buku siap.pdf
TRANSCRIPT
1
PENDAHULUAN
PENGKELASAN PENGUAT
Pembagian kelas dari rangkaian penguat daya berdasarkan daerah kerja
dari transistor pada sinyal ac, dikelompokkan menjadi :
1. Kelas A
2. Kelas B
3. Kelas AB
4. Kelas C
5. Kelas D
Namun dalam buku ini yang akan diulas adalah tentang penguat daya kelas A dan
kelas B saja. Sedang selebihnya tidak dibahas di buku ini.
Jika dibandingkan penguat daya kelas A dan B, perbedaannya adalah penguat
kelas A transistornya bekerja pada seluruh siklus (3600) dan pada penguat kelas
ini jumlah transistornya hanya satu. Sedang kelas B bekerja pada setengah siklus
(1800) dan jumlah transistornya ada dua, masing-masing pada 180
0 an.
Adapun penguat kelas AB bekerja pada lebih dari 1800 dan kurang dari 360
0
(antara 1800 dan 360
0). Dan penguat kelas ini memiliki dua buah transistor.
Sedang penguat pada kelas C bekerja pada kurang dari 1800. Pada penguat kelas
C ini hanya ada satu buah transistor.
2
Bab I : Review Penguat Daya Kelas A
Tahapan – tahapan dari kebanyakan dari sistem penguat penguat daya kelas A
akan memperkuat tegangan ac yang kecil, sedang tahapan-tahapan kemudian
memperkuat tegangan ac yang besar. Penguat daya kelas A ini bisa dilihat ciri
khasnya pada rangkaiannya hanya terdapat satu buah transistor, oleh sebab itu
transistor tersebut bekerja pada gelombang penuh yaitu mulai sudut nol sampai
dengan 360 derajat. Untuk lebih jelasnya daerah kerja transistor dari penguat
daya kelas A bisa dilihat pada gambar 1.
Gambar 1
Gelombang daerah kerja transistor dari penguat daya kelas A
Kepatuhan keluaran ac adalah besar p-p tegangan maksimum yang tidak
terpotong yang dihasilkan oleh rangkaian penguat ini. Hal ini bisa dicari setelah
diketahui gambar garis beban ac.
Gambar 2
Rangkaian penguat daya kelas A common emitter
3
Adapun titik kerja transistor (titik Q) diperoleh dari perpotongan antara garis
beban ac dan garis beban dc. Setelah diketahui garis beban ac beserta titk kerja
transistornya, maka dengan mudah diketahui seberapa besar tegangan p-p dari
transistor (VCE) yang tidak terpotong, nilai ini disebut kepatuhan keluaran ac (PP).
Gambar 2 adalah suatu rangkaian penguat daya kelas A common emitter. Maka
cara mencari garis beban ac dan dc adalah sebagai berikut (gambar 3) :
Gambar 3
Garis Beban Penguat Kelas A
Rumusan untuk mencari garis beban AC dari penguat daya kelas A
Common Emitter :
IC(sat) = ICQ + VCEQ/rC
VCE(cut off) = VCEQ + ICQ.rC
rC = RC//RL
adapun rumus untuk menghitung effisiensi adalah :
PL max = PP2/8RL
PS = VCC . IS.
IS = I1 +I2 I1 = VCC/(R1+R2) dan I2 = ICQ.
Eff = PLmax / PS.
Common Collector
IC(sat) = ICQ + VCEQ/rE
VCE(cut off) = VCEQ + ICQ.rE
4
rE=RE//RL
adapun rumus untuk menghitung effisiensi adalah :
PL max = PP2/8RL
PS = VCC . IS.
IS = I1 +I2 I1 = VCC/(R1+R2) dan I2 = ICQ.
Eff = PLmax / PS.
Common Base
IC(sat) = ICQ + VCEQ/rC
VCE(cut off) = VCEQ + ICQ.rC
rC = RC//RL
adapun rumus untuk menghitung effisiensi adalah :
PL max = PP2/8RL
PS = VCC . IS.
IS = I1 +I2 I1 = VCC/(R1+R2) dan I2 = ICQ.
Eff = PLmax / PS.
Cara mencari kepatuhan keluaran AC (PP)
• Jika titik-Q tidak berada tepat di tengah dari garis beban ac, maka kepatuhan
keluaran ac sama dengan 2VCEQ atau 2ICQ.rC karena keduanya memiliki nilai
yang sama.
• Jika titik-Q berada kurang dari setengah dari garis beban ac, maka
kepatuhan keluaran ac sama dengan 2VCEQ. Artinya diambil nilai yang lebih
kecil diantara 2 nilai di atas (yaitu 2VCEQ atau 2ICQ.rC).
• Jika titik-Q berada lebih dari setengah dari garis beban ac, maka kepatuhan
keluaran ac sama dengan 2ICQ.rC. Artinya diambil nilai yang lebih kecil
diantara 2 nilai di atas (yaitu 2VCEQ atau 2ICQ.rC).
Jadi pada kondisi point 2 dan 3 di atas, yg dipilih adalah angka yang lebih kecil
karena angka tersebut tidak akan melebihi nilai VCE(cut off). Sehingga nilai PP ini
betul-betul sesuai definisi. Jika kita pilih nilai yang lebih besar, maka nilai
tersebut melebihi nilai VCE(cut off), sehingga hal ini tidak sesuai definisi, karena
nilai tersebut tidak lagi sinus utuh, tapi sudah terpotong.
5
Gambar 4
Garis beban AC, garis beban DC dan PP
Contoh :
• Gambar 4 adalah penguat CE buatlah analisa dan gambarkan garis beban
dc dan ac. Bila = 150. Hitung PL(maks),Is,Ps, dan effisiensi.
Gambar 5
Penguat Common Emitter
Jawab :
6
Untuk kasus ideal, dianggap IB = 0 maka IC = IE = 1,1mA. Maka arus kerja ICQ =
1,1 mA.
Artinya titik kerja dari transistor ini pada 1,1 mA dan 4,94V.
Penggambaran garis beban dc
Berangkat dari pers.di bawah,
kemudian dirubah atau disederhanakan menjadi :
Dimana ICQ digambarkan sebagai sumbu tegak (atau seperti sumbu Y pada
gambar dari persamaan linier matematika) dan VCEQ digambarkan sebagai sumbu
datar (seperti sumbu X pada gambar dari persamaan linier matematika).
Harga -1/(RC +RE) adalah gradien atau kemiringan dari garis linier (seperti nilai m
dari persamaan linier matematika), sedang VCC/(RC+RE) adalah konstanta yang
merupakan titik potong garis linier terhadap sumbu tegak (seperti nilai C pada
gambar dari persamaan linier matematika).
Cara menggambarkan garis beban dc tersebut dg persamaan garis beban dc ditulis
ulang di bawah :
1. Tentukan titik (10/4,6 k) pada sumbu tegak.
2. Lalu jadikan pusat koordinat (0,0) sebagai referensi untuk menghitung gradien
atau m = -1/(4,6k) = ΔY/ΔX.
ΔY = titik (10/4,6 k) menuju ke titik nol = -(10/4,6 k). Bernilai negatif karena
turun atau kekiri, sedang naik atau kekanan memiliki nilai positif.
7
Sehingga m = -1/(4,6k) = -(10/4,6 k) / ΔX.
Maka ΔX = -(10/4,6 k) /-1/(4,6k) = +10.
Namun ada cara bodoh yang bisa digunakan oleh orang yang tidak mau susah
berpikir :
1. Masukkan nilai nol pada VCEQ untuk mendapatkan nilai ICQ.
2. Dan sebaliknya masukkan nilai nol pada ICQ untuk mendapatkan nilai VCEQ.
Sehingga hasil untuk garis beban ac dan dc bisa dilihat pada gambar 6.
Gambar 6
Garis beban ac dan dc
Penggambaran garis beban AC pada soal di atas:
Rangkaian di atas adalah common emitter, sehingga rumus yang digunakan
adalah :
IC(sat)= ICQ + VCEQ/rC = 1,1 mA + 4,94V/1,06KΩ = 1,1 mA + 4,66 mA = 5,76 mA.
rC = RC//RL = 1,5K // 3,6K = 1,06KΩ.
VCE(cut off) = VCEQ + ICQ.rC = 4,94V + 1,1 mA. 1,06KΩ = 4,94V + 1,17V = 6,11V.
Lihat gambar 6.
Cara mencari PP seperti dijelaskan di atas, sehingga diperoleh :
PP = 2 x (6,11 V – 4,94 V) = 2,34 V
Tegangan beban puncak ke puncak tak terpotong yang terbesar 2,34 V, sehingga
beban maksimum adalah :
PL max = PP2/8RL
8
W456 )8(1500
(2,34V)2
)(
maksLP
Dimana PL maks adalah besar daya output maks yang bisa dihasilkan oleh
rangkaian.
VCEQ= 4,94 V dan ICQ = 1,1 mA, maka
PD(maks)= (4,94 V)(1,1 mA) = 5,43 mW
dimana PD maks adalah kemampuan transistor untuk dikenai disipasi/rugi2 daya.
(kelas A hanya 1 transistor sehingga wajar jika dia harus punya batas kemampuan
rugi/panas yg tinggi).
IS = I1 +I2 I1 = VCC/(R1+R2) dan I2 = ICQ.
mAkk
VI 82,0
2,210
101
dan I2 = 1,1mA
IS = I1 +I2 = 0,82 mA + 1,1 mA = 1,92 mA
Daya input adalah :
PS = VCC . IS.
PS = (10 V)(1,92mA) = 19,2 mW
Untuk effisiensi, rumusnya adalah :
Eff = PLmax / PS.
%38,2%1002,19
456
mW
W
Perhitungan dan analisa mengenai penguatan tegangan dari penguat daya
kelas A dan mencari Vout.
Berikut dijelaskan cara menghitung nilai bati tegangan menurut rumus secara teori
dengan dilengkapi analisa.
Untuk masing-masing common dari ketiga common (Yaitu Common Emitter,
Common Base dan Common Collector), memiliki rumus dan karakter yang
berbeda-beda.
1. Rangkaian Common Emitter.
Untuk mencari tegangan output pada rangkaian gambar 7, diperlukan rangkaian
ekivalen ac pada gambar 8 disertai rumus rumusnya.
9
Gambar 7
Rangkaian Common Emitter
Rangkaian Ekivalen AC
Gambar 8
Rangkaian Ekivalen AC
RUMUS YANG DIGUNAKAN :
Z in(basis) = β. r’e
Zin = R1//R2// Z in(basis) = R1//R2// β. r’e ≈ R1//R2
Zout= RC
r’e =25mV/IE
β =Ic/IB .
Av = - Rc/ r’e
Jika tanpa beban RL, Vout = Av. Vin, tapi jika berbeban atau ada RL, maka :
10
2.
Gambar 9
Rangkaian Common Colektor
Dari rangkaian common colektor gambar 9 di atas, untuk mencari tegangan
output diperlukan rangkaian ekivalen ac seperti pada gambar 10 disertai rumus
rumusnya.
Rangkaian Ekivalen AC
Gambar 10
Rangkaian Ekivalen AC
RUMUS YANG DIGUNAKAN :
r’e =25mV /IE
Zin(Basis) = β(RE +r’e) ≈ β.RE , karena nilai RE jauh lebih besar dari r’e
Zin = R1//R2//β.RE ≈ R1//R2
Jika tanpa beban RL, Vout = Av. Vin, tapi jika berbeban atau ada RL, maka :
11
3.
Gambar 11
Rangkaian Common Base
Dari rangkaian common base pada gambar 11, untuk mencari tegangan output
diperlukan rangkaian ekivalen ac gambar 12, disertai rumus rumusnya.
Rangkaian Ekivalen AC
Gambar 12
Rangkaian Ekivalen AC
RUMUS YANG DIGUNAKAN :
r’e =25mV/IE
Zin= r’e
Jika pada rangkaian common base di atas terdapat Rs penghubung tegangan
sumber dengan kapasitor kopling masukan, maka
Namun jika tidak, maka tegangan sumber yang masuk itu sudah sebagai Vin.
AV= RC/r’e, Zout=RC
Jika tanpa beban RL, Vout = Av. Vin, tapi jika berbeban atau ada RL, maka :
12
Kumpulan Soal-Soal Dan Pembahasannya
1.
Gambar 13
Common Emitter Single Stage
Dari gambar 13 di atas, hitung Vout dilengkapi rangkaian ekivalen ac.
Jawab
• Rangkaian Ekivalen AC
Gambar 14
Rangkaian Ekivalen AC
Data untuk gambar 14.
Zin = R1//R2 = 10 k//5k = 3,33 kΩ.
Vin = Zin.VS/(Zin + RS) = 3300.1m/(3300+100) = 0,97 mV.
IE = [(R2.Vcc /(R1+R2) -0,7]/RE =((5k/15k).12-0,7)/1k =3,3m A
r’e = 25 mV/ IE = 25 mV/3,3m A = 7,6 Ω.
AV = - RC / r’e = 1k/7,6Ω=-132
Zout = RC.
Vout=( RL/ RL+ Zout).AV.Vin = ( 1k/1k+1k) . -132 . 0,97mV =-64 mV.
2. Cascade CE-CE gambar 15 di bawah dengan data sebagai berikut :
VS = 1mV, Rs = 100 Ω, R11 = 10k Ω, R21 = 5k Ω, R12 = 5k Ω, R22 = 1k Ω,
13
RC1 = 1k Ω, RC2 = 5k Ω, RE1 = 1k Ω, RE2 = 1k Ω, RL = 500 Ω, VCC = 12 V. Maka
hitung Vout.
Gambar 15
Rangkaian Cascade CE-CE
Jawab
• Rangkaian Ekivalen AC
Gambar 16
Rangkaian Ekivalen AC
Data untuk gambar 16
Rangkaian Tahap I
Zin1 = Rin1 = R11//R21 = 3,33 kΩ.
IE1= VE1/RE1 =(4-0,7)/1k =3,3m A
r’e1 = 25 mv/IE1 =25 mv/3,3m A = 7,57Ω
AV1 = - RC1 / r’e1= 1k/7,57Ω=-132
Vin1=( Zin / RS+ Zin).VS =( 3300/3300+100).1m= 0,97 mv
AV1.Vin1= -132. 0,97 mv= -128 mv
Rangkaian Tahap II
Zout1 = RC1 = 1 kΩ.
Zin2 = Rin2 = R12//R22 = 5k//1k =833 Ω
Vin2=( Rin2 / Zout1+ Rin2). AV1.Vin1 = 833/1833.(-128m) = 58 mV.
14
VB2 = ( R22 / R22+ R12).VCC= (5 k/ 5k+ 5k).12= 6 volt
IE2=(VB2 - 07)/RE2 = (6-0,7)/1k=5,3 m A
r’e2= 25mv/5,3 m A = 4,71 Ω
AV2= - RC2 / r’e2= = -5k/4,71 Ω= -1063.
Zout2 = RC2 = 5 kΩ.
Vout akhir = Vout2=RL/(RL+Zout2).AV2.Vin2 = (500/5k+500).(-1063x58mV) = 56 V.
3. Dari rangkaian gambar 17, dengan data melekat pada gambar serta Vcc
bernilai 10 V, jika β=120 dan resistansi beban bernilai 5 kΩ.
a. Hitung Vout.
b. Gambarkan garis beban ac dan dc
c. Hitung effisiensi
Gambar 17
Rangkaian Common Collector
Jawab :
a. Menghitung Vout.
Rangkaian Ekivalen, lihat gambar 18.
Gambar 18
Rangkaian Ekivalen AC
15
Data gambar 18
VB =(R2/R1+R2) .Vcc=(10k/10k+10k).10v=5v
IE=VE/RE =( 5-0,7)/4k=1,075m A
r’e= 25mv/1,075m A=23,26 Ω
Rin = R1//R2//β.RE = 10k//10k//120.4k = 4,948k
Vin=(4,948k /100+4,948k).1mv=0,98 mv
AV = RE/[RE+ r’e+(Rs// R1//R2)/ β]
AV= 4k/ (4k+23,26+(100//10k//10k)/120) =0,994
Zout =Rout = RE// [r’e+(Rs// R1//R2)/β]= 4k//(22,7+(100//10k//10k)/120)
= 4k//(22,7+( 99//10k)/120) =132,45 Ω
AV.Vin=0,994x0,98mv =0,974mV.
Jika tanpa resistansi beban, maka Vout bernilai sama degan tegangan input
dikalikan penguatannya.
Namun dengan kehadiran RL (resistansi beban), maka :
Vout=AV.Vin.(RL/Zout+RL)=0,974mV.(5000/5132,45)= 0,974mV.0,974 = 0,95 mV.
Dari hasil perhitungan nampak bahwa common collector ini bukan menguatkan
tegangan input, melainkan malah melemehkan karena fungsi dari rangkaian
common collector bukan sebagai rangkaian penguat, tapi sebagai rangkaian buffer
atau penyangga.
b. Menggambarkan garis beban ac dan dc
Garis beban ac
IE = ICQ = 1,075mA.
VCEQ = VCC – ICQ.RE = 10 – (1,075. 4k)
=10 – 4,3 = 5,7 V.
rE = RE // RL = 4k//5k = 2,2 kΩ.
IC(sat) = ICQ + VCEQ /rE = 1,075m + 5,7/2,2k = 1,075 + 2,6 = 3,675 mA.
VCE(cutoff) = VCEQ + ICQ .rE = 5,7+ 1,075m.2,2k = 5,7 + 2,365 = 8,065 mV.
Garis beban dc
IC = -1/RE. VCE+VCC/RE = -1/4k. VCE + 10/4k
m = -1/4k = ΔY/ ΔX = (-10/4)/ ΔX.
ΔX = (-10/4k)/( -1/4k) = 10.
Garis beban ac dan dc bisa dilihat pada gambar 19.
16
Gambar 19
Garis Beban ac dan dc
PP = 2ICQ.rE = 2.1,072m. 2,2 k = 4,73 V.
c. Menghitung effisiensi
P L maks = PP2/8 RL = 4,73
2/8.5k = 22,37/40k = 0,56 mW.
I1 = 10V/20kΩ = 0,5mA.
I2 = ICQ = 1,075 mA.
IS = I1 + I2 = 0,5 m + 1,075m = 1,575 mA.
PS = IS.VCC = 1,575 mA. 10V = 15,75 mW.
Effisiensi = η = P L maks .100%/ PS = 100%.0,56mW/15,75 mW = 3,55%.
4.
Gambar 20
Rangkaian Cascade Common Base - Common Base
Hitung Vout dari rangkaian cascade CB-CB gambar 20
17
Jawab
Rangkaian ekivalen ac dari gambar 20, lihat pada gambar 21
Gambar 21
Rangkaian ekivalen ac
IE = (VEE – VBE) / RE
IE1 = (0-(10)-(0,7) ) / 20 kΩ = 0,465 mA
r’e1 = 25 mV / 0.4665 mA = 53,8 Ω
Zin1 = r’e1 = 53,8 Ω
A1 = RC/r’e = 10 k / 53,8 = 186
Vin1 = (53,8 /( 50 + 53,8) ).Vs = (53,8 /(50 + 53,8)).1 mV = 0,518 mV
A1.Vin1= 186.(0,518) = 96,3 mV
IE2= (0-(-15)- 0,7) / 15 kΩ = 0,95 mA
r’e2= 25 mV / 0,95 mA = 26,3 Ω = Zin2
Vin2 = 26,3 /(10 k + 26) = (26,3 /(10k +26)).96,3 m = 0,253 m
AV2 = 10 k/26,3 = 380,2
AV2.Vin2 = 380,2 . 0,253 = 96,10
Vout = (RL /(RL+RC) ). AV2.Vin2= (5,1 k/ (5,1 k + 10 k)).96,19 = 32,48 mV
5.
Gambar 24
Rangkaian Common Emitter
18
Jika β=100, gambarkan garis beban ac dan PP dari rangkaian gambar 24.
Jawab :
β = IC / IB = 100, IC = 100 IB
VCE = VBE + IB. RB --> VCE = VBE + 1.106.IB
10V = 10k.IC+VCE = 1.106.IB + VBE + 1.10
6.IB = VBE +2.10
6.IB = 0,7+2.10
6.IB
IB = (10 – 0,7 )/ 2.106 = 4,65.10
-6 .
IC = 100 IB = 100.4,65.10-6
= 0,465 mA
VCE = VCC - IC.RC = 10-0,465m.10k = 5,35 V
k 7,540k
300k
30k10k
10k.30kr
2
C
V 8,94 3,495,35 .rIV off)(cut V
mA 1,17 7,5k
5,350,465m
r
VIIc(sat)
CCEQCEQCE
C
CEQCQ
Garis Beban DC
IC = -1/10k. VCE + 10/10k
m = -1/10k = ΔY/ ΔX = (-10/10k)/ ΔX.
ΔX = (-10/10k)/(-1/10k) = 10.
Garis beban AC dan DC bisa dilihat pada gambar 25.
Gambar 25
Garis beban ac dan dc
19
mWmP
mAIs
mAkk
I
mAII
IIIs
mVk
CQ
9,5730.93,1
93,193,01
11020
30
93,0
100%.100%m1
1m.100%
.IsV
Vη
110.8
9,3
8R
PPV
1
2
21
CC
Lmax
2
L
2
Lmax
6.
Gambar 26
Rangkaian Common Emitter
Dari rangkaian gambar 26, gambarkan garis beban ac,dc dan hitung PP serta
Efisiensi
Jawab :
10V 30.2010
10 .
2010
10
kk
kVcc
kk
kVB
0,93mA10k
9,3
10k
0,7-10
R
VI
E1
EE1
5k20k
10k.10k0k//10k 1//RRr LCC
20
3,21mA2,280,93 5k
0,93(20k)300,93
r
)R(RIVI
r
VI(saturasi)I
C
ECCCEE
C
CEQCQC
23,25V0,93m.5k 18,6 .rIVoff)(cut V CCQCEQCE
30VΔX
1,5mA20k
30ΔY
ΔX
1,5m
ΔX
ΔY
20k
1m
20k
30V
20k
1-I
10k IV10k I30
CEC
CCEC
Garis beban AC dan DC bisa dilihat pada gambar 27.
Gambar 27
Garis Beban ac dan dc
Efisiensi
21
SCC
Lmax
22
Lmax
100%.100%m1
1m .100%
.IV
Vη
m110.8
9,3
8RL
PPP
IIIs
Vk
21
WP
AIs
Akk
I
AII CQ
m9,5730.m93,1
m93,193,01
m11020
30
m93,0
1
2
22
Bab II : Penguat Daya Kelas B
Penguat kelas A adalah cara yang umum untuk mengoperasikan transistor
pada rangkaian-rangkaian linier karena menyajikan rangkaian pemberi
prategangan yang paling sederhana dan paling mantap.
Namun kelas A ini kurang efisien untuk mengoperasikan transistor, karena rugi-
rugi daya agak tinggi. Penguat daya kelas A memiliki effisiensi maksimum ±25%.
Oleh sebab itu dikembangkan operasi kelas lainnya. Diantaranya operasi kelas B.
Pada kelas ini, arus kolektor hanya mengalir 1800 dari siklus ac. Ini berarti bahwa
titik Q ditempatkan di dekat titik putus (cut off) dari kedua garis beban (ac dan
dc). Dan effisiensi maksimum yang bisa dicapai oleh penguat daya kelas B jauh
lebih tinggi dibanding kelas A yaitu 78,5%.
Keuntungan dari operasi kelas B ini adalah disipasi daya transistor rendah dan
berkurangya arus kolektor. Penguat ini dibias pada titik cutoff. Sehingga tidak
ada arus yang mengalir sampai adanya sinyal input. Sinyal input ini
menghasilkan tegangan yang dapat meng-onkan transistor.
Rangkaian Push Pull (Dorong-Tarik)
Bila transistor dioperasikan pada kelas B, ia menggunting setengah siklus.
Untuk menghindari distorsi yang dapat terjadi, harus digunakan dua transistor
dalam susunan dorong-tarik. Cara membangun penguat kelas B ini, diperlukan
transistor npn dan pnp komplementer. Ini artinya satu transistor bekerja setengah
siklus dan satunya lagi bekerja pada setengah siklus sisanya. Dengan rangkaian
dorong tarik ini, dibangun penguat kelas B yang mempunyai distorsi rendah, daya
beban besar dan effisiensi tinggi.
Arti transistor komplementer adalah sepasang transistor npn dan pnp yang
memiliki karakteristik yang sama baik tegangan VBE, nilai r’e, bentuk lengkung
diodanya dan lain-lain.
Gambar 28 berikut adalah gelombang daerah kerja tiap transistor. Nampak bahwa
tiap transistor dipekerjakan tiap setengah siklus atau selama 1800an kemudian
ganti transistor pasangannya yang bekerja melanjutkan sampai setengah siklus
berikutnya.
23
Gambar 28
Daerah kerja tiap transistor Penguat Daya Kelas B
Untuk lebih jelasnya lihat gambar 29 berikut.
Gambar 29
Penguat Daya Kelas B
Q1 adalah transistor npn dan Q2 adalah transistor pnp. Q1 mengerjakan siklus
positif dan Q2 mengerjakan siklus negatif, Vout pada RL merupakan
penggabungan dari kedua siklus.
Kita lihat gambar di bawah adalah rangkaian ekivalen dc dari rangkaian push
pull di atas. Dimana tegangan dioda emitter pada tiap transistor adalah 0,7 V.
Agar diode mati, idealnya ICQ = nol.
Rangkaian gambar 30 adalah simetri dengan nilai tahanan pemberi
prategangan (R2) bernilai sama. Maka setengah tegangan catu jatuh melintas
setiap transistor. Yaitu
VCEQ = VCC/2.
24
Gambar 30
Rangkaian Ekivalen dc
Gambar 31 berikut adalah gambar garis beban beserta rangkaian ekivalen ac nya.
Gambar 31
Garis Beban ac dan dc
Gambar 32
Rangkaian Ekivalen AC
25
Garis Beban AC Penguat Kelas B
Karena Penguat daya kelas B merupakan modifikasi dari rangkaian Common
Collector. Untuk pengikut emitter (CC), arus jenuh ac adalah
Pada gambar 30 di atas, jika ICQ = 0, VCEQ = VCC/2 dan rE = RL. Maka jika
dilakukan pendekatan untuk kasus ICQ = 0, maka arus jenuh ac dan tegangan putus
ac disederhanakan menjadi :
Gambar 31 di atas memperlihatkan garis beban ac dan dc. Bila sebuah
transistor bekerja, titik operasi transistor ini akan berayun ke sepanjang garis
beban ac, sementara titik operasi transistor yang lain tetap berada pada titik
putusnya.
Tegangan dari transistor yang menghantar dapat berayun dari keadaan putus
sampai keadaan jenuh. Pada setengah siklus yang lain, transistor yang lain
melakukan hal yang sama. Ini berarti bahwa kepatuhan ac dari penguat push pull
kelas B lebih tinggi dari kelas A dengan harga PP = VCC. Bila diberikan catu 10
V, maka dapat dibangun pengikut emitter push pull kelas B dengan kepatuhan
keluaran ac 10 V.
Analisa AC
Gambar 32 di atas memperlihatkan rangkaian ekivalen ac dari transistor yang
bekerja. Bati tegangan dari penguat kelas ini dengan berbeban adalah :
Impedansi masuk pada basis (berbeban) adalah
E
CEQ
CQsatCr
VII )(
ECQCEQputCE rIVV )(
2
2
)(
)(
CCputCE
L
CCsatC
VV
R
VI
erR
RAv
L
L
'
)'()( erRZ Lbasisin
26
Impedansi keluar adalah
Bati arus (Ai) hampir sama dengan b, dan bati daya adalah : Ap =Av.Ai
Q1 berlaku sebagai CC sehingga Vout sama dengan Vin. Dan Zout rendah. Q2
berlaku sebagai CC sehingga Vout sama dengan Vin. Dan Zout rendah.
Garis Beban DC Penguat Kelas B
Adapun cara menggambarkan garis beban dc yaitu dengan menentukan
VCEQ = VCC/2
Kemudian tarik garis vertikal pada titik tersebut, sehingga pada kondisi normal
nilai ICQ ≈ 0, dan kondisi tidak normal atau mengalami peningkatan temperatur
nilai ICQ bisa tak berhingga. Kasus ini dinamakan peristiwa pelanturan thermal.
Dan hal ini sangat tidak diharapkan.
Cross Over Distortion
Dari gambar 33 di bawah, jika sinyalnya lebih kecil dari 0,7 V maka tidak
akan ada arus yang mengalir melalui Q1 dan sebaliknya jika sinyal lebih negatif
dari -0,7 V maka tidak akan ada arus yang mengalir pada Q2. Sinyal mengalami
distorsi karena perilaku pemotongan sinyal di setiap siklus maka sinyalnya bukan
lagi gelombang sinus. Karena pemotongan terjadi diantara waktu transistor yang
satu putus dan transistor yang lain mulai menghantar.
Sehingga tanpa prategangan yang diterapkan pada dioda emitter, output dari
CC push pull kelas B akan nampak seperti gambar 33 di bawah, terpotong-potong
disebut distorsi cross over atau distorsi perlintasan.
Gambar 33
Rangkaian Penyebab Distorsi Cross Over
B
out
rerZ '
27
Jadi proses distorsi cross over adalah saat input Q1 < 0,7 maka output nol
(sistem tdk kerja). Dan saat input Q2<-0,7 output juga nol (sistem tdk kerja).
Maka bentuk output mirip input, tapi terpotong waktu selebar garis merah antara
siklus positif dan siklus negatif. Inilah yang dinamakan distorsi cross over.
Gambar 34
Gelombang Distorsi Cross Over
Solusinya adalah buat disain agar ICQ bernilai antara 1% sampai 5% dari IC(sat) .
Hal ini sudah cukup untuk menghilangkan distorsi cross over. ICQ tidak
ditempatkan pada nol, tapi pada harega seperti gambar di bawah.
Gambar 35
Garis Beban ac dan dc
Gambar 36
Garis Beban dan Ayunan Kepatuhan Keluaran AC
28
Ayunan dan effisiensi dari penguat kelas B dapat dilihat dari gambar garis
beban gambar 36. Dimana VCE(cutoff) = VCEQ = 0,5.VCC adalah 0,5 dari nilai PP,
sehingga PP bernilai VCC. Dari sini nampak bahwa kepatuhan keluaran ac pada
kelas B bernilai jauh lebih besar daripada kelas A. Sehingga nilai effisiensi pada
kelas B pasti jauh lebih besar dibanding kelas A. Karena effisiensi berbanding
lurus dengan kuadrat PP.
Daya Beban
Daya beban ac penguat push pull kelas B adalah :
Dimana PL= daya beban ac
VPP = tegangan beban,
Garis beban ac di atas adalah ideal untuk pengikut push pull kelas B karena
mengabaikan VCE(sat) dan ICQ. Namun pada penguat yang sebenarnya, titik jenuh
ac tidak tepat menyentuh sumbu vertikal, dan titik Q sedikit di atas titik putus.
Karena kepatuhan keluaran ac sama dengan tegangan p-p, daya beban maksimum
adalah:
Dari gambar 36, karena PP sama dengan 2VCEQ, daya beban maksimum bisa
juga ditulis sbb:
Gambar 37
Kurva Daya Beban
L
PPL
R
VP
8
2
LmaksL
R
PPP
8
2
)(
L
CEQ
maksLR
VP
2
2
)(
29
Daya beban berubah seiring berubahnya tegangan beban p-p. Daya beban naik
mencapai maksimum saat tegangan beban p-p sama dengan kepatuhan keluaran
ac, seperti gambar 37. Namun jika tegangan beban p-p bernilai setengah
kepatuhan keluaran ac, maka daya beban hanya bernilai seperempat saja dari nilai
beban maksimum.
Dissipasi Daya Transistor
Dari gambar 38 di bawah, dalam keadaan tanpa sinyal, transistor-transistor pada
penguat push pull kelas B menganggur karena hanya sejumlah kecil arus yang
mengalir melalui mereka. Sehingga dissipasi daya setiap transistor amat kecil.
Gambar 38
Kurva Dissipasi dan Effisiensi
Tetapi bila ada sinyal, transistor mempunyai ayunan arus yang besar dan
menyebabkan dissipasi daya yang lebih besar. Dalam kasus terburuk dissipasi
mencapai maksimum bila 63% dari garis beban ac digunakan. Nilai 63% ini
berasal dari angka 2VCC/π. Dissipasi daya transistor maksimum adalah:
PD maksimum bila tegangan beban p-p adalah 0,63PP. Kenaikan tingkat
sinyal menyebabkan dissipasi transistor turun. Karena dissipasi daya terburuk
LmaksD
R
PPP
40
2
)(
30
adalah PP2/40RL, maka tiap transistor pada penguat kelas B harus mempunyai
batas kemampuan daya lebih besar daripada PP2/40RL.
Penguras arus dc
Penguras arus dc dari penguat push pull kelas B adalah:
IS=I1+I2
Dimana I1 = arus dc melalui tahanan-tahanan pemberi prategangan
I2 = arus dc melalui kolektor yang di atas
Bila tak ada sinyal maka I2 = ICQ, dan penguras arus menjadi kecil. Tetapi bila ada
sinyal, penguras arus naik karena arus kolektor yang di atas besar. Bila semua
garis beban ac digunakan, maka transistor yang di atas mempunyai arus setengah
gelombang sinus yang melaluinya dengan harga puncak.
Dan harga rata-rata atau dc dari sinyal setengah gelombang adalah :
I2 = 0,318IC(sat)
Atau
Daya ac yang diberikan pada rangkaian ini adalah :
PS = VCCIS.
Persamaan ini diterapkan pada tiap penguat push pull dengan catu tunggal VCC.
Pada keadaan tanpa sinyal, daya dc kecil karena penguras arusnya minimum.
Tetapi bila sinyal menggunakan semua garis beban ac (sinyal penuh), daya dc
yang diberikan ke rangkaian mencapai maksimum.
Effisiensi Tahapan
Kalau tahapan kelas A dapat mempunyai effisiensi maksimum 25%
(tergantung RC) atau 50% (dengan gandengan trafo). Maka kelas B mempunyai
effisiensi maksimum 78,5%. Adapun nilai effisiensi tahapan ini diperoleh dari :
L
CEQ
satCR
VI )(
L
CEQ
R
VI
318,02
%100)(
)(x
P
P
maksS
maksL
31
Rumus-Rumus untuk Kelas B
Contoh Soal 1
Gambar 39 dibawah memperlihatkan garis beban ac dan dc dari pengikut
emiter dorong-tarik kelas B, Bila RL = 100W. Hitunglah kepatuhan keluaran ac
dan daya beban maksimum.
L
CC
L
CEQ
E
CEQsatC
ECQCEQputCE
LE
E
CEQCQsatC
CCCEQ
R
V
R
V
r
VI
rIVV
Rr
r
VII
VV
2
2
)(
)(
)(
L
PmaksimumD
L
CEQ
L
CC
LmaksimumL
iVP
Ee
eL
LV
R
PP
R
V
R
V
R
PPP
AAA
I
mVr
rR
RA
40
288
25'
'
2
)(
222
)(
%100
318,0
318,0
)(
)(
2
)(2
21
maksimumS
maksimumL
SCCS
L
CEQ
satC
S
P
P
IVP
R
VI
II
III
CC
CCCEQputCE
VPP
VVV
2
)(
32
Gambar 39
Garis beban ac dan dc
Pada gambar 39, ayunan tegangan maksimum selama setengah siklus adalah
15 V. Dengan demikian, kepatuhan keluaran ac adalah :
PP = 2(15 V) = 30 V
Harga ini adalah tegangan puncak ke puncak tak terpotong maksimum yang dapat
diberikan penguat itu. Daya beban maksimum adalah:
Contoh Soal 2
Sebuah penguat dorong tarik kelas B mempunyai tegangan catu 30 V, arus
pemberi prategangan 1 mA, dan arus kolektor tenang 1 mA. Bila penguat
mempunyai garis beban ac seperti gambar ini, berapa penguras arus tanpa sinyal,
penguras arus sinyal penuh, dan efisiensi tahapan?
Jawaban
Penguras arus tanpa sinyal adalah
IS = I1 + I2 =1 mA + 1 mA = 2 mA
Pada keadaan sinyal penuh, seluruh garis beban ac terpakai, dan arus kolektor
rata-rata pada transistor yang diatas naik menjadi
I2 = 0,318 (150 mA) = 47,7 mA
Dengan demikian, penguras arus sinyal penuh adalah
IS = 1 mA + 47,7 mA = 48,7 mA
Sekarang kita akan menghitung efisiensi tahapan.
PL = 1,13 W
WV
P maksimumL 13,1)100(8
)30( 2
)(
33
Daya dc maksimum yang diberikan ke tahapan adalah
PS = (30 V)(48,7 mA) = 1,46 W
Maka efisiensi tahapan adalah:
Efisiensi ini lebih tinggi bila dibandingkan dengan kelas A. Ini adalah
salah satu alasan mengapa rangkaian dorong tarik kelas B menjadi terkenal pada
ujung belakang sistem. Efisiensi yang lebih tinggi berarti daya beban lebih
banyak dari pada kelas A
Prategangan Pembagi Tegangan
Gambar 40
Prategangan Pembagi Tegangan kelas B
Pasangan dioda 2N3904 dan 2N3906 adalah komplementer. Yang pertama
adalah transistor npn dan yang kedua adalah pnp. Karena hubungan seri dari
transistor-transistor komplementer itu, tiap transistor mempunyai drop tegangan
setengah dari tegangan catu, lihat gambar 40. Untuk menghindari distorsi cross
over, ditetapkan titik Q sedikit di atas titik putus, dengan harga VBE sekitar 0,7 V.
Dari data sheet bisa diketahui bahwa penurunan VBE 60 mV menaikkan arus
emitter 10 kali lebih banyak. Sulit menemukan tahanan standar yang dapat
%4,77%10046,1
13,1
W
W
34
menghasilkan harga VBE yang tepat. Untuk menghasilkan titik Q yang tepat ,
diperlukan tahanan yang dapat diatur. VBE turun 2 mV per derajat kenaikan suhu,
untuk arus kolektor tertentu. Bila temperatur naik satu derajat, perubahan
tegangan tertentu pada tiap dioda emitter memaksa arus kolektor naik. Bila
temperatur naik, arus kolektor naik, artinya titik Q bergerak ke atas sepanjang
garis beban dc vertikal. Sejalan dengan pergerakan titik Q kearah arus kolektor
yang lebih tinggi, temperatur transistor juga naik, sehingga harga VBE turun.
Keadaan yang menanjak ini berarti titik Q dapat melantur naik sepanjang garis
beban dc sampai daya yang berlebihan merusak transistor. Bahaya ini disebut
pelanturan thermal. Kemungkinan terjadinya pelanturan thermal ini tergantung
dari sifat-sifat thermal transistor, cara pendinginan, dan heat sink yang digunakan
Prategangan Dioda
Salah satu cara untuk menghindari pelanturan thermal adalah prategangan
dioda seperti gambar 40.
Gambar 41
Prategangan dioda
Gagasannya dengan menggunakan dioda kompensasi untuk memberikan
prategangan bagi dioda emitter. Agar dapat bekerja dengan baik, lengkungan
dioda harus cocok dengan lengkungan VBE dari transistor. Jadi tiap kenaikan
temperatur mengurangi prategangan yang disajikan oleh dioda kompensasi.
Misalnya prategangan 0,65 V menetapkan arus kolektor tenang 2 mA. Bila
temperatur naik 300C, tegangan melintas tiap dioda kompensasi turun 60 mV.
35
Karena VBE yang diminta juga turun sekitar 60 mV, arus kolektor tenangnya tetap
sekitar 2 mA.
Cermin Arus
Prategangan dioda berdasarkan pengertian cermin arus, adalah teknik
rangkaian yang banyak digunakan pada rangkaian-rangkain terpadu linier. Pada
gambar 42 dibawah ini, arus basis jauh lebih kecil dari pada arus yang mengalir
lewat tahanan dan dioda. Oleh karena itu arus tahanan dan arus dioda hampir
sama.
Gambar 42
Cermin arus npn dan pnp
Bila lengkungan dioda tepat sama dengan lengkungan VBE dari transistor, arus
dioda sama dengan arus emitter. Karena arus kolektor hampir sama dengan arus
emitter, maka disimpulkan arus kolektor hampir sama dengan arus yang mengalir
melalui tahanan pemberi prategangan. Berikut ini adalah persamaannya.
Maka penetapan arus kolektor dilakukan dengan mengatur arus tahanan. Arus
yang melalui tahanan dicerminkan kedalam rangkaian kolektor, maka rangkaian
ini disebut cermin arus.
Penggerak Kelas B
Penggerak penguat kelas B yang baik menggunakan penggerak CE tergandeng
langsung seperti gambar 43. Transistor Q2 adalah sumber arus yang menentukan
arus pemberi prategangan dc yang melalui dioda.
RC II
36
Gambar 43
Penggerak penguat kelas B
Dengan mengatur R2, arus emitter dc yang melalui R4 dapat diatur, artinya Q2
menjadi sumber bagi arus searah yang mengalir melalui dioda-dioda kompensasi.
Karena sifat cermin arus, harga arus tenang yang sama mengalir pada kolektor Q3
dan Q4. Bila sebuah sinyal ac menggerakkan masukan, Q2 berlaku seperti penguat
terbenam. Sinyal ac yang diperkuat dan diperbalik pada kolektor Q2
menggerakkan basis Q3 dan Q4. Pada setengah siklus positif, Q3 bekerja dan Q4
mati. Pada setengah siklus negatif, Q3 mati dan Q4 bekerja. Karena kapasitor
pangganding keluar bersifat terhubung ac, sinyal ac diganding ke resistansi beban.
Gambar 44 di bawah ini memperlihatkan rangkaian ekivalen ac dari penggerak
CE.
. Gambar 44
Rangkaian ekivalen ac dari Penggerak penguat kelas B
37
Dioda diganti dengan resistansi emitter ac nya, pada rangkaian praktis maka
r’e bernilai 100 kali lebih kecil dari pada R3. Sehingga rangkaian ekivalen ac nya
disederhanakan menjadi gambar 44. Tahapan penggerak berupa penguat
terbenam dengan bati tegangan tanpa beban sebesar :
Biasanya Zin(basis) dari transistor kelas B amat tinggi Sehingga bati tegangan
dengan beban dari tahapan penggerak hampir sama dengan bati tegangan tanpa
beban.
Aplikasi dari rangkaian penguat daya kelas B antara lain :
1. Split Supply
Bila tersedia catu belah, maka masukan dan pengeluarannya dapat direferensikan
ke tanah, seperti gambar 45 di bawah. Karena catunya sama dan berlawanan
polaritas, setiap transistor mempunyai VCEQ sebesar VCC. Artinya tegangan keluar
tenang adalah nol. Sehingga sinyal dapat digandeng langsung ke tahanan beban.
Tegangan tenang diantara dioda kompensasi adalah nol.
Gambar 45
Split Supply
Sehingga titik ini menjadi masukan titik yang baik untuk pemakaian -
pemakaian yang membutuhkan masukan bereferensi nol. Selama menyangkut
sinyal ac, dioda berlaku sebagai resistansi kecil r’e. Karena zin(basis) setiap
transistor amat tinggi, hampir semua sinyal masuk ac melintas melalui dioda ke
4
3
R
RA
38
basis transistor-transistor kelas B. Keuntungan lain adalah kepatuhan keluaran ac
nya besar, yaitu:
PP = 2Vcc
Artinya rangkaian dapat menghasilkan daya beban tanpa distorsi yang lebih
banyak.
2. Kompensasi Termistor
Termistor (tahanan yang nilainya turun bila temperaturnya naik) dapat
digunakan sebagai pengganti cermin arus untuk mengkompensasi CC push pull
kelas B. Suhu kamar R2 dipilih untuk menetapkan titik Q sedikit diatas titik
putus. Bila temperatur naik, VBE yang diminta turun 2 mV per derajat. Karena
resistansi termistor juga turun, tegangan yang diterapkan pada dioda emitter juga
sedikit berkurang. Jika termistor yang digunakan tepat, ia dapat mengkompensasi
kenaikan temperatur. Berikut adalah gambar 46 dan rangkaiannya.
Gambar 46
Kompensasi Termistor
3. Darlington Dan Sziklai
Bila pengikut emitter push pull tidak cukup kaku untuk resistensi beban,
digunakan pasangan darlington, seperti ditunjukkan dalam gambar 47. Setiap
pasangan darlington berlaku seperti satu transistor dengan bati arus yang amat
tinggi. Oleh karena itu impedansi masuk pada basis naik dan impedansi keluar
pada emitter turun. Karena setiap pasangan Darlington mempunyai dua drop
39
tegangan VBE, diperlukan empat dioda kompensasi, seperti ditunjukkan pada
gambar 21. Rangkaian seperti ini dapat menghasilkan daya beban ac yang besar.
Gambar 47
Pasangan Darlington Menaikan Daya Beban
4. Pasangan Darlington Menaikan Daya Beban
Gambar 48 berikut memperlihatkan rangkaian push pull kelas B dengan
pasangan Darlington diatas dan pasangan Sziklai dibawah. Pasangan Sziklai
(disebut juga darlington komplementer) bertindak seperti transistor pnp dengan
bati arus yang amat tinggi. Keuntungan dari rangkaian ini lebih mudah
mencocokkan transistor-transistor dayanya karena kedua transistornya dari jenis
yang sama (npn).
Gambar 48
Tahap Keluaran Darlington Dan Sziklai
40
5. Phase Splitter
Dua basis pada gambar 49 berikut menerima sinyal ac yang berbeda 1800 satu
dengan lainnya. Hal ini perlu karena kedua transistor mempunyai jenis yang sama
(npn). Sebuah trafo cukup mahal dan makan banyak tempat digunakan untuk
menghasilkan dua sinyal yang saling berlawanan.
Gambar 49
Penguat dorong tarik gandengan transformator
Selanjutnya emitter yang dibootstrap menghasilkan sinyal sefasa, sedangkan
kolektor menghasilkan sinyal yang berlawanan fasa. Dengan demikian sinyal-
sinyal keluar mempunyai amplitudo sama tetapi dengan fasa yang berlawanan.
Suatu jenis penggerak yang tepat digunakan untuk rangkaian pada gambar 49
diatas. Dengan kata lain kita dapat mengganti transformator masuk dengan
pembelah fasa. Rangkaian pembelah fasa ini amat penting untuk menggerakkan
rangkaian yang membutuhkan sinyal masuk yang sama dan berlawanan fasa.
Pembelah fasa seperti gambar 50 berikut lebih praktis digunakan sebagai
penggerak masuk.
Gambar 50
Rangkaian pembelah fasa
41
Pembelah fasa adalah penguat terbenam yang cukup berat. Karena tahanan
kolektor dan emitter mempunyai harga yang sama, pembelah fasa mempunyai bati
tegangan tanpa beban sama dengan satu.
Batas Kemampuan Daya Transistor
Temperatur pada sambungan kolektor menentukan batas disipasi daya yang
diinginkan,PD. Tempratur sambungan dalam jangkauan 1500C sampai 200
0C
akan merusak transistor. Data sheet mencantumkan temperatur sambungan
maksimum ini sebagai TJ(maks). Misalnya data sheet untk 2N3904 memberikan
TJ(maks) sebesar 1500C, data sheet untuk 2N3719 menentukan TJ(maks) sebesar
2000C.
Suhu Lingkungan (Ambient Temperature)
Panas yang timbul pada persambungan dilewatkan melalui kotak transistor
(kemasan logam atau plastik) dan dipancarkan ke udara sekitarnya. Suhu udara
ini, yang dikenal sebagai suhu lingkungan, biasanya sekitar 250C, tetapi dapat
lebih tinggi pada hari yang panas. Demikian pula suhu lingkungan dapat jauh
lebih di dalam peralatan elektronika.
Faktor Penurunan Batas Kemampuan
Lembaran data sering menentukan PD(maks) sebuah transistor pada suhu
lingkungan 250C, misalnya, transistor 2N1963 mempunyai PD(maks) = 4 W untuk
TA = 250C. Artinya 2N1963 yang digunakan pada penguat kelas A dapat
mempunyai disipasi daya tenang setinggi 4 W. Selama suhu lingkungan 250C
atau kurang, transistor masih bekerja di dalam batas kemampuan daya yang
ditentukan. Jika temperatur lebih besar dari 250C, maka harus dturunkan batas
kemampuan dayanya.
Misal pada suhu lingkungan pada 1000C batas kemampuan dayanya
adalah 2 W. Berdasarkan grafik gambar 51 berikut, maka batas kemampuan daya
turun secara linier terhadap suhu.
Persamaan untuk penurunan batas kemampuan daya adalah :
)25( 0CTDP A
42
Dimana ΔP= Penerunan batas kemampuan daya .
D = Faktor penurunan batas kemampuan.
Gambar 51
Faktor Penurunan Batas Kemampuan
Misalnya bila suhu lingkungan naik sampai 750C, maka batas kemampuan
dayanya harus dikurangi sebesar :
ΔP = 26,7 mW x (75,25) = 1,34 W.
Sehingga batas kemampuan daya pada 250C adalah 4 W. Dan pada temperatur
yang baru sebesar :
PD(maks) = 4 W – 1,34 W = 2,66 W.
Harga ini sesuai dengan lengkungan penurunan batas kemampuan
Heat Sink
Heat sink atau penyalur panas adalah cara membuang panas dengan lebih
cepat untuk menaikkan batas kemampuan daya transistor. Merupakan sejenis
panyalur panas, bila dipasang pada kotak transistor, panas akan lebih cepat
memancar karena sirip-siripnya menambah luas permukaan kotak. Bila ingin
menambah luas permukaan kotak transistor, panas akan terhambur ke udara
sekitarnya dengan lebih mudah.
Suhu Kotak
Bila panas mengalir keluar dari transistor, maka panas akan mengalir melalui
kotak transistor dan masuk ke dalam penyalur panas, kemudian dipancarkan ke
43
udara. Suhu lingkungan TA lebih dingin dibanding suhu kotak TS dan suhu
transistor TC.
Batas kemampuan daya transistor (dissipasi daya) akan menurun seiring naiknya
temperatur transistor. Artinya transistor dengan tipe 2N5877 pada suhu kamar
(250C) memiliki kemampuan dissipasi maksimum 150W. Berarti dia mampu
dikenai rugi-rugi daya sampai batas maksimum harga tersebut, tanpa mengalami
kerusakan atau kegagalan operasi. Namun makin tinggi temperatur transistor,
makin nilai batas kemampuan dayanya juga turun hingga bila temperatur
transistor mencapai 2000C nilai batas kemampuan dayanya atau transistor tidak
bisa dioperasikan sama sekali karena tidak bisa menanggung rugi daya sama
sekali.
Berikut rumus penurunan batas kemampuan daya :
ΔP = D(TC-250C)
ΔP = penurunan kemampuan daya
D = faktor penurunan batas kemampuan daya
TC = suhu kotak
Analisis Thermal
Resistansi thermal θ adalah resistansi aliran panas diantara dua titik suhu. Pada
saat panas mengalir dari kotak transistor ke penyalur panas, ia memiliki resistansi
thermal θCS. Ketika panas mengalir dari penyalur ke udara resistansi thermalnya
θSA. Dissipasi daya transistor memiliki kecepatan sama dengan kecepatan panas
yang mengalir keluar dari transistor.
Maka persamaan untuk suhu kotak menjadi sebagai bereikut :
TC = TA + PD (θCS + θSA)
TC = suhu kotak
TA = suhu lingkungan
PD = dissipasi daya transistor
θCS = resistansi thermal antara kotak dan penyalur
θSA = resistansi thermal antara penyalur dan udara sekitar
44
Kumpulan Latihan Soal Dan Pembahasannya:
1. Dari rangkaian di bawah, gambarkanlah garis beban ac dan dc nya, serta
hitung kepatuhan keluaran ac, daya beban maksimum dan dissipasi daya
maksimum. Jika diketahui ICQ = 20mA, hitung effisiensi rangkaian.
Gambar 52
Jawab :
Garis beban ac :
I C(sat) = ICQ + VCEQ/RL = 20 mA + 10V/100Ω = 20 mA + 100 mA = 120 mA.
V CE(cutoff) = VCEQ + ICQ.RL = 10V + 20 mA.100Ω = 10 V + 2V = 12 V.
Garis beban dc :
V CE(cutoff) = VCEQ = 10V.
Kepatuhan keluaran ac = PP = VCC = 20V.
Gambar 53
45
Daya beban maksimum :
P L(maks) = PP2/8RL = 20
2/8.100 = 400/800 = 500 mWatt.
Dissipasi daya maksimum :
P D(maks) = PP2/40RL = 20
2/40.100 = 400/4000 = 100 mWatt.
I1 = (20 – 2.0,7)/2.470 = (20 – 1,4)/940 = 18,6/940 = 19,79 mA.
I2 = 0,318. IC(sat) = 0,318. 120 mA = 38,16 mA
IS = I1 + I2 = 19,79 mA + 38,16 mA = 57,95 mA.
PS = IS.VCC = 57,95 mA. 20V = 1159mW = 1,159 W.
Effisiensi :
η = PL(maks) / PS = 500mW/1159 mW = 43,14 %.
2. Pada gambar di atas, R diatur untuk mendapatkan VBE = 0,68V dan ICQ =
20 mA. Berapa penguras arus tanpa sinyal dari tahapan ini? Berapa penguras arus
sinyal penuh? Berapa efisiensi tahapannya?
Jawab :
ICQ = 20 mA, I1 = (20 – 2.0,68)/2.620 = (20 – 1,36)/940 = 19,83 mA.
VCEQ = VCC /2 = 20/2 = 10 V.
Penguras arus tanpa sinyal :
IS = I1 + ICQ = 19,83 mA + 20 mA = 39,83 mA.
Penguras arus sinyal penuh :
I C(sat) = ICQ + VCEQ/RL = 20 mA + 10 V/100Ω = 20 mA + 100 mA = 120 mA.
I2 = 0,318. IC(sat) = 0,318. 120 mA = 38,16 mA
IS = I1 + I2 = 19,83 mA + 38,16 mA = 57,99 mA.
Daya beban maksimum :
P L(maks) = PP2/8RL = 20
2/8.100 = 400/800 = 500 mWatt.
Dissipasi daya maksimum :
P D(maks) = PP2/40RL = 20
2/40.100 = 400/4000 = 100 mWatt.
Daya Masuk :
PS = IS.VCC = 57,99 mA. 20V = 1159,8 mW = 1,1598 W.
Effisiensi :
η = PL(maks) / PS = 500mW/1159,8 mW = 43,11 %.
46
3. Setelah mengatur R pada gambar di atas, VBE = 0,66V dan ICQ = 5 mA. bila
suhu transistor naik dari 250C sampai 55
0C berapa harga ICQ yang baru?
Jawab :
Tiap kenaikan suhu 10C, VBE turun 2 mV. Dan tiap penurunan nilai VBE
sebesar 60 mV menyebabkan arus kolektor (ICQ) naik 10 kali lipat. Untuk
kasus ini, kenaikan suhu adalah 300C yaitu dari 25
0C sampai 55
0C. Maka
VBE turun sebesar (30).(2 mV) atau 60 mV, artinya kolektor (ICQ) naik 10 kali
lipat, sebesar 10. 5 mA = 50 mA.
4. Pada gambar di bawah, berapa arus yang mengalir melalui tahanan-tahanan
pemberi prategangan? Bila lengkungan dioda cocok dengan lengkungan VBE
sama dengan berapa harga ICQ yang baru?
Gambar 54
Jawab :
Arus yang mengalir melalui tahanan-tahanan pemberi prategangan :
I1 = (15 – 2.0,7)/2.620 = (15 – 1,4)/1240 = 11 mA.
Bila lengkung dioda pemberi prategangan cocok dengan VBE, maka :
ICQ = I1 = 11 mA.
5. Tegangan catu pada gambar di atas berubah dari 15 V menjadi 25 V. Berapa
ICQ ?
Jawab :
ICQ = I1 = (25 – 2.0,7)/2.620 = (25 – 1,4)/1240 = 19,03 mA.
47
Latihan Soal
1. Pada gambar di bawah berapa harga R yang menghasilkan VCEQ = 10 V untuk
setiap transistor keluaran? Gunakanlah tegangan jatuh 0,7 V untuk dioda
kompensasi. Hitung tegangan di tiap terminal dan arus di tiap cabang.
2. Di tahap 2, hitung bati tegangan, gambarkan garis beban ac dan dc, serta
hitung effisiensi jika dianggap berlaku cermin arus.
Gambar 55
48
Bab III : Op-Amp
Teori Dasar Penguat Operasional
Sekitar sepertiga dari semua IC linier adalah penguat operasional (op amp).
Op amp yang biasa adalah penguat dc dengan bati tinggi yang dapat digunakan
untuk frekuensi 0 sampai lebih dari 1 MHz. Bati tegangan dan lebar pita dari
sebuah op amp dapat diatur dengan memasang tahanan-tahanan luar.
Ada lebih dari 2000 tipe op amp yang tersedia secara komersiil dan sebagian
besar adalah alat-alat daya rendah. Keuntungan dari pemakaian penguat
operasional ini adalah karakteristiknya yang mendekati ideal sehingga dalam
merancang rangkaian yang menggunakan penguat ini lebih mudah dan juga
karena penguat ini bekerja pada tingkatan yang cukup dekat dengan karakteristik
kerjanya secara teoritis.
Op amp pernah dibuat dari komponen-komponen diskrit, namun saat ini
sebagian besar op amp dibuat dari serpihan-serpihan (chips). Perangkat ini sering
digunakan sebagai penguat sinyal-sinyal, baik yang linier maupun yang non linier
terutama dalam sistem-sistem pengaturan dan pengendalian, instrumentasi, dan
komputasi analog. Penguat diferensial adalah suatu penguat yang bekerja dengan
memperkuat sinyal yang merupakan selisih dari kedua masukannya. Penguat ini
banyak digunakan sebagai tahapan masuk dari op amp yaitu untuk menentukan
karakteristik input op amp.
Beberapa Contoh Rangkaian Differensial
A. Masukan berujung ganda dan keluaran berujung ganda.
B. Masukan berujung tunggal dan keluaran berujung ganda.
C. Masukan berujung ganda dan keluaran berujung tunggal.
D. Masukan berujung tunggal dan keluaran berujung tunggal.
Uraian A. Masukan berujung ganda dan keluaran berujung ganda.
Rangkaian ini mempunyai dua masukan, yaitu V1 dan V2. Lihat gambar 56.
Karena tanpa melalui kapasitor kopling, frekuensi sinyal masuknya bisa
berapapun, nol sekalipun atau dikatakan sinyal input bisa dc dan bisa ac.
49
Rangkaian ini simetris sehingga RC dan transistor keduanya saling identik.
Sehingga saat V1 = V2, maka Vout = nol.
Gambar 56
Penguat Diferensial Masukan dan keluaran berujung ganda
Jika V1>V2 maka polaritas sesuai gambar, dan jika V1<V2 maka polaritas dari
Vout dibalik. Vout sefase dengan V1 dan berbeda fase dengan V2 sebesar 1800. V1
disebut masukan tak membalik dan V2 disebut masukan membalik. Vout adalah V
antara C dan C. Vout = Av(V1-V2), Av = RC/r’e, r’e adalah resistansi emitter ac
= 25 mV/IE dan rin = 2r’e, beban RL dipasang antara C dan C.
Uraian B. Masukan berujung tunggal dan keluaran berujung ganda.
Gambar 57
Penguat Diferensial Masukan tunggal dan keluaran berujung ganda
50
Rangkaian ini memiliki satu masukan saja karena masukan V2 diground. Lihat
gambar 57. Sehingga Vout = Av. V1 dengan polaritas sesuai gambar. RL dihubung
antara C dan C.
Uraian C. Masukan berujung ganda dan keluaran berujung tunggal
Gambar 58
Penguat Diferensial Masukan berujung ganda dan keluaran tunggal
Jenis ini paling banyak dipakai untuk menggerakkan beban-beban bebas
berujung tunggal ( contoh : CE, CC, juga untuk tahapan masuk dari sebagian
besar op amp). Lihat gambar di atas. Vout = Av. (V1-V2), Vout = VC ke tanah,
Av = RC/2r’e, Av dari rangkaian C ini nilainya ½ dari rangkaian A.
Uraian D. Masukan berujung tunggal dan keluaran berujung tunggal.
Gambar 59
Penguat Diferensial Masukan dan keluaran berujung tunggal
51
Analisa DC dari Penguat Differensial
Gambar 60
Rangkaian Ekivalen DC dari Differensial Amplifier
Gambar 60 di atas memperlihatkan rangkaian ekivalen dc dari sebuah
differensial amplifier dengan masukan berujung ganda dan keluaran berujung
tunggal. Basis-basisnya dikembalikan ke tanah melalui resistansi RB. Resistansi
ini dapat berupa tahanan yang sesungguhnya atau resistansi thevenin dari
rangkaian yang menggerakkan differensial amplifier. Yang jelas harus ada jalur dc
dari masing-masing basis ke tanah, sebab jika tidak, akan menyebabkan transistor
putus.
Arus Ekor
Differensial amplifier kadang-kadang disebut pasangan ekor panjang karena
terdiri dari dua transistor yang dihubungkan dengan satu tahanan emitter
(ekornya). Arus yang melalui tahanan ini (RE)disebut arus ekor. Bila
transistornya sama (karakteristik Q1 = Q2), arus ekor terpecah sama rata diantara
Q1 dan Q2. Rangkaian ekivalen bisa dilihat pada gambar berikut. Setiap emitter
diberi prategangan melalui resistansi 2RE.
Rangkaian ini menghasilkan arus emitter yang sama dengan rangkaian
asalnya. (gbr 60 = gbr 61). Karena 2RE//2RE = RE
52
Gambar 61
Rangkaian Ekivalen DC dari Differensial Amplifier
Prategangan Emitter
Dari gambar 61 di atas, arus yang lewat transistor :
Jika diasumsikan arah IE ke atas.
Atau atau
Kesimpulan arah IE ke bawah dengan nilai :
Sehingga arus ekor (IT)= 2 x IE
Arus Offset Masukan
Arus offset masukan ( Iin(off) ) = perbedaan arus-arus basis dari Q1 dan Q2.
(Iin(off) ) = IB1-IB2, jika kedua transistor identik maka Iin(off) =nol. Arus prategangan
masukan = rata-rata dari kedua basis. Iin(prat) = (IB1+IB2)/2, maka :
E
EBEEE
R
VVI
2
E
BEEEE
R
VVI
2
E
BEEEE
R
VVI
2
E
BEEEE
R
VVI
2
2
2
)(
)(2
)(
)(1
offin
pratinB
offin
pratinB
III
III
53
Tegangan Keluaran
Dari gambar 61 diatas jika kedua basis dihubungkan ke tanah, bila
transistornya sama maka tegangan dc tenang pada keluaran (tegangan kolektor ke
tanah):
VC = VCC – ICRC
Dimana IC = IE.
Tegangan Offset Masukan
Bila karaktristik kedua transistor tidak sama (r’e berbeda), maka arus emitter
dc (IE) tidak sama dari Q1 dan Q2. Sehingga muncul tegangan offset keluaran
(Vout(off)). Tegangan offset masukan (Vin(off)) adalah tegangan masuk yang
dibutuhkan agar (Vout(off)) = nol.
Contoh bila (Vin(off)) = ±5mV.
• Maka perlu diberi tegangan ±5mV pada salah satu masukan untuk
mengenolkan Vout(off). Makin kecil Vin(off) berarti penguat differensial
makin baik sebab kedua Q hampir sama.
Analisa DC Dari Sebuah Penguat Differensial
Gambar 62 di bawah ini memperlihatkan sebuah differensial amplifier dengan
masukan tak membalik V1 dan masukan membalik V2.
Gambar 62
Differensial Amplifier
54
Masukan Tak Membalik
Gambar 63 berikut ini adalah contoh rangkaian penguat differensial dengan
masukan tak membalik karena V2 telah terpasang penguat Common Base. Sinyal
masuk menggerakkan Q1 yang bertindak sebagai pengikut emitter (CC). Keluaran
pengikut emitter menggerakkan Q2 yang merupakan pangkat basis sekutu.
Karena tidak ada pembalikan fase (baik CC maupun CB tdk membalik fasa) maka
keluaran akhirnya sefase dengan masukan V1. Itu sebabnya V1 disebut masukan
tak membalik.
Gambar 63
Penguat Diferensial dengan masukan tak membalik
Masukan Tak Membalik
Gambar 64
Ekivalen AC Masukan Tak Membalik
errin
er
RA C
'2
'2
55
Gambar 64 adalah rangkaian eqivalen ac dari rangkaian diatas. Pada
rangkaian praktis RE jauh lebih besar dari pada r’e sehingga rangkaian dapat
disederhanakan menjadi rangkaian berikutnya.
Masukan Membalik
Pada gambar 65 berikut Q2 menggerakkan Q1 yang mempunyai resistensi
masuk r’e. Sedang dibawah ini contoh rangkaian penguat differensial dengan
masukan membalik karena V1 telah terhubung oleh penguat Common Base. Dan
di sampingnya adalah rangkaian eqivalen ac nya.
Gambar 65
Penguat Differensial dengan masukan membalik dan Rangkaian Ekivalen AC
Bati Differensial
Cara mencari bati tegangan total adalah dengan kedua masukan diaktifkan
pada saat yang bersamaan sehingga :
Vout = Vout1 + Vout2 (penjumlahan dari kedua macam masukan diatas).
)('2
21 VVer
RV C
out
56
Impedansi Masuk
Impedansi masuk dari differensial amplifier adalah :
Rin = 2br’e.
Impedansi masuk ini dua kali harga yang dimiliki penguat CE biasa. Faktor
dua muncul karena r’e setiap transistor terpasang seri.
Penguat Operasional
Tahun 1965, FairChild Semikonduktor memperkenalkan op amp monolitik
pertama yang banyak digunakan yaitu uA 709. Monolitik adalah komponen–
komponen yang merupakan bagian dari satu serpihan. Karena masih banyak
kekurangan , lalu muncul op amp yang lebih baik yaitu uA 741 (kelebihan :
murah & mudah).
contoh dari uA 741 = MC 741 (Motorola), LM 741 (National Semikonduktor),
SW 72741 (Texas Instrument).
Dan op amp 741 ini menjadi standart industri. Op amp 741 ini telah menjadi
standar industri. 741 ini mempunyai banyak versi antara lain : 741, 741 A, 741 C,
741E, 741N dll, masing-masing versi berbeda dalam hal penguatan tegangan
(Av), jangkauan temperatur, tingkat derau dan karakteristik-karakteristik lain.
Diantara versi diatas, yang paling murah dan laku adalah 741 C (huruf C
digunakan untuk kelas komersial). Kriteria dari 741 C ini adalah : Zin= 2MW,
Zout = 75 W, Av = 100.000. Adapun bagan skematik dari 741 seperti gambar 66
berikut :
Gambar 66
Bagan Skematik dari 741
57
Gambar 66 di atas adalah bagan skematik untuk 741. Rangkaian tersebut
ekivalen dengan 741 dan beberapa op amp generasi berikutnya. Q1 dan Q2 adalah
penyusun differensial amplifier (untuk tahap masukan), Q13 dan Q14 adalah
penyusun cermin arus yang kemudian menjadi sumber bagi arus ekor differensial
amplifier sehingga CMRR tinggi. Q3 dan Q4 sebagai beban berupa arus cerminan
agar Av (bati tegangan) bernilai tinggi.
Output differensial amplifier (kolektor Q2) menggerakkan basis Q5 (penyusun
CC) sehingga Zout tinggi (untuk menghindari pembebanan pada differensial
amplifier). Sinyal yang keluar dari Q5 menggerakkan Q6 (yang merupakan
penggerak kelas B). Tanda plus pada Q5 berarti terminal tersebut dihubung ke
catu +VCC. Dengan demikian tanda minus di bawah R2 dan R3 berarti bahwa
ujung-ujung ini dihubungkan dengan catu –VEE.
Tahapan terakhir adalah Q9 dan Q10 = CC pushpull kelas B. Karena adanya
catu belah (dengan nilai tegangan positif sama dengan negatif) sehingga Vout = 0
untuk input = 0 atau dengan kata lain Vout(off) = 0 jika Vin(off) = 0 pula. Q11 dan Q12
adalah beban cermin arus penggerak kelas B.
Apabila terjadi penyimpangan pada Vout, maka ini disebut tegangan offset
keluaran (Vout (off)). Jadi rangkaian ini dengan CMRR tinggi berusaha menolak
sinyal gangguan apapun dari luar untuk dikuatkan sehingga diharapkan error =
nol. Penguat ini juga disebut penguat dc karena dapat bekerja pada ac dan dc
(bisa bekerja mulai frekuensi nol).
Pembebanan Aktif
Pada gambar 66 di atas, terdapat dua pembebanan aktif (dengan
menggunakan transistor-transistor untuk beban sebagai pengganti tahanan-
tahanan). Yang pertama, beban cermin arus (Q3 dan Q4) pada differensial
amplifier. Yang kedua, beban cermin arus (Q11 dan Q12) pada tahapan penggerak.
Karena sumber arus mempunyai impedansi tinggi, beban aktif menghasilkan bati
tegangan jauh lebih tinggi daripada yang dicapai oleh tahanan-tahanan.
Beban aktif ini menghasilkan bati tegangan khas 100.000 untuk 741.
Komponen Cc disebut kapasitor kompensasi. Karena adanya efek Miller,
kapasitor yang hanya khasnya 30 pF ini mempunyai pengaruh yang nyata pada
58
tanggapan frekuensi. Cc ini berfungsi menurunkan bati tegangan desibel pada
kecepatan 20 dB perdekade. Hal tersebut dapat mencegah osilasi (sinyal tak
diinginkan yang dihasilkan penguat). Rin dari differensial amplifier bernilai : rin =
2βr’e. Dengan arus ekor yang kecil pada masukan differensial amplifier, op amp
bisa mempunyai impedansi masuk yang cukup tinggi.
Misal masukan differensial amplifier memiliki arus ekor 15 uA sehingga IE = 7,5
uA, maka :
r’e = 25 mV/IE = 25 mV/7,5 uA = 3,33 kW.
Tiap transistor input dari 741 ini mempunyai b khas 300, rin = 2βr’e =
2.300.3,33K = 2MW.
Nilai ini tercantum pada data sheet 741. Gambar 66 di atas bisa disederhanakan
menggunakan lambang skematik. Gambar 67 berikut memperlihatkan cara
sederhana untuk menggambarkan sebuah penguat dengan dua masukan dan satu
keluaran. Av adalah bati tegangan tanpa beban.
Lambang Skematik
Gambar 67
Lambang Skematik
Zin dan Rangkaian keluaran Thevenin
Analisa Rangkaian op amp.
Pada gambar 68, rin adalah impedansi diantara terminal-terminal masuk.
Untuk 741 bernilai 2 MW. Selama op amp bekerja di daerah liniernya (transistor
tak jenuh), outputnya dapat diganti dengan rangkaian thevenin.
59
Gambar 68
Rangkaian Thevenin
Vout thevenin :
VTH = Av.(V1-V2), untuk 741 C
Av = 100.000 dan rout = 75 W.
Jadi rin tinggi, A tinggi dan rout rendah.
Tegangan Offset Masukan
Bila input Op Amp terhubung ke ground, muncul tegangan ofset keluaran
(Vout(off)), seperti gambar 69a berikut. Ini akibat perbedaan VBE kedua transistor
masukan (Q1 & Q2) Vin(off) yang kecil ini setelah masuk Op Amp akan dikuatkan
sehingga menjadi Vout(off) yang cukup besar.
Contoh : 741 C mempunyai Vin(off) sebesar 2mV. Artinya VBE satu transistor
masukan nilainya berbeda dengan VBE transistor masukan lainya sebesar 2 mV.
Harga 2 mV ini oleh sistem akan diperkuat secara otomatis sehingga berdampak
munculnya tegangan offset keluaran.
Penjelasan Gambar 69 :
Gambar a menunjukkan adanya Vout(off). Ini dapat diatasi dengan memasang
sbr tegangan yang besarnya setara dengan selisih V1 & V2 pada masukan
membalik, sehingga Vout =0 (ini terjadi pada gambar b).
Akibat arus prategangan, walau VBE dari Q1 & Q2 telah sama, tapi saat pada
masukan tak membalik terdapat tahanan RB,, maka pada V1 akan muncul
tegangan IBI.RB, sehingga dari kedua inputan ada selisih tegangan (Vin(off))
sebesar IBI . RB dan hal ini akan dikuatkan Op Amp. (gambar c)
60
Dimana V in(off) = VBE1 – VBE2
Gambar 69
Tegangan Ofset Keluaran
Bila IBI = IB2 (ini jarang/tidak ada) maka kondisi diatas bisa diimbangi dengan
memasang RB pada masukan membalik. Sehingga diperoleh V1 = V2 (selisih
tegangan masukan = nol). Dan diperoleh Vout(off) = nol. (lihat gambar d)
Arus Prategangan Masuk
Suatu op amp jika transistor-transistor masukannya mempunyai harga VBE
yang sama, maka tegangan offset masukannya berharga nol. Walau demikian
masih muncul kesulitan karena adanya arus prategangan (rata-rata dari arus basis).
Akibat arus prategangan ini jika kedua masukan op amp mempunyai RB, akan
muncul tegangan offset keluaran.
Lihat gambar c di atas. Karena adanya IB1 melalui RB pada masukan tak
membalik, muncul tegangan V1 pada masukan tak membalik dan pada V2 tidak
ada tegangan karena walau ada arus IB2, namun karena tidak ada RB pada masukan
membalik.V1 = IB1.RB, V2 = IB2. 0. Sehingga selisih tegangan masukan tadi akan
dikuatkan menjadi tegangan offset keluaran.
Bila arus basis masukan nilainya sama, maka dapat dilakukan penambahan
tahanan basis pada masukan membalik dari op amp (dengan nilai yang sama
61
dengan RB pada masukan tak membalik) untuk kasus di atas. Lihat gambar d di
atas. Sehingga dengan demikian tegangan offset keluaran akan bernilai nol.
Arus Offset Masukan
Arus-arus basis masukan hampir tak pernah sama karena harga-harga b
biasanya berbeda. Arus offset masukan adalah perbedaan diantara kedua arus-
arus basis. Sehingga walau kita menggunakan RB tambahan seperti gambar 45d
di atas, tetap saja munculnya tegangan offset keluaran tidak dapat dicegah.
Yaitu IB1 IB2, maka selisih kedua IB ini disebut arus ofset masukan (Iin(off)).
Sehingga pada masukan tak membalik
• V1 = IB1 . RB
• pada masukan membalik
• V2 = IB2 . RB
• Masukan diffrensial :
(V1-V2) = (IB1-IB2). RB
V1-V2 = Iin(off). RB
• ini menyebabkan Vout(off).
Resistansi-Resistansi Basis yang Berbeda
Namun pada beberapa rangkaian Op Amp yang ada terdapat beberapa yang
ternyata RB pada kedua masukan nilainya berbeda. RB1 tidak sama dengan RB2
(gambar e).
sehingga V1 – V2 = Vin (off) ,
dan IB1.RB1 tidak sama dengan IB2.RB2 .
Dimana V1 – V2 = tegangan offset masukan total,
Vin(off) = tegangan offset masukanmerupakan perbedaan harga VBE.
IB1 = arus basis pada masukan tak membalik
IB2 = arus basis pada masukan membalik
RB1 = resistansi dc pada basis, pada masukan tak membalik
RB2 = resistansi dc pada basis, pada masukan membalik
Jadi selisih V1 dengan V2 diperoleh karena perbedaan : VBE1 & VBE2, IB1 &IB2, RB1
& RB2 yang cukup komplek sehingga akan dihasilkan tegangan ofset keluaran.
62
Untuk mengurangi tegangan ofset keluaran (Vout(off)) bisa dengan memasang R
luar untuk umpan balik negatif. Sedangkan pemasangan RB di atas adalah
kategori R dalam.
Penguat Ragam Sekutu / Common Mode (CM)
Sinyal CM atau sinyal ragam sekutu = sinyal yang menggerakkan kedua
masukan V1 & V2 dari differensial amplifier dengan nilai yang sama besar.
Namun walau sinyal ini masuk tapi tidak akan dikuatkan oleh differensial
amplifier, karena adanya penolakan dari differensial amplifier.
Sinyal CM ini merupakan sinyal gangguan yang tidak diharapkan oleh
differensial amplifier, contoh : gelombang EM dari sekitar dll. Adapun penolakan
differensial amplifier terhadap sinyal CM dapat ditunjukkan dalam perbandingan
penolakan ragam sekutu (Common Mode Rejection Ratio / CMRR)
Gambar 70
Differensial Amplifier dengan input Common Mode
63
Gambar di atas memiliki ekivalen ac seperti gambar di bawah :
Gambar 71
Ekivalen AC
Dimana transistor memiliki rangkaian ekivalen ac sebagai berikut :
Gambar 72
Model Ebers Moll
Rumus-rumus seputar gambar 71 dan 72 :
Dalam data sheet CMRR dinyatakan dalam desibel (db) dengan rumus :
CMRR' = 20 log CMRR, Bila CMRR = 400, CMRR' = 20 log 400 = 20.2,602 =
52dB. Makin tinggi RE maka CMRR makin tinggi atau kemampuan untuk
menolak gangguan Vin CM semakin bagus. Agar diperoleh RE tinggi, dapat
dilakukan dengan prategangan cermin arus seperti gambar 73 berikut :
EI
mVer
25'
)2'.(
.
)( ECCMin
CCout
ReriV
RiV
)2'( E
CCM
Reric
icR
VinCM
VoutCMA
64
Gambar 73
Penguat Differensial dengan prategangan Cermin Arus
Gambar 73 di atas dipasang pada tahap awal op amp terpadu. Q3 = transistor
yang difungsikan sebagai dioda. Sehingga I pada Q3 :
I pada Q3 = I pada R karena IB pada Q4 sangat kecil mendekati nol. Q4 berfungsi
sebagai pencerminan sehingga I diatas = I pada kolektor Q4.
Penjelasan Gambar
Adapun Q4 diatas berfungsi sebagai sumber arus dengan Z out tinggi,
sehingga Z out dari Q4 atau bisa menduduki posisi RE ekivalen dari rangkaian
differensial amplifier, dan RE ekivalen ini sangat tinggi sampai ratusan kilo ohm
sehingga CMRR bernilai tinggi. Artinya IT harus minim, maka R harus diset
tinggi.
CMRR
Perbandingan penolakan ragam sekutu sudah dijelaskan di atas. Untuk 741,
CMRR’ = 90 dB pada frekuensi rendah. Dari gambar 74, frekuensi 0 (sinyal dc)
s/d frekuensi 100 hz lebih, mk CMRR tinggi sekali. Pada frekuensi yang lebih
tinggi, pengaruh-pengaruh reaktif (munculnya Xc) menurunkan CMRR’, seperti
nampak pada gambar 50 berikut. Shg pada frekuensi tinggi, sinyal CM mungkin
R
VVVI BEEECC
)(
R
VVVI BEEECC
65
akan dikuatkan. Bahwa CMRR’ mendekati 75 dB pada 1 kHz. Dan CMRR’
mendekati 56 dB pada frekuensi 10 kHz. Dan seterusnya.
Gambar 74
Perbandingan Penolakan Ragam Sekutu
Kepatuhan Keluaran AC (PP) pada Rangkaian Differensial
Gambar 75 memperlihatkan beban yang lazim dari kepatuhan ac terhadap
resistansi beban (artinya pada penguat Differensial, PP sangat dipengaruhi oleh
Tahanan beban). Perhatikan bahwa PP mendekati 27 V untuk RL = 10 kW, PP
=25 V untuk RL =1 kW dan PP = 7 V untuk RL=100 W. Sampai sejauh mana
tegangan output (PP) berayun, tergantung dari resistansi beban . Untuk resistansi
beban besar, setiap nilai puncak dapat berayun sehingga berselisih 1 sampai 2 volt
dari tegangan 1 Volt.
Gambar 75
Kepatuhan Keluaran AC
66
Misal bila VCC = 15 V dan VEE = -15 V, tegangan puncak ke puncak tak
terpotong maksimum dengan resistansi beban 10 kW sekitar 27 V. Bila resistansi
beban turun kemiringan garis beban ac berubah (lebih tegak krn Ic(sat) naik dan
VCE(cutoff) turun dari garis beban ac) Bagian belakang dari rangkaian differensial
ini adalah penguat daya kelas B sehingga kepatuhan keluaran ac (PP) turun.
Arus Output Hubung Singkat
Karena 741 C mempunyai impedansi keluar hanya 75 W, bukan berarti dia
bisa memberikan arus output yang besar. Karena op amp monolitik adalah alat
daya rendah, maka arus outputnya terbatas.
Contoh kasus: 741 C dapat memberikan catu arus output hubung singkat hanya
sebesar 25 mA. ada di data sheet.
Jika tahanan-tahanan beban kecil (kurang dari 75 W), jangan diharap bisa
memperoleh tegangan output yang besar (sebab bila RL =75 saja, maka Vout
hanya 0,5 dari Vin yg dikuatkan). Karena tegangan tidak akan bernilai lebih besar
dari pada 25 mA dikalikan dengan resistansi beban.
Tanggapan Frekuensi
Umpan balik negatif artinya mengorbankan sedikit bati tegangan untuk
mendapatkan bati tegangan yang tangguh, distorsi yang lebih kecil dan perbaikan-
perbaikan yang lainnya pada daya. Bila op amp menggunakan umpan balik
negatif, operasinya disebut loop tertutup (close loop). Bila op amp bekerja pada
keadaan terbuka tanpa umpan balik negatif, operasinya disebut loop terbuka (open
loop). Gambar 76 berikut memperlihatkan tanggapan frekuensi sinyal kecil untuk
741 C.
Pada pita tengah, bati tegangan loop terbuka adalah 100.000. op amp 741 C
mempunyai frekuensi cut off loop terbuka fOL = 10 Hz. Seperti tampak pada
gambar 76, bahwa bati tegangan berharga 70.700 (turun 3 db) pada frekuensi 10
Hz ini. Terjadi penurunan nilai dari 100.000 ke 70.700 artinya penurunan =
100000/70700 = 1,414. jika dinyatakan dlm dB = 20 log 1,414 = 20x0,151 = 3dB.
Diluar frekuensi cut off, bati tegangan merosot pada kecepatan ideal 20 dB
perdekade, ini disebabkan oleh Cc yaitu kapasitor kompensasi pada serpihan 741.
67
Maka Bati tegangan mengalami penurunan dari 10000 ke 1000 = 10x shg dlm dB
= 20 log 10 atau 20 log(10000/1000) = 20x1 = 20dB.
Gambar 76
Gambar Tanggapan Frekuensi
Pada gambar 76, fsatu adalah 1 MHz. Lembaran data mencantumkan harga fsatu
karena harga ini memberikan batas bati op amp yang masih berguna. Frekuensi
bati satu, fsatu adalah frekuensi dimana bati tegangan sama dengan satu. Misalnya
untuk lembaran data untuk LM318 mencantumkan fsatu = 15 MHz. artinya LM318
dapat memperkuat sinyal dengan frekuensi yang lebih tinggi daripada yang
dilakukan 741 C. Harga f satu nya 318 lebih tinggi dari 741 C. 741 C
mempunyai bati tegangan pita tengah sebesar 100.000 dan frekuensi cut off 10 Hz
pada operasi loop terbuka.
Sangat tidak dianjurkan mengoperasikan op amp tanpa umpan balik negatif
karena amat labil. Jika diinginkan memperoleh operasi loop tertutup dengan
menambahkan beberapa tahanan dari pada op amp, akan diperoleh bati tegangan
yang lebih kecil tetapi pada pita yang makin besar. Sehingga lebih handal.
Laju Slew (Slew Rate)
Laju slew adalah bagian yang membatasi ukuran tegangan output pada
frekuensi yang lebih tinggi. Untuk memahami laju slew, arus pengisian pada
kapasitor adalah :
68
Dimana i = yang memasuki kapasitor
C = kapasitansi
dv/dt = laju perubahan pada kapasitor.
Persamaan diatas dapat diatur menjadi :
dv/dt = i/C
Persaman diatas mengatakan bahwa laju perubahan tegangan = arus pengisian
dibagi kapasitansi. Makin besar arus pengisian makin cepat kapasitor dimensi.
Jika karena satu hal arus pengisian dibatasi pada harga maksimumnya. Laju
perubahan kecepatan juga dibatasi pada laju maksimumnya. Gambar 77a
memperlihatkan gagasan pembatasan arus dan pengaruhnya pada tegangan output.
Gambar 77
Slew Rate
Arus Imaks mengisi kapasitor. Karena arus ini tetap, tegangan kapasitor naik
linier seperti gambar b. Laju perubahan tegangan output adalah:
dVout/dt = Imaks/Cc .
Sebagai contoh, bila Imaks = 60 uA dan Cc = 30 pF (lihat gambar 78a), maka
perubahan tegangan maksimum adalah :
dVout/dt = 60 uA/30 pF = 2 V/us.
Artinya tegangan keluar melintas kapasitor berubah dengan laju maksimum 2
V/u detik (lihat gambar 78b). Tegangan tak dapat berubah lebih cepat dari harga
69
ini, kecuali kalau bisa menaikkan Imaks atau menurunkan Cc. Laju slew ditetapkan
sebagai laju maksimum dari perubahan tegangan output.
Gambar 78
Slew Rate
Laju slew bisa dirumuskan sebagai berikut :
SR = Imaks/Cc
Laju slew menentukan batas laju perubahan tegangan output.
Distorsi Laju Slew
Pada saat Cc diisi, tegangan keluar naik. Misal pada tahap keluaran bati
tegangan berharga satu, maka laju perubahan tegangan output sama dengan laju
perubahan tegangan melintas Cc. Sehingga laju perubahan tegangan output
maksimum adalah :
SR = IT/Cc
Artinya tegangan output tak dapat berubah lebih cepat daripada perbandingan IT
terhadap Cc.
Contoh 741 C mempunyai IT = 15 uA dan Cc = 30 pF.
Maka laju slew SR = 15 uA/30 pF = 0,5 V/us. Jika kemudian 741 C digerakkan
secara berlebihan dengan masukan yang besar, maka akan menyebabkan
pembatasan laju slew. Pembatasan laju slew bisa pula dengan sinyal sinusoidal.
70
Gambar 79a berikut memperlihatkan output sinus maksimum bila tegangan
puncaknya 10 V.
Gambar 79
Gelombang tegangan dengan slew rate tinggi(a) dan slew rate rendah (b)
Selama kemiringan awal dari gelombang sinus kurang atau sama dengan SR,
maka tidak ada pembatasan laju slew. Namun jika kemiringan awal melebihi SR,
akan terjadi pembatasan laju slew atau terjadi distorsi laju slew seperti gambar
79b. Outputnya nampak seperti segitiga. Makin tinggi frekuensinya, makin kecil
ayunannya dan bentuk gelombangnya lebih segitiga.
Lebar Pita Daya Distorsi Laju Slew
Distorsi laju slew dimulai saat kemiringan awal gelombang sinus melebihi laju
slew dari op amp.
fmaks = frekuensi tak terdistorsi tertinggi
SR = laju slew op amp
VP = output puncak gelombang sinus.
Contoh 741 C mempunyai VP = 10 v dan SR = 0,5 V/u detik. Maka frekuensi tak
terdistorsi maksimum untuk operasi sinyal besar adalah :
Pada frekuensi melebihi frekuensi ini, akan terjadi distorsi laju slew pada
osiloskop. Frekuensi fmaks disebut lebar pita daya (lebar pita sinyal besar) dari
P
Rmaks
V
Sf
2
kHzV
sVfmaks 96,7
)10(2
/5,0
71
sebuah op amp. Jika diketahui lebar pita daya 10 V dari 741 C adalah 8 kHz. Ini
artinya lebar pita tak terdistorsi untuk operasi sinyal besar adalah 8 kHz. Jika
diinginkan penguatan harga puncak pada frekuensi lebih tinggi, akan terjadi
penurunan tegangan output seperti gambar 80 berikut.
Gambar 80
Hubungan Frekuensi terhadap keluaran
Penukaran (Trade Of)
Salah satu cara menaikkan lebar pita daya adalah menerima tegangan keluar
yang lebih kecil. Gambar 81 berikut adalah grafik untuk tiga laju slew yang
berbeda. Dengan menaikkan amplitudo yang besar dengan frekuensi yang besar,
lebar pita daya dapat dinaikkan.
Gambar 81
Grafik Pertukaran Amplitudo Puncak dengan Lebar Pita Daya
72
Misal bila amplitudo puncak sebesar 1 V masih bisa diterima dalam
pemakaian, lebar pita daya dari 741 C naik menjadi 80 kHz (lengkungan paling
bawah). Bila amplitudo puncak 0,1 V masih diperbolehkan, lebar pita daya naik
menjadi 800 kHz. Bila diinginkan amplitudo puncak 10 V, perlu digunakan op
amp yang lebih baik dari 741 C. Dari gambar 81 di atas, bahwa lebar pita daya 10
V naik menjadi 80 kHz untuk SR = 5 V/udetik dan menjadi 800 kHz untuk SR =
50 V/udetik.
Jenis Op Amp yang Terkenal
Tabel 1 berikut mendata beberapa op amp terkenal. Jenis LF356 dan TL071
sampai TL074 adalah op amp BIFET. Arus prategangan masukan dan arus offset
pada alat-alat ini sangat rendah. Jenis LM10C sampai NE531 adalah op amp
bipolar. LM741C mempunyai tegangan offset masukan khas 2 mV, arus
prategangan masukan 80 nA dan arus offset masukan 20 nA. Bila tahanan basis
dalam pada kedua masukan (membalik dan tak membalik) harus tinggi, akan
menimbulkan tegangan offset keluaran terlalu besar. Dalam kasus seperti ini,
dapat diperbaiki dengan op amp LF 355 yang merupakan sebuah op amp BIFET
namun serbaguna. Dari tabel 1, nampak bahwa 741 C tidak begitu mampu
menghasilkan lebar pita daya yang cukup. Untuk masalah ini dapat digunakan
alat dengan laju slew cepat misalnya TL071, yaitu suatu op amp BIFET yang
tidak mahal.
Alat yang paling baik untuk masalah laju slew adalah LM318 dengan laju
slew 70 V/udetik. Beberapa alat ini tidak biasa. Seperti LM4200 mempunyai
sederetan tanda bintang, artinya besarannya dapat diubah-ubah oleh pemakai.
Dengan kata lain alat ini dapat diprogram oleh satu tahanan luar yang
memungkinkan untuk merubah arus prategangan masukan dan arus offset, laju
slew, frekuensi bati satu dan sebagainya
73
Tabel 1
Jenis op amp dan spesifikasi
Nomor Vin(off)
mV
Iin(prat)
nA
Iin(off)
nA
Iout maks
mA
fsatuan
MHz
Laju Slew
V/u detik
LF 351
LF353
LF355
LF356
LM10C
LM11C
LM301C
LM307
LM308
LM312
LM318
LM324
LM348
LM358
LM709
LM739
LM741C
LM747C
LM748
LM1458
LM4250
LM13080
NE531
TL071
TL072
TL074
5
5
3
3
0,5
0,1
2
2
2
2
4
2
1
2
2
1
2
2
2
1
3-5
3
2
3
3
5
0,05
0,05
0,03
0,03
12
0,025
70
70
1,5
1,5
150
45
30
45
300
300
80
80
80
200
*
*
400
0,03
0,03
0,05
0,025
0,025
0,003
0,003
0,4
0,0005
3
3
0,2
0,2
30
5
4
5
100
50
20
20
20
80
*
*
50
0,005
0,005
0,025
20
20
20
20
20
2
10
10
5
6
21
20
25
40
42
1,5
25
25
27
20
*
250
20
10
10
17
4
4
2,5
5
0,1
0,5
1
1
0,3
1
15
15
1
1
*
6
1
1
*
1
*
1
1
3
3
4
13
13
5
12
0,12
0,3
0,5
0,5
0,15
0,1
70
0,5
0,5
0,5
0,25
1
0,5
0,5
*
0,5
*
*
35
13
13
13
74
LATIHAN SOAL
1. Masukan pada gambar di bawah ini dihubungkan dengan tanah arus emiter
dc pada setiap transistor? Berapa arus ekor? Berapa tegangan dc pada
keluaran?
Gambar 82
2. Arus-arus basis pada diff amp adalah 20 uA dan 24 uA. Berapa harga arus
masukan? Berapa arus prategangan masukan?
3. Pada gambar 82 di atas, transistor kiri mempunyai βdc = 100 dan transistor
kanan mempunyai βdc = 120. Bila masukan v1 dan v2 dihubungkan dengan
tanah berapa arus-arus basis dc pada masing-masing transistor? Hitunglah
arus ofset masukan dan arus prategangan masukan.
4. Ulangi soal no. 1 di atas untuk gambar 83 di bawah ini.
Gambar 83
75
5. Data sheet mencantumkan Iin(prat) = 300 nA dan Iin(of) = 100 nA. Berapa
harga IB1 dan IB2?
6. Pada gambar 82, hitung bati tegangan differensial dan impedansi masuk
bila β = 150.
7. Berapa bati tegangan ragam sekutu pada gambar 82 ? Berapa CMRR
dalam desibel.
8. Pada gambar 83, hitung bati tegangan diferensial, bati tegangan ragam
sekutu dan CMRR dalam desibel.
9. Masukan v1 dan v2 pada gambar 84 diground. Berapa arus pada Q3 dan
berapa arus ekor serta harga r’e dari Q1 dan Q2?
10. Pada gambar 84, RE ekivalen yang dilihat kedalam kolektor Q4 bernilai
100kΩ, RC ekivalen yang dilihat kedalam kolektor Q6 bernilai 200kΩ.
Hitung bati tegangan differensial, bati tegangan ragam sekutu dan CMRR
dalam desibel.
Gambar 84
11. Bila sebuah differensial amplifier mempunyai perbandingan penolakan
ragam sekutu 80 dB dan bati tegangan differensial 200. Berapa vout bila
vin ragam sekutu 10 mV?
12. Penguat pada gambar 85a berikut mempunyai rin = 2 MΩ, rout 75 Ω, A =
100.000. Maka berapa pendekatan untuk vout?
76
a b
c d
Gambar 85
13. Pada gambar 85a, A΄ bernilai 92dB dan rout 75 Ω. Berapa vout?
14. Pada gambar 85b, bila A = 100.000 dan rout 75 Ω. Berapa tegangan
output?
15. Pada gambar 85c, arus basis pada masukan tak membalik 80 nA dan pada
masukan membalik 75 nA, serta nilaiVBE bernilai sama, berapa arus
prategangan masukan, arus ofset masukan, berapa tegangan keluaran bila
A = 100.000?
16. Pada gambar 85c, Vin(of)=0, Iin(prat) = 80 nA dan Iin(of) = 20 nA. Berapa
tegangan ofset keluaran maksimum bila A = 100.000 ?
17. Pilihlah tahanan emitter pada gambar 82 untuk mendapatkan bati tegangan
differensial 300.
18. Rancanglah differensial amplifier seperti gambar 82 yang memenuhi
ketentuan : VCC = 10V, VEE = -10V, A = 100 (minimum), dan CMRR =
100 (minimum).
19. Bila pada rangkaian gambar 83, tahanan 3,9 kΩ secara keliru dipasang
sebagai pengganti tahanan 39 kΩ, berapa Vout?
77
Bab IV : Penguat Inverting dan Non Inverting
Umpan Balik Tegangan tak Membalik
Gambar 86
Non Inverting Amplifier
Ver = Verror = V1- V2, dikuatkan sehingga Vout = AV . Verror
Kriteria rangkaian ini :
Input berada pada masukan tak membalik -sebagian Vout di U.B ke
masukan membalik. Merupakan penguat tegangan sempurna dengan Zin bernilai
tak hingga dan Zout bernilai nol, sementara harga AV konstan.
Karena Ver = V1 – V2 maka Ver = Vin – B . Vout ,
Vout = AV . Ver = AV (Vin – B. Vout),
maka Vout + AV . B . Vout = AV . Vin
BA
VAV
V
inVout
1
.
Av . B disebut penguat tegangan loop dan Av.B harus >>1 agar rangkaian ini
dengan baik dan Av adalah nilai penguat tegangan differensial (asli dari Op
Amp)
21
2
RR
RB
Karena syarat diatas Av.B >> 1 maka
78
BB
A
V
VTF
V
in
out 1
1
1
Karena TF berupa Vout/Vin maka disebut sbg penguat tegangan. Dan nilai TF
adalah :
Jika temperatur berubah, maka Av juga bisa berubah, namun AvCl atau penguatan
tegangan dari rangkaian tidak akan berubah.
2
1
2
21 1R
R
R
RRACL
Nilai ACL ini tidak dipengaruhi oleh AOL atau Av dari Op Amp walau Av berubah
karena perubahan suhu.
Pengaruh-Pengaruh dari UB Tegangan tak Membalik
Adapun pengaruh-pengaruh dari UB Tegangan tak Membalik adalah:
1. rin(CL)>> rin(OL)
2. rout(CL)<< rout(OL)
3. Menghilangkan/Menurunkan distorsi non linier
4. Tegangan offset keluaran berkurang
5. Adanya Desensitivitas
Uraian untuk rin(CL)>> rin(OL)
Vin = Ver + B . Vout = Ver + Av . B . Ver
Vin = (1+ Av . B) Ver
Ver = Iin . rin
Karena Vin = (1 + Av . B) . Ver, sehingga Vin = (1+Av . B) . (Iin . rin)
Dan Vin/Iin = rinCL = rinOL (1+Av.B)
Uraian untuk rout(CL)<< rout(OL)
BA
rr
v
OLout
CLout
1
)(
)(
)()()..1( OLinv
in
inCLin rBA
I
Vr
BAvCL
1
79
Uraian untuk Menghilangkan/Menurunkan distorsi non linier
Osilasi yang cukup besar pada IC menyebabkan r’e transistor berubah
sehingga Av dari OP Amp juga berubah. Perubahan Av(OL) menyebabkan distori
non linier. Dengan U.B maka Av(CL) tidak tergantung pada Av(OL), tapi tergantung
pada nilai R dari rangkaian, walau Op Amp diganti dengan Av yang beda maka
Av(CL) tetap :
Tegangan Distorsi Non Linier berkurang
Gambar 87
Menurunkan distorsi non linier
Penjelasan Rangkaian
Karena distorsi non linier pasti/selalu terjadi, maka dia dianggap sebagai
sumber distorsi, maka pada rangkaian ekivalen ac seakan muncul sumber Vdist yg
dirangkai seri dengan vinOL (Verr) yg sdh dikuatkan menjadi Av.Verr.
Shg Vout = Av. Verr + Vdist,
dimana Verr = Vin – B. Vout
maka persmaan Verr dimasukkan untuk menyederhanakan Vout, persamaan
menjadi :
Vout = Av.(Vin – B. Vout ) + Vdist.
Jika disederhanakan lagi menjadi : Vout(1+Av.B)=Av.Vin+Vdist
Shg Vout = (Av.Vin+Vdist)/(1+Av.B)
• Elemen penjumlah 1 adalah ACL kali Vin dibagi desensitivitas dan
BA
VV
v
OLdist
CLdist.1
)(
)(
80
• Elemen penjumlah 2 adalah Vdist dibagi desensitivitas, ini menunjukkan
Vdist turun jauh.
Tegangan offset keluaran berkurang
Munculnya V offset keluaran atau Vout(off) disebabkan karena :
• Vin(off)
• Iin(prat)
• Iin(off)
• rB yang berbeda pada kedua masukan
Solusi untuk mengurangi tegangan offset keluaran, dengan menggunakan
rangkaian sebagai berikut :
Gambar 88
Mengurangi tegangan offset keluaran
Penjelasan Rangkaian
Karena tegangan offset keluaran pasti/selalu terjadi, maka dia dianggap sebagai
sumber Voo open loop, maka pada rangkaian ekivalen ac seakan muncul sumber
Voo open loop yg dirangkai seri dengan vinOL (Verr) yg sdh dikuatkan menjadi
Av.Verr, sehingga Vout = Av. Verr + Voo open loop,
dimana Verr = Vin – B. Vout Jika persamaan Verr dimasukkan ke persamaan
Vout, maka menjadi persamaan :
Vout = Av.(Vin – B. Vout ) + Voo open loop.
Lalu disederhanakan menjadi Vout(1+Av.B)=Av.Vin+ Voo open loop, sehingga
Vout = (Av.Vin+ Voo open loop)/(1+Av.B)
• Elemen penjumlah 1 adalah ACL kali Vin dibagi desensitivitas dan
81
• Elemen penjumlah 2 adalah Voo open loop dibagi desensitivitas, ini
menunjukkan VooCL turun jauh.
Tegangan offset keluaran berkurang
Vout(off)(CL) atau dituliskan Voo(CL) bernilai sebagai berikut:
Atau dari gambar 60 :
Voo(CL)=ACL.Vin(off)
Dimana Vin(off)= ofset masukan total = VI – V2
Adanya Desensitivitas.
Adanya nilai Desensitivitas
• Nilai (1+Av.B) disebut desensitivitas atau faktor yang menyebabkan
turunnya penguatan tegangan pada rangkaian close loop. Desensitivitas
dapat dituliskan sebagai perbandingan Av dengan
Umpan Balik Arus tak Membalik
(Penguat Transkonduktansi)
Gambar 89
Umpan Balik Arus tak Membalik
OLoffoutCLoov
OLoffou
CLoo VVsehinggaBA
VV )()(
)(
)(1
BA
AA
v
VCL
1
CL
V
A
AitasDesensitiv
82
Dari gambar 89 di atas :
karena AB>>1 sehingga
Transfer function
atau disebut gm atau rangkaian transkonduktansi.
Umpan Balik Tegangan Membalik
(Pengubah Arus ke Tegangan)/Transresistansi
Gambar 90
Umpan Balik Tegangan Membalik
BA
AA
OL
OLCL
1
LF
FCL
RR
RB
BA
1
F
L
F
LFCL
R
R
R
RRA
1
FFLF
LF
FLFL
CLv
in
out
RRRR
RR
RR
B
RR
A
V
I 1
)(
1)(
FL
inCLv
FL
outout
RR
VA
RR
VI
)(
Fin
out
RV
I 1
83
Agar tegangan ofset keluaran (Vout(off)) kecil, maka RF (R umpan balik) harus
bernilai <100k W. Karena Rin dari Op Amp sangat besar, maka diasumsikan
bahwa arus input ini semua mengalir lewat RF. Sehingga penjumlahan tegangan
menjadi:
Vout + Verr – Iin.RF = 0
Dimana :
Vout = Verr . Av atau Verr = Vout/Av
Sehingga :
dan
Atau jika Av >>1 (Ini disebut TF)
Rangkaian ini juga disebut transresistansi
dan
Penjelasan model lain
Iin tdk masuk ke op amp, tapi lewat ke RF shg ada drop teg sebesar Iin.RF dg
polaritas kalau diberdirikan sejajar RL atas (+) dan bawah (-).
Vout = V pada RL = Iin.RF – Verr.
Tapi krn Verr sangat kecil krn Zin besare skali, maka Verr diabaikan shg titik kaki
(-) seperti virtual ground atau ground semu shg Vout = Iin.RF
Gambar 91
v
outerr
A
VV
Finv
out RIA
V )1
1(
v
Fv
in
out
A
RA
I
V
1
Fin
out RI
V
v
FCLin
A
Rr
1)(
Fv
FvCLout R
A
RAr
1)(
84
Umpan Balik Arus Membalik (Penguat Arus)
Dari gambar berikut, R1 hanya dilewati oleh Iin. Sedang R2 dilewati oleh Iin
dan Iout .
Gambar 92
Umpan Balik Arus Membalik
Lihat loop tertutup pada gambar 65 bila pada masukan (positif) diground dan
pada R2 diground. Maka :
Verr + Iin . R1 - (Iout - Iin) . R2 = 0
Verr + Iin . (R1 + R2)- Iout . R2=0
Dengan :
Persamaan menjadi
Sedang Vout = iout . RL + (iout - iin) . R2 , sehingga
v
outerr
A
VV
0)( 221 RIRRIA
Voutin
v
out
0)()(
22122
RIRRI
A
RIRRIoutin
v
inLout
0)()( 22
221
v
Lout
vin
A
RRRI
A
RRRI
22
212
22
221
)(
RRRA
RRAR
A
RRR
A
RRR
I
I
Lv
v
v
L
v
in
out
85
Karena R2 << Av dan Av >> RL sehingga penguatan arus menjadi.
SOAL
1. Penguat dengan umpan balik tegangan tak membalik pada gambar 93
mempunyai tegangan masuk 20 mV, tegangan keluar 1V, tegangan umpan
balik 20 mV,dan tegangan error 1uV. Hitunglah bati tegangan simpal
terbuka, bagian umpan balik B,dan bati tegangan simpal tertutup.
Gambar 93
2. Berapa tegangan keluar pada gambar 93 ? bila op amp yang digunakan adalah
741C dengan bati khas 100.000, berapa harga desensitivitasnya? Berapa bati
tegangan simpal tertutupnya?
Gambar 94
2
1
2
21 1)(
R
R
RA
RRA
I
I
v
v
in
out
86
3. Bila op amp pada gambar 94 di atas mempunyai bati tegangan 1.000.000,
berapa kira-kira harga verror dan v2? Bila bati tegangan turun menjadi
100.000 berapa kira-kira harga verror dan v2? Berapa bati tegangan simpal
tertutup?
4. Hitung tegangan output pada gambar 93 di atas. Bila rin = 10kΩ, rout =
100Ω, dan A = 50.000. berapa harga rin(CL) dan rout(CL) ?
5. Data sheet sebuah op amp mencantumkan bati tegangan simpal pada
terbuka 100.000, rin = 500kΩ, dan rout = 200Ω, bila op amp ini digunakan
pada gambar 94 di atas, berapa harga rin(CL) dan rout(CL) ?
6. Sebuah penguat mempunyai A = 100.000 dan B = 0,01. Bila tegangan
distorsi simpal terbukanya 1,5V. Berapa tegangan distorsi simpal tertutup?
7. Pada gambar 93 di atas, resistansi sumber yang menggerakkan masukan
tak membalik adalah 100Ω, bila vin(of) = 2mV, Iin(prat) = 100nA, Iin(of) = 15
nA. Berapa tegangan output ofset pada simpal tertutup untuk kasus
terburuk?
8. Gambar 95 di bawah ini, memperlihatkan sebuah votmeter dc peka.
Hitung tegangan input dc yang menghasilkan penyimpangan skala penuh
pada ammeter untuk masing-masing letak switch?
Gambar 95
9. Ammeter pada gambar 95 di atas mempunyai resistansi 40 Ω. Bila op amp
mempunyai bati tegangan simpal terbuka 1.000.000 dan rin 100 kΩ, berapa
impedansi masuk simpal tertutup?
87
10. Gambar 96 di bawah adalah sebuah termometer elektronik. Pada 00C
termometer mempunyai resistansi 20 kΩ. Resistansi turun 200 Ω untuk
tiap kenaikan 10C, sehingga R termometer menjadi 19,8 kΩ, 19,6 kΩ ,
19,4 kΩ dan seterusnya untuk T = 10C, 2
0C, 3
0C, dan seterusnya. Berapa
pembacaan ammeter pada 00C, 25
0C, dan 50
0C.
Gambar 96
11. Arus input 1 mA menggerakkan pengubah arus ke tegangan pada gambar
di bawah. Berapa tegangan output untuk masing-masing switch?
Gambar 97
12. Rangkaian fotodioda gambar 98 berikut menggerakkan pengubah arus ke
tegangan. Bila A = 100.000, berapa rin(CL) ? bila arus yang mengalir pada
fotodioda 1uA, maka berapa tegangan output?
88
Gambar 98
13. Pada gambar 99 berikut voltmeter di sisi output mempunyai daerah
pengukuran 1mV, 10 mV dan 100 mV (skala penuh). Berapa harga R tak
diketahui yang menghasilkan skala penuh untuk setiap daerah pengukuran
tegangan ? Bila sumber arus diubah menjadi 1uA, berapa harga R tak
diketahui yang menghasilkan penyimpangan skala penuh untuk setiap
daerah pengukuran?
Gambar 99
14. Beberapa pengubah merupakan jenis-jenis resistif. Pada pengubah resistif
pada gambar 100 di bawah, berapa harga iin dan bila R pengubah bernilai
1 kΩ, berapa tegangan output ?
15. Sebuah penguat umpan balik tegangan tak membalik mempunyai
desensitivitas 1000. Bila penguat itu mempunyai frekuensi cutoff simpal
terbuka (f2 = 10 Hz). Berapa frekuensi cutoff simpal tertutup (f2(CL)) ? Bila
laju slew bernilai 1V/udetik, berapa harga puncak output tertinggi tanpa
distorsi laju slew ?
89
Gambar 100
16. Resistansi meter pada gambar 101 berikut adalah 50 Ω,. Penguatnya
mempunyai bati tegangan simpal terbuka 1.000.000. hitung harga arus
keluaran?
Gambar 101
17. Untuk mendapatkan bati arus 200 pada gambar 101 di atas, berapa harga
R1 yang harus kita bila R2 tetap 100 Ω ?
18. Op amp pada gambar 102 di bawah mempunyai bati tegangan simpal
terbuka 1.000.000 dan frekuensi cutof 15 Hz. Cari harga (f2(CL)) untuk
setiap letak switch.
19. Berapa tegangan output gambar 103 di bawah ?
20. Berapa tegangan output gambar 104 di bawah ?
90
Gambar 102
Gambar 102
Gambar 103
Gambar 104
91
Bab V : Rangkaian Komparator
Comparator/ Pembanding
Detektor Zero Crossing
• Detektor Zero Crossing/ Titik perpindahan nol
Gambar 105
Detektor Zero Crossing (a) dan karakteristik input output (b)
• Maka masukan (positif) dibandingkan dengan masukan (negatif), jika ternyata
pada :
• Masukan (positif) > (negatif).
• Maka output tinggi (ya/+Vsat).
• Masukan (positif) < (negatif)
• Maka output rendah (tidak/-Vsat)
Menggeser Titik perpindahan Positif
Gambar 106
Menggeser Titik perpindahan Positif
92
• CBY untuk mengurangi derau dan riak dari catu daya.
• Jika Vin > Vref, maka output (positif)
• Vin < Vref, maka output (negatif)
• Jika R1 dan R2 diubah-ubah maka Vref juga berubah-ubah
Menggeser Titik perpindahan Negatif
Gambar 107
Menggeser Titik perpindahan Negatif
• CBY mengurangi riak-riak dan derau dari catu daya.
• Jika Vin > Vref maka output (positif)
• Jika Vin < Vref maka output (negatif)
Komparator Catu Tunggal
Gambar 108
Komparator Catu Tunggal
ccref VRR
RV
21
2
EEref VRR
RV
21
2
93
• Dengan memasang catu tunggal yaitu kaki +Vcc saja dan menggroundkan kaki
–VEE, maka polaritas hanya bisa (+) saja, tidak bisa (-).
• Bila Vin > Vref, maka output tinggi.
• Bila Vin < Vref, maka output rendah.
• Op Amp 741C bisa saja untuk disain comparator tapi SRnya lambat yaitu perlu
> 50 dt untuk perubahan output
• Untuk kepentingan komparator, ada IC khusus dari IC Op Amp (untuk penguat
Diff).
• Rangkaiannya seperti gambar 109 berikut:
Gambar IC Komparator
Gambar 109
Rangkaian IC Komparator
Tahap masukan berupa Diff .Ampl (Q1 dan Q2). Q6 dan Q7 adalah cermin arus
yang mengharuskan arus ekor. Q3 dan Q4 cermin arus (merupakan beban aktif).
Tahap keluaran berupa Q5 dengan dengan collector O.C. R beban dapat dipasang
antara collector dari Q5 dengan Vcc (disebut tahanan penarik keatas/pull up
resistor). Bila outputnya transistor terputus, R beban ini dapat menarik Vout
ccref VRR
RV
21
2
94
sampai ke +Vcc. Untuk lebih jelasnya pemasangan R sebaiknya seperti gambar
110 berikut. Sehingga bila Q5 jenuh /saturasi, Vout rendah atau Q5 = switch (yang
bisa membuka dan menutup).
Pemasangan R pada IC Komparator
Gambar 110
Bila masukan (+) lebih positif dari pada masukan (-). Vbasis dari Q5 turun, Q5
putus/open sehingga : Vout = +Vcc(tinggi). Bila masukan (+) kurang positif dari
pada masukan (-), Vbasis Q5 naik, Q5 on (close) sehingga :
Rangkaian pada gambar 109 tidak ada C kompensasi sehingga keluaran
mempunyai kecepatan switching yang tinggi (karena salah satu penyebab
rendahnya kecepatan switching adalah jumlah kapasitansi yang melintasi Q5).
Tetapan waktu keluaran/time konstant adalah (τ) = Perkalian R penarik ke atas
dengan C output sehingga makin kecil R, maka t makin kecil (switching makin
cepat). Nilai R biasanya beberapa ratus ohm s/d ribu ohm. Jika τ rendah artinya
switching tinggi, maka laju slew tinggi. Karena kecepatan yang tinggi ,maka IC
komparator dapat mengalihkan keadaan output dalam waktu 1 microdetik atau
kurang.
Komparator LM 339
Gambar 111 adalah comparator jenis quad (4 buah comparator dikemas
dalam sebuah IC) dengan murah,mudah (serbaguna). IC ini cocok untuk
)(5
5rendahcc
dlm
dlmout V
RQR
QRV
95
penggerak alat-alat TTL (Transistor Logic-Logic) yang mempunyai rangkaian
digital terpadu.
Gambar 111
Komparator TTL
Untuk penjelasan kaki-kaki sheet :
Pada gambar 111a diatas ,output dari IC adalah kaki Collector yang open
dan kaki tersebut dihubungkan ke catu +5V melalui R pull up 1KW, sehingga
output dari IC tersebut adalah 0 V atau 5 V.
Pemicu Schmitt
Gambar 112
Pemicu Schmitt inverting
96
Dari gambar 112, bila output jenuh /saturasi (+) maka sinyal di umpan balik
lewat R1 ke masukan tak membalik adalah (+) sehingga menjaga output tetap
tinggi. Bila output jenuh (-) maka sinyal di umpan balik lewat R1 ke masukan tak
membalik adalah (-) sehingga menjaga output tetap rendah.
• Batas atas =UTP(Upper Trip Point)
• UTP=+B.Vsat
• Batas Bawah=LTP(Lower Trip Power)
• LTP=-B.Vsat
• Umpan Balik:B=R2/(R1+R2)
• Vref=B.Vsat(jenuh+)
• Vref=-B.Vsat(jenuh-)
Nilai-nilai output akan tetap pada keadaan yang diberikan sampai diperoleh nilai
Vin>Vref. Lihat gambar 113.
Gambar 113
Karakteeristik Input dan output ketika ada Histerisis
Dari gambar 113 di atas :
• Bila Vout sat(+),Vref = +B.Vsat
Vin harus sedikit di atas +B.Vsat agar Verror berbalik polaritas menyebabkan Vout
pindah ke rendah (negatif).
• Bila Vout sat(-),Vref = -B.Vsat
Vin harus sedikit di bawah -B.Vsat agar Verror berbalik polaritas sehingga Vout
bernilai positif/tinggi.
97
Histerisis adalah jarak/interval antara 2 titik perpindahan yaitu antara UTP
dan LTP. Jika pada rangkaian tidak ada umpan balik (B = 0) maka tidak ada
histerisis atau UTP-LTP=0. Namun jika ada umpan balik (B≠0) artinya UTP-LTP
0.
Manfaat histerisis adalah untuk mencegah kesalahan pemicuan akibat
derau,sehingga pada pemicu shmitt ini tidak terdapat sinyal yang melompat-
lompat secara acak akibat derau. Agar aman maka Vderau p-p < histerisis, sehingga
rangkaian menjadi kebal. Tapi jika Vderau p-p > histerisis (maka sistem akan
terganggu) sehingga histerisis harus diperlukan. Jadi manfaat dari umpan balik
positif adalah:
1. Menekan derau.
2. Mempercepat switching pada output dengan kapasitor pemercepat sebagai
berikut: lihat gambar 114.
Gambar 114
Komparator dengan umpan balik dan kapasitor pemercepat
Manfaat Umpan Balik Positif
Untuk menghilangkan pengaruh C tercecer, syarat berikut harus dipenuhi:
, maka
21
21
1
2 .
1
2 CR
RCatau
R
R
X
X
C
C 2211 .. CRCR
98
Menggeser Titik Perpindahan
Gambar 115
Pemicu Schmitt inverting dengan titik perpindahan positif
R3 menentukan titik pusat dari histerisis.
• Bila Vout = saturasi (+) maka Vref pada kaki (+) = UTP = Vpst + B.Vsat
• Bila Vout = saturasi (-) maka Vref pada kaki (+) = LTP = Vpst - B.Vsat
• Sehingga rangkaian ekivalen dari rangkaian gambar 115 di atas adalah
gambar 116a.
Rangkaian Ekivalen
Gambar 116
Ekivalen Pemicu Schmitt inverting dengan titik perpindahan positif
ccpst VRR
RV .
32
2
12//3
23
)(
//
RRR
RRB
99
Pemicu Schmitt
(Non Inverting)
Gambar 117
Pemicu Schmitt non inverting
Rumus Rangkaian ini:
Ref=0, titik pembalikan dari umpan balik yaitu:
Titik pusat histerisis nol.
Prinsip Kerja:
Jika output bernilai sat(-) ,maka umpan balik berharga (-) sehingga pada saat
Verr mempunyai polaritas atas(-), bawah(+) maka output akan tetap konstan pada
negatif. Dan output akan berubah nilai bila Verr berbalik polaritas.
Jika Vin = (+)>UTP, dan jika polaritas Verr atas(+), bawah(-) akan dihasilkan
Vout(+) sat, dan output ini akan terus pada nilai ini hingga Vin berharga<LTP.
Atau jika Vout= (+)Vsat, VB=(+) dan Vout akan terus (+) sampai polaritas Verr
berbalik jadi dengan cara menurunkan Vin<LTP.
Pada rangkaian gambar 117 di atas VRef = ground, maka titik pusat dari
histerisis nol dan rangkaian non inverting saat Vin(+)>UTP, Vout High dan saat
Vin(-)<LTP maka Vout Low.
Vin=Iin.R2 ; Vout=-Iin.R1
Iin= -Vout/R1
)(
)(
1
2
1
2
LTPVR
R
UTPVR
R
sat
sat
100
Vin=-(Vout/R1).R2 ; Vin=-Vout.R2/R1
Saat keluaran jenuh negatif, Vout=-Vsat,maka ketika Vin berbalik polaritas,
dihasilkan :
UTP=B.Vsat=R2/R1.Vsat
Saat keluaran jenuh positif, Vout=+Vsat, maka UTP = B.(-Vsat) = R2/R1.(-Vsat)
Artinya/penjelasan:
• saat Vout = (-)Vsat.
Maka proses berbaliknya supaya Vout menjadi (+)Vsat, harus melalui jalur UTP
dengan syarat Vin>UTP. Dan sebaliknya.
• Saat Vout=(+)Vsat.
Maka proses berbaliknya supaya Vout menjadi (-)Vsat, harus melalui jalur LTP
dengan syarat Vin<LTP
Rangkaian Pemicu Schmitt (Non Inverting)
Dengan Titik Perpindahan Positif
Gambar 118
Pemicu Schmitt non inverting dengan titik perpindahan positif
Prinsip kerja rangkaian pada gambar 118 sama seperti pada gambar 117 di atas.
Vref ini juga menunjukkan titik pusat dari histerisis, sehingga UTP=Vpst+lebar ½
histerisis.
CCref VRR
RV .
43
4
satCC V
R
RV
RR
RUTP ..
1
2
43
4
satCC V
R
RV
RR
RLTP ..
1
2
43
4
101
Soal Dan Pembahasan
1. Rangkaian komparator pada gambar 119 berikut dengan VCC sebesar 15 V
dan -VEE sebesar -15 V. Jika diberi tegangan input -1 V, berapa Vout ?
dan bila diberi tegangan input -10 V, berapa Vout ? gambarkan karakteristik
input dan outputnya.
Gambar119
Jawab :
Jika Vin = -1, maka Vin>Vref, sehingga Vout bernilai high atau sebesar +13 V.
Sebaliknya jika Vin = -10, maka Vin<Vref, sehingga Vout bernilai low atau
sebesar -13 V.
Karakteristik input dan outputnya sebagai berikut :
Gambar 120
2. Ulangi soal no. 1 dengan mengganti tegangan input berupa tegangan sinus
dengan nilai 10 Vp-p.
Jawab :
Jika Vin > -3,7, maka Vout high (13 V)
102
Jika Vin < -3,7, maka Vout low (-13 V)
Gambar karakteristik input dan outputna sebagai berikut (gambar ...)
Gambar 121
Gambar 122
3. Rangkaian komparator pada gambar 123 berikut dengan VCC sebesar 15 V
dan -VEE sebesar -15 V. Gambarkan karakteristik input dan outputnya.
Gambar 123
Gambar 123
103
Jawab :
B = 1kΩ/(1 kΩ +47 kΩ) = 1/48
UTP = +B. Vsat = 1/48.13 = 0,26 V.
LTP = -B. Vsat = -1/48.13 = -0,26 V.
Gambar karakteristik input output bisa dilihat pada gambar 124 di bawah ini.
Gambar 124
4. Ulangi soal no. 3 dengan tegangan input sinusoidal 2 Vp-p.
Jawab :
B = 1kΩ/(1 kΩ +47 kΩ) = 1/48
UTP = +B. Vsat = 1/48.13 = 0,26 V.
LTP = -B. Vsat = -1/48.13 = -0,26 V.
Jika Vin < LTP, Vout high Vin < -0,26 maka Vout = +13 V.
Jika Vin > UTP, Vout low Vin > +0,26 maka Vout = -13 V.
Gambar 125
104
Gambar 126
Latihan Soal :
1. Gambarkan karakteristik input output dari rangkaian komparator berikut jika
diberi tegangan input dc. Dengan VCC sebesar 15 V dan -VEE sebesar -15 V.
Gambar 127
2. Gambarkan tegangan output soal no. 1 jika diberi tegangan sinus dengan nilai
10 Vp-p sebagai input dan frekuensi 100Hz.
3. Gambarkan karakteristik input output dari rangkaian komparator berikut
gambar 128 jika diberi tegangan input dc, R1 = 47 kΩ, R2 = 1 kΩ, R3 = 4 kΩ.
Dengan VCC sebesar 15 V dan -VEE sebesar -15 V.
4. Ulangi soal no.3 jika tegangan yang diinputkan sinusoidal dengan nilai 10
Vp-p dan frekuensi 100Hz.
105
Gambar 128
5. Gambarkan karakteristik input output dari rangkaian komparator berikut
gambar 129 jika diberi tegangan input dc, R1 = 82 kΩ, R2 = 2 kΩ. Dengan VCC
sebesar 15 V dan -VEE sebesar -15 V.
6. Ulangi soal no.5 jika tegangan yang diinputkan sinusoidal dengan nilai 5
Vp-p dan frekuensi 100Hz.
Gambar 129
7. Ulangi soal no. 5 dengan rangkaian pada gambar 130. Jika R1 = 82 kΩ, R2 =
2 kΩ, R3 = 5 kΩ, R4 = 1 kΩ.
8. Ulangi soal no. 6 dengan rangkaian pada gambar 130. Jika R1 = 82 kΩ, R2 =
2 kΩ, R3 = 5 kΩ, R4 = 1 kΩ.
Gambar 130
106
Bab VI : Rangkaian Integrator dan Diferensiator
INTEGRATOR
Rangkaian Dasar
Gambar 131
Rangkaian Integrator
Yaitu rangkaian yang menghasilkan output sebagai hasil integral dari input.
Umumnya : Vin konstan dengan Vout ramp.
Iin = Vin/R (hampir semua arus input lewat C)
C = Q/V atau V = Q/C = IT/C = Vin.T/(R.C)
Karena Iin terus melewati C maka Q naik secara linier dengan polaritas seperti
gambar 131. Sehingga diperoleh output berbentuk ramp negatif (karena
rangkaian inverting).
Input, Output Rangkaian Integrator
Gambar 132
Bentuk Input (a) dan Output (b)
107
Sehingga time konstan = t = R C (1-A), dengan syarat t >10T agar integrator
bekerja dengan baik.
t = time konstan, T = lebar pulsa
Menurunkan Bati pada Frekuensi Nol
Dari gambar rangkaian gambar 131 di atas, jika dimasukkan sinyal dc maka
kapasitor = o.c sehingga ACL=AOL= Av (pada frekuensi nol), sehingga Vout ofset
tetap tinggi (seperti rangkaian tanpa umpan balik).
Agar pengaruh ofset masukan berkurang, maka pada frekuensi rendah Av harus
diturunkan dengan menyisipkan R//c seperti gambar 133 berikut. Dengan nilai
R>10 Rin, sehingga jika R = 10 Rin, menghasilkan ACL= -10 = Rf/Rin
Hal ini akan mengurangi Vout ofset.
Gambar 133
Rangkaian Integrator dengan R Umpan Balik
Cara lain untuk menekan ofset masukan dengan switch reset JFET seperti
gambar 100 berikut :
Gambar 134
Rangkaian Integrator dengan Umpan Balik JFET
108
• Saat Vgs = Vgs(put) = -Vcc, (JFET = oc) maka kapasitor bisa mengisi muatan.
• Saat JFET mendapat sinyal Vgs (Vgs =0), JFET sc maka kapasitor membuang
muatan.
Rangkaian Ekivalen dengan C Miller
Gambar 135
Rangkaian Ekivalen dengan C Miller
Berikut adalah hasil simulasi menggunakan PSIM :
1. Rangkaian integrator gambar 136 diberi input unit step dengan amplitudo
1V selama 1 detik, kapasitor bernilai 1 mF, Rs bernilai 1 kΩ, maka output
bernilai sebagai berikut :
Karena tegangan input masuk di kaki negatif, maka rangkaian ini jenis
inverting, sehingga outputnya bernilai negatif.
Maka pada gambar 137 nampak performan tegangan input dan output,
dimana Vout berupa ramp negatif bernilai -1 V dalam selang waktu 1 detik.
Gambar 136
109
Gambar 137
Tegangan input V3(atas) dan output V4 (bawah)
2. Rangkaian integrator pada gambar 138 diberi input unit step dengan
amplitudo -1 V selama 1 detik, kapasitor bernilai 1 mF, Rs bernilai 1 kΩ,
maka output bernilai sebagai berikut :
Karena tegangan input masuk di kaki negatif, maka rangkaian ini jenis
inverting, sehingga outputnya bernilai negatif.
Maka pada gambar 139 nampak performance tegangan input dan output,
dimana Vout berupa ramp positif bernilai +1V dalam selang waktu 1 detik.
Gambar 138
110
Gambar 139
Tegangan input V19 (atas) dan output V20 (bawah)
3. Rangkaian integrator pada gambar 140 diberi input sinyal kotak dengan
amplitudo 1 Vp-p dan frekuensi 2 Hz, serta duty cycle 50%. Kapasitor
bernilai 1 mF, Rs bernilai 1 kΩ, maka output bernilai sebagai berikut :
Frekuensi = 2Hz, maka T = 1/F = 0,5 detik.
Dan karena tegangan input masuk di kaki negatif, maka rangkaian ini jenis
inverting, sehingga outputnya bernilai negatif.
Duty cycle 50%, artinya time high = 0,25 detik dan time low juga 0,25 detik.
Untuk pulsa periode I, Vin = 1 V, T = 0,25 detik.
Untuk pulsa periode II, Vin = 0 V, T = 0,25 detik.
111
Untuk pulsa periode III, Vin = 1 V, T = 0,25 detik.
Gambar 140
Gambar 141
Maka pada gambar 141 nampak performance tegangan input dan output, dimana :
Vout periode I : berupa ramp negatif bernilai -0,25 V dalam selang waktu 0,25
detik.
Vout periode II : berupa garis lurus atau tidak ada ramp karena Vout nol, tapi
garis ini ditarik langsung dari kondisi titik akhir dari Vout I dalam selang waktu
0,25 detik.
112
Vout periode III : berupa ramp negatif bernilai -0,25 V dalam selang waktu 0,25
detik. Tapi garis ditarik dari kondisi titik akhir dari Vout II dalam selang waktu
0,25 detik. Dan seterusnya....
SOAL :
1. Dari rangkaian integrator gambar 142 di bawah, sinyal input kotak
100mVp-p, frekuensi 2 Hz dan duty cycle 35%. Rs = 1 kΩ, C = 1 mF.
Buktikan bahwa tegangan output seperti pada kurva pada gambar 143b.
Gambar 142
Gambar 143
Gambar input (a) dan output (b)
113
2. Dari rangkaian pada gambar 144, dengan data seperti pada gambar,
Hitung tegangan output.
Gambar 144
Differensiator
Differensiator adalah rangkaian yang melakukan operasi diffrensiasi secara
matematik. Rangkaian ini menghasilkan tagangan output yang sebanding dengan
kemiringan tegangan input. Pemakaian yang umum adalah untuk mendekteksi
tepi leading dan tepi lagging dari sebuah pulsa persegi atau untuk menghasilkan
output persegi dari input lereng.
Differensiator RC
Gambar 145 berikut adalah differensiator RC, dapat digunakan untuk
mendifferensialkan sinyal masuk. Masukan yang lazim bukan sinyal sinusoidal,
melainkan pulsa persegi seperti nampak pada gambar berikut. Keluaran rangkaian
ini berbentuk loncatan positif dan negatif.
Gambar 145
Differensiator RC
114
Loncatan positif terjadi pada saat yang sama dengan tepi leading dari
masukan. Loncatan negatif terjadi pada saat yang sama dengan tepi leading dari
masukan. Perhatikan gambar 146 berikut. Bila tegangan masuk berubah dari 0 ke
V, kapasitor mulai diisi secara eksponensial. Setelah lima kali tetapan waktu,
tegangan kapasitor berada dalam 1% dari tegangan akhir V.
Untuk memenuhi hukum tegangan Kirchhoff, tegangan melintas tahanan
adalah :
vR = vin –vC
Artinya tegangan keluar tiba-tiba melompat dari 0 ke V, lalu menurun secara
eksponensial. Pada tepi lagging dari pulsa, tegangan masuk melompat ke arah
negatif, dengan uraian yang sama diperoleh loncatan negatif. Bila differensiator
RC harus menghasilkan loncatan yang sempit, tetapan waktunya paling tidak
harus 10 kali lebih kecil dari lebat pulsa T.
Misal, bila lebar pulsa 1ms, maka tetapan waktu (RC) harus lebih kecil atau sama
dengan 0,1 ms. Makin kecil tetapan waktunya makin tajam loncatannya .
Differensiator Op Amp gambar 146 berikut adalah differensiator op amp,
mirip dengan integrator op amp. Perbedaanya terletak pada tahanan dan kapasitor
yang saling berpindah tempat. Bila tegangan masuk berubah, kapasitor diisi atau
dikosongkan. Karena adanya virtual ground, arus kapasitor mengalir melalui
tahanan umpan balik dan menghasilkan tegangan. Tegangan ini setara dengan
kemiringan tegangan masuk.
Gambar 146
Differensiator Op Amp
115
Masukan yang sering digunakan pada differensiator op amp adalah bentuk
lereng. Sehingga diperoleh keluaran berbentuk pulsa membalik. Cara
menurunkan arus: pada akhir lereng, tegangan kapasitor adalah V = Q/C.
Dengan membagi kedua ruasnya dengan waktu lereng diperoleh :
atau V/T = I/C
Maka diperoleh persamaan arus sebagai berikut : I = CV/T
Dimana I = arus kapasitor
C= kapasitansi
V= tegangan pada akhir lereng
T= Waktu antara saat awal dan saat akhir lereng.
Vout = - Iin.R = CV.R/T
Jika input berbentuk persegi maka output berbentuk impulse. Seperti gambar 146
di bawah ini.
Gambar 150
Gambar 147
Input dan Output Diferensiator
Contoh Soal
1. Gambar 148 berikut memperlihatkan sebuah rangkaian diferensiator dengan
masukan lereng 3 V.
Gambar 148
Rangkaian Diferensiator
C
TQ
T
V /
116
Arus kapasitornya adalah :
Tegangan keluarnya adalah :
Vout = (-30uA)(2kΩ) = -60 mV.
Sehingga gelombang keluarnya adalah pulsa negatif dengan puncak -60 mV.
Berikut adalah hasil simulasi menggunakan PSIM :
1. Rangkaian diferensiator gambar 149 diberi input sinyal segitiga dengan
amplitudo 2Vp-p frekuensi 2,5 Hz, duty cycle 50%. Kapasitor bernilai 1 mF,
Rs bernilai 1 kΩ, maka output bernilai sebagai berikut :
F = 2,5 Hz; DC 50%, T = 50% . 1/(2,5) = 0,2 detik.
Karena tegangan input masuk di kaki negatif, maka rangkaian ini jenis
inverting, sehingga outputnya bernilai negatif.
Untuk ramp periode I (naik), Vin = 2 Vp-p, T = 0,2 detik.
Untuk ramp periode II (turun), Vin = -2 V (nilai turun sebesar 2 V dari 2V ke
nol), T = 0,2 detik.
Untuk ramp periode III (naik), Vin = 2 Vp-p, T = 0,2 detik.
Maka pada gambar 150 nampak performance tegangan input dan output, dimana :
Vout periode I : berupa kotak negatif bernilai -10 V dalam selang waktu 0,2 detik.
Vout periode II : berupa kotak positif +10 V dalam selang waktu 0,2 detik.
Vout periode III : berupa kotak negatif bernilai -10 V dalam selang waktu 0,2
detik. Dan seterusnya....
Ams
VFI
30
1
)3)(01,0(
117
Gambar 149
Rangkaian Diferensiator
Gambar 150
Gambar input (a) dan output (b)
Soal
1. Dari rangkaian pada gambar 151, dengan data sebagai berikut :
Tegangan input berupa sinyal segitiga dengan amplitudo 2 Vp-p; 2,5 Hz ; Duty
cycle 50 %. RF = 1 kΩ, C = 1mF. Buktikan bahwa sistem ini akan menghasilkan
tegangan output seperti gambar 152b.
118
Gambar 151
Gambar 152
119
Bab VII :Osilator
Teori Osilasi Sinusoidal
Untuk membuat sebuah osilator sinusoidal, kita membutuhkan penguat dengan
umpan balik positif. Gagasannya ialah menggunakan sinyal umpan balik sebagai
sinyal masuk. Bila bati simpal dan fasa sudah tepat, akan muncul sinyal keluar
meskipun tidak ada sinyal masuk dari luar. Dengan perkataan lain, sebuah
osilator adalah sebuah penguat yang telah diubah dengan umpan balik positif
sehingga dapat dimanfaatkan untuk memberikan sinyal masuk. Terdengarnya
seperti gerak terus-menerus, dan dalam satu hal memang demikian. Tetapi perlu
diingat: osilator tidak menciptakan energi. Rangkaian ini hanya merubah energi
dc dari catu daya menjadi energi ac.
Bati simpal dan Fasa
Gambar 153
Umpan Balik Positif
Gambar 153 memperlihatkan sebuah sumber tegangan Vin yang
menggerakkan terminal. Terminal masuk dari sebuah penguat. Tegangan keluar
yang sudak dikuatkan adalah :
Vout = A. Vin
Tegangan ini menggerakkan rangkaian umpan balik yang biasanya merupakan
rangkaian resonansi. Oleh karenanya kita memperoleh umpan balik maksimum
120
hanya pada satu frekuensi saja. Tegangan umpan balik yang dikembalikan ke titik
x diberikan oleh : V1 = A.B. Vin. Bila pergeseran fasa sepanjang penguat dan
rangkaian umpan balik adalah 00, maka A.B. Vin sefase dengan sinyal Vin yang
menggerakkan terminal-terminal masuk dari penguat.
Misalkan dilakukan penyambungan titik x ke titik y dan secara bersamaan
membalik sumber tegangan Vin, maka yang menggerakkan terminal-terminal
masuk dari penguat adalah tegangan umpan balik A.B. Vin, seperti nampak pada
gambar 154.
Gambar 154
Titik x dan y disambung
Apa yang terjadi dengan tegangan output ?bila AB<1, dan A.B. Vin < Vin, dan
sinyal output akan menghilang, seperti nampak pada gambar 155.
Gambar 155
Osilasi teredam
Sebaliknya bila AB > 1, A.B. Vin > Vin, dan tegangan output membesar (gambar
156).
Gambar 156
Osilasi Membesar
121
Bila AB = 1, maka A.B. Vin = Vin, dan tegangan output berupa
gelombang sinus yang mantap seperti gambar 156. Dalam hal ini, rangkaian
menyajikan sinyal input sendiri dan menghasilkan output gelombang sinus.
Pada sebuah osilator, harga bati simpal >1 pada saat daya pertama kali
dinyalakan. Sebuah tegangan awal yang kecil diterapkan pada terminal masuk,
dan tegangan output membesar, seperti nampak pada gambar 156.
Setelah tegangan keluar mencapai besaran yang diinginkan, harga AB secara
otomatis turun menjadi 1, dan amplitudo output tetap. Gambar 157.
Gambar 157
Osilasi Konstan
Tegangan Awal
Darimana datangnya tegangan awal untuk sebuah osilator? Setiap tahanan
mengandung beberapa elektron bebas. Disebabkan suhu lingkungan, elektron
besar ini bergerak secara acak ke arah yang berbeda-beda dan membangkitkan
tegangan derau melintas tahanan. Gerakan ini begitu Acaknya sehingga
mengandung frekeunsi hingga 1000GHz. Setiap tahanan dapat dianggap sebagai
sumber tegangan ac yang kecil yang menghasilkan semua frekuensi.
Pada gambar 154, kejadiannya adalah sebagai berikut. Bila dinyalakan daya
satu-satunya, sinyal yang terdapat pada sistem ialah tegangan derau yang
dibangkitkan oleh tahanan-tahanan. Tegangan derau ini diperkuat dan muncul
pada terminal keluar. Derau yang diperkuat ini menggerakkan rangkaian umpan
balik resonansi. Dengan rancangan yang sama, bisa dibuat pergeseran fasa
melingkari simpal 00 pada frekuensi resonansi. Dengan cara ini, diperoleh osilasi
hanya pada satu harga frekuensi.
Dengan kata lain, derau yang diperkuat itu difilter sehingga hanya ada satu
komponen sinusoidal dengan fasa umpan balik positif yang tepat. Bila bati
122
simpal AB >1, osilasi membesar pada frekuensi ini, lihat gambar 156. Setelah
besaran yang sesuai tercapai, AB turun menjadi 1, dan diperoleh sinyal output
dengan amplitudo tetap, lihat gambar 157.
AB Turun Menjadi Satu
Ada 2 cara untuk menurunkan AB bernilai 1, yaitu A yang turun atau B yang
turun. Pada beberapa osilator, sinyal diperbolehkan membesar sampai terjadi
pemotongan yang disebabkan oleh kejenuhan dan cutoff, gejala ini sama dengan
mengurangi bati tegangan A. Pada osilator yang lain, sinyal membesar dan
menyebabkan B turun sebelum terjadi pemotongan. Dalam kedua kasus di atas,
perkalian AB turun sampai harganya = 1.
Berikut ini adalah ide kunci dibalik semua osilator umpan balik.
1. Mula-mula bati simpal AB harus > 1 pada freekuensi dimana pergeseran
fasa simpal 00.
2. Setelah tingkat output yang diinginkan tercapai, AB harus turun sampai 1
melalui pengurangan balik A maupun B.
Osilator Jembatan Wien
Adalah rangkaian osilator yang lazim untuk frekuensi rendah sampai
menengah, yaitu dalam daerah 5 Hz sampai 1MHz. Rangkaian hampir selalu
digunakan pada pembangkit audio komersial dan biasanya lebih disukai untuk
pemakaian frekuensi rendah lainnya.
Jaringan Lagging-Leadding
Osilator jembatan Wien menggunakan rangkaian umpan balik yang disebut
jaringan Lagging –Leadding, lihat gambar158.
123
Gambar 158
Jaringan Lagging Leading
Pada frekuensi yang amat rendah, kapasitor seri nampak terbuka bagi sinyal
masuk dan tak ada sinyal keluar. Pada frekuensi yang amat tinggi, kapasitor
paralel tampak terhubung singkat, dan tak ada output. Diantara kedua harga
ekstrim ini, tegangan keluar dari jaringan lagging leading mencapai suatu harga
maksimum, lihat gambar 159.
Frekuensi pada saat keluaran mencapai harga maksimum disebut frekuensi
resonansi Fr. Pada frekuensi ini bagian umpan balik mencapai harga maksimum,
yaitu 1/3.
Gambar 159
Bati Tegangan (a) dan Pergeseran Fase (b)dari jaringan Lagging Leading
Gambar 159b memperlihatkan sudut fasa dari tegangan output terhadap
tegangan input. Pada frekuensi yang amat rendah, sudut fasa berharga positif, dan
rangkaian berlaku seperti jaringan leading. Sebaliknya pada frekuensi yang amat
124
tinggi, sudut fasa berharga negatif, dan rangkaian berlaku seperti jaringan lagging.
Diantara kedua frekuensi ini, ada frekuensi resonansi (fr) dan dimana pergeseran
fasanya 00.
Jaringan lagging leading pada gambar 158 berlaku seperti rangkaian
resonansi. Pada frekuensi resonansi fr, bagian umpan balik mencapai harga
maksimum 1/3 dari sudut fasanya = 00. Di atas dan di bawah frekuensi resonansi,
bagian umpan balik < 1/3 dan sudut fasa tidak lagi 00.
Persamaan Untuk Frekuensi Resonansi
Pada gambar158, output jaringan lagging leading adalah :
Dengan menguraikan dan menyederhanakannya, persamaan diatas dapat ditulis
menjadi dua rumusan sebagai berikut :
dan
Bila rumusan ini dibuat grafiknya,kita akan mendapatkan gambar 195a.
Persamaan di atas akan tercapai maksimum bila XC = R. Pada keadaan ini B = 1/3
dan ϕ = 00. Harga ini menunjukkan frekuensi resonansi dari jaringan lagging
leading karena XC = R, pada rumus berikut :
atau
Cara Kerjanya
Gambar 160 memperlihatkan sebuah osilator jembatan wien; rangkaian ini
menggunakan umpan balik positif dan negatif. Umpan balik positif membantu
osilasi untuk membesarkan pada saat daya baru saja dinyalakan. Setelah sinyal
125
output mencapai tingkat yang diinginkan, umpan balik negatif mengurangi bati
simpal menjadi 1.
Gambar 160
Osilator Jembatan Wien
Umpan balik positif diambil melalui jaringan lagging leading memasuki input
tak membalik. Umpan balik negatif diambil melalui pembagian tegangan
memasuki input membalik.
Gambar 160
Resistansi lampu tungsten
Pada saat daya dinyalakan, lampu tungsten mempunyai resistansi rendah, dan
tidak banyak umpan balik negatif. Oleh karenanya, baik simpal ACL.B > 1, dan
osilasi membesar pada frekuensi resonansi fr. Pada saat osilasi membesar, lampu
tungsten memanas, dan resistansi naik (pada banyak rangkaian, arus yang melalui
lampu tidak cukup besar untuk membuatnya bersinar). Pada tingkat output yang
diinginkan, lampu tungsten mempunyai resistansi R’. Pada titik itu , karena
jaringan lagging leading mempunyai B = 1/3, maka bati simpal ACL.B=1.
126
Keadaan Awal
Pada saat daya dinyalakan, resistansi lampu < R’, sehingga ACL >3. Karena
pada frekuensi resonansi B =1/3, bati simpal mulap-mula >1 . artinya tegangan
output akan membesar seperti yang sudah di bahas di atas
Pada saat tegangan output naik, resistansi lampu juga seperti nampak pada
gambar 160. Pada tegangan tertentu V, lampu tungsten mempunyai resistansi R’
artinya ACL berharga 3 dan bati simpal menjadi 1. Bila hal ini terjadi, amplitudo
output tidak lagi membesar dan bernilai tetap. (pada osilator praktis, lampu
tungsten tidak bercahaya karena akan membuang daya sinyal).
Pergeseran Fasa Penguat
Pada osilator jembatan Wien, pergeseran fasa dari jaringan lagging leading
sebesar 00 bila osilasi mempunyai frekuensi sebagai berikut :
Oleh karenanya, frekuensi bisa diatur dengan merubah harga R atau C dengan
anggapan pergeseran fasa penguat cukup kecil untuk diabaikan. Artinya penguat
harus mempunyai frekuensi cutoff tertutup >> frekuensi resonansi(fr). Dengan
demikian penguat tidak menimbulkan pergeseran fasa tambahan. Bila penguat
menghasilkan pergeseran fasa, rumus
tidak lagi berlaku.
Mengapa disebut Osilator Jembatan Wien
Gambar 161
Osilator Jembatan Wien
127
Gambar 161 memperlihatkan cara lain untuk menggambarkan osilator
jembatan Wien. Jaringan lagging leading berada pada sisi kiri dari jembatan, dan
membagi tegangan berada pada sisi kanan. Jembatan ac ini, yang disebut
jembatan Wien, digunakan pada pemakaian lain selain osilator. Tegangan error
adalah output jembatan ini. Bila jembatan ini hampir mencapai keseimbangan,
tegangan error mendekati nol.
Jembatan Wien merupakan salah satu contoh Notch filter, yaitu rangkaian
dengan output nol pada harga frekuensi tertentu. Pada jembatan Wien, Notch
frekuensi bernilai :
.
Karena tegangan error pada penguat sangat kecil, jembatan Wien hampir mampu
mencapai keseimbangan dan frekuensi osilasi hampir senilai fr.
Oscilator Gelombang Segitiga
Rangkaian oscilator gelombang segitiga atau sering juga disebut triangle
oscilator seperti pada rangkaian dibawah adalah gabungan rangkaian schmitt
triger dan integrator dengan operasional amplifier.
Gambar 162
Rangkaian Oscilator Gelombang Segitiga
Rangkaian oscilator gelombang segitiga ini dapat memberikan output pada
titik output 1 berupa sinyal dengan bentuk gelombang segitiga dan pada titik
output 2 berupa sinyal dengan bentuk gelombang kotak. Penguat operasional
128
pertama (IC(1/2) merupakan rangkaian schmitt triger analog dan penguat
operasional kedua (IC(2/2) di konfigurasikan sebagai integrator aktif.
Rangkaian lengkap oscilator gelombang segitiga dapat dilihat pada gambar 162.
Rangkaian oscilator gelombang segitiga diatas dibuat dengan operasional
amplifier IC TL082 yang disusun sebagai rangkaian schmitt triger dan rangkaian
integrator.
Rangkaian schmitt triger akan memberikan output berupa gelombang kotak
sedangkan rangkaian integrator akan memberikan output berupa gelombang
segitiga apabila diberikan input berupa gelombang kotak.
Frekuensi Osilasi Oscilator Gelombang Segitiga Frekuensi kerja atau frekuensi
osilasi rangkaian oscilator gelombang segitiga diatas ditentukan oleh waktu proses
pengisian dan pengosongan kapasitor (C1), dimana proses pengisian dan
pengosongan kapasitor (C1) ditentukan oleh nilai kapasitas C1 resistansi R1 dan
R3.
Frekuensi kerja rangkaian oscilator gelombang segitiga diatas dapat ditentukan
dengan rumus berikut.
Pada rangkaian oscilator gelombang segitiga diatas nilai C1 adalah 100nF
kemudian R1 adalah 2,2 KΩ, R2 adalah 10 KΩ dan R3 adalah 8,2 KΩ.
Dari nilai komponen yang telah diketahui tersebut dapat dihitung frekuensi kerja
rangkaian osciltor gelombang segitiga sebagai berikut.
Dari perhitungan diatas diketahui bahwa frekuensi kerja rangkaian oscilator
gelombang segitiga diatas adalah 1386 Hz.
129
Prinsip Kerja Rangkaian Oscilator Gelombang Segitiga Untuk lebih mudah
dalam memahami dapat dilihat gambar rangkaian dan bentuk gelombang output
rangkaian oscilator gelombang segitiga berikut.
Output Oscilator Gelombang Segitiga,analisa oscilator gelombang segitiga,prinsip
kerja oscilator gelombang segitiga,sistem kerja oscilator gelombang
segitiga,proses osilasi osciltor gelombang segitiga,timing diagram osciltor
gelombang segitiga
Gambar 163
Osciltor Gelombang Segitiga
Gambar 164
Sinyal Osciltor Gelombang Segitiga
130
Pada saat tegangan sumber pertama kali diberikan pada rangkaian oscliator
gelombang segitiga diatas output rangkaian schmitt triger akan berada pada
kondisi jenuh positif atau negatif.
Apabila diasumsikan kondisi output pada output schmitt triger adalah jenuh
positif maka arus listrik mengalir melalui kapasitor C melalui resistor R1 ketika
titik A kondisi jenuh positif tersebut. Ketika muatan listrik mulai menyimpan di
kapasitor, tegangan dari kedua sisi dari kapasitor mulai naik. Karena jalur input
inverting dari IC2 adalah sekitar 0 V, tegangan output (titik B) dari rangakain
integrator turun secara bertahap.
Tegangan pada titik C juga turun ketika tegangan dari titik B mulai turun.
(Persentase penurunan tergantung pada rasio resistor R2 dan R3).
Ketika tegangan titik C turun di bawah 0 V, tegangan output (titik A) schmitt
triger berubah ke minus dengan cepat. Agar tegangan dari titik C turun di bawah 0
V, dibutuhkan nilai R2>R3. Kemudian, aliran arus reverse dari kapasitor (C) ke
titik A melalui R1 resistor.
Dengan kondisi ini, tegangan pada titik B naik secara bertahap. Ketika
tegangan dari titik C melebihi 0 V, output (titik A) schmitt berubah menjadi
positif dengan cepat sehingga membuat perubahan pada titik B ke arah negatif.
Proses diatas berulang terus sehingga terbentuk sinyal output gelombang
segitiga pada titik B (output 1) dan gelombang kotak pada titik A (output 2).
Oscilator Gelombang Kotak (NOT Gate)
Rangkaian oscilator gelombang kotak dibuat dengan gerbang TTL NOT gate
dan rangkaian diferensiator RC. Rangkaian oscilator gelombang kotak ini dapat
dilihat pada gambar 165 rangkaian dibawah.
Rangkaian dibuat dengan diferensiator pada bagian tengah dan diberikan
titik-titik test poin tersebut dimaksudkan agar lebih mudah dipahami. Terminal
output rangkaian oscilator gelombang kotak adalah titik D dan titik output
diferensiator adalah titik B. Berikut rangkaian oscilator gelombang kotak dari
gerbang NOT tersebut.
131
Gambar 165
Rangkaian Oscilator Gelombang Kotak
Rangkaian diferensiator inilah yang akan menentukan frekuensi kerja
rangkaian 165 oscillator gelombang kotak. Prinsip Kerja Rangkaian Oscilator
Gelombang Kotak (NOT Gate) Pada saat rangkaian diberikan sumber tegangan
untuk pertama kali maka titik output gerbang NOT IC1 dan IC2 akan terjadi
perubahan logika dari high (1) ke low (0).
Untuk memudahkan penjelasan dapat diambil asumsi dari titik A (output
gerbang NOT IC1) yang akan memberikan perubahan logika sesaat dari logika 1
(high) ke logika 0 (low). Proses perubahan logika pada titik A ini akan direspon
oleh rangkaian diferensiator kapasitor dan resistor sebagai input.
Kapasitor akan melakukan proses charging (pengisian) dan discharging
(pelepasan) muatan listri dari perubahan logika pada titik A tersebut dan
memberikan perubahan level tegangan dari high ke low dan berangsur berubah
lagi ke high lagi pada titik C. Dan perubahan level tegangan pada titik C ini
direspon oleh IC2 sebagai input sehingga IC2 akan memberikan output logika 0
(low) kemudian berubah sesuai level tegangan titik C kemudian IC2 meberikan
perubahan output menjadi logika 1 (high) dan mejadi input untuk IC1 sehingga
terjadi perubahan input untuk diferensiator dan proses ini berulang terus pada
rangkaian (terjadi osilasi).
Proses terjadinya gelombang kotak pada rangkaian gambar 165 oscillator
gelombang kotak dapat dipahami lebih jelas melalui gambar berikut.
132
Gambar 166
Sinyal Rangkaian oscilator gelombang kotak
Dari timing diagram gambar 166 diatas terlihat proses awal terjadinya pulsa
gelombang kotak pada rangkaian oscilator gelombang kotak dengan gerbang NOT
rangkaian diatas. Tegangan ambang treshold (VTH) pada titik B diferensiator
ditentukan oleh nilai kapasitor (C) dan resistor (R). Titik perubahan tegangan
ambang treshold (VTH) ini yang menentukan perubahan logika input untuk IC2.
Dan proses pengisian dan pengosongan kapasitor menentukan berapa lama
level tegangan titik B menuju titik tegangan ambang treshold (VTH) dan waktu
pengisian dan pengosongan muatan kapasitor (C) yang ditentukana oleh nilai
kapasitor (C) dan resistor (R) rangkaian diferensiator ini yang menentukan
frekuensi kerja (f) oscilator gelombang kotak. Frekuensi kerja (f) rangkaian
oscilator dapat ditentukan dengan persamaan berikut.
Dimana :
f = frekuensi kerja (Hz)
C = Kapasitas C (Farad)
R = Resistansi (Ohm)
133
Rp pada rangkaian oscilator gelombang kotak diatas berfungsi untuk menjaga
agar arus yang masuk ke input IC2 tidak berlebihan karena pada titik B dapat
terjadi tegangan yang lebih tinggi dari tegangan sumber dan lebih rendah dari 0
volt yang dikaibatkan proses diferensiasi rangkaian diferensiator dari perubahan
gelombang kotak.
Nilai resistansi Rp tidak mempengaruhi frekuensi kerja rangkaian oscilator
gelombang kotak.
Konsep Dasar Oscilator Relaksasi
Pada dasarnya pada osilator relaksasi ini tergantung pada proses
pengosongan-pengisian rangkaian kapasitor-resistor (RC). Perubahan tegangan
pada jaringan digunakan untuk mengubah-ubah konduksi perangkat elektronik.
Sebagai pengontrol proses pengisian dan pengosongan rangkaian RC, pada
osilator dapat digunakan transistor, UJT (uni junction transistors) atau IC
(integrated circuit). Proses pengisian dan pengosongan kapasitor pada rangkaian
seri RC akan mengikuti fungsi eksponensial dengan konstanta waktu yang
tergantung pada harga RC.
Pada proses pengisian, satu konstanta waktu dapat mengisi sebanyak 63%
dari sumber tegangan yang digunakan dan akan penuh setelah lima kali konstanta
waktu. Sebaliknya saat proses pengosongan, isi kapasitor akan berkurang
sebanyak 37% setelah satu konstanta waktu dan akan terlucuti secara penuh
setelah lima konstanta waktu seperti pada gambar 167 berikut.
134
Gambar 167
Kurva Pengisian dan Pengosongan Kapasitor
Proses pengisian dan pengosongan kapasitor melalui resistor seperti pada
gambar diatas dapat digunakan untuk menghasilkan gelombang gergaji. Saklar
pengisian dan pengosongan pada rangkaian gambar diatas dapat diganti dengan
135
saklar elektronik, yaitu dengan menggunakan transistor atau IC. Rangkaian yang
terhubung dengan cara ini dikelompokkan sebagai osilator relaksasi. Saat
komponen pengganti saklar tersebut berkonduksi disebut “aktif” dan saat tidak
berkonduksi disebut “rileks”. Demgan kondisi tersebut secara berulang dan
kontinyu maka gelombang gergaji akan terjadi pada ujung kaki kapasitor.
Gambar 168
Contoh Rangkaian Oscilator Relaksasi Dengan UJT
Dari contoh rangkaian oscilator relaksasi pada gambar 168 diatas rangkaian
RC terdiri atas R1 dan C1 . Titik sambungan rangkaian RC dihubungkan dengan
emitor dari UJT. UJT tidak akan berkonduksi sampai pada harga tegangan tertentu
yang dicapai pada pengisian kapasitor. Saat terjadi konduksi sambungan E-B1
menjadi beresistansi rendah. Ini memberikan proses pengosongan C dengan
resistansi rendah. Arus hanya mengalir lewat R3 saat UJT berkonduksi. Pada
rangkaian ini sebagai R3 adalah speaker.
Pada saat pertama kali diberi catu daya, osilator UJT dalam kondisi tidak
berkonduksi sehingga titik sambungan RC E- B1 mendapat bias mundur. Dalam
waktu singkat muatan pada C1 akan terpenuhi (dalam hal ini ukuran waktu adalah
R*C ). Dengan termuatinya C1 akan menyebabkan sambungan E- B1 menjadi
konduktif atau memiliki resistansi rendah. Selanjutnya terjadi pengosoangan C1
lewat sambungan E- B1 yang memiliki resistansi rendah. Ini akan menghilangkan
bias maju pada emitor. UJT selanjutnya menjadi tidak berkonduksi dan C1 mulai
terisi kembali melalui R1 dan proses ini secara kontinu akan berulang. Osilator
136
UJT dipakai untuk aplikasi yang memerlukan tegangan dengan waktu kenaikan
(rise time) lambat dan waktu jatuh (fall time) cepat. Sambungan E- B1 dari UJT
memiliki keluaran tipe ini. Antara B1 dan “ground” pada UJT menghasilkan pulsa
yang tajam (spike pulse). Keluaran tipe ini biasanya digunakan untuk rangkaian
pengatur waktu dan rangkaian penghitung. Sebagai kesimpulan osilator UJT
sangat stabil dan akurat untuk konstanta waktu satu atau lebih rendah.