PENGKONDISI SINYAL ANALOG

Ponco Siwindarto-TEUB
1
Kumpulkan tugas
yang diberikan pada
pertemuan yang lalu
Ponco Siwindarto-TEUB
2
TUJUAN
Setelah menyelesaikan perkuliahan ini
peserta mampu:
• Menggunakan rumus-rumus dalam
rangkaian elektronika untuk menganalisis
rangkaian pengkondisi sinyal aktif
• Menggunakan kaidah, hukum, dan
rumus dalam rangkaian elektronika untuk
merancang rangkaian pengkondisi sinyal
aktif
Ponco Siwindarto-TEUB
3
POKOK BAHASAN
•Operational Amplifier (Op amp)
•Panduan Perancangan.
Ponco Siwindarto-TEUB
4
OPERATIONAL AMPLIFIER
(OP AMP)
• Rangkaian Penguat Dasar
• Rangkaian Penguat Diferensial
• Konverter Tegangan ke Arus.
Ponco Siwindarto-TEUB
5
RANGKAIAN PENGUAT DASAR
• Penguat membalik
• Penguat tak membalik
• Penguat penyangga
• Penguat menjumlah.
Ponco Siwindarto-TEUB
6
Penguat Membalik
Vi
Ri
Rf
• Arus pada resistor Ri:
Vo
+
Vi
Ii 
Ri
Arus ini sama dengan arus yang
mengalir pada resistor Rf, oleh
karena itu tegangan keluaran Vo:
VO  
Rf
Ri
Vi
Ponco Siwindarto-TEUB
7
Penguat Tak Membalik
Ri
Arus yang mengalir pada
resistor Ri sama dengan
yang mengalir pada resistor
Rf, yaitu:
Vi
V
I
Rf
I
i
Vo
+
Ri
Tegangan keluaran Vo:
Vi  R f
VO  ( Ri  R f )  I  ( Ri  R f )  1 
Ri 
Ri
Ponco Siwindarto-TEUB

Vi

8
Penguat Penyangga
(Pengikut Tegangan)
Vo = Vi
-
+
Vo
Vi
Ponco Siwindarto-TEUB
9
Penguat Menjumlah
R1
R2
V1
R3
-
Vo
V2
+
 R2
R2 
VO   V1  V2 
R3 
 R1
(PR).
Ponco Siwindarto-TEUB
10
RANGKAIAN PENGUAT
DIFERENSIAL
• Rangkaian Penguat Diferensial Dasar
• Rangkaian Penguat Instrumentasi.
Ponco Siwindarto-TEUB
11
Rangkaian Penguat Diferensial Dasar
R1
R2
V1
• Tegangan keluaran:
Vout
Vout
V2
R2
V2  V1 

R1
(PR)
R1
+
R2
• Mampu menyingkirkan
tegangan masukan mode
bersama (common mode),
yang dinyatakan sebagai
CMRR (Common Mode
Rejection Ratio).
Ponco Siwindarto-TEUB
12
R1
R2
A
CMRR 
ACM
V1
-
CMR = 20 log (CMRR) dB
Vout
V2
R1
+
R2
A = penguatan mode diferensial
ACM = penguatan mode common
Kelemahan:
• Impedansi masukannya rendah
• Impedansi masukan pada kedua
terminal masukannya tidak sama
• Pengubahan penguatan sulit
dilakukan.
Ponco Siwindarto-TEUB
13
Rangkaian Penguat Instrumentasi
V1
+
-
Vout
R1
 2 R1  R3 
 V2  V1  (PR).
 1 
RG  R2 

R2
R3
-
RG
Vout
R2
-
+
R1
R3
+
V2
Ponco Siwindarto-TEUB
14
Contoh 2.8
Sebuah sensor menghasilkan tegangan keluaran dalam
kisaran 20 sampai dengan 250 mV. Buatlah rangkaian yang
mengkondisikan tegangan tersebut menjadi dalam kisaran 0
sampai dengan 5 V (linier), dan rangkaian tersebut harus
mempunyai impedansi masukan yang tinggi.
Penyelesaian :
Karena hubungan antara keluaran dan masukan rangkaian
tersebut linier, maka hubungan tersebut dapat dinyatakan dalam
bentuk persamaan garis lurus :
Vout = mVi + Vo
dengan: m = kemiringan garis, yang menyatakan penguatan
Vo = tegangan ofset keluaran
Untuk nilai keluaran 0 dan 5 volt diperoleh persamaan :
0 = m (0,02) + Vo
5 = m (0,25) + Vo
Ponco Siwindarto-TEUB
15
• Dari kedua persamaan ini, kalau diselesaikan
secara serentak maka akan diperoleh nilai m =
21,7 dan Vo = - 0,434 V sehingga persamaannya
menjadi :
Vout = 21,7 (Vin-0,02)
yang merupakan persamaan penguat diferensial.
Karena disyaratkan impedansi masukannya harus
tinggi, maka digunakan penguat instrumentasi.
Misalkan dipilih nilai R2 = R3 = 1kW dan R1 = 100
kW, sehingga RG dapat diperoleh sebesar:
RG = 9662 W
Ponco Siwindarto-TEUB
16
12V
680 W
6,2V
Tegangan 0,02 V dapat diperoleh dari rangkaian
pembagi tegangan. Rangkaian yang dimaksudkan
diperlihatkan dalam gambar berikut:
+
30,9 kW
0,02 V
R1
100 K
-
100 W
R2
R3
1K
1K
-
Vout
RG= 9662 W
+
Vin
R1
100 K
R2
R3
1K
1K
+
Ponco Siwindarto-TEUB
17
Konverter Tegangan ke Arus
Dari gambar tersebut
bila dipenuhi nilai-nilai :
R1(R3+R5) = R2R4
Maka arus beban akan
dapat dinyatakan oleh :
R2
I 
Vin
R1 R3
(PR).
Ponco Siwindarto-TEUB
18
• Nilai maksimum resistansi beban diberikan
oleh :
Vsat

R4  R5    R3 
Im


Rml 
R3  R4  R5
(PR)
dengan: Rml = resistansi beban maksimum
Vsat = tegangan saturasi opamp
Im = arus maksimum
Ponco Siwindarto-TEUB
19
PANDUAN PERANCANGAN
• Definisikan tujuan pengukuran
– Parameter. Apa jenis variabel yang diukur
(tekanan, suhu, aliran, level, tegangan, arus,
resistansi, dsb)
– Kisaran. Bagaimanakah kisaran pengukurannya
(10 sampai 200 oC, 45 sampai 85 psi, 2 sampai 4
V, dsb)
– Akurasi. Seberapa besarkah akurasi yang
diinginkan (5% FS, 3% dari pembacaan, dsb)
– Linieritas. Haruskah keluaran pengukurannya
linier
– Noise. Bagaimana level dan spektrum frekuensi
noise di lingkungan pengukuran.
Ponco Siwindarto-TEUB
20
• Pilih sensor yang digunakan (bila dimungkinkan)
– Parameter. Apa jenis keluaran sensor (resistansi,
tegangan, dsb.)
– Fungsi alih. Bagaimana hubungan antara
keluaran sensor dan variabel yang diukur (linier,
grafik, persamaan, akurasi, dsb.)
– Tanggapan waktu. Bagaimana tanggapan waktu
sensor (konstanta waktu order- pertama, orderkedua, frekuensi)
– Kisaran. Bagaimana kisaran keluaran parameter
sensor untuk kisaran pengukuran yang diberikan
– Daya. Bagaimana spesifikasi daya sensor
(maksimum disipasi resistif, penarikan arus, dsb).
Ponco Siwindarto-TEUB
21
• Rancang Pengkondisi Sinyal Analog (P/S)
– Parameter. Apa jenis keluaran yang diinginkan
(tegangan, arus, frekuensi)
– Kisaran. Bagaimana kisaran parameter
keluaran yang diinginkan (0 sampai 5 volt, 4
sampai 20 mA, 5 sampai 10 kHz, dsb.)
– Impedansi masukan. Berapa impedansi P/S
yang harus diberikan kepada sumber sinyal
masukan
– Impedansi keluaran. Berapa impedansi
keluaran P/S yang harus ditawarkan kepada
rangkaian beban keluaran.
Ponco Siwindarto-TEUB
22
• Beberapa catatan yang perlu diperhatikan
– Bila masukannya berupa suatu perubahan
resistansi dan harus digunakan rangkaian
jembatan atau pembagi tegangan, maka
pertimbangkanlah pengaruh ketidaklinieran
tegangan keluaran terhadap resistansi, dan
pengaruh arus yang mengaliri sensor resistif
– Untuk perancangan dengan opamp, pendekatan
perancangan yang paling mudah adalah dengan
membuat persamaan keluaran-masukan. Dari
persamaan ini akan terlihat dengan jelas, jenis
rangkaian yang dapat digunakan. Persamaan ini
menyatakan fungsi alih statik P/S
– Perhatikan selalu kemungkinan pembebanan
sumber tegangan oleh P/S karena dapat
menimbulkan kesalahan.
Ponco Siwindarto-TEUB
23
Contoh 2.11
• Sebuah sensor mengeluarkan tegangan
yang berkisar antara –2,4 V sampai -1,1 V.
Untuk interface ke ADC, diperlukan untuk
mengubah tegangan tersebut menjadi
dalam kisaran 0 sampai 2,5 V. Rancanglah
sebuah rangkaian pengkondisi sinyal
untuk keperluan tersebut.
Ponco Siwindarto-TEUB
24
Penyelesaian
• Dalam soal ini tidak ada informasi tentang
variabel yang diukur, lingkungan
pengukuran, ataupun sensornya
• Permasalahannya hanyalah
pengkonversian kisaran tegangan
• Impedansi sumbernya juga tidak diketahui,
maka akan lebih baik kalau dianggap
bahwa nilainya tinggi, dan kemudian
dirancang sistem yang berimpedansi
masukan tinggi.
Ponco Siwindarto-TEUB
25
• Rangkaian yang diperlukan dapat diperoleh dari
persamaan yang menyatakan hubungan
keluaran-masukan sebagai berikut :
Vout = mVin + Vo
• Dari spesifikasi yang diketahui, maka dapat
diperoleh :
0 = m (-2,4) + Vo
2,5 = m (-1,1) + Vo
• Jika kedua persamaan ini kita selesaikan secara
serentak, maka akan diperoleh m = 1,923 dan
Vo = 4,6152 V, sehingga diperoleh persamaan
fungsi alihnya :
Vout = 1,923 Vin + 4,6152.
Ponco Siwindarto-TEUB
26
- 15V
- 4,6152 V
Ponco Siwindarto-TEUB
27
TUGAS 3
• Buktikan / turunkan persamaan-persamaan
yang diberi tanda (PR)
• Kerjakan dengan ditulis tangan, dan
dikumpulkan pada pertemuan berikutnya.
Ponco Siwindarto-TEUB
28
Ponco Siwindarto-TEUB
29