PROYEK WORKSHOP ELEKTRONIKA

PERANCANGAN AMPLIFIER

Oleh :

HENRI A 7811 040 006GILANG T 7811 040 010M. FAIZAL A 7811 040 011

Dosen Pembimbing :

Ir. Joke Pratilastiarso, MT

Fifi Hesty Sholihah, SST

Program Studi D4 Sistem Pembangkit EnergiDepartemen Teknik Mekanika Dan Energi

POLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERI SURABAYA2012

A. Merancang Amplifier BJT – Voltage Divider Bias

I. Tujuan :

1. memahami cara membuat Amplifier Voltage Divider Bias2. mengetahui karakteristik komponen Amplifier Voltage Divider Bias3. mampu membuat Amplifier Voltage Divider Bias sesuai dengan rancangan

II. Pendahuluan :

Amplifier BJT adalah amplifier yg menggunakan komponen Bipolar Junction Transistor. Amplifier ini terdiri dari bagian kolektor, basis , dan emitor. Saat merancang amplifier kita menentukan titik kerjanya lalu kita memilih transistor, resistor dan kapasitor yang tepat. Sehingga menghasilkan penguatan tegangan tertentu.

III. Dasar Teori

TRANSISTOR BIPOLARBJT (Bipolar Junction Transistor) adalah: salah satu dari dua jenis transistor.BJT memiliki 3 terminal yaitu Emitor(E), Kolektor(K), dan Basis(B). Perubahan arus listrik dalam jumlah kecil pada terminal basis dapat menghasilkan perubahan arus listrik dalam jumlah besar pada terminal kolektor.Prinsip inilah yang mendasari penggunaaan transistor sebagai penguat elektronik.Rasio antar arus pada kolektor dengan arus pada basis biasanyadilambangkan dengan B/hfe B biasanya berkisar sekitar 100 untuk transistor-transistor BJT.Transistor Bipolar Terbagi Menjadi 2 Jenis: NPN BJT (Bipolar Junction Transistor) Pada transistor NPN collector mendapat kutub positive sumber tegangan sedangkan emitter mendapat kutub negative sumber tegangan. PNP BJT (Bipolar Junction Transistor) Pada transistor PNP collector mendapat kutub negative sumber tegangan sedangkan emitter mendapat kutub positive sumber teganganPembiasan Transistor BipolarAda beberapa cara pembiasan transistor antara lain:1.Bias Forward-Forward2.Bias Reverse-Reverse3.Bias Forward-ReverseCara Kerja Transistor Bipolar:Transistor Bipolar dinamakan demikian karena konduksi utamanya menggunakan dua polaritas pembawa muatan : electron dan lubang,untuk membawa arus listrik.Dalam BJT,arus listrik utama harus melewati 1 daerah atau lapisan pembatas dinamakan DEPLETION ZONE dan ketebalan lapisan ini dapat diatur dengan kecepatan tinggi dengan tujuan untuk mengatur aliran arus utama.

TRANSISTOR UNIPOLARFET dibagi menjadi 2 yaitu: Junction FET (JFET) dan insulated Gate FET(IGFET) atau juga dikenal sebagai metal Oxide Silicon (atau Semiconductor) FET (MOSFET) berbeda dengan IGFET,terminal gate dalam JFET membentuk sebuah dioda dengan kanal.Secara fungsinya,ini membuat N-Chanel JFET menjadi sebuah versi Solid-State dari tabung vakum yang juga membentuk sebuah dioda antara grid dan katode. Dan juga, keduanya (JFET dan tabung vakum) bekerja di”DEPLETION MODE” keduanya memiliki impedansi input tinggi, dan keduanya menghantarkan arus listrik dibawah control teganganinput.FET lebih jauh lagi dibagi menjadi dua yaitu:TIPE ENHANCEMENT MODE dan DEPLETION MODE.Mode menandakan polaritas dari tegangan gate dibandingkan dengan source saat FET menghantarkan listrik N-Chanel FET sebagai contoh:dalam Depletion Mode, gate= negative dibandingkan dengan Source,sedangkan dalam Enhancemen Mode,gate = positif, aliran arus diantara source akan meningkat.Untuk P-Chanel FET, polaritas-polaritas semua di balik. Sebagian besar IGFET adalah tipe Enhancemen Mode, dan hamper semua JFET adalah tipe Depletion Mode. Cara Kerja Transistor UnipolarFET (juga dinamakan Transistor Unipolar) hanya menggunakan satu jenis pembawa muatan(Elektron atau hole,tergantung dari tipe FET).Dalam FET arus listrik utama mengalir dalam satu kanal konduksi sempit dengan Depletion Zone dikedua sisinya.(dibandingkan dengan transistor bipolar dimana daerah Basis memotong arah arus listrik utama). Dan ketebalan dari daerah perbatasan ini dapat dirubah dengan perubahan tegangan yang diberikan,untuk mengubah ketebalan kanal konduksi.

KONDISI TRANSISTOR SEBAGAI SAKLARTransistor yang dipergunakan sebagai saklar harus dikondisikan dalam 2 kondisi yaitu:1.KondisiSaturasi# NPN akan saturasi apabila tegangan pada kaki basis lebih positif daripada kaki emitter,dan arus mengalir dari collector ke emitter. # PNP akan saturasi apabila tegangan pada kai basis lebih negative dari pada kaki emitter,dan arus akan mengalir dari emitter ke collector.2.Kondisi Cut-Off# NPN akan cut-off apabila tegangan pada kaki basis lebih negative daripada kaki emitter dan arus tidak mengalir dari collector ke emitter. # PNP akan cut-off apabila tegangan pada kaki basis lebih positive daripada kaki emitter dan arus tidak mengalir dariemitter ke collector.

TRANSISTOR DALAM KEADAAN SATURASI, MAKA BERLAKUKuat arus Ic mencapai maksimum. Nilai Vce sama dengan 0 voltTegangan pada beban sama dengan tegangan sumber (Vcc=VRc)UNTUK MENGHITUNG RESISTANSI PADA BASIS MENGGUNAKAN RUMUSVcc-Ic.Rc-VceKarena keadaan saturasi Vce = 0 maka rumusnya menjadiVcc-Ic.Rc=0Ic=Bdc.IbIb=Ic/Bdc

NB:Tipe TransistorUJT, BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, HBT, MISFET, VMOSFET, MESFET, HEMT, SCR serta pengembangan dari transistor yaitu IC (Integrated Circuit) dan lain-lain

III. Gambar Rangkaian

IV. Perancangan

1. Perancangan titik kerja

Ic max100 mA

Icq 50 mA

Vceq Vcc / Vce max 7,5 V 15 V

Icq = 0,5 x Ic max Vceq = 0,5 x Vce max = 0,5 x 100 mA = 0,5 x 15 V = 50 mA = 7,5 V

Vin Penguatan (transistor &resistor)

Vout

2. Perancangan transistorTransistor 2SC373 (NPN)Vcc = 15 V Ic max = 100 Ma β = 200

Vceq = 7,5 V Icq = 50 mA VB = 2 V VE = 1,3 V3. Perancangan resistor

Ic = β . IB Icq = IE = 50 mA

IB = Ic / β RE = VE / IE = 50 mA / 200 = 1,3 V / 50 mA = 0,25 mA = 26 Ω

Rc = ((Vcc – Vceq) / Icq) - RE β.RE ˃ 10 R2

= ((15V – 7,5V) / 50 mA) - 26 Ω R2 = 200. 26 Ω / 10 = 124 Ω ~ 91 Ω = 520 Ω ~ 510 Ω

IR2 = VB / R2 R1 = (Vcc – VB) / (IR2 + IB) = 2 V / 520 Ω = (15V – 2V) / (3,8mA +0,25mA) = 3,8 mA = 3,2 kΩ ~ 2,7 kΩ

4. Perancangan kapasitorMenggunakan kapasitor 1 micro Farad pada sisi Vin dan Vout

V. Hasil Pengujian

1. Pengujian tanpa kapasitor

PotensioBagian

Max ½ Min

Vcc (V) 16,1 16,1 16,1

Vce (V) 0,03 4,04 8,26

VRC (V) 1,32 5,1 5,27

Ic (V) 15 56 58

Analisa

Ic = VRC / RC

*Saat potensio max Ic= 15 mA

*Saat potensio ½ Ic= 56 mA*Saat potensio min Ic= 58 mA

2. Pengujian dengan kapasitor

F (Hz) Vin (V) Vout (V) AV (Vout/Vin)

2 k 0,12 0,6 5

2 k 0,3 1,35 4,5

2 k 1,2 5,2 4,33

100 0,3 0,2 0,67

AnalisaA. Saat f = 2 kHz

*Dengan Vin = 0,12 V menghasilkan Vout = 0,6 V , sehingga AV = 5 kaliGambar sinyal masih terlihat jelas dan belum mengalami saturasi. Dapat dilihat pada gambar

a.1. Saat frekwensi tinggi maka nilai Xc menjadi kecil sehingga tegangan yang digunakan untuk mengaktifkan transistor tidak terlalu banyak terbagi dengan kapasitor sehingga tidak sampai terjadi cut-off

Gambar a.1

*Dengan Vin = 0,3 V menghasilkan Vout = 1,35 V, sehingga AV = 4,5 kaliGambar sinyal masih terlihat jelas dan belum mengalami saturasi. Dapat dilihat pada gambar

a.2. Saat frekwensi tinggi maka nilai Xc menjadi kecil sehingga tegangan yang digunakan untuk mengaktifkan transistor tidak terlalu banyak terbagi dengan kapasitor sehingga tidak sampai terjadi cut-off

Gambar a.2

*Dengan menggunakan Vin = 1,2 V menghasilkan Vout = 5,2 V, sehingga AV = 4,3 kaliGambar sinyal terlihat mengalami saturasi. Dapat dilihat pada gambar a.3. Saat frekwensi

tinggi maka nilai Xc menjadi kecil sehingga tegangan yang digunakan untuk mengaktifkan transistor tidak terlalu banyak terbagi dengan kapasitor sehingga tidak sampai terjadi cut-off. Namun terjadinya saturasi dikarenakan tegangan yang melalui transistor melebihi kapasitas maksimal

Gambar a.3

B. Saat f = 100 Hz*Dengan menggunakan Vin = 0,3 V menghasilkan Vout = 0,2 V, sehingga AV = 0,67 kali Amplifier dapat dikatakan tidak melakukan penguatan malah pelemahan. Dapat dilihat pada gambar b.1. Hal ini dikarenakan kondisi cut-off pada amplifier. Kondisi cut-off akibat dari frekwensi yang rendah sehingga nilai Xc nya besar yang mengakibatkan tegangan yang digunakan untuk mengaktifkan transistor banyak terbagi pada kapasitor

Gambar b.1

VI. Kesimpulan

Amplifier bekerja / melakukan penguatan saat gelombang frekwensi tinggi, jika terlalu besar menggunakan Vin maka gelombang akan mengalami saturasi

B. Summing Amplifier dan Substractor

I. Tujuan

1. Dapat memahami karakteristik op-amp2. Dapat memahami konfigurasi dasar rangkaian op-amp3. Mengatahui aplikasi yang dapat digunakan dalam op-amp

II. Pendahuluan

Summing amplifier dan substraktor amplifier adalah pengembangan dari amplifier diferensial yang di gunakan untuk membandingkan dua buah sinyal atau lebih. Susunan sirkuit amplifier operational/operational amplifier (op-amp) yang ditransistorisasi menjadikannya sangat cocok untuk integrasi, sehingga tersedia berbagai jenis op-amp dalam paket IC.Summing amplifier dan substractor merupakan beberapa rangkaian yang dapat dibuat dari operationam amplifier atau biasa disebut op-amp. Op-amp sendiri merupakan gabungan dari beberapa transistor. Pada mulanya op-amp digunakan untuk rangkaian perhitungan analog, rangkaian pengaturan dan instrumentasi. Fungsi utamanya adalah untuk melakukan operasi linier matematika (tegangan dan arus), integrasi dan penguatan.Setiap orang yang terlibat dalam elektronika dan industri diharuskan memahami kegunaan op-amp, mengetahui karakteristiknya, mampu mengenali konfigurasi dasar rangkaian op-amp dan mampu menggunakan op-amp pada aplikasi yang memerlukannya. Adapun beberapa aplikasi alat yang menggunakan op-amp yaitu sound dan saklar elektrik. Fungsi dari op-amp dan rangkaian transistor relatif sama.

III. Dasar Teori

Penguat operasional (Op Amp) adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial yang telah dijelaskan di atas. Penguat operasional memilki dua masukan dan satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang tinggi. Untuk dapat bekerja dengan baik, penguat operasional memerlukan tegangan catu yang simetris yaitu tegangan yang berharga positif (+V) dan tegangan yang berharga negatif (-V) terhadap tanah (ground) ). Berikut ini adalah simbol dari penguat operasional:

Bagian-bagian dalam Op amp :

1. Penguat Differensial, yaitu merupakan bagian input dari Op amp. penguat differensial mempunyai dua input (input + dan input -)

2. Penguat Penyangga (Buffer), yaitu penguat penyangga sinyal output dari penguat differensial agar siap untuk dimasukkan ke penguat akhir op amp.

3. Pengatur Bias, yaitu rangkian pengatur bias dari penguat differensial dan buffer agar diperoleh kestabilan titik nol pada output penguat akhir

4. Penguat Akhir, yaitu penguat yang merupakan bagian output dari Op amp. Penguat Akhir ini biasanya menggunakan konfigurasi push-pull kelas B atau kelas AB.3.2 Penggunakan penguat operasional:

- Pembanding (Comparator)

Comparator adalah penggunaan op amp sebagai pembanding antara tegangan yang masuk pada input (+) dan input (-).

Jika input (+) lebih tinggi dari input (-) maka op amp akan mengeluarkan tegangan positif dan jika input (-) lebih tinggi dari input (+) maka op amp akan mengeluarkan tegangan negatif. Dengan demikian op amp dapat dipakai untuk membandingkan dua buah tegangan yang berbeda.

- Penguat Pembalik (Inverting)

Penguat pembalik adalah penggunanan op amp sebagai penguat sinyal dimana sinyal outputnya berbalik fasa 180 derajat dari sinyal input.

- Penguat tidak membalik (Non Inverting)

Penguat tidak membalik adalah penggunanan op amp sebagai penguat sinyal dimana sinyal outputnya sefasa dengan sinyal input.

- Penguat differensial

Penguat differensial adalah penggunaan op amp untuk mencari selisih antara dua buah titik tegangan yang berbeda.

- Penguat penjumlah (Summing Amplifier)

Penguat penjumlah berfungsi menjumlahkan level masing masing sinyal input yang masuk ke op amp. Penggunanan op amp sebagai penjumlah sering dijumpai pada rangkaian mixer audio.

- SubstractorRangkaian pengurang ini berasal dari rangkaian inverting dengan memanfaatkan masukan non-inverting, sehingga persamaannya menjadi sedikit ada perubahan. Rangkaian pengurang dengan 1 op-amp ini memanfaatkan kaki inverting dan kaki noninverting.Supaya benar benar terjadi pengurangan maka nilai dibuat seragam seperti gambar. Rumusnyaadalah:

Sehingga :

IV. Gambar Rangkaiani. Summing amplifier

ii. Substractor

V. Perancangan

Gambar 19. Diagram blok perancangan

Dalam perancangan summing amplifier dan substractor menggunakan op-amp kali ini dilakukan dengan tahapan sebagai berikut :

i. Penguatan op-ampKarena pada rangkaian op-amp ini kami mempelajari summing dan substractor maka Pada penguatan op-amp ini dirancang tanpa penguatan

Penguatan

Op-amp

Nilai

resitansi

Pengukuran

V out

sehingga nilai resistansi dari Rin dan RF sama yaitu 2K7Ω. Hal itu dapat ditentukan sesuai rumus berikut :

Jadi jika dimasukkan nilai resistansi dari Rin dan RF didapatkan :

Sehingga nilai penguatan AV adalah satu kali atau tanpa penguatan.

ii. Nilai ResistansiPemilihan nilai resistor sebesar 2k7 Ω dilakukan agar arus yang mengalir tidak besar, jika besar di khawatirkan op-amp tidak mampu bekerja. maka dipilih nilai R di atas 1k Ω.

iii. Pengukuran Vout

Dalam pengukuran Vout ini kita menentukan dahulu Vin yang telah ditetapkan. Dari tegangan yang masuk rangkaian op-amp ini akan dejumlahkan sehingga akan didapatkan tegangan output.

Langkah-langkah pengujianDalam pengujian rangkaian summing amplifier dan substractor adapun langkah-langkah dalam pengujian seperti berikut :

Rangkailah seperti gambar rangkaian Siapkan dua buah adapter power sebagai input dan satu buah sebagai Vcc Masukkan sinyal input pada Vdc1 dan Vdc2. Atur sesuai keinginan dan ukur

sinyal output menggunakan avometer Ukur dan catatlah sinyal output sapai batas saturnasi

VI. Hasil Pengujiani. Summing amplifier

Hasil pengujian rangkaian summing amplifier dapat dilihat pada tabel berikut

No. Vin1 Vin2 Vout

1 1 V 1 V -2,07 V2 2 V 2 V -4,02 V3 3 V 3 V -6,07 V4 4 V 4 V -7,98 V5 5 V 5 V -10,01 V6 6 V 6 V -11,11 V7 7 V 7 V -11,05 V8 8 V 8 V -10,91 V

Hasil simulasi rangkaian summing amplifier dapat dilihat pada tabel berikut

No. Vin1 Vin2 Vout

1 1 V 1 V -2 V2 2 V 2 V -4 V3 3 V 3 V -6 V4 4 V 4 V -8 V5 5 V 5 V -10 V6 6 V 6 V -11,978 V7 7 V 7 V -11,987 V8 8 V 8 V -11,986 V

Perbandingan hasil simulasi dengan multisim dengan pengujian:

No. Vout simulasi Vout pengukuran % kerugian1 -2 V -2,07 V 3,3 %2 -4 V -4,02 V 0,5 %3 -6 V -6,07 V 1,2 %4 -8 V -7,98 V 0,3 %5 -10 V -10,01 V 0,1 %6 -11,978 V -11,11 V 7,8 %7 -11,987 V -11,05 V 8,5 %8 -11,986 V -10,91 V 9,9 %

ii. SubstractorHasil pengujian rangkaian substractor dapat dilihat pada tabel berikut

No. Vin1 Vin2 Vout

1 1 V 2 V 0,938 V2 1 V 3 V 1,265 V3 1 V 4 V 1,66 V4 1 V 5 V 2,03 V5 1 V 6 V 3,072 V6 1 V 7 V 4,12 V7 1 V 8 V 5,48 V8 2 V 1 V -1,07 V9 3 V 1 V -2,027 V

10 4 V 1 V -3,023 V

11 5 V 1 V -3,97 V12 6 V 1 V -4,97 V13 7 V 1 V -5,99 V14 8 V 1 V -7,02 V

Hasil simulasi rangkaian summing amplifier dapat dilihat pada tabel berikut

No. Vin1 Vin2 Vout

1 1 V 2 V 0,999 V2 1 V 3 V 2 V3 1 V 4 V 3 V4 1 V 5 V 4 V5 1 V 6 V 5 V6 1 V 7 V 6 V7 1 V 8 V 7 V8 2 V 1 V -0,999 V9 3 V 1 V -2 V

10 4 V 1 V -3 V11 5 V 1 V -4 V12 6 V 1 V -5 V13 7 V 1 V -6 V14 8 V 1 V -7 V

Perbandingan hasil simulasi dengan multisim dengan pengujian:

No. Vout simulasi Vout pengukuran % kerugian1 0,999 V 0,938 V 6,1 %2 2 V 1,265 V 44,6 %3 3 V 1,66 V 44,6 %4 4 V 2,03 V 49,3 %5 5 V 3,072 V 38,6 %6 6 V 4,12 V 31,3 %7 7 V 5,48 V 21,7 %8 -0,999 V -1,07 V 7,1 %9 -2 V -2,027 V 1,35 %

10 -3 V -3,023 V 0,77 %11 -4 V -3,97 V 0,75 %12 -5 V -4,97 V 0,6 %13 -6 V -5,99 V 0,17 %14 -7 V -7,02 V 0,28 %

analisa

Op-amp memiliki titik kerja tertentu. Hal ini terlihat ketika tegangan input pada rangkaian summing amplifier ketika kedua sumber nila penjumlahaan teganggannya mencapai 11V akan tetap sebesar 11V meskipun di tambah terus nilai tegangan sumber, bahkan ketika kedua sumber 8V tegangan di output sebesar -10,91V, jika di bandingkan dengan simulasi menggunakan multisim menujukan hasil yang tidak jauh beda, hal ini menandakan operasi summing amplifier bekerja sesuai teori. Berhentinya penjumlahan input merupakan karakteristik dari rangkaian op-amp tersebut, jika ditinjau dari teganggan untuk aktivasi op-amp (Vcc) yang dipakai sekitar 12V, mungkin karena Vcc 12 jadi tegangan output tidak bisa melebihi teganggan output, atau rangkaian op-amp tersebut sudah mencapai saturasi.Pada rangkaian subtraktor saat V1 meningkat dan V2 tetap didapat data yang mendekati teori, begitu pula dengan simulasi menggunakan multisim, perbedaan antara prakik dengan simulasi tidak terlalu besar yakni sekitar 1 %, jadi rangkaian ini sesuai dengan teori. namun ketika saat V1 tetap dan V2 meningkat, didapat data yang agak ajuh dari teori, didapat error sekitar 40% .hasil negative pada output op-amp dikarenakan menggunakan rangkaian inverting yakni meng-invers sinyal (pole) input.

VII. Kesimpulan- besar penguatan op-amp tidak terbatas tergantung dari nilai Rf dan R1- summing op-amp memiliki karakteristik saturasi- nilai error pada summing op-amp lebih kecil dari pada subtractor op-amp