MODUL 04 KARAKTERISTIK DAN PENGUAT FET

Hafizh Al Fikry (18014044)Asisten:Panji Ramadhan /13212062Tanggal Percobaan:31 Maret 2016

EL2205-Praktikum ElektronikaLaboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB

Abstrak

Pada percobaan ini, akan ditentukan kurva ID vs VGS untuk menentukan Vt, kemudian akan ditentukan pula kurva ID

vs VDS untuk menentukan daerah kerja transistor, lalu akan ditentukan pula titik kerja Q untuk menentukan konstanta transistor. Percobaan dilanjutkan dengan mencari faktor penguatan, resistansi input, dan resistansi output dari penguat transistor berkonfigurasi Common Source, Common Drain, dan Common Gate.Kata kunci: karakteristik, penguat, FET.

1. PendahuluanSalah satu transistor yang umum digunakan adalah transistor FET (Field Effect Transistor). Prinsip kerja transistor ini adalah dengan berdasarkan efek medan elektrik yang dihasilkan oleh tegangan yang diberikan pada kedua ujung terminal. Transistor ini bekerja sebagai penguat pada daerah saturasinya.Setelah melakukan percobaan, diharapkan mahasiswa dapat:a. mengetahui dan mempelajari

karakteristik transistor FETb. memahami penggunaan FET sebagai

penguat untuk konfigurasi Common Source, Common Gate, dan Common Drain

c. mengetahui dan mempelajari resistansi input dan output untuk ketiga konfigurasi tersebut.2. Studi Pustaka

2.1FET (Field Effect Transistor)Transistor FET adalah transistor yang bekerja berdasarkan efek medan elektrik yang dihasilkan oleh tegangan yang diberikan pada kedua ujung terminalnya. Mekanisme kerja transistor ini berbeda dengan transistor

BJT. Pada transistor ini, arus yang dihasilkan/dikontrol dari Drain (analogi dengan Kolektor pada BJT), dilakukan oleh tegangan antara Gate dan Source (analogi dengan Base dan Emitter pada BJT). Bandingkan dengan arus pada Base yang digunakan untuk menghasilkan arus kolektor pada transistor BJT.Jadi, dapat dikatakan bahwa FET adalah transistor yang berfungsi sebagai “konverter” tegangan ke arus. Transistor FET memiliki beberapa jenis, diantaranya adalah JFET dan MOSFET. Pada praktikum ini digunakan transistor MOSFET, meskipun pada dasarnya sifat dari JFET dan MOSFET adalah serupa.Karakteristik umum dari transistor MOSFET dapat digambarkan pada kurva yang dibagi menjadi dua, yaitu kurva karakteristik ID vs VGS dan kurva karakteristik ID vs VDS. Kurva karakteristik ID vs VGS diperlihatkan pada gambar berikut. Pada gambar tersebut terlihat bahwa terdapat VGS minimum yang menyebabkan arus mulai mengalir. Tegangan tersebut dinamakan tegangan threshold, Vt. Pada MOSFET tipe depletion, Vt adalah negatif, sedangkan pada tipe enhancement, Vt adalah positif.

Gambar 1 Kurva ID vs VGS

Gambar 2 Kurva ID vs VDS

Pada kurva ID vs VDS, dapat dilihat daerah kerja transistor, yaitu daerah saturasi, trioda, dan cut-off.

2.2Penguat FETTransistor FET dapat digunakan sebagai penguat, dengan mengeset daerah kerja transistor pada daerah saturasinya. Hal ini dilakukan dengan memberikan arus ID dan tegangan VDS tertentu.Tiga konfigurasi penguat FET dengan karakteristiknya:

Common Source

Common Gate Common Source

Rin RG 1gm

RG

Rout RD∨¿ r o RD∨¿ r o 1gm

∥ro

Av −gm (RD∥RL∥r o )−gm (RD∥RL∥r o ) RL∨¿ ro

( 1gm )+(RL∨¿ ro )

3. Metodologi3.1Alat dan Komponen yang

Digunakana. Sumber Tegangan DCb. Osiloskopc. Multimeter d. Generator Sinyale. Breadboardf. Kit Transistor sebagai Switchg. Potensiometer 1 MΩh. Potensiometer 10 kΩi. Potensiometer 1 kΩj. Resistor 1 MΩk. Kapasitor 100 µF

l. Kabel-Kabelm. Peak Atlas DCA Pro

3.2Langkah-Langkah Percobaana. Diagram 1 Kurva Karakteristik

Transistor MOSFET

Gambar 3 Pengaturan pembuat grafik ID vs VGS

Gambar 4 Pengaturan pembuat grafik ID vs VDS

b. Diagram 4.2 Penguat MOSFET

1

Nyalakan komputer dan sambungkan USB Power Atlas DCA Pro ke komputerSambungkan kabel Atlas DCA pro dengan kaki mosfet pada kit Transistor sebagai switchBuka aplikasi DCA Pro dan pstikan DCA pro ConnectedTekan tombol Test

2

Buka tab Mosfet ID /VGS pada aplikasi DCA ProAtur pengaturan tracing seperti pada gambar 3.Tunggu proses tracingHasil pencatatan dibuat ke dalam plot ID vs VGS.Tegangan threshold ditentukan, Vt.

3

Atur pengaturan tracing seperti pada gambar 4.Tunggu proses tracing.Hasil pencatatan dibuat ke dalam plot ID vs VDS

Daerah kerja transistor ditentukan.

4

Pada kurva ID vs VDS, akan dirancang garis beban setelah sebelumnya diset nilai VDD dan RD.Titik Q ditempatkan pada garis tersebut.

5

Nilai gm dicari dengan formula, kemudian dibandingkan dengan hasil yang diperoleh dari kemiringan kurva titik Q pada kurva ID vs VGS.

Gambar 5 Rangkaian Percobaan Penguatan FET

Gambar 6 Rangkaian Percobaan Faktor Penguatan CS

Gambar 7 Rangkaian Percobaan Resistansi Input CS

1

Rangkaian disusun seperti pada gambar 5.VDD, RG, RD, RS diatur agar transistor berada pada titik operasi yang diinginkan.Generator sinyal diatur pada 50 mVpp dan 10 kHz.

2

Rangkaian disusun ulang agar seperti gambar 6.Osiloskop digunakan untuk melihat sinyal pada Gate dan Drain.

3

Nilai penguatan ditentukan, kemudian amplitudo generator sinyal dinaikkan hingga sinyal output terdistorsi, nilai tegangan input ini dicatat.Rangkaian disusun ulang seperti gambar 7.

4

Osiloskop dihubungkan pada Gate transistor.Resistor variabel diset sehingga amplitudo sinyal input menjadi setengah nilai sinyal input tanpa resistor variabel, lalu nilai ini dicatat.

5

Rangkaian disusun ulang seperti pada gambar 8.Osiloskop dihubungkan pada Drain transistor.Resistor variabel diatur sehingga amplitudo sinyal output setengah dari sinyal output tanpa resistor variabel, lalu nilai ini dicatat.

6

Semua nilai dibandingkan dengan hasil perhitungan.Untuk konfigurasi lainnya, rangkaian disusun ulang seperti gambar 9 dan 10 dan langkah percobaan diulangi seperti penguat konfigurasi Common Source.

Gambar 8 Rangkaian Percobaan Resistansi Output CS

Gambar 9 Rangkaian Percobaan Penguat FET Konfigurasi CG

Gambar 10 Rangkaian Percobaan Penguat FET Konfigurasi CD

4. Hasil dan Analisis4.1 Karakteristik Transistor FETA. Kurva ID vs VGS

Dari percobaan, diperoleh hasil kurva sebagai berikut:

Gambar 11 Kurva Karakteristik ID vs VGS

Dari kurva yang diperoleh, dapat dilihat bahwa tegangan threshold Vt atau tegangan VGS minimum saat arus mulai mengalir adalah sebesar 1.5 Volt. Nilai yang diperoleh adalah positif, yang artinya transistor yang digunakan merupakan tipe enhancement yang sesuai dengan transistor yang digunakan.B. Kurva ID vs VDS

Dari percobaan, diperoleh kurva sebagai berikut:

Gambar 12 Kurva Karakteristik ID vs VDS

Saat nilai VGS lebih kecil dari tegangan threshold, maka tidak ada arus yang mau mengalir maka daerah kerja transistor adalah daerah cut-off.Saat nilai VDS lebih kecil dari tegangan overdrivenya VOV maka transistor bekerja pada daerah triodanya, dan dapat dilihat bahwa daerah trioda transistor selalu berada pada nilai VDS < VOV. Tegangan overdrive adalah nilai tegangan GS dikurangi tegangan thresholdnya.Saat nilai VDS lebih besar atau sama dengan VOV, maka transistor bekerja pada daerah saturasinya. Pada daerah saturasinya, transistor bekerja sebagai penguat. Dapat dilihat dari gambar jika daerah saturasi transistor selalu VDS ≥ VOV.C. Desain Q PointTitik Q ditentukan pada saat ID = 3.99 mA, VGS = 4 V, dan VDS = 7 V (titik ini berada dalam daerah saturasi).Dari nilai tersebut, dengan formula:

gm=K (vGS−V t )dengan

K=( (vGS−V t )2

2 iD )−1

Dari formula dan nilai yang telah ditentukan tersebut, diperoleh nilai gm sebesar 7.832 mA/V.Dengan menggunakan kurva ID vs VGS,

Gambar 13 Kurva Gradien gm

Nilai kemiringan pada titik ID = 3.99 mA dan VGS = 4 V adalah 2.84, sehingga nilai gm adalah sekitar 2.84 mA/V.4.2 Hasil Percobaan Penguat FETPada pengukuran penguat Common Source diperoleh:

Parameter Nilai

AV AV=−gm (RL||RD||ro )≈−7.984

Rin R¿=RG=500∨¿500=250 kΩ

Rout Rout=¿

Gambar 14 Kurva Penguatan CS

Gambar 15 Kurva Terdistorsinya Sinyal Output

Pada nilai penguatan, diperoleh nilai negatif, yang artinya terjadi pembalikan fase pada sinyal output terhadap sinyal input sebesar 180 derajat.Pada pembesaran nilai sinyal input, maka sinyal output akan terdistorsi di bagian bawah, ini artinya transistor memasuki daerah trioda, dapat dilihat jika nilai input makin besar (vGS) maka saat nilai vGS berada di amplitudo terbesarnya, nilai vDS akan lebih kecil dari vGS – Vt sehingga transistor memasuki daerah trioda.Diperoleh nilai tegangan input saat tegangan output tepat akan terdistorsi adalah sebesar 233.52 mVpp yang artinya toleransi input agar transistor tetap berada di daerah penguatannya kecil.

Pada pengukuran penguat Common Gate diperoleh:

Parameter Nilai

AV AV=gm (RL||RD||ro )≈7.984

RinR¿=

1gm

=250

Ω

Rout Rout=¿

Gambar 16 Kurva Penguatan CG

Gambar 17 Kurva Terdistorsinya Sinyal Output

Pada nilai penguatan, diperoleh nilai positif, yang artinya tidak terjadi pembalikan fase pada sinyal output terhadap sinyal input.Pada pembesaran nilai sinyal input, maka sinyal output akan terdistorsi di bagian bawah, ini artinya transistor memasuki daerah trioda, dapat dilihat jika nilai input makin besar maka saat nilai vGS berada di amplitudo terkecilnya, nilai vDS akan lebih kecil dari vGS – Vt sehingga transistor memasuki daerah trioda.Diperoleh nilai tegangan input saat tegangan output tepat akan terdistorsi adalah sebesar 263.65 mVpp yang artinya toleransi input agar transistor tetap berada di daerah penguatannya kecil.Pada pengukuran penguat Common Drain diperoleh:

Parameter Nilai

AVAV=

RL∨¿ ro¿¿

Rin R¿=RG=250 kΩ

Rout Rout=1gm

∨¿r0≈250Ω

Gambar 18 Kurva Penguatan CD

Pada nilai penguatan, diperoleh nilai 1, yang artinya konfigurasi ini dapat digunakan sebagai buffer tegangan.Pada pembesaran nilai sinyal input, maka sinyal output akan terdistorsi di bagian atas, ini artinya transistor memasuki daerah cut-off. Toleransi input agar transistor berada pada daerah saturasi sangatlah tinggi, hal ini terlihat dari tingginya nilai input sebelum sinyal output terdistorsi, yaitu sebesar 19.77 Vpp.

5. KESIMPULAN

Dari percobaan dapat disimpulkan bahwa:a. Transistor FET, memiliki nilai tegangan

antara Gate dan Source minimum yang mana arus baru mau mengaliri transistor, tegangan ini dinamakan tegangan threshold Vt.Transistor FET memiliki tiga daerah kerja, yaitu trioda, saturasi, dan cut-off. Daerah trioda dicapai jika nilai tegangan antara Drain dan Source lebih kecil daripada nilai tegangan overdrive. Daerah saturasi dicapai saat nilai tegangan Drain-Source lebih besar atau sama dengan nilai tegangan overdrive. Daerah cut-off dicapai jika tegangan Gate-Source lebih kecil dari tegangan thresholdnya. Tegangan overdrive adalah tegangan Gate-Source dikurangi tegangan threshold.Pada daerah kerja saturasi, transistor bekerja sebagai penguat. Terdapat tiga jenis konfigurasi penguat, yaitu Common Source, Common Gate, dan Common Drain.

Nilai gm pada transistor yang digunakan adalah sekitar 2.84 –7,832mA/V. Sementara nilai tegangan thresholdnya adalah 1.5 V.

b. Karakteristik penguat berkonfigurasi CS adalah memiliki nilai penguatan tegangan yang tinggi, bernilai negatif, memiliki resistansi output dan input yang tinggi. Biasanya pada rangkaian yang menggunakan penguat CS ini, dirangkai penguat CD pada cascade terakhir, tujuannya untuk meminimalisasi nilai resistansi output yang ditimbulkan konfigurasi CS ini. Pada konfigurasi CS, toleransi nilai input agar transistor tetap berada pada daerah penguatan (saturasi) termasuk rendah.Karakteristik penguat berkonfigurasi CG adalah memiliki nilai penguatan tegangan yang cukup tinggi, bernilai positif, memiliki resistansi input rendah, dan memiliki resistansi output yang tinggi. Biasanya digunakan sebagai buffer arus, karena penguatan arus pada konfigurasi ini mendekati satu. Pada konfigurasi CG, toleransi nilai input agar transistor tetap berada pada daerah penguatan (saturasi) termasuk rendah.Karakteristik penguat berkonfigurasi CD adalah memiliki nilai penguatan tegangan 1, memiliki resistansi input tinggi, dan memiliki resistansi output yang rendah. Biasanya digunakan sebagai buffer tegangan, selain itu, konfigurasi ini biasanya juga dipakai pada rangkaian yang menggunakan penguat CS, untuk menanggulangi kelemahan dari penguat CS (resistansi output yang tinggi). Pada konfigurasi CD, toleransi nilai input agar transistor tetap berada pada daerah penguatan (saturasi) sangat tinggi.

c. Resistansi input dan output untuk masing-masing konfigurasi:

Konfigurasi

Resistansi Input

Resistansi

Output

Common Source

220 kΩ 2.25 kΩ

Common Gate

104.7 Ω 2.25 kΩ

Common Drain

220 kΩ 116 Ω

6. DAFTAR PUSTAKA

[1] Hutabarat, Mervin T., Praktikum Elektronika, Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung, Bandung, 2016.

[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Field-effect_transistor, 1 April 2016, pukul 20.39.

[3] http://en.wikipedia.org/wiki/MOSFET,1 April 2016, pukul 20.50.

[4] Adel S. Sedra dan Kenneth C. Smith, Microelectronic Circuits, Oxford University Press, USA, 1997.