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.