N-MOSFET Amplifier Common Source

N channel MOSFET atau sering disebut sebagai NMOS saat menggunakan mode enhancement memiliki karakteristik normally off atau tidak menghantar saat tidak ada tegangan pada terminal Gate - Source (VGS), sehingga NMOS akan menghantar hanya jika terdapat tegangan positif pada Gate-Source dimana tegangan VGS harus lebih besar dari tegangan threshold (VTH). VTH merupakan tegangan minimal terminal Gate-Source agar MOSFET dapat mengalirkan arus listrik pada terminal Drain-Source.

Karakteristik N-channel MOSFET mode enhancement

Karakteristik NMOS mode enhancement ditunjukan pada Gambar 1 menggambarkan plot slope transkonduktansi saat tegangan VDS tetap atau tidak berubah dengan VGS yang berubah dari 0 ke positif.

Gambar 1. Karakteristik N-MOSFET mode enhancement

Saat besarnya VGS dibawah tegangan threshold (VTH) maka N-MOSFET dalam keadaan off atau tidak menghantarkan arus listrik pada terminal Drain Source meskipun terdapat tegangan pada terminal Drain-Source.

Besarnya arus Drain (ID) pada N-MOSFET enhancement dapat dihitung menggunakan rumus : 

Dimana :

IDQ : Besarnya arus listrik dc yang mengalir pada terminal Drain.

k :  Besarnya parameter konduktansi.
VGSQ : Besarnya tegangan dc pada Gate-Source.
VTH : Besarnya tegangan threshold pada Gate-Source. 
VDS : Tegangan pada terminal Drain-Source.

λ : Parameter channel-length modulation

W : Lebar Gate (Gate width)

Nilai λ sangat kecil dalam orde nol koma nol (0,00...) sehingga dalam perhitungan juga dapat diasumsikan bahwa λ sama dengan nol, sehingga besarnya arus pada terminal Drain dapat ditulis menjadi :

Bias DC N-Channel E-MOSFET

Bias dc digunakan untuk menentukan titik kerja (Q point). Q point merupakan semua fungsi VGS, sumber tegangan VDD, dan tahanan beban pada terminal Drain RD.

Gambar 2. Titik kerja E-MOSFET

Gambar 2 menunjukan bahwa secara umum tujuan dari bias dc MOSFET adalah supaya sinyal ac yang masuk pada MOSFET dapat dikuatkan  sehingga output sinyal tidak terpotong puncaknya.

Besarnya tegangan bias umumnya disetel pada nilai tertentu sehingga tegangan pada terminal Drain-Source menjadi setengah VDD agar sinyal output dapat melakukan swing atau mengayun semaksimal mungkin tanpa ada sinyal yang terpotong.

Dasar Amplifier Common Source Menggunakan N-Channel E-MOSFET
Gambar 3 menunjukan rangkaian dasar penguat menggunakan E-MOSFET Common Source dengan penjelasan sebagai berikut : 

1. C1 : Digunakan untuk mem-blok arus dc agar tidak mengalir pada sumber sinyal. Selain itu C1 juga berfungsi sebagai kopling dimana arus ac akan ditumpangkan pada arus dc dari sumber VDD. C1 juga berfungsi sebagai high pass filter yang akan meloloskan sinyal dengan frekuensi minimal tertentu. 
2. C2 : Digunakan untuk memblok arus dc dari VDD supaya hanya arus ac yang keluar dari kapasitor. C2 bersama dengan RD dan RLoad membentuk high pass filter yang meneruskan sinyal dengan frekuensi minimimal tertentu.
3. R1 dan R2 merupakan resistor untuk memberikan tegangan pada terminal Gate agar E-MOSFET dapat bekerja. Besarnya tegangan pada terminal Gate tergantung besarnya nilai R1 dan R2  dengan VG = [R2 / (R1 + R2)] . VDD 
4. Resistor RD digunakan untuk membatasi arus yang mengalir pada terminal Drain dan beban (RLoad)
5. RS : Digunakan untuk mendapatkan tegangan pada terminal Source sehingga didapatkan VGS yang diinginkan.

Untuk menjelaskan lebih lanjut penguat MOSFET Common Source diberikan beberapa nilai spesifikasi komponen dan beberapa nilai komponen perlu dicari sendiri menggunakan perhitungan.

Berikut data spesifikasi rangkaian Gambar 3 :

• VDD = 12 Volt, 
• VTH = 2 Volt
• k = 0,0006 A/V²
• RD = 3,3kΩ
• RLoad = 10kΩ
• λ = 0,01/Volt
• Mengabaikan Gate width (W) dan Gate length(L). 

Besarnya tegangan bias VG adalah dibuat 1/3 VDD.

Gambar 3. Dasar penguat N-MOSFET mode enhancement 

Analisis DC

Analisis dc digunakan untuk menentukan titik kerja (Q) MOSFET menggunakan bias dc. Saat menggunakan analisis dc semua komponen pada terminal kapasitor yang tidak terhubung dengan sumber dc dihilangkan karena kapasitor berfungsi mem-blok arus dc, sehingga gambar ekivalen analisis dc  Gambar 3 menjadi seperti ditunjukan oleh Gambar 4. 

Gambar 4. Analisis dc pada N-MOSFET

Hitung semua nilai komponen yang diperlukan pada Gambar 4 dengan data yang yang disediakan di atas :

Jawaban:

Langkah pertama : Tentukan nilai IDQ .

Untuk mencari nilai IDQ harus menentukan tegangan pada terminal Drain. Agar gelombang dapat mengayun maksimum maka tegangan pada terminal output atau Drain dibuat 1/2 VDD sehingga :

VD = 0,5 . 12 Volt 

VD = 6 Volt.
IDQ = VD / RD
IDQ = 6 Volt / 3300Ω

IDQ = 1,82 mA

Langkah kedua: Cari tegangan VGS yang menyebabkan N-MOSFET bekerja. Pada analisis dc nilai λ dapat diabaikan karena nilainya sangat kecil.

IDQ = k(VGSQ- VTH)2

VGS = √(ID/k) + VTH

VGSQ = √(0,00182 /0,0006) + 2
VGSQ = 3,741 Volt

Langkah ketiga: Mencari tegangan Gate (VG) dan tegangan Source VS:

VG = 1/3. VDD

VG = 1/3. 12 Volt

VG = 4 Volt

VGSQ = VG-VS

VS= VG - VGSQ

VS = 4 Volt - 3,741 Volt

VS = 0,259 Volt

Langkah keempat: Mencari nilai VDS

VDD = VD + VDS + VS

VDS = VDD - VD - VS

VDS = 12 - 6 - 0,259 Volt

VDS = 5,74 Volt

Langkah kelima: Mencari nilai resistansi resistor RS

RS = VS / IDQ

RS = 0,259 / 0,00182

RS = 142,3Ω

Langkah keenam : Mencari nilai R1 dan R2

VG = [R2/(R1 + R2)]. VDD

VG = 1/3.VDD 

R2 / (R1 + R2) = 1/3

Disini tentukan satu nilai resistor R1 agar dapat dicari nilai R2. Maka diambil sembarang nilai resistor yang umum ditemukan dipasaran, contoh yaitu R1 = 200kΩ, maka R2 dapat dicari :

R2 / (200kΩ + R2) = 1/3

3R2 = 200kΩ + R2

2R2 = 200kΩ

R2 = 100kΩ

Nilai komponen hasil perhitungan analisis dc ditunjukan pada Gambar 5.

Gambar 5. Komponen dari perhitungan analisis dc

Titik kerja (Q) bias dc ditunjukan pada Gambar 6.

Gambar 6. Grafik titik kerja (Q) dc N-MOSFET

Menentukan nilai C1 dan C2

Untuk melengkapi semua komponen rangkaian penguat termasuk C1 dan C2 diperlukan nilai frekuensi yang akan dilewatkan pada rangkaian penguat. Contoh penguat Gambar 3 digunakan untuk menguatkan sinyal suara maka frekuensi minimal yang boleh melewati rangkaian penguat adalah 20Hz. Untuk mencari nilai kapasitor pada rangkaian penguat MOSFET dapat dilakukan diluar analisis ac karena terminal Gate dianggap tidak terhubung ke terminal manapun sehingga hambatan pada terminal Drain dan Source tidak terhubung dengan hambatan atau resistor pada terminal Gate.

Langkah ketujuh: Menentukan besarnya nilai C1.

Kapasitor C1 bersama R1 dan R2 pada Gambar 3 merupakan komponen rangkaian high pass filter yang dapat dicari dengan rumus :

C1 = 1 / (2 . π . f . Rin)

Nilai Rin dapat dicari dengan mem-paralelkan R1 dan R2 :

1/Rin= 1 / R1 + 1 / R2

Rin = (R1 . R2) / (R1+R2)

Rin = 200k.100k / (200k+100k)

Rin = 66,67kΩ = 67kΩ

Kemudian menentukan frekuensi minimum yang akan diloloskan oleh High Pass Filter. Jika frekuensi digunakan untuk menguatkan sinyal frekuensi suara maka frkuensi minimal yang diloloskan adalah minimal 20Hz sehingga nilai C1 adalah :

C1 = 1/(2 . π . f . Rin)

C1 = 1/(2 . π . 20 . 67kΩ)

C1 = 0,119µF = 119 nF

Langkah kedelapan: Menentukan besarnya nilai C2.

C2 = 1/(2 . π . f . Rout)

Nilai Rout dapat dicari dengan mem-paralelkan nilai RD dan Rout.

1/Rout = 1/RD + 1/RLoad

Rout = RD . RLoad / (RD + RLoad)

Rout = 3,3kΩ . 470 / (3,3kΩ + 470Ω)

Rout = 411 Ω

Sehingga nilai C2

C2 = 1/(2 . π . 20 . 411)

C2 = 19,4µF 

Dari semua nilai komponen hasil perhitungan di atas didapatkan gambar rangkaian penguat yang ditunjukan pada Gambar 7. 

Gambar 7. Rangkaian penguat N-MOSFET common source

Analisis AC

Untuk menentukan gain perlu menggunakan analisis ac dan perlu diperhatikan bahwa analisis ini ditujukan untuk sinyal kecil (small signal). Jika sinyal input besar (large signal) maka N-MOSFET bekerja pada daerah saturasi dimana arus Drain tidak linier terhadap tegangan sinyal input sehingga akan terjadi distorsi pada sinyal output.

Beberapa persamaan transkonduktansi yang umum digunakan pada small signal N-MOSFET :

Dimana :
gm : Transkonduktansi.
VGS : Tegangan pada Gate Source analisis ac.

VTH : Tegangan threshold.
ID : Arus pada terminal Drain analisis ac.

kn : Parameter transkonduktansi

W : Lebar Gate (Gate width)

L : Panjang Gate (Gate length)

Pada analisis ac, setiap kapasitor akan dianggap terhubung singkat antar terminal-nya. Gambar rangkaian penguat Gambar 3 perlu dibuat rangkaian ekivalen analisis ac yang ditunjukan oleh Gambar 8.

Gambar 8. Rangkaian ekivalen analisis common source

Dari gambar rangkaian ekivalen anilisis ac di atas digunakna untuk menghitung besarnya penguatan (gain) MOSFET.

Besarnya tegangan output adalah :

Nilai hambatan dalam (ro) MOSFET dapat dicari dengan persamaan :

Besarnya nilai Vin dapat dicari dengan persamaan :

Besarnya penguatan atau gain rangkaian penguat adalah :

Nilai λ memiliki nilai rentang antara 0,1 hinga 0,001/Volt, sehingga untuk mempermudah perhitungan λ dapat dianggap 0 (λ.=0).

Sehingga :

ro = 1 / 0 = ∞ (besar sekali), sehingga ro bisa diabaikan atau tidak ada. Jadi ro pada Gambar 7 dianggap tidak ada dan RS dikeluarkan dari impedansi output karena :

Dengan ro = ∞ maka :

Vout = gm . VGS . Zout

Zout = RD // RLoad

Zout = 3300 Ω //10000 Ω

Zout = 2481 Ω

gm = 2 . k . (VGS - VTH)
gm = 2 . 0,0006 . (3,741 Volt - 2 Volt)
gm = 0,0021 A/V
gm = 2,1 mA/V

AV  = (gm . Zout) / (1 + gm . RS)
AV  = (2,1mA/V . 2481Ω) / (1 + 2,1mA/V . 142Ω)
AV  = (2,1mA/V . 2481Ω) / (1 + 2,1mA/V . 142Ω)
AV  = (5,2) / (1,29)
AV = 4

Penguat Common Source menggunakan kapasitor pada terminal Source (bypass kapasitor).

Rangkaian common source menggunakan bypass kapasitor sama seperti rangkaian Gambar 7 hanya saja terdapat kapasitor pada terminal Source yang ditunjukan oleh Gambar 9. 

Gambar 9. Penguat common source menggunakan bypass kapasitor

Untuk menentukan titik kerja (Q) MOSFET sama persis dengan analisis dc di atas. Sedangkan untuk analisis ac untuk menghitung besarnya penguatan rangkaian penguat ditunjukan pada Gambar 10.

Gambar 10. Rangkaian ekivalen analisis ac dengan kapasitor pada terminal Source

Rangkaian ekivalen analisis ac Gambar 10 tidak memiliki RS meskipun sebenarnya memiliki RS pada rangkaian penguat. Hal ini disebabkan rangkaian ekivalen analisis ac setiap kapasitor dianggap terhubung singkat atau short. Untuk sinyal kecil (small signal) ro dianggap sangat besar sekali sehingga bisa diabaikan.
Dari Gambar 10 dan ro diabaikan maka besarnya penguatan rangkaian penguat common source menggunakan kapasitor pada terminal Source adalah sbb:
Vout = gm VGS . Zout
Vin = VGS -> Karena kapasitor C3 dianggap terhubung pendek.

Sehingga :
AV  = Vout /  Vin
AV  = gm VGS . Zout /  VGS
AV  = gm . Zout 

AV = 2,1 mA/V . 2481Ω
AV = 5,2

Dari perhitungan penguatan analisis ac dapat diambil kesimpulan bahwa dengan menggunakan kapasitor bypass pada rangkaian penguat common source dapat meningkatkan penguatan sinyal.

Untuk menentukan besarnya C3, harus ditentukan saat frekuensi berapa kapasitor akan bekerja membantu meningkatkan penguatan. Karena rangkaian penguat ditujukan untuk menguatkan sinyal suara maka saat frekuensi 20Hz kapasitor sudah dapat bekerja membantu meningkatkan penguatan sehingga C3 dapat dicari sebagai berikut :
C3 = 1 / (2 . π . f . RS)
C3 = 1 / (2 . π . 20Hz . 142Ω)
C3 = 1 / (2 . π . 20Hz . 142Ω)
C3 = 56 µF

EoF