< Previous 2.2.11.1.6. RANGKAIAN EKUIVALENSecara prinsip rangkaian ekuivalen OPpenguat diferensial yang menggunakan beberapa transistor dengan sistem kopel langsung (direct coupling). Untuk satu buah OP-AMP paling sedikit terdiri atas delapan buah transistor yang terangkai secara diferensial sistem kopel langsung. Sebuah OP-AMP terdiri dari beberapa blok rangkaian, yaitu: 1. Bagian input terdiri dari “Dual input balanced output differensial amplifier” dan “Dual input inbalanced output differensial amplifier.” 2. Bagian penguat arus yaitu Emitter follower. 3. Bagian penguat daya. Gambar berikut menunjukkan rangkaian ekuivalen OP-AMP yang terdiri dari beberapa blok rangkaian. Blok InputBlok PenguatBagian TengahBlokPenggeserLevelBlokOutputOutputDual Input BalanceOutput DifferentialAmplifierDual InputUnbalanced OutputDifferential AmplifierEmitterFollowerUsing ConstantCurrent SourceComplementarySymetry Push-PullAmplifierN.i Input+Inv. Input_ Gambar 2.195 Blok Diagram Ekuivalen OP-AMP Bagian input (input stage) terdapat input ganda (dual input), dengan output seimbang (balanced output). Pada bagian ini secara umum menguatkan tegangan dan menentukan tahanan input OP-AMP. Dan pada bagian penguat tengah merupakan bagian penguat beda yang mendorong bagian output bagian output yang pertama. Amplifier pada bagian ini biasanya dengan input ganda dan dengan output tunggal tidak seimbangan. Hal ini dikarenakan menggunakan kopel langsung, yaitu pada output penguat bagian tengah ini adalah tegangan DC. Pada bagian penggeser level secara umum adalah rangkaian translator (shifting) untuk menggeser level DC pada output dari bagian penguat tengah menuju ke 0 volt. Sedangkan bagian akhir selalu menggunakan rangkaian penguat komplemen “Push Pull” (Push Pull Complementary). Outputnya yaitu tegangan dan kemampuan arusnya menjadi naik. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada rangkaian ekuivalen beserta beberapa analisis pendekatan secara perhitungan teori. 248 +-Non InvertingInputInverting InputGNDUi1Ui2Ic1Uc1Uc2R1R2T1T2T3R3IU1EE3IB3UB3R6R5IE4T4T5BE5UR4Ucc = 12 VBE6UBE7UBE8UT6UE8IE8R8R7UE6UE7I1R9Ic8T8IE7T7GND2K4003K89K15K53K36K76K7Dual Inputbalanced - outputdiferential amp.OutputstageEmitterfollowerDual inputumbalanced - outputdiferential amp.UE4IE615K- UEE Gambar 2.196 Rangkaian Ekuivalen OP-AMP Besarnya tegangan beda (Diferensial Voltage) UD: UD = Ui1 – Ui2 ? UBET1 – UBET2 ? 0 (1.1) UC1 = UCC - IC1 ?.R1 (1.2) UEA = UC1-UBE5 (1.3) Karena IB3 = 0 (kecil sekali) Maka: IE4UE4UEER5R6 (1.4) UE3 = UB3 – UBE3 (1.5) IE3UE3UEER3 ( 1 - 6 ) Karena IE3 = 2?IC1 dan IC1 = IC2 Maka : 2IC1R6UCCUBER5R6R3R6R1IC1R5R6R30,7R3 (1.7) UE4 = UC1 – UBE5 (1.8) IE4UE4UEER5R6IE3 UE 1 - 7 3 - UEER3IE3UE3UEER3 249 2IE4UE4UEER5R (1.9) UCE5 = UCC – (1.10) UE6 = UC5 – UBE6 (1.11) IE6UE6UR7 (1.12) UE7 = UC8 = UE6 + UBE7 (1.13) I1UCCUE7R9 (1.14) Karena IC7 = IB8 dan IC7 = IE7 I1 = IC8 + IB8 (1.15) UE8 = U0 = - UEE + ( R8 ) IE8 (1.16) 250 LATIHAN 1 1. Apakah Op-Amp itu? Gambarkan simbolnya! 2. Sebutkan parameter-parameter penting OP-AMP! 3. Berdasarkan karakteristik OP-AMP, sebutkan ciri-ciri ideal OP-AMP berikut ini (pada kondisi “open loop”): a. Sifat impedansi input OP-AMP (Zi) b. Sifat impedansi output OP-AMP (Zo) c. Sifat penguatan tegangan (AOL) 4. Menurut sejarah pembuatan OP-AMP, IC linier OP-AMP ?A702 merupakan pembuatan IC linier tahun 1963, berapakah sumber tegangan untuk IC linier ?A702 ini? Dan produksi industri manakah IC tersebut? 5. Sebutkan dari industri mana serta terangkan arti seri nomor IC linier di bawah ini: a. MC 1741 P -55o to 125oC b. ?A 324 TC c. LM 741 AF 6. Sebutkan cara pembuatan dan pemberian sumber tegangan pada OP-AMP yang memerlukan sumber tegangan positif dan negatif! Gambarkan pula rangkaiannya! 7. OP-AMP jika dibuat rangkaian ekuivalennya terdiri dari blok apa sajakah di dalamnya? 8. Apakah beda power supply untuk IC digital dan IC analog/linier secara umum? 9. Sebutkan macam-macam kemasan IC linier! 10. Sebutkan kelompok IC linier berdasarkan suhu dan fungsinya! 2.2.11.2. PENGUAT BEDA DAN KASKADE (DIFFERENTIAL AND CASCADE AMPLIFIER) Sub bab ini akan membahas OP-AMP dengan analisisnya. Analisis yang digunakan adalah dengan parameter-r, termasuk perhitungan-perhitungan secara numerik pada penguat beda (differential amplifier) dan pada penguat kaskade (cascade amplifier). Karena penguat beda adalah dasar dari penguat operasi (OP-AMP), maka analisis untuk penguat beda merupakan bahasan utama pada bab ini. Dengan analisis penguat beda tidak hanya mempelajari operasi OP-AMP, tetapi juga sekaligus membuat analisis karakteristik OP-AMP lebih mudah dimengerti. Pengembangan analisis ini termasuk juga mengontrol parameter-parameter OP-AMP seperti penguatan tegangan dan resisten input–output dari OP-AMP yang telah dibuat industri. 2.2.11.2.1. PENGUAT BEDA (DIFFERENTIAL APenguat beda (diferensial, biasanya dibuat dengan sistem transistor yang dirangkaisecara rangkaian “emitterRR- U+ UQCEBCC1CEEE11111RR- U+ UQCEBCC2CEEE22222 Gambar 2.197 Dua Rangkaian “Emiter–biased“ yang identik 0 Transistor Q1 mempunyai karakteristik yang sama dengan transistor Q2, RE1 = RE2; RC1 = RC2 dan level, amplitudo +UCC sama dengan level amplitudo -UEE. Sumber tegangan +UCC dan -UEE ini semua terukur terhadap ground (1). Untuk memperoleh rangkaian tunggal seperti Gambar 2.198 berikut, maka harus menyambung kedua rangkaian itu (Gambar 2.197) seperti berikut: + UccUo-+Sumber sinyalSumber sinyal+-UEE+-- Gambar 2.198 Penguat diferensial input ganda, output seimbang (Dual-Input, balanced–output differential amplifier) 252 Menyambung +UCC (tegangan sumber) dari kedua rangkaian (Gambar 2.197) menjadi (Gambar 2.198). Hal ini dilakukan jika polaritas dan amplitudonya sama besar, termasuk sama juga pada –UEE. Menyambung E1 transistor Q1 ke E2 pada Q2, ini berarti menyambung paralel RE1 dan RE2 (RE = RE1//RE2). Memberikan sinyal input Ui1 pada B1 dari transistor Q1 dan Ui2 pada B2 dari Q2. Memberi nama output Uo, yaitu antara C1 dan C2 atau sering disebut tegangan output diferensial. Karena RC1 = RC2, maka tahanan kolektor ini cukup diberi nama RC, dan RE = RE1 // RE2. Jika RE1 = RE2, maka RE = ½RE1 = ½RE2. 2.2.11.2.1.1. Konfigurasi Rangkaian Penguat Diferensial Ada empat macam konfigurasi rangkaian penguat diferensial, yaitu: penguat diferensial, input-ganda, output seimbang (dual–input, balanced output differential amplifier) penguat diferensial, input ganda, output tak seimbang (dual–output, inbalanced output differential amplifier) penguat diferensial, input-tunggal, output seimbang (single–input, balanced output differential amplifier) penguat diferensial, input-tunggal, output tak seimbang (single–input, unbalanced output differential amplifier) Konfigurasi rangkaian pada penguat diferensial didefinisikan sebagai jumlah sinyal yang digunakan dan tegangan output yang diukur. Jika digunakan dua buah sinyal input, maka konfigurasinya dikatakan “dual input” atau input ganda, atau yang lainnya, yaitu konfigurasi “single input” atau input tunggal. Pada sisi lain, jika tegangan output diukur di antara dua kolektor, hal ini sebagai output seimbang (balanced output), ini dikarenakan kedua kolektor mempunyai tegangan DC yang sama terhadap ground. Namun sebaliknya, jika output diukur pada satu kolektor terhadap ground saja, konfigurasi ini disebut output tak seimbang (unbalanced output). Sebelum membahas beberapa analisis rangkaian, perlu dibahas lebih dahulu tentang beberapa hal penting bagian dan uraian detail secara umum. 2.2.11.2.1.2. Pemakaian Penguat Diferensial Dua buah tipe semikonduktor yang hampir sama, yaitu BJT (Bipolar Junction Transistor) dan FET (Field Effect Transistor) diperlukan untuk aplikasi pembuatan penguat diferensial. Semua komponen ini dalam dua rangkaian “emitter-biased”, yang kedua komponennya harus memiliki 253 karakteristik yang sesuai. Termasuk sumber tegangan (power supply) +UCC dan -UEE harus mempunyai level amplitudo yang sama besar. Untuk desain penguat yang multitingkatnya, dengan mendapatkan penguatan tegangan yang besar, maka dapat digunakan sebuah rangkaian searah yang langsung antara semua tingkat dari penguat diferensial tersebut. Pengertian rangkaian searah langsung adalah dengan menghilangkan frekuensi mati (cut off frequency) yang lebih rendah yang biasa menggunakan kopel kapasitor, maka kopel kapasitor ini harus dihilangkan, sehingga menjadi kopel langsung. Oleh karena itu, penguat diferensial mempunyai kemampuan menguatkan sinyal DC yang baik, sama seperti menguatkan sinyal AC. Dalam sistem instrumentasi, penguat diferensial juga baik dan banyak digunakan sebagai pembanding dua buah sinyal input. 2.2.11.2.2. PENGUAT DIFERENSIAL INPUT GANDA, OUTPUT SEIMBANG (DUAL INPUT, BALANCED OUTPUT DIFFERENTIAL AMPLIFIER) Rangkaian penguat diferensial input ganda ditunjukkan pada Gambar 2.2. Dua buah sinyal input (dual input), Ui1 dan Ui2 diberikan ke Basis B1 dan B2 dari transistor Q1 dan Q2. Output Uo diukur di antara dua kolektor, C1 dan C2, yaitu merupakan tegangan DC. Karena sama-sama tegangan DC pada kolektor terhadap ground, maka output disebut output seimbang (balanced output). 2.2.11.2.2.1. Analisis DC Untuk menentukan besarnya titik kerja (operating point) penguat diferensial (ICQ dan VCEQ) Gambar 2.2, diperlukan rangkaian ekuivalen secara rinci. Rangkaian ekuivalen DC dapat diperoleh secara sederhana dengan mereduksi sinyal input Ui1 dan Ui2 sama dengan nol. Gambar 2.3 berikut ini menunjukkan rangkaian ekuivalen Gambar 2.2. 254 + Ucc+-++++-UEE Gambar 2.199 Rangkaian Ekuivalen DC dari Penguat Diferensial (dual input, balanced output) Resistor internal dari sinyal input adalah Rin, sebab Rin1 = Rin2. Karena kedua bagian menggunakan “emitter biased”, maka penguat diferensial ini adalah simetris (matched in all respects). Untuk menentukan titik kerja diperlukan arus kolektor ICQ dan tegangan kolektor Emitor UCEQ untuk satu bagian rangkaian. Sebaiknya harga rangkaian ICQ dan UCEQ dari transistor Q1 yang ditentukan karena dengan ICQ dan UCEQ pada Q1, kemudian dapat untuk menentukan juga Q2. Menggunakan hukum tegangan Kirchoff, loop basis-emitor pada transistor Q1 adalah: Rin? IB - UBE - RE (2IE) + UEE = 0 (2.1) Karena: IBICdc dan IC ? IE , maka IBIEDC Maka arus emitor pada Q1 ditentukan langsung dari persamaan 2.1. 2 IE . RE = - Rin . IB – UBE + UEE 2 IE . RE + Rin . IB =+ UEE – UBE 2IERERinIEdcUEEUBE IE2RERindcUEEUBE 255 IEUEEUBE2RERindc (2.2) Secara umum Rin / ?dc << 2 RE, maka: IEUEEUBE2RE (2.3) UBE = 0,6 V untuk transistor silikon dan 0,3 V untuk transistor germanium. Dari persamaan (2.3) RE diset untuk arus emitor pada transistor Q1 dan Q2 yang diberikan ke sumber -UEE. Dengan perkataan lain dengan memilih harga RE, maka diperoleh arus emitor dengan -UEE yang telah diketahui. Arus emitor ini tidak tergantung pada resistor kolektor RC pada transistor Q1 dan Q2. Selanjutnya untuk menentukan tegangan kolektor-emitor, UCE, adalah dengan pendekatan bahwa tegangan pada emitor transistor Q1 mendekati sama -UBE. Jika diasumsikan drop tegangan Rin sangat kecil dan arus emitor berdasarkan pengalaman IE ? IC, maka dapat diperoleh tegangan kolektor UC sebagai berikut: UC = UCC – RC . IC Sehingga tegangan kolektor-emitor UCE adalah: UCE = UC- UE UE ? -UBE = UCC – RC. IC )- (-UBE) = UCC + UBE -RC. IC Dengan persamaan (2.2) dan (2.4) dapat ditentukan ICQ dan UCEQ masing-masing, sebab titik kerja IE = ICQ dan UCE = UCEQ. Analisis DC pada persamaan (2.2) dan (2.4) adalah aplikatif untuk keempat konfigurasi penguat diferensional sepanjang sistem bias dari keempat konfigurasi itu sama. 2.2.11.2.2.2. Analisis AC Pada analisis AC penguat tegangan (voltage gain) dari penguat diferensial diekspresikan dengan Ad dan resistan input Ri seperti pada Gambar 2.200 dengan cara: Set tegangan DC +UCC dan –UEE pada kondisi nol. Subtitusikan model ekuivalen –T untuk sinyal kecil dari transsistor. Gambar berikut ini ditunjukkan tentang rangkaian ekuivalen dari input ganda, output seimbang, dan penguat diferensial. 256 -+-+ib1+-+-+-++---+-++-Uo-+III Gambar 2.201 Rangkaian ekuivalen AC untuk diferensial amplifier (input ganda, output seimbang) Teganganwaktu Gambar 2.202 Bentuk gelombang output diferensial amplifier Penguatan Tegangan (Voltage Gain) Sebelum menerangkan secara detail penguatan tegangan pada penguat diferensial Ad, ada beberapa hal penting yang perlu diketahui dari gambar rangkaian ekuivalen (2.4), yaitu: IE1 = IE2, karena itu RE1 = RE2. Di mana RE adalah resistan emitor dari transistor Q1 dan Q2 Tegangan pada masing-masing resistor Collector phasa pada output berbalik 180o terhadap inputnya Ui1 dan Ui2. Karena penguatnya merupakan penguat dengan konfigurasi emitor bersama yang menggunakan dua buah rangkaian emitor bersama yang identik. Polaritas tegangan output Uo ditentukan oleh tegangan pada kolektor C2 diasumsikan lebih positif daripada tegangan pada kolektor C1. Ini berarti tegangan pada kolektor C1 lebih negatif terhadap ground. Next >