LAPORAN PRAKTIKUM ELEKTRONIKA 2 (14S3112) PERCOBAAN 1 PENGUAT DIFERENSIAL Mikhael Bani Ardhanajaya (14S17023) – S1 Teknik Elektro Asisten Praktikum : Willy Simangunsong Waktu Praktikum : 13.00 – 17.50 WIB/ 09 Oktober 2019 Laboratorium Dasar Teknik Elektro Institut Teknologi Del Abstrak In this first experiment practitioner will conduct experiments on differential amplifiers. The purpose of this experiment is to understand how to amplify weak (small) signals in the middle of interference with a differential amplifier. The practitioner needs to observe the differential gain phase behavior with a bipolar transistor with various configurations. In this experiment, what needs to be done is to observe, measure, and analyze differential-mode and common-mode amplification at the differential amplifier stage with various configurations. In addition, the practitioner needs to evaluate the role of each component / circuit in the differential amplifier. Keywords : differential amplifier, configuration, differential-mode, common-mode I. PENDAHULUAN Pada praktikum ini, percobaan yang akan dilakukan praktikan adalah tentang penguat diferensial. Penting bagi praktikan untuk memahami apa itu penguat diferensial untuk mempermudah proses berjalannya praktikum. Praktikan akan banyak melakukan pengamatan dan perhitungan mengenai perilaku dan prinsip penguat diferensial. Praktikan akan melakukannya dengan menyusun rangkaian pada kit rangkaian yang diberikan beserta segala alat dan bahan yang akan digunakan yang telah disediakan menurut modul praktikum. Praktikan akan memahami penguat diferensial yang terdapat pada rangkaian yang disusun dengan melakukan berbagai konfigurasi. II. LANDASAN TEORI A. Prinsip Penguat Diferensial Penguat diferensial adalah penguat yang memiliki dua input dan memperkuat selisih tegangan pada kedua input tersebut. Dalam kondisi ideal, sinyal interferensi pada penguat diferensial berupa common signal yang masuk pada kedua input akan dihilangkan pada proses penguatan karena hanya selisih tegangan yang diperkuat. Tetapi implementasinya, penguat diferensial memberikan output yang berasal dari sinyal bersama tersebut. Hubungan input dan ouput pada penguat diferensial tampak pada Gambar 1 berikut. dimana gm adalah trankondutansi transistor pada arus bias yang diberikan. Penguatan common modenya adalah: π¨ππ ≡ π£ππ/π£πππ = Gambar 1 Prinsip Penguatan Diferensial Pada gambar di atas, yang diinginkan adalah penguat dengan penguatan diferensial yang besar dan penguat common mode yang sangat kecil atau nol sehingga penguat dapat digunakan untuk memperkuat sinyal kecil bersamaan dengan sinyal interferensi yang besar. Besar perbandingan antara penguatan diferensial dan penguatan common mode disebut CMRR atau Common Mode Rejection Ratio. πͺπ΄πΉπΉ = ππ πππ|π΄π/π΄ππ| B. Rangkaian Dasar Penguat Diferensial Rangkaian dasar penguat diferensial terdiri dari rangkaian pasangan transistor dengan emitor bersama, bias arus, dan rangkaian beban seperti tampak pada Gambar 2. πΌβπ πΆ 2π πΈπΈ+ππ Dimana REE adalah resistansi sumber arus bias yang digunakan dan re adalah parameter resistansi emitor transistor pada sinyal kecil. Untuk rangkaian dengan bias sumber arus resistor hal ini dapat dilakukan dengan memperbesar nilai resistansi biasnya. Namun demikian untuk menjaga penguatan diferensialnya maka perlu digunakan juga tegangan bias yang lebih tinggi agar arus biasnya tetap. C. Penguat Diferensial dengan Resistor Degenerasi pada Emitor Penguat diferensial di atas mempunyai jangkauan penguatan linier yang sangat kecil (jauh di bawah VT) sehingga untuk memperoleh penguat diferensal dengan jangkauan penguatan linier yang lebih besar digunakan resistansi degenerasi emitor Re. Pada rangkaian demikian diperoleh penguatan diferensial: π¨π =2πΌπ πΆ/2(ππ+π π) Dimana πΌ adalah penguatan arus emitor ke kolektor. Pada penguat ini, penguatan common modenya adalah: πΌβπ πΆ π¨ππ = 2REE+Re+re Penambahan resistansi degerasi emitor juga akan memperbaiki atau menekan penguatan common mode. Gambar 2 Prinsip Penguatan Diferensial Penguat diferensial tersebut akan memberikan penguatan diferensial : π¨π ≡ π£ππ/π£πππ = πππΉπͺ D. Penguat Diferensial dengan Bias Cermin Arus dan Beban Aktif Peningkatan resistansi rangkaian sumber arus bias dapat dilakukan dengan menggantikan resistor dengan sebuah cermin arus. Dalam keadaan demikian resistansi sumber arus adalah resistansi output transistor cermin arus ybs. Resistansi kolektor pada pasangan diferensial dapat juga digantikan dengan beban aktif berupa cermin arus. Untuk rangkaian ini, penguatan diferensialnya adalah: π¨π = 1/2 ππππ Dimana gm adalah transkonduktansi sinyal kecil transistor pasangan diferensial dan ro adalah resistansi output transisor beban aktif. Penguatan common mode akan mendekati: π¨ππ =- πππ/π·ππΉπ¬π¬ Dimana ro4 adalah resistansi output transistor beban pada terminal output, β3 adalah penguatan arus transistor beban pasangannya, dan REE resistansi output sumber arus bias. E. Nonidealitas pada Penguat Diferensial Penguat diferensial yang ideal adalah bila pasangan diferensial yang digunakan seluruh paramter sepenuhnya sama. Ofset tegangan input VOS penguat diferensial sebesar: 2. Untuk Differential Mode pemberian tegangan input menggunakan hubungan seperti pada Gambar 4. Amplituda tegangan yang diberikan berada pada kisaran mV. Rangkaian pada Gambar 4 (a) memerlukan penguat operasional yang mempunyai tegangan offset dan derau rendah. Berikan amplituda yang cukup besar untuk mengatasi derau namun tidak terlalu besar untuk menghindari output lebih banyak pada keadaan saturasi. Amplituda yang digunakan dapat berada antara 10-40mV. βπ πΆ π½πΆπΊ =ππ RC Pada transistor yang digunakan bila arus saturasinya tidak persis sama maka tegangan ofsetnya adalah: Gambar 3 Rangkaian Pemberi Tegangan Input Common Mode βπΌπ IS π½πΆπΊ =ππ Lalu, perbedaan arus akan memberikan arus offset sebesar: π°πΆπΊ = πΌπ΅ βπ½ β III. PROSEDUR PERCOBAAN A. Pemberian dan Pengukuran Tegangan untuk Pasangan Differensial 1. Untuk pemberian tegangan input Common Mode pada pasangan diferensial pada percobaan ini, gunakan hubungan seperti pada Gambar 3. Besaran amplituda tegangan yang diberikan dapat diberikan hingga mendekati tegangan catu daya VCC. Dalam percobaan ini digunakan VCC 9V, maka amplituda tegangan common mode dapat diberikan hingga maksimum 9V. Gambar 4 Rangkaian Pemberi Tegangan Input Diferensial (a) ) -½vd dan +½vd dan (b) 0 dan vd B. Pasangan Diferensial dengan Bias Resistor 1. Susunlah rangkaian penguat dengan pasangan diferensial seperti pada Gambar 5. Nilai- nilai komponen dan bersaran tegangan catu daya yang dipilih adalah RC1 = RC2 = 10 kβ¦, Rbias = 5 kβ¦, Q1 = Q2 = 2N3904, dan VCC = 9 V. Ukurlah arus bias yang mengalir pada RC1, RC2, dan Rbias. Gambar 5 Rangkaian Penguat Diferensial dengan Bias Resistor 5 kβ¦ 2. Amati penguatan mode diferensial untuk penguat tersebut dengan membaca tegangan output single ended (hanya pada salah satu vO+ atau vO- terhadap ground), maupun diferensial (selisih vO+ dan vO-). Saat mengamati tegangan diferensial, jangan hubungkan terminal output dengan ground karena cara tersebut akan mengubah rangkaian percobaan. Catatlah hasil pengamatan vO+, vO- dan vO+ - vO- tersebut. 3. Gunakan mode xy untuk melihat kurva karakteristik transfer tegangan VTC tegangan output vO (satu-satu secara terpisah) terhadap input diferensial vid. 4. Lanjutkan pengamatan untuk penguatan common mode pada output yang sama vO+, vO- dan vO+ - vO-. Catat hasil pengamatan tersebut. 5. Ulangi pengamatan arus DC, penguatan mode diferensial, dan penguatan common mode ini untuk rangkaian dengan resistansi bias dan tegangan bias negatif yang lebih tinggi seperti pada Gambar 6 di bawah ini. Gambar 6 Rangkaian Penguat Diferensial dengan Bias Resistor 8,6 kβ¦ 6. Lakukan juga pengamatan yang sama untuk rangkaian diferensial dengan bias resistor dan dan degenerasi emitor. Gambar 7 Rangkaian Penguat Diferensial dengan Bias Resistor dan Emitor Degeneratif C. Pasangan Diferensial dengan Bias Cermin Arus 1. Susunlah rangkaian seperti pada Gambar 1-9 di bawah ini. Gunakan transistor 2N3906 untuk Q5 dan Q6. Ukurlah arus DC yang mengalir antara kolektor Q1 dan Q5, antara kolektor Q2 dan Q6, dan arus kolektor Q4. IV. HASIL ANALISIS Pada percobaan ini, praktikan akan memahami tentang penguat diferensial. Untuk dapat memahaminya, pertama-tama, praktikan akan menyusun rangkaian lalu menganalisis penguat diferensial pada rangkaian. Pertama, praktikan menyusun rangkaian penguat diferensial dengan bias resistor 5 kβ¦ seperti berikut. Gambar 9 Rangkaian Penguat Diferensial dengan Bias Cermin Arus dan Beban Aktif 2. Lakukan pengamatan untuk penguatan mode diferensial dan penguatan common mode. Perhatikan bentuk output yang diperoleh. 3. Ubahlah rangkaian dengan memberikan beban pada output seperti pada Gambar 10 berikut ini. Amati penguatan diferensial dan penguatan bersama pada terminal output vo (pada beban RL). Pada gambar rangkaian di atas, dapat kita lihat input dari power supply pada rangkaian adalah 9V dimana diketahui RC1 dan RC2 adalah 10 kβ¦, lalu Rbias adalah 5 kβ¦, Q1 = Q2 = 2N3904, Vcc = 9 V. Setelah menyusun rangkaian seperti pada gambar di atas, selanjutnya praktikan dapat menganalisis rangkaian dan melakukan perhitungan seperti berikut. 9 IRC 1 = 200 x 2,5 mA = 0,09 mA. 8,5 IRC 2 = 200 x 2,5 mA = 0,085 mA. Gambar 10 Rangkaian Penguat Diferensial Dari perhitungan di atas, dapat kita lihat bahwa praktikan telah mendapatkan data bahwa arus yang mengalir pada RC1 adalah 0,09 mA dan arus yang mengalir pada RC2 adalah 0,085 mA. Arus yang mengalir pada kedua resistor dengan nilai yang sama tersebut memiliki nilai arus yang tidak jauh berbeda. Setelah itu, praktikan menghitung arus yang ada pada Rbias yang nilainya 5 kβ¦ seperti berikut. 35 IRbias = 200 x 10 V = 0,35 mA. Dari percobaan yang dilakukan ini, praktikan mendapat data dengan menyusun rangkaian dengan mode diferensial. Selanjutnya, praktikan akan membaca tegangan output single ended yaitu Vo+ atau Vo- dan praktikan mencari nilai dari tegangan output tersebut seperti berikut. 120 x 10 V 200 105 x 10 V = 200 Vo+ = = 48 V. Vo = 4,2 V. Tegangan yang didapatkan : Voutput = (4,8 – 4,2) V = 0,6 V. Dari atas kita telah menghitung tegangan output dari rangkaian dengan mode diferensial sehingga tegangan mengalami perbesaran sebesar 0,6 V. pada RC1 adalah 0,9 mA dan arus pada RC2 adalah 0,15 mA. V. KESIMPULAN Dari percobaan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan: ο· Untuk rangkaian yang menggunakan Differential Mode, tegangan output yang dihasilkan akan lebih terarah dan lebih baik karena noise yang dihasilkan sangat sedikit atau dikurangi yang dilakukan oleh op-amp ο· Rangkaian yang menggunakan common mode, memiliki tegangan output yang kurang baik karena noise yang dihasilkan pada tegangan output tidak dikurangi sehingga sangat mengganggu hasil dari tegangan output tersebut. ο· Sinyal lemah dapat diperkuat oleh penguat diferensial. ο· Untuk diferensial mode, semakin besar hambatan pada rangkaian, maka semakin besar nilai penguatan pada tegangan yang dihasilkan. ο· Untuk common mode, semakin besar hambatan pada rangkaian, maka semakin kecil nilai penguatan yang dihasilkan pada tegangan. REFERENSI Kemudian, praktikan melanjutkan pengamatan pada rangkaian dengan menyusun rangkaian untuk penguatan common mode. Dari rangkaian ini, didapat: 45 IRC1 = 200 x 2,5 mA = 0,9 mA. 15 IRC2 = 200 x 2,5 mA = 0,15 mA. Pada rangkaian sebelumnya dengan mode common mode telah didapat arus yang mengalir [1] Modul 1 praktikum elektronika 2 penguat diferensial. [2] A.S, Sedra et.al.,Microelectronic Circuit 5th Ed, Hal. 377-458, Oxford University Press, New York, 2004.
