N-MOSFET Amplifier Source Follower

Amplifier atau penguat N-MOSFET source follower memiliki bentuk mirip dengan penguat common source, yang membedakan dari sisi rangkaiannya adalah :

1. Output penguat source follower berada terminal Source, sedang output common source terletak pada terminal Drain. 
2. Resistor pada terminal Drain (RD) source follower dapat dihilangkan, resistor Source (RS) tidak dapat dihilangkan. Sedang common source kebalikannya yaitu RS dapat dihilangkan, tetapi RD tidak dapat dihilangkan.

Penguat source follower N-MOSFET ditunjukan pada Gambar 1.

Gambar 1. Penguat Source Follower N-MOSFET

Dalam mendesain rangkaian penguat source follower diperlukan analisis dc dan analisis ac. Analisis dc ditujukan untuk menentukan titik kerja dc (Q) N-MOSFET sedemikian rupa agar sinyal yang ditumpangkan pada arus dc dapat mengayun maksimum sehingga tidak ada perubahan bentuk sinyal. Analisis ac digunakan untuk menentukan penguatan rangkaian penguat.

Analisis DC

Rangkaian ekivalen analisis dc Gambar 1 ditunjukan oleh Gambar 2. Pada analisis dc, semua komponen yang terhubung dengan terminal kapasitor dan tidak terhubung langsung dengan tegangan atau arus dc dihilangkan, sehingga pada Gambar 2 semua kapasitor dan RLoad dihilangkan.

Gambar 2. Rangkaian ekivalen analisis dc

Supaya rangkaian penguat dapat bekerja sesuai harapan maka N-MOSFET perlu disetel pada daerah saturasi dimana besarnya arus yang mengalir pada N-MOSFET dapat dicari dengan persamaan :

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

kn :  Parameter konduktansi.

VGS : Besarnya tegangan dc pada Gate-Source.

VTH : Besarnya tegangan threshold pada Gate-Source. 

VDS : Tegangan pada terminal Drain-Source.

W : Lebar Gate (Gate width)

L : Panjang Gate (Gate length)

λ : Parameter channel-length modulation

Tegangan VGS dapat dicari dengan mengurangkan tegangan pada terminal Gate dengan tegangan pada terminal Source.

Tegangan terminal Source dapat disetel dengan memberikan resistor dengan nilai tertentu. Karena besarnya arus terminal Drain (ID) dan arus terminal Source (IS) adalah sama maka persamaan tegangan pada terminal Source dapat ditulis sebagai berikut :

Syarat agar N-MOSFET bekerja pada daerah saturasi adalah dengan menyetel tegangan VGS diatas tegangan threshold (VTH) lalu tegangan VDS lebih besar dari VGS dikurangkan dengan tegangan VTH.

Analisis AC

Rangkaian ekivalen analisis ac pada Gambar 1 ditunjukan oleh Gambar 3.

Gambar 3. Rangkaian ekivalen analisisi ac Source Follower

Setiap resistor input yang terhubung dengan kapasitor diparalelkan sehingga R1 dan R2 menjadi paralel. Tegangan input terminal Gate putus karena secara teoritis tidak akan ada arus mengalir melalui terminal Gate. RLoad, ro dan RS diparalel-kan karena terhubung pada kapasitor yang sama.

Dari Gambar 3, impedansi input dan impedansi output dapat dituliskan sebagai berikut :

Kemudian tegangan output (Vout) dan tegangan input (Vin) dapat dituliskan sebagai berikut:

Penguatan (Gain) tegangan pada N-MOSFET adalah perbandingan tegangan output pada terminal source dengan tegangan input pada terminal Gate:

Penguatan tegangan Source Follower adalah kurang dari satu

Contoh soal :

Jika komponen pada Gambar 1 memiliki nilai sebagai berikut :

VDD = 12 Volt

R1 = 150 kΩ, R2 = 400 kΩ, RS = 1 kΩ, RLoad = 10kΩ
VTH= 1,5 Volt
k =  4 mA/Volt , λ =  0,01/V
Cari penguatan dari  N-MOSFET !

Jawaban :
Langkah pertamana : Analisis dc

Untuk mendesain titik kerja arus IDQ (komponen dc) umumnya diambil setengah dari arus ID maksimum sehingga :

IDmax = VDD / RS = 12 Volt / 1kΩ

IDmax = 12 mA
IDQ = 0,5 IDmaks = 0,5 . 12mA
IDQ = 6mA

Dari nilai IDQ dapat dicari nilai VGSQ yaitu  :

VGSQ = √(IDQ/k) + VTH

VGSQ = √(6 / 4 ) + 1,5
VGSQ = 3 Volt

Dari nilai IDQ juga dapat dicari nilai VDSQ :
VDSQ= VDD - ID.RS
VDSQ= 12 Volt = 6 mA . 1kΩ

VDSQ= 6 Volt

VG = [R2 / (R1 + R2)] . VDD
VG = [400k / (400k + 150k)] . 12 Volt

VG = 8,73 Volt

Gambar 4. Titik kerja dc (Q) N-MOSFET mode enhancement

Langkah kedua : Analisis ac

Analisis ini bertujuan untuk mengetahui penguatan atau gain sinyal ac dengan syarat sinyal input ac harus kecil (small signal input). Dari Gambar 3 kita dapat mencari  hambatan output.

Hambatan total output :
Zout = RS // ro // RLoad

ro = 1/(λ . IDQ)
ro = 1 / (0,01/V . 6mA )
ro = 166 666,6Ω = 166,7kΩ 

Zout = 1kΩ // 166,7kΩ // 10kΩ
Zout = 1kΩ // 166,7kΩ // 10kΩ
Zout = 0,9kΩ = 900Ω

Tegangan sinyal output (Vout):

Vout = gm.Vgs . Zout

Vgs = Tegangan Vgs komponen ac
gm = Transkonduktansi.

Tegangan sinyal input (Vin) : 

Vin = Vgs + Vout

Vin = Vgs + (gm.Vgs . Zout)

Penguatan (ΔV) :
AV = Vout / Vin
AV = [gm .Vgs . Zout] / [Vgs + (gm.Vgs . Zout)]

AV = [gm . Zout] / [1 + gm. Zout]

gm = 2k (VGSQ-VTH)2
gm = 2. 4mA/V (3V- 1,5V)2
gm = 18 mA/Volt = 0,018 A/Volt

AV = [0,0018A/V. 900kΩ ] / [1 + (0,018A/V. 900Ω) ]
AV = 16,2 /  17,2
AV= 0,94x

EoF