Successfully reported this slideshow.
MOSFET <ul><li>Struktur dan operasi fisik dari MOSFET jenis ‘enhancement’ </li></ul>Gambar 1. Struktrur fisik transistor N...
<ul><li>Cara kerja tanpa tegangan ‘gate’ </li></ul><ul><li>Tanpa tegangan gate akan ada 2 dioda yang diserikan secara ‘bac...
<ul><li>Pemasangan tegangan  v DS  yang kecil.   </li></ul>Gambar 3. Transistor NMOS dengan  v GS  > V t  dengan tegangan ...
Gambar 4. Karakteristik i D  – v DS  dari MOSFET MOSFET bekerja seperti resistansi linier yang dikendalikan oleh  v GS. Un...
<ul><li>Operasi bila  v DS  dinaikkan. </li></ul>Gambar 5. Cara kerja transistor NMOS jenis enhancement dengan meningkatny...
Gambar 6. Hubungan  i D  dengan  v DS   pada transistor NMOS jenis enhancement yang beroperasi dengan  v GS  > V t v DSsat...
Gambar 7. Kenaikan v DS  penyebabkan kanal menyempit
<ul><li>Perhatikan gambar dan sebuah ‘strip’ pada gate yang berjarak  x  dari source. Kapasitansi strip ini:  C ox Wdx.  U...
Hubungan  i D  - v DS Gambar 8. Penurunan karakterisitk  i D  – v DS  pada transistor NMOS
Walaupun dievaluasi pada titik tertentu, arus  i  harus konstan pada semua titik di sepanjang kanal.  i  harus sama dengan...
Jadi arus drain sebanding dengan perbandingan lebar kanal dan panjang kanal, yang disebut ‘ aspect ratio ’ dari MOSFET MOS...
Complementary MOS atau CMOS Gambar 9. Rangkaian terintegrasi CMOS Pada teknologi CMOS, transistor NMOS diimplementasiikan ...
<ul><li>Karakteristik arus dan tegangan. </li></ul><ul><li>Lambang rangkaian </li></ul>Gambar 10. Lambang MOSFET kanal n j...
Gambar 11(b) Karakteristik i D  – v DS  untuk divais dengan  k n ’ (W/L) = 1.0mA/v 2 Gambar 11(a) MOSFET kanal n jenis enh...
<ul><li>Kurva karakteristik menunjukkan 3 daerah kerja: </li></ul><ul><ul><li>daerah ‘cutoff’ </li></ul></ul><ul><ul><li>d...
Jika  v DS  cukup kecil,  v DS 2  dapat diabaikan. r DS  adalah resistansi linier yang dikendalikan oleh  v GS . Jika  v G...
Batas antara daerah trioda dan daerah jenuh: v DS  = v GS  – V t Arus  i D  pada keadaan jenuh Pada keadaan jenuh: arus  i...
Gambar 12. karakteristik i D  - v GS  transistor NMOS jenis enhancement pada keadaan jenuh (V t  = 1 V dan k n ’(W/L) = 1,...
Gambar 13. Rangkaian ekivalen model sinyal besar dari NMOS pada daerah jenuh
Gambar 14. Level relatif tegangan terminal transistor NMOS yang beroperasi pada daerah trioda dan daerah jenuh.
Resistansi keluaran pada keadaan jenuh Gambar 15. Kenaikan v DS  melebihi v DSsat  yang menyebabkan titik ‘pinch-off’ sedi...
Diasumsikan ( Δ L/L) << 1 Jika  Δ L sebanding dengan v DS  : Δ L =  λ ’v DS λ ’ parameter teknologi proses dengan dimensi ...
Gambar 15. Efek  v DS  pada  i D   pada daerah jenuh Ektrapolasi garis lurus pada kurva karakteristik  i D  – v DS   akan ...
Gambar 17. Model rangkaian sinyal besar dari MOSFET kanal -n  pada keadaan jenuh dengan adanya resistansi  r o   Catatan: ...
‘ Channel-length modulation’ menyebabkan adanya resistansi keluaran (tidak  ∞),  r o Dimana  I D  adalah arus drain tanpa ...
<ul><li>Karakteristik MOSFET kanal  p </li></ul>Gambar 18. MOSFET kanal p jenis enhancement
<ul><li>Untuk menginduksi sebuah kanal harus dipasang tegangan pada gate lebih kecil dari  V t . </li></ul><ul><li>v GS   ...
Agar transistor  PMOS  bekerja, tegangan gate harus dibuat lebih rendah dari tegangan source sedikitnya sebesar  |V t |.  ...
<ul><li>Peranan substrate – the body effect </li></ul><ul><li>Dalam banyak pemakaian : </li></ul><ul><ul><li>substrate dih...
Efek dari  V SB  pada kanal dinyatakan dengan perubahan  V t V t0  = tegangan ambang untuk  V SB  = 0 φ f  = parameter fis...
<ul><li>Pengaruh suhu </li></ul><ul><ul><li>V t  dan  k’  sensitif terhadap suhu </li></ul></ul><ul><ul><li>V t  turun 2 m...
<ul><li>Breakdown oksida gate terjadi bila tegangan melebihi 30V.  </li></ul><ul><li>Breakdown ini menyebabkan kerusakan p...
Summary Transistor NMOS: Simbol <ul><li>Tegangan overdrive: </li></ul><ul><li>v OV  = v GS  – V t </li></ul><ul><li>v GS  ...
<ul><li>karakteristik  i – v   </li></ul><ul><li>Untuk  v DS  << 2(v GS  – V t )  ↔  v GS  << 2 v OV </li></ul><ul><li>Bek...
Model rangkaian ekivalen sinyal besar dimana Tegangan ambang:
Parameter proses: Konstanta: ε 0  = 8,854 x 10 -12  F/m ε OX  = 3,9  ε 0  =  3,45 x 10 -11  F/m ε S  = 11,7  ε 0  = 1,04 x...
Transistor PMOS Simbol: <ul><li>Tegangan overdrive: </li></ul><ul><li>v OV  = v GS  – V t </li></ul><ul><li>v SG  =|V t | ...
<ul><li>Bekerja di daerah jenuh: </li></ul><ul><li>Kondisi: </li></ul><ul><ul><li>v GS   ≤ V t   ↔  v OV  ≤ 0  ↔  v SG  ≥ ...
<ul><li>Contoh soal: </li></ul><ul><li>Sebuah MOSFET mempunyai  L min   = 0,4 μ m,  t OX  = 8 nm,  μ n  = 450 cm 2 /Vs dan...
Untuk bekerja di daerah jenuh: Untuk MOSFET di daerah trioda dengan  v DS  sangat kecil:
<ul><li>Rangkaian MOSFET pada DC </li></ul><ul><li>Contoh soal </li></ul>Rancanglah rangkaian seperti pada gambar di sampi...
Jawab: V D  = 0, 5 V >  V G   -> NMOS bekerja pada daerah jenuh. V GS  – V t  = V OV ;  I D   = 0,4 mA = 400  μ A;  μ n C ...
Rancang rangkaian seperti gambar 21 untuk mendapatkan arus  I D   = 80  μ A. Cari harga  R  dan tegangan DC  V D . Transis...
Jawab: V DG  = 0  ->V D  = V G  dan FET bekerja di daerah jenuh
Rancanglah rangkaian pada gambar 22 agar tegangan drain = 0,1V. Berapakah resistansi antara drain dan source pada titik ke...
Jawab: V D  = V G  – 4,9 V dan  V t  = 1 V -> MOSFET bekerja di daerah trioda. Jadi arus  I D  :
Analisa rangkaian pada gamabr 23(a) untuk  menentukan tegangan di semua node dan arus di semua cabang. Diketahui  V t  = 1...
Gambar 23 (b) Rangkaian dengan analisis terinci Jawab: Karena arus gate = 0, tegangan gate:
V G  > 0   -> transistor NMOS bekerja. Asumsikan transistor bekerja di daerah jenuh. V G   = 5 V V S  = I D   x  R S  =  I...
Rancang rangkaian seperti pada gambar 24 sehingga transistor bekerja di daerah jenuh dengan  I D  = 0,5 mA dan  V D  = +3 ...
I D  = 0,5 mA dan  k p ’W/L  = 1 mA/V 2  maka: V OV  = -1 V  (untuk  PMOS V t  negatif) V GS  = V t  + V OV  = - 1 – 1 = -...
Gambar 25. Rangkaian contoh soal
Transistor  NMOS  dan  PMOS  mempunyai kesesuaian dengan  k n ’(W/L) = k p ’(W/L)  = 1 mA/V 2 ,  V tn  = -V tp  = 1 V. Asu...
<ul><li>MOSFET sebagai Penguat dan Saklar </li></ul><ul><li>MOSFET sebagai penguat: </li></ul><ul><ul><li>Bekerja di daera...
<ul><li>Cara kerja Sinyal Besar – Karakteristik Transfer </li></ul>Gambar 26(a) Struktur dasar rangkaian penguat ‘common s...
Gambar 26(c) Karakteristik transfer penguat pada titik kerja Q
<ul><li>Penurunan karakteristik transfer secara grafis. </li></ul><ul><li>Pada rangkaian CS drain dihubungkan ke catu daya...
<ul><li>v I  < V t  -> v DS  = v GS  – V t  -> MOSFET memasuki daerah kerja trioda. Pada kurva ditunjukkan dengan titik B ...
<ul><li>MOSFET Bekerja Sebagai Saklar . </li></ul><ul><li>Jika MOSFET dipakai sebagai saklar, MOSFET bekerja pada titik-ti...
Faktor penguatan: Cara memilih titik kerja. V DSQ  harus lebih kecil dari  V DD   dan lebih besar dari  V OB  sehingga dap...
Gambar 27. Dua garis beban dan titik kerjanya. Titik  Q 1  terlalu dekat dengan  V DD , dan titik  Q 2  terlalu dekat deng...
<ul><li>Karakteristik transfer secara analisis. </li></ul><ul><li>Daerah cutoff, segmen XA: </li></ul><ul><li>v I   ≤ V t ...
Jadi penguatan tegangan sebanding dengan harga  R D ,  parameter transkonduktansi  k n ’ =  μ n C OX , ‘aspect ratio’  dar...
Untuk  v O  yang kecil, MOSFET bekerja sebagai resistansi  r DS   (yang harganya ditentukan oleh  v I ). Biasanya  r DS  <...
<ul><li>Contoh numerik: </li></ul><ul><li>Pada rangkaian pada gambar (a), k n ’(W/L) = 1 mA/V 2 , V t  = 1 V, R D  = 18 k ...
<ul><li>Kemudian beri .bias agar penguat bekerja pada titik kerja yang benar pada segmen daerah jenuh. Pada daerah ini v O...
Penguatan tegangan pada titik kerja ini: A V  = - 18 x 1 x (1,816 – 1) = -14,7 V/V Dipasangkan sinyal masukan gelombang se...
V GS  terletak antara 1,741 V dan 1,891 V. Arus  I D  pada : v GS  = 1,741  ->  i D = ½ x 1 x (1,741 – 1) 2  = 0,275 V v G...
Gambar 28 (b). Contoh soal
<ul><li>Bias pada rangkaian penguat. </li></ul><ul><li>Bias dengan menetapkan  V GS   </li></ul><ul><li>Cara yang paling m...
Gambar 29. Penggunaan fixed bias pada jenis divais yang sama.
Bias dengan menetapkan  V GS  dan menghubungkan sebuah resistansi pada source Gambar 30. Pemberian tegangan bias tetap, V ...
Gambar 30(a) menunjukkan salah satu cara pemberian bias untuk MOSFET diskrit yaitu dengan memberikan tegangan dc pada gate...
Contoh implementasi teknik ini: Gambar 30(c) Implementasi praktis dengan menggunakan satu catu daya (d) Penggunakan kapasi...
Rangkaian pada gambar 30(c) mendapatkan tegangan  V G  dari sebuah catu daya  V DD   melalui sebuah pembagian tegangan ( R...
Rangkaian pada gambar 30(e) adalah contoh pemakaian dua catu daya untuk memberikan bias pada MOSFET. Rangkaian ini adalah ...
<ul><li>Contoh soal: </li></ul><ul><li>Rancanglah rangkaian pada gambar 30(c) untuk mendapatkan arus drain dc  I D   = 0,5...
<ul><li>V GS  = V t  + V OV  = 1 + 1 = 2 V </li></ul><ul><li>V S   = 5 V  ->  V G  = V S  + V GS  = 5 + 2 = 7 V </li></ul>...
<ul><li>V D   = +10 V  -> simpangan maksimum sinyal positif +5V (sampai  V DD ) dan simpangan maksimum sinyal negatif -4 V...
<ul><li>Bias menggunakan resistor umpan balik drain-ke-gate </li></ul>Gambar 32. Bias menggunakan resistor umpan balik dra...
<ul><li>Bias menggunakan sumber arus yang konstan. </li></ul>Gambar 33 (a) Pemberian bias dengan menggunakan sumber arus t...
Gambar 33(b) Implementasi sumber arus konstan dengan ‘current mirror’. Intinya adalah transistor  Q 1  yang drain-nya dihu...
Arus drain  Q 1  dicatu oleh  V DD  melalui resistor  R . Arus melalui dianggap sebagai arus rujukann,  I REF . Dengan har...
Cara kerja dan model sinyal kecil Gambar 34. Konsep rangkaian yang digunakan untuk mempelajari cara kerja MOSFET sebagai p...
<ul><li>Titik bias DC </li></ul><ul><li>Arus bias dc  I D  diperoleh dengan men-set sinyal  v gs  = 0 </li></ul>Asumsikan ...
<ul><li>Suku pertama dari persamaan itu adalah arus bias dc,  I D . Suku kedua ada komponen arus yang sebanding dengan sin...
Gambar 35. Cara kerja sinyal kecil dari penguat MOSFET jenis enhancement g m  adalah koefisien arah dari karakteristik  i ...
Penguatan tegangan Komponen sinyal dari tegangan drain Pengutan tegangan: Tanda negatif menunjukkan bahwa  v d   berbeda f...
Gambar 36. Tegangan total  v GS   dan  v D  untuk rangkaian pada gambar 34 Agar MOSFET selalu bekerja di daerah jenuh: Har...
<ul><li>Pemisahan analisis DC dan analisis sinyal. </li></ul><ul><li>Untuk sinyal kecil, besaran sinyal ditumpangkan pada ...
<ul><li>Model rangkaian ekivalen sinyal kecil. </li></ul>Gambar 37(a). Model sinyal kecil untuk MOSFET dengan mengabaikan ...
<ul><li>Model rangkaian ekivalen sinyal kecil. </li></ul>Dilihat dari sisi sinyal, MOSFET berperan sebagai sumber arus yan...
V A  =  1 / λ Model rangkaian yang lebih akurat terlihat pada gambar 34(b). Catatan: g m  dan  r o  tergantung pada titik ...
<ul><li>Transkonduktansi  g m </li></ul>g m  sebanding dengan  k n ’= μ n C OX  dan perbandingan  W/L . Jadi untuk mendapa...
Contoh soal: Gambar 39 Contoh soal rangkaian penguat Gambar 39(a) menunjukkan sebuah penguat MOSFET CS yang mempunyai bias...
<ul><li>Jawab: </li></ul><ul><li>Tentukan titik kerja dc: </li></ul><ul><li>I D  = ½ x 0,25 (V GS  – 1,5) 2 </li></ul><ul>...
v o   ≈ - g m v gs  (R D //R L //r o ) v gs  = v i A v  = v o /v i  = - g m (R D //R L //r o )   = - 0,725(10//10//47) = -...
<ul><li>Harga maksimum amplitudo  v i  agar MOSFET bekerja di daerah jenuh: </li></ul><ul><li>v DS   ≥ v GS  – V t   </li>...
Model Rangkaian Ekivalen T Gambar 39 Model rangkaian pengganti T untuk MOSFET
<ul><li>Gambar 39(a): rangkaian ekivalen sinyal kecil tanpa  r o . </li></ul><ul><li>Gambar 39(b): ditambahkan sumber arus...
Gambar 40(a): jika ada  r o   di antara drain dan source. Gambar 40(b): model T alternatif dimana sumber arus yang dikenda...
Pemodelan ‘Body effect’ Pada MOSFET body effect terjadi bila substrate tidak dihubungkan dengan source. Untuk kanal  n ,su...
Gambar 41(b) adalah model sinyal kecil NMOS yang dipakai jika substrate tidak dihubungkan dengan source. Untuk PMOS, model...
<ul><li>Ringkasan </li></ul><ul><li>Model rangkaian pengganti sinyal kecil untuk MOSFET. </li></ul><ul><li>Transistor NMOS...
Model rangkaian pengganti sinyal kecil tanpa body effect (| V SB | = 0) Model rangkaian pengganti sinyal kecil tanpa body ...
<ul><li>Penguat MOSFET Satu Tingkat </li></ul><ul><li>Pada bagian ini yang akan dibahas adalah rangkaian penguat diskrit d...
Parameter Karakteristik Penguat Rangkaian: <ul><li>Definisi: </li></ul><ul><li>Resistansi masukan tanpa beban  </li></ul><...
<ul><li>Penguatan tegangan hubung terbuka: </li></ul><ul><li>Penguatan tegangan: </li></ul><ul><li>Penguatan arus hubung s...
<ul><li>Resistansi keluaran dari penguat </li></ul><ul><li>Resistansi keluaran </li></ul>
<ul><li>Penguatan tegangan hubung terbuka menyeluruh </li></ul><ul><li>Penguatan tegangan menyeluruh </li></ul>Rangkaian p...
B C
Persamaan:
<ul><li>Contoh soal: </li></ul><ul><li>Sebuah penguat transistor dicatu dengan sebuah sumber sinyal yang mempunyai teganga...
Jika  R L   = 10 k Ω  dihubungkan dengan keluaran penguat:
Dari rangkaian pengganti A:  Dari rangkaian pengganti A:
<ul><li>Penguat Common-Source (CS) </li></ul>Gambar 43. Rangkaian penguat ‘common source’ Sinyal yang akan diperkuat adala...
<ul><li>C s  adalah kapasitor bypass yang fungsinya untuk mem-bypass resistansi keluaran dari sumber arus  I.  Kapasitor i...
Gambar 43(b). Rangkaian ekivalen penguat untuk analisis sinyal kecil Penguat ini bersifat unilateral. Oleh karena itu  R i...
Penguatan menyeluruh dari sumber sinyal sampai beban: Untuk menentukan resistansi keluaran penguat,  v sig  di-set = 0. Ja...
Gambar 43(c) Model sinyal kecil MOSFET yang diterapkan langsung pada rangkaian yang memakai simbol MOSFET.
<ul><li>Penguat Common-Source dengan Resistansi Source </li></ul>Gambar 44(a) Penguat ‘common source’ dengan resistansi R ...
Gambar 44(b): Transistor diganti dengan rangkaian pengganti model T Untuk rangkaian yang mempunyai resistansi yang terhubu...
<ul><li>Keuntungan menggunakan  R S  : </li></ul><ul><li>Harga  R S   dapat digunakan untuk mengendalikan besaran sinyal  ...
R S  mengurangi penguatan tegangan dengan faktor (1+ g m R D )  -> ‘source degeneration resistance’ Penguatan dari gate ke...
Penguat Common-Gate Gambar 45 (a) Rangkaian penguat ‘common gate’
<ul><li>Pada penguat Common-Gate (CG) gate dihubungkan ke ground. Sinyal masukan dipasangkan di source dan sinyal keluaran...
Gambar 45(b) Rangkaian ekivalen sinyal kecil untuk rangkaian pada gambar 45(a) Karena rangkaian adalah unilateral:  R in  ...
Untuk menjaga agar kehilangan kekuatan sinyal tetap kecil, resistansi sinyal,  R sig   harus kecil.
<ul><li>Penguat CG: non iverting </li></ul><ul><li>Resistansi masukan CG rendah </li></ul><ul><li>Penguatan tegangan pengu...
R sig   >> 1/ g m , jadi  Gambar 45(c). Penguat common gate dicatu dengan sinyal masukan
<ul><li>Rangkaian mempunyai resistansi masukan yang relatif kecil,  g m , ke sumber arus sinyal masukan, sehingga menghasi...
<ul><li>Penguat Common-Drain atau Source-Follower </li></ul><ul><li>Input: antara gate dan drain </li></ul><ul><li>Output:...
Karena  R L  terhubung seri dengan terminal source, maka rangkaian pengganti model T yang digunakan, seperti yang terlihat...
Biasanya  r o   >> 1/ g m , sehingga penguatan tegangan hubung terbuka dari gate ke source,  A vo , hampir sama dengan sat...
Penguatan tegangan menyeluruh: G v  mendekati satu untuk  R G >>R sig ,  r o >> 1/ g m  dan  r o >>R L Gambar 46(c) analis...
Gambar 46(d) Rangkaian untuk menentukan resistansi keluaran  R out
<ul><li>Walaupun source-follower mempunyai umpan balik dalam yang besar,  R in  tidak tergantung dari  R L   ( R i  = R in...
Ringkasan dan Perbandingan Karakteristik Penguat DIskrit MOS Satu Tingkat Common Source
Common Source dengan Resistansi Source r o  diabaikan:
Common Gate r o  diabaikan:
Common-Drain atau Source Follower
<ul><li>Kesimpulan: </li></ul><ul><ul><li>Konfigurasi CS adalah  konfigurasi yang terbaik untuk mendapatkan penguatan yang...
CMOS Digital Logic Inverter Gambar 47 Inverter CMOS Inverter CMOS terdiri dari 2 jenis MOSFET enchancement yang ‘matched’,...
Cara Kerja Rangkaian <ul><li>Gambar 48 Cara kerja inverter CMOS jika  v i  tinggi </li></ul><ul><li>Rangkaian dengan  v i ...
Gambar 48 menunjukkan keadaan ketika  v i  = V DD , terlihat kurva karakteristik untuk  Q N  dengan  v GSN  = V DD  ( i D ...
<ul><li>Gambar 49 Cara kerja inverter CMOS jika  v i  rendah </li></ul><ul><li>Rangkaian dengan  v i  = 0 V (level logika ...
Gambar 49 menunjukkan keadaan ketika  v i  = 0 V. Karakteristik  i D  – v DS  nya hampir merupakan garis lurus horizontal ...
Kesimpulan: 1.Tegangan keluaran adalah 0 dan  V DD , jadi simpangan sinyal maksimum  -> noise margin yang lebar. 2. Disipa...
The Voltage Transfer Characteristic Untuk  Q N Untuk  Q P Inverter CMOS biasanya dirancang untuk mempunyai  V tn  = | V tp...
Catatan:  μ p  = 0,3 – 0,5  μ n , jadi untuk membuat  k’(W/L)  kedua divais sama, maka lebar divais kanal –p dibuat dua at...
Gambar 50. Voltage Transfer Characteristic dari Inverter CMOS
Selain  V OL  dan  V OH , ada dua titik lagi pada kurva yang menentukan ‘noise margin’ dari inverter, yaitu,  V IL  dan  V...
Noise margin dapat ditentukan sebagai berikut: Jadi, VTC yang simetris menghasilkan noise margin yang sama.  Jika  Q N   d...
Operasi dinamik Kecepatan operasi sebuah sistem digital ditentukan oleh waktu tunda propagasi dari gerbang logika yang dig...
(c) Trayektori dari titik kerja bila input menuju level tinggi dan kapasitor dikosongkan (discharge) melalui  Q N (d) Rang...
Gambar 51(c) menunjukkan trayektori titik kerja pada saat pulsa masukan naik dari  V OL = 0 V ke  V OH  = V DD  pada waktu...
Bagian selang pengosongan ini dapat dinyatakan sebagai: Ganti  i DN  dengan persamaan sebelumnya dan susun kembali persama...
Jadi: Jumlahkan kedua komponen  t PHL , maka diperoleh: Biasanya V t   ≈ 0,2 V DD . maka Dengan cara yang sama akan dipero...
<ul><li>Untuk mendapatkan waktu tunda propagasi yang rendah, yang berarti kecepatan operasi yang lebih tinggi: </li></ul><...
Pada saat inverter CMOS berpindah posisi, arus mengalir melalui hubungan seri  Q N   dan  Q P . Gambar 52 menunjukkan arus...
Q  = muatan yang disuplai ke kapasitor. Q = CV DD Jadi energi yang diambil dari catu daya sama dengan  CV DD 2 . Pada akhi...
DP = P D t p   [joule] DP  biasanya konstan untuk rangkaian digital dengan teknologi tertentu dan dapat dipakai untuk memb...
<ul><li>Ringkasan karakteristik penting dari sebuah inverter logika CMOS </li></ul><ul><li>Resistansi keluaran gerbang </l...
Arus perpindahan dan daya disipasi Noise margin Untuk divais yang ‘matched’, yaitu Waktu tunda propagasi Untuk  V t   ≈ 0,...
MOSFET Jenis ‘Depletion’ Gambar 53(a):Lambang MOSFET jenis ‘depletion’ Gambar 53(b) Lambang MOSFET jenis ‘depletion’ denga...
<ul><li>MOSFET Jenis Depletion’ </li></ul><ul><li>MOSFET jenis depletion mempunyai struktur yang mirip dengan jenis ‘encha...
MOSFET jenis ‘depletion’ dapat bekerja dalam mode ‘enchancement’ dengan memasangkan tegangan v GS  positif dan dalam mode ...
Gambar 54(b) karakteristik  i D  – v DS
<ul><li>Gambar 54(c)  i D  – v DS  pada keadaan jenuh baik dalam mode kerja ‘depletion’ dan ‘enchancement’. </li></ul><ul>...
Gambar 54(c) menunjukkan karakteristik i D  – v DS  pada keadaan jenuh baik dalam mode kerja ‘depletion’ dan ‘enchancement...
Gambar 55 Level tegangan relatif pada terminal transistor NMOS jenis depletion
Gambar 56. Sketsa karakteristik i D  – v DS  untuk transistor MOSFET jenis depletion dan enhancement
Upcoming SlideShare
Loading in …5
×

Mosfet

9,392 views

Published on

Mosfet

  1. 1. MOSFET <ul><li>Struktur dan operasi fisik dari MOSFET jenis ‘enhancement’ </li></ul>Gambar 1. Struktrur fisik transistor NMOS jenis enhancement
  2. 2. <ul><li>Cara kerja tanpa tegangan ‘gate’ </li></ul><ul><li>Tanpa tegangan gate akan ada 2 dioda yang diserikan secara ‘back-to-back’ antara source dan drain. Kedua dioda ini akan mencegah adanya arus dari drain ke source jika v DS dipasang. Resistansi pada jalur antara drain dan source sangat tinggi (pada orde 10 12 Ω ). </li></ul><ul><li>Membuat kanal untuk aliran arus. </li></ul>Gambar 2. Transistor NMOS jenis enhancement dengan tegangan positif pada gate
  3. 3. <ul><li>Pemasangan tegangan v DS yang kecil. </li></ul>Gambar 3. Transistor NMOS dengan v GS > V t dengan tegangan v DS terpasang Konduktansi kanal sebanding dengan v GS – v t Arus i D sebanding dengan v GS – v t .
  4. 4. Gambar 4. Karakteristik i D – v DS dari MOSFET MOSFET bekerja seperti resistansi linier yang dikendalikan oleh v GS. Untuk v GS ≤ V t , resistansinya tidak terhingga, dan harganya menurun jika v GS melebihi V t . Jadi, agar MOSFET terkonduksi harus ada kanal induksi. Dengan bertambahnya v GS melebihi V t meningkatkan kemampuan kanal, oleh karena itu MOSFET jenis ini disebut MOSFET ‘enchancement-type’. Arus yang meninggalkan source ( i s ) sama dengan arus yang memasuki drain ( i D ), jadi arus gate i G = 0
  5. 5. <ul><li>Operasi bila v DS dinaikkan. </li></ul>Gambar 5. Cara kerja transistor NMOS jenis enhancement dengan meningkatnya v DS
  6. 6. Gambar 6. Hubungan i D dengan v DS pada transistor NMOS jenis enhancement yang beroperasi dengan v GS > V t v DSsat = v GS - V t
  7. 7. Gambar 7. Kenaikan v DS penyebabkan kanal menyempit
  8. 8. <ul><li>Perhatikan gambar dan sebuah ‘strip’ pada gate yang berjarak x dari source. Kapasitansi strip ini: C ox Wdx. Untuk mendapatkan muatan pada strip ini, kalikan kapasitansinya dengan tegangan efektif antara gate dan kanal pada titik x yaitu: [v GS – v(x) – V t ]; v(x) adalah tegangan pada kanal di titik x. </li></ul><ul><li>dq = - C ox (W dx)[v GS – v(x) – V t ] </li></ul><ul><li>Tegangan v DS menghasilkan medan listrik sepanjang kanal. Medan listrik pada titik x: </li></ul>Medan listrik E(x) menyebabkan muatan elektron dq bergerak ke arah drain dengan kecepatan:
  9. 9. Hubungan i D - v DS Gambar 8. Penurunan karakterisitk i D – v DS pada transistor NMOS
  10. 10. Walaupun dievaluasi pada titik tertentu, arus i harus konstan pada semua titik di sepanjang kanal. i harus sama dengan arus dari source ke drain dan berlawan arah dengan arus dari drain ke source (i D ) Harga arus pada ujung daerah trioda atau permulaan daerah jenuh dapat diperoleh dengan menggantikan v DS =v GS – V t µ n C ox disebut parameter transkonduktansi proses. Dituliskan sebagai k n ’ dan mempunyai dimensi A/V 2 k n ’ = µ n C ox
  11. 11. Jadi arus drain sebanding dengan perbandingan lebar kanal dan panjang kanal, yang disebut ‘ aspect ratio ’ dari MOSFET MOSFET kanal-p MOSFET kanal- p jenis ’ enchancement ’ (PMOS), dibuat pada substrate jenis n dengan daerah p + pada drain dan source. Cara kerjanya sama dengan NMOS hanya saja v GS , v DS dan V t negatif.
  12. 12. Complementary MOS atau CMOS Gambar 9. Rangkaian terintegrasi CMOS Pada teknologi CMOS, transistor NMOS diimplementasiikan langsung pada substrate jenis p , sedangkan transistor PMOS dibuat pada n-well . Kedua divais diisolasi satu dengan lainnya dengan oksida yang tebal sebagai insulator.
  13. 13. <ul><li>Karakteristik arus dan tegangan. </li></ul><ul><li>Lambang rangkaian </li></ul>Gambar 10. Lambang MOSFET kanal n jenis enhancement Pada FET kanal n : drain selalu positif dibandingkan dengan source
  14. 14. Gambar 11(b) Karakteristik i D – v DS untuk divais dengan k n ’ (W/L) = 1.0mA/v 2 Gambar 11(a) MOSFET kanal n jenis enhancement
  15. 15. <ul><li>Kurva karakteristik menunjukkan 3 daerah kerja: </li></ul><ul><ul><li>daerah ‘cutoff’ </li></ul></ul><ul><ul><li>daerah trioda </li></ul></ul><ul><ul><li>daerah jenuh. </li></ul></ul><ul><li>Daerah jenuh dipakai bila FET bekerja sebagai penguat. </li></ul><ul><li>Daerah cutoff dan trioda digunakan bila FET bekerja sebagai saklar. </li></ul><ul><li>FET pada daerah cutoff jika: v GS < V t </li></ul><ul><li>Pada daerah trioda: </li></ul><ul><ul><li>v GS ≥ V t (induced channel) </li></ul></ul><ul><ul><li>v GD > V t (continuous channel) </li></ul></ul><ul><ul><li>v GD = v GS – v DS </li></ul></ul><ul><ul><li>v GS – v DS > V t </li></ul></ul><ul><ul><li>v DS < v GD – V t (continuous channel) </li></ul></ul><ul><li>Jadi MOSFET kanal –n jenis ‘enchancement’ berkerja di daerah trioda jika v GS lebih besar dari V t dan tegangan pada drain lebih rendah dari tegangan gate minimal sebesar V t volt </li></ul>
  16. 16. Jika v DS cukup kecil, v DS 2 dapat diabaikan. r DS adalah resistansi linier yang dikendalikan oleh v GS . Jika v GS = V GS , maka V OV : gate-to-source overdrive volltage
  17. 17. Batas antara daerah trioda dan daerah jenuh: v DS = v GS – V t Arus i D pada keadaan jenuh Pada keadaan jenuh: arus i D tidak tergantung dari tegangan drain, v DS arus i D ditentukan oleh tegangan gate, v GS MOSFET menjadi sebuah sumber arus ideal yang harganya dikendalikan oleh v GS Catatan: ini adalah model rangkaian ekivalen sinyal besar Pada batas antara daerah trioda dan daerah jenuh: MOSFET bekerja di daerah jenuh jika: v GS ≥ V t (induced channel) v GD ≤ V t (pinched-off channel) v DS ≥ v GS – V t (pinched-off channel) Jadi MOSFET kanal –n jenis ‘ enhancement ’ bekerja pada daerah jenuh jika v GS lebih besar dari V t dan tegangan drain tidak lebih kecil dari tegangan gate melebihi V t volt
  18. 18. Gambar 12. karakteristik i D - v GS transistor NMOS jenis enhancement pada keadaan jenuh (V t = 1 V dan k n ’(W/L) = 1,0 mA/v 2
  19. 19. Gambar 13. Rangkaian ekivalen model sinyal besar dari NMOS pada daerah jenuh
  20. 20. Gambar 14. Level relatif tegangan terminal transistor NMOS yang beroperasi pada daerah trioda dan daerah jenuh.
  21. 21. Resistansi keluaran pada keadaan jenuh Gambar 15. Kenaikan v DS melebihi v DSsat yang menyebabkan titik ‘pinch-off’ sedikit menjauh dari drain v DS naik melebihi v DSsat , titik ‘pinched-off’ dari kanal bergeser menjauhi drain menuju source, sehingga ada daerah ‘depletion’ antara drain dan ujung kanal. Akibatnya panjang kanal akan berkurang. Keadaan ini disebut ‘channel-length modulation’ Karena i D berbanding terbalik dengan panjang kanal, maka i D naik dengan naiknya v DS . Untuk menghitung ketergantungan i D pada v DS pada keadaan jenuh, ganti L dengan (L – Δ L)
  22. 22. Diasumsikan ( Δ L/L) << 1 Jika Δ L sebanding dengan v DS : Δ L = λ ’v DS λ ’ parameter teknologi proses dengan dimensi µm/V
  23. 23. Gambar 15. Efek v DS pada i D pada daerah jenuh Ektrapolasi garis lurus pada kurva karakteristik i D – v DS akan memotong sumbu v DS pada titik v DS = - 1/ λ ≡ -V A . v A = 1/ λ Untuk suatu proses tertentu, V A sebanding dengan panjang kanal L. V A = V A ’L V A ’ = 5 – 50 V/µm
  24. 24. Gambar 17. Model rangkaian sinyal besar dari MOSFET kanal -n pada keadaan jenuh dengan adanya resistansi r o Catatan: divais dengan kanal yang lebih pendek lebih terpengaruh dengan efek ‘channel-length modulation’.
  25. 25. ‘ Channel-length modulation’ menyebabkan adanya resistansi keluaran (tidak ∞), r o Dimana I D adalah arus drain tanpa memperhitungkan ‘channel-length modulation’ Resistansi keluaran berbanding terbalik dengan arus bias dc, I D
  26. 26. <ul><li>Karakteristik MOSFET kanal p </li></ul>Gambar 18. MOSFET kanal p jenis enhancement
  27. 27. <ul><li>Untuk menginduksi sebuah kanal harus dipasang tegangan pada gate lebih kecil dari V t . </li></ul><ul><li>v GS ≤ V t (induced channel) </li></ul><ul><li>v SG ≥ |V t | </li></ul><ul><li>Untuk bekerja di daerah trioda: </li></ul><ul><li>v DS ≥ v GS – V t (continuous channel) </li></ul>v GS , V t dan v DS negatif µ p = 0,25 – 0,5 µ n Untuk bekerja di daerah jenuh: v DS ≤ v GS – V t (pinched-off channel) v GS , V t , λ dan v DS negatif
  28. 28. Agar transistor PMOS bekerja, tegangan gate harus dibuat lebih rendah dari tegangan source sedikitnya sebesar |V t |. Untuk bekerja di daerah trioda, tegangan drain harus lebih besar dari tegangan gate minimal sebesar |V t |, jika tidak, PMOS bekerja di daerah jenuh. Gambar 19. Level relatif tegangan terminal transistor PMOS yang beroperasi pada daerah trioda dan daerah jenuh.
  29. 29. <ul><li>Peranan substrate – the body effect </li></ul><ul><li>Dalam banyak pemakaian : </li></ul><ul><ul><li>substrate dihubungkan dengan source </li></ul></ul><ul><ul><li>pn junction antara substrate dan gate selalu ‘off’. </li></ul></ul><ul><li>Pada keadaan ini substrate tidak berperan dalam kerja rangkaian. </li></ul><ul><li>Pada IC, banyak MOS menggunakan substrate yang sama. Agar junction antara substrate dan gate selalu ‘off’: </li></ul><ul><ul><li>Substrate dihubungkan ke tegangan yang paling negatif untuk rangkaian NMOS </li></ul></ul><ul><ul><li>Substrate dihubungkan ke tegangan yang paling positif untuk rangkaian PMOS </li></ul></ul><ul><li>Akibatnya tegangan reverse-bias antara source dan body ( V SB pada divais kanal n) akan mempengaruhi kerja divais. </li></ul><ul><li>Reverse bias ini akan: </li></ul><ul><ul><li>Memperlebar daerah ‘depletion’ </li></ul></ul><ul><ul><li>Mengurangi kedalaman kanal </li></ul></ul><ul><li>Agar kedalaman kanal tetap sama, v GS harus dinaikkan. </li></ul>
  30. 30. Efek dari V SB pada kanal dinyatakan dengan perubahan V t V t0 = tegangan ambang untuk V SB = 0 φ f = parameter fisik; biasanya 2 φ f = 0,6 V γ = parameter proses pembuatan q = 1,6 x 10 -19 C N A = konsentrasi doping ε S = permitivitas silikon = 11,7 ε 0 = 11,7 x 8,854 x 10 -12
  31. 31. <ul><li>Pengaruh suhu </li></ul><ul><ul><li>V t dan k’ sensitif terhadap suhu </li></ul></ul><ul><ul><li>V t turun 2 mV/ °C </li></ul></ul><ul><ul><li>i D berkurang dengan naiknya suhu </li></ul></ul><ul><li>Breakdown dan proteksi input </li></ul><ul><li>Breakdown terjadi jika tegangan drain naik mencapai harga dimana pn junction antara drain dan substrate mengalami breakdown avalanche. </li></ul><ul><li>Akibatnya akan ada peningkatan arus. </li></ul><ul><li>Keadaan ini terjadi pada tegangan 20 – 150 V. </li></ul><ul><li>Punch-through adalah efek lain dari breakdown. </li></ul><ul><li>Terjadi pada tegangan yang lebih rendah (20V). </li></ul><ul><li>Terjadi pada divais yang mempunyai kanal pendek yaitu pada saat tegangan drain naik ke suatu titik di mana daerah depletion sekitar drain melewati kanal dan mencapai source. </li></ul><ul><li>Arus drain akan naik dengan cepat. </li></ul><ul><li>Punch-through tidak menyebabkan kerusakan yang permanen. </li></ul>
  32. 32. <ul><li>Breakdown oksida gate terjadi bila tegangan melebihi 30V. </li></ul><ul><li>Breakdown ini menyebabkan kerusakan permanen pada divais </li></ul><ul><li>Penyebabnya adanya akumulasi muatan statik pada kapasitor gate yang dapat melebihi tegangan breakdown-nya. </li></ul><ul><li>Untuk mencegah akumulasi muatan statik pada kapasitor gate, dipasang alat proteksi pada terminal masukan dari IC MOS yang terdiri dari rangkaian dioda penjepit (clamping diodes) </li></ul>
  33. 33. Summary Transistor NMOS: Simbol <ul><li>Tegangan overdrive: </li></ul><ul><li>v OV = v GS – V t </li></ul><ul><li>v GS =V t + v OV </li></ul><ul><li>Bekerja di daerah trioda: </li></ul><ul><li>Kondisi: </li></ul><ul><ul><li>v GS ≥ V t ↔ v OV ≥ 0 </li></ul></ul><ul><ul><li>v GD ≥ V t ↔ V DS ≤ v GS – V t ↔ v DS ≤ v OV </li></ul></ul>
  34. 34. <ul><li>karakteristik i – v </li></ul><ul><li>Untuk v DS << 2(v GS – V t ) ↔ v GS << 2 v OV </li></ul><ul><li>Bekerja di daerah jenuh: </li></ul><ul><li>Kondisi: </li></ul><ul><ul><li>v GS ≥ V t ↔ v OV ≥ 0 </li></ul></ul><ul><ul><li>v GD ≤ V t ↔ v DS ≥ v GS – V t ↔ v DS ≥ v OV </li></ul></ul><ul><li>Karakteristik i – v </li></ul>
  35. 35. Model rangkaian ekivalen sinyal besar dimana Tegangan ambang:
  36. 36. Parameter proses: Konstanta: ε 0 = 8,854 x 10 -12 F/m ε OX = 3,9 ε 0 = 3,45 x 10 -11 F/m ε S = 11,7 ε 0 = 1,04 x 10 -10 F/m q = 1,602 x 10 -19 C
  37. 37. Transistor PMOS Simbol: <ul><li>Tegangan overdrive: </li></ul><ul><li>v OV = v GS – V t </li></ul><ul><li>v SG =|V t | + |v OV | </li></ul><ul><li>Bekerja di daerah trioda: </li></ul><ul><li>Kondisi: </li></ul><ul><ul><li>v GS ≤ V t ↔ v OV ≤ 0 ↔ v SC ≥ |V t | </li></ul></ul><ul><ul><li>v GD ≥ |V t | ↔ V DS ≥ v GS – V t ↔ v SD ≤ |v OV | </li></ul></ul>
  38. 38. <ul><li>Bekerja di daerah jenuh: </li></ul><ul><li>Kondisi: </li></ul><ul><ul><li>v GS ≤ V t ↔ v OV ≤ 0 ↔ v SG ≥ |V t | </li></ul></ul><ul><ul><li>v DG ≤ |V t | ↔ v DS ≥ v GS – V t ↔ v DS ≥ |v OV | </li></ul></ul><ul><li>Karakteristik i – v </li></ul><ul><li>Mempunyai hubungan yang sama seperti pada transistor NMOS kecuali: </li></ul><ul><ul><li>µ n , k n ’ dan N A diganti dengan µ p , k p ’ dan N D </li></ul></ul><ul><ul><li>V t , V t0 , V A , λ dan γ bernilai negatif </li></ul></ul><ul><li>Model rangkaian ekivalen sinyal besar </li></ul>
  39. 39. <ul><li>Contoh soal: </li></ul><ul><li>Sebuah MOSFET mempunyai L min = 0,4 μ m, t OX = 8 nm, μ n = 450 cm 2 /Vs dan V t = 0,7 V. </li></ul><ul><li>Carilah C OX dan k’ n . </li></ul><ul><li>Untuk MOSFET dengan W/L = 8 μ m/0,8 μ m, hitunglah harga V GS dan V DSmin yang diperlukan agar transistor bekerja di daerah jenuh dengan arus dc I D = 100 μ A </li></ul><ul><li>Untuk MOSFET pada (b), carilah harga V GS yang diperlukan agar MOSFET bekerja sebagai resistor 1000 Ω untuk v DS yang sangat kecil </li></ul><ul><li>Jawab: </li></ul><ul><li>a. </li></ul>
  40. 40. Untuk bekerja di daerah jenuh: Untuk MOSFET di daerah trioda dengan v DS sangat kecil:
  41. 41. <ul><li>Rangkaian MOSFET pada DC </li></ul><ul><li>Contoh soal </li></ul>Rancanglah rangkaian seperti pada gambar di samping ini sehingga transistor bekerja pada I D = 0,4 mA dan V D = +0,5 V. Transistor NMOS mempunyai V t = 0,7 V, μ n C OX = 100 μ A/V 2 , L = 1 μ m dan W = 32 μ m. Abaikan pengaruh channel-length modulation ( λ = 0) Gambar 20. Contoh soal
  42. 42. Jawab: V D = 0, 5 V > V G -> NMOS bekerja pada daerah jenuh. V GS – V t = V OV ; I D = 0,4 mA = 400 μ A; μ n C OX = 100 μ A/V 2 dan W/L = 32/1 V OV = 0,5V V GS = V t + V OV = 0,7 + 0,5 = 1,2 V V G = 0 -> V S = - 1,2 V Untuk mendapatkan V D = +0,5 V:
  43. 43. Rancang rangkaian seperti gambar 21 untuk mendapatkan arus I D = 80 μ A. Cari harga R dan tegangan DC V D . Transistor NMOS mempunyai V t = 0,6 V, μ n C OX = 200 μ A/V 2 , L = 0,8 μ m dan W = 4 μ . (asumsikan λ =0) Gambar 21. Contoh soal
  44. 44. Jawab: V DG = 0 ->V D = V G dan FET bekerja di daerah jenuh
  45. 45. Rancanglah rangkaian pada gambar 22 agar tegangan drain = 0,1V. Berapakah resistansi antara drain dan source pada titik kerja ini ? V t = 1 V dan k n ’(W/L) = 1 mA/V 2 . Gambar 22. Contoh soal
  46. 46. Jawab: V D = V G – 4,9 V dan V t = 1 V -> MOSFET bekerja di daerah trioda. Jadi arus I D :
  47. 47. Analisa rangkaian pada gamabr 23(a) untuk menentukan tegangan di semua node dan arus di semua cabang. Diketahui V t = 1 V dan k n ’(W/L) = 1 mA/V 2 . (asumsikan λ = 0) Gambar 23. Rangkaian contoh soal
  48. 48. Gambar 23 (b) Rangkaian dengan analisis terinci Jawab: Karena arus gate = 0, tegangan gate:
  49. 49. V G > 0 -> transistor NMOS bekerja. Asumsikan transistor bekerja di daerah jenuh. V G = 5 V V S = I D x R S = I D (mA) x 6 k Ω = 6 I D V GS = V G – V S = 5 – 6 I D Karena V D > V G – V t , transistor bekerja di daerah jenuh
  50. 50. Rancang rangkaian seperti pada gambar 24 sehingga transistor bekerja di daerah jenuh dengan I D = 0,5 mA dan V D = +3 V. Transistor PMOS jenis ‘enchancement’ mempunyai V t = -1 V dan k p ’(W/L) = 1 mA/V 2 . Asumsikan λ = 0. Berapa harga terbesar R O agar tetap bekerja di daerah jenuh? Gambar 24 Contoh soal
  51. 51. I D = 0,5 mA dan k p ’W/L = 1 mA/V 2 maka: V OV = -1 V (untuk PMOS V t negatif) V GS = V t + V OV = - 1 – 1 = - 2 V V S =+5 V -> V G = +3 V V G = +3 V dapat diperoleh dengan memilih harga R G1 dan R G2 . Salah satu kemungkinan R G1 = 2 M Ω dan R G2 = 3 M Ω Bekerja pada mode jenuh: V D harus lebih besar dari V G sebanyak |V t | V Dmax = 3 + 1 = 4 V R D = 4/0,5 = 8 k Ω Jawab: MOSFET bekerja di daerah jenuh:
  52. 52. Gambar 25. Rangkaian contoh soal
  53. 53. Transistor NMOS dan PMOS mempunyai kesesuaian dengan k n ’(W/L) = k p ’(W/L) = 1 mA/V 2 , V tn = -V tp = 1 V. Asumsikan λ = 0 untuk kedua transistor. Carilah arus drain i DN dan i DP dan v O untuk v I = 0 V, +2,5V dan -2,5V Jawab: Gambar (b) menunjukkan bila v I = 0V. Kedua transistor ‘ matched ’ dan bekerja pada |V GS | = 2,5V -> v O = 0V Jadi Q N dan Q P bekerja dengan |V GD | = 0 V -> bekerja pada daerah jenuh. I DN = I DP = ½ x 1 x (2,5 – 1) 2 = 1,125 mA Gambar (c) menunjukkan bila v I = 2,5V. Transistor Q P mempunyai V GS = 0 V -> ‘cutoff’ -> v O negatif -> V GD > V t -> bekerja pada daerah trioda. I DN = k n ’ (W n /L n )(V GS – V t )V DS = 1[(2,5 – (-2,5) – 1][v O – (-2,5)] I DN (mA) = (0 – v O )/10 (k Ω ) I DN = 0,244 mA ; v O = -2,44 V V DS = -2,44 – (-2,5) = 0,06 V Gambar (d) menunjukkan bila v I = -2,5 V. Kasus ini kebalikan dari kasus gambar (c). Transistor Q N akan ‘cutoff’ -> I DN = 0. Q P bekerja pada daerah trioda dengan I DP = 2,44 mA dan v O =+2,44 V
  54. 54. <ul><li>MOSFET sebagai Penguat dan Saklar </li></ul><ul><li>MOSFET sebagai penguat: </li></ul><ul><ul><li>Bekerja di daerah jenuh </li></ul></ul><ul><ul><li>Berperan sebagai sumber arus yang dikendalikan oleh tegangan (VCCS). Perubahan pada tegangan v GS akan mengubah arus drain i D . </li></ul></ul><ul><li>MOSFET yang bekerja di daerah jenuh dapat dipakai untuk membuat penguat transkonduktansi (transconductance amplifier). </li></ul><ul><li>Yang diinginkan penguat linier; jadi harus ada ‘bias dc’ agar MOSFET bekerja pada V GS dan I D tertentu, kemudian ditumpangkan tegangan v gs yang akan diperkuat pada tegangan dc V GS . Dengan menjaga v gs kecil arus drain, i d dapat dibuat sebanding dengan v gs </li></ul>
  55. 55. <ul><li>Cara kerja Sinyal Besar – Karakteristik Transfer </li></ul>Gambar 26(a) Struktur dasar rangkaian penguat ‘common source’ (b) Grafik yang digunakan untuk menentukan karakteristik transfer penguat pada gambar (a)
  56. 56. Gambar 26(c) Karakteristik transfer penguat pada titik kerja Q
  57. 57. <ul><li>Penurunan karakteristik transfer secara grafis. </li></ul><ul><li>Pada rangkaian CS drain dihubungkan ke catu daya V DD melalui R D , sehingga diperoleh hubungan i D dan v DS sebagiai berikut: </li></ul>Secara kuantitatif,rangkaian bekerja sebagai berikut: v I = v GS . Untuk v I < V t -> transistor ‘cutoff’, i D = 0, v O = v DS = V DD . Transistor bekerja pada titik A. v I > V t -> transistor ‘on’, i D meningkat, v O menurun. Karena v O bermula dengan harga yang tinggi, transistor bekerja dalam keadaan jenuh. Keadaan ini ditunjukkan oleh garis beban antara titik A dan B. Untuk titik Q tertentu, V IQ =V GS dan V OQ = V DSQ serta arus = I DQ .
  58. 58. <ul><li>v I < V t -> v DS = v GS – V t -> MOSFET memasuki daerah kerja trioda. Pada kurva ditunjukkan dengan titik B yang memotong garis beban dengan kurva garis terputus yang mendefinisikan batas antara daerah jenuh dan daerah trioda. Ttitk B didefinisikan sebagai: </li></ul><ul><li>V OB = V IB – V t </li></ul><ul><li>Untuk v I > V IB , transistor makin masuk ke daerah trioda. </li></ul><ul><li>Pada titik C, v I = V DD , v OC biasanya kecil sekali. </li></ul><ul><li>Titik-titik pada kurva hubungan i D – v DS di gambar 26(b) menghasilkan kurva transfer pada gambar 26(c) </li></ul>
  59. 59. <ul><li>MOSFET Bekerja Sebagai Saklar . </li></ul><ul><li>Jika MOSFET dipakai sebagai saklar, MOSFET bekerja pada titik-titik ekstrim dari kurva transfer. </li></ul><ul><li>MOSFET off bila v I < V t -> bekerja pada titiik antara X dan A dengan v O = V DD . </li></ul><ul><li>Saklar ‘on’ dengan v I mendekati V DD -> bekerja mendekati titik C dengan v O sangat kecil. </li></ul><ul><li>Jadi CS MOS dapat digunakan sebagai inverter logik dengan level tegangan ‘low’ mendekati o dan’high’ mendekati V DD . </li></ul><ul><li>MOSFET Bekerja Sebagai Penguat Linier </li></ul><ul><li>MOSFET sebagai penguat -> bekerja di daerah jenuh. </li></ul><ul><li>MOSFET diberi bias dc pada titik di tengah-tengah kurva. Titik ini disebut titik kerja atau quiescent point. </li></ul><ul><li>Sinyal tegangan yang akan diperkuat, ditumpangkan pada tegangan dc V IQ . (lihat gambar 26(c)). </li></ul><ul><li>Syarat linier: </li></ul><ul><li>v i harus dijaga tetap kecil </li></ul>
  60. 60. Faktor penguatan: Cara memilih titik kerja. V DSQ harus lebih kecil dari V DD dan lebih besar dari V OB sehingga dapat mengakomodasi harga simpangan maksimum dan simpangan minimum dari tegangan keluaran. Jika V DSQ terlalu dekat dengan V DD , harga simpangan maksimum sinyal keluaran akan ‘terpotong’ (clipped off). Pada keadaan ini dikatakan penguat tidak mempunyai cukup ‘ headroom ’. Jika V DSQ terlalu dekat dengan batas trioda, harga simpangan minimum sinyal keluaran akan terdistorsi. Pada keadaan ini dikatakan penguat tidak mempunyai cukup ‘ legroom ’.
  61. 61. Gambar 27. Dua garis beban dan titik kerjanya. Titik Q 1 terlalu dekat dengan V DD , dan titik Q 2 terlalu dekat dengan batas daerah trioda.
  62. 62. <ul><li>Karakteristik transfer secara analisis. </li></ul><ul><li>Daerah cutoff, segmen XA: </li></ul><ul><li>v I ≤ V t dan v O = V DD </li></ul><ul><li>Daerah jenuh, segmen AQB: </li></ul><ul><li>v I ≥ V t dan v O ≥ v I – V t . </li></ul><ul><li>asumsikan λ = 0 </li></ul>
  63. 63. Jadi penguatan tegangan sebanding dengan harga R D , parameter transkonduktansi k n ’ = μ n C OX , ‘aspect ratio’ dari transistor W/L , dan tegangan ‘overdrive’ pada titik bias V OV = V IQ – V t Pada titik Q: v I = V IQ dan v O = V OQ , V IQ – V t = V OV , jadi Pada titik ujung daerah jenuh: V OB =V IB – V t Daerah trioda, segmen BC v I ≥ V t dan v O ≤ v I - V t
  64. 64. Untuk v O yang kecil, MOSFET bekerja sebagai resistansi r DS (yang harganya ditentukan oleh v I ). Biasanya r DS << R D , jadi
  65. 65. <ul><li>Contoh numerik: </li></ul><ul><li>Pada rangkaian pada gambar (a), k n ’(W/L) = 1 mA/V 2 , V t = 1 V, R D = 18 k Ω dan V DD = 10 V </li></ul><ul><li>Jawab: </li></ul><ul><li>Titik X: v I = 0 V; v O = 10 V </li></ul><ul><li>Titik A: v I = 1 V; v O = 10 V </li></ul><ul><li>Titik B: v I = V IB = V OB + V t </li></ul><ul><li> = V OB + 1 </li></ul><ul><li>Masukan v O = V OB pada persamaan di atas </li></ul><ul><li>9 V OB 2 + V OB – 10 = 0 </li></ul><ul><li>V O = 1 V </li></ul><ul><li>V I = 1 + 1 = 2 V </li></ul><ul><li>d)Titik C: gunakan persamaan berikut: </li></ul>
  66. 66. <ul><li>Kemudian beri .bias agar penguat bekerja pada titik kerja yang benar pada segmen daerah jenuh. Pada daerah ini v O = 1 – 10 V. Dipilih titik kerja pada V OQ = 4 V. Titik ini memungkinkan simpangan tegangan yang cukup pada kedua arah dan memberikan penguatan tegangan yang lebih besar dibandingkan dengan titik kerja yang terletak di tengah-tengah daerah jenuh (misal pada V OQ = 5, 5V). </li></ul><ul><li>Agar penguat bekerja pada tegangan keluaran dc = 4 V arus drain : </li></ul>Tegangan overdrive V OV : Jadi MOSFET harus bekerja pada: V GS = V t + V OV = 1,816 V
  67. 67. Penguatan tegangan pada titik kerja ini: A V = - 18 x 1 x (1,816 – 1) = -14,7 V/V Dipasangkan sinyal masukan gelombang segitiga, v i = 150 mV (peak-to-peak) yang ditumpangkan pada tegangan bias dc V GSQ = 1,816 V seperti pada gambar di bawah ini Gambar 28. Contoh soal
  68. 68. V GS terletak antara 1,741 V dan 1,891 V. Arus I D pada : v GS = 1,741 -> i D = ½ x 1 x (1,741 – 1) 2 = 0,275 V v GS = 1,816 -> i D = ½ x 1 x (1,816 – 1)2 = 0,333 V v GS = 1,891 -> i D = ½ x 1 x (1,891 – 1)2 = 0,397 V Catatan: perbedaan pada arah negatif = (0,333 – 0,275) = 0,058 mA dan perbedaan pada arah positif = (0,397 – 0,333) = 0,064 mA. Perbedaan ini tidak sama karena kurva i D – v GS tidak linier sempurna. Tegangan keluaran pada: v GS = 1,741 -> i D = 0,275 V -> v O = 10 – 0,275 x 18 = 5,05 V v GS = 1,891 -> i D = 0,397 V -> v O = 10 – 0,397 x 18 = 2,85 V Jadi perbedaan pada arah positif = 1,05 V, sedangkan perbedaan pada arah negatif = 1,15 V yang diakibatkan karena ketidaklinieran karakteristik transfer. Distorsi non linier v O dapat dikurangi dengan mengurangi amplitudo sinyal masukan. Catatan: pilihlah titik kerja di tengah-tengah daerah jenuh, agar terjamin transistor tetap bekerja di daerah jenuh dan distorsi non linier bisa diminimalkan.
  69. 69. Gambar 28 (b). Contoh soal
  70. 70. <ul><li>Bias pada rangkaian penguat. </li></ul><ul><li>Bias dengan menetapkan V GS </li></ul><ul><li>Cara yang paling mudah untuk memberi bias pada sebuah MOSFET ialah dengan menetapkan harga V GS pada suatu harga untuk mendapatkan harga I D yang diinginkan. </li></ul><ul><li>Cara ini bukan cara yang baik untuk memberi bias pada MOSFET. </li></ul><ul><li>Perhatikan: </li></ul>Harga I D tergantung dari harga V t , C OX , dan W/L V t dan μ n tergantung pada suhu. Jadi jika harga V GS tetap, harga I D sangat tergantung dari suhu. Perhatikan gambar berikut ini.
  71. 71. Gambar 29. Penggunaan fixed bias pada jenis divais yang sama.
  72. 72. Bias dengan menetapkan V GS dan menghubungkan sebuah resistansi pada source Gambar 30. Pemberian tegangan bias tetap, V G dan sebuah resistor pada source. (a). Rangkaian dasar (b). Pengurangan perubahan pada I D
  73. 73. Gambar 30(a) menunjukkan salah satu cara pemberian bias untuk MOSFET diskrit yaitu dengan memberikan tegangan dc pada gate, V G , dan sebuah resistansi pada source. V G = V GS + R S I D Jika V G >> V GS , I D ditentukan oleh V G dan R S . Jika V G tidak terlalu besar dibandingkan V GS , resistor R S memberikan umpan balik negatif.yang berperan untuk menstabilkan harga I D . Pada persamaan di atas: V G konstan -> jika I D naik -> V GS harus turun -> I D akan turun. Jadi R S bekerja untuk menjaga kestabilan I D . R S disebut degeneration resistance.
  74. 74. Contoh implementasi teknik ini: Gambar 30(c) Implementasi praktis dengan menggunakan satu catu daya (d) Penggunakan kapasitor coupling, C C antara sumber sinyal ke gate (e) Implementasi praktis dengan dua catu daya
  75. 75. Rangkaian pada gambar 30(c) mendapatkan tegangan V G dari sebuah catu daya V DD melalui sebuah pembagian tegangan ( R G1 dan R G2 ) Karena i G = 0, R G1 dan R G2 dapat dipilih besar sekali (orde M Ω ), sehingga MOSFET nampak mempunyai resistansi masukan yang besar. Jadi sumber sinyal dapat terhubung ke gate melalui kapasitor penghubung ( coupling capacitor ), seperti terlihat pada gambar 30(d). Kapasitor C C1 mem-blok dc sehingga memungkinkan untuk menghubungkan sinyal vsig ke masukan penguat tanpa mengganggu titik bias dc dari MOSFET. Harga C C1 dipilih cukup besar sehingga dapat dianggap sebagai hubung singkat untuk semua frekuensi sinyal yang diinginkan. R D dipilih sebesar mungkin untuk memperoleh penguatan yang besar tetapi cukup kecil untuk memungkinkan simpangan sinyal pada drain dengan menjaga MOSFET tetap dalam keadaan jenuh.
  76. 76. Rangkaian pada gambar 30(e) adalah contoh pemakaian dua catu daya untuk memberikan bias pada MOSFET. Rangkaian ini adalah implementasi dari persamaan di atas dengan menggantikan V G dengan V ss . R G membuat ‘ground’ dc pada gate dan memberikan resistansi masukan yang tinggi yang dapat dihubungkan ke sumber sinyal yang akan terhubung ke gate melalui sebuah kapasitor penghubung.
  77. 77. <ul><li>Contoh soal: </li></ul><ul><li>Rancanglah rangkaian pada gambar 30(c) untuk mendapatkan arus drain dc I D = 0,5 mA. MOSFET mempunyai V t = 1 V dan k n ’W/L = 1 mA/V 2 (asumsikan λ = 0). V DD = 15 V. Hitung berapa % perubahan harga I D jika MOSFET diganti dengan MOSFET yang lain yang mempunyai k n ’W/L yang sama tetapi V t = 1,5 V. </li></ul><ul><li>Jawab: </li></ul><ul><li>‘ rule of thumb’ untuk merancang rangkaian bias, pilihlah R D dan R S sehingga tegangan R D , tegangan pada transistor dan tegangan R S masing-masing adalah ⅓ tegangan V DD . Untuk V DD = 15 V, V D = +10 V dan V S = +5 V. </li></ul><ul><li>Diketahui I D = 0,5 mA, maka: </li></ul>
  78. 78. <ul><li>V GS = V t + V OV = 1 + 1 = 2 V </li></ul><ul><li>V S = 5 V -> V G = V S + V GS = 5 + 2 = 7 V </li></ul><ul><li>Untuk mendapatkan V G = 7 V -> dipilih R G1 = 8 M Ω dan R G2 = 7 M Ω . </li></ul>Gambar 31, Rangkaian contoh soal
  79. 79. <ul><li>V D = +10 V -> simpangan maksimum sinyal positif +5V (sampai V DD ) dan simpangan maksimum sinyal negatif -4 V (sampai (V G – V t )). </li></ul><ul><li>Jika transistor NMOS diganti dengan NMOS yang mempunyai V t = 1,5 V: </li></ul><ul><li>I D = ½ x 1 x ( V GS – V t ) 2 </li></ul><ul><li>V G = V GS + I D R S </li></ul><ul><li>7 = V GS + 10 I D </li></ul><ul><li>I D = 0,455 mA </li></ul><ul><li>∆ I D = 0,455 – 0,5 = -0,045 mA = 9% </li></ul>
  80. 80. <ul><li>Bias menggunakan resistor umpan balik drain-ke-gate </li></ul>Gambar 32. Bias menggunakan resistor umpan balik drain-ke-gate Resistor R G (orde M Ω ) menyebabkan tegangan dc pada gate ( V G ) sama dengan tegangan dc pada drain ( V D ) V GS = V DS = V DD – R D I D V DD = V GS + R D I D Jika I D meningkat -> V GS akan menurun -> I D menurun. Jadi umpan balik negatif melalui R G akan menjaga kestabilan harga I D .
  81. 81. <ul><li>Bias menggunakan sumber arus yang konstan. </li></ul>Gambar 33 (a) Pemberian bias dengan menggunakan sumber arus tetap Bias seperti pada gambar 33(a) biasa digunakan pada MOSFET yang diskrit. R G (dalam orde M Ω ) membuat ground dc pada gate. R D akan membuat tegangan dc pada drain pada harga tertentu yang memungkinkan simpangan sinyal keluaran yang diinginkan dengan menjaga MOSFET tetap dalam keadaan jenuh.
  82. 82. Gambar 33(b) Implementasi sumber arus konstan dengan ‘current mirror’. Intinya adalah transistor Q 1 yang drain-nya dihubungkan ke gate-nya sehingga bekerja pada daerah jenuh. Dengan asumsi λ = 0
  83. 83. Arus drain Q 1 dicatu oleh V DD melalui resistor R . Arus melalui dianggap sebagai arus rujukann, I REF . Dengan harga parameter dari Q 1 dan I REF yang diinginkan, kedua persamaan di atas dapat digunakan untuk menghitung harga R. Pada transistor Q 2 , harga V GS sama dengan V GS pada Q 1 , Asumsikan bekerja pada daerah jenuh, arus drain yang sama dengan arus rujukan akan: Jadi perbandingan antara arus I dan arus rujukan sebanding dengan ‘aspect ratio’ dari Q 1 dan Q 2 . Rangkaian ini dikenal dengan ‘ current mirror ’
  84. 84. Cara kerja dan model sinyal kecil Gambar 34. Konsep rangkaian yang digunakan untuk mempelajari cara kerja MOSFET sebagai penguat sinyal kecil
  85. 85. <ul><li>Titik bias DC </li></ul><ul><li>Arus bias dc I D diperoleh dengan men-set sinyal v gs = 0 </li></ul>Asumsikan λ = 0 V D = V DS = V DD – R D I D Agar bekerja pada daerah jenuh: V D > V GS –V t Arus sinyal pada terminal drain v GS = V GS + v gs
  86. 86. <ul><li>Suku pertama dari persamaan itu adalah arus bias dc, I D . Suku kedua ada komponen arus yang sebanding dengan sinyal masukan v gs Suku ketiga sebanding dengan sinyal masukan kuadrat. Suku ini tidak diinginkan karena menunjukkan adanya distorsi non linier. </li></ul><ul><li>Untuk mengurangi distorsi non linier, sinyal masukan harus dijaga tetap kecil, jadi: </li></ul>Jika keadaan ini terpenuhi, maka i D ≈ I D + i d Parameter yang menghubungkan i d dan v gs adalah transkonduktansi dari MOSFET ( g m )
  87. 87. Gambar 35. Cara kerja sinyal kecil dari penguat MOSFET jenis enhancement g m adalah koefisien arah dari karakteristik i D – v GS pada titik bias atau titik kerja.
  88. 88. Penguatan tegangan Komponen sinyal dari tegangan drain Pengutan tegangan: Tanda negatif menunjukkan bahwa v d berbeda fasa 180 ° dengan v gs
  89. 89. Gambar 36. Tegangan total v GS dan v D untuk rangkaian pada gambar 34 Agar MOSFET selalu bekerja di daerah jenuh: Harga minimum dari v D harus lebih kecil dari v G , minimum sebesar V t Harga maksimum dari v D harus lebih kecil dari V DD
  90. 90. <ul><li>Pemisahan analisis DC dan analisis sinyal. </li></ul><ul><li>Untuk sinyal kecil, besaran sinyal ditumpangkan pada besaran dc. </li></ul><ul><li>Misal: arus total pada drain i D sama dengan arus dc I D ditambah arus sinyal i d . Tegangan total pada drain v D = V D + v d </li></ul><ul><li>Jadi untuk menyederhanakan analisis dapat dipisahkan analisis dc dan analisis sinyal kecil. </li></ul><ul><li>Caranya: </li></ul><ul><ul><li>cari titik kerja dan hitung semua komponen dc. </li></ul></ul><ul><ul><li>lakukan analisis sinyal kecil </li></ul></ul>
  91. 91. <ul><li>Model rangkaian ekivalen sinyal kecil. </li></ul>Gambar 37(a). Model sinyal kecil untuk MOSFET dengan mengabaikan ‘channel length modulation’ (b) Memasukkan pengaruh ‘channel length modulation’
  92. 92. <ul><li>Model rangkaian ekivalen sinyal kecil. </li></ul>Dilihat dari sisi sinyal, MOSFET berperan sebagai sumber arus yang dikendalikan oleh tegangan (VCCS) dengan sinyal masukan v gs antara gate dan source dan menghasilkan arus g m v sg antara drain dan source. Resistansi masukan sangat tinggi (ideal: ∞); resistansi keluaran juga sangat tinggi (asumsikan: ∞) Gambar 37(a) adalah model rangkaian pengganti MOSFET untuk sinyal kecil. Dalam analisis sinyal kecil: semua sumber tegangan dc diganti dengan hubung singkat dan semua sumber arus dc diganti dengan hubung terbuka. Pada gambar 37(a) diasumsikan arus drain pada keadaan jenuh tidak tergantung dari tegangan drain. Kenyataannya arus drain tergantung dari tegangan drain. Hubungan ini dinyatakan dengan adanya resistansi antara drain dan source.
  93. 93. V A = 1 / λ Model rangkaian yang lebih akurat terlihat pada gambar 34(b). Catatan: g m dan r o tergantung pada titik bias dc dari MOSFET
  94. 94. <ul><li>Transkonduktansi g m </li></ul>g m sebanding dengan k n ’= μ n C OX dan perbandingan W/L . Jadi untuk mendapatkan g m yang besar, divais harus pendek dan lebar. g m juga sebanding dengan V OV = V GS – V t . Catatan: jika V GS dinaikkan -> mengurangi simpangan tegangan sinyal pada drain.
  95. 95. Contoh soal: Gambar 39 Contoh soal rangkaian penguat Gambar 39(a) menunjukkan sebuah penguat MOSFET CS yang mempunyai bias umpan balik drain ke gate. Sinyal input, v i dihubungkan ke gate melalui kapasitor yang besar. Sinyal keluaran pada drain dihubungkan ke beban R L melalui sebuah kapasitor besar lainnya. Transistor mempunyai V t = 1,5 V, k n ’(W/L) = 0,25 mA/V 2 dan V A = 50 V. Hitunglah penguatan tegangan sinyal kecil, resistansi masukan dan sinyal masukan maksimum. Anggap kapasitor penghubung cukup besar sehingga akan menjadi hubung singkat untuk frekuensi sinyal yang diinginkan
  96. 96. <ul><li>Jawab: </li></ul><ul><li>Tentukan titik kerja dc: </li></ul><ul><li>I D = ½ x 0,25 (V GS – 1,5) 2 </li></ul><ul><li>Arus dc pada gate = 0 -> tidak ada penurunan tegangan pada R G -> V GS = V D </li></ul><ul><li> I D = ½ x 0,25 (V D – 1,5) 2 </li></ul><ul><li>V D = 15 – R D I D </li></ul><ul><li>I D = 1,06 mA dan V D = 4,4 V </li></ul>Gambar (b) : rangkaian pengganti sinyal kecil dari penguat. Kapasitor penghubung diganti dengan hubung singkat, dan catu daya dc diganti dengan hubung singkat ke ground. Karena R G besar sekali (10 M Ω ), arus yang melewatinya dapat diabaikan.
  97. 97. v o ≈ - g m v gs (R D //R L //r o ) v gs = v i A v = v o /v i = - g m (R D //R L //r o ) = - 0,725(10//10//47) = -3,3 V/V Gambar 39(b) Model rangkaian pengganti
  98. 98. <ul><li>Harga maksimum amplitudo v i agar MOSFET bekerja di daerah jenuh: </li></ul><ul><li>v DS ≥ v GS – V t </li></ul><ul><li>v DSmon = v GSmax – V t </li></ul>Catatan: pada arah negatif, amplitudo sinyal masukan: v GSmin = 4,4 – 0,34 = 4,06 V lebih besar dari V t , jadi transistor tetap ‘ on ’
  99. 99. Model Rangkaian Ekivalen T Gambar 39 Model rangkaian pengganti T untuk MOSFET
  100. 100. <ul><li>Gambar 39(a): rangkaian ekivalen sinyal kecil tanpa r o . </li></ul><ul><li>Gambar 39(b): ditambahkan sumber arus g m v gs seri dengan sumber arus semula. </li></ul><ul><li>Gambar 39(c): dibuat node baru, X, antara kedua sumber arus dan dihubungkan dengan terminal gate, G . Di sini ada sumber arus g m v gs di antara tegangan v gs . Sumber arus ini dapat digantikan dengan sebuah resistansi, 1/g m . </li></ul><ul><li>Gambar 39(d): rangkaian ekivalen T dengan i g = 0, i d = g m v gs dan i s = v gs /(1 /g m ) = g m v gs . </li></ul><ul><li>Catatan: resistansi antara gate dan source, dilihat ke arah gate adalah tidak terhingga. </li></ul>
  101. 101. Gambar 40(a): jika ada r o di antara drain dan source. Gambar 40(b): model T alternatif dimana sumber arus yang dikendalikan tegangan (VCCS) diganti dengan sumber arus yang dikendalikan arus (CCCS)
  102. 102. Pemodelan ‘Body effect’ Pada MOSFET body effect terjadi bila substrate tidak dihubungkan dengan source. Untuk kanal n ,substrate akan dihubungkan dengan ground, sedangkan source tidak terhubung dengan ground, sehingga ada tegangan v bs antara substrate dan source. Pada kondisi ini substrate beperan seperti gate kedua atau backgate untuk MOSFET. Jadi sinyal v bs akan menambah sebuah komponen pada arus drain, g mb v bs . g mb disebut transkonduktansi body. i D tergantung dari V t dan V t tergantung dari V BS . g mb = χ g m Harga χ biasanya antara 0,1 – 0, 3
  103. 103. Gambar 41(b) adalah model sinyal kecil NMOS yang dipakai jika substrate tidak dihubungkan dengan source. Untuk PMOS, modelnya sama seperti di atas, hanya yang dipakai |V GS |, |V t |, |V OV |, |V A |, |V SB |, | γ |, | λ | dan menggantikan k n ’ dengan k p ’.
  104. 104. <ul><li>Ringkasan </li></ul><ul><li>Model rangkaian pengganti sinyal kecil untuk MOSFET. </li></ul><ul><li>Transistor NMOS: </li></ul><ul><li>Transkonduktansi </li></ul><ul><li>Resistansi keluaran </li></ul><ul><li>Transkonduktansi body </li></ul>Transistor PMOS Semua persamaan untuk NMOS dapat dipakai untuk PMOS dengan menggunakan |V GS |, |V t |, |V OV |, |V A |, | V SB |, | γ |, | λ | dan menggantikan μ n dengan μ p .
  105. 105. Model rangkaian pengganti sinyal kecil tanpa body effect (| V SB | = 0) Model rangkaian pengganti sinyal kecil tanpa body effect (| V SB | ≠ 0)
  106. 106. <ul><li>Penguat MOSFET Satu Tingkat </li></ul><ul><li>Pada bagian ini yang akan dibahas adalah rangkaian penguat diskrit dari MOSFET dimana source selalu dihubungkan dengan substrate. Oleh karena itu pengaruh body effect tidak akan diperhitungkan. Dan juga dalam beberapa rangkaian r o akan diabaikan. </li></ul><ul><li>Struktur Dasar. </li></ul>Gambar 42. Struktur dasar rangkaian penguat diskrit yang menggunakan MOSFET
  107. 107. Parameter Karakteristik Penguat Rangkaian: <ul><li>Definisi: </li></ul><ul><li>Resistansi masukan tanpa beban </li></ul><ul><li>Resistansi masukan </li></ul>
  108. 108. <ul><li>Penguatan tegangan hubung terbuka: </li></ul><ul><li>Penguatan tegangan: </li></ul><ul><li>Penguatan arus hubung singkat: </li></ul><ul><li>Penguatan arus: </li></ul><ul><li>Transkonduktansi hubung singkat: </li></ul>
  109. 109. <ul><li>Resistansi keluaran dari penguat </li></ul><ul><li>Resistansi keluaran </li></ul>
  110. 110. <ul><li>Penguatan tegangan hubung terbuka menyeluruh </li></ul><ul><li>Penguatan tegangan menyeluruh </li></ul>Rangkaian pengganti A.
  111. 111. B C
  112. 112. Persamaan:
  113. 113. <ul><li>Contoh soal: </li></ul><ul><li>Sebuah penguat transistor dicatu dengan sebuah sumber sinyal yang mempunyai tegangan hubung singkat, v sig = 10 mV dan resistansi dalam R sig = 100 k Ω . Tegangan v i pada masukan penguat dan tegangan keluaran v o diukur dengan dan tanpa resistansi beban R L = 10 k Ω terhubung ke keluaran penguat, Hasil ukur itu sbb: </li></ul><ul><li>v i (mV) v o (mV) </li></ul><ul><li>Tanpa R L 9 90 </li></ul><ul><li>Dengan R L 8 70 </li></ul><ul><li>Carilah: parameter penguat </li></ul><ul><li>Jawab: </li></ul><ul><li>Untuk R L = ∞ </li></ul>
  114. 114. Jika R L = 10 k Ω dihubungkan dengan keluaran penguat:
  115. 115.
  116. 116. Dari rangkaian pengganti A: Dari rangkaian pengganti A:
  117. 117. <ul><li>Penguat Common-Source (CS) </li></ul>Gambar 43. Rangkaian penguat ‘common source’ Sinyal yang akan diperkuat adalah tegangan masukan v sig , yang mempunyai resistansi masukan R sig . C C1 berfungsi untuk memblok dc dari sinyal masukan, sehingga tidak mengganggu bias dc. Kapasitor ini disebut ‘ coupling capacitor ’ Bila sumber sinyal dapat memberikan jalur dc ke ‘ground’, gate dapat dihubungkan langsung dengan sumber tegangan. Dalam hal ini R G dan C C 1 dapat dihilangkan
  118. 118. <ul><li>C s adalah kapasitor bypass yang fungsinya untuk mem-bypass resistansi keluaran dari sumber arus I. Kapasitor ini juga membuat ‘ground’untuk siinyal atau ‘ ac ground ’. </li></ul><ul><li>C C2 adalah ‘ coupling capacitor ’ yang menghubungkan sinyal keluaran dengan beban R L , jadi v o = v d . </li></ul><ul><li>R L dapat berupa resistansi beban atau resistansi masukan dari tingkat penguat berikutnya bila penguat yang akan dianalisa adalah salah satu penguat dari rangkaian penguat bertingkat. </li></ul><ul><li>Untuk menentukan karakteristik dari penguat CS yaitu resistansi masukan, penguatan tegangan dan resistansi keluaran, gunakan rangkaian pengganti sinyal kecil, seperti pada gambar (b). </li></ul>
  119. 119. Gambar 43(b). Rangkaian ekivalen penguat untuk analisis sinyal kecil Penguat ini bersifat unilateral. Oleh karena itu R in tidak tergantung dari R L , jadi R in = R i . Dan R out tidak tergantung dari R sig , jadi R out = R o . Analisis:
  120. 120. Penguatan menyeluruh dari sumber sinyal sampai beban: Untuk menentukan resistansi keluaran penguat, v sig di-set = 0. Jadi v sig dihubung singkat. r o >> R D -> pengaruh r o dalam penguatan tegangan sedikit berkurang dan adanya penurunan pada R out
  121. 121. Gambar 43(c) Model sinyal kecil MOSFET yang diterapkan langsung pada rangkaian yang memakai simbol MOSFET.
  122. 122. <ul><li>Penguat Common-Source dengan Resistansi Source </li></ul>Gambar 44(a) Penguat ‘common source’ dengan resistansi R s pada source
  123. 123. Gambar 44(b): Transistor diganti dengan rangkaian pengganti model T Untuk rangkaian yang mempunyai resistansi yang terhubung source, rangkaian pengganti yang digunakan adalah rangkaian pengganti model T, karena resistansi source akan tampak seri dengan. 1 /g m R in = R i = R G
  124. 124. <ul><li>Keuntungan menggunakan R S : </li></ul><ul><li>Harga R S dapat digunakan untuk mengendalikan besaran sinyal v gs dan memastikan bahwa v gs tidak terlalu besar. </li></ul><ul><li>Memperlebar ‘bandwidth’ </li></ul><ul><li>R S berperan sebagai umpan balik negatif. </li></ul><ul><li>Kelemahan menggunakan R S : penurunan penguatan tegangan. </li></ul>R S mengurangi i d dengan faktor (1 + g m R S )
  125. 125. R S mengurangi penguatan tegangan dengan faktor (1+ g m R D ) -> ‘source degeneration resistance’ Penguatan dari gate ke drain adalah perbandingan antara resistansi total pada drain, ( R D //R L ), dengan resistansi total pada source [(1/ g m ) + R S ]
  126. 126. Penguat Common-Gate Gambar 45 (a) Rangkaian penguat ‘common gate’
  127. 127. <ul><li>Pada penguat Common-Gate (CG) gate dihubungkan ke ground. Sinyal masukan dipasangkan di source dan sinyal keluaran diambil dari drain, dan gate merupakan terminal bersama masukan dan keluaran. </li></ul><ul><li>Gate dihubungkan ke ground: </li></ul><ul><li>tegangan ac dan dc sama dengan nol, </li></ul><ul><li>resistor R G = 0 </li></ul><ul><li>Kapasitor C C1 dan C C2 mempunyai fungsi yang sama seperti pada penguat CS </li></ul><ul><li>Rangkaian pengganti untuk sinyal kecil menggunakan model T. Model rangkaian pengganti ini dapat dilihat pada gambar (b). </li></ul><ul><li>Pada rangkaian pengganti ini tidak ada r o . </li></ul><ul><li>Resistansi masukan: </li></ul>
  128. 128. Gambar 45(b) Rangkaian ekivalen sinyal kecil untuk rangkaian pada gambar 45(a) Karena rangkaian adalah unilateral: R in tidak tergantung dari R L dan R in = R i . Karena g m pada orde 1 mA/V, resistansi masukan dari penguat CG relatif rendah (pada orde 1 k Ω ) dan jauh lebih rendah dibandingkan dengan resistansi masukan pada penguat CS. Selanjutnya kehilangan sinyal yang cukup besar terjadi pada ‘coupling’ sinyal ke masukan penguat CG, karena
  129. 129. Untuk menjaga agar kehilangan kekuatan sinyal tetap kecil, resistansi sinyal, R sig harus kecil.
  130. 130. <ul><li>Penguat CG: non iverting </li></ul><ul><li>Resistansi masukan CG rendah </li></ul><ul><li>Penguatan tegangan penguat CG lebih kecil dibandingkan CS dengan faktor (1 + g m R sig ) </li></ul><ul><li>Perhatikan gambar (c):penguat CG dicatu dengan sumber arus sinyal i sig yang mempunyai resistansi dalam R sig . Ini adalah rangkaian ekivalen Norton dari sumber sinyal yang dipakai pada gambar (a). </li></ul>
  131. 131. R sig >> 1/ g m , jadi Gambar 45(c). Penguat common gate dicatu dengan sinyal masukan
  132. 132. <ul><li>Rangkaian mempunyai resistansi masukan yang relatif kecil, g m , ke sumber arus sinyal masukan, sehingga menghasilkan peredaman sinyal yang sangat kecil pada masukan. MOSFET akan menghasilkan kembali arus ini pada terminal drain pada resistansi keluaran yang lebih tinggi. Rangkaian berperan sebagai penguat arus penguatan tunggal (unity-gain current amplifier) atau current follower. Inilah pemakaian CG yang paling populer yang dapat dipakai pada rangkaian ‘cascode’. </li></ul><ul><li>Penggunaan lainnya dari CG: memanfaatkan kinerjanya pada frekuensi tinggi, </li></ul><ul><li>Resistansi masukan yang kecil dapat merupakan keuntungan dalam pemakaian pada frekuensi sangat tinggi, dimana hubungan sinyal masukan dapat disamakan dengan sebuah saluran transmisi dan 1/ g m resistansi masukan dari penguat CG dapat berfungsi sebagai resistansi terminasi dari saluran transmisi. </li></ul>
  133. 133. <ul><li>Penguat Common-Drain atau Source-Follower </li></ul><ul><li>Input: antara gate dan drain </li></ul><ul><li>Output: antara source dan drain </li></ul>Gambar 46(a) Penguat ‘common drain’ atau ‘source follower Karena drain berfungsi sebagai ground dari sinyal, maka tidak ada R D. Sinyal masukan dihubungkan ke gate MOSFET melalui C C1 dan keluaran pada source MOSFET dihubungkan ke resistor beban R L melalui C C2 .
  134. 134. Karena R L terhubung seri dengan terminal source, maka rangkaian pengganti model T yang digunakan, seperti yang terlihat pada gambar 46(b) Gambar 46(b) Rangkaian pengganti sinyal kecil
  135. 135. Biasanya r o >> 1/ g m , sehingga penguatan tegangan hubung terbuka dari gate ke source, A vo , hampir sama dengan satu (unity). Jadi tegangan pada source mengikuti tegangan pada gate. Oleh karena itu rangkaian ini juga disebut ‘source follower’. Pada rangkaian diskrit, r o >>R L , jadi:
  136. 136. Penguatan tegangan menyeluruh: G v mendekati satu untuk R G >>R sig , r o >> 1/ g m dan r o >>R L Gambar 46(c) analisis rangkaian yang dilakukan langsung pada rangkaian source follower
  137. 137. Gambar 46(d) Rangkaian untuk menentukan resistansi keluaran R out
  138. 138. <ul><li>Walaupun source-follower mempunyai umpan balik dalam yang besar, R in tidak tergantung dari R L ( R i = R in ) dan R out tidak tergantung dari R sig ( R o = R out ). </li></ul><ul><li>Kesimpulan: </li></ul><ul><li>Source follower mempunyai: </li></ul><ul><ul><li>Resistansi masukan yang sangat besar </li></ul></ul><ul><ul><li>Resistansi keluaran yang relatif kecil </li></ul></ul><ul><ul><li>Penguatan yang mendekati satu </li></ul></ul><ul><li>Dipakai sebagai ‘ unity-gain voltage buffer amplifier ’ yaitu menghubungkan sumber sinyal tegangan yang mempunyai besaran yang cukup besar tetapi mempunyai resistansi dalam yang sangat tinggi ke resistansi beban yang rendah. </li></ul><ul><li>Dipakai sebagai tingkat keluaran pada penguat bertingkat yang fungsinya memberikan penguat secara keseluruhan resistansi keluaran yang rendah sehingga memungkinkan untuk mencatu arus beban yang besar tanpa menghilangkan penguatan. </li></ul>
  139. 139. Ringkasan dan Perbandingan Karakteristik Penguat DIskrit MOS Satu Tingkat Common Source
  140. 140. Common Source dengan Resistansi Source r o diabaikan:
  141. 141. Common Gate r o diabaikan:
  142. 142. Common-Drain atau Source Follower
  143. 143. <ul><li>Kesimpulan: </li></ul><ul><ul><li>Konfigurasi CS adalah konfigurasi yang terbaik untuk mendapatkan penguatan yang besar. </li></ul></ul><ul><ul><li>Dengan adanya R S pada source, CS mendapatkan berbagai perbaikan, antara lain penambahan lebar bidang frekuensi, tetapi penguatannya akan berkurang </li></ul></ul><ul><ul><li>Penguat CG mempunyai resistansi masukan yang kecil, kinerja yang baik sekali pada frekuensi tinggi dan penguatan tunggal (unity gain). Banyak dipakai pada penguat ‘cascode’. </li></ul></ul><ul><ul><li>Pemakaian source follower atau CD adalah sebagai buffer tegangan yang menghubungkan sumber dengan resistansi tinggi ke beban yang mempunyai resistansi rendah dan sebagai tingkat keluaran dari penguat bertingkat. </li></ul></ul>
  144. 144. CMOS Digital Logic Inverter Gambar 47 Inverter CMOS Inverter CMOS terdiri dari 2 jenis MOSFET enchancement yang ‘matched’, Q N dari jenis – n dan Q P dari jenis –p . Body dari masing-masing transistor dihubungkan ke masing-masing source sehingga tidak ada ‘body-effect’
  145. 145. Cara Kerja Rangkaian <ul><li>Gambar 48 Cara kerja inverter CMOS jika v i tinggi </li></ul><ul><li>Rangkaian dengan v i = V DD (level logika 1) </li></ul><ul><li>(b) Konstruksi grafis untuk menentukan titik kerja </li></ul><ul><li>(c) Rangkaian pengganti. </li></ul>
  146. 146. Gambar 48 menunjukkan keadaan ketika v i = V DD , terlihat kurva karakteristik untuk Q N dengan v GSN = V DD ( i D = i dan v DSN = v O .) Pada kurva karakteristik Q N ditumpangkan kurva beban, yaitu kurva i D – v SD dari Q P untuk kasus v SGP = 0 V. Karena v SGP < | V t |, kurva beban merupakan garis lurus horizontal dengan level arus hampir nol. Titik kerja adalah perpotongan antara kedua kurva. Terlihat bahwa tegangan keluaran hampir nol ( < 10 mV) dan arus yang melalui kedua divais juga hampir nol. Ini berarti disipasi daya pada rangkaian kecil sekali (< 1 μ W) Catatan: walaupun Q N bekerja dengan arus hampir nol dan tegangan drain-source juga nol, titik kerja berada pada segmen yang tajam pada kurva karakteristik i D – v DS . Sehingga Q N menyediakan jalur beresistansi rendah antara terminal keluaran dan ground. Besarnya resistansi tersebut adalah Gambar 48(c) menunjukkan rangkaian ekivalen dari inverter jika masukan tinggi. v O ≡ V OL = 0 V dan disipasi daya = 0
  147. 147. <ul><li>Gambar 49 Cara kerja inverter CMOS jika v i rendah </li></ul><ul><li>Rangkaian dengan v i = 0 V (level logika 0) </li></ul><ul><li>(b) Konstruksi grafis untuk menentukan titik kerja </li></ul><ul><li>(c) Rangkaian pengganti. </li></ul>
  148. 148. Gambar 49 menunjukkan keadaan ketika v i = 0 V. Karakteristik i D – v DS nya hampir merupakan garis lurus horizontal dengan level arus hampir nol. Kurva beban adalah karakteristik i D – v SD dari divais kanal –p dengan v SGP = V DD . Terlihat pada gambar, pada itik kerja tegangan keluaran hampir sama dengan V DD ( 10 mV lebih rendah dari V DD ) dan arus yang melalui kedua divais juga hampir nol. Ini berarti disipasi daya pada rangkaian kecil sekali (< 1 μ W) Di sini Q P menyediakan jalur beresistansi rendah antara terminal keluaran dan catu dc V DD . Besarnya resistansi tersebut adalah Gambar 49(c) menunjukkan rangkaian ekivalen dari inverter jika masukan rendah. v O ≡ V OH = V DD dan disipasi daya = 0 Q N disebut juga ‘ pull down ’ divais karena dapat menarik arus beban yang relatif besar, sehingga menarik tegangan keluaran turun menuju nol Q P disebut juga ‘ pull up ’ divais karena dapat memberikan arus beban yang relatif besar, sehingga menarik tegangan keluaran naik menuju V DD
  149. 149. Kesimpulan: 1.Tegangan keluaran adalah 0 dan V DD , jadi simpangan sinyal maksimum -> noise margin yang lebar. 2. Disipasi daya statik untuk kedua keadaan sama dengan nol 3. Ada jalur antara terminal keluaran dengan ground (pada keadaan keluaran rendah) dan dengan V DD (pada keadaan keluaran tinggi). Jalur beresistansi rendah ini menjamin bahwa tegangan keluaran 0 V dan V DD tidak tergantung harga perbandingan W / L atau parameter divais lainnya. Resistansi keluaran yang rendah membuat inverter kurang sensitif terhadap efek derau dan gangguan lainnya. 4. Divais pull-up dan pull-down memberikan inverter kemampuan ‘driving’ yang tinggi pada kedua keadaan. 5. Resistansi masukan inverter adalah tidak terhingga ( i G = 0). Jadi inverter dapat men-drive sejumlah inverter sejenis tanpa berkurangnya level sinyal, tetapi akan mempengaruhi kecepatan waktu perubahan (switching time).
  150. 150. The Voltage Transfer Characteristic Untuk Q N Untuk Q P Inverter CMOS biasanya dirancang untuk mempunyai V tn = | V tp | = V t dan k n ’ (W/L) n = k p ’ (W/L) p .
  151. 151. Catatan: μ p = 0,3 – 0,5 μ n , jadi untuk membuat k’(W/L) kedua divais sama, maka lebar divais kanal –p dibuat dua atau tiga kali lebar divais kanal –n. Dengan k’(W/L) kedua divais sama maka inverter akan mempunyai karakteristik transfer yang simetris dan kemampuan current-driving yang sama untuk kedua arah (pull-up dan pull-down) Dengan Q N dan Q P ‘matched’, inverter CMOS mempunyai VTC seperti pada gambar 50. Seperti yang terlihat, kurva VTC mempunyai 5 segmen yang berhubungan dengan kombinasi mode operasi yang berbeda.dari Q N dan Q P . Segmen BC: Q N dan Q P bekerja pada daerah jenuh. Karena resistansi keluaran pada keadaan jenuh yang terbatas diabaikan, maka inverter mempunyai penguatan tidak terhingga pada segmen ini. Dari sifat simetris, segmen vertikal terjadi pada v I = V DD /2 dan batas-batasnya adalah v O (B) = V DD /2 + V t dan v O (C) = V DD /2 - V t
  152. 152. Gambar 50. Voltage Transfer Characteristic dari Inverter CMOS
  153. 153. Selain V OL dan V OH , ada dua titik lagi pada kurva yang menentukan ‘noise margin’ dari inverter, yaitu, V IL dan V IH . Kedua titik ini didefinisikan sebagai titik di mana penguatan sama dengan satu. Untuk menentukan V IH : Q N pada daerah trioda dan Q P pada daerah jenuh. V IL dapat ditentukan dengan cara yang sama, sehingga diperoleh persamaan simetris:
  154. 154. Noise margin dapat ditentukan sebagai berikut: Jadi, VTC yang simetris menghasilkan noise margin yang sama. Jika Q N dan Q P tidak matched, VTC tidak akan simetris dan noise margin tidak akan sama.
  155. 155. Operasi dinamik Kecepatan operasi sebuah sistem digital ditentukan oleh waktu tunda propagasi dari gerbang logika yang digunakan untuk membuat sistem tersebut. Karena inverter adalah gerbang logika dasar dari teknologi IC digital, waktu tunda propagasi inverter merupakan parameter dasar dalam menentukan karakteristik teknologi IC. <ul><li>Gambar 51 Operasi dinamik dari inverter CMOS dengan beban kapasitif </li></ul><ul><li>rangkaian </li></ul><ul><li>gelombang masukan dan keluaran </li></ul>
  156. 156. (c) Trayektori dari titik kerja bila input menuju level tinggi dan kapasitor dikosongkan (discharge) melalui Q N (d) Rangkaian ekivalen selama kapasitor dikosongkan. Pada gambar 51(a) kapasitor C merupakan jumlah kapasitor dalam Q N dan Q P , kapasitor kawat interkoneksi antara keluaran inverter dan masukan dari gerbang logika lainnya dan kapasitor masukan total dari beban ini. Asumsikan inverter mempunyai masukan pulsa ideal (waktu naik dan turun sama dengan nol) dan inverter simetris.
  157. 157. Gambar 51(c) menunjukkan trayektori titik kerja pada saat pulsa masukan naik dari V OL = 0 V ke V OH = V DD pada waktu t = 0. Pada saat t = 0-, tegangan keluaran sama dengan V DD dan kapasitor terisi (charged) sampai tegangan V DD . Pada t = 0, v I naik menuju V DD -> Q P ‘off’. Dari sini rangkaian ekivalen seperti pada gambar 50(d) dengan harga awal v O = V DD . Jadi titik kerja pada t = 0+ adalah titik E, dimana Q N pada keadaan jenuh dan mengalirkan arus yang besar. Ketika C dikosongkan, arus pada Q N tetap konstan sampai v O = V DD – V t (titik F). Sebutkan bagian selang pengosongan ini t PHL1 : Setelah titik F, Q N bekerja pada daerah trioda sehingga arus sama dengan
  158. 158. Bagian selang pengosongan ini dapat dinyatakan sebagai: Ganti i DN dengan persamaan sebelumnya dan susun kembali persamaan diferensial, diperoleh: Untuk mendapatkan komponen waktu tunda t PHL pada saat v O menurun dari ( V DD – V t ) ke titik 50%, v O = V DD /2, intregrasikan kedua sisi persamaan. Sebutlah komponen waktu tunda ini t PHL2 . Gunakan
  159. 159. Jadi: Jumlahkan kedua komponen t PHL , maka diperoleh: Biasanya V t ≈ 0,2 V DD . maka Dengan cara yang sama akan diperoleh t PLH : Waktu tunda propagasi sama dengan harga rata-rata dari t PHL dan t PLH
  160. 160. <ul><li>Untuk mendapatkan waktu tunda propagasi yang rendah, yang berarti kecepatan operasi yang lebih tinggi: </li></ul><ul><li>C harus minimum </li></ul><ul><li>Gunakan parameter transkonduktansi proses k’ yang lebih tinggi </li></ul><ul><li>Perbandingan W/L dari transistor harus lebih besar </li></ul><ul><li>V DD harus lebih tinggi. </li></ul><ul><li>Aliran arus dan disipasi daya </li></ul>Gambar 52.Kurva arus-tegangan masukan pada inverter CMOS
  161. 161. Pada saat inverter CMOS berpindah posisi, arus mengalir melalui hubungan seri Q N dan Q P . Gambar 52 menunjukkan arus sebagai fungsi dari tegangan v I . Arus mencapai puncaknya pada tegangan ambang perpindahan (switching threshold), V th = v I = v O = V DD /2. Arus ini menyebabkan disipasi daya dinamik dalam inverter CMOS. Tetapi, komponen yang lebih penting dari disipasi daya dinamik adalah dari arus yang mengalir pada Q N dan Q P pada saat inverter diberi beban sebuah kapasitor C . Perhatikan gambar 51(a): Pada t = 0-, v O = V DD dan energi yang tersimpan pada kapasitor adalah ½ V DD 2 . Pada t = 0, v I naik menuju V DD , Q P ‘off’ dan Q N ‘on’. Transistor Q N mengosongkan kapasitor, dan pada akhir selang pengosongan, tegangan kapasitor akan berkurang menuju nol. Jadi selama selang pengosongan, energi ½V DD 2 hilang dari kapasitor C dan didisipasikan pada transistor Q N . Pada setengah perioda lainnya ketika v I turun menuju nol. Transistor Q N ‘off’ dan Q P ‘on’ dan mengisi kapasitor. Arus yang dicatu oleh Q P pada C adalah i yang datang dari catu daya V DD . Jadi energi yang diambil dari catu daya selama perioda pengisian:
  162. 162. Q = muatan yang disuplai ke kapasitor. Q = CV DD Jadi energi yang diambil dari catu daya sama dengan CV DD 2 . Pada akhir selang pengisian, tegangan kapasitor akan menjadi V DD , jadi energi yang tersimpan pada kapasitor menjadi ½ CV DD 2 Selama selang pengisian, setengah energi yang diambil dari catu daya, ½ CV DD 2 , didisipasikan pada Q P . Dari penjelasan di atas terlihat pada setiap perioda ½ CV DD 2 , didisipasikan pada Q N dan ½ CV DD 2 didisipasikan pada Q P . Jika inverter berpindah kondisi dengan kecepatan f siklus per detik, maka disipasi daya dinamik: Frekuensi kerja berkaitan dengan waktu tunda propagasi. Makin rendah waktu tunda propagasi, makin tinggi frekuensi kerja rangkaian dan makin tinggi disipasi daya pada rangkaian. Salah satu nilai yang mengukur kualitas rangkaian adalah delay-power product ( DP )
  163. 163. DP = P D t p [joule] DP biasanya konstan untuk rangkaian digital dengan teknologi tertentu dan dapat dipakai untuk membandingkan teknologi yang berbeda. Makin kecil harga DP makin efektif teknologi yang digunakan. DP adalah energi yang didisipasikan pada satu siklus kerja. Jadi untuk CMOS dimana hampir semua disipasi daya adalah dinamik, DP = CV DD 2 .
  164. 164. <ul><li>Ringkasan karakteristik penting dari sebuah inverter logika CMOS </li></ul><ul><li>Resistansi keluaran gerbang </li></ul><ul><li>Ketika v O rendah </li></ul><ul><li>Ketika v O tinggi </li></ul>Tegangan ambang gerbang Titik pada VTC dimana v I = v O
  165. 165. Arus perpindahan dan daya disipasi Noise margin Untuk divais yang ‘matched’, yaitu Waktu tunda propagasi Untuk V t ≈ 0,2 V DD
  166. 166. MOSFET Jenis ‘Depletion’ Gambar 53(a):Lambang MOSFET jenis ‘depletion’ Gambar 53(b) Lambang MOSFET jenis ‘depletion’ dengan substrate terhubung ke source
  167. 167. <ul><li>MOSFET Jenis Depletion’ </li></ul><ul><li>MOSFET jenis depletion mempunyai struktur yang mirip dengan jenis ‘enchancement’ dengan satu perbedaan utama yaitu MOSFET jenis depletion mempunyai kanal yang secara fisik dibuat pada substrate, Jadi tidak perlu menginduksi kanal, artinya tanpa ada v GS , arus i D akan mengalir jika ada v DS . </li></ul><ul><li>Kedalaman kanal dan konduktivitasnya dapat dikendalikan oleh v GS . Jika v GS positif, kanal akan semakin kuat dengan menarik elektron lebih banyak, jika v GS negatif, kanal akan semakin dangkal dan konduktivitasnya menurun. </li></ul><ul><li>Tegangan v GS negatif mengurangi (deplete) pembawa muatan pada kanal dan mode ini disebut ‘depletion mode’. </li></ul><ul><li>Semakin negatif v GS , semakin berkurang pembawa muatan pada kanal, sehingga mencapai harga dimana kanal kehabisan semua pembawa muatannya dan i D sama dengan nol walaupun v DS tetap ada. Harga ini adalah harga tegangan ambang untuk MOSFET kanal –n jenis deplesi. </li></ul>
  168. 168. MOSFET jenis ‘depletion’ dapat bekerja dalam mode ‘enchancement’ dengan memasangkan tegangan v GS positif dan dalam mode ‘depletion’ dengan memasangkan v GS negatif. Karakteristik i D – v DS nya mirip dengan karakteristik i D – v DS hanya kanal –n jenis ‘depletion’ mempunyai V t negatif. Gambar 54(a) Transistor dengan polaritas arus dan tegangan seperti yang tertera
  169. 169. Gambar 54(b) karakteristik i D – v DS
  170. 170. <ul><li>Gambar 54(c) i D – v DS pada keadaan jenuh baik dalam mode kerja ‘depletion’ dan ‘enchancement’. </li></ul><ul><li>Gambar 54(b) adalah karakteristik i D – v DS dari MOSFET kanal –n jenis ‘depletion’ dengan V t = - 4 V dan k n ’(W/L) = 2 mA/V 2 . </li></ul><ul><li>MOSFET jenis depletion akan bekerja: </li></ul><ul><li>di daerah trioda selama tegangan drain tidak melebihi tegangan gate sebanyak paling sedikit |V t | </li></ul><ul><li>di daerah jenuh jika tegangan drain lebih tinggi dari tegangan gate sebanyak paling sedikit |Vt| </li></ul>
  171. 171. Gambar 54(c) menunjukkan karakteristik i D – v DS pada keadaan jenuh baik dalam mode kerja ‘depletion’ dan ‘enchancement’. Karakteristik arus – tegangan dari MOSFET jenis ‘depletion’ sama seperti karakteristik MOSFET jenis ‘enchancement’, hanya untuk MOSFET kanal –n jenis ‘depletion’ V t negatif. Dan harga I D mencapai jenuh pada v GS = 0 MOSFET jenis ‘depletion’ dapat dibuat pada chip yang sama seperti divais jenis ‘enchancement’. Transistor PMOS jenis ‘depletion’ mempunyai cara kerja seperti NMOS hanya saja semua tegangannya mempunyai polaritas yang berlawanan dengan tegangan pada NMOS. Dan pada divais kanal –p arus mengalir dari source ke drain.
  172. 172. Gambar 55 Level tegangan relatif pada terminal transistor NMOS jenis depletion
  173. 173. Gambar 56. Sketsa karakteristik i D – v DS untuk transistor MOSFET jenis depletion dan enhancement

×