MOSFET Differential Amplifier

Penguat diferensial atau differential amplifier juga dapat dibangun menggunakan dua MOSFET identik dengan semua komponen identik. Pada masing-masing terminal Source MOSFET dihubungkan pada satu resistor RS. 

Gambar 1 menunjukan penguat diferensial menggunakan MOSFET N channel mode enhancement.

Gambar 1. Penguat diferensial menggunakan N-MOSFET enhancement

Gambar 1 menunjukan tidak terdapat resistor seri pada terminal Gate, hal ini dikarenakan MOSFET memiliki hambatan yang sangat besar dan dapat diasumsikan tidak ada arus listrik yang mengalir melalui terminal Gate sehingga resistor seri tidak diperlukan pada terminal Gate. 

Analisis dc penguat diferensial MOSFET

Seperti halnya BJT, MOSFET juga memerlukan tegangan dc minimum pada terminal Gate-Source (VGS-threshold) agar dapat bekerja. Pada analisis ini diasumsikan bahwa tidak ada sinyal ac yang masuk pada terminal Gate sehingga pada terminal Gate langsung terhubung dengan ground karena semua acuan adalah pada ground. Analisis dc ini berfungsi untuk menghitung dan menyetel besarnya arus dc yang mengalir pada MOSFET saat tidak ada sinyal ac masuk. Diharapkan saat tidak ada sinyal masuk, arus dc yang mengalir pada MOSFET sangat kecil sekali sehingga tidak banyak daya terbuang. Analisis dc MOSFET ditunjukan pada Gambar 2. 

Gambar 2. Analisis dc penguat diferensial MOSFET

Gambar 2 menunjukan bahwa arus pada terminal Source (IS) besarnya sama dengan arus yang mengalir pada terminal Drain (ID) mengingat secara teoritis tidak ada arus yang mengalir dari terminal Gate ke Source, sehingga dapat dituliskan sebagai berikut :

Sedangkan besarnya arus yang mengalir pada resistor RS adalah dua kali IS sehingga dapat dituliskan menjadi :

Penguat diferensial bekerja pada daerah saturasi agar arus pada tegangan VGS tertentu konstan meskipun terjadi perubahan tegangan pada terminal Drain ataupun karena perubahan suhu. Dengan kata lain agar penguat diferensial dapat bekerja sesuai yang diinginkan perlu disetel pada daerah saturasi. Persamaan arus Drain pada daerah saturasi adalah sebagai berikut :

dimana :

VGS : adalah tegangan pada terminal Gate-Source.

VTH : tegangan threshold, tegangan minimum untuk mengaktifkan MOSFET.

kn : Besarnya parameter konduktansi MOSFET. 

W : Lebar Gate (Gate width)

L : Panjang Gate (Gate length)

λ : Parameter channel-length modulation

Umumnya nilai λ sangat kecil sekali dalam orde nol koma nol sekian (0,0...) sehingga umumnya dapat diabaikan sehingga besarnya arus ID dapat ditulis menjadi :

Arus dc yang mengalir pada terminal Drain sering disebut sebagai IDQ.

Syarat supaya MOSFET bekerja pada daerah saturasi adalah dengan membuat tegangan VGS lebih besar dari pada VTH MOSFET dan VDS lebih besar atau sama dengan VGS  dikurangi VTH

Selain itu supaya MOSFET bekerja pada daerah saturasi maka tegangan terminal Gate-Drain harus lebih kecil dari tegangan threshold.

Besarnya tegangan VDS dapat dicari menggunakan persamaan :

Dimana VD dan VS dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut :

Tegangan VDS dc sering juga disebut sebagai VDSQ.

Memahami Common Mode dan Differential Mode

Common Mode merupakan sinyal yang muncul pada kedua input yang umumnya relatif terhadap ground. Sehingga sinyal dc input pada penguat diferensial juga masuk dalam analisis Common Mode. Analisis dc pada MOSFET digunakan untuk menyetel daerah kerja MOSFET. Karena ada kemiripan maka bisa saja langsung mendesain menggunakan analisis Common Mode.

Sedangkan Differential Mode merupakan analisis yang melihat komponen sinyal ac dan merupakan rata-rata selisih dari sinyal input pada masing-masing terminal Gate.

Untuk memudahkan dalam memahami Common Mode dan Differential Mode adalah dengan mengasumsikan sinyal dc yang memiliki komponen ac kemudian dicampur dengan sinyal dc lain yang juga memiliki komponen ac seperti ditunjukan pada Gambar 3.

Gambar 3. Contoh sinyal Common Mode dan Differential Mode

Jika terdapat dua sinyal seperti pada Gambar 3 maka hasil superposisi kedua sinyal yaitu :

Sinyal Common Mode (komponen dc) :

Sinyal Differential Mode :

Sinyal Differential Mode pada Gambar 3 merupakan rata-rata selisih kedua sinyal ac pada Vin1 dan Vin2, Sehingga besarnya sinyal Differential Mode (VDM) adalah :

Untuk tegangan output penguat diferensial merupakan total dari tegangan Common Mode dan Differential Mode.

atau

Gambar 4. Sinyal Differential Mode hasil superposisi Gambar 3

Contoh superposisi sinyal tidak selalu seperti contoh di atas, bisa saja jika sinyal ac yang memiliki komponen dc dicampur dengan sinyal dc seperti ditunjukan pada Gambar 5

Jika ada sebuah sinyal yang dicampur dengan level dc seperti ditunjukan pada Gambar 5 maka hasil pencampuran dua sinyal tersebut dapat ditunjukan pada Gambar 5.

Gambar 5. Sinyal ac berkomponen dc dan sinyal dc

Dari Gambar 5 tegangan Common Mode dapat dicari sebagai berikut :

Hasil superposisi sinyal pada Gambar 5 ditunjukan oleh Gambar 6.

Gambar 6. Hasil superposisi sinyal Gambar 5

Analisis Common Mode

Dari Gambar 1 dapat dibuat rangkaian ekivalen analisis common mode seperti ditunjukan pada Gambar 7 dimana tegangan input diganti dengan satu tegangan input Common Mode yang besarnya adalah rata-rata nilai tegangan dc Vin1 dan Vin2.

Gambar 7. Analisis Common Mode

Besarnya tegangan input Common Mode (Vin-CM) adalah :

dimana Vin1 dan Vin2 adalah tegangan input Common Mode masing-masing transistor seperti ditunjukan pada Gambar 1.

Agar penguat transistor dapat bekerja dengan baik maka harus disetel pada daerah saturasi dimana tegangan Drain Source harus lebih besar dari pada tegangan tegangan Gate-Source (VGS) dikurangi dengan tegangan Threshold (VTH).

Besarnya Vin-CM maksimum yang diijinkan adalah sama dengan tegangan pada terminal Drain dijumlah dengan tegangan threshold MOSFET, sehingga dapat dituliskan sebagai berikut :

Tegangan Common Mode input maksimum bertujuan untuk memastikan bahwa MOSFET bekerja pada daerah saturasi dimana tegangan Gate-Drain harus lebih kecil dari pada tegangan threshold MOSFET.

Tegangan Vin-CM minimum pada terminal input (Gate) dapat dihitung dengan persamaan :

VRS merupakan tegangan pada resistor RS. 

Tegangan Common Mode input minimum bertujuan untuk memastikan bahwa arus pada terminal dapat bekerja atau mengalir yang berarti MOSFET dalam keadaan on dan jangan lupa untuk menyetel VGS lebih besar dari tegangan threshold.

Tegangan output Common Mode Single-Ended (satu sisi)

Gambar 8 menunjukan analisis Common Mode Single-Ended dimana rangkaian penguat diferensial dibelah menjadi dua. Hal ini membuat nilai resistor RS diasumsikan menjadi dua kali yaitu 2RS.

Gambar 8. Analisis Common Mode Single-Ended

Jika tegangan output Common Mode diambil satu sisi saja yaitu pada terminal Drain salah satu MOSFET (Vout-CM-SE) maka tegangan output dapat dicari dengan beberapa persamaan di bawah ini.

Dari Gambar 2, besarnya penguatan Common Mode penguat diferensial adalah :

Besarnya tegangan output Common Mode Single-Ended dapat dituliskan dalam persamaan :

Tegangan output Common Mode Double-Ended (dua sisi)

Gambar 9 merupakan rangkaian ekivalen analisis Commom Mode Double-Ended dimana output penguat diferensial diambil dari masing-masing terminal Drain.

Gambar 9. Analisis Common Mode Double-Ended

Besarnya tegangan output Common Mode Double-Ended (Vout-CM-DE) adalah nol karena semua komponen identik yang menyebabkan masing-masing terminal Drain MOSFET memiliki tegangan dc yang sama sehingga jika diukur teganganannya menggunakan Voltmeter dengan menghubungkan masing-masing probe Voltmeter ke masing-masing terminal Drain MOSFET maka tegangan terukur adalah 0.

Karena tegangan output Commom Mode Double-Ended nol maka besarnya penguatan Commom Mode Double-Ended juga menjadi 0.

Analisis Differential Mode

Analisis ini hanya melihat sinyal saja sehingga mirip sekali dengan analisis ac. Tegangan output Differential Mode ini dapat diambil pada kedua terminal Drain MOSFET (Double-Ended) atau diambil pada salah satu terminal Drain saja (Single-Ended). Gambar 10 menunjukan rangkaian ekivalen Differential Mode penguat diferensial pada Gambar 1.

Gambar 10. Analisis Differential Mode

Gambar 10 menunjukan bahwa RS dihilangkan karena terminal Source merupakan Virtual Ground dan Differential Mode adalah tegangan yang diukur dengan referensi ground, sehingga arah arus menuju tegangan -VSS  dapat dihilangkan. Besarnya tegangan Vin-DM adalah rata-rata selisih tegangan Vin1 dan Vin2  (lihat Gambar 1) sehingga :

Analisis Differential Mode Single-Ended (satu sisi)

Analisis ini hanya melihat output Differential Mode pada salah satu sisi MOSFET saja sehingga besarnya penguatan tegangan Differential Mode (AV-DM-SE) dapat dicari dengan persamaan :

Sehingga besarnya tegangan output pada salah satu sisi penguat diferensial (Single-Ended) adalah :

Tegangan satu Differential Mode antara satu sisi dengan sisi lainnya adalah berbeda fasa sehingga dapat dituliskan :

Jika Vin-DM dijabarkan sebagai sinyal input seperti gambar 1 maka dapat ditulis :

Analisis Differential Mode Double-Ended (dua sisi)

Pada analisis ini output tegangan diambil pada kedua sisi terminal Drain masing-masing MOSFET :

Jika Vin-DM dijabarkan sebagai sinyal input seperti Gambar 1, maka :

EoF