Mengatur Arus Bias Pada Amplifier Kelas AB

Banyak anggapan bahwa cara mengatur bias transistor (bipolar) final adalah dengan mengukur tegangan antara basis dan emitor atau antara basis dan basis transistor final pasangannya (NPN dan PNP). Tegangan antara basis dan emitor disebut VBE. Transistor saat mulai mengalirkan arus kolektor, tegangan VBE nya mulai dari 0,5V sampai 0,6V. Saat terjadi saturasi (arus kolektor tidak bisa bertambah lagi/maksimal), tegangan VBE nya sekitar 1V. Tegangan VBE ini besarnya bervariasi bahkan pada satu tipe transistor. Padahal yang dicari adalah arus kolektor, walaupun ada hubungannya antara arus kolektor dengan tegangan VBE, namun karena tegangan VBE bervariasi maka tidak bisa diandalkan pengukurannya.

Orang yang pertama kali mempublikasikan penelitian tentang arus bias optimal, untuk mendapatkan cacat crossover terkecil adalah Dr. Bernard M. Oliver, presiden direktur perusahaan Hewlett Packard bidang riset dan pengembangan. Penelitian ini diterbitkan tahun 1971 pada jurnal perusahaan tersebut. 

Pada artikel ini akan saya bahas secara sederhana penelitian tersebut. Saya berikan simulasi rangkaian sederhana transistor final emiter follower di bawah ini.

Gambar 1. Rangkaian simulasi

Jika saat tidak ada sinyal arus kolektor Q1 dan Q2 adalah nol, maka ini disebut kelas B. Jika diberi sinyal akan terjadi cacat crossover seperti ini.

Gambar 2. Sinyal input

Gambar 3. Sinyal output

Pada gambar 3 terlihat bentuk sinyal output tidak sempurna saat tegangan melewati titik 0V. Ini disebut cacat crossover. Lalu berapa arus kolektor yang optimal agar cacat crossover ini menjadi minimal? Menurut penelitian tersebut, juga dijabarkan secara lebih sederhana pada buku “Designing Audio Power Amplifiers” karangan Bob Cordell, cacat crossover minimal saat tegangan pada R adalah 26mV. R yang dimaksud adalah total resistansi emitor (R1) ditambah resistansi internal emittor (RE) ditambah resistansi efektif basis dilihat pada emitor (R3/hFE). RE = 26mV/I_S (e^Vg/kT – 1) pada 20 derajat Celsius , pengertian tentang RE silakan baca pada buku teks elektronika yang digunakan sebagai bahan ajar di universitas. Karena adanya RE dan R3 (jika dipasang), maka arus bias optimal terjadi saat tegangan pada R1 sedikit lebih kecil dari 26mV. Jika arus bias ini diperbesar maka cacat akan meningkat dan akhirnya cacat crossover akan hilang saat kedua transistor dibias menjadi kelas A.

Gambar 4. Arus bias optimal

Menurut buku “Audio Power Amplifier Design” edisi ke-6 karangan Douglas Self, arus bias optimal nilainya berkurang jika transistor final di paralel. Makin banyak yang diparalel makin kecil arus bias optimalnya dibandingkan dengan nilai optimal jika tidak diparalel. Namun tidak disebutkan rumus pastinya.

Arus bias optimal untuk amplifier kelas AB dengan transistor mosfet, baik tipe lateral maupun vertikal berbeda dengan transistor bipolar. Pada transistor mosfet ada kencenderungan makin besar arus bias (arus drain), makin kecil cacatnya. Perancang amplifier harus menentukan sendiri nilai optimalnya dengan mempertimbangkan efisiensinya.

Pengaturan arus bias idealnya dengan Distortion Meter. Pada sinyal input kita berikan sinyal  generator dengan bentuk sinus yang cacat harmoniknya kecil. Frekuensi sinyal generator adalah 1kHz. Kemudian pada keluaran amplifier kita berikan beban resitor daya 8,2 Ohm dan pembagi tegangan (attenuator) untuk diumpankan ke Distortion Meter. Tunggu agar pendingin amplifier stabil suhunya dan atur arus bias minimal. Perlahan-lahan naikkan arus bias sambil kita lihat Distortion Meter. Angka pada Distortion Meter akan turun lalu naik kembali. Atur arus bias saat pada Distortion Meter menunjukkan angka paling kecil.

Untuk mengukur cacat harmonik, bisa juga memakai sound card yang cacat harmoniknya kecil dengan memakai software tertentu, misalnya ARTA.

Jurnal penelitian tersebut bisa di download di sini.