OSILATOR GELOMBANG SINUS David 140310180035 Apa itu Osilator? Osilator Op Amp merupakan sirkuit yang tak stabil—bukan jenis yang dirancang atau dibuat di lab, tetapi sirkuit sengaja dirancang untuk tetap dalam keadaan tak stabil. Osilator dimanfaatkan untuk membuat sinyal yang seragam digunakan pada berbagai aplikasi seperti audio, fungsi generator, sistem digital, dan sistem komunikasi. Umunya ada dua jenis osilator: sinusoidal dan relaksasi. Osilator sinusoidal terdiri dari amplifier dengan komponen RC (resistansi dan kapasitansi) atau LC (induktansi dan kapasitansi) yang memiliki frekuensi osilasi yang dapat diatur atau kristal yang frekuensi osilasinya tetap. Osilator relaksasi menghasilkan bentuk gelombang segitiga, gergaji, kotak, pulsa, atau eksponensial; dan jenis ini tidak dibahas pada bab ini. Osilator gelombang sinus Op Amp beroperasi tanpa sinyal input yang diberikan dari eksternal. Kombinasi umpan balik positif dan negatif digunakan untuk mengarahkan Op Amp ke kondisi tak stabil, menyebabkan output berpindah bolak-balik dengan laju terus menerus. Amplitudo dan frekuensi osilasi diatur oleh komponen pasif dan aktif di bagian tengah Op Amp. Tegangan umpan balik Op Amp terbatas pada kisaran kilohertz saja, karena dominan, kutub loop terbuka paling rendah sebesar 10 Hz. Umpan balik Op Amp baru saat ini memiliki bandwidth yang lebih luas, tetapi sangat sulit digunakan di rangkaian osilator, karena mereka sensitif terhadap kapasitansi umpan balik dan berada di luar cakupan bab ini. Osilator Kristal digunakan untuk frekuensi tinggi dengan jangkauan ratusan megahertz. Syarat-syarat untuk Osilator Kanonik atau bentuk paling sederhana dari sistem umpan balik negatif digunakan untuk menunjukkan persyaratan agar osilasi terjadi. Diagram blok sistem ini ditampilkan pada gambar di bawah, dan ekspresi klasik yang sesuai untuk sistem umpan balik adalah ditunjukkan dalam Persamaan 1. Gambar 1. Bentuk kanonik sistem umpan balik osilator … Persamaan 1 Osilator tidak memerlukan sinyal input dari eksternal melainkan menggunakan beberapa bagian dari sinyal output yang dibuat oleh jaringan umpan balik sebagai sinyal input. Tegangan noise yang menyediakan sinyal dorongan awal ke sirkuit saat umpan balik positif digunakan. Selama periode waktu, output menumpuk, berosilasi di frekuensi yang ditetapkan oleh komponen rangkaian. Perubahan Fasa pada Osilator Pergeseran fasa sebesar 180o dalam persamaan Aβ = 1∠–180 diperoleh dari komponen aktif dan pasif. Seperti sirkuit umpan balik yang dirancang dengan baik, osilator dibuat tergantung pada pergeseran fase komponen pasif, karena hal tersebut akurat dan hampir bebas drift. Fase pergeseran yang dihasilkan komponen aktif diminimalkan karena bervariasi dengan suhu, memiliki toleransi awal yang luas, dan tergantung pada perangkat. Amplifier dipilih seperti itu agar dapat berkontribusi sedikit atau bahkan tidak sama sekali pergeseran fasa pada frekuensi osilasi. Satu kutub pada rangkaian RL atau RC berkontribusi pergeseran fasa hingga 90o per kutub, dan karena itu pergeseran fasa 180o diperlukan untuk osilasi, setidaknya dua kutub harus digunakan dalam desain osilator. Tetapi osilator LC dan LR tidak dianggap di sini karena induktor dengan frekuensirendah mahal, berat, tebal, dan sangat tidak ideal. Osilator LC dirancang untuk aplikasi frekuensi tinggi, di luar rentang frekuensi tegangan op amp umpan balik, di mana ukuran induktor, berat, dan biaya kurang signifikan. Beberapa bagian RC digunakan dalam desain osilator frekuensi rendah sebagai pengganti induktor. Pergeseran fase menentukan frekuensi osilasi karena rangkaian berosilasi pada frekuensi yang mengakumulasikan pergeseran fasa 180o. Tingkat perubahan fase dengan frekuensi, dφ/dω, menentukan stabilitas frekuensi. Gambar 2. Plot fasa dari bagian RC Frekuensi osilasi sangat tergantung pada perubahan fasa pada titik tersebut, di mana pergeseran fasa sebesar 180o. Spesifikasi frekuensi yang rapat memerlukan perubahan fasa, dφ, untuk perubahan kecil pada frekuensi, dω, sebesar 180o. Kristal atau resonator keramik membuat sebagian besar osilator stabil, karena resonator miliki dφ/dω sangat tinggi yang dihasilkan dari sifat nonliniernya. Resonator digunakan untuk osilator frekuensi tinggi, tetapi osilator frekuensi rendah tidak menggunakan resonator karena ukuran, berat, dan keterbatasan biaya. Op amp biasanya tidak digunakan osilator resonator kristal atau keramik karena op amp memiliki bandwidth yang kecil. Gain pada Osilator Gain pada osilator harus sama dengan 1 (Aβ = 1∠–180) pada frekuensi osilasi. Dibawah kondisi normal, rangkaian menjadi stabil ketika gain melebihi 1 dan osilasi berhenti. Namun, ketika gain melebihi 1 dengan pergeseran fase -180o, nonlinieritas perangkat yang aktif mengurangi gain ke 1 dan sirkuit berosilasi. Nonlinieritas terjadi ketika amplifier berayun dekat dengan power rail karena cutoff atau saturasi mengurangi penguatan perangkat aktif (transistor). Paradoksnya adalah rancangan terburuk membutuhkan nilai gain melebihi 1 untuk manufakturabilitas, tetapi gain yang berlebih menyebabkan lebih banyak distorsi dari output gelombang sinus. Dampak Elemen Aktif (Op-Amp) pada Osilator Hingga saat ini telah diasumsikan bahwa op amp memiliki bandwidth dan output tak hingga dan tidak tergantung pada frekuensi. Pada kenyataannya, gain loop, Aβ, dari rangkaian tergantung pada frekuensi. Gambar 2 menunjukkan gain khusus terhadap respons frekuensi Op Amp. Biasanya, bandwidth ditentukan di mana ACLideal memotong rolloff gain loop terbuka (AOL). Inilah intinya, f0, di mana ACLideal dilemahkan oleh 3 dB dan biasanya terkulai pada 20 dB per dekade. Lebih buruk lagi, pergeseran fasa yang dihasilkan oleh Op Amp adalah 45o pada titik Gambar 3. Respon Frekuensi Op Amp Sebagian besar op amp dikompensasi dan pergeseran fasa lebih dari 45 di ω3dB. Oleh karena itu op amp harus dipilih dengan gain bandwidth yang setidaknya satu dekade di atas frekuensi osilasi, seperti yang ditunjukkan oleh area yang diarsir pada Gambar 4. Gambar 4. Respon Frekuensi Op Amp Analisis Operasi Osilator Osilator dibuat dengan berbagai kombinasi umpan balik positif dan negatif. Gambar 5 menunjukkan diagram penguat umpan balik negatif ditambahkan dengan umpan balik positif. Ketika umpan balik positif dan negatif digunakan, keuntungan dari jalur umpan balik negatif digabungkan menjadi satu istilah penguatan (mewakili gain loop tertutup). Jaringan umpan balik positif kemudian diwakili oleh β=β2, dan analisis selanjutnya disederhanakan. Ketika umpan balik negatif digunakan, loop umpan balik positif dapat diabaikan, karena β2 bernilai 0. Kasus positif digabungkan dengan umpan balik negatif dibahas di bab ini, karena kasus umpan balik negatif diulas pada bab selanjutnya. Gambar 5. Diagram Blok Osilator (a) (b) Gambar 6. Penguat dengan umpan balik positif dan negatif Bentuk umum dari op amp dengan umpan balik positif dan negatif ditunjukkan pada Gambar 6(a). Langkah pertama adalah memutus loop di beberapa titik tanpa mengubah gain dari sirkuit. Loop umpan balik positif hancur pada titik yang ditandai dengan X. Sinyal uji (VTEST) diterapkan ke loop yang hancur dan tegangan output yang dihasilkan (VOUT) diukur dengan rangkaian ekivalen yang ditunjukkan pada Gambar 6(b). Osilator Gelombang Sinus Ada banyak jenis osilator sirkuit gelombang sinus dan variasi dari sirkuit ini—pilihan tergantung pada frekuensi dan kemurnian yang diinginkan dari bentuk gelombang output. Fokus dari bagian ini adalah pada sirkuit osilator: Jembatan Wien, pergeseran fasa, dan quadrature. Fungsi transfer diturunkan untuk setiap kasus menggunakan teknik yang dijelaskan dalam bagian sebelumnya dari bab ini dan dalam sebelumnya. Osilator Jembatan Wien Jembatan Wien adalah salah satu osilator yang paling sederhana dan paling dikenal dan digunakan secara ekstensif di sirkuit untuk aplikasi audio. Gambar 7 menunjukkan konfigurasi rangkaian jembatan Wien pada umumnya. Sirkuit ini hanya memiliki beberapa komponen dan stabilitas frekuensi yang baik. Kelemahan utama dari rangkaian adalah bahwa amplitudo keluaran berada pada rel, menjenuhkan transistor keluaran op amp dan menyebabkan distorsi keluaran menajdi tinggi. Pengaturan distorsi ini lebih menjadi tantangan daripada membuat sirkuit. Gambar 7. Osilator Jembatan Wien Gambar 8. Osilator Jembatan Wien Final Gambar 8. Bentuk Gelombang Output Osilator Jembatan Wien
