

menjadi cukup besar untuk menimbulkan saturasi pada keluaran. Untuk mengatasi hal ini,

maka perlu diterapkan tegangan koreksi pada Op-Amp agar saat = 0, juga = 0.

3. Hambatan masukkan ( input resistance ) sangat besar; =

Hambatan masukkan ( ) dari Op-Amp adalah besar hambatan di antara kedua

masukkan Op-Amp. Dalam kondisi praktis, harga hambatan masukkan Op-Amp adalah 5 k –

20k ohm, tergantung tipenya. Harga ini biasanya diukur pada kondisi tanpa umpan balik.

Apabila umpan balik negatif diterapkan pada Op-Amp, maka Ri akan meningkat. Semakin

besar , semakin baik penguat tersebut dalam menguatkan sinyal yang amplitudonya

sangat kecil. Dengan yang besar, maka sumber sinyal masukkan tidak terbebani terlalu

besar.

Gambar Hambatan Masukan


4. Hambatan keluaran ( output resistance ) sangat kecil; = 0

Hambatan keluaran dari Op-Amp adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada

saat Op-Amp bekerja sebagai pembangkit sinyal. Apabila hal ini tercapai, maka seluruh

tegangan keluaran akan timbul pada beban keluaran ( ). Dalam kondisi praktis, harga

adalah antara beberapa ohm hingga ratusan ohm pada kondisi tanpa umpan balik. Dengan

diterapkannya umpan balik, maka harga akan menurun hingga mendekati kondisi ideal.

Gambar Hambatan Keluaran

5. Lebar pita ( band width ) sangat besar; BW =

Lebar pita dari Op-Amp adalah frekuensi tertentu dimana tegagan keluaran tidak jatuh

lebih dari 0,707 dari harga tegangan maksimum pada saat amplitudo tegangan masukkan

konstan.

6. Waktu tanggapan ( respon time ) = 0 detik

Waktu tanggapan dari Op-Amp adalah waktu yang diperlukan oleh keluaran untuk

berubah setelah masukkan berubah. Keluaran harus berubah langsung pada saat masukkan

berubah. Dalm prakteknya, waktu tanggapan memang cepat tetapi tidak langsung berubah

sesuai masukkan, umumnya adalah beberapa mikro detik, disebut juga slew rate. Tetapi pada

penerapan biasa, hal ini dapat diabaikan.

7. Karakteristik tidak berubah terhadap suhu

Suatu bahan semikonduktor akan berubah karakteristiknya bila terjadi perubahan suhu

yang cukup besar. Dalam prakteknya, karakterinstik sebuah Op-Amp pada umumnya sedikit

berubah, walaupun pada penerapan biasa, perubahan tersebut dapat diabaikan.

Kondisi ideal tersebut hanya merupakan kondisi teoritis tidak mungkin dapat dicapai

dalam kondisi praktis. Sebuah Op-Amp yang baik harus memiliki karakteristik yang

mendekati kondisi ideal.


B) MODE OPERASI OP-AMP

1. Inverting amplifier

Gambar Konfigurasi Inverting

Penguat pembalik merupakan rangkaian penguat operasional yang paling besar,

menggunakan umpan balik negatif untuk mendapatkan tegangan loop tertutup. Input berupa

ground virtual sebab merupakan hubungan singkat bagi tegangan tetapi hbungan buka bagi

arus.

(

(

)

)

(

)

2) Non-inverting Amplifier


Gambar Konfigurasi Non-invrting

(

)

(

) ( (

))

Jika sinyal diinputkan terminal non-inverting input dan ground, sementara terminal

inverting input di ground kan, maka sinyal output sefasa dengan sinyal input.

C) APLIKASI OP-AMP

1) Adder

Adder sering digunakan untuk menjumlah atau mencampur beberapa isyarat suara tanpa

saling mengganggu. Alat semacam ini dikenal sebagai pencampur audio, yang digunakan

untuk mencampur isyarat musik dari berbagai instrument dan suara penyanyi melalui

mikrofon. Penguat jumlah juga digunakan untuk menjumlah beberapa isyarat secara

matematik dan digunakan pada komputer analog.

(

)

(

)


Gambar Konfigurasi Adder

2) Diferensiator

Kalau komponen C pada rangkaian penguat inverting ditempatkan didepan, maka akan

diperoleh rangkaian diferensiator seperti pada gambar. Dengan analisa yang sama seperti

rangkaian integrator, akan diperoleh persamaan penguatnya:

Rumus ini secara matematis menunjukan bahwa tegangan keluaran Vout pada

rangkaian ini adalah diferensias dari tegangan input Vin. Contoh praktis dari hubungan

matematis ini adalah jika tegangan input berupa sinyal segitiga, maka outputnya akan

menghasilkan sinyal kotak.

Bentuk rangkaian diferensiator adalah mirip dengan rangkaian inverting. Sehingga jika

berangkat dari rumus penguat inverting:

G= -

Dan pada rangkaian differensiator diketahui:

Maka jika besaran ini disubtitusikan akan didapat rumus penguat differensiator:


Dari hubungan ini terlihat sistem akan meloloskan frekuensi tinggi (high pass filter),

dimana besar penguatan berbanding lurus dengan frekuensi. Namun demikian, sistem seerti

ini akan menguatkan noise yang umumnya berfrekuensi tinggi. Untuk praktisnya, rangkaian

ini dibuat dengan penguat DC sebesar 1 (unity gain). Biasanya kapasitor diseri dengan sebuah

resistor yang nilainya sama dengan R. Dengan cara ini akan diperoleh penguat 1 (unity gain)

pada nilai frekuensi cut-off tertentu.

3) Integrator

Op-amp bisa juga digunakan untuk membuat rangkaian untuk membuat rangkaian-

rangkaian dengan respons frekuansi, misalnya rangkaian penapis (filter). Salah satu

contohnya adalaha rangkaian integrator seperti yang ditunjukan pada gambar. Rangkaian

dasar sebuah inegrator adalah rangkaian Op-Amp inverting, hanya saja rangkaian feedback-

nya bukan resistor melainkan menggunakan kapasitor C.

Prinsip nya sama dengan menganalisa rangkaian Op-Amp inverting. Dengan

menggunakan 2 aturan Op-Amp (golden rule) maka pada titik inverting akan didapatkan

hubungan matematis:

=

⁄ = - , dimana v_ = 0 (aturan 1)

=-

⁄ = - ; v_ = 0

= ; (aturan 2)

Maka jika disubtisusik,akan diperoleh persamaan:

= -

⁄ , atau dengan kata lain:

∫


Dari sinilah nama rangkaian ini diambil, karena secara matematis tegangan ini

merupakan fungsi integral dari teganga input. Aplikasi yang paling populer menggunakan

rangkaian integrator adalah rangkaian pembangkit sinyal segitiga dari inputnya yang berupa

sinyal kotak.

Penguatan integrator dapat ditulis dengan:

Karena respons frekuensinya yang demikian, rangkaian integrator ini merupakan dasar

dari low pas filter dari rumus tersebut secara matematis, penguatan akan semakin kecil

(meredam) jika frekuensi sinyal input makin besar.

E. LANGKAH PRAKTIKUM

KARAKTERISTIK OP-AMP IDEAL

A) Penguatan loop terbuka sangat tinggi

1. Buatlah rangkaian pengukuran seperti gambar-1

2. Berikan tegangan input (Vin) seperti pada tabel-1. (Input yang

digunakan DC)

3. Ukur tegangan (Vout) dan catat hasilnya pada tabel tersebut

B) Impedansi input sangat besar


2. Berikan tegangan input (Vin) seperti pada tabel-2

3. Ukur arus input (Iin) dan catat hasilnya pada tabel tersebut

C) Impedansi output sangat kecil


2. Berikan tegangan input (Vin) untuk rangkaian tanpa beban (Rx)

3. Ukur tegangan output (Vout) tanpa beban

4. Ubah-ubahlah nilai potensio sehingga sama dengan nilai Rx

5.Ubah nilai potensio sampai Vm bernilai ½ dari Vout

MODE OPERASI OP-MP

D) Inverting Closed loop gain



2. Berikan tegangan input (Vin) dan lakukan perubahan nilai R1 seperti

pada tabel-4 dan amatilah amplitudo sinyal output (input yang

digunakan AC)

3. Ukur tegangan output (Vout) dan catat hasilnya pada tabel tersebut

4. Amati sinyal outputnya, kemudian bandingkan dengan sinyal input

E) Non-inverting closed loop gain


2. Berikan tegangan input (Vin) dan lakukan perubahan nilai R1 seperti

pada tabel-5 dan amatilah amplitudo sinyal output

3. Ukur tegangan output (Vout) dan cata hasilnya pada tabel tersebut

4. Amati sinyal outputnya, kemudian badingkan dengan sinyal input

F) Diferensiator


2. Berikan tegangan input (Vin) dengan frekuensi (fin) sesuai kombinasi

pada tabel-6

3. Amati perubahan amplitudo, bentuk dan pergeseran fasa sinyal output

jika sinyal input sinusiodal dan sinyal input persegi

4.Gambar bentuk sinyal pada grafik yang telah disediakan

G) Integrator

1.Buatlah rangkaian pengukuran seperti gambar-9

2. Berikan tegangan input (Vin) dengan frekuensi (fin) sesuai kombinasi

pada tabel-7

3. Amati perubahan amplitudo, bentuk dan pergeseran fasa sinyal output

jika sinyal input sinusiodal dan sinyal input persegi

4.Gambar bentuk sinyal pada grafik yang telah disediakan


MODUL V

PENGUAT INSTRUMENTASI

I. PENDAHULUAN

Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup (closed loop) dengan masukan

diferensial, dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi nisbah penolakan modus

bersama (Common Mode Rejection Ratio - CMRR). Fungsi utama penguat instrumentasi

adalah untuk memperkuat tegangan yang tepat berasal dari suatu sensor atau tranducer secara

akurat.

II. TUJUAN PRAKTIKUM

- Mengetahui tentang rangkaian penguat instrumentasi

- Memahami bagian – bagian rangkaian penguat instrumentasi

- Menganalisa penurunan rumus rangkaian instrumentasi

III. ALAT DAN KOMPONEN

1. 1 set osiloskop dan probe

2. Multimeter

3. 2 Set function generator

4. Kabel jumper secukupnya

5. 2 Set power suplly Variabel DC (+ -)

6. Potensiometer (10KΩ) 4 buah

7. IC Op-Amp (LM741)

IV. TEORI DASAR

Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup (closed loop) dengan masukan

diferensial, dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi nisbah penolakan modus

bersama (Common Mode Rejection Ratio - CMRR). Fungsi utama penguat instrumentasi

adalah untuk memperkuat tegangan yang tepat berasal dari suatu sensor atau tranducer secara

akurat.Rangkaian ekuivalen penguat instrumentasi adalah sebagai berikut.


Gambar VI.1: rangkaian ekuivalen suatu penguat instrumentasi

Keterangan :

Besaran Ricm adalah hambatan atau impedansi masukan difeensial. e0,0 adalah tegangan

keluaran tanpa beban (terbuka) dan R0 adalah hambatan atau impedansi keluaran. Karena

penguat instrumentasi adalah penguat loop terbuka. Maka tak perlu dipasang rangkaian

umpanbalik untuk menggunakannya seperti halnya penguat operasional (op-amp).Penguat

instrumentasi yang bermutu tinggi dibuat dalam bentuk hybrid yaitu campuran IC dan

komponen diskrit.Satu contoh penguat instrumentasi adalah penguat Burr-Brown

3620.Spesifikasi penguat ini adalah sebagai berikut:

Drift rendah : ± 25 µv/oc

Bising rendah : 1 µVpp

CMRR tinggi : 100 dB

Impedansi masukan tinggi : 300 MΩ (diferensial) dan 1GΩ CM (common mode)

Kisaran penguatan : 1 hingga 10.000

Penguat instrumentasi dapat dibuat dengan menggunakan op-amp. Mutu penguat ini

bergantung pada mutu op-amp yang digunakan yang menyangkut offset masukan, impedansi

masukan, drift pada tegangan keluaran, CMRR, PSRR dan sebagainya. Disamping itu CMRR

dan ketepatan penguatan op-amp amat bergantung kepada presisi dari komponen pasif yang

digunakan.Marilah kita bahas 2 rangkaian penguat instrumentasi menggunakan op-amp.

Rangkaian yang lazim digunakan orang untuk membuat penguat instrumentasi dengan op-

amp adalah sepertigambar IV.2.


Gambar VI.2 suatu penguat instrumentasi

Kita dapat bagi rangkaian di atas menjadi dua bagian yaitu bagian 1 terdiri dari OA1 dan

OA2, dan bagian 2 terdiri dari OA3. Marilah kita bahas bagian II lebih bagian kitalu kiskan

lagi pada gambar berikut.

Gambar VI.3 rangkaian penguat diferensial menggunakan op-amp

Oleh karena hambatan masukan diferensial dari op-amp amat tinggi maka dapat dianggap I1

= 14 = 0 sehingga:

Ia = Ia‟ danIb = Ib‟

Dengan menggunakan hukum Kirchoff kita peroleh :

ea – Vo = (R2 + R6) Ia


eb– 0 = (R5 + R7) Ib

selanjutnya kita gunakan suatu sifat op-amp yang lain yaitu bahwa masukan inverting dan

non inverting ada dalam keadaan hubung singkat virtual oleh sebab ini:

Vo = -IaR6+ I6 R7

Dari ketiga persamaan ini kita peroleh :

Vo= -IaR6 + I6 R7Vo =

eb – (ea - Vo)

Vo = (1+

)(

eb –

ea)

Agar tegangan Vo sebanding dengan selisih tegangan isyarat masukan maka harus dibuat agar

:

=

atau

=

Sebaiknya digunakan R5=R2 dan R7=R6 maka:

Vo = (1+

)(

eb-ea)

Vo=-

(ea-eb)

Jadi, Av,dif =

= -

Penguatan common mode dapat kita peroleh bila kita gunakan

eb = ea = eCM ………………………………………………………………..(1)

Gambar VI.4 Rangkaian penguat diferensial dengan menggunakan common mode.


Persamaan menjadi

Vo = (1+

)(

–

)eCM ………………………………………………(2)

Seperti telah digunakan di atas jika digunakan R7=R6 dan R5=R2 kita peroleh penguat

diferensial akan tetapi dalam prakteknya tidak mungkin membuat dua hambatan tepatsama.

Resistor yang dijual ditoko mempunyai toleransi minimum 1%.

Misalkan

–

= ∆<< 1

Maka Vo = (1+

)∆eCM

Av,CM=

=(1 +

)∆

Dari persamaan di atas kita peroleh common mode Rejection ratio.

CMRR=

=

(

)

CMRR= (

)

Tampak bila ∆ = 1% = 0.01 dan R2 = R6 maka CMRR = 60 = 30 dB

Jadi agar diperoleh CMRR yang tinggi diperlukan komponen dengan presisi yang tinggi pula.

Marilah kita kembali kepada gambar VI.2 dan kita lukiskan bagian I

Gambar VI.5 bagian I rangkaian pada gambar VI.2

Oleh karena masukan inverting dan non inverting pada op-amp ada pada keadaan hubung

singkat virtual, maka tegangan pada titik A = ea dan pada titik B = eb, disamping itu karena

hambatan masukan diferensial pada op-amp mempunyai harga sangat besar maka arus I1 = I2

= 0 akibatnya:

VPQ = VP – VQ = I (R1 + R3 + R4)


Akan tetapi VA – Vb = ea – eb = IR3

Sehingga I =

Sehingga V = (1 +

)(ea– eb)

Persamaan eb = ea = eCM maka VPQ = 0 sehingga Av,CM= 0, yang berarti bahwa pada

rangkaian gambar IV.2 penurunan CMRR disebabkan oleh bagian II saja. Ini berarti bahwa

dipandang dari segi CMRR hanya R2, R6, R5dan R7 yang harus mempunyai nilai yang presisi.

Penguatan dari seluruh rangkaian gambar IV.2 dapat diperoleh dengan menggabungkan

persamaan 1 dan 2 yaiu :

Av,dif= (1 +

)(

)

Suatu contoh rangkaian instrumentasi ditunjukan pada gambar IV.6 yang digunakan adalah

tipe CA 3140 yaitu CMOS-input op-amp dengan Zin(CM)=1012, CMRR=90dB, unity gain

bandwith 7,5 MHz dan PSRR = 90dB. IC CA 3240 adalah dua CA 3140 yaitu dalam satu IC

ada dua op-amp seperi CA 3140.

Gambar VI.6 penguat diferensial presisi

Spesifikasi penguat diatas adalah respon frekuensi (-3 dB) dc hingga 1 Mhz; slew rate = 1,5

V/us, CMRR = 86 dB.Penguatan = 35-60 dB.


Suatu rangkaian penguat instrumentasi lain ditunjukkan padagambar VI.7

Gambar IV.7 suatu rangkaian penguat instrumentasi

Rangkaian diatas digunakan penguat instrumentasi buatan Burr Brown yaitu BB 3627, suatu

penguat insrumentasi dengan drift amat rendah. Keuntungan dibandingkan dengan rangkaian

pertama adalah hanya diperlukan dua op-amp dan empat buat resistor. R5 tak perlu dipasang

bila diinginkan penguatan tegangan sama besar. (1+

)

Kita gunakan dua sifat op-amp yaitu bahwa masukan invering dan non inverting ada dalam

keadaan hubung singkat virtual, dan bahwa hambatan diferensial antara kedua masukan ini

amat besar.Sehingga arus yang masuk dapat diabaikan. Dari gambar IV.7 kita peroleh

Io = I1+I2

Io =(Eo- Ea)/ R4

I1= (Ea - Eb)(1+

) / R3

I2 =(Ea– Eb)/ R5

Dari hubungan – hubungan di atas kita dapatkan :

Eo= Ea (1+

+

) – Eb (

+

+

)

Bila dibuat agar R2R4 = R1R3 yaitu dengan memilih R2 = R3dan R4 = R5 maka

Eo= (1+

+

) (Ea-Eb)


Io = I1+I2

I2 =(Ea– Eb)/ R5

I3 =

– I2

Ec – Ea = R2(

-

)

Ec = Ea +

+

-

= Ea (1 +

+

) -

I1 =

=

(Eb (1 +

) – Ea (1+

+

))

Io = I1+I2

=

(Eb (1 +

) – Ea (1+

+

)) +

Vo – Eb = R4Io

=

[Eb (1 +

) – Ea (1+

+

)] +

(Eb - Ea)

= Eb +

Eb (1 +

) – Ea

(1+

+

) +

(Eb - Ea)

= Eb (1+

+

+

) – Ea (1+

+

+

+

)

(1+

+

+

+

+

+

) = 1

R4 = R1 R2 = R3

= (Eb - Ea)(1+

+

-

)

= (Eb - Ea)(1+

+

-2

)

= (Eb - Ea)(100 + 2

)

Atau Av,dif = (1+

+

) bila R2 R4 tidak tepat sama dengan R1R3, sehingga dapat

dituliskan

= 1 + ∆

Dengan ∆ << 1 maka untuk isyara Ea = Eb = ECM

Eo = ( ) ECM

Kita peroleh Common Mode Rejection yaitu :


CMMR =

∆

Tampak bahwa R5 tidak mempengaruhi AV,CM sehingga dapat digunakan untuk mengatur

penguatan tanpa mengubah CMRR.

V. PROSEDUR PRAKTIKUM

A. Rangkaian penguat differensial menggunakan op-amp

1. Rangkaliah sebuah rangkaian sesuai dengan gambar VI.3

2. Berikan ea = 200 mVpp, eb =200 mVpp dan frekuensi 10Khz. Ubah nilai

potensiometer pada R2, R5, R6, dan R7 sesuai dengan di jurnal

3. Berikan VCC = 10 V, VDD = -10 V

4. Isi data-data yang diperlukan di jurnal

5. Gambarkan bentuk sinyal input dan sinyal output pada jurnal

6. Tentukan nilai penguatannya

B. Rangkaian penguat differensial menggunakan common mode

1. Rangkaliah sebuah rangkaian sesuai dengan gambar VI.4

2. Berikan eCM = 200mVpp, dan frekuensi 10Khz

3. Berikan VCC = 10 V, VDD = -10 V

4. Ubah nilai potensiometer pada R2, R5, R6, dan R7 sesuai dengan di jurnal



7. Tentukan nilai penguatannya CMMR-nya

C. Rangkaian Penguat Instrumentasi

1. Rangkailah sebuah rangkaian sesuai dengan gambar VI.5

2. Berikan eb= 200mVpp , eb= 200mVpp, dan frekuensi 10Khz


3. Tentukan nilai R2, R5, R6, dan R7 sesuai dengan di jurnal



6. Tentukan nilai penguatan instrumentasinya

Documents

MODUL I DIODA - labsistel.hol.eslabsistel.hol.es/wp-content/uploads/2013/09/Modul-Elektronika.pdf · pada gambar tersebut merupakan kurva karakteristik dioda saat mendapatkan prategangan