Chapter 13:LINEAR-DIGITAL ICs

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

1. Pendahuluan (kembali)

Penguat operasional (Operational Amplifier atau Op-Amp) merupakan komponen fundamental dalam dunia elektronika analog. Chapter 13 dari buku Electronic Devices and Circuit Theory edisi ke-11 membahas berbagai aplikasi lanjut dari op-amp yang meliputi rangkaian seperti penguat instrumentasi, filter aktif, konverter tegangan-ke-frekuensi dan frekuensi-ke-tegangan, serta penguat logaritmik dan antilogaritmik. Bab ini sangat penting karena memperluas wawasan mahasiswa atau praktisi teknik elektro terhadap bagaimana op-amp dapat digunakan tidak hanya sebagai penguat dasar, namun juga sebagai elemen aktif dalam sistem pemrosesan sinyal yang kompleks.

Pemahaman terhadap materi ini memungkinkan pengembangan rangkaian analog yang efisien dan memiliki performa tinggi, terutama dalam aplikasi yang memerlukan akurasi, kestabilan, dan kemampuan penyesuaian yang tinggi seperti pada sistem pengukuran, pengendalian otomatis, dan perangkat medis.

2. Tujuan (kembali)

· Mempelajari prinsip kerja dan konfigurasi rangkaian lanjutan yang menggunakan op-amp.

· Menjelaskan cara kerja dan implementasi penguat instrumentasi, filter aktif, dan konverter sinyal.

· Menganalisis kinerja rangkaian berdasarkan parameter masukan dan komponen yang digunakan.

· Melakukan simulasi atau eksperimen langsung untuk mengamati karakteristik dan respons rangkaian.

· Menumbuhkan pemahaman mendalam tentang cara kerja op-amp dalam konfigurasi aplikasi dunia nyata.

3. Alat dan Bahan (kembali)

1. Battery

Baterai (Battery) adalah sebuah alat yang dapat merubah energi kimia yang disimpannya menjadi energi Listrik yang dapat digunakan oleh suatu perangkat Elektronik. Hampir semua perangkat elektronik yang portabel seperti Handphone, Laptop, Senter, ataupun Remote Control menggunakan Baterai sebagai sumber listriknya. Dengan adanya Baterai, kita tidak perlu menyambungkan kabel listrik untuk dapat mengaktifkan perangkat elektronik kita sehingga dapat dengan mudah dibawa kemana-mana. Dalam kehidupan kita sehari-hari, kita dapat menemui dua jenis Baterai yaitu Baterai yang hanya dapat dipakai sekali saja (Single Use) dan Baterai yang dapat di isi ulang (Rechargeable).

2. Ground

Ground adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.

3. Diode

Dioda (Diode) adalah Komponen Elektronika Aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya.

4. Resistor

Fungsi utama dari resistor adalah membatasi aliran arus. Resistor dapat menahan arus dan memperkecil besar arus. Besar resistansi (kemampuan menahan arus) resistor disesuaikan dengan kebutuhan perangkat elektronika.

Cara Menghitung Nilai Resistor

5.Op Amp

Op-amp (operational amplifier) adalah komponen elektronik aktif yang berfungsi untuk memperkuat perbedaan tegangan antara dua inputnya (input inverting dan non-inverting).

4. Dasar Teori (kembali)

Penguat Instrumentasi: Rangkaian ini merupakan bentuk lanjutan dari penguat diferensial yang menggunakan lebih dari satu op-amp untuk meningkatkan penguatan, kestabilan, dan penolakan terhadap sinyal common-mode (CMRR tinggi). Cocok digunakan dalam pengukuran sensor dan sistem kontrol industri.
Filter Aktif: Op-amp digunakan untuk membentuk filter low-pass, high-pass, band-pass, dan band-stop dengan karakteristik frekuensi yang lebih presisi dibandingkan filter pasif. Penguatan dapat disesuaikan, dan elemen reaktif digabung dengan umpan balik aktif untuk membentuk karakteristik filter.
Konverter Tegangan ke Frekuensi (V-F) dan Frekuensi ke Tegangan (F-V): Konverter ini memungkinkan pengubahan sinyal analog menjadi sinyal frekuensi dan sebaliknya. Bermanfaat untuk transmisi data, pengukuran sinyal jarak jauh, dan antarmuka digital-analog.
Penguat Logaritmik dan Antilogaritmik: Dengan memanfaatkan karakteristik logaritmik dari dioda atau transistor, rangkaian ini dapat mengubah hubungan linier menjadi logaritmik dan sebaliknya. Aplikasi penting dalam kompresi sinyal, pengolahan sinyal audio, dan skala eksponensial dalam pengukuran.

5. Prinsip Kerja [kembali]

1.FIG. 13.9 – Zero-Crossing Detector

Input sinusoidal diberikan ke terminal non-inverting (+).
Terminal inverting (−) dihubungkan ke ground (0 V) sebagai referensi.
Comparator membandingkan input dengan 0 V:

Jika Vi > 0 → Output = HIGH (open)
Jika Vi < 0 → Output = LOW (≈ V−)

Output berubah setiap kali input melewati 0 V → mendeteksi titik nol silang.

2.FIG. 13.10 – Basic Comparator

Du versi konfigurasi:

(a): Input di (+), referensi di (−)

Jika input > Vref → output = open circuit (HIGH)
Jika input < Vref → output = V− (LOW)

(b): Input di (−), referensi di (+)

Jika input < Vref → output = open circuit (HIGH)
Jika input > Vref → output = V− (LOW).

3.FIG. 13.11 – Window Comparator (Window Detector)

Dua comparator digunakan untuk membentuk jendela tegangan (window) antara +1V dan +5V.
Output HIGH hanya ketika input berada di antara 1V dan 5V.
Di luar rentang ini (lebih kecil dari 1V atau lebih besar dari 5V), salah satu comparator memberikan output LOW → Output total menjadi LOW.
Berguna untuk monitor tegangan sistem dalam batas aman.

6. Example & Problem [kembali]

A.Example

1.Rangkaian zero-crossing detector menggunakan op-amp

sebagai komparator dengan tegangan suplai ±15 V. Jika sinyal input berupa

gelombang sinus dengan amplitudo 10 V, jelaskan apa yang terjadi pada output

ketika sinyal melewati titik nol volt?

Jawaban: Ketika sinyal input melewati titik nol volt dari negatif ke positif, output op-amp akan beralih dari saturasi negatif (-15 V) ke saturasi positif (+15 V). Sebaliknya, saat sinyal melewati nol dari positif ke negatif, output akan beralih dari +15 V ke -15 V. Jadi output berupa gelombang kotak dengan level tegangan ±15 V yang menandakan crossing pada nol volt.

2.Sebuah zero-crossing detector menghasilkan pulsa output dengan frekuensi 60 Hz. Jika pulsa tersebut digunakan untuk mengendalikan dimmer lampu, berapa kali dalam 1 menit lampu tersebut akan menerima sinyal switching?

Jawaban:

Frekuensi pulsa output adalah 60 Hz, yang berarti pulsa terjadi 60 kali per detik. Dalam 1 menit (60 detik), jumlah pulsa adalah: 60×60=3600 pulsa switching.

3.Dalam sebuah rangkaian op-amp sebagai penguat diferensial, jika tegangan input positif adalah 2 V dan input negatif adalah 1.5 V, dan penguatan diferensial adalah 10 kali, berapa tegangan outputnya?

Jawaban:

Tegangan output op-amp diferensial: Vout=Ad×( (V+−V−) Vout=10×(2−1.5)= 5V

B.Problem

1.Output Terganggu atau Tidak Stabil

Penyebab: Salah satu penyebab utama adalah ketidakstabilan pada output karena noise atau interferensi pada sinyal input. Ketika sinyal input sangat bervariasi atau ada gangguan, komparator dapat menghasilkan output yang tidak stabil atau berosilasi, terutama pada sinyal yang sangat kecil.
Solusi: Untuk mengatasi masalah ini, tambahkan hysteresis pada komparator untuk menghindari pengaruh noise. Hysteresis memastikan bahwa komparator hanya berubah status ketika sinyal input melewati ambang batas tertentu, sehingga mengurangi kemungkinan output yang tidak stabil akibat noise. Selain itu, gunakan kapasitor atau filter untuk mengurangi gangguan pada sinyal input.

2.Perbedaan Antara Komparator dengan Input Minus dan Plus

Penyebab: Seringkali, perbedaan antara penggunaan input minus dan input plus sebagai referensi dapat menyebabkan kebingungannya perilaku rangkaian komparator. Misalnya, output komparator mungkin berubah secara terbalik jika input minus digunakan sebagai referensi, sedangkan output tidak berubah dengan cara yang sama jika input plus digunakan.
Solusi: Untuk menghindari kebingungan ini, pastikan untuk memahami perilaku kedua jenis komparator. Jika menggunakan input minus, output akan berubah ketika sinyal input lebih kecil dari referensi. Sebaliknya, jika menggunakan input plus, output akan berubah ketika sinyal input lebih besar dari referensi. Tentukan kebutuhan aplikasi dan pilih konfigurasi yang sesuai.

3.Kesalahan Deteksi Karena Tegangan Referensi Tidak Tepat

Penyebab: Jika tegangan referensi pada input komparator tidak disesuaikan dengan benar, misalnya salah menetapkan tegangan referensi yang terlalu tinggi atau terlalu rendah, ini dapat menyebabkan kesalahan deteksi, dan sinyal input yang seharusnya terdeteksi dalam rentang jendela mungkin tidak terdeteksi.
Solusi: Sesuaikan dengan cermat tegangan referensi untuk masing-masing komparator (batas atas dan batas bawah). Pastikan referensi untuk masing-masing komparator berada dalam rentang yang benar untuk mendeteksi sinyal input dengan tepat.

7. Soal Latihan [kembali]

1.Apafungsi utama dari rangkaian komparator yang digunakan sebagai zero-crossing detector?
A) Mengatur level tegangan input ke output yang lebih tinggi
B) Mendeteksi titik di mana sinyal input melintasi garis nol (0V)
C) Menghasilkan sinyal output yang bersifat sinusoidal
D) Menyaring sinyal noise dalam rangkaian
Jawaban yang benar: B) Mendeteksi titik di mana sinyal input melintasi garis nol (0V)

2.Apa yang membedakan komparator dengan input referensi pada input minus dan input plus (non-inverting)?
A) Tidak ada perbedaan antara kedua jenis komparator
B) Pada input minus, output berubah ketika sinyal input lebih besar dari referensi, sedangkan pada input plus output berubah saat sinyal input lebih kecil dari referensi
C) Pada input plus, output berubah saat sinyal input lebih besar dari referensi, sedangkan pada input minus output berubah saat sinyal input lebih kecil dari referensi
D) Pada kedua jenis input, output selalu tetap tinggi
Jawaban yang benar: C) Pada input plus, output berubah saat sinyal input lebih besar dari referensi, sedangkan pada input minus output berubah saat sinyal input lebih kecil dari referensi

3.Dalamsebuah rangkaian window detector yang menggunakan dua komparator, satu untuk deteksi batas bawah dan satu lagi untuk deteksi batas atas, sinyal input yang akan dideteksi berada dalam rentang tegangan tertentu. Misalkan sinyal input memiliki rentang tegangan dari 0V hingga 5V, dan kita menginginkan untuk mendeteksi sinyal yang berada antara tegangan 1V (batas bawah) dan 4V (batas atas).Jikakomparator pertama digunakan untuk mendeteksi batas bawah (1V) dan komparatorkedua digunakan untuk mendeteksi batas atas (4V), apa yang akan terjadi pada output dari rangkaian window detector jika sinyal input berada di bawah 1V ataulebih besar dari 4V?

A) Output akan tetap tinggi meskipun sinyal input berada di luar rentang deteksi.
B) Output akan menjadi rendah jika sinyal input berada di luar rentang deteksi dan tinggi jika berada dalam rentang deteksi.
C) Output akan tetap rendah meskipun sinyal input berada dalam rentang deteksi.
D) Output akan menjadi tinggi jika sinyal input berada di luar rentang deteksi dan rendah jika berada dalam rentang deteksi.

Jawaban yang benar: B) Output akan menjadi rendah jika sinyal input berada di luar rentang deteksi dan tinggi jika berada dalam rentang deteksi.

8. Percobaan [kembali]

a. prosedur percoban

Untuk membuat rangkaian ini, pertama, siapkan semua alat dan bahan yang bersangkutan, di ambil dari library proteus
Letakkan semua alat dan bahan sesuai dengan posisi dimana alat dan bahan terletak.
Tepatkan posisi letak nya dengan gambar rangkaian
Selanjutnya, hubungkan semua alat dan bahan menjadi suatu rangkaian yang utuh
Lalu mencoba menjalankan rangkaian , jika tidak terjadi error, maka rangkaian akan berfungsi yang berarti rangkaian bekerja.

A.FIG 13.9-Zero-Crossing Detector

Prinsip kerja:

Pertama, sinyal AC diberikan ke input inverting (-) komparator LM339, sementara input non-inverting (+) dihubungkan ke ground sebagai titik referensi nol volt. Ketika sinyal AC mulai naik dan melebihi nol volt, tegangan pada input inverting (-) menjadi lebih tinggi dari input non-inverting (+), sehingga komparator mengeluarkan output logika rendah mendekati 0 V. Ketika sinyal AC turun dan melewati titik nol menuju tegangan negatif, maka input inverting (-) menjadi lebih rendah dari input non-inverting (+), sehingga komparator langsung membalik output ke logika tinggi sebesar +5 V melalui resistor pull-up R1 yang nilainya 10 kΩ. Proses ini terus berulang setiap kali sinyal input melewati titik nol. Dengan demikian, sinyal input yang berbentuk gelombang sinus diubah menjadi gelombang persegi pada output, yang tepat menunjukkan momen penyeberangan nol. Output ini dapat digunakan sebagai sinyal pendeteksi sinkronisasi fasa, pemicu rangkaian digital, atau pengendali sistem yang bekerja berdasarkan perubahan polaritas sinyal AC.

Vidio simulasi:

B.FIG 13.10-Basic Comparator

Prinsip kerja:

Rangkaian ini terdiri dari dua komparator yang bekerja dengan prinsip membandingkan sinyal input dengan tegangan referensi. Pada bagian pertama, sinyal AC diberikan ke input non-inverting (+) komparator U1:A, sedangkan input inverting (−) dihubungkan ke referensi nol volt. Ketika sinyal input lebih besar dari referensi, output komparator akan berada pada kondisi logika tinggi, sedangkan jika sinyal input lebih kecil dari referensi, output turun ke logika rendah. Kemudian, pada bagian kedua, rangkaian komparator U1:B bekerja dengan konfigurasi sebaliknya, di mana sinyal input diberikan ke input inverting (−) dan referensi ke input non-inverting (+). Saat tegangan input turun di bawah tegangan referensi, output akan berubah ke logika tinggi, dan jika tegangan input lebih besar dari referensi, output akan berada di logika rendah. Dengan cara kerja ini, kedua komparator secara bergantian menghasilkan sinyal output kotak berdasarkan perbandingan sinyal AC dengan tegangan referensi, yang berfungsi untuk mendeteksi batas naik dan turun suatu sinyal, memproses sinyal analog menjadi sinyal digital, atau sebagai pendeteksi level tegangan pada sistem kontrol.

Vidio simulasi:

C.FIG 13.11-Window Comparator (Window Detector)

Prinsip Kerja:

Rangkaian Window Detector ini bekerja dengan dua komparator LM339 yang mendeteksi apakah tegangan input berada dalam batas tegangan tertentu. Tegangan input diberikan ke kedua komparator dan dibandingkan dengan tegangan referensi batas atas sekitar +3 V dan batas bawah sekitar +1 V, yang dibentuk oleh pembagi resistor. Jika tegangan input naik di atas +3 V atau turun di bawah +1 V, maka salah satu komparator akan aktif menarik output ke logika rendah (0 V). Sebaliknya, jika tegangan input tetap di antara +1 V hingga +3 V, kedua komparator nonaktif sehingga output ditarik oleh resistor pull-up menjadi logika tinggi (+5 V). Dengan cara ini, rangkaian hanya menghasilkan output HIGH jika input berada di dalam jendela tegangan, dan LOW jika di luar batas.

Cari Blog Ini

Loling Putri Mayori