MO DUL 2 PENGUAT PENGUAT DIFERENSIAL DIFERENSIAL
Muhammad R idho Pambudi (131130 (13113002) 02) Asist Asisten: en: ahmad ahmad hasan alfikri alfikri Tanggal Percobaan: 5/12/2016 EL3109R-PRAKTIKUM ELEKTRONIKA 2 Laborat Laboratori orium um Dasar Dasar Teknik T eknik Elektro Elektro - Sekolah Sekolah T eknik Elektro Elektro ITERA IT ERA
Abstrak
Pada praktikum Modul II ini dilakukan beberapa pengamatan pengamatan pada penguatan penguatan dife diferensi rensial al dengan dengan dua jenis jenis sinyal sinyal input, yaiut diferential mode dan common mode. Sedangkan untuk sinyal output yang dihasilkan pada penguat diferensial dapat berupa single ended (tegangan pada salah satu terminal dengan rujukan rujuka n ground) dan diferential diferential ended (selisih tegangan t egangan pada dua terminal terminal floating floating port). Percobaan pertama pertama dilakukan untuk mengetahui bagaimana cara memberikan masukan untuk masing-masing jenis sinyal input (Diferential mode dan Common Mode).
Besaran perbandingan penguatan diferensial Ad dan penguatan common mode Acm disebut sebagai CMMR Common Mode Rejection Ratio, sbb :
Kata kunci: kunci: Diferential Mode, Mo de, Common Com mon Mode, Cermin arus.
Rangkaian dasar penguat diferensial terdiri dari rangkaian pasangan transistor dengan emitor bersama, bias arus, dan rangkaian beban seperti tampak pada gambar berikut :
1.
PENDAHULUAN
2.2
R ANGKAIAN D ASAR PENGUAT DI FERENSIAL
Pada praktikum kali ka li ini modul 2 memaha memahami mi bagaimana bagaiman a mempe memperkuat rkuat sinyal sin yal lemah lemah (kecil) sinyal di tengah interferensi dengan penguat diferensial lalu mengevaluasi peran masing-masing komponen / rangkaian pada penguat diferensial dan mengamati perilaku tahap penguatan diferensial dengan transistor bipolar dengan berbagai konfigurasi serta mengamati, mengukur, dan menganalisa menganali sa penguatan differential differential -mo -mode de dan common-mode common-mode pada tahap taha p penguat diferensial dengan berbagai konfigurasi. 2. 2.1
S TUDI TUDI PUSTAKA PRINSIP PENGUAT DIFERENSIAL
Pada keadaan ideal pada penguat diferensial diferensial sinyal interferensi yang berupa sinyal yang sama (common (common signa l) yang masuk mas uk pada kedua input akan dihilangkan pada proses penguatan karena hanya selisih tegangan yang diperkuat. Namun demikian pada implementasinya penguat diferensi diferensial al juga memb memberikan erikan output yang yang berasa l dari sinyal bersama tersebut. Pada penguat seperti ini diinginkan penguat dengan penguatan diferensial yang besar dan penguat common common mode nol atau sangat sa ngat kecil. kecil. Dengan demikian penguat ini dapat digunakan untuk memperkuat memperkuat sinyal sin yal kecul yang mucul bersamaan bersamaan dengan sinyal interferensi interferensi yang yan g besar.
Penguat diferensia diferensiall tersebut tersebut a kan memberikan memberikan penguatan diferensial sebagai berikut :
dimana gm adalah trankondutansi trankondutansi transistor pada arus bias yang diberikan. diberikan. Penguatan difere diferensial nsial ini sebanding dengan arus bias pada transistornya. Penguatan common mode untuk pasangan diferensial ini adalah
dimana REE adalah resistansi sumber arus bias yang digunakan da n re adala h parameter parameter resistansi emitor transistor pada sinyal kecil. Penguat common mode dapat ditekan dengan menggunakan resistansi sumber arus yang besar.
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
1
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.
Penguatan common mode untuk rangkaian dengan beban aktif ini akan mendekati:
2.3
dimana ro4 adalah resistasi output transistor beban pada terminal ouput, 3 adalah penguatan arus transistor beban pasangannya, dan REE resistansi output sumber arus bias.
PENGUAT DIFERENSIAL DENGAN R ESISTOR DEGENERASI PADA EMITOR
Penguat diferensial di atas mempunyai jangkauan penguatan linier yang sangat kecil (jauh di bawah VT). Untuk memperoleh penguat diferensal dengan jangkauan penguatan linier yang lebih besar digunakan resis tansi degenerasi emitor Re. Pada rangkaian demikian diperoleh penguatan diferensial
dimana adalah penguatan a rus emitor ke kolektor. Penambahan resistor Re ini akan mengurangi penguatan diferensialnya. Pada penguat seperti ini penguatan common modenya adalah sbb :
Tampak dari persamaan terakhir penambahan resistansi degerasi emitor juga akan memperbaiki atau menekan penguatan common mode. 2.4
2.5
N ONIDEALITAS PADA PENGUAT D IFERENSIAL
Penguat diferensial ideal bila pasangan diferensial yang digunakan seluruh paramter sepenuhnya sama. Namun pada kenyataannya akan sangat diperoleh komponen yang demikian. Pada kasus rangkaian diferensial dengan beban resistor akan ada ofset tegangan input VOS penguat diferensial sebesar:
Demikian juga dengan trans istor yang digunakan, bila arus saturasinya tidak persis sama maka akan diperoleh tegangan ofset sebesar
Selain itu perbadaan penguatan arus juga akan memberikan arus ofset input IOS sebesar
PENGUAT DIFERENSIAL DENGAN BIAS CERMIN A RUS DAN BEBAN A KTIF
Peningkatan resistansi rangkaian sumber a rus 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. Sinyal output untuk pasangan diferensial seperti ini diambil pada salah satu terminal kolektor pasangan diferensialnya. Untuk rangkaian yang demikian akan diperoleh penguatan diferensial
3.
METODOLOGI
Pada percobaan 2 ini, alat dan bahan yang digunakan yaitu : 1.
Kit praktikum Penguat Diferensial
2.
Generator Sinyal
3.
Osiloskop
4.
Multimeter
5.
Catu daya Ter-regulasi (2 buah)
6.
Kabel dan asesori pengukuran
Dimana gm adalah transkonduktasi sinyal kecil transistor pasangan diferensial dan ro adalah resistansi output transisor beban aktif. Penguatan yang diperoleh akan sangat besar mengingat umumnya resistansi output ro juga sangat besar. Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
2
3.1
PEM BERIAN DAN PENGUKURAN TEGANG AN UNTUK P ASANGAN 3.2
DIFERNSIAL
P ASANGAN DIFERENSIAL DENGAN BIAS R ESISTOR
Untuk pemberian tegangan input Common Mode pada pas angan diferensi al pada percobaan i ni, digunaka n hubungan seperti pa da Gambar 4. Besa ran ampli tuda tegangan yang diberi kan dapat diberi kan hingga mendekati tegangan ca tu daya VCC. Dal am percobaa n ini di gunakan VCC 9V, maka ampli tuda tegangan common mode dapat diberi kan hingga maksi mum 9V.
Dis usu n rangkaian penguat dengan pasangan diferensial se pert i pada Gambar 5. Nilai-nilai komponen dan bersaran tega ngan catu daya yang dipilih adalah RC1= RC2= 10k , Rbias = 5 k, Q1= Q2= 2N3096 , dan VCC= 9V. Diukur arus bias yang men galir pada RC1, RC2, dan Rbias.
Amati pen guatan mode diferensial untuk penguat tersebut dengan membaca tegangan output single ended (hanya pada salah satu vO+atau vO-terhadap ground), maupun diferensial (sel is ih vO+dan vO-). Saat mengamati tegangan d iferensial, ja ngan dihubungkan terminal output dengan ground karena car a tersebut akan m engubah rangkaian percobaan. Dicatat has il pengamatan vO+, vO-dan vO+-vO-ter sebut.
Untuk Differential Mode pemberian tegangan input menggunakan hubungan seperti pada Gambar 4. Ampli tuda tegangan yang diberi kan berada pada kisa ran mV. Rangkai an pada Gambar 4 (a) memerl ukan penguat operasi onal yang mempunyai tegangan offset da n derau rendah. Diberika n ampli tuda yang cukup besar untuk mengatas i derau na mun tidak terl al u besa r untuk menghindari output lebih banyak pada keadaa n saturas i. Ampli tuda yang di gunakan dapat berada antar a 1040mV
Diguna kan mode xy un tuk melihat kurva karakteristik tra nsfe r tegangan VTC t egangan output vO(satu-satu s ecara ter pis ah) terhadap input diferensial vid.
Dil njutkan pe ngamatan untuk penguatan mode bersama pad a output yang sama vO+, vO-dan vO+-vO-. Dic atat hasil pengamatan tersebut
Gambar Rangkaian Pembe ri Tegangan nput Common Mode
Gambar Rangkaian Pembe ri Tegangan Input Diferensial (kiri : - Vd/2 dan +Vd/2; kanan : 0 dan Vd)
Diul angi p engamatan a rus DC, penguatan mode diferensial, dan pen guatan mode b ersama ini untuk ra ngkaian dengan res is tansi bias da n tegangan bias negatif yang lebih tinggi se pert i pada Gambar 6 di bawah ini.
Dil akukan juga pengamatan yang sama untuk rangkaian dife rensi al dengan bi as resistor dan dan degenerasi emitor seperti pada Gambar
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
3
3.3
P ASANGAN DIFERENSIAL DENGAN BIAS CERMIN A RUS
Disusun rangkaian seperti pada Gambar 8 di bawah ini . Diukur arus DC yang mengalir pada RC1, RC2, dan RRefserta arus pada kolektor Q4IC4.
Dilakukan pengamatan untuk penguatan mode dife rensial dan penguatan bersama.
Gambar Rangkaian Penguat Diferensial dengan Bias Resistor 5k
Gambar Rangkaian Penguat Diferensial dengan Bias Resistor 8.6k
Gambar Rangkaian Penguat Diferensial dengan Bias Cermin Arus 3.4
P ASANGAN DIFERENSIAL DENGAN BIAS CERMIN A RUS DAN BEBAN A KTIF
Di s usun rangkaian seperti pada Gambar 9 di bawah in i. Digunakan transistor 2N3904 un tuk Q5 dan Q6. Di ukur a rus DC yan g mengalir antara kolektor Q1 dan Q5, a nta ra kolektor Q2 dan Q6, dan arus kolektor Q4.
Di l akukan pengamatan untuk penguatan mode di ferensial d an penguatan bersama. Diperhatikan be ntuk ou tput yang diperoleh.
Gambar Rangkaian Penguat Diferensial dengan Bias Resistor dan Emitor Degeneratif
Di ubah rangkaian dengan memberikan beban pada outp ut s eperti pada Gambar 10 be rikut ini. Diamati pe nguatan diferensial d an pen guatan bersama pada termi nal output vo (pada beban RL).
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
4
Vo (+)
Vo()
Gambar Rangkaian Penguat Diferensial dengan Bias Cermin Arus dan Beban Aktif
Vo( +)vo()
Gambar Rangkaian Penguat Diferensial 4. 4.1
H ASIL DAN A NALISIS PEMBERIAN DAN PENGUKURAN TEGANGAN UNTUK PASANGAN DIFERENSIAL
tegangan input untuk konfigurasi penguat diferensial sebesar 10 mVpp dan untuk penguat common mode sebesar 2 Vpp simulasi dengan menggunakan multisim, sehingga diperoleh data sebagai berikut Dual Trace
xy
sinyal yang dihasilkan untuk Vo(+) terlihat bahwa penguatan yang dihasilkan sefasa . Sedangkan pada sinyal untuk Vo(-) diperoleh sinyal yang berbeda fasa 180 derajat dengan sumbernya. jika kedua penguatan ( Vo pos dan Vo neg) dipasang pada suatu beban, maka siyal yang dihasilkan akan memperoleh penguatan menjadi 2 kali lebih besar 4.2
PASANGAN DIFERENSIAL DENGAN BIAS CERMIN ARUS
simulasi dengan menggunakan multisim, sehingga diperoleh data sebagai berikut : Dual Trace
XY
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
5
Vo (-)
V o( +)
Vo (+)
V o()
Vo (+) vo( -)
Penguatan yang sangat besar ini terjadi dikarenakan cermin arus perannya lebih mendekaiti sumber arus ideal. 4.3
V o( +) vo (-)
PASANGAN DIFERENSIAL DENGAN BIAS CERMIN ARUS DAN BEBAN AKTIF
hasil simulasi dengan menggunakan multisim, diperoleh data sebagai berikut : Dual trace
xy
Berdasarkan data penguatan sinyal diatas, diperoleh penguatan pada terminal positif yang sangat besar yaitu 580.7 V/V. Hal ini sangat jauh berbeda dengan penguatan pada terminal negetif nya yang sangat kecil (mendekati nol). Sedangkan pada terminal negative terdapat beban aktif yang fungsinya untuk mejaga tegangan konstan pada terminal negatif sehingga penguatan pada Vo negatifnya menjadi sangat kecil (mendekati nol).
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
6
5.
K ESIMPULAN
Berdasarkan percobaan yang dilakukan pada praktikum modul II ini maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut : Penguatan diferensial dapat digunakan untuk memperkuat sinyal lemah ditengah adanya interferensi (noise). Interferensi ini hanya terjadi pada pemberian sinyal input common mode karena penguatan diferensial pada common mode akan mengalami atenuasi (pelemahan). Terdapat 2 janis konfigurasi input pada penguatan diferensial, yaitu diferensial mode dan common mode. resistansi pada emiter dan resistansi bias. Semakin besar resistasi tersebut maka semakin kecil pula penguatan yang diperoleh (resistansi berbanding terbalik dengan penguatan). Penggunaan cermin arus (current mirror) s ebagai beban aktif memiliki keuntungan yaitu akan diperoleh resistansi kolektor yang besar s ehingga penguatan akan s emakin besar pula. D AFTAR PUSTAKA
[1]
Mervin T. Hutabarat, Petunjuk Praktikum: Elektronika II, Sekolah Teknik Elektro ITERA, Bandar Lampung, 2016
[2]
Adel S. Sedra and Kennet C. Smith, Microelectronic Circuits, Oxford University Press, USA, 2004
Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB
7
