Sinyal dan Sistem

Elektronika Tak Linier
Yuliman Purwanto
2017
Silabi
1. Pendahuluan : komponen tak linier.
2. Teorema Dioda : dioda penyearah, dioda zener,
dioda terobos (tunnel dioda), varactor, LED.
3. Teorema transistor : pra-tegangan, titik kerja,
penguat tak linier
4. Rangkaian tak linier : RL, RC, RLC, tanggapan
frekuensi, untai resonansi.
5. Rangkaian operasional : penunda, pemotong,
pembatas, pembanding.
6. Multivibrator : monostabil, bistabil, astabil,
penyulut Schmitt (Schmitt trigger)
7. Osilator : sinusoidal, non-sinusoidal.
Pustaka
• J. Millman and C. C. Halkias, “Electronic Devices and
Circuits”, McGraw-Hill, 1967.
• J. Millman and C. C. Halkias, “Integrated Electronics”,
McGraw-Hill, 1972.
• J. Millman and H.Taub, “Pulse, Digital and Switching
Waveforms”, McGraw-Hill, 1965.
• Leonard Strauss, “Wave Generationg and Shaping”,
McGraw-Hill, 1960.
• Adel S. Sedra dan Kenneth C. Smith, “ Microelectronics Circuit”, 5th ed., Oxford University Press, 2011.
PENDAHULUAN
Komponen Elektronik tak Linier
• Induktor
• Kapasitor
• Semikonduktor : dioda, transistor, FET
Induktor (kumparan, koil)
• Induktor : komponen pasif elektronika yang tersusun
dari lilitan kawat (dengan inti besi maupun tanpa inti)
yang bisa menghasilkan medan magnet bila dialiri arus
listrik dan sebaliknya bisa menghasilkan listrik bila
diberi medan magnet.
• Sifat :
• Bereaksi terhadap sinyal AC, yakni nilai impedansi/
reaktansi akan meningkat dengan meningkatnya
frekuensi sinyal  ZL = jwL
• Fungsi :
• Komponen pembentuk tapis (filter)
• Komponen pembentuk resonator
• Penaik dan penurun tegangan AC
• Penghasil medan magnetik
Karakteristik Induktor
Contoh Induktor
Kapasitor (kondensator)
• Kondensator : komponen pasif elektronika yang tersusun
dari 2 lempengan logam (baik dengan dielektrik maupun
tidak) yang bisa menyimpan medan listrik.
• Sifat :
• Bereaksi terhadap sinyal AC, yakni nilai impedansi/
reaktansi akan menurun dengan meningkatnya
frekuensi sinyal  ZC = 1/jwC
• Fungsi :
• Komponen pembentuk tapis (filter)
• Komponen pembentuk resonator
• Komponen pengeblok sinyal DC
• Penghasil medan listrik
Karakteristik Kapasitor
Contoh Kapasitor
Semikonduktor
• Struktur Atom Silikon (Si) dan Germanium (Ge)
• Ikatan kovalen 
• Semikonduktor (Si) jenis N 
• Semikonduktor (Si) jenis P 
P-N Junction
Dioda
• Dioda : komponen pasif elektronika yang
terbentuk dari bahan semikonduktor p-n yang
mampu mengalirkan arus pada satu arah.
• Sifat :
• Mengalirkan arus listrik pada satu arah dan
menahan arus listrik pada arah sebaliknya.
• Fungsi :
• Penyearah arus AC
• Pembatas arus DC
• Pendeteksi sinyal radio termodulasi
• Sebagai kapasitor variabel (varactor)
Karakteristik dioda
Dioda standar :
Dioda zener :
Dioda terowongan (tunnel diode) :
SCR :
Karakteristik dioda
SCR :
Jenis Dioda
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Dioda sinyal kecil
Dioda penyearah
Dioda zener
Dioda terowongan/esaki
Dioda varactor/varicap
Dioda foto
Dioda kontak titik/kristal
Dioda penyearah terkendali silikon (SCR)
Dioda pancar cahaya (LED, LASER)
Dioda Gunn
Dioda PIN
Dioda Schottky
Dioda Shockley
Dioda Peltier
Thyristor : Diac, Triac
Contoh Dioda
Rangkaian dioda
• Pendeteksi sinyal
Rangkaian dioda
• Penyearah ½ gelombang
• Penyearah gelombang penuh
• Penyearah gelombang penuh dengan tapis kapasitor
• Rangkaian pemantap tegangan dengan dioda
• Dioda varactor
Karakteristik :
Kapasitansi :
• Aplikasi dioda varactor : FM modulator
• Tegangan dari sumber informasi (modulating signal) akan
mengubah nilai kapasitansi varactor CD yang terpasang paralel
dengan “tank circuit” (rangkaian tertala) pada rangkaian
osilator.
• Perubahan nilai kapasitansi akan langsung mengubah nilai
frekuensi resonansi sesuai rumus :
• Dioda terowongan
• Aplikasi SCR : pengendali putaran motor
• Aplikasi diode PIN : saklar elektronik tegangan tinggi
• Aplikasi dioda foto : pendeteksi gelap
• Tugas !
• Buatlah film pendek tentang bahan pembentuk, karakteristik dan
contoh aplikasi dari beberapa jenis dioda (lihat materi di pembagian
kelompok).
• Panjang film minimum 5 menit dan diunggah di Youtube.
• Beri nama file : Kelompok..... Tugas Elektronika tak Linier Fakultas
Teknik UDINUS 2017.
• Batas waktu pengunggahan : 5 April 2017. Film akan diputar di kelas
(on line) dan didiskusikan.
• Pembagian Kelompok
1. Kelompok 1 : Revaldi, Yullyandre, Angga Indrias, Guntur.
Materi : dioda sinyal kecil, dioda penyearah dan dioda zener.
2. Kelompok 2 : Yuda Agustanto, Eki Yuni, Iskandar Wibowo, Nurul
Wafa. Materi : dioda terowongan/esaki, dioda varactor/varicap,
dioda foto.
3. Kelompok 3 : Qodri Andrian, Herdian Fajar, Satria Yoda,
Andriyanto. Materi : dioda kontak titik/kristal, dioda penyearah
terkendali silikon (SCR), dioda pancar cahaya LED.
4. Kelompok 4 : Rahmat S., Agung Budi H, Rois M, Gilang Ardi.
Materi : dioda LASER, dioda Gunn, dioda PIN
5. Kelompok 5 : Dicky Setya, Bagas F, Agung Dwiyanto, Nova
Andriawan. Materi : dioda Schottky, dioda Shockley, dioda Peltier
6. Kelompok 6 : Veronica Tia P, Ariefi Putri Herlino, Nindi Devi.
Materi : dioda thyristor jenis Diac, jenis Triac, dioda super barrier.
Transistor
• Transistor : komponen aktif elektronika yang terbentuk
dari bahan semikonduktor p-n-p, n-p-n, atau efek medan (p
atau n) yang mampu menguatkan sinyal masukan, atau
berfungsi sebagai saklar.
• Sifat :
• Menguatkan sinyal masukan
• Memutus-sambung arus listrik
• Fungsi :
• Penguat sinyal
• Penyangga sinyal
• Saklar arus
• Jenis :
• Bipolar Junction Transistor : PNP, NPN
• Field Effect Transistor (FET) : N-type, P-type
Transistor
MOSFET
IGFET
Simbol
Contoh transistor
Jenis casing transistor
Karakteristik Transistor Bipolar
Karakteristik Transistor JFET
Karakteristik Transistor MOSFET
Pra-tegangan (bias) Transistor
•
•
Tujuan :
•
Menentukan garis beban (titik kerja).
•
Menentukan kategori kelas penguat  menentukan daerah
kerja (garis beban) transistor.
•
Garis beban : perbandingan arus kolektor IC dan besarnya
tegangan kolektor-emiter VCE.
•
Garis beban dibedakan atas : garis beban DC dan garis
beban AC.
Cara memberikan pra-tegangan :
1.
2.
3.
4.
5.
Pra-tegangan
Pra-tegangan
Pra-tegangan
Pra-tegangan
Pra-tegangan
Basis.
Pembagi Tegangan.
Umpan Balik Emitter.
Umpan Balik Kolektor.
Emiter.
Besaran Properti Transistor
•
VCEO : tegangan maksimal kolektor-emiter dalam keadaan basis
terbuka  Tegangan kerja antara kolektor dan emitor harus berada
di bawah nilai VCEO.
•
IC : arus maksimal yang mengalir pada kolektor  Besar arus maksimal
ini tidak boleh dilampaui.
•
Pd max : disipasi daya maksimal transistor  Daya yang dibebankan
kepada transistor harus berada di bawah nilai Pd.
•
fT : frekuensi maksimal dari sinyal yang bisa ditangani transistor
Transistor tidak bisa bekerja dengan sinyal berfrekuensi di atas fT.
•
hFE : nilai penguatan (gain) arus DC. Arus basis akan mempengaruhi
besar arus pada kolektor, karena IC = IB x hFE.
•
hfe : nilai penguatan (gain) arus AC (sinyal yang diproses). Nilai hFE dan
hfe bisa tidak sama.
Contoh Datasheet Transistor 2N2222
Contoh Datasheet Transistor 2N2222 (lanjut)
Contoh Datasheet Transistor 2N2222 (lanjut)
Pra-tegangan Basis Sumber Luar :
• Di mana b = hFE transistor.
• Maka garis beban DC-nya :
• Basis diberi tegangan buka
dari sumber luar yang akan
menghasilkan arus basis IB .
• Arus basis akan menentukan
besarnya arus kolektor IC dan
besarnya tegangan kolektoremiter VCE.
Pra-tegangan Pembagi Tegangan :
• Tegangan basis :
• Tegangan emiter :
• Arus emiter :
• Menentukan arus kolektor :
Transistor jenuh  VCE = 0, IC = IE ; Transistor cutoff  IC = 0
Pra-tegangan Umpan Balik Emiter :
• Menentukan arus kolektor :
• Garis beban DC :
Pra-tegangan Umpan Balik Kolektor :
• Menentukan arus kolektor :
• Garis beban DC :
Pra-tegangan Emiter :
• Pada emiter diberikan
tegangan dari sumber luar.
• Menentukan arus emiter :
• Garis beban DC :
Contoh :
Gambarkan garis beban DC untuk rangkaian transistor di bawah ini.
Jawab :
 Maka garis beban DC-nya :
Klasifikasi Penguat
•
Berdasarkan konfigurasi transistornya :
1. Penguat emiter bersama (common emitter/CE amplifier)
2. Penguat kolektor bersama (common collector/CC amplifier)
3. Penguat basis bersama (common base/CB amplifier)
•
Berdasarkan sinyal masukannya :
1. Penguat sinyal kecil (small signal amplifier)
2. Penguat sinyal besar (large signal amplifier)
•
Berdasarkan jenis keluarannya
1. Penguat tegangan (voltage amplifier)
2. Penguat arus (current amplifier)
3. Penguat daya (power amplifier)
•
Berdasarkan komponen aktifnya :
1. Penguat transistor bipolar
2. Penguat efek medan (FET)
•
Berdasarkan jumlah tingkatnya :
1. Penguat satu tingkat (single stage amplifier)
2. Penguat bertingkat banyak (multistage amplifier)
Klasifikasi Penguat (lanjut)
•
Berdasarkan kondisi pengoperasiannya :
1. Penguat kelas A
5. Penguat kelas
2. Penguat kelas B
6. Penguat kelas
3. Penguat kelas AB
7. Penguat kelas
4. Penguat kelas C
8. Penguat kelas
•
Berdasarkan frekuensi kerjanya :
1. Penguat frekuensi audio (audio frequency/AF amplifier)
2. Penguat frekuensi menengah (intermediate frequency/IF amplifier)
3. Penguat frekuensi radio (radio frequency/RF amplifier)
•
Berdasarkan metoda kopling/penyambungan antar tingkatnya :
1. Penguat kopling langsung (direct coupling/DC amplifier)
2. Penguat kopling kapasitor
3. Penguat kopling transformator
D
E, F
G, H
S
• Berdasarkan lebar pita frekuensinya :
1. Penguat berpita sempit (narrow band amplifier)
2. Penguat berpita lebar (wide band amplifier)
• Karakteristik :
 Konfigurasi basis bersama : menghasilkan penguatan tegangan
namun tidak menghasilkan penguatan pada arus.
 Konfigurasi kolektor bersama (disebut juga sebagai pengikut
emiter (emitter follower) menghasilkan penguatan tegangan
mendekati 1.
 Konfigurasi emiter bersama merupakan konfigurasi penguat
transistor yang paling sering digunakan karena menghasilkan
penguatan tegangan dan arus secara bersamaan.
• Penguat tegangan :
• Penguat daya :
• Penguat arus :
• Penguat frekuensi audio :
• Penguat frekuensi radio :
• Penguat frekuensi menengah :
• Penguat kopling langsung:
• Penguat kopling transformator :
• Penguat kopling kapasitor :
• Penguat pita sempit :
• Penguat pita lebar :
• Aplikasi : penguat RF pada stasiun
pemancar radio.
• Aplikasi : penguat/booster
penerima radio/TV.
Kelas Penguat Transistor
•
Berdasarkan titik kerjanya secara prinsip penguat transistor
dibagi menjadi tiga kelas :
1.
Penguat Kelas A : garis beban ada di daerah aktif (di tengahtengah) dengan VCE = setengah VCC.
2.
Penguat Kelas B : garis beban ada di daerah cut off sehingga
untuk mengaktifkan transistor diperlukan tegangan buka yang
cukup dari sinyal masukan.
3.
Penguat AB : garis beban ada di daerah cut off tetapi
mendekati daerah aktif sehingga untuk mengaktifkan
transistor hanya diperlukan tegangan buka yang kecil dari
sinyal masukan.
4.
Penguat Kelas C : garis beban ada di daerah di bawah cut off
sehingga untuk mengaktifkan transistor diperlukan tegangan
buka dari sinyal yang lebih besar dibanding dengan Kelas B.
Penguat Kelas A :
•
Rangkaian dasar :
•
Transistor diberi pra-tegangan maju sehingga selalu siap untuk
memperkuat sinyal masukan.
•
Walau tanpa sinyal masukan, daya (DC) tetap terdisipasi  efisiensi
rendah.
•
Penentuan titik kerja :
•
Garis beban dan titik kerja :
•
Misalkan : VCC = 15 V, R1 = R2 = 33k, RC = 1k, RE = 100 ohm
•
Maka : ICsat = 15V/1k+100 = 0.013A = 13mA, VB = 15V.33k/(33k+33k)
= 7.5V, RB = R1.R2/R1+R2 = 33k.33k/(33k+33k) = 16500 ohm = 16k5,
IB = VB/RB = 7.5V/16500 = 0.00045A = 0.45mA
Sifat dan karakteristik penguat Kelas A :
• Dirangkai secara emiter bersama (common emiter).
• Menghasilkan sinyal keluaran sesuai dengan masukannya, tanpa
distorsi.
• Sinyal masukan dan sinyal keluaran berbeda fasa 180o.
• Hampir tidak memiliki distorsi.
• Penguatan daya rendah, penguatan tegangan tinggi.
• Efisiensi daya rendah (max 50%).
• Digunakan untuk daya rendah (beberapa miliwatt).
• Aplikasi : penguat awal (pre-amplifier), penguat sangga (buffer
amplifier), pembangkit sinyal (oscillator), penguat linier,
pencampur sinyal (mixer), penguat pemodulasi (modulator) dan
pendemodulasi (demodulator), dlsb.
Penguat Kelas B :
•
Rangkaian dasar :
•
Penguat Kelas B menghasilkan cacat pada keluarannya (hanya setengah
gelombang, mirip dengan penyearah setengah gelombang).
•
Untuk mengatasinya digunakan penguat Kelas B push-pull agar dicapai
keluaran sinyal gelombang penuh.
Penguat Kelas B push-pull:
•
Rangkaian dasar :
•
Garis beban dan titik kerja :
•
Digunakan 2 buah transistor yang bekerja secara komplementer (NPNPNP), di mana masing-masing transistor memperkuat setengah
gelombang yang bersesuaian.
•
Misalkan : VCC = 15V, RB = 15K, β = 10. Maka : IB = VCC/RB = 15V/15k =
1mA, β = IC/IB, IC = β.IB, IC = 10.1mA = 10mA, VCEcutoff = Vout = ½
VCC = ½.15V= 7.5V
Sifat dan karakteristik penguat Kelas B :
• Menghasilkan sinyal keluaran yang terdistorsi pada sekitar
daerah perlintasan nol (cross over distortion).
• Penguatan daya rendah hingga tinggi.
• Efisiensi daya lebih besar dibanding Kelas A, yakni 78,5%.
• Digunakan untuk daya kecil hingga tinggi (ratusan watt).
• Aplikasi : penguat daya audio sederhana, penguat instrumentasi,
penguat switching, penguat daya frekuensi radio jenis FM, dlsb.
Penguat Kelas AB push-pull :
•
Rangkaian dasar :
•
Garis beban dan titik kerja :
•
Mirip dengan Kelas B, hanya titik kerjanya ada di daerah antara Kelas
A dan Kelas B  transistor dalam kondisi hampir aktif.
•
Misalkan VCC = 12V, RB = 10k, dan β = 10, maka IC = β.IB  IB = VCC/RB
= 12V/10k = 1.2mA, IC = 10.1.2mA = 12mA dan VCE = ½ VCC = ½.12V = 6V
Sifat dan karakteristik penguat Kelas AB :
• Menghasilkan sinyal keluaran dengan sedikit distorsi pada
sekitar daerah perlintasan nol (cross over distortion).
• Penguatan daya rendah hingga tinggi.
• Efisiensi daya sedikit lebih kecil dibanding Kelas B, yakni
sekitar 60%.
• Digunakan untuk daya kecil hingga tinggi (ratusan watt).
• Aplikasi : penguat daya audio, penguat instrumentasi, penguat
daya frekuensi radio jenis AM dan FM, dlsb.
Penguat Kelas C :
•
Rangkaian dasar :
•
Garis beban dan titik kerja :
•
Mirip dengan Kelas B, hanya titik kerjanya ada di daerah bawah Kelas B
sehingga transistor membutuhkan sinyal masukan yang lebih besar
untuk bekerja  keluaran hanya terdiri dari kurang dari setengah
gelombang  hanya cocok untuk penguat frekuensi tinggi (radio).
•
Gelombang yang cacat diperbaiki oleh rangkaian penala LC yang
berfungsi sebagai tapis lolos bawah.
Sifat dan karakteristik penguat Kelas C :
• Menghasilkan sinyal keluaran dengan distorsi maksimum namun
bisa diatasi dengan rangkaian penala LC.
• Penguatan daya rendah hingga menengah.
• Efisiensi daya paling besar, mendekati 100%.
• Digunakan sebagai penguat daya menengah (beberapa puluh
watt) hingga sangat tinggi (ribuan watt).
• Aplikasi : penguat daya RF, penguat instrumentasi.
Penguat Kelas D :
•
Bekerja sebagai switching amplifier : penguat transistor/MOSFET
bekerja seperti saklar (tidak seperti penguat yang memiliki bati).
•
Sinyal yang akan diperkuat berupa pulsa-pulsa yang akan memberi prategangan pada penguat sehingga penguat ON dan OFF sesuai dengan
pulsanya.
•
Sinyal analog yang akan diperkuat dimodulasikan menjadi PWM atau
jenis modulasi pulsa lainnya sebelum diumpankan ke penguat.
•
Setelah dikuatkan, pulsa keluaran bisa diubah kembali menjadi sinyal
analog menggunakan LPF.
•
Keuntungan : efisiensi daya lebih tinggi, idealnya bisa 100%.
Contoh penguat Kelas D pada alat bantu dengar :
Sifat dan karakteristik penguat Kelas D :
•
Bekerja sangat efisien, tidak menghasilkan panas  hemat daya.
•
Kerugian : menghasilkan derau elektromagnetik.
•
Relatif lebih murah, rangkaiannya kompak, ukuran dan berat rendah
karena tidak memerlukan sirip pendingin.
•
Bisa beroperasi dengan sumber sinyal digital tanpa perlu DAC (digital
analog converter) untuk mengubah sinyal ke bentuk sinyal analog.
•
Aplikasi : sistem audio home theatre, sistem audio pada telepon mobil
(menghemat baterai), alat bantu dengar (hearing aids) untuk
menghemat baterai, speaker aktiv (sub woofer), penguat nada bass
pada tata suara modern, dlsb.
Penguat Kelas E :
•
Penguat kelas E ditemukan oleh Nathan O. Sokal dan Alan D. Sokal, 1972.
•
Seperti Kelas D, penguat Kelas E bekerja sebagai switching amplifier
efisiensi mendekati 100%.
•
Yang membedakan dengan Kelas D adalah adanya kapasitor yang
dipasang pada keluaran transistor ke ground. Prinsip kerjanya sbb.:
•
Pulsa keluaran hasil penguatan sinyal masukan diumpankan ke beban
lewat rangkaian LC  LC membentuk resonator paralel dan L0C0
membentuk resonator serial  sinyal keluaran ke RL menjadi sinus.
•
Aplikasi : penguat yang memerlukan efisiensi tinggi.
Penguat Kelas F :
•
Penguat kelas F dibuat untuk memperbaiki efisiensi penguat frekuensi
radio (RF)  Caranya dengan memberikan rangkaian resonansi
tambahan pada bagian pra-tegangan.
•
Penguat kelas F banyak diaplikasikan pada penguat daya radio berdaya
tinggi.
Penguat Kelas G, H :
•
Penguat Kelas G dan H dibuat untuk
memperbaiki efisiensi penguat Kelas
AB dengan distorsi yang rendah dan
tanpa efek radiasi elektromagnetik.
•
Penguat Kelas G memiliki garis beban
yang mirip dengan Kelas AB tetapi
sistem catu daya lebih dari 1 pasang,
mulai dari catu daya tegangan rendah
hingga tinggi.
•
Tujuannya : meningkatkan efisiensi.
•
Penguat Kelas H mirip dengan Kelas G,
hanya catu dayanya dibuat lebih
“kontinyu” dan linier sesuai dengan
kebutuhan keluarannya sehingga
semakin efisien.
•
Contoh penguat Kelas G :
•
Aplikasi : penguat daya audio.
Contoh rangkaian penguat Kelas G
Prinsip penguat Kelas H :
• Pendeteksi sinyal akan menghasilkan informasi besarnya tegangan
yang diperlukan untuk memberi catu daya.
• Tracking supply akan menghasilkan tegangan catu daya yang sesuai
dengan kebutuhan.
Penguat Kelas I :
•
Penguat Kelas I menggunakan 2 set peralatan switching yang bekerja
secara komplementer (push-pull) yang dipasang paralel, masing-masing
mencuplik untuk setengah gelombang yang bersesuian (plus dan minus,
seperti Kelas B).
•
Saat tak ada sinyal masukan, atau saat sinyal sedang mencapai titik
simpang nol, peralatan switching akan ON dan OFF secara simultan
dengan duty cycle 50%.
•
Saat sinyal mencapai setengah gelombang positip, maka peralatan
switching positip akan menaikkan duty cycle dan peralatan switching
negatif akan menurunkan duty cycle dengan nilai yang sama  PWM
 disebut penguat PWM bersisipan.
Contoh Penguat Kelas I : penguat daya audio
Penguat Kelas S :
•
Penguat Kelas S merupakan penguat dengan mode pensaklaran
(switching) seperti pada Kelas D.
•
Cara kerja : penguat kelas S mengubah sinyal masukan analog ke pulsa
digital dengan menggunakan modulator delta-sigma, memperkuatnya,
dan didemodulasi dengan sebuah BPF.
•
Karena kondisi sinyal hanya ada “ON” dan “OFF” maka efisiensi
penguat bisa mencapai 100%.
•
Aplikasi : penguat daya audio, penguat daya radio HF.
•
Contoh :
Penguat Kelas T :
•
Sering disebut sebagai
“penguat digital”.
•
Prinsip kerja : penguat Kelas T
mengubah sinyal analog ke
sinyal PWM switching
transistor serta filter seperti
pada Kelas D.
•
Keuntungannya : aras distorsi
yang rendah (seperti Kelas AB)
dan efisiensi daya (seperti
pada Kelas D).
•
Aplikasi : digunakan pada
sistem penguat audio digital
yang diproses dengan DSP
(digital signal processing).
•
Contoh :
Perbandingan karakteristik konduksi penguat :
Penguat linier :
• Memperkuat sinyal masukan tanpa distorsi. Jenis penguat kelas
A dan kelas AB.
• Efisiensi rendah (<50%)
• Aplikasi : penguat awal, penguat penyangga, penguat kendali,
penguat daya linier pemancar AM (AM-FC, DSB-SC, SSB, VSB)