CHAPTER 11 Rangkaian 11.17, 11.23, 11.24

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

6. Link Download

1. Pendahuluan[Kembali]

Dalam rangkaian elektronika, sinyal dari sumber sering kali harus dikirim ke beban tanpa mengalami penurunan tegangan. Salah satu solusi yang umum digunakan adalah voltage buffer atau op-amp buffer (sering disebut juga sebagai unity gain amplifier). Rangkaian ini biasanya menggunakan op-amp dengan konfigurasi non-inverting dan umpan balik penuh, sehingga tegangan output sama dengan tegangan input. Meskipun tidak memberikan penguatan tegangan, buffer sangat berguna karena memiliki impedansi input tinggi dan impedansi output rendah. Ini memungkinkan buffer untuk melindungi sinyal dari pengaruh beban, serta menjaga kestabilan dan kualitas sinyal. Simulasi dilakukan untuk memahami cara kerja, karakteristik, dan manfaat penggunaan buffer dalam sistem elektronika.

2. Tujuan[Kembali]

1. Melengkapi tugas mata kuliah elektronika yang ditugaskan oleh Bapak Darwison, M.T.
2. Menjelaskan prinsip kerja serta fungsi op-amp sebagai voltage buffer dalam rangkaian elektronik.
3. Menganalisis karakteristik dan kinerja rangkaian buffer berdasarkan data hasil simulasi.
4. Menunjukkan pemahaman terhadap peran buffer dalam menjaga kestabilan sinyal dan isolasi antar rangkaian.

3. Alat dan Bahan[Kembali]

A. Alat

    1) Instrument

        a. Oscilloscope

    Osiloskop adalah alat ukur elektronik yang digunakan untuk menampilkan dan menganalisis bentuk gelombang sinyal listrik secara visual pada layar dalam bentuk grafik tegangan terhadap waktu.

Spesifikasi :

Pin Out :

     2) Probe

         a. Voltage

    Probe voltage adalah alat atau komponen dalam sistem pengukuran listrik/elektronika yang digunakan untuk mendeteksi atau mengukur tegangan pada titik tertentu dalam rangkaian.

Spesifikasi :

1. Tegangan Maksimum: 300V – 1000V (tergantung kategori keselamatan: CAT II/III).
2. Bandwidth: 10 MHz – >500 MHz (untuk osiloskop).
3. Attenuation Ratio: 1:1 atau 10:1 (peredam sinyal).
4. Input Resistance: Umumnya 10 MΩ.
5. Input Capacitance: Sekitar 10–20 pF.
6. Konektor: BNC (osiloskop), banana plug/needle (multimeter).

     3) Generators 

         a. Genarator Sinus

 Generator sinus adalah alat yang menghasilkan sinyal berbentuk gelombang sinusoidal, yaitu gelombang halus dan berulang yang umum ditemui dalam sistem listrik AC dan komunikasi. Generator sinus berbentuk gelombang sinusoidal secara periodik. Gelombang sinus adalah bentuk sinyal analog paling dasar dan sangat penting dalam dunia teknik elektro, terutama dalam bidang elektronika analog, komunikasi, dan sistem tenaga listrik.

Spesifikasi :

1. Frekuensi: 1 Hz – 1 MHz (umum)
2. Amplitudo: 0 – 10 Vpp (dapat diatur)
3. THD: < 1% (distorsi rendah)
4. Kontrol: Potensiometer/manual atau digital
5. Sumber daya: DC (5V/12V) atau AC 220V
6. IC umum: XR2206, ICL8038, op-amp (Wien Bridge)
7. Aplikasi: Pengujian audio, osiloskop, eksperimen sinyal

B. Bahan

    1)    Operational Amplifier (Op-Amp)

    Op-Amp (Operational Amplifier) adalah penguat tegangan (voltage amplifier) yang memiliki penguatan sangat tinggi, digunakan untuk memperkuat sinyal analog, melakukan operasi matematika (seperti penjumlahan, pengurangan, integrasi, dan diferensiasi), serta sebagai komponen inti dalam berbagai rangkaian elektronik analog. Op-amp biasanya dikemas dalam bentuk IC (Integrated Circuit) seperti IC 741, dan memiliki dua input (inverting dan non-inverting) serta satu output.

Spesifikasi :

Pin Out :

4. Dasar Teori[Kembali]

Chapter 11 berfokus pada aplikasi praktis operational amplifier (Op-Amp) dalam berbagai rangkaian elektronik. Diawali dengan penjelasan tentang karakteristik Op-Amp ideal yang memiliki penguatan open-loop tak terhingga, impedansi input tak terhingga, dan impedansi output nol. Meskipun dalam praktiknya tidak ada Op-Amp yang ideal, pemahaman konsep ideal membantu dalam merancang dan menganalisis rangkaian dasar.

Dua konfigurasi fundamental Op-Amp dibahas secara rinci. Penguat inverting, dimana sinyal output memiliki fase yang berlawanan dengan input dan penguatannya ditentukan oleh rasio resistor feedback terhadap resistor input. Penguat non-inverting mempertahankan fase yang sama antara input dan output, dengan penguatan yang selalu lebih besar dari satu. Voltage follower, kasus khusus penguat non-inverting dengan penguatan tepat satu, sangat berguna sebagai penyangga impedansi.

Aplikasi lanjutan Op-Amp mencakup berbagai fungsi pemrosesan sinyal. Rangkaian komparator digunakan untuk mengubah sinyal analog menjadi digital dengan membandingkannya terhadap tegangan referensi. Integrator dan differentiator memanfaatkan kapasitor dalam konfigurasi feedback untuk melakukan operasi matematika dasar. Filter aktif memungkinkan seleksi frekuensi dengan presisi tinggi, dimana jenis low-pass dan high-pass filter paling umum digunakan. Aplikasi praktis lainnya termasuk summing amplifier untuk penjumlahan sinyal, instrumentation amplifier untuk pengukuran presisi, serta osilator untuk membangkitkan berbagai bentuk gelombang periodik.

5. Prinsip Kerja (kembali)

Sumber terkendali bekerja dengan memanfaatkan informasi dari titik tertentu dalam rangkaian sebagai input pengendali, yang kemudian mempengaruhi nilai dari arus atau tegangan yang dihasilkan oleh sumber tersebut. Input pengendali ini tidak mengonsumsi daya (idealnya), sehingga tidak memengaruhi titik pengukuran aslinya.

Contohnya, pada sebuah VCVS, jika tegangan input $V_x$ meningkat, maka tegangan output dari sumber juga akan meningkat secara proporsional, sesuai dengan konstanta penguatannya. Hal ini memungkinkan elemen ini untuk mengatur atau memperkuat sinyal dalam berbagai konfigurasi rangkaian elektronik.

Problem (kembali)

Soal 1 – VCVS (Voltage-Controlled Voltage Source) Circuit

Deskripsi:
Sebuah rangkaian penguat non-inverting menggunakan op-amp ideal memiliki resistor umpan balik $R_f=100k\mathrm{\Omega }$ dan resistor input $R_{in}=20k\mathrm{\Omega }$. Tegangan input $V_{in}$ sebesar 0.5 V diberikan ke input.

Pertanyaan:

1. Hitung tegangan output $V_{out}$ dari op-amp.

2. Gambar skema rangkaiannya.

3. Apakah rangkaian ini memenuhi karakteristik VCVS? Jelaskan.

 jawaban :

Diketahui:

• $R_f=100k\mathrm{\Omega }$

• $R_{in}=20k\mathrm{\Omega }$

• $V_{in}=0.5V$

• Op-amp ideal, konfigurasi non-inverting. 

Rumus penguat non-inverting:

Penjelasan VCVS:

• Output tegangan dikendalikan oleh tegangan input.

• Ada penguatan linier berdasarkan nilai resistor → sesuai karakteristik VCVS.

• Jadi, rangkaian ini adalah implementasi praktis dari VCVS menggunakan op-amp.

Soal 2 – CCCS (Current-Controlled Current Source) dengan Transistor

Deskripsi:
Rangkaian berikut menggunakan dua transistor NPN (Q1 dan Q2) dalam konfigurasi current mirror. Arus input $I_{in}$ sebesar 1 mA diberikan ke kolektor Q1. Asumsikan transistor identik dan memiliki $\beta$ sangat besar.

Pertanyaan:

1. Berapa besar arus keluaran $I_{out}$ pada kolektor Q2?

2. Jelaskan bagaimana konfigurasi ini mewakili bentuk praktis dari CCCS.

3. Bagaimana efek mismatch (ketidaksamaan) antara Q1 dan Q2 terhadap kinerja rangkaian?

Diketahui:

• Dua transistor NPN identik (current mirror)

• $I_{in}=1mA$

• $\beta$ besar → abaikan arus basis

Jawaban:

1. Karena transistor identik dan konfigurasi cermin arus:

   $${\mathrm{I }}_{ou\mathrm{t }}{\mathrm{I }}_{i\mathrm{n }}=1mA$$

   
   

2. Penjelasan CCCS:

   • Arus keluaran dikendalikan oleh arus input.

   • Tidak tergantung tegangan beban (selama dalam batas kerja transistor).

   • Implementasi praktis CCCS menggunakan pasangan transistor.

3. Efek mismatch:

   • Jika Q1 dan Q2 tidak identik, maka arus output tidak akan sama dengan input.

   • Dapat menyebabkan kesalahan cermin arus → kurang akurat.

   • Penting menggunakan transistor berpasangan atau chip IC yang presisi.

Soal 3 – Analisis Kombinasi VCVS dan CCCS

Deskripsi:
Sebuah rangkaian terdiri atas dua blok:

• Blok A: VCVS dengan gain 5, menguatkan sinyal input $V_{in}$.

• Blok B: CCCS yang menghasilkan arus keluaran sebesar $2\times I_{ref}$, dengan $I_{ref}$ berasal dari beban yang dikendalikan oleh $V_{out}$ dari blok A. $V_{in}=1V$, dan beban yang terhubung menghasilkan $I_{ref}=\frac{V_{out}}{10k\mathrm{\Omega }}$.

Pertanyaan:

1. Hitung nilai $V_{out}$ dari blok A.

2. Tentukan $I_{ref}$ dan $I_{out}$ dari blok B.

3. Sebutkan aplikasi praktis dari kombinasi VCVS dan CCCS seperti ini.

Diketahui:

• Blok A: VCVS dengan gain 5

• $V_{in}=1V$

• Beban resistif $10k\mathrm{\Omega }$

• Blok B: CCCS dengan gain 2 terhadap arus $I_{ref}$

Jawaban:

1. Tegangan output dari blok A:

   $$V_{out}=5\cdot V_{in}=5\cdot 1=5V$$

2. Arus referensi (lewat beban 10kΩ):

   $$I_{ref}=\frac{V_{out}}{R}=\frac{5V}{10k\mathrm{\Omega }}=0.5mA$$

   CCCS menghasilkan arus output:

   $$I_{out}=2\cdot I_{ref}=2\cdot 0.5mA=1mA$$

3. Aplikasi praktis:

• Rangkaian kontrol arus beban yang tergantung pada sinyal tegangan input.

• Driver LED atau aktuator yang membutuhkan kontrol arus presisi berdasarkan tegangan sensor.

• Rangkaian sistem penguat dan konversi sinyal (analog signal conditioning)

Soal Latihan (kembali)

Soal 1 – Practical VCVS (Voltage-Controlled Voltage Source)

Sebuah op-amp digunakan sebagai VCVS, dengan tegangan input $V_{in}$ masuk ke non-inverting terminal, dan feedback resistif antara output dan inverting input. Nilai $R_1=10k\mathrm{\Omega }$= 10\,k\Omega, $R_2=40k\mathrm{\Omega }$.

Pertanyaan:

Berapa tegangan output jika $V_{in}=0.5V$?

A. 0.5 V
B. 1 V
C. 2.5 V
D. 5 V

Jawaban: C. 2.5 V

Penjelasan:

Rumus gain untuk non-inverting amplifier (VCVS):

$$V_{out}=V_{in}\cdot (1+\frac{R_2}{R_1})=0.5\cdot (1+4)=0.5\cdot 5=2.5V\mathrm{<br>}\mathrm{<br>}$$

Soal 3 – Sirkuit Pengendali Tegangan dan Arus

Perhatikan konfigurasi: Sebuah VCVS mengendalikan tegangan input ke rangkaian CCCS. Output VCVS diatur agar memberikan tegangan sesuai input sensor, dan CCCS memberi arus tetap ke beban.

Pertanyaan:

Apa manfaat menggunakan kombinasi VCVS dan CCCS dalam satu sistem?

A. Menurunkan daya sistem
B. Mengurangi noise sepenuhnya
C. Mengatur tegangan dan arus secara fleksibel dan terisolasi
D. Meningkatkan efisiensi LED

Jawaban: C. Mengatur tegangan dan arus secara fleksibel dan terisolasi

Penjelasan:

Menggunakan VCVS memungkinkan pengaturan tegangan yang presisi, dan CCCS memberi arus konstan ke beban (misalnya transistor atau LED array), yang penting untuk kestabilan dan kontrol daya di sistem elektronik.

5. Percobaan[Kembali]

Figure 11.17

Figure 11.23

Figure 11.24

6. Link Download[Kembali]

Rangkaian 11.17 [Download]

Rangkaian 11.23 [Download]

Rangkaian 11.24 [Download]

Data sheet Op-Amp [Download]

Data sheet resistor [Download]

Baterai [download]