PENGUAT TRANSISTOR Oleh

PENGUAT TRANSISTOR
Oleh : Sumarna, Jurdik Fisika, FMIPA, UNY
E-mail : [email protected]
1. Pendahuluan
Dalam modul terdahulu dibicarakan mengenai dasar-dasar penguat transistor
terutama bagaimana transistor dioperasikan dalam kaitannya pemberian tegangan kerja
atau tegangan bias. Pemahaman pemberian tegangan kerja tersebut sangat bermanfaat
untuk memahami bagaimana transistor siap bekerja atau siap diberikan sinyal masukan.
Selanjutnya dalam pembicaraan modul ini pemberian tegangan kerja bukan lagi suatu
permasalahan yang dominan, artinya kita
langsung
akan
membicarakan transistor
sebagai penguat yang beroperasi karena adanya sinyal masuk. Sehingga tegangan kerja
sedikit sekali dibahas. Oleh karena kita membicarakan transistor dalam keadaan bekerja
dengan diberi sinyal atau isyarat masukan, maka dalam analisisnya kita akan banyak
menggunakan rangkaian setara-h dari pada rangkaian dc.
Dalam modul ini akan dibahas fungsi rangkaian transistor sebagai rangkaian
penguat baik menggunakan rangkaian diskrit (menggunakan transistor dan piranti pasif
lainnya) maupun menggunakan rangkaian terintegrasi ( IC : Integrated circuit). Seperti kita
ketahui bahwa hampir semua peralatan elektronik terdiri dari rangkaian penguat. Fungsi
dari rangkaian penguat pada umumnya untuk menguatkan sinyal yang lemah pada masukan
agar diperoleh sinyal yang lebih kuat pada keluarannya. Jadi rangkaian penguat adalah
rangkaian yang dapat memberikan penguatan baik penguatan tegangan, penguatan arus
maupun penguatan daya. Misalnya pesawat penerima radio yang menguatakan sinyal
sangat lemah dari antena menjadi sinyal yang lebih kuat hingga di dalam suatu ruangan
penuh dengan suara. Suatu tranduser atau sensor dalam bidang kesehatan maupun
pendidikan menghasilkan sinyal dalam orde mikrovolt. Sinyal tersebut harus dikuatkan
beribu kali bahkan jutaan kali hingga diperoleh indikasi yang cukup kuat yang dapat
diamati. Selain menguatkan sinyal dalam arti yang sesungguhnya, rangkaian penguat juga
dapat difungsikan sebagai penyangga (buffer). Rangkaian penyangga mengambil sinyal
dari piranti dengan impedansi keluaran tinggi dan mengirimkannya ke piranti lain dengan
impedansi masukan rendah. Rangkaian penyangga juga disebut rangkaian penjodoh
1
impedansi (impedance matching), pengikut emitor (emitor follower) atau pengikut sumber
(source follower). Dalam modul ini juga akan dibicarakan fungsi rangkaian transistor
sebagai penguat akhir dengan faktor penguat daya yang besar. Pada bagian ini akan
dibahas bagaimana bentuk rangkaian diskrit dari berbagai macam penguat akhir dan
dibicarakan pula penguat akhir yang dirangkai dari rangkaian terpadu (IC).
2. Tujuan Instruksional Umum
Setelah mempelajari Pokok Bahasan dan Sub Pokok Bahasan Penguat Transistor,
diharapkan mahasiswa mempunyai pengetahuan dan memahami fungsi kerja dari
rangkaian penguat transistor dalam rangkaian elektronika.
3. Tujuan Instruksional Khusus
Setelah mempelajari Pokok Bahasan dan Sub Pokok Bahasan Penguat Transistor,
Mahasiswa mempunyai kemampuan
3.1.Menjelaskan fungsi rangkaian transistor sebagai rangkaian penguat awal dengan
impedansi masukan tinggi
3.2.Menjelaskan fungsi rangkaian transistor sebagai rangkaian penyangga (buffer)
3.3.Menjelaskan fungsi rangkaian transistor sebagai penguat akhir dengan faktor penguat
daya yang besar
3.4.Menunjukan kemudahan teknis penggunaan rangkaian terpadu (IC: integrated circuit)
sebagai rangkaian penguat awal maupun rangkaian penguat akhir.
2
4. Kegiatan Belajar 1
PENGUAT AWAL
4.1. Pengantar
Penguat awal merupakan suatu rangkaian yang digunakan untuk memperkuat
sinyal atau isyarat dari suatu sumber isyarat yang besarnya arus maupun tegangan masih
lemah. Demikian pula sering didapatkan bahwa hambatan keluaran atau impedansi
keluaran dari sumber isyarat cukup
tinggi,
sehingga
isyarat akan
kehilangan
tegangannya atau terjadi pembebanan pada rangkaian berikutnya apabila impedansi
masukan
rangkaian berikut rendah. Untuk itu diperlukan suatu penguat awal yang
mampu menjembatani antara sumber isyarat dan penguat berikutnya dengan penguat
awal sehingga sumber isyarat tidak kehilangan tegangannya. Misalkan sebagai contoh kita
mengambil tegangan dari suatu keluaran photosel, tegangan keluaran photosel sangat
kecil untuk dibaca dengan millivoltmeter demikian pula impedansi keluarannya dalam
orde sepuluh mega-ohm. Maka tegangan ini tidak akan terbaca oleh millivoltmeter yang
orde impedansi masukannya hanya puluhan kilo-ohm. Oleh karena itu diperlukan suatu
penguat awal yang mampu memperkuat sinyal dan
sekaligus
masukan yang tinggi. Namun sebelum kita masuk pada
memiliki
pembahasan
impedansi
materi perlu
dibicarakan terlebih dahulu rangkaian setara-h untuk transistor dalam konfigurasi emitor
bersama, agar pembahasan penguat dengan mendapat isyarat ac kecil lebih mudah.
4.2. Rangkaian setara-h
Kita dapat menganggap bahwa suatu penguat atau transistor merupakan piranti yang
memiliki dua gerbang. Gerbang yang dimaksud adalah gerbang masukan dan gerbang
keluaran, seperti tergambar di gambar 6.1., yang melukiskan atau memberikan simbol
dari suatu piranti dengan dua gerbang.
Masukan
PIRANTI
Keluaran
Gambar 6.1 : Piranti dengan dua gerbang.
3
Sesungguhnya dari kedua gerbang tersebut kita dapat meninjau untuk bagian
masukannya, misalnya hambatan, tegangan dan arus masukannya. Demikian pula untuk
bagian keluarannya. Namun kali ini kita akan menekankan pada rankaian setaranya.
Sesungguhnya ada beberapa macam rangkaian setara, yaitu setara -T, -z, -y dan rangkaian
setara parameter-h.
Rangkaian setara didasarkan pada rangkaian setara Thevenin untuk hambatan
keluaran yang tidak terlalu besar atau rangkaian setara Norton untuk hambatan keluaran
yang besar. Untuk kesempatan kali ini kita akan membahas rangkaian setara parameter-h.
Dalam rangkaian setara parameter-h untuk
transistor dengan emitor bersama pada
masukan digunakan rangkaian setara Thevenin, sedangkan pada keluarannya digunakan
rangkaian setara Norton. Hal ini mengingat bahwa pada
transistor dwikutub emitor
bersama hambatan masukan rendah, dan pada keluaran merupakan sumber arus tetap
yang dikendalikan oleh arus masukan. Rangkaian setara parameter-h ditunjukkan pada
gambar 6.2.
iI
i0
hI
vI
1/h0
hf iI
v0
 hr v0
Gambar 6.2 : Rangkaian setara parameter-h.
Dari gambar 6.2 dapat diperoleh
dengan :
vi = hi ii + hr v0
(1)
i0 = hf ii + h0 v0
(2)
vi = tegangan sinyal/isyarat masukan
ii = arus sinyal/isyarat masukan
v0 = tegangan sinyal/isyarat keluaran
i0 = arus sinyal/isyarat keluaran.
4
Sedangkan parameter-h adalah :
hi = impedansi masukan dengan keluaran terhubung singkat
hr = nisbah tegangan balik dengan masukan terbuka
hf = nisbah arus maju dengan keluaran terhubung singkat
h0 = admitansi keluaran dengan masukan terbuka.
Untuk hubungan emitor ditanahkan digunakan parameter-h : hie, hre, hfe dan hoe.
Sedangkan untuk hubungan basis bersama digunakan hib, hrb, hfb dan hob, dan untuk
kolektor bersama digunakan hic, hrc, hfc dan h0c. Nilai hie adalah
hie = rb + ( 1 + hfe ) re
(3)
rb = hambatan melintang dalam basis yang besarnya kira-kira 300 W, untuk titik Q berada
ditengah-tengah, adakalanya nilai ini dapat diabaikan terhadap ( 1 + hfe )re.
re = hambatan sambungan pn untuk panjar maju dengan isyarat kecil, yaitu
Nilai
re =
26
atau dengan pendekatan
I E (Q)mA
hre
sangat kecil pada orde 10-4, sehingga hasil perkaliannya dengan v0 kecil
re =
25
I E (Q)mA
(4)
mendekati nol, dan diabaikan terhadap hi ii. Nilai hfe tidak lain adalah , sedangkan h0e
ordenya di sekitar 25 A/V (A/V = mho = siemen) atau 1/h0e di sekitar ~40 k, atau
tepatnya tergantung dari tipe transistornya.
Nilai-nilai dari parameter yang lain biasanya dilihat pada buku panduan dari
transistor yang dikeluarkan oleh pabrik pembuatnya, namun untuk keperluan kegiatan
belajar ini kita dapat mengadakan perandaian atau pendekatan-pendekatan nilai.
4.3. Penguat Awal
Penguat awal pada umumnya digunakan untuk memperkuat tegangan isyarat
masukan yang lemah dan impedansi dari isyarat cukup tinggi. Apabila isyarat tersebut
kita masukan dalam penguat emitor bersama ada kemungkinan tegangan isyarat tadi
akan mengalami penurunan yang sangat besar, atau dengan kata lain terjadi pembebanan
pada rangkaian masukan karena hambatan masukan penguat rendah. Oleh karena itu
untuk melakukan penguatan, terlebih dahulu kita harus tahu berapa impedansi keluaran
dari isyarat. Secara skematis diperlihatkan pada gambar 6.3.
5
Keluaran
Sumber
isyarat
z0 ; v0
Masukan
Keluaran
Penguat awal
zi ; vi
z’0 ; v’0
akan digandeng
Gambar 6.3 : Penggandengan dua sistem.
Pada modul 5 telah dirumuskan bahwa besarnya v jika antara keluaran sumber
isyarat dihubungkan atau digandengkan dengan masukan penguat awal maka
vi =
zi
1
v0 =
v0
z0
zi  z 0
1
zi
(5)
Terlihat bahwa nilai vi sangat tergantung dari nisbah z0/zi. Jika z0 > zi maka bilangan
pembagi menjadi besar dan vi > v0, jika z0 < zi maka bilangan pembagi mendekati satu dan
vi ~ v0 dan jika z0 = zi maka vi = (½) v0. Untuk yang terakhir ini merupakan hal yang
paling ideal. Hal tersebut dikarenakan daya yang dilesapkan dari rangkaian di depan ke
rangkaian
berikut maksimal, atau dalam keadaan ini terjadi penyesuaian impedansi
(matching impedance).
Dengan
demikian
masalah
impedansi
merupakan
sangat
penting
untuk
menggandengkan antara dua sistem tersebut di atas. Oleh karena itu di dalam pemilihan
konfigurasi transistor haruslah tepat agar penguatan dapat berkerja dengan baik.
4.3.1 Analisis Penguat Awal Emitor Bersama
Ciri dari penguat emitor bersama adalah memiliki hambatan masukan dan hambatan
keluaran yang bernilai sedang yaitu
pada orde 1 kilo-ohm sampai 3 kilo-ohm, atau
tergantung dari harga hie-nya, demikian pula nilai hambatan input tergantung dari RC atau
hambatan beban RL yang biasanya juga berorde 5 kilo-ohm. Jika suatu isyarat masukan
memiliki impedansi yang cukup rendah maka penguat emitor bersama dapat digunakan
langsung dengan gandengan kapasitor saja, seperti pada gambar 6.4.
6
RC
R1
RS
v0
vS
R2

CE
RE
Gambar 6.4 : Penguat emitor bersama sebagai penguat awal.
i0
RS
hIe
ib
RB
RC
hre v0

vS
1/h0e
hfe ib
RE
CE
Gambar 6.5 (a) : Rangkaian setara parameter-h.
hIe
RS
vS
vi

RB
1/h0e
hfe ib
RC
ib
v0
Gambar 6.5 (b) Penyederhanaan dari gambar 6.5 (a).
Dari gambar 6.5 (b) terlihat bahwa besarnya impedansi atau hambatan masukan penguat
awal adalah
zi = RB // hie
(6)
Kita ingat bahwa RB = R1 // R2 dan hie dihitung dengan rumus (3). Apabila nilai zi masih
lebih besar atau sama dengan hambatan/impedansi keluaran RS maka kita dapat
7
menggunakan penguat tersebut sebagai penguat awal. Dari gambar ini dapat kita peroleh
bahwa hambatan atau impedansi keluaran dari penguat adalah
z'0 =
1
// RC
h0 e
(7)
Av =
v0'
vi
(8)
Jika dihitung penguatannya maka
dari gambar 6.5b terlihat bahwa
v'0
= - ( hfe ib )(
vi
= hie i b
1
// RC ) = - ( hfe ib ) z'0
h0 e
(9)
(10)
sehingga persamaan (9) dan (10) masuk persamaan (8) diperoleh
A =
h z'
v0'
= - fe 0
vi
hie
(11)
Dari rumus-rumus di atas parameter yang perlu dicari terlebih dahulu adalah hie. Apabila
arus emitor IE(Q) dapat ditentukan maka rumus-rumus selanjutnya dapat dihitung. Untuk
itu analisis dc emitor bersama harus lebih dipahami.
Apabila dalam persoalan gandengan terdapat perbedaan impedansi yang cukup
besar, misalnya sumber isyarat memiliki z0 = 25 zi, maka vi akan mengalami penurunan
sampai 1/26
kali terhadap tegangan keluaran isyarat v0.
Hal
ini
jelas
tidak
menguntungkan, apalagi jika tegangan isyarat tadi sangat lemah. Untuk keperluan itu
perlu
alat
yang
digunakan
untuk menyesuaikan
atau
seolah-olah
menaikkan
impedansi dari rangkaian penguat awal agar tidak terjadi penurunan tegangan. Untuk itu
dapat digunakan "transformator masukan" atau sering juga disebut "transformator input",
untuk menyesuaikan impedansi dari dua sistem yang akan digandengkan. Cara yang
umum digunakan seperti pada gambar 6.6.
Sumber
isyarat
z0
N1
N2
zit
z0t
zi
Penguat awal
transformator
Gambar 6.6 : Prinsip penyesuai impedansi dengan tranformator.
8
Dari gambar 6.6 dipilih transformator pada bagian masukan impedansinya zit dan jumlah
lilitannya N1 yang sesuai dengan impedansi keluaran sumber isyarat sehingga z 0 = zit
dan bagian keluaran impedansinya z0t dan jumlah lilitannya N2 sesuai dengan impedansi
masukan penguat sehingga zot = zi. Dari pengertian mengenai transformator diperoleh
adanya hubungan antara impedansi kumparan tranformator dengan jumlah lilitan dan
frekuensi yang masuk. Dalam kaitan ini misalkan
frekuensi yang digunakan adalah
frekuensi antara 20 sampai dengan 20.000 Hz.
Pada beberapa jenis mikropon dinamik transformator input ini sudah terpasang
pada mikropon. Sehingga keluaran
mikropon sudah tertentu, sebagai misal mikropon
dinamik yang memiliki impedansi keluaran 600 ohm. Apabila mikropon ini dipasang pada
penguat awal emitor bersama kiranya tidak akan mengalami penu-runan tegangan yang
terlalu banyak.
4.3.2. Analisis Penguat Awal Kolektor Bersama
Pada keperluan tertentu penggunaan transformator input tidak praktis, terutama
dalam impedansi dari sumber yang cukup tinggi,
Transformator
misalnya dalam
orde 100 k.
yang memiliki impedansi tinggi memerlukan ruang yang cukup besar.
Oleh karena itu kita ingat bahwa penguat transistor dalam hubungan kolektor bersama
memiliki keunggulan; yaitu impedansi masukan yang besar dan impedansi keluaran kecil.
Kita mengingat kembali rangkaian
penguat
terhubung kolektor bersama atau
kolektor ditanahkan, lihat gambar 6.7.
Vcc
R1
RS
vS

R2
RE
Gambar 6.7 : Penguat kolektor bersama.
9
hIe
RS
1/h0e
RB
vS
v0

RE
Gambar 6.8 (a) : Rangkaian setara penguat kolektor bersama.
RS
hIe
R B ib
hfe ib
vi
vS

1/h0e
RE
v0
Gambar 6.8 (b) : Rangkaian setara penguat kolektor bersama.
Dari rangkaian gambar 6.7
tersebut
kita
dapat
membuat rangkaian setara
parameter-h, lihat gambar 6.8 (a) atau 6.8 (b). Untuk mencari penguatannya, yaitu A v =
v '0 /vi, dicari dahulu v '0 dan vi. Pada gambar 6.8 (b) 1/h0e digambar sejajar dengan RE
agar mudah menganalisisnya. Pada RE mengalir arus ib dari jalur masukan dan arus hfe
ib dari jalur keluaran, sehingga tegangan keluaran dapat dinyatakan sebagai
v'0 = ib ( RE //
= ( 1 + hfe
1
1
) + hfe ib ( RE //
)
h0 e
h0 e
1
) ib ( RE //
)
h0 e
Sedangkan besarnya vi dapat dicari sebagai
10
(12)
1
1
) + hfe ib ( RE //
)
h0 e
h0 e
1
= hie ib + (1 + hfe ) ib ( RE //
)
h0 e
vI = hie ib + ib ( RE //
(13)
sehingga
1
)
v
h0e
Av =
=
1
vi
hie  (1  h fe )( RE // )
h0e
'
0
Faktor arus basis
(1  h fe )( RE //
ib
lenyap
dalam
(14)
persamaan
tersebut
dan dilihat dari
bentuk
persamaannya pastilah bahwa nilai Av selalu lebih kecil atau mendekati satu. Parameter
hie dapat ditentukan dengan persamaan (3), yaitu hie = rb + (1 + hfe )re.
Untuk menghitung impedansi masukannya zi, dengan melihat gambar 6.8 (b), dapat
diperoleh bahwa
zi = RB // Rit
(15)
Rit adalah hambatan masukan transistor yang besarnya
Rit =
vi
1
= hie + (1 + hfe )( RE //
)
ib
h0 e
(16)
Besarnya Rit ditentukan oleh nilai (1 + hfe ) RE untuk RE<<
1
. Dengan demikian nilai zi
h0 e
ditentukan oleh nilai RB jika RB << Rit.
Sedang untuk menghitung impedansi keluaran kita dapat menganggap v'0 sebagai
sumber tegangan dengan arus masuk ke arah transistor sebagai i0, pada gambar 6.8 (b).
Impedansi keluarannya adalah
z =
v0'
i0
(17)
1
, dan yang lewat (hie + RB // RS ) dan yang
h0 e
lewat sumber arus hfe ib. Maka besarnya arus total adalah
dimana arus i0 terbagi tiga yang lewat RE //
11
v0
i0 =
( RE //
1
)
h0 e
v0
=
( RE //
1
)
h0 e
+
h fev0
v0
+
(hie  RB // RS )
(hie  RB // RS )
+
i0
1
=
1
v0
( RE // )
h0e
(1  h fe )v0
(hie  RB // RS )
+
atau impedansi z0 menjadi
(1  h fe )
(hie  RB // RS )
jika v0 dibawa ke ruas kiri diperoleh
=
1
z0
1
z0
z0 = ( RE //
(h  RB // RS )
1
) // ie
(1  h fe )
h0 e
(18)
apabila diisikan nilai-nilai tertentu akan diperoleh bahwa nilai impedansi keluaran dari
(h  RB // RS )
penguat kolektor bersama ini yang berperan adalah z0 ~ ie
atau lebih
(1  h fe )
sederhana lagi hanya ditentukan oleh z0 = re +
RS
.
1  h fe
Dari pembicaraan di atas, penguat kolektor bersama ini dapat digunakan sebagai
penguat awal
terutama
penyesuai impedansi, sehingga penguat berikutnya tidak akan
menarik arus terlalu banyak karena impedansi keluaran kolektor bersama sangat kecil.
Juga penguat ini karena penguatannya mendekati satu disebut sebagai penguat penyangga.
Namun demikian dari rumus (15) terlihat bahwa impedansi masukan z i = RB // Rit,
dengan demikian nilai zi masih ditentukan oleh besarnya RB. Untuk mengatasi pengaruh
RB ini digunakan teknik pengangkat impedansi (bootstrap),
yaitu dengan memasang
kapasitor CB seperti pada gambar 6.9.
Vcc
RB1
a
RB21
b
RB22
v0
CB
Gambar 6.9 : Penguat kolektor bersama dengan teknik bootstrap.
12
Nilai CB cukup besar sehingga reaktansinya pada frekuensi sinyal masuk cukup
kecil, sehingga tegangan di titik a kira-kira sama dengan di b dan sama dengan
tegangan keluaran. Dengan pemasangan teknik bootstrap ini diharapkan besarnya
zi = Rit = hie + (1 + hfe )( RE //
jika RE <<
1
, maka
h0 e
1
)
h0 e
zi = Rit = hie + (1 + hfe ) RE
dengan syarat bahwa RE << (RB1 // RB22 //
(19)
1
) dan hie << RB21.
h0 e
4.3.3. Penguat Awal dengan Rangkaian Terintegrasi
Penguat awal dapat juga disusun atau dirangkai
menggunakan rangkaian
terintegrasi atau integrated circuit. Secara umum rangkaian tersebut disebut penguat
operasional atau Operational Amplifier disingkat op-amp. Pembicaraan secara khusus
mengenai op-amp akan disampaikan pada modul berikutnya. Op-amp
karakteristik impedansi
masukannya
memiliki
sangat tinggi, yaitu berkisar 300 M (dengan
masukan diferensial) dan sekitar 1 G (dengan masukan modus bersama / common
mode). Gambar 6.10 mengilustrasikan sebuah op-amp yang ukuran luas permukaannya
tidak lebih dari 1 cm2 dan tebalnya kira-kira 3 mm, untuk op-amp yang dikemas dalam
plastik keras. Ada pula op-amp yang dikemas dalam logam berbentuk silinder, diameter
dan tinggi silinder kira-kira 5 mm.
1
8
2
7
3
6
4
5
+
Gambar 6.10 : Bentuk IC dari op-amp dan simbol rangkaian.
13
Banyak sekali jenis-jenis op-amp yang dipergunakan
orang untuk keperluan
penguat awal, misalnya LF 155, LF 356, LM 110, LM 170, LM 381,LM 387 dan lain
sebagainya. Pada dasarnya op-amp memiliki dua buah
masukan
yaitu
masukan
yang fase keluarannya berbalik disebut masukan membalik atau inverting input dan
masukan yang fase keluarannya tak membalik disebut masukan tak membalik atau
non inverting
input. Keluaran pada op-amp merupakan keluaran tunggal, yaitu apabila
kedua masukan tersebut digunakan bersama-sama atau masukan inverting dan non
inverting disambung jadi satu (dikopel) sebagai penerima sinyal, hal ini disebut sebagai
masukan modus bersama (common mode), lihat gambar 6.11 (a). Namun dalam hal yang
lain, yaitu apabila kedua masukan menerima masukan masing-masing, maka op-amp
dikatakan dioperasikan dengan modus diferensial. Lihat Gambar 6.11 (b).
v0

Gambar 6.11 (a) : Op-amp dipasang dalam modus bersama.
va


v0
vb
Gambar 6.11 (b) : Op-amp dipasang dalam modus diferensial.
Sebagai penguat deferensial maka masukan pembalik
maupun tak membalik dapat
dihubungkan dengan suatu sumber tegangan dengan teknik-teknik tertentu. Contoh yang
paling mudah misalkan dihubungkan dengan termistor (hambatan yang
berubah
terhadap suhu). Alat ini biasanya digunakan untuk indikator perubahan suhu. Maka
termistor dapat dipasang sebagai salah satu hambatan dalam konfigurasi jembatan
wheatstone. Lihat gambar 12.
14
B
Masukan
membalik
R0
R1
C
A
R2
R3
Masukan
tak membalik
D

Gambar 6.12 : Jembatan wheatstone sebagai piranti bantu masukan
diferensial op-amp
Dari rangkaian jembatan tersebut misalkan diambil suatu suhu acuan adalah 0o
Celcius hambatan termistor adalah R0 , maka tiga hambatan yang lain R1 , R2 dan R3
juga harus sama dengan R0 , dan nilai hambatan R1 , R2 dan R3 tidak berubah karena
perubahan suhu. Saat suhu acuan akan berlaku hubungan
R0 R3 = R1 R2
jika hal itu dipenuhi, maka VB = VD . Namun jika R0 berubah dengan perubahan suhu
maka potensial titik B atau VB
tidak sama dengan potensial titik D atau VD . Dengan
demikian terjadi perbedaan potensial di antaranya, perbedaan
ini
justru digunakan
sebagai masukan penguat diferensial pada op-amp.
4.4. Penguat Penyangga (Buffer)
Pada kegiatan belajar 1 telah disinggung bahwa penguat kolektor bersama atau
pengikut
emitor
merupakan
penguat penyangga. Penguat penyangga digunakan
sebagai suatu tahap penyesuaian impedansi tanpa mengurangi besarnya
tegangan
isyarat. Sesungguhnya terdapat pengurangan tegangan namun tidak terlalu berarti.
Karena penguat kolektor bersama ini bukan penguat tegangan melainkan merupakan
penguat arus. Dengan memperhatikan penjelasan terdahulu pada kegiatan belajar 1 bahwa
15
arus masukan pada umumnya kecil sedangkan arus pada keluaran besar, maka penguat
ini disebut penguat arus.
Jika diingat kembali konfigurasi kolektor bersama, di mana keluaran diambil dari
terminal emitor dari transistor yang digunakan. Tegangan sinyal keluaran selalu sedikit
lebih rendah dari pada tegangan sinyal masukan yang diakibatkan adanya jatuh tegangan
pada persambungan emitor-basis. Tidak seperti tegangan kolektor, tegangan emitor adalah
sefase dengan sinyal masukan. Berikut adalah gambar konfigurasi kolektor bersama
(pengikut emitor).
Vcc
RB
Vi
Ii
V0
RE
Zi
I0
Z0
Gambar 6.13 : Konfigurasi kolektor bersama (pengikut emitor).
Konfigurasi pengikut emitor sering digunakan untuk tujuan penjodoh impedansi
(impedance matching). Konfigurasi tersebut akan memberikan impedansi masukan tinggi
dan impedansi keluaran rendah. Selanjutnya, rangkaian ekivalen untuk konfigurasi
pengikut emitor di atas adalah tampak seperti gambar berikut.
Ii
Ib
Vi
hie
Zi
RB
hfe Ib
V0
Zb
RE
Z0
Ie = (1 + hfe) Ib
I0 = Ie
Gambar 6.14 : Rangkaian ekivalen dari pengikut emitor.
16
Impedansi masukan ZI adalah
ZI = RB // Zb
dengan
Zb = hie + (1 + hfe)RE untuk parameter h,
atau
Zb = (re + RE) untuk model re.
Sedangkan impedansi keluaran Z0 dapat ditentukan dengan mengingat Ie = (1 + hfe) Ib
dan Ib = Vi/Zb yang akan diperoleh :
Ie =
Vi
[hie /(1  h fe )]  RE
(20)
Jika persamaan (20) tersebut dituangkan dalam bentuk rangkaian akan terlihat seperti
gambat berikut.
hie/(1+hfe)
V0
Vi
RE
Ie
Z0
Gambar 6.15 : Rangkaian yang ditentukan dengan persamaan (20).
Z0 ditentukan dengan membuat VI menjadi nol, dan diperoleh :
Z0 = RE //
hie
.
1  h fe
(21)
Penguatan tegangan Av dapat ditentukan dengan mengenakan prinsip pembagi tegangan
pada gambar 6.15 di atas.
V0 =
REVi
RE  [hie /(1  h fe )]
Av =
RE
V0
=
.
Vi
RE  [hie /(1  h fe )]
Dan
(22)
Penguatan arus Ai ditentukan berdasarkan Ib = RBII / (RB + Zb) dan I0 = Ie sehingga akan
diperoleh :
17
Ai =
(1  h fe ) RB
I0
=
.
RB  Z b
Ii
(23)
Persamaan untuk model re dapat ditentukan secara langsung dengan mensubstitusikan
besaran hie = re dan hfe =  ke dalam persamaan-persamaan di atas.
4.5. Contoh-contoh Soal :
1). Suatu penguat awal seperti gambar 6.4 dimana RB1 = 50 k, RB2 = 5 k, RC = 2 k,
RE = 1 k, C1 = C2 = 30 F dan CE = 100 F. Apabila VCE
= (½) V ,  = 150,
transistornya silikon dan Vcc = 6 V, tentukanlah
a. hambatan masukan penguat
b. hambatan keluaran penguat
Jawab :
a. dicari dahulu IB dengan cara seperti pada Modul 5 KB 2, RB = RB1 //RB2 = 50 k //5
6V  3V
Vcc  Vce
k = 4,54 k. Jika IE ~ IC =
=
= 1 mA,
RC  RE
3k
25
maka hie = rb + ( 1 + ) re = 300  + (151)
 = 4075  ~ 4 k,
1
sehingga zi = RB // hie = 2,126 k.
1
b. Untuk menghitung z'0 = (
// RC ) ~ RC = 2 k.
hoe
2). Pada soal nomor 1 akan digunakan untuk memperkuat keluaran dari sebuah mikrofon
yang impedansi keluarannya 50 k, apa yang harus dilakukan agar terjadi penyesuaian
impedansi ?
Jawab :
Dipasang transformator input yang memiliki impedansi masukan/input sebesar 50 k
dan impedansi keluaran 2 k.
3). Suatu penguat awal seperti gambar 6.4 dimana RB1 = 100 k, RB2 = 10 k, RC = 4,7
k, RE = 1 k, C1 = 0,5 F, C2 = 0,2 F dan CE = 50 F. Apabila  = 120, hie = 3,15
k, hoe = 2 x 10-5 mho, transistornya silikon dan Vcc = 20 V, tentukanlah
18
a. impedansi masukan penguat
b. impedansi keluaran penguat
c. penguatan tegangan
d. Jika ada masukan sebesar 1 mV dan hambatan dalamnya 600, tentukan pula tegangan
keluarannya.
Jawab :
a. Karena hie telah diketahui, maka RB = RB1 //RB2 = 100 k // 10 k = 9,1 k jadi z = R
// h = 9,1 k // 3,15 k = 2,34 k
b. z'0 = (
1
// RC ) = 50 k // 4,7 k = 4,3 k
hoe
h fe zo'
120x 4300
vo
c. Av =
=== - 164.
3150
vi
hie
d. Jika hambatan dalam sumber isyarat zo = 600  dan zi penguat = 2,34 k dan
tegangan isyarat 1 mV, maka tegangan masukan ke penguat adalah
vi =
zi
2,34k
vS =
1 mV = 0,76 mV
z o  zi
0,6k  2,34k
vo = Av vi = - 164 x 0,76 mV = 124,6 mV.
4). Dari gambar 6.9 apabila diketahui RB1 = 56 k, RB21 = 10 k, RB22 = 56 k, hOE =
2,5 x 10-5 mho, RE = 3,9 k, CB = 100 F dan  = 300, tentukanlah
a. besarnya impedansi masukannya dan
b. berapa reaktansi kapasitif dari kapasitor jika frekuensi isyaratnya 1 KHz dan Vcc = 12
volt.
Jawab :
a. Dicari terlebih dahulu arus basis IB dengan mencari sumber tegangan pengganti
VB dan hambatan pengganti RB
RB = (RB1 //RB22 ) + RB21 = (56 k // 56 k) + 10 k = 38 k
VB =
IB =
56 K
RB 22
Vcc =
12 V = 6 V.
RB1  RB 22
112 K
6V  0,7V
VB  VBE
=
= 4,7 A
38K  301x3,9 K
RB  (1   ) RE
19
IE = (1 + 300) IB = 1,4 mA
Gunakan rumus (3) dan (4) untuk mencari hie , yaitu
hie = rb + ( 1 +  )
hie = 300 + ( 1 + 300 )
25
IE
25
= 5675  ~ 5,6 k
1,4
Ternyata RE << 56 k // 56 k // 40 k dan hie < RB21 = 10 k,
sehingga zi = hie + ( 1 + ) RE = 5,6 k + (1 + 300) 3,9 k = 1179,5 k ~1,18 M
Terlihat jika tidak ada bootstrap impedasi masukan hanya
38 k, sedangkan dengan bootstrap impedansinya menjadi 1,18 M.
b. Reaktansi kapasitifnya adalah
XCB =
1
1
=
= 1,6 .
2x1000 x100 x10 6
C B
5). Mana yang lebih praktis dalam kenyataannya penggunaan transistor bipolar sebagai
penguat awal dibandingkan dengan menggunakan op-amp dalam rangkaian terpadu,
tunjukkan
alasannya.
a. Penggunaan op-amp lebih praktis, karena sifat-sifat dasar op-amp sudah menunjukkan
bahwa op-amp memiliki impedansi masukan tinggi dan impedansi keluaran rendah.
Kualitas keluaran tentunya lebih baik karena rangkaian lebih terpadu. Namun dalam
pembiayaan op-amp lebih mahal.
b. Penggunaan transistor bipolar harus menghitung secara saksama piranti pasif yang
digunakan agar diperoleh impedansi masukan yang dikehendaki. Namun pebiayaan
komponen relatif lebih murah. Kualitas keluaran tergantung cara pemasangan.
4.6. Latihan 1
1). Apa perbedaan penggunaan penguat basis bersama, emitor bersama dan kolektor
bersama untuk keperluan penguat awal.
2). Faktor-faktor apa yang harus diperhatikan untuk keperluan penguat awal.
20
3). Suatu tabung hampa yang dipakai dalam efek foto listrik memiliki tegangan keluaran
0,1 V dan impedansi keluarannya 10 M. Menggunakan rangkaian penguat awal
apakah agar tegangan keluaran tersebut dapat terdeteksi dengan lebih baik.
4). Tunjukkan perbedaan penguat awal kolektor bersama tanpa teknik bootstrap dan
menggunakan teknik bootstrap.
5). Suatu termistor akan digunakan sebagai sensor suhu dengan menggunakan jembatan
wheatstone karena akan diperkuat oleh penguat awal op-amp dengan modus diferensial.
Jika pada suhu nol termistor memiliki resistansi 100  dan pada suhu 400 C termistor
memiliki resistansi 116 . Tentukan beda potensial antara dua titik jembatan, jika tiga
hambatan lain besarnya tetap 100 . Anggap sumber tegangannya 2 volt.
Jawaban Latihan 1
1). Perbedaan antara ketiga konfigurasi penguat pada masalah penguatan tegangan,
impedansi masukan dan impedansi keluaran adalah sebagai berikut :
basis bersama
emitor bersama
kolektor bersama
Av
Tinggi
Tinggi
Rendah
zi
Rendah
Sedang
Tinggi
z0
Tinggi
Sedang
Rendah
2). Untuk penguat awal yang perlu diperhatikan adalah impedansi masukan. Seperti telah
dibahas bersama
bahwa
antara impedansi keluaran dari piranti sumber isyarat yang
akan diperkuat sebaik-baiknya tepat sama dengan impedansi masukan dari penguat awal.
Hal itu dimaksudkan agar daya yang dilesapkan antara dua piranti tersebut maksimal.
3). Untuk memenuhi impedansi masukan sebesar itu dan memperkuat tegangan isyaratnya
paling baik digunakan penguat awal op-amp.
4). Penguat awal tanpa menggunakan teknik bootstrap,
impedansi masukan sangat
ditentukan oleh besarnya hambatan masukan pada rangkaian basis R B
ditunjukkan rumus (15) dan (16), yaitu
(15)
zi = RB // Rit
21
seperti yang
Rit adalah hambatan masukan transistor yang besarnya
(16)
Rit =
vi
1
= hie + (1 + hfe)( RE //
)
ib
h0 e
Sedangkan menggunaka teknik bootstrap RB lenyap dan impedansi masukan tergantung
dari Rit saja.
5). Kita gunakan gambar 6.12 untuk menyelesaikan soal ini. Misalkan titik C dianggap
sebagai acuan, maka beda potensial antara titik D dan C atau VDC = 1 volt (dihitung
dengan prinsip pembagi tegangan). Demikian pula dapat dihitung VBC = 1,074 volt.
Tegangan diferensial adalah VBD = VBC – VDC = 1,074 volt - 1 volt = 0,074 volt.
4.7. Rangkuman
1). Semua konfigurasi transistor dwi kutub dapat digunakan sebagai penguat awal.
2). Pemilihan rangkaian tergantung pada impedansi keluaran sumber isyarat yang
akan diperkuat, dengan patokan impedansi yang saling berhubungan diharapkan sama.
3). Apabila antara sumber isyarat dan penguat impedansi tidak sesuai dapat digunakan
transformator penyesuai impedansi.
4).
Peningkatan impedansi masukan pada penguat kolektor bersama dapat digunakan
teknik pengangkat impedansi atau bootstrap.
5). Penguat kolektor bersama dapat berfungsi sebagai penyesuai impedansi dan disebut
juga sebagai penguat penyangga karena penguatannya mendekati satu.
6). Untuk impedansi masukan yang sangat tinggi dapat digunakan rangkaian penguat
terintegrasi yang intinya adalah penguat diferensial atau disebut juga penguat operasi (0pamp).
7). Rangkaian jembatan wheatstone dapat digunakan sebagai rangkaian perantara untuk
menciptakan masukan diferensial.
22
4.8. Tes Formatif 1
1. Rangkaian setara parameter-h mempunyai sifat
a. untuk menyelesaikan besaran dc
b. untuk menyelesaikan besaran ac isyarat kecil
c. bagian masukan merupakan rangkaian setara Norton
d. bagian keluaran merupakan rangkaian setara Thevenin
2. Rangkaian transistor dalam konfigurasi basis bersama dapat digunakan sebagai penguat
awal yang memiliki impedansi masukan pada orde
a. sekitar ratusan ohm ( rendah)
b. sekitar dua ribuan ohm (sedang)
c. sekitar lima puluh kilo ohm (tinggi)
d. sekitar satu mega ohm (sangat tinggi)
3. Rangkaian transistor dalam konfigurasi emitor bersama akan digunakan sebagai penguat
awal mikrofon yang memiliki impedansi keluaran 50 k. Maka
a. mikrofon dapat langsung dipasang
b. tegangan keluaran mikrofon tetap
c. tegangan keluaran diperkecil setengahnya
d. perlu alat penyesuai impedansi
4. Suatu sumber isyarat memiliki tegangan keluaran 0,1 mV dan impedansi keluaran 1
M. Agar sistem ini memiliki
tegangan keluaran kira-kira tetap dan impedansi
keluarannya menjadi sangat rendah diperlukan penguat jenis
a. basis bersama dengan transformator input
b. emitor bersama dengan transformator input
c. kolektor bersama tanpa teknik bootsrap
d. kolektor bersama dengan teknik bootstrap
23
5. Suatu sumber isyarat memiliki tegangan keluaran 1 mV dan impedansi keluarannya
600 W dipasang pada suatu penguat yang impedansi masukannya juga 600 . Maka
tegangan masukan yang akan diterima oleh penguat sebesar
a. 0,0016 mV
b. 0,5 mV
c. 1 mV
d. 2 mV
6. Impedansi keluaran dari penguat terangkai kolektor bersama, selain tergantung pada
parameter yang ada pada transistor juga tergantung pada
a. tegangan sumber isyarat
b. penurunan tegangan sumber isyarat
c. impedansi keluaran sumber isyarat
d. jenis tegangan sumber isyarat.
7. Penguat terintegrasi atau op-amp yang terpasang pada
modus bersama memiliki
impedansi masukan sebesar
a. sekitar 600 
b. sekitar 2 k
c. sekitar 1 M
d. sekitar 1 G.
8. Penguat
kolektor
bersama
disebut
juga
sebagai
penguat penyangga, hal ini
disebabkan karena
a. penguatannya kecil mendekati nol
b. penguatannya kecil mendekati satu
c. penguatannya besar dan tergantung besarnya hfe
d. penguatannya sangat besar seperti penguatan op-amp
9. Besarnya impedansi keluaran dari kolektor bersama
besarnya
a. sama dengan rre
b. sama dengan hie
24
ditinjau dari hambatan basis
c.
1
1 
d. paralel terhadap hambatan sumber isyarat
10. Untuk membentuk sumber tegangan isyarat
diferensial suatu penguat dengan
diferensial
bagi masukan modus
menggunakan op-amp yang berasal
tegangan tunggal dapat digunakan rangkaian
a. jembatan wheatstone
b. penyesuai impedansi
c. penyangga tegangan
d. teknik bootstrap.
25
dari
sumber