Pembagi atau Pemisah Fasa (Phase Splitter)
Rangkaian pemisah fasa menghasilkan dua sinyal output yang sama dalam amplitudo tetapi berlawanan fasa dari satu sama lain dari sinyal input tunggal. Pemisah Fasa adalah jenis lain dari Transistor Bipolar, (BJT) konfigurasi di mana sinyal input tunggal sinusoidal dibagi menjadi dua output terpisah yang berbeda dalam fase satu sama lain dengan 180 derajat listrik.
Sinyal input dari pembagi fasa transistor diterapkan ke terminal base dengan satu sinyal output diambil dari terminal collector dan sinyal output kedua diambil dari terminal emitter. Dengan demikian pemisah fasa transistor adalah penguat dual output menghasilkan output pelengkap dari terminal collector dan emitter yang out-of-fase dengan 180°.
Rangkaian pemisah fasa-transistor tunggal bukanlah hal baru karena kita telah melihat blok bangunan dasarnya pada tutorial sebelumnya. Pemisah fasa, rangkaian fasa-inverter menggabungkan karakteristik penguat common emitter dengan penguat common collector.
Seperti halnya penguat common emitter dan rangkaian penguat Common Collector, rangkaian pembagi fase bias maju untuk dioperasikan sebagai penguat kelas-A linier untuk mengurangi distorsi sinyal output. Tetapi pertama-tama mari kita menyegarkan kembali pengetahuan kita tentang rangkaian penguat common emitter (CE) dan konfigurasi rangkaian penguat common collector (CC).
Rangkaian penguat common emitter dengan pembagi tegangan bias adalah yang paling banyak digunakan linear konfigurasi penguat sebagai yang mudah untuk bias dan memahami.
Sinyal input diterapkan ke terminal base, dan sinyal output diambil dari seberang resistansi beban, RL yang terhubung antara collector dan rel supply positif, VCC seperti yang ditunjukkan. Jadi emitter adalah umum untuk input dan output.
Serta menyediakan amplifikasi tegangan ditentukan oleh rasio: RL/RE, ciri utama dari konfigurasi Common Emitter (CE) adalah bahwa itu adalah sebuah penguat inverting memproduksi pembalikan fasa 180° antara input dan output sinyal.
Untuk beroperasi sebagai Penguat Kelas-A, rangkaiannya dibiaskan sedemikian rupa sehingga arus diam dimasukkan ke dalam dasar/base, IB memposisikan tegangan terminal collector pada kira-kira setengah dari nilai tegangan supply. Rasio resistor R1 dan R2 dipilih sehingga transistor dengan benar bias memberikan sinyal keluaran tidak terdistorsi maksimal.
Penguat common collector menggunakan transistor tunggal dalam konfigurasi common collector dengan collector yang umum untuk kedua input dan output rangkaian. Sinyal input diterapkan ke terminal base transistor dan output diambil dari terminal emitter seperti yang ditunjukkan.
Karena sinyal output diambil dari seberang resistor emitter, RE tidak ada resistor collector yang digunakan sehingga terminal collector terhubung langsung ke rel supply, VCC. Jenis konfigurasi penguat ini juga dikenal sebagai pengikut tegangan atau lebih umum pengikut emitter karena sinyal output mengikuti sinyal input.
Karakteristik utama dari konfigurasi Common Collector (CC) adalah bahwa ia adalah penguat non-inverting ketika sinyal input melewati langsung melalui sambungan base-emitter ke output. Oleh karena itu outputnya “in-phase” dengan input. Karena ini memiliki gain tegangan sedikit kurang dari satu (satu).
Seperti dengan konfigurasi common emitter sebelumnya, transistor penguat common collector bias menggunakan jaringan pembagi tegangan untuk setengah tegangan supply untuk memberikan stabilisasi yang baik untuk kondisi operasi DC-nya.
Tahap pemisah menggunakan satu transistor untuk menghasilkan penguat pembalik (inverting) dan output penguat non-pembalik (non-inverting) seperti yang ditunjukkan.
Kami mengatakan sebelumnya bahwa gain tegangan dari penguat common emitter adalah rasio RL ke RE, yaitu -RL/RE (tanda minus menunjukkan penguat inverting). Jika kita membuat dua Resistor ini sama nilainya (RL = RE), maka gain tegangan dari tahap common emitter akan sama dengan -1 atau satu.
Sebagai common collector, rangkaian penguat pengikut emitter secara alami memiliki penguatan tegangan non-inverting hampir kesatuan (+1), dua sinyal output, satu dari collector dan satu dari emitter, akan sama dalam amplitudo tetapi 180° keluar-dari fasa.
Hal ini membuat rangkaian pembagi fase gain transistor sangat berguna untuk memberikan input komplementer atau anti-fase ke tahap amplifier lain, seperti power amplifier push-pull kelas-B.
Untuk operasi yang tepat, jaringan pembagi tegangan yang terhubung melintasi rel dan ground suppply harus dipilih untuk menghasilkan stabilisasi kondisi DC yang benar untuk ayunan tegangan output dari kedua collector dan terminal emitter yang menghasilkan output simetris.
Untuk mencegah distorsi dari sinyal output terminal emitter, tegangan biasing DC dari terminal emitter harus lebih besar dari nilai maksimum sinyal input, dalam hal ini puncak 1 volt. Jika kita mengatur tegangan terminal emitter diam DC pada dua kali nilai input untuk memastikan ayunan output bebas distorsi, VE akan sama dengan 2 volt.
Karena VE diatur pada 2 volt dan arus emitter, yang juga merupakan arus diam collector, mengalir melalui itu diberikan sebagai 1mA, nilai resistansi emitter, RE dihitung sebagai:
Untuk gain tegangan dari sisi common emitter dari rangkaian pembagi fasa untuk sama -1 (kesatuan), collector resistansi beban RL harus sama dengan RE. Itulah RL = RE = 2kΩ. Dengan demikian tegangan drop melintasi resistansi beban collector dihitung sebagai:
RL = RE =2.0kΩ
VC = IC x RL = 1mA x 2kΩ = 2.0 Volt
∴ VC(Q) = VCC - VC = 9-2= 7.0 Volt
Karena VE(Q) = 2.0V, dan VC(Q) = 7.0V,
VCE(Q) = VC(Q) -VE(Q) = 7.0 - 2.0 = 5.0Volt
Menerapkan Hukum Kirchhoff 2 - Tegangan, VCC - VC - VCE - VE = 0. Dengan demikian 9 - 2 - 5 - 2 = 0. Kita akan mengharapkan untuk melihat ini karena sebagai RL = RE dan arus mengalir melalui kedua resistor kira-kira nilai yang sama, sehingga penurunan tegangan I*R di masing-masing resistor akan sama pada 2.0 volt.
Ini berarti bahwa tegangan bias DC untuk output non-inverting (terminal emitter) adalah 2.0 volt (0 + 2), dan tegangan bias DC untuk output inverting (terminal collector) adalah 7.0 volt (9 - 2). Dengan kata lain, tegangan output diam DC dari dua output berada pada nilai yang berbeda.
Transistor gain arus DC, Beta diberikan sebagai 100. Adapun penguat common emitter, Beta adalah rasio arus collector ke arus basis, yaitu; β = IC /IB, nilai arus biasing dasar yang dibutuhkan dihitung sebagai:
Kemudian untuk kenaikan arus DC 100, arus base diam, IB(Q) diberikan sebagai 10uA. Ini adalah praktik umum bahwa nilai arus diam mengalir melalui resistor base-ke-ground dari jaringan pembagi tegangan adalah sepuluh kali (x10) lebih besar dari arus base. Dengan demikian arus yang mengalir melalui R2 adalah 10*IB = 10*10uA = 100uA.
Tegangan base, VB sama dengan tegangan emitter, VE ditambah penurunan tegangan maju 0.7 volt dari pn-junction-emitter, yaitu: 2.0 + 0.7 = 2.7 volt. Oleh karena itu nilai R2 dihitung sebagai:
Karena ada 100uA yang mengalir melalui R2 dan 10uA yang mengalir ke terminal base transistor, maka harus mengikuti bahwa ada 110uA (100uA + 10uA) yang mengalir melalui resistor atas, R1 dari jaringan pembagi tegangan. Jika tegangan supply 9 volt dan tegangan base transistor adalah 2,7 volt. Nilai resistor R1 dihitung sebagai:
Dengan demikian jaringan pembagi tegangan yang digunakan untuk bias DC dari rangkaian pembagi terdiri dari R1 = 57,3 kΩ dan R2 = 27 kΩ. Menyatukan nilai-nilai yang dihitung di atas memberi kita rangkaian pembagi fasa transistor tunggal :
Sebagai rangkaian transistor pemisah fasa tunggal menghasilkan dua versi output dari sinyal input, versi non-terbalik identik dalam fasa dengan sinyal input, dan 180° fasa terbalik versi sinyal input dengan kedua output memiliki amplitudo yang sama.
Ini membuat rangkaian pembagi fasa ideal untuk digunakan dalam menggerakkan output yang dikonfigurasikan push-pull atau totem-kutub untuk penguatan atau kontrol motor DC. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.
Sebagai output komplementer diambil dari collector dan emitter dari transistor, ketika transistor atas Q2 maju bias dan melakukan pada setengah siklus negatif (karena inversi), transistor Q3 yang lebih rendah MATI, sehingga setengah negatif dari gelombang akan diteruskan ke resistor beban, RL.
Pada setengah siklus positif dari gelombang input, semakin rendah transistor Q3 adalah bias maju dan berjalan, sedangkan transistor atas, Q2 OFF, sehingga setengah positif dari gelombang akan diteruskan ke resistor beban, RL.
Jadi pada satu waktu hanya satu dari transistor output, Q2 atau Q3 maju bias dan berjalan setengah dari bentuk gelombang input. Sebagai dua transistor output berubah dari satu ke yang lain, kedua bagian dari sinyal input bergabung untuk menghasilkan output gelombang terbalik di RL yang memiliki DC biasing tegangan berpusat di sekitar perbedaan antara VC dan VE. Resistor R5 digunakan untuk membatasi aliran arus.
Kadang-kadang perlu untuk memiliki dua sinyal yang keduanya sama dalam amplitudo tetapi 180° out-of-fase satu sama lain dan ada cara yang berbeda untuk membuat rangkaian pemisah fasa output ganda, termasuk penggunaan penguat diferensial dan Op-amp (penguat operasional).
Tetapi konfigurasi rangkaian transistor pemisah fase tunggal adalah yang paling mudah untuk dibangun dan dipahami.
Rangkaian pembagi fase transistor tunggal bias beroperasi sebagai penguat kelas A dengan dua output komplementer (inverted dan non-inverted) yang diambil dari collector dan terminal emitter masing-masing dari transistor. Untuk beroperasi dengan benar, gain setiap output harus diatur ke 1, gain unity.
Rangkaian pembagi fase transistor tunggal berguna untuk menggerakkan amplifier push-pull Kelas-B, trafo yang disadap tengah untuk inverter atau output totem-pole untuk kontrol motor, seperti ketika satu transistor dalam posisi ON, transistor lainnya dalam posisi OFF.
Sinyal input dari pembagi fasa transistor diterapkan ke terminal base dengan satu sinyal output diambil dari terminal collector dan sinyal output kedua diambil dari terminal emitter. Dengan demikian pemisah fasa transistor adalah penguat dual output menghasilkan output pelengkap dari terminal collector dan emitter yang out-of-fase dengan 180°.
Rangkaian pemisah fasa-transistor tunggal bukanlah hal baru karena kita telah melihat blok bangunan dasarnya pada tutorial sebelumnya. Pemisah fasa, rangkaian fasa-inverter menggabungkan karakteristik penguat common emitter dengan penguat common collector.
Seperti halnya penguat common emitter dan rangkaian penguat Common Collector, rangkaian pembagi fase bias maju untuk dioperasikan sebagai penguat kelas-A linier untuk mengurangi distorsi sinyal output. Tetapi pertama-tama mari kita menyegarkan kembali pengetahuan kita tentang rangkaian penguat common emitter (CE) dan konfigurasi rangkaian penguat common collector (CC).
Penguat Common Emitter
Sinyal input diterapkan ke terminal base, dan sinyal output diambil dari seberang resistansi beban, RL yang terhubung antara collector dan rel supply positif, VCC seperti yang ditunjukkan. Jadi emitter adalah umum untuk input dan output.
Serta menyediakan amplifikasi tegangan ditentukan oleh rasio: RL/RE, ciri utama dari konfigurasi Common Emitter (CE) adalah bahwa itu adalah sebuah penguat inverting memproduksi pembalikan fasa 180° antara input dan output sinyal.
Untuk beroperasi sebagai Penguat Kelas-A, rangkaiannya dibiaskan sedemikian rupa sehingga arus diam dimasukkan ke dalam dasar/base, IB memposisikan tegangan terminal collector pada kira-kira setengah dari nilai tegangan supply. Rasio resistor R1 dan R2 dipilih sehingga transistor dengan benar bias memberikan sinyal keluaran tidak terdistorsi maksimal.
Penguat Common Collector
Karena sinyal output diambil dari seberang resistor emitter, RE tidak ada resistor collector yang digunakan sehingga terminal collector terhubung langsung ke rel supply, VCC. Jenis konfigurasi penguat ini juga dikenal sebagai pengikut tegangan atau lebih umum pengikut emitter karena sinyal output mengikuti sinyal input.
Karakteristik utama dari konfigurasi Common Collector (CC) adalah bahwa ia adalah penguat non-inverting ketika sinyal input melewati langsung melalui sambungan base-emitter ke output. Oleh karena itu outputnya “in-phase” dengan input. Karena ini memiliki gain tegangan sedikit kurang dari satu (satu).
Seperti dengan konfigurasi common emitter sebelumnya, transistor penguat common collector bias menggunakan jaringan pembagi tegangan untuk setengah tegangan supply untuk memberikan stabilisasi yang baik untuk kondisi operasi DC-nya.
Konfigurasi Pembagi Fasa
Jika kita menggabungkan konfigurasi penguat common emitter dengan penguat common collector dan mengambil output dari collector dan terminal emitter secara bersamaan, kita dapat membuat rangkaian transistor yang menghasilkan dua sinyal output yang besarnya sama dengan besarnya tetapi terbalik sehubungan dengan satu sama lain.Tahap pemisah menggunakan satu transistor untuk menghasilkan penguat pembalik (inverting) dan output penguat non-pembalik (non-inverting) seperti yang ditunjukkan.
Pemisah/Pembagi Fasa menggunakan Transistor NPN
Kami mengatakan sebelumnya bahwa gain tegangan dari penguat common emitter adalah rasio RL ke RE, yaitu -RL/RE (tanda minus menunjukkan penguat inverting). Jika kita membuat dua Resistor ini sama nilainya (RL = RE), maka gain tegangan dari tahap common emitter akan sama dengan -1 atau satu.
Sebagai common collector, rangkaian penguat pengikut emitter secara alami memiliki penguatan tegangan non-inverting hampir kesatuan (+1), dua sinyal output, satu dari collector dan satu dari emitter, akan sama dalam amplitudo tetapi 180° keluar-dari fasa.
Hal ini membuat rangkaian pembagi fase gain transistor sangat berguna untuk memberikan input komplementer atau anti-fase ke tahap amplifier lain, seperti power amplifier push-pull kelas-B.
Untuk operasi yang tepat, jaringan pembagi tegangan yang terhubung melintasi rel dan ground suppply harus dipilih untuk menghasilkan stabilisasi kondisi DC yang benar untuk ayunan tegangan output dari kedua collector dan terminal emitter yang menghasilkan output simetris.
Contoh: Pembagi/Pemisah Fasa No.1
Rangkaian pembagi fasa transistor tunggal diperlukan untuk menggerakkan tahap power amplifier push-pull. Desain rangkaian yang sesuai jika tegangan supply 9 volt, nilai Beta dari transistor NPN 2N3904 yang digunakan adalah 100, dan arus collector diam adalah 1mA dan sinyal input memiliki amplitudo puncak 1V.Untuk mencegah distorsi dari sinyal output terminal emitter, tegangan biasing DC dari terminal emitter harus lebih besar dari nilai maksimum sinyal input, dalam hal ini puncak 1 volt. Jika kita mengatur tegangan terminal emitter diam DC pada dua kali nilai input untuk memastikan ayunan output bebas distorsi, VE akan sama dengan 2 volt.
Karena VE diatur pada 2 volt dan arus emitter, yang juga merupakan arus diam collector, mengalir melalui itu diberikan sebagai 1mA, nilai resistansi emitter, RE dihitung sebagai:
Untuk gain tegangan dari sisi common emitter dari rangkaian pembagi fasa untuk sama -1 (kesatuan), collector resistansi beban RL harus sama dengan RE. Itulah RL = RE = 2kΩ. Dengan demikian tegangan drop melintasi resistansi beban collector dihitung sebagai:
RL = RE =2.0kΩ
VC = IC x RL = 1mA x 2kΩ = 2.0 Volt
∴ VC(Q) = VCC - VC = 9-2= 7.0 Volt
Karena VE(Q) = 2.0V, dan VC(Q) = 7.0V,
VCE(Q) = VC(Q) -VE(Q) = 7.0 - 2.0 = 5.0Volt
Menerapkan Hukum Kirchhoff 2 - Tegangan, VCC - VC - VCE - VE = 0. Dengan demikian 9 - 2 - 5 - 2 = 0. Kita akan mengharapkan untuk melihat ini karena sebagai RL = RE dan arus mengalir melalui kedua resistor kira-kira nilai yang sama, sehingga penurunan tegangan I*R di masing-masing resistor akan sama pada 2.0 volt.
Ini berarti bahwa tegangan bias DC untuk output non-inverting (terminal emitter) adalah 2.0 volt (0 + 2), dan tegangan bias DC untuk output inverting (terminal collector) adalah 7.0 volt (9 - 2). Dengan kata lain, tegangan output diam DC dari dua output berada pada nilai yang berbeda.
Transistor gain arus DC, Beta diberikan sebagai 100. Adapun penguat common emitter, Beta adalah rasio arus collector ke arus basis, yaitu; β = IC /IB, nilai arus biasing dasar yang dibutuhkan dihitung sebagai:
Kemudian untuk kenaikan arus DC 100, arus base diam, IB(Q) diberikan sebagai 10uA. Ini adalah praktik umum bahwa nilai arus diam mengalir melalui resistor base-ke-ground dari jaringan pembagi tegangan adalah sepuluh kali (x10) lebih besar dari arus base. Dengan demikian arus yang mengalir melalui R2 adalah 10*IB = 10*10uA = 100uA.
Tegangan base, VB sama dengan tegangan emitter, VE ditambah penurunan tegangan maju 0.7 volt dari pn-junction-emitter, yaitu: 2.0 + 0.7 = 2.7 volt. Oleh karena itu nilai R2 dihitung sebagai:
Karena ada 100uA yang mengalir melalui R2 dan 10uA yang mengalir ke terminal base transistor, maka harus mengikuti bahwa ada 110uA (100uA + 10uA) yang mengalir melalui resistor atas, R1 dari jaringan pembagi tegangan. Jika tegangan supply 9 volt dan tegangan base transistor adalah 2,7 volt. Nilai resistor R1 dihitung sebagai:
Dengan demikian jaringan pembagi tegangan yang digunakan untuk bias DC dari rangkaian pembagi terdiri dari R1 = 57,3 kΩ dan R2 = 27 kΩ. Menyatukan nilai-nilai yang dihitung di atas memberi kita rangkaian pembagi fasa transistor tunggal :
Rangkaian Pemisah Fasa Transistor
Sebagai rangkaian transistor pemisah fasa tunggal menghasilkan dua versi output dari sinyal input, versi non-terbalik identik dalam fasa dengan sinyal input, dan 180° fasa terbalik versi sinyal input dengan kedua output memiliki amplitudo yang sama.
Ini membuat rangkaian pembagi fasa ideal untuk digunakan dalam menggerakkan output yang dikonfigurasikan push-pull atau totem-kutub untuk penguatan atau kontrol motor DC. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.
Tahap Output Totem-pole
Sebagai output komplementer diambil dari collector dan emitter dari transistor, ketika transistor atas Q2 maju bias dan melakukan pada setengah siklus negatif (karena inversi), transistor Q3 yang lebih rendah MATI, sehingga setengah negatif dari gelombang akan diteruskan ke resistor beban, RL.
Pada setengah siklus positif dari gelombang input, semakin rendah transistor Q3 adalah bias maju dan berjalan, sedangkan transistor atas, Q2 OFF, sehingga setengah positif dari gelombang akan diteruskan ke resistor beban, RL.
Jadi pada satu waktu hanya satu dari transistor output, Q2 atau Q3 maju bias dan berjalan setengah dari bentuk gelombang input. Sebagai dua transistor output berubah dari satu ke yang lain, kedua bagian dari sinyal input bergabung untuk menghasilkan output gelombang terbalik di RL yang memiliki DC biasing tegangan berpusat di sekitar perbedaan antara VC dan VE. Resistor R5 digunakan untuk membatasi aliran arus.
Ringkasan Pembagi Fasa Transistor
Kita telah melihat di sini dalam tutorial ini bahwa dengan menggabungkan rangkaian common emitter dengan rangkaian common collector, kita dapat membuat jenis lain dari rangkaian transistor tunggal yang tidak benar-benar penguat Common Emitter atau penguat Common Collector melainkan rangkaian pemutus fase yang menghasilkan dua tegangan dari amplitudo yang sama tetapi dari fasa yang berlawanan.Kadang-kadang perlu untuk memiliki dua sinyal yang keduanya sama dalam amplitudo tetapi 180° out-of-fase satu sama lain dan ada cara yang berbeda untuk membuat rangkaian pemisah fasa output ganda, termasuk penggunaan penguat diferensial dan Op-amp (penguat operasional).
Tetapi konfigurasi rangkaian transistor pemisah fase tunggal adalah yang paling mudah untuk dibangun dan dipahami.
Rangkaian pembagi fase transistor tunggal bias beroperasi sebagai penguat kelas A dengan dua output komplementer (inverted dan non-inverted) yang diambil dari collector dan terminal emitter masing-masing dari transistor. Untuk beroperasi dengan benar, gain setiap output harus diatur ke 1, gain unity.
Rangkaian pembagi fase transistor tunggal berguna untuk menggerakkan amplifier push-pull Kelas-B, trafo yang disadap tengah untuk inverter atau output totem-pole untuk kontrol motor, seperti ketika satu transistor dalam posisi ON, transistor lainnya dalam posisi OFF.