sub bab 14.6 (14.21, 14.22)
1. Pendahuluan[kembali]
Osilator merupakan rangkaian elektronika yang berfungsi menghasilkan sinyal periodik (biasanya gelombang sinus) secara mandiri, tanpa membutuhkan sumber sinyal input dari luar. Salah satu jenis osilator analog yang sering digunakan adalah phase-shift oscillator.
Osilator ini memanfaatkan prinsip umpan balik positif melalui susunan rangkaian RC bertingkat untuk menghasilkan getaran sinusoidal yang stabil. Prinsip kerjanya mengacu pada kriteria Barkhausen, yaitu:
-
Total pergeseran fasa dalam loop harus mencapai 0° atau kelipatannya (360°).
-
Loop gain (penguatan loop) harus sama dengan atau sedikit lebih besar dari satu.
Pada phase-shift oscillator, pergeseran fasa 180° dihasilkan oleh rangkaian RC berjenjang tiga tahap, sedangkan tambahan 180° diperoleh dari penguat inverting (seperti op-amp). Hasilnya, sinyal yang dikuatkan dan diumpan balikkan tetap memenuhi kondisi osilasi, sehingga sinyal sinus terus terbentuk.
Phase-shift oscillator banyak digunakan pada aplikasi frekuensi audio, generator sinyal, dan rangkaian uji karena desainnya sederhana dan outputnya relatif stabil.
2. Tujuan [kembali]
- Memahami prinsip kerja dasar osilator dengan umpan balik positif.
- Menjelaskan bagaimana jaringan RC tiga tahap menghasilkan pergeseran fasa sebesar 180°.
- Mengetahui syarat terjadinya osilasi berdasarkan kriteria Barkhausen (loop gain dan pergeseran fasa).
- Menganalisis dan menghitung frekuensi osilasi dari rangkaian phase-shift oscillator.
3. Alat dan Bahan [kembali]
A. ALAT
1.Ptoteus
Proteus adalah software simulasi dan desain rangkaian elektronik yang digunakan untuk membuat, menguji, dan memvisualisasikan rangkaian.B. BAHAN
1. VoltmeterAlat ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt2. DC Voltage
Komponen yang menyediakan tegangan tetap antara dua terminal: terminal positif (+) dan terminal negatif (–). Sumber ini digunakan untuk memberikan energi listrik ke rangkaian, dan nilainya bisa berupa tegangan tetap (seperti baterai 5V atau 12V) atau variabel, tergantung konfigurasi rangkaian.3. GroundGround adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.
4. ResistorFungsi 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 Resistor5.Op AmpOp-amp (operational amplifier) adalah komponen elektronik aktif yang berfungsi untuk memperkuat perbedaan tegangan antara dua inputnya (input inverting dan non-inverting).6.Transistors.Transistor adalah komponen elektronik yang berfungsi sebagai saklar atau penguat sinyal. Transistor memiliki tiga kaki: basis (B), kolektor (C), dan emitor (E). Dengan mengatur arus kecil di basis, transistor bisa mengendalikan arus yang lebih besar antara kolektor dan emitor.komponen elektronik yang digunakan untuk menyimpan energi dalam bentuk medan listrik. Kapasitor terdiri dari dua konduktor (biasanya berupa pelat logam) yang dipisahkan oleh bahan isolator yang disebut dielektrik.
8.Transistor N channel.Transistor N-channel MOSFET adalah jenis transistor efek medan (FET) yang menggunakan elektron sebagai pembawa muatan utama. Ini kebalikan dari P-channel, yang menggunakan hole (lubang) sebagai pembawa muatan.
4. Dasar Teori [kembali]
Phase-shift oscillator adalah salah satu jenis osilator sinusoidal yang dirancang untuk menghasilkan gelombang sinus berkelanjutan tanpa memerlukan sinyal input dari luar. Prinsip kerjanya didasarkan pada umpan balik positif, di mana sebagian sinyal output dialirkan kembali ke input untuk mempertahankan osilasi.
Agar osilator ini dapat bekerja secara stabil, harus dipenuhi syarat Barkhausen, yaitu:
-
Total pergeseran fasa di dalam loop tertutup harus sama dengan 360° (atau kelipatannya, ekuivalen dengan 0°).
-
Penguatan loop (loop gain, Aβ) harus minimal sama dengan satu, artinya sinyal yang diumpan balikkan cukup besar untuk mengimbangi kerugian energi dalam rangkaian.
Pada rangkaian phase-shift oscillator, pergeseran fasa sebesar 180° dihasilkan melalui jaringan RC bertingkat tiga yang disusun secara seri. Setiap tahap RC memberikan sebagian pergeseran fasa, tetapi karena adanya efek saling memuat (loading effect) antar tingkat RC, nilai pergeseran fasa tiap tahap tidak selalu sama, yang penting totalnya mencapai 180°.
Pergeseran fasa tambahan 180° diperoleh dari penguat inverting (bisa berupa op-amp, transistor BJT, atau FET) yang secara otomatis membalik fasa sinyal output relatif terhadap input. Dengan demikian, syarat total pergeseran fasa terpenuhi, memungkinkan osilasi sinusoidal yang kontinu.
Phase-shift oscillator sering dipilih untuk aplikasi frekuensi audio atau generator sinyal sederhana karena rangkaiannya relatif mudah dirancang, komponen utamanya umum, dan frekuensi outputnya dapat diatur dengan mengubah nilai resistor dan kapasitor.
-
5. Percobaan [kembali]
Prosedur Percobaan.
- 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) Rangkaian Simulasi dan Prinsip Kerja [kembali]
Phase-shift oscillator bekerja berdasarkan prinsip umpan balik positif yang memenuhi kriteria osilasi Barkhausen. Rangkaian ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu penguat (amplifier) dan jaringan umpan balik (feedback network) yang menghasilkan pergeseran fasa sebesar 180°. Jaringan umpan balik biasanya dibentuk oleh tiga rangkaian RC seri, yang masing-masing menyumbangkan pergeseran fasa kurang dari 60° akibat adanya efek pembebanan antar tahap. Total pergeseran fasa dari ketiga rangkaian RC ini diatur agar mendekati 180°, yang kemudian dikombinasikan dengan tambahan pergeseran fasa 180° dari penguat inverting (seperti op-amp, FET, atau BJT), sehingga total pergeseran fasa dalam satu putaran (loop) mencapai 360° atau kelipatan 2π radian, memenuhi syarat osilasi.
Ketika rangkaian pertama kali diberi daya, noise atau gangguan kecil pada input akan diperkuat oleh penguat dan dikembalikan ke input melalui jaringan RC. Jika penguatan total loop (Aβ) lebih dari satu, maka sinyal ini akan diperkuat terus menerus hingga membentuk osilasi yang stabil. Frekuensi osilasi ditentukan oleh nilai resistor dan kapasitor dalam jaringan RC, dan secara teoritis diberikan oleh rumus
b) Video Simulasi [kembali]
6. Ringkasan[kembali]
7. Problem [kembali]
Soal:
Sebuah phase-shift oscillator tidak menghasilkan sinyal meskipun jaringan RC telah dirangkai dengan nilai komponen yang identik. Setelah dicek, ternyata penguat op-amp yang digunakan memiliki bandwidth lebih kecil dari frekuensi osilasi yang dirancang. Jelaskan mengapa hal ini menyebabkan osilasi gagal!
Jawaban Singkat:
Bandwidth penguat harus lebih besar dari frekuensi osilasi. Jika bandwidth terlalu kecil, penguat tidak mampu memperkuat sinyal pada frekuensi kerja → gain loop menurun → syarat Barkhausen (Aβ ≥ 1) tidak terpenuhi → osilasi tidak terbentuk.
Soal:
Sebuah phase-shift oscillator dirancang menggunakan tiga tahap RC dengan R = 10 kΩ dan C = 0,001 µF. Hitung perkiraan frekuensi osilasi!
Jawaban Singkat:
Frekuensi osilasi:
Soal:
Jelaskan dua kelebihan phase-shift oscillator dibandingkan LC oscillator dalam aplikasi frekuensi rendah.
Jawaban Singkat:
-
Komponen RC lebih murah dan lebih mudah diperoleh dibandingkan kumparan induktor (L) pada frekuensi rendah.
-
Rangkaian RC lebih stabil dan lebih sederhana untuk diimplementasikan pada rentang audio (frekuensi rendah), sedangkan LC lebih cocok di frekuensi tinggi.
8. Soal Latihan [kembali]
SOAL :
Jika dalam phase-shift oscillator nilai resistor pada salah satu jaringan RC jauh lebih besar dari dua jaringan lainnya, maka kemungkinan yang terjadi adalah …
A. Total pergeseran fasa tetap 180°
B. Frekuensi osilasi berubah tetapi osilasi tetap stabil
C. Total pergeseran fasa menjadi tidak tepat, sehingga osilasi sulit terjadi
D. Output akan memiliki amplitudo lebih besar
Jawaban: C
Pembahasan:
Nilai komponen RC yang tidak seragam akan mengganggu distribusi pergeseran fasa, sehingga syarat pergeseran fasa 180° dari jaringan RC tidak terpenuhi dengan baik → osilasi bisa gagal.
SOAL :
Apa yang akan terjadi jika gain loop (Aβ) pada phase-shift oscillator terlalu besar?
A. Sinyal output akan tetap stabil pada amplitudo sinus
B. Osilator akan berhenti bekerja
C. Terjadi distorsi pada output karena amplitudo berlebih
D. Frekuensi osilasi akan berubah
Jawaban: C
Pembahasan:
Jika penguatan berlebihan (Aβ ≫ 1), amplitudo sinyal akan terus meningkat hingga penguat tidak linear → gelombang sinus terpotong (clipping) → distorsi.
SOAL :
Tujuan penggunaan op-amp dengan input impedance tinggi pada phase-shift oscillator adalah …
A. Mengurangi penguatan rangkaian
B. Menghindari loading effect pada jaringan RC
C. Menambah pergeseran fasa
D. Menurunkan frekuensi osilasi
Jawaban: B
Pembahasan:
Input impedance tinggi mengurangi loading effect, sehingga pembagian pergeseran fasa pada jaringan RC tetap sesuai rancangan.
Comments
Post a Comment