- Menjelaskan secara bertahap prinsip inti perancangan rangkaian osilator dan kesulitan implementasinya di dunia nyata
- Menganalisis alasan rangkaian MOSFET tunggal tidak berosilasi karena adanya titik stabil, lalu mengajukan struktur pemicu Schmitt untuk mengatasinya
- Menyusun osilator relaksasi berbasis pemicu Schmitt untuk menghasilkan frekuensi stabil sekitar 3 kHz
- Setelah itu memperkenalkan rangkaian osilator sederhana yang memakai penguat operasional (op-amp) dan membandingkan perhitungan teoretis dengan nilai pengukuran nyata
- Terakhir, melalui osilator pergeseran fase (phase-shift), menjelaskan prinsip pembentukan gelombang sinus dari perubahan fase filter RC serta menekankan pentingnya presisi perancangan rangkaian analog dan verifikasi eksperimental
Konsep dasar osilator dan kesulitannya
- Syarat utama osilator adalah adanya penguatan sinyal (gain); tanpa penguatan, getaran akan teredam
- Dijelaskan bahwa rangkaian penguat kadang bisa berosilasi secara kebetulan, tetapi merancang osilator analog yang stabil secara langsung itu sulit
- Rangkaian osilator yang sering ditemui di internet cenderung tidak stabil atau memerlukan komponen khusus (induktor center-tap, lampu pijar, dan sebagainya)
- Tujuannya adalah membuat osilator yang mudah dipahami dan frekuensinya dapat diprediksi tanpa referensi eksternal
Keterbatasan percobaan osilasi dengan MOSFET tunggal
- Osilasi dicoba dengan memakai MOSFET kanal-n sebagai sakelar, tetapi dalam praktiknya terdapat titik kesetimbangan stabil sehingga getaran berhenti
- Sebagai contoh, ditunjukkan kurva Vgs–Id transistor BS170, yang membentuk keadaan stabil di sekitar 2 V dengan arus 300 µA
- Keadaan ini setara dengan “sakelar menyala setengah”, sehingga osilasi tidak dapat dipertahankan
Switching stabil menggunakan pemicu Schmitt
- Diajukan rangkaian pemicu Schmitt sebagai sakelar elektronik tanpa titik stabil di tengah
- Saat masukan 0 V, transistor kanan menghantar; ketika masukan melampaui sekitar 2,6 V, transistor kiri menyala dan yang kanan mati
- Dalam proses ini terjadi umpan balik positif, sehingga rangkaian tidak bertahan di keadaan tengah
- Tegangan masukan menyala pada 2,6 V dan mati pada 2,2 V, membentuk histeresis 400 mV
Osilator relaksasi berbasis pemicu Schmitt
- Sinyal keluaran pemicu Schmitt diumpanbalikkan ke masukan, lalu ditambahkan penundaan resistor–kapasitor (RC) untuk mengendalikan frekuensi osilasi
- Pada catu daya 5 V, diamati frekuensi osilasi sekitar 3 kHz
- Tegangan kapasitor berosilasi antara 2,2 V hingga 2,6 V, dengan waktu pengisian dan pengosongan masing-masing dihitung 154 µs dan 167 µs
- Rangkaian bisa disederhanakan, tetapi untuk jumlah komponen yang lebih sedikit, penggunaan penguat operasional (op-amp) lebih efisien
Osilator relaksasi dengan penguat operasional
- Saat R1 = R2 = R3, masukan non-inverting mempertahankan tegangan rata-rata antara catu daya, ground, dan keluaran (⅓~⅔ Vsupply)
- Pada keadaan awal kapasitor bernilai 0 V, sehingga keluaran naik; setelah itu kapasitor terisi, dan ketika mencapai ⅔ Vsupply, keluaran berbalik
- Kapasitor kemudian dikosongkan dari ⅔ ke ⅓ Vsupply sehingga terjadi osilasi periodik
- Untuk rangkaian 5 V, Rcap = 10 kΩ, C = 1 µF, nilai teoretisnya 75 Hz, sedangkan pengukuran nyata 70 Hz
- Penyebab galat adalah keterbatasan pendekatan arus tak konstan, dan hasil yang lebih akurat diperoleh dengan menyesuaikan R3 menjadi 47 kΩ
Perhitungan frekuensi dan rumus umum
- Saat R1 = R2, kedua resistor dapat digabungkan dan disederhanakan menjadi rumus pembagi tegangan
- Karena tegangan kapasitor berosilasi di sekitar ½ Vsupply, periode dapat dihitung dalam bentuk t = Δv · C / I dengan memakai arus rata-rata
- Frekuensi nyata diturunkan menggunakan nilai contoh (R1 = R2 = 10 kΩ, R3 = 47 kΩ)
Osilator pergeseran fase (Phase-Shift)
- Dengan memodifikasi umpan balik negatif dari pengikut tegangan op-amp, diinduksi pembalikan fase pada frekuensi tertentu
- Filter low-pass RC disusun berurutan sehingga tiap tahap menghasilkan pergeseran fase -60°, total -180°
- Frekuensi terkait dihitung menggunakan persamaan hubungan arctangent (Arctan) pada tiap tahap RC
- Ketiga tahap memberikan hasil yang sama, dan osilasi terjadi pada frekuensi pembalikan fase
Karakteristik gelombang dan simulasi
- Karena penguatan amplifier tidak dibatasi, keluaran berbentuk gelombang kotak, tetapi bentuk gelombang setelah melewati filter RC mendekati gelombang sinus
- Hasil simulasi menunjukkan perilaku gelombang kotak (biru) dan gelombang sinus (abu-abu) hampir sama
- Untuk membuat bentuk gelombang keluaran menjadi sinus murni, dapat digunakan cara mengatur gain atau memperkuat sinyal pada masukan non-inverting
Pertimbangan dalam perancangan rangkaian
- Impedansi tiap tahap RC dinaikkan 10 kali lipat untuk meminimalkan efek pembebanan antartahap
- Jika impedansinya sama, perhitungan fungsi alih dari keseluruhan enam komponen menjadi rumit
- Literatur juga membahas metode yang memakai filter high-pass dan transistor tunggal, tetapi implementasi nyatanya sulit
- Rangkaian dalam artikel ini didasarkan pada struktur pembangkit gelombang sinus dan kotak berdistorsi rendah yang dibahas dalam artikel Electronic Design
Belum ada komentar.