Differential Amplifier atau Penguat Diferensial adalah penguat atau amplifier yang menguatkan selisih dua tegangan input dimana penguatan ini mempunyai ciri-ciri :
- Memiliki dua terminal input dan satu terminal output, sehingga membutuhkan dua Bipolar Junction Transistor
- Memiliki tegangan bias negatif pada terminal Emitter.
Pada halaman ini hanya dibahas penguat diferensial dengan input small signal atau tegangan sinyal input rendah.
Penguat Diferensial Dual Input Balance Output
Rangkaian dasar penguat diferensial dengan dual input balance output ditunjukan pada Gambar 1.
 |
| Gambar 1. Rangkaian dasar penguat diferensial dual input balance output |
Penguat diferensial umumnya menggunakan tegangan bias negatif pada terminal Emitter sehingga pada terminal Base tidak membutuhkan tegangan bias positif atau diatas 0 volt, hal ini disebabkan karena tegangan bias negatif pada terminal Emitter sudah memenuhi syarat dimana setengah gelombang negatif sinyal input tidak terpotong. Jika dilihat dari rangkaian pada satu sisi ransistor saja, maka rangkaian ini mirip dengan Common Emitter sehingga dapat disimpulkan penguat diferensial memiliki penguatan atau gain cukup besar.
Terminal output penguat diferensial dual input balance output diletakan pada masing-masing terminal Collector transistor dimana hal ini menyebabkan fasa sinyal output terbalik 180 derajat dari fasa sinyal input. Dengan diletakannya terminal output pada terminal Collector kedua transistor Tr1 dan Tr2, maka besarnya tegangan diferensial output merupakan selisih dari tegangan pada masing-masing terminal Collector transistor.
Analisis dc
Analisis dc diperlukan dalam menentukan titik kerja dc penguat diferensial dengan menentukan besarnya arus dc ICQ dan VCEQ saat tidak ada sinyal input atau sinyal input sama dengan 0, dengan kata lain analisis ini bertujuan untuk menyetel arus listrik sekecil mungkin pada transistor saat tidak ada sinyal input serta membuat bentuk sinyal output tidak terpotong pada salah satu sisi dengan menyetel tegangan kerja VCE setengah sumber tegangan. Gambar analisis dc dapat diilustrasikan seperti Gambar 2.
Rangkaian penguat diferensial pada halaman ini menggunakan transistor identik satu sama lain dan memiliki nila beta (β) yang sama, selain itu juga memiliki nilai resistor yang identik pada setiap terminal :
Sehingga arus mengalir pada resistor RE merupakan penjumlahan antara IE masing-masing transistor (2IE) sehingga rangkaian ekivalen analisis dc dapat digambarkan seperti Gambar 2.
 |
| Gambar 2. Rangkaian ekivalen analisis dc penguat diferensial |
Dengan menerapkan Kirchhoff Voltage Law (KVL) pada Gambar 2 :
Kemudian menggunakan rumus dasar IC = β. IB , dimana IC diasumsikan besarnya sama dengan IE (IC ≈ IE), maka :
Sehingga besarnya IB (IBQ) adalah :
Alasan mencari nilai IE dari pada IC karena terdapat bias tegangan VEE yang mempengaruhi besarnya arus dc pada resistor RE (IE) dan tentu saja juga mempengaruhi besarnya arus IC dimana besarnya IC dapat diasumsikan sama dengan IE (IC ≈ IE).
Jika KVL diterapkan pada rangkaian Tr1 Gambar 2 maka persamaan dapat dapat ditulis menjadi : 
Sehingga besarnya IE pada masing-masing transistor adalah :
Besarnya arus IE tidak dipengaruhi oleh nilai resistor RC tetapi dipengaruhi oleh nilai RE dan tegangan -VEE. Besarnya nilai RE menentukan arus yang mengalir pada terminal Emitter Transistor Tr1 dan Tr2.
Besarnya tegangan terminal Collector (VC) masing-masing transistor dapat dihitung dengan persamaan :
Besarnya tegangan pada terminal Emitter (VE) terhadap ground adalah sebesar -VBE sehingga dapat dituliskan :
Karena terdapat tegangan VE sebesar -0,7V, maka terdapat arus mengalir dari terminal Base ke terminal Emitter sehingga terminal Emitter pada masing-masing transistor dapat diasumsikan sebagai virtual ground.
Besarnya tegangan dc VCE (VCEQ) dapat dicari dengan mengurangkan tegangan dc terminal Collector (VC) dengan tegangan terminal Emitter (VE). Sehingga besarnya VCE (VCEQ) masing-masing transistor dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut :
Analisis Commom Mode dan Differential Mode
Analisis ini mirip sekali dengan analisis ac dan memang merupakan analisis ac karena semua sumber tegangan diganti menjadi simbol ground untuk memudahkan analisis arus sinyal, hanya saja level dc tetap diperhitungakan karena mempengaruhi besarnya (magnitute) sinyal. Untuk lebih mudah memahami tentang Common Mode dan Differential Mode Anda dapat melihat penjelasan pada Gambar 3 di bawah.
 |
| Gambar 3. Tegangan Differential Mode dan tegangan Common Mode |
Gambar 3 menunjukan tiga sinyal yaitu sinyal input Vin1, Vin2 dan tegangan sinyal dc Common Mode (VCM). Penguat diferensial ini dapat dihubungkan langsung (direct coupled, tanpa kapasitor) dengan sumber sinyal maupun tidak, sehingga pada sinyal mungkin saja terdapat level dc.
Untuk mempermudah analogi mengenai sinyal ac yang ditumpangkan ke sinyal dc diberikan dua contoh sinyal ac yang memiliki komponen dc seperti di bawah ini ;
Vin1 = 1V + 0,25V sin (ω.t) dimana 1V merupakan level tegangan dc dan 0,25V adalah amplitudo tegangan sinyal ac pada Vin1.
Vin2 = 1V - 0,25V sin (ω.t) dimana 1V merupakan level tegangan dc dan 0,25V adalah amplitudo tegangan sinyal ac pada Vin2.dengan fasa berbeda 180 derajat dari Vin1.
Tegangan Common Mode merupakan rata-rata dari tegangan komponen dc pada dua input sinyal. Sehingga besarnya tegangan Commom Mode (VCM) dapat dicari dengan persamaan :
Tegangan Differential Mode (VDM) Gambar 3 merupakan rata-rata selisih dari dua sinyal ac Vin1 dan Vin2. Sehingga besarnya tegangan Differensial Mode dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut :
Sehingga hasil superposisi dua sinyal input dengan frekuensi yang sama pada Gambar 3 dapat dicari dengan persamaan :
atau
Terdapat dua persamaan VCM + VDM dan VCM - VDM yang keduanya menggambarkan bentuk sinyal hasil superposisi dua sinyal Gambar 3. Gambar 4 menunjukan persamaan VCM + VDM, untuk gambar VCM-VDM adalah kebalikan fasa dari gelombang Gambar 4.
 |
| Gambar 4. Hasil superposisi dua sinyal pada Gambar 3 |
Akan tetapi contoh Common Mode tidak selalu seperti yang ditunjukan seperti Gambar 3, Common Mode berbeda dengan analisis dc meskipun Common Mode merupakan komponen dc dari sinyal. Untuk lebih mudahnya dapat dilihat pada penjelasan di bawah ini.
Terdapat 2 sinyal yaitu :
- Vin1 = 1V + 0,25V sin ωt
- Vin2 = 1V -> tegangan konstan atau level dc. Tegangan Vin2 Gambar 5 berbeda dengan dc offset.
 | ||
| Gambar 5. Input sinyal ac dan dc |  |
Tegangan Common Mode Gambar 5 dapat dicari sebagai berikut :
Karena Vin2 merupakan tegangan konstan atau dc maka tegangan Differential Mode adalah tegangan komponen ac sehinga besarnya VDM adalah :
Dari perhitungan tegangan Common Mode dan Differential Mode dapat ditulliskan hasil superposisi sinyal Gambar 5 dimana komponen ac merupakan bagian dari tegangan Common Mode dikarenakan Vin2 adalah sinyal dc sehingga dapat dituliskan bahwa V = VCM :
Jika penjelasan di atas dirasa masih membingungkan asumsikan saja bahwa VCM adalah komponen dc dan VDM adalah komponen ac sehingga penyelesaiannya adalah sbb :
sehingga,
Dari perhitungan VCM atau VDM menunjukan bahwa hasil superposisi tegangan sinyal ac dan tegangan dc justru membuat sinyal ac menjadi lebih kecil dari sebelumnya yang ditunjukan pada Gambar 5.
 |
| Gambar 6. Hasil superposisi sinyal pada Gambar 5 |
Penjelasan Gambar 3, 4, 5 dan 6 di atas bertujuan untuk memberikan pemahaman tentang Common Mode dan Differential Mode yang berguna untuk mencari penguatan tegangan masing-masing mode penguat.
Common Mode
Analisis Common Mode ditunjukan pada Gambar 7. Arus Common Mode ditentukan oleh garis warna merah dimana arus menuju atau melewari RE. Arus ini dapat dianalogikan sebagai arus yang memiliki komponen dc yang nilainya tetap, dan sinyal Common Mode ini merupakan sinyal yang tidak diinginkan dalam penguatan. Meskipun dianalogikan sebagai komponen atau sinyal dc Common Mode dapat juga berupa komponen dc yang memiliki komponen ac.
 |
| Gambar 7. Analisis Common Mode |
Tegangan input Common Mode (Vin-CM) pada rangkaian penguat diferensial didefinisikan sebagai tegangan input rata-rata dari komponen tegangan dc kedua terminal Base transistor sehingga dapat dituliskan sebagai :
Common Mode Satu Sisi (Single-Ended)
Penguatan Common Mode rangkaian Gambar 4 ini hanya berlaku untuk satu sisi rangkaian diferensial saja (single-ended) karena jika tegangan diukur pada kedua terminal output transistor maka tegangan Common Mode adalah nol karena memiliki komponen tegangan dc sama besar.
Besarnya penguatan tegangan Common Mode penguat diferensial pada masing-masing transistor (AV-CM-SE) adalah :
Karena besarnya IE dan IC dapat diasumsikan sama, maka penguatan tegangan Common Mode single-ended dapat ditulis dengan persamaan :
Tanda (-) pada penguatan menunjukan bahwa fasa sinyal output terbalik terhadap sinyal input sebesar 180 derajat. Nilai re/2 jauh lebih kecil dibanding 2RE sehingga re/2 dapat diabaikan dan persamaan penguatan tegangan Common Mode single ended dapat ditulis menjadi :
Tegangan output Common Mode satu sisi dapat dituliskan sebagai berikut :
Common Mode Dua Sisi (Double-Ended)
Jika tegangan output Common Mode diambil pada kedua sisi penguat diferensial maka besarnya tegangan Common Mode Double-Ended adalah 0 dengan pembuktian :
Masing-masing output Common Mode Single Ended besarnya sama karena semua komponen adalah identik dan definisi tegangan Common Mode adalah rata-rata dari level dc input sehingga tegangan output Common Mode masing-masing transistor adalah sama.
Impedansi input Common Mode (Zin-CM)
Untuk mempermudah mencari impedansi input Commom Mode adalah dengan semua hambatan mulai dari terminal Emitter. Dengan kata lain adalah dengan mengabaikan resistor RB pada terminal Base. Hal ini dapat dilakukan karena RB paralel terhadap re dan re nilainya sangat kecil sehingga nilai paralel RB dan re dapat diasumsikan sama dengan re.
Untuk mencari impedansi atau hambatan yang melibatkan terminal Base dan Emitter perlu mencari perbandingan arus IE dan IB dimana :
Sehingga impedansi input Common Mode (Zin-CM) penguat diferensial merupakan nilai semua hambatan yang ada dan terhubung pada terminal Emitter dikalikan dengan perbandingan IE dan IB pada masing-masing transistor sehingga impedansi input Common Mode dapat ditulis dengan persamaan :
Nilai re/2 didapatkan dengan memparalelkan masing-masing re setiap transistor karena posisi re satu sama lain adalah paralel dan memiliki nilai yang sama. Nilai re/2 sangat kecil dan dapat diabaikan sehingga Impedansi input Common Mode juga dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut :
Differential Mode
Differential Mode adalah analisis murni komponen ac (tidak melibatkan komponen dc). Tegangan input Differential Mode merupakan superposisi dari dua sinyal input Vin1 dan Vin2. Sehingga besarnya tegangan input Differential Mode (Vin-DM) pada setiap transistor adalah :
Arah arus Differential Mode ditunjukan pada Gambar 7 yang diwakili oleh arah arus dengan garis berwarna biru.
Differential Mode Double-Ended (Dua Sisi)
Tegangan Differential Mode Double-Ended adalah tegangan output pada masing-masing terminal Collector. Arah arus dari Vin1 menuju ke Vin2 hanya sebagai ilustrasi saja karena tidak masalah apakah dari Vin2 ke Vin1 atau sebaliknya. Sehingga pada Differential Mode Gambar analisis sinyal ac dapat diganti seperti ditunjukan pada Gambar 8.
 |
| Gambar 8. Analisis Differential Mode |
Besarnya impedansi input Differential Mode adalah hambatan internal transistor dikali dengan perbandingan arus IE dan IB (β +1) sehingga impedansi input Differential Mode dapat ditulis dengan persamaan :
Besarnya penguatan tegangan Differential Mode Double-Ended adalah :
Tanda negatif (-) pada penguatan diferensial menandakan bahwa penguatan adalah inverting atau sinyal output terbalik 180 derajat dari sinyal input.
Nilai (β +1) dan β dapat dianggap sama karena hanya selisih saja, sehingga penguatan dapat ditulis dengan persamaan :
Sehingga tegangan output Differential Mode Double-Ended (Vout-DM-DE) dapat dituliskan menjadi :
Differential Mode Single-Ended (Satu Sisi)
Tegangan Differential Mode Single Ended adalah tegangan masing-masing terminal Collector transistor yang diukur terhadap ground sehingga masing-masing hambatan dalam transistor menjadi dua kali yang disebabkan karena hambatan dalam re posisinya paralel satu sama lain. Penguatan tegangan Differential Mode Single-Ended dapat dituliskan sebagai berikut :
Sehingga besarnya tegangan output Differential Mode Single-Ended dapat ditulis menjadi :
Ringkasan
Dari semua penjelasan di atas dapat diambil kesimpulan dengan penjelasan posisi terminal output Single-Ended dan Double-Ended yang ditunjukan pada Gambar 9.
 |
| Gambar 9. Terminal output Single-Ended dan Double-Ended penguat diferensial |
Double-Ended
Besarnya tegangan output double-ended (Vout-DE) adalah besarnya tegangan output Common Mode (Vout-CM) dijumlahkan dengan tegangan output diferensial (Vout-DM) :
Karena tegangan Common Mode pada Double-Ended adalah nol (0) maka tegangan output double ended (Vout-DE) adalah :
Tegangan Double-Ended ini menghilangkan tegangan Common Mode karena diukur pada salah satu terminal Collector transistor terhadap terminal Collector transistor lainnya dimana level dc satu transistor satu dengan lainnya besarnya sama.
Impedansi output double-ended dapat dicari dengan menggambar impedansi output pada masing-masing transistor.
 |
| Gambar 10. Rangkaian ekivalen impedansi output penguat diferensial double-ended |
Dari rangkaian ekivalen output di atas dapat dituliskan persamaan berdasarkan KVL (Kirchhoff Voltage Law) sehingga didapatkan impedansi output double-ended sebagai (Zout-DE) berikut :
Single-Ended
Tegangan output Single-Ended adalah tegangan pada masing-masing terminal Collector transistor terhadap ground. Biasanya pada rangkaian diferensial output diambil pada salah satu terminal output transistor, atau bisa juga keduanya tetapi pada rangkaian berbeda sehingga input pada rangkaian lain tetap merasakan adanya level dc. Besarnya tegangan single-ended dapat dituliskan sebagai berikut :
Penguatan tegangan Common Mode Single-Ended (AV-CM-SE) masing-masing transistor adalah :
Fasa penguatan diferensial setiap tegangan input harus berbeda 180 derajat antara satu dengan lainnya untuk mendapatkan penguatan maksimal, sehingga penguatan diferensial satu dengan lainnya hanya berbeda pada tanda negatif. Penguatan tegangan Differential Mode Single-Ended (AV-DM-SE) masing-masing transistor adalah :
Angka 2re didapatkan dari arus yang mengalir melalui pada masing-masing re transistor adalah setengah dari arus yang mengalir pada RE, sehingga re menjadi dua kali lebih besar.
Besarnya impedansi output single-ended adalah besarnya hambatan yang pada terminal Collector terhadap ground sehingga :
Besarnya tegangan output Differential Mode Single Ended (Vout-DM-SE) adalah sebagai berikut :
Besarnya tegangan output Common Mode Single Ended (Vout-CM-SE) adalah sebagai berikut :
Total tegangan output transistor 1 single-ended adalah :
Pada penguat diferensial terdapat analisis Common Mode karena penguat ini adalah penguat direct coupled tanpa adanya kapasitor untuk membuang atau memblok level dc ataupun memfilter sinyal yang tidak diinginkan.
CMRR (Common Mode Rejection Ratio)
CMRR merupakan perbandingan antara penguatan diferensial dengan penguatan Common Mode. Jika output diambil pada salah satu transistor (single-ended) maka besarnya CMMR adalah :
Jika ditulis dalam dB maka :
Semakin besar nilai CMMR maka semakin baik penguat diferensial yang berarti penguatan dua sinyal (diferensial) lebih besar dari pada penguatan sinyal yang tidak diinginkan atau penguatan sinyal dc sehingga yang dibutuhkan adalah benar-benar penguatan sinyal yang diinginkan.
Untuk meningkatkan CMMR adalah dengan membuat RE menjadi lebih besar akan tetapi IE juga tidak boleh terlalu kecil, sehingga untuk memenuhi kebutuhan yang saling berlawanan maka pada RE ditambahkan sumber arus konstan yaitu dengan menambahkan transistor seperti ditunjukan pada Gambar 8.
 |
| Gambar 11. Sumber arus konstan pada RE |
Tegangan pada R2 adalah :
Besarnya arus pada Emitter (IE) :
EoF
0 Komentar
Comment