BAB I

POWER AMPLIFIER

PENDAHULUAN

1. Tujuan Instruksional Khusus. Setelah mempelajari pokok bahasan ini, Karbol diharapkan dapat :

a. Menjelaskan pengertian penguat daya (power amplifier).

b. Menjelaskan fungsi penguat daya dalam sistem elektronika.

c. Menjelaskan prinsip kerja penguat daya.

2. Pengantar. Rangkaian digital adalah rangkaian yang menggunakan transistor sebagai saklar (switch). Rangkaian linier adalah rangkaian yang menggunakan transistor sebagai sumber arus. Salah satu contoh rangkaian linier adalah penguat (amplifier), yaitu rangkaian yang dapat menaikkan amplitudo sinyal. Pada sistem elektronika, penguat daya diletakkan pada tahap akhir karena arus yang mengalir harus jauh lebih besar dari arus sinyal masukan sehingga mampu menggerakkan/mengaktifkan beban yang umumnya berimpedansi rendah. Dengan perkataan lain, pada tahap-tahap akhir ini penekanan penguatan (amplification) berubah dari penguatan tegangan menjadi penguatan daya dalam hal ini penguatan arus yang cukup besar. Transistor-transistor sinyal kecil mempunyai batas kemampuan daya kurang dari setengah watt dan transistor-transistor daya mempunyai batas kemampuan daya lebih dari setengah watt. Transistor sinyal kecil umumnya digunakan dekat ujung depan sari sistem karena daya sinyalnya rendah, sedangkan transistor daya digunakan dekat ujung belakang dari sistem karena daya sinyalnya tinggi.

Gambar 1-1. Simbol penguat daya

Penguat daya (power amplifier) dapat memperkuat daya sinyal masukan sehingga daya sinyal keluaran menjadi lebih besar (A kali lipat).

2

Pout = A . Pin

Besarnya tingkat penguatan (amplification) adalah :

PRATEGANGAN (BIAS) TRANSISTOR

3. Sebelum sinyal ac dapat dikoplingkan ke transistor, titik operasi Q (quiescent point) harus ditetapkan terlebih dahulu, pada umumnya di dekat pertengahan garis beban dc. Sinyal ac yang masuk selanjutnya menghasilkan ayunan di atas dan di bawah titik Q tersebut. Ayunan arus dan tegangan tidak boleh sampai mendorong transistor ke dalam daerah jenuh (saturation) atau daerah putus (cut-off). Agar transistor dapat bekerja secara linear maka transistor harus diberi tegangan bias (prategangan) dengan ketentuan sebagai berikut :

a. Diode emiter diberi prategangan maju (forward bias).

b. Diode kolektor diberi prategangan balik (reverse bias).

4. Prategangan Basis (Base Bias). Gambar 1-2 berikut adalah contoh prategangan basis (disebut juga prategangan tetap). Biasanya, catu daya basis sama dengan catu daya kolektor; atau Vbb = Vcc. Dalam hal ini, tahanan/resistor basis dan resistor kolektor disambung dengan sisi posistif dari catu kolektor.

(a) (b)

Gambar 1-2. Prategangan basisa. Rangkaian lengkap.b. Rangkaian yang disederhanakan.

Prategangan basis merupakan cara pemberian prategangan transistor yang paling buruk dalam operasi linear karena titik tengah Q (Quiescent) tidak stabil dan sangat tergantung pada kondisi arus dan suhu. Prategangan basis terutama digunakan dalam rangkaian-rangkaian digital yang transistor-nya digunakan sebagai switch di antara kondisi putus (cut-off) dan jenuh (saturation).

3

5. Prategangan Umpan-balik Emiter. Prategangan umpan-balik emiter bergantung pada kanaikan arus kolektor yang mengakibatkan kenaikan tegangan melintasi tahanan emiter, yang mengurangi arus basis sehingga menurunkan arus kolektor. Prategangan jenis ini tidak mudah untuk direalisir karena membutuhkan tahanan emiter yang besar agar dapat bekerja dengan baik. Namun apabila tahanan emiter terlalu besar maka akan terjadi kondisi kejenuhan kolektor. Jadi, prategangan umpan-balik emiter bukanlah suatu pilihan yang lebih baik sehingga secara praktis jarang digunakan. Istilah “umpan-balik” (feedback) digunakan untuk menunjukkan besaran keluaran (arus kolektor) yang menghasilkan perubahan pada besaran masukan (arus basis). Tahanan emiter merupakan elemen umpan-balik karena merupakan sekutu (common) antara rangkaian keluaran dan rangkaian masukan. Gambar 1-3 adalah contoh rangkaian prategangan dengan umpan-balik emiter.

Gambar 1-3. Prategangan basisa. Rangkaian lengkap.b. Rangkaian yang disederhanakan.

6. Prategangan Umpan-balik Kolektor. Gambar 1-4 memperlihatkan rangkaian prategangan umpan-balik kolektor yang disebut juga prategangan diri. Tahanan basis disambung dengan kolektor dan bukan dengan catu daya. Ini yang membedakan prategangan umpan-balik kolektor dengan prategangan basis.

Gambar 1-4. Prategangan umpan-balik kolektor.

4

a. Rangkaian lengkap.b. Basis dihubungkan ke kolektor.c. Rangkaian ekivalen jika RB = 0.

Cara kerja umpan-balik kolektor adalah sebagai berikut. Bila suhu naik, βdc (Ic / Ib) juga naik, sehingga mengakibatkan kenaikan arus kolektor. Sesaat setelah arus kolektor naik, tegangan kolektor emiter turun (ada penurunan tegangan yang besar melintas RC). Hal ini berarti bahwa tegangan melintas tahanan basis mengecil, dan menyebabkan penurunan arus basis. Arus basis yang mengecil menghalangi kenaikan arus kolektor semula. Dengan demikian prategangan umpan-balik kolektor memiliki beberapa keuntungan dibandingkan dengan prategangan umpan-balik emiter.

Jika tegangan-tegangan yang melingkari simpal (closed loop) kolektor dijumlahkan maka diperoleh :

VCC - VCE - (IC + IB).RC = 0

Karena dalam daerah aktif IB jauh lebih kecil daripada IC, maka besarnya IB dapat diabaikan, sehingga persamaan tersebut menjadi :

Jika tegangan-tegangan yang melingkari simpal (closed loop) basis dijumlahkan maka diperoleh :

VCC - VBE - (IC + IB )RC - IB RB = 0atau

VCC - VBE - IC RC - IB RB = 0

Karena IB = IC / βdc, besarnya arus kolektor dapat diketahui sebagai berikut :

Prategangan umpan-balik kolektor memiliki kelebihan sebagai berikut :

- Bekerja lebih baik daripada prategangan umpan-balik emiter.

- Lebih sederhana rangkaiannya.

- Tanggapan frekuensinya lebih baik.

- Transistor tidak dapat jenuh.

7. Prategangan Pembagi Tegangan. Gambar 1-5 memperlihatkan rangkaian prategangan pembagi tegangan atau disebut juga prategangan universal. Rangkaian tersebut merupakan rangkaian prategangan yang peling banyak digunakan dalam rangkaian-rangkaian linear. Nama “pembagi tegangan” (voltage

5

divider) berasal dari rangkaian pembagi tegangan yang dibentuk oleh R1 dan R2 . Tegangan yang melintas R2 memberi prategangan maju pada dioda emiter.

Gambar 1-5. Prategangan pembagi tegangan.a. Rangkaian lengkap.b. Rangkaian yang disederhanakan.

Tegangan ekivalen Thevenin adalah :

Gambar rangkaian yang disederhanakan (1-5b) menunjukkan bahwa transistor bekerja seperti sumber arus terkendali, sehingga emiter dibootstrap terhadap basis sebagai berikut :

Nilai arus kolektor hampir sama dengan nilai arus emiter. Tampak bahwa βdc tidak muncul pada persamaan tersebut. Hal ini berarti bahwa rangkaian kebal terhadap perubahan βdc sehingga memiliki kestabilan yang tinggi. Oleh sebab itu prategangan pembagi tegangan menjadi bentuk prategangan yang paling banyak diterapkan dalam rangkaian-rangkaian transistor linier.

Jika tegangan yang melingkari simpal kolektor dijumlahkan maka diperoleh :

VCC - IC RC - VCE - IE RE = 0, karena IC = IE maka

Sehingga garis beban DC mempunyai arus jenuh VCC/(RC+RE) dan tegangan putus (cutoff) sebesar VCC.

6

Gambar 1-6. Garis beban DC

PENGUAT DAYA COMMON EMITER (CE)

8. Garis Beban AC dan DC Penguat Emiter Sekutu (CE). Setiap penguat mempunyai dua garis beban, yaitu garis beban DC dan garis beban AC. Garis beban DC digunakan untuk menganalisa rangkaian-rangkaian pengatur prategangan sedangkan garis beban AC untuk menganalisa operasi sinyal besar.

Gambar 1-7. Penguat CE

7

Penguat CE pada gambar 1-7a mempunyai rangkaian ekivalen DC seperti yang ditunjukkan pada gambar 1-7b. Dari rangkaian ekivalen DC dapat diturunkan garis beban DC seperti pada gambar 1-7c. Gambar 1-7d memperlihatkan bentuk rangkaian ekivalen AC dimana semua kapasitor dihubung singkat. Resistansi Thevenin AC pada basis adalah :

rB = Rs//R1//R2

Sedangkan resistansi beban AC yang dilihat kolektor adalah :

rc = Rc//RL

Bila tidak ada sinyal, transistor beroperasi pada titik Q (pada gambar 1-7c). Sedangkan jika ada sinyal, titik operasi akan berayun sepanjang garis beban AC bukan garis beban DC, karena resistansi beban AC berbeda dengan resistansi beban DC.

ICQ = Arus kolektor tenang

VCEQ = Tegangan kolektor-emiter tenang

9. Jenuh AC dan Putus AC (AC Saturation and Cut Off). Pada gambar 1-7a, jumlah tegangan-tegangan AC yang melingkar pada sinyal simpal (loop) kolektor adalah :

vce + ierc = 0atau

Arus kolektor AC diberikan oleh :

Ic = Ic = Ic - ICQ

dan tegangan kolektor emiter AC adalah :

Vce =VCE = VCE = VCEQ

Kedua persamaan ini dimasukkan ke persamaan ic sehingga :

8

Persamaan tersebut merupakan persamaan garis beban AC. Bila transistor mengalami kejenuhan maka VCE = 0 sehingga :

dimana :IC(sat) = arus jenuh ACICQ = arus kolektor DCVCEQ = tegangan kolektor-emiter DCrC = resistansi AC pada kolektor

Jika transistor mencapai titik putus (cut off), maka IC = 0, sehingga :

VCEQ(cut) = VCEQ + ICQ . rc

Gambar 1-8 berikut memperlihatkan garis beban ac dengan arus jenuh dan tegangan putusnya, dimana setiap saat selama satu siklus AC, titik operasi transistor selalu berada di sepanjang garis beban AC tersebut.

Gambar 1-8 Garis Beban AC Penguat CE

10. Kepatuhan Keluaran AC (AC Output Compliance). Selama setengah siklus tegangan sumber AC positif, tegangan kolektor berayun dari titik Q ke arah jenuh. Sedang pada setengah siklus negatif, tegangan kolektor berayun dari titik Q ke arah titik putus. Untuk sinyal AC yang cukup besar, dapat terjadi pemotongan pada kedua puncak sinyal sehingga sinyal mengalami distorsi.

9

Gambar 1-9. Kepatuhan keluaran AC

Kepatuhan keluaran AC adalah tegangan AC maksimum (puncak ke puncak) tak terpotong yang dapat dihasilkan penguat. Misalnya, pada gambar 1-9 kepatuhan keluaran AC adalah 2 V. Jika penguat tersebut dipaksa untuk menghasilkan tegangan keluar puncak ke puncak lebih dari 2 V, maka sinyal keluaran akan terpotong. Kepatuhan keluaran AC dilambangkan dengan PP (peak to peak). Pada gambar 1-9, penguat mempunyai PP = 2 V. Karena tegangan putus AC adalah VCEQ + ICQ . rc, maka ayunan positif maksimum dari titik Q adalah :

VCEQ + ICQ . rC – VCEQ = ICQ . rC

Tegangan jenuh AC ideal adalah nol, sehingga ayunan negatif maksimum titik Q adalah :

0 – VCEQ = -VCEQ

Oleh karena itu, kepatuhan keluaran AC suatu penguat CE dibatasi oleh nilai terkecil dari dua pendekatan berikut, yaitu :

PP ICQ . rC

atauPP 2 VCEQ

Gambar 1-10. Penguat CEa. Rangkaian lengkap.b. Daya beban.c. Disipasi daya transistor.

10

11. Operasi Kelas A. Operasi kelas A berarti bahwa transistor selalu beroperasi di daerah aktif, dengan demikian arus kolektor mengalir sepanjang 360° dari siklus ac. Beberapa sifat dari penguat kelas A yang perlu diketahui adalah :

a. Bati (Gain) Tegangan. Gambar 1-10 memperlihatkan suatu penguat CE, yang memiliki bati tegangan tanpa beban sebesar :

Resistansi ac yang dilihat oleh kolektor adalah rc = Rc // RL. Dengan demikian, bati tegangan dengan bebannya adalah :

Misalnya, jika Rc = 10 k, RL = 30 k dan re’ = 50 maka :

b. Bati (Gain) Arus. Bati arus adalah perbandingan arus kolektor ac terhadap arus basis ac.

Bati arus besarnya tergantung pada impedansi keluar sumber arus kolektor dan resistansi beban. Pada umumnya bati arus ini dapat dihitung dengan pendekatan berikut :

c. Bati (Gain) Daya. Pada gambar 1-10, daya masuk ac pada basis adalah :

pin = vin . ib

Daya keluar ac pada kolektor adalah :

pout = - vout . ic , tanda negatif menunjukkan adanya pembalikan fasa.

Bati daya adalah perbandingan antara daya keluar dengan daya masuk, yaitu:

11

Atau

Ap = - Av . AI

d. Daya Beban. Pada gambar 1-10, daya ac yang masuk ke dalam tahanan beban RL adalah :

dimana : PL = daya beban acVL = tegangan beban rmsRL = resistansi beban

Jika pengukuran dilakukan dengan osiloskop, maka harus digunakan tegangan puncak ke puncak sebagai berikut :

VL = 0,707 VP

karena

maka

sehingga

Gambar 1-10 memperlihatkan bahwa daya beban maksimum terjadi jika tegangan beban puncak ke puncak sama dengan kepatuhan keluaran ac.

e. Disipasi Daya. Bila tidak ada sinyal yang menggerakkan penguat, maka disipasi daya transistor sama dengan perkalian tegangan keluaran dc, yaitu :

PDQ = VCEQ . ICQ

dimanaPDQ = disipasi daya tenangVCEQ = tegangan kolektor-emiter tenangICQ = arus kolektor tenang

12

Disipasi daya tidak boleh melebihi batas kemampuan daya transistor. Jika batas ini dilampaui maka transistor akan rusak. Dalam gambar 1-10c ditunjukkan bahwa disipasi daya berubah dengan berubahnya tegangan beban puncak ke puncak. PD berharga maksimum jika tidak ada sinyal masuk, sehingga :

PD(max) = PDQ

f. Penguras Arus (Current Drain). Pada penguat seperti dalam gambar 1-10a, sumber tegangan dc Vcc harus memberikan arus searah ke pembagi tegangan dan rangkaian kolektor. Pada rangkaian pembagi tegangan, penguras arus DC adalah :

Sedangkan pada rangkaian kolektor :

I2 = ICQ

Pada penguat kelas A, baik ada sinyal AC ataupun tidak, sumber DC harus memberikan arus rata-rata sebesar :

Is = I1 + I2

Dengan demikian daya total DC yang diberikan ke penguat adalah :

Ps = Vcc . Is

g. Efisiensi Tahapan. Efisiensi suatu tahapan penguat transistor diberikan oleh persamaan berikut :

dimana : = efisiensi tahapanPL(max) = daya beban AC amaksimumPs = daya masuk AC

Contoh. Jika PL(max) = 50 mW dan PS = 400 mW maka efisiensi tahapan tersebut adalah :

Hal ini berarti bahwa 12,5% daya masuk DC mencapai keluaran dalam bentuk daya beban AC.

13

12. Soal-soal Latihan

a. Jelaskan pengertian tentang penguat daya.

b. Jelaskan macam prategangan pada penguat transistor.

c. Jelaskan pengertian dari kepatuhan keluaran AC.

d. Jelaskan tentang sifat-sifat penguat daya.