FET (Field Effect Transistor)

FET (Field Effect Transistor) atau sering disebut sebagai transistor efek medan mempunyai fungsi yang hampir sama dengan transistor bipolar. Meskipun demikian antara FET dan transistor bipolar terdapat beberapa perbedaan yang mendasar. Perbedaan utama antara kedua jenis transistor tersebut adalah bahwa dalam transistor bipolar arus output (IC) dikendalikan oleh arus input (IB). Sedangkan dalam FET arus output (ID) dikendalikan oleh tegangan input (VGS), karena arus input adalah nol. Sehingga resistansi input FET sangat besar, dalam orde puluhan megaohm.

Disamping itu, FET lebih stabil terhadap temperatur dan konstruksinya lebih kecil serta pembuatannya lebih mudah dari transistor bipolar, sehingga amat bermanfaat untuk pembuatan keping rangkaian terpadu. FET bekerja atas aliran pembawa mayoritas saja, sehingga FET cenderung membangkitkan noise (desah) lebih kecil dari pada transistor bipolar.

FET (Field Effect Transistor)

Keluarga FET yang penting adalah JFET (junction field-effect transistor) dan MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor). JFET terdiri atas kanal-P dan kanal-N. MOSFET terdiri atas MOSFET tipe pengosongan (D-MOSFET = Depletion-mode metal-oxide semiconductor FET) dan MOSFET tipe peningkatan (E-MOSFET = Enhancement-mode metal-oxide semiconductor FET). Masing-masing tipe MOSFET ini masih terbagi juga dalam kanal-P dan kanal-N.

Kelebihan FET (Field Effect Transistor)

Dibandingkan dengan BJT, FET memiliki beberapa kelebihan diantaranya adalah:

1. hambatan dalam input sangat besar, yaitu sekitar ~ 106 Ω untuk JFET (Junction FET) dan ~ 108 Ω untuk MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET)
2. noisenya kecil, karena karena pembawa muatan pada FET tidak melewati hubungan p-n sama sekali.
3. densitas FET sangat tinggi sehingga dapat dibentuk rangkaian integrasi lebih padat
4. lebih stabil terhadap suhu

Kekurangan FET (Field Effect Transistor)

Disamping itu kekurangan FET dibandingkan dengan BJT adalah:

1. kecepatan switchingnya lebih rendah/lambat
2. tidak mampu menanggani daya besar, walaupun saat ini sudah ada FET yang mampu bekerja untuk daya besar.

Konstruksi FET (Field Effect Transistor)

Konstruksi secara fisik dan simbul JFET ditunjukkan gambar berikut:

Konstruksi fisik JFET dan simbol JFET

FET memiliki 3 terminal yaitu Source(S), Drain(D), dan Gate(G). Source adalah terminal tempat pembawa muatan mayoritas masuk ke kanal untuk menyediakan arus melalui kanal. Drain adalah terminal arus meninggalkan kanal. Gate adalah elektroda yang mengontrol konduktansi antara Source dan Drain. Sinyal input diberikan pada terminal Drain. Sedangkan Substrate atau bulk umumnya dihubungkan dengan Source. Material pada substrate biasanya netral atau didope sedikit.

Umumnya sinyal input diberikan pada terminal Gate. Dalam rangkaian input, terminal Gate dan kanal bertindak seolah-olah bagai kapasitor plat sejajar, dan konduktivitas kanal dapat diubah oleh tegangan Gate terhadap Source. Untuk kanal-n, tegangan positif pada Gate menginduksi muatan negatif pada kanal sehingga ada aliran elektron dari Source ke Drain.

Pembiasan JFET (Junction Field Effect Transistor)

JFET tidak bekerja berdasarkan arus listrik melainkan akibat medan listrik yang terjadi tegangan input ke terminal gerbang (Gate). Medan listrik dipakai untuk mengontrol lebar saluran tempat terjadinya konduksi antara terminal pembuangan (Drain) dan sumber (Source). Sehingga FET akan sangat efektif jika mendapat tegangan disamping memiliki impedansi input yang sangat besar dalam orde ~ MΩ.

Arus Drain melalui satu jenis bahan semikonduktor, yaitu tipe-n untuk kanal-n dan tipe-p untuk kanal-p. Pada JFET kanal-n pembawa muatannya adalah elektron bebas, sehingga terminal D harus diberi potensial positif. Selanjutnya JFET kanal-n dibias dengan cara seperti ditunjukkan pada gambar berikut.

Pembiasan pada JFET kanal-n

Sebagai pendekatan tidak ada arus yang mengalir pada Gate IG = 0, hal ini karena hambatan dalam input JFET = ∞.

Perhatikan lapisan deplesi yang terbentuk akibat pembiasan, lebar lapisan deplesi ini bervariasi terhadap VDS. Kanal-n tsb akan tertutup yaitu lebar kanal = 0 terjadi pada saat VDS = Vp (dengan Vp adalah tegangan pinch-off/penjepit) dan untuk VDS > Vp praktis hambatan Drain tak berubah.

Pada JFET, junction field effect transistor, Gate dan kanal membentuk hubungan PN konvensional, namun memiliki hambatan dalam besar akibat bias mundur. Sedangkan pada IGFET, Insulated Gate Field Effect Transistor, atau MOSFET, Metal Oxide Semiconductor FET, memiliki elektroda yang terpisah dari kanal oleh lapisan tipis SiO2. Tegangan yang diberikan pada Gate dapat menginduksikan muatan di kanal untuk mengontrol arus Drain. Hambatan dalam inputnya sangat besar dan tidak bergantung pada polaritas tegangan Gate, disamping itu juga relatif tidak terpengaruh oleh suhu.

Ada dua tipe MOSFET yaitu tipe enhancement dan tipe depletion. Pada tipe enhancement arus pada kanal hanya terjadi jika diberi tegangan Gate. Sedangkan pada tipe depletion arus pada kanal dapat terjadi pada saat tegangan Gate = 0. Dalam simbul skematik tipe enhancement ditandakan dengan garis putus-putus pada kanal, sedangkan tipe depletion ditandakan dengan garis utuh untuk kanal.

Secara skematik pengelompokkan FET dan peta tegangan output (dengan Source di-ground-kan) diberikan berikut ini.

Penggolongan FET dan peta tegangan input/output

Sedangkan diagram skematik dari berbagai tipe FET ditunjukkan pada gambar berikut ini.

Simbol FET (Field Effect Transistor)

Pengertian Op-Amp (Operational Amplifier)

Operational Amplifier (Op-Amp) adalah salah satu rangkaian komponen analog terintegrasi (IC) yang sering digunakan dalam berbagai kebutuhan perancangan rangkaian elektronika. IC Op-Amp sering digunakan untuk banyak rangkaian elektronika antara lain adalah Penguat Inverting, Penguat Non-Inverting, Adder, Subtractor, Buffer, PID Controller Analog, Komparator Analog, Band Pass Filter, Band Stop Filter, High Pass Filter, Low Pass Filter, Penguat Integrator, Penguat Differensiator, ADC, dan DAC. IC Op-Amp adalah sebuah piranti yang mampu melakukan penginderaan dan melakukan penguatan sinyal DC maupun sinyal AC. Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier (penguat diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp ada yang dinamakan input inverting (-) dan non-inverting (+).

Berikut ini adalah gambar simbol Op-Amp :

Prinsip kerja Operational Amplifier (Op-Amp) adalah dengan membandingkan nilai kedua input (input inverting dan input non-inverting). Intinya jika kedua input bernilai sama maka output Op-amp tidak ada atau sama dengan Nol dan apabila terdapat perbedaan nilai input keduanya maka output Op-amp akan memberikan tegangan output. Sebagai Operational Amplifier ideal, Operational Amplifier (Op-Amp) memiliki karakteristik sebagai berikut :

Impedansi Input (Zi) besar = ∞
Impedansi Output (ZO) kecil = 0
Penguatan Tegangan (Av) tinggi = ∞
Band Width respon frekuensi lebar = ∞
Tegangan output (VO) = 0 apabila V in (1) = V in (2) dan tidak tergantung pada besarnya V in (1).
Karakteristik operasional amplifier (Op-Amp) tidak tergantung temperatur / suhu.

Operational Amplifier Basics

As well as resistors and capacitors, Operational Amplifiers, or Op-amps as they are more commonly called, are one of the basic building blocks of Analogue Electronic Circuits. Operational amplifiers are linear devices that have all the properties required for nearly ideal DC amplification and are therefore used extensively in signal conditioning, filtering or to perform mathematical operations such as add, subtract, integration and differentiation. An Operational Amplifier, or op-amp for short, is fundamentally a voltage amplifying device designed to be used with external feedback components such as resistors and capacitors between its output and input terminals. These feedback components determine the resulting function or “operation” of the amplifier and by virtue of the different feedback configurations whether resistive, capacitive or both, the amplifier can perform a variety of different operations, giving rise to its name of “Operational Amplifier”.
An Operational Amplifier is basically a three-terminal device which consists of two high impedance inputs, one called the Inverting Input, marked with a negative or “minus” sign, ( - ) and the other one called the Non-inverting Input, marked with a positive or “plus” sign ( + ).
The third terminal represents the Operational Amplifiers output port which can both sink and source either a voltage or a current. In a linear operational amplifier, the output signal is the amplification factor, known as the amplifiers gain ( A ) multiplied by the value of the input signal and depending on the nature of these input and output signals, there can be four different classifications of operational amplifier gain.

• Voltage  – Voltage “in” and Voltage “out”
• Current  – Current “in” and Current “out”
• Transconductance  – Voltage “in” and Current “out”
• Transresistance  – Current “in” and Voltage “out”

Since most of the circuits dealing with operational amplifiers are voltage amplifiers, we will limit the tutorials in this section to voltage amplifiers only, (Vin and Vout).
The output voltage signal from an Operational Amplifier is the difference between the signals being applied to its two individual inputs. In other words, an op-amps output signal is the difference between the two input signals as the input stage of an Operational Amplifier is in fact a differential amplifier as shown below.

Differential Amplifier

The circuit below shows a generalized form of a differential amplifier with two inputs marked V1 and V2. The two identical transistors TR1 and TR2 are both biased at the same operating point with their emitters connected together and returned to the common rail, -Vee by way of resistor Re.

Differential Amplifier

The circuit operates from a dual supply +Vcc and -Vee which ensures a constant supply. The voltage that appears at the output, Vout of the amplifier is the difference between the two input signals as the two base inputs are in anti-phase with each other.
So as the forward bias of transistor, TR1 is increased, the forward bias of transistor TR2 is reduced and vice versa. Then if the two transistors are perfectly matched, the current flowing through the common emitter resistor, Re will remain constant.
Like the input signal, the output signal is also balanced and since the collector voltages either swing in opposite directions (anti-phase) or in the same direction (in-phase) the output voltage signal, taken from between the two collectors is, assuming a perfectly balanced circuit the zero difference between the two collector voltages.
This is known as the Common Mode of Operation with the common mode gain of the amplifier being the output gain when the input is zero.
Operational Amplifiers also have one output (although there are ones with an additional differential output) of low impedance that is referenced to a common ground terminal and it should ignore any common mode signals that is, if an identical signal is applied to both the inverting and non-inverting inputs there should no change to the output.
However, in real amplifiers there is always some variation and the ratio of the change to the output voltage with regards to the change in the common mode input voltage is called the Common Mode Rejection Ratio or CMRR.
Operational Amplifiers on their own have a very high open loop DC gain and by applying some form of Negative Feedback we can produce an operational amplifier circuit that has a very precise gain characteristic that is dependant only on the feedback used. Note that the term “open loop” means that there are no feedback components used around the amplifier so the feedback path or loop is open.
An operational amplifier only responds to the difference between the voltages on its two input terminals, known commonly as the “Differential Input Voltage” and not to their common potential. Then if the same voltage potential is applied to both terminals the resultant output will be zero. An Operational Amplifiers gain is commonly known as the Open Loop Differential Gain, and is given the symbol (A_o).

Equivalent Circuit of an Ideal Operational Amplifier

 

Op-amp Parameter and Idealised Characteristic

• Open Loop Gain, (Avo)

  • Infinite – The main function of an operational amplifier is to amplify the input signal and the more open loop gain it has the better. Open-loop gain is the gain of the op-amp without positive or negative feedback and for such an amplifier the gain will be infinite but typical real values range from about 20,000 to 200,000.
    

• Input impedance, (Z_in)

  • Infinite – Input impedance is the ratio of input voltage to input current and is assumed to be infinite to prevent any current flowing from the source supply into the amplifiers input circuitry ( Iin = 0 ). Real op-amps have input leakage currents from a few pico-amps to a few milli-amps.
    

• Output impedance, (Z_out)

  • Zero – The output impedance of the ideal operational amplifier is assumed to be zero acting as a perfect internal voltage source with no internal resistance so that it can supply as much current as necessary to the load. This internal resistance is effectively in series with the load thereby reducing the output voltage available to the load. Real op-amps have output impedances in the 100-20kΩ range.
    

• Bandwidth, (BW)

  • Infinite – An ideal operational amplifier has an infinite frequency response and can amplify any frequency signal from DC to the highest AC frequencies so it is therefore assumed to have an infinite bandwidth. With real op-amps, the bandwidth is limited by the Gain-Bandwidth product (GB), which is equal to the frequency where the amplifiers gain becomes unity.
    

• Offset Voltage, (V_io)

  • Zero – The amplifiers output will be zero when the voltage difference between the inverting and the non-inverting inputs is zero, the same or when both inputs are grounded. Real op-amps have some amount of output offset voltage.
    

 

From these “idealized” characteristics above, we can see that the input resistance is infinite, so no current flows into either input terminal (the “current rule”) and that the differential input offset voltage is zero (the “voltage rule”). It is important to remember these two properties as they will help us understand the workings of the Operational Amplifier with regards to the analysis and design of op-amp circuits.
However, real Operational Amplifiers such as the commonly available uA741, for example do not have infinite gain or bandwidth but have a typical “Open Loop Gain” which is defined as the amplifiers output amplification without any external feedback signals connected to it and for a typical operational amplifier is about 100dB at DC (zero Hz). This output gain decreases linearly with frequency down to “Unity Gain” or 1, at about 1MHz and this is shown in the following open loop gain response curve.

Open-loop Frequency Response Curve

 

From this frequency response curve we can see that the product of the gain against frequency is constant at any point along the curve. Also that the unity gain (0dB) frequency also determines the gain of the amplifier at any point along the curve. This constant is generally known as the Gain Bandwidth Product or GBP. Therefore:

 

GBP = Gain x Bandwidth or A x BW.

 

For example, from the graph above the gain of the amplifier at 100kHz is given as 20dB or 10, then the gain bandwidth product is calculated as:

GBP = A x BW = 10 x 100,000Hz = 1,000,000.

 

Similarly, the operational amplifiers gain at 1kHz = 60dB or 1000, therefore the GBP is given as:

GBP = A x BW = 1,000 x 1,000Hz = 1,000,000. The same!.

 

The Voltage Gain (A_V) of the operational amplifier can be found using the following formula:

 

and in Decibels or (dB) is given as:

An Operational Amplifiers Bandwidth

The operational amplifiers bandwidth is the frequency range over which the voltage gain of the amplifier is above 70.7% or -3dB (where 0dB is the maximum) of its maximum output value as shown below.

 

Here we have used the 40dB line as an example. The -3dB or 70.7% of Vmax down point from the frequency response curve is given as 37dB. Taking a line across until it intersects with the main GBP curve gives us a frequency point just above the 10kHz line at about 12 to 15kHz. We can now calculate this more accurately as we already know the GBP of the amplifier, in this particular case 1MHz.

Operational Amplifier Example No1.

Using the formula 20 log (A), we can calculate the bandwidth of the amplifier as:

37 = 20 log A   therefore, A = anti-log (37 ÷ 20) = 70.8

GBP ÷ A = Bandwidth,  therefore, 1,000,000 ÷ 70.8 = 14,124Hz, or 14kHz

Then the bandwidth of the amplifier at a gain of 40dB is given as 14kHz as previously predicted from the graph.

Operational Amplifier Example No2.

If the gain of the operational amplifier was reduced by half to say 20dB in the above frequency response curve, the -3dB point would now be at 17dB. This would then give the operational amplifier an overall gain of 7.08, therefore A = 7.08.
If we use the same formula as above, this new gain would give us a bandwidth of approximately 141.2kHz, ten times more than the frequency given at the 40dB point. It can therefore be seen that by reducing the overall “open loop gain” of an operational amplifier its bandwidth is increased and visa versa.
In other words, an operational amplifiers bandwidth is inversely proportional to its gain, ( A 1/∝ BW ). Also, this -3dB corner frequency point is generally known as the “half power point”, as the output power of the amplifier is at half its maximum value as shown:

Operational Amplifiers Summary

We know now that an Operational amplifiers is a very high gain DC differential amplifier that uses one or more external feedback networks to control its response and characteristics. We can connect external resistors or capacitors to the op-amp in a number of different ways to form basic “building Block” circuits such as, Inverting, Non-Inverting, Voltage Follower, Summing, Differential, Integrator and Differentiator type amplifiers.

Op-amp Symbol

An “ideal” or perfect Operational Amplifier is a device with certain special characteristics such as infinite open-loop gain Ao, infinite input resistance Rin, zero output resistance Rout, infinite bandwidth 0 to ∞ and zero offset (the output is exactly zero when the input is zero).
There are a very large number of operational amplifier IC’s available to suit every possible application from standard bipolar, precision, high-speed, low-noise, high-voltage, etc, in either standard configuration or with internal Junction FET transistors.
Operational amplifiers are available in IC packages of either single, dual or quad op-amps within one single device. The most commonly available and used of all operational amplifiers in basic electronic kits and projects is the industry standard μA-741.

 

In the next tutorial about Operational Amplifiers, we will use negative feedback connected around the op-amp to produce a standard closed-loop amplifier circuit called an Inverting Amplifier circuit that produces an output signal which is 180^o “out-of-phase” with the input.

Pengertian arus AC dan DC

AC adalah kependekan dari Alternating Current yang artinya arus bolak-balik sedangkan DC adalah kependekan dari Direct Current yang artinya arus searah. Kedua istilah itu perlu diketahui dan dipahami sebelum lebih jauh memperdalam pengetahuan di bidang elektronika dan listrik. AC dan DC adalah jenis tegangan atau arus listrik dengan karakteristik, sifat, dan bentuk gelombang yang berbeda, namun satuan dan besaran-besarannya sama yaitu: Volt (V) untuk satuan tegangan, Ampere (A) untuk satuan arus, dan Watt (W) untuk satuan daya.  Jika suatu alat menggunakan sumber tegangan AC, maka arus yang mengalir pada perangkat tersebut adalah arus AC, demikian juga jika suatu alat menggunakan sumber listrik DC, maka arus yang mengalir adalah arus DC. Untuk melihat perbedaan bentuk gelombang antara tegangan AC dan DC dapat digunakan alat ukur Oscilloscope. Oscilloscope yang dilengkapi dengan tabung sinar katoda berfungsi untuk memproyeksikan sinyal listrik ke layar tabung katoda menjadi bentuk gelombang yang dapat dilihat, diamati, dan dipelajari. Seiring kemajuan teknologi, kini Oscilloscope sudah dalam bentuk perangkat digital dengan fitur yang lebih lengkap dan lebih sempurna. Dengan bantuan oscilloscope, hal-hal berikut ini dapat kita lakukan:

1. Melihat dan mengamati bentuk gelombang listrik
2. Mengukur tegangan peak to peak (puncak ke puncak)
3. Dapat melihat suatu distorsi gelombang listrik
4. Dapat melihat lebar fulsa, periode, dan waktu dari dua sinyal
5. Mengukur frekwensi gelombang listrik

Tegangan dan Arus DC (Searah)

Tegangan DC memiliki polaritas yang tetap yakni positif (+), nol (0), dan negatif (-).  Tegangan DC tidak memiliki phase dan arus yang  mengalir pun selalu dari polaritas yang lebih tinggi ke polaritas yang lebih rendah yakni dari positif ke negatif, dari positif ke nol, atau dari nol ke negatif karena polaritas nol lebih tinggi dari polaritas negatif. Dalam prakteknya, polaritas negatif umunya menggunakan warna kabel merah sedangkan negatif menggunakan kabel berwarna hitam.
Contoh Sumber Tegangan DC (Searah):

1. Battery (Accu/Accumulator/Aki) cair yang mengandung asam H2So4
2. Battery Kering
3. Solar Cell
4. Power Supply atau Adaptor

Contoh peralatan yang menggunakan sumber tegangan DC (Searah):

1. Kamera Digital
2. Telpon Seluler
3. Handycam
4. MP3/ MP4 Player
5. Lampu Senter
6. Lampu Emergency
7. Kalkulator
8. Remote Control
9. Mainan Anak
10. Pointer (untuk presentasi)
11. Wireless Mouse
12. Jam Tangan dan Jam Dinding

Bentuk Gelombang DC

Tegangan dan Arus AC (Bolak-balik)

Berbeda dengan tegangan DC, tegangan AC memiliki dua polaritas yang berubah-ubah dari polaritas yang lebih tinggi ke polaritas yang lebih rendah dalam satuan waktu. Dengan demikian tegangan AC memiliki phase dan frekuensi misalnya 60 Hz (60 cycle per detik) dan 50 Hz (50 Cycle per detik). Polaritas tersebut diukur dari titik Netral (N) atau Ground (GND).
Berdasarkan penggunaan jumlah phase-nya tegangan AC terdiri dari satu phase yaitu Phase, Neutral, dan Ground, kedua adalah tegangan AC tiga phase yang terdiri dari Phase R, Phase S, Phase T, Neutral, dan Ground. Dalam perkabelan listrik, polaritas tegangan AC dibedakan dengan warna kabel. Biru utuk Phase, Hitam untuk Netral, dan Kuning atau Kuning Hijau untuk Ground.
Contoh Sumber Tegangan AC

1. PLN dengan bermacam pembangkit listrik misalnya PLTA dan PLTU. Besarnya tegangan AC dari PLN di Indonesia adalah sekitar 220Volt – 240 Volt dengan frekuensi 60 Hz.
2. Output Transformator Step Down pada rangkaian power supply
3. Output dari motor generator.

Contoh peralatan yang menggunakan sumber tegangan AC:

1. Motor Listrik yang digunakan di industri-industri untuk menggerakan mesin
2. Motor Listrik pada Mesin Cuci
3. Televisi
4. Kulkas (Lemari Pendingin)
5. Pompa Air
6. Bor Listrik
7. UPS (Uninterupable Power Supply)
8. EPS (Emergency Power Source)
9. Stabilizer Tegangan
10. Lampu-lampu Penerangan
11. Lampu Lalu-lintas
12. Komputer PC
13. Gergaji Mesin
14. Sugu Listrik
15. Mesin Fotokopi
16. Mesin Bubut
17. Kipas Angin
18. Layar Monitor
19. Printer
20. Pesawat Radio
21. Amplifier
22. Setrika
23. Hot Air Gun
24. Solder

Bentuk Gelombang AC

Perbedaan AC dan DC paling mendasar adalah bentuk gelombang dan polaritas sehingga sifat dan karakterisitk peralatan yang menggunakan sumber tegangan AC akan berbeda dengan peralatan yang menggunakan sumber tegangan DC. Perangkat yang menggunakan sumber tegangan AC akan menghasilkan arus AC dan perangkat yang menggunakan tegangan DC akan menghasilkan arus DC kecuali drancang dengan sistem khusus untuk mengkonversi tegangan.