Penguat (Amplifier) Common Source JFET (Junction Field Effect Transistors)
Penguat Common Source JFET menggunakan transistor efek medan persimpangan (junction) sebagai perangkat aktif utamanya yang menawarkan karakteristik impedansi input tinggi. Rangkaian penguat transistor seperti penguat (amplifier) common emitter dibuat menggunakan Bipolar Junction Transistor, tetapi penguat sinyal kecil juga dapat dibuat menggunakan Field Effect Transistor.
Perangkat Tansistor FET ini memiliki keunggulan dibandingkan Transistor Bipolar karena memiliki impedansi input yang sangat tinggi bersama dengan output noise yang rendah membuatnya ideal untuk digunakan dalam rangkaian penguat yang memiliki sinyal input sangat kecil.
Desain rangkaian penguat berbasis di sekitar transistor efek medan persimpangan atau "JFET", (N-channel FET untuk tutorial ini) atau bahkan silikon oksida logam FET atau "MOSFET" adalah prinsip yang persis sama dengan rangkaian transistor bipolar digunakan untuk rangkaian Penguat (Amplifier) Kelas A yang kita lihat di tutorial sebelumnya.
Pertama, titik diam yang sesuai atau "titik-Q" perlu ditemukan untuk biasing yang benar dari rangkaian penguat (amplifier) JFET dengan konfigurasi penguat tunggal Common-source (CS), Common-drain (CD) atau Source-follower (SF) dan Common-gate (CG) yang tersedia untuk sebagian besar perangkat FET. Ketiga konfigurasi penguat amplifier JFET ini sesuai dengan konfigurasi common-emitter, emitter-follower, dan common-base menggunakan transistor bipolar.
Dalam tutorial tentang Penguat FET ini kita akan melihat Penguat JFET Common Source yang populer karena ini adalah desain penguat JFET yang paling banyak digunakan. Pertimbangkan konfigurasi rangkaian penguat Amplifier JFET Common Source di bawah ini.
Rangkaian penguat (amplifier) terdiri dari transistor JFET N-channel, tetapi perangkat ini juga bisa menjadi transistor MOSFET mode-deplesi N-channel yang setara karena diagram rangkaian akan sama dengan hanya perubahan pada transistor FET, yang terhubung dalam konfigurasi source/sumber yang sama.
Tegangan gerbang JFET Vg dibiaskan melalui jaringan pembagi potensial yang dibuat oleh resistor R1 dan R2 dan bias beroperasi dalam wilayah saturasinya yang setara dengan wilayah aktif dari bipolar junction transistor.
Tidak seperti rangkaian transistor bipolar, transistor JFET praktis tidak memiliki arus gerbang input yang memungkinkan gerbang diperlakukan sebagai rangkaian terbuka. Maka tidak diperlukan kurva karakteristik input. Kita dapat membandingkan transistor JFET dengan transistor bipolar (BJT) dalam tabel berikut.
Karena N-Channel JFET adalah perangkat mode deplesi dan biasanya “ON”, tegangan gerbang negatif sehubungan dengan source diperlukan untuk memodulasi atau mengontrol arus drain.
Tegangan negatif ini dapat disediakan dengan membiaskan diri dari tegangan catu daya yang terpisah atau dengan pengaturan biasing sendiri selama arus yang stabil mengalir melalui JFET bahkan ketika tidak ada sinyal input yang hadir dan Vg mempertahankan bias balik dari source-gate pn junction.
Dalam contoh sederhana kami, biasing disediakan dari jaringan pembagi potensial yang memungkinkan sinyal input untuk menghasilkan penurunan tegangan di gate serta kenaikan tegangan di gate dengan sinyal sinusoidal.
Pasangan nilai Resistor yang sesuai dalam proporsi yang benar akan menghasilkan tegangan biasing yang benar sehingga tegangan biasing gate DC Vg diberikan sebagai:
Perhatikan bahwa persamaan ini hanya menentukan rasio resistor R1 dan R2 , tetapi untuk memanfaatkan impedansi input JFET yang sangat tinggi serta mengurangi disipasi daya dalam rangkaian, kita perlu membuat nilai resistor ini setinggi mungkin, dengan nilai dalam urutan 1MΩ hingga 10MΩ yang umum (common).
Sinyal input, ( Vin ) dari penguat JFET common-source diterapkan antara terminal Gate dan rel volt nol, (0v). Dengan nilai konstan tegangan gate Vg yang diterapkan, JFET beroperasi dalam "wilayah Ohminya" yang bertindak seperti perangkat resistif linier.
Rangkaian saluran berisi resistor beban, Rd. Tegangan output, Vout dikembangkan melintasi resistansi beban ini.
Efisiensi dari penguat JFET common-source dapat ditingkatkan dengan penambahan resistor, Rs termasuk dalam source-lead dengan arus drain yang sama mengalir melalui resistor ini. Resistor, Rs juga digunakan untuk mengatur penguat JFET "Q-point".
Ketika JFET diaktifkan sepenuhnya "ON", drop tegangan yang sama dengan Rs*Id dikembangkan di resistor ini meningkatkan potensi terminal source di atas 0v atau level ground. Penurunan tegangan melintasi Rs karena arus drain menyediakan kondisi pembalikan balik yang diperlukan melintasi resistor gerbang, R2 secara efektif menghasilkan umpan balik negatif.
Jadi untuk menjaga agar gate-source junction tetap bias, tegangan souece, Vs harus lebih tinggi dari tegangan gate, Vg. Tegangan source ini karena itu diberikan sebagai:
VS = ID x RS = VG - VGS
Kemudian arus Drain, Id juga sama dengan arus Source, Apakah sebagai "Tidak Ada Arus" memasuki terminal Gate (Gerbang) dan ini dapat diberikan sebagai:
Rangkaian biasing pembagi potensial ini meningkatkan stabilitas rangkaian amplifier JFET common-source ketika diumpankan dari catu DC tunggal dibandingkan dengan rangkaian biasing tegangan tetap.
Baik resistor source, Rs dan bypass kapasitor source, Cs pada dasarnya berfungsi dengan fungsi yang sama dengan resistor emitter dan kapasitor dalam rangkaian penguat transistor bipolar common-emitter, yaitu untuk memberikan stabilitas yang baik dan mencegah pengurangan hilangnya gain tegangan. Namun, harga yang dibayarkan untuk tegangan gate diam stabil adalah bahwa lebih banyak tegangan suplai turun di Rs .
Nilai dalam farad source kapasitor bypass umumnya cukup tinggi di atas 100 uF dan akan terpolarisasi. Ini memberikan kapasitor nilai impedansi jauh lebih kecil, kurang dari 10% dari transkonduktansi, nilai gm (koefisien transfer mewakili penguatan) perangkat. Pada frekuensi tinggi kapasitor bypass pada dasarnya bertindak sebagai hubungan pendek dan source akan dihubungkan secara efektif langsung ke ground.
Rangkaian dasar dan karakteristik penguat Amplifier JFET Common Source sangat mirip dengan penguat/amplifier common-emitter. Saluran beban DC dibangun dengan menggabungkan dua titik yang berkaitan dengan arus drain, Id dan tegangan supply, Vdd mengingat bahwa ketika Id = 0 : ( Vdd = Vds ) dan ketika Vds = 0 : ( Id = Vdd / RL ). Karena itu, garis muatan adalah persimpangan kurva pada titik-Q sebagai berikut.
Seperti halnya rangkaian bipolar Common-Emitter, garis beban DC untuk penguat JFET common source menghasilkan persamaan garis lurus yang gradiennya diberikan sebagai: -1 / (Rd + Rs) dan melintasi garis sumbu Id vertikal pada titik A sama dengan Vdd / (Rd + Rs).
Ujung lain dari garis beban melintasi sumbu horizontal pada titik B yang sama dengan tegangan suplai, Vdd. Posisi aktual titik-Q pada garis beban DC umumnya diposisikan pada titik tengah garis beban (untuk operasi penguat kelas-A) dan ditentukan oleh nilai rata-rata Vg yang bias negatif karena penguat JFET adalah perangkat mode penipisan.
Seperti penguat common-emitter bipolar, output dari Penguat JFET Common Source adalah 180° keluar dari fase dengan sinyal input.
Salah satu kelemahan utama menggunakan JFET Depletion-mode adalah mereka harus bias negatif. Jika bias ini gagal karena alasan apa pun tegangan source-gate dapat naik dan menjadi positif yang menyebabkan peningkatan arus drainase yang mengakibatkan kegagalan tegangan drainase, Vd .
Juga resistansi saluran yang tinggi, RDS (on) pada junction FET, ditambah dengan arus drain kondisi diam yang tinggi membuat perangkat ini menjadi panas sehingga diperlukan heatsink tambahan. Namun, sebagian besar masalah yang terkait dengan penggunaan JFET dapat sangat dikurangi dengan menggunakan perangkat MOSFET mode tambahan.
MOSFET atau Metal Oxide Semiconductor FET memiliki impedansi input yang jauh lebih tinggi dan resistansi saluran yang rendah dibandingkan dengan penguat JFET yang setara. Juga pengaturan biasing untuk MOSFET berbeda dan kecuali kita bias secara positif untuk perangkat N-channel dan negatif untuk perangkat P-channel tidak ada aliran drain yang mengalir, maka kita memiliki transistor kurang aman.
Karena common-source ini penguat JFET sangat berharga sebagai rangkaian pencocokan impedansi atau digunakan sebagai penguat tegangan. Demikian juga, karena: Power/Daya = Tegangan x Arus, (P = V * I) dan tegangan output biasanya beberapa milivolt atau bahkan volt, kenaikan daya, Ap juga sangat tinggi.
Dalam tutorial berikutnya tentang Penguat (amplifier) kita akan melihat bagaimana bias yang salah dari penguat transistor dapat menyebabkan Distorsi pada sinyal output dalam bentuk distorsi amplitudo karena kliping dan juga efek dari distorsi fase dan frekuensi.
Perangkat Tansistor FET ini memiliki keunggulan dibandingkan Transistor Bipolar karena memiliki impedansi input yang sangat tinggi bersama dengan output noise yang rendah membuatnya ideal untuk digunakan dalam rangkaian penguat yang memiliki sinyal input sangat kecil.
Desain rangkaian penguat berbasis di sekitar transistor efek medan persimpangan atau "JFET", (N-channel FET untuk tutorial ini) atau bahkan silikon oksida logam FET atau "MOSFET" adalah prinsip yang persis sama dengan rangkaian transistor bipolar digunakan untuk rangkaian Penguat (Amplifier) Kelas A yang kita lihat di tutorial sebelumnya.
Pertama, titik diam yang sesuai atau "titik-Q" perlu ditemukan untuk biasing yang benar dari rangkaian penguat (amplifier) JFET dengan konfigurasi penguat tunggal Common-source (CS), Common-drain (CD) atau Source-follower (SF) dan Common-gate (CG) yang tersedia untuk sebagian besar perangkat FET. Ketiga konfigurasi penguat amplifier JFET ini sesuai dengan konfigurasi common-emitter, emitter-follower, dan common-base menggunakan transistor bipolar.
Dalam tutorial tentang Penguat FET ini kita akan melihat Penguat JFET Common Source yang populer karena ini adalah desain penguat JFET yang paling banyak digunakan. Pertimbangkan konfigurasi rangkaian penguat Amplifier JFET Common Source di bawah ini.
Penguat Amplifier JFET Common Source
Rangkaian penguat (amplifier) terdiri dari transistor JFET N-channel, tetapi perangkat ini juga bisa menjadi transistor MOSFET mode-deplesi N-channel yang setara karena diagram rangkaian akan sama dengan hanya perubahan pada transistor FET, yang terhubung dalam konfigurasi source/sumber yang sama.
Tegangan gerbang JFET Vg dibiaskan melalui jaringan pembagi potensial yang dibuat oleh resistor R1 dan R2 dan bias beroperasi dalam wilayah saturasinya yang setara dengan wilayah aktif dari bipolar junction transistor.
Tidak seperti rangkaian transistor bipolar, transistor JFET praktis tidak memiliki arus gerbang input yang memungkinkan gerbang diperlakukan sebagai rangkaian terbuka. Maka tidak diperlukan kurva karakteristik input. Kita dapat membandingkan transistor JFET dengan transistor bipolar (BJT) dalam tabel berikut.
Perbandingan JFET dan BJT
Junction FET
|
Transistor Bipolar
|
Gate, ( G )
|
Base, ( B )
|
Drain, ( D )
|
Collector, ( C )
|
Source, ( S )
|
Emitter, ( E )
|
Gate Supply, ( VG )
|
Base Supply, ( VB )
|
Drain Supply, ( VDD )
|
Collector Supply, ( VCC )
|
Drain Current, ( ID )
|
Collector Current, ( IC )
|
Tegangan negatif ini dapat disediakan dengan membiaskan diri dari tegangan catu daya yang terpisah atau dengan pengaturan biasing sendiri selama arus yang stabil mengalir melalui JFET bahkan ketika tidak ada sinyal input yang hadir dan Vg mempertahankan bias balik dari source-gate pn junction.
Dalam contoh sederhana kami, biasing disediakan dari jaringan pembagi potensial yang memungkinkan sinyal input untuk menghasilkan penurunan tegangan di gate serta kenaikan tegangan di gate dengan sinyal sinusoidal.
Pasangan nilai Resistor yang sesuai dalam proporsi yang benar akan menghasilkan tegangan biasing yang benar sehingga tegangan biasing gate DC Vg diberikan sebagai:
Perhatikan bahwa persamaan ini hanya menentukan rasio resistor R1 dan R2 , tetapi untuk memanfaatkan impedansi input JFET yang sangat tinggi serta mengurangi disipasi daya dalam rangkaian, kita perlu membuat nilai resistor ini setinggi mungkin, dengan nilai dalam urutan 1MΩ hingga 10MΩ yang umum (common).
Sinyal input, ( Vin ) dari penguat JFET common-source diterapkan antara terminal Gate dan rel volt nol, (0v). Dengan nilai konstan tegangan gate Vg yang diterapkan, JFET beroperasi dalam "wilayah Ohminya" yang bertindak seperti perangkat resistif linier.
Rangkaian saluran berisi resistor beban, Rd. Tegangan output, Vout dikembangkan melintasi resistansi beban ini.
Efisiensi dari penguat JFET common-source dapat ditingkatkan dengan penambahan resistor, Rs termasuk dalam source-lead dengan arus drain yang sama mengalir melalui resistor ini. Resistor, Rs juga digunakan untuk mengatur penguat JFET "Q-point".
Ketika JFET diaktifkan sepenuhnya "ON", drop tegangan yang sama dengan Rs*Id dikembangkan di resistor ini meningkatkan potensi terminal source di atas 0v atau level ground. Penurunan tegangan melintasi Rs karena arus drain menyediakan kondisi pembalikan balik yang diperlukan melintasi resistor gerbang, R2 secara efektif menghasilkan umpan balik negatif.
Jadi untuk menjaga agar gate-source junction tetap bias, tegangan souece, Vs harus lebih tinggi dari tegangan gate, Vg. Tegangan source ini karena itu diberikan sebagai:
VS = ID x RS = VG - VGS
Kemudian arus Drain, Id juga sama dengan arus Source, Apakah sebagai "Tidak Ada Arus" memasuki terminal Gate (Gerbang) dan ini dapat diberikan sebagai:
Rangkaian biasing pembagi potensial ini meningkatkan stabilitas rangkaian amplifier JFET common-source ketika diumpankan dari catu DC tunggal dibandingkan dengan rangkaian biasing tegangan tetap.
Baik resistor source, Rs dan bypass kapasitor source, Cs pada dasarnya berfungsi dengan fungsi yang sama dengan resistor emitter dan kapasitor dalam rangkaian penguat transistor bipolar common-emitter, yaitu untuk memberikan stabilitas yang baik dan mencegah pengurangan hilangnya gain tegangan. Namun, harga yang dibayarkan untuk tegangan gate diam stabil adalah bahwa lebih banyak tegangan suplai turun di Rs .
Nilai dalam farad source kapasitor bypass umumnya cukup tinggi di atas 100 uF dan akan terpolarisasi. Ini memberikan kapasitor nilai impedansi jauh lebih kecil, kurang dari 10% dari transkonduktansi, nilai gm (koefisien transfer mewakili penguatan) perangkat. Pada frekuensi tinggi kapasitor bypass pada dasarnya bertindak sebagai hubungan pendek dan source akan dihubungkan secara efektif langsung ke ground.
Rangkaian dasar dan karakteristik penguat Amplifier JFET Common Source sangat mirip dengan penguat/amplifier common-emitter. Saluran beban DC dibangun dengan menggabungkan dua titik yang berkaitan dengan arus drain, Id dan tegangan supply, Vdd mengingat bahwa ketika Id = 0 : ( Vdd = Vds ) dan ketika Vds = 0 : ( Id = Vdd / RL ). Karena itu, garis muatan adalah persimpangan kurva pada titik-Q sebagai berikut.
Kurva Karakteristik Penguat (Amplifier) JFET Common-Source
Seperti halnya rangkaian bipolar Common-Emitter, garis beban DC untuk penguat JFET common source menghasilkan persamaan garis lurus yang gradiennya diberikan sebagai: -1 / (Rd + Rs) dan melintasi garis sumbu Id vertikal pada titik A sama dengan Vdd / (Rd + Rs).
Ujung lain dari garis beban melintasi sumbu horizontal pada titik B yang sama dengan tegangan suplai, Vdd. Posisi aktual titik-Q pada garis beban DC umumnya diposisikan pada titik tengah garis beban (untuk operasi penguat kelas-A) dan ditentukan oleh nilai rata-rata Vg yang bias negatif karena penguat JFET adalah perangkat mode penipisan.
Seperti penguat common-emitter bipolar, output dari Penguat JFET Common Source adalah 180° keluar dari fase dengan sinyal input.
Salah satu kelemahan utama menggunakan JFET Depletion-mode adalah mereka harus bias negatif. Jika bias ini gagal karena alasan apa pun tegangan source-gate dapat naik dan menjadi positif yang menyebabkan peningkatan arus drainase yang mengakibatkan kegagalan tegangan drainase, Vd .
Juga resistansi saluran yang tinggi, RDS (on) pada junction FET, ditambah dengan arus drain kondisi diam yang tinggi membuat perangkat ini menjadi panas sehingga diperlukan heatsink tambahan. Namun, sebagian besar masalah yang terkait dengan penggunaan JFET dapat sangat dikurangi dengan menggunakan perangkat MOSFET mode tambahan.
MOSFET atau Metal Oxide Semiconductor FET memiliki impedansi input yang jauh lebih tinggi dan resistansi saluran yang rendah dibandingkan dengan penguat JFET yang setara. Juga pengaturan biasing untuk MOSFET berbeda dan kecuali kita bias secara positif untuk perangkat N-channel dan negatif untuk perangkat P-channel tidak ada aliran drain yang mengalir, maka kita memiliki transistor kurang aman.
Penguatan Arus JFET dan Power Gain
Kami mengatakan sebelumnya bahwa arus input, Ig dari penguat JFET common source sangat kecil karena impedansi gerbang yang sangat tinggi, Rg. Oleh karena itu penguat JFET common source memiliki rasio yang sangat baik antara impedansi input dan outputnya dan untuk jumlah arus output apa pun, IOUT penguat JFET akan memiliki Ai gain dengan arus sangat tinggi .Karena common-source ini penguat JFET sangat berharga sebagai rangkaian pencocokan impedansi atau digunakan sebagai penguat tegangan. Demikian juga, karena: Power/Daya = Tegangan x Arus, (P = V * I) dan tegangan output biasanya beberapa milivolt atau bahkan volt, kenaikan daya, Ap juga sangat tinggi.
Dalam tutorial berikutnya tentang Penguat (amplifier) kita akan melihat bagaimana bias yang salah dari penguat transistor dapat menyebabkan Distorsi pada sinyal output dalam bentuk distorsi amplitudo karena kliping dan juga efek dari distorsi fase dan frekuensi.