chapter 14: feedback & oscillator circuits

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

Chapter 14: feedback & oscillator circuits

1. Pendahuluan (kembali)

Dalam dunia elektronika, penguatan sinyal menjadi salah satu aspek paling fundamental. Komponen seperti operational amplifier (op-amp) dan transistor digunakan secara luas sebagai penguat sinyal, penyesuai impedansi, serta sebagai elemen logika analog. Praktikum ini berfokus pada implementasi rangkaian penguat menggunakan op-amp dan transistor dalam berbagai konfigurasi, seperti penguat inverting dan non-inverting, serta penguat sinyal menggunakan konfigurasi emitor bersama.

Simulasi dilakukan pada software Proteus 8 Professional untuk memverifikasi prinsip kerja teori dari masing-masing rangkaian serta mengamati respons tegangan output terhadap sinyal input yang diberikan.

2. Tujuan (kembali)

· Memahami prinsip kerja rangkaian penguat menggunakan op-amp (IC 1458).
· Mengamati kinerja penguat emitor bersama menggunakan transistor NPN.
· Menganalisis konfigurasi MOSFET sebagai penguat dalam rangkaian common-source.
· Mengetahui pengaruh nilai resistor dan kapasitor terhadap hasil penguatan sinyal.
· Melakukan simulasi dan pengukuran tegangan input-output menggunakan virtual instrument di Proteus.

3. Alat dan Bahan (kembali)

A. Op-amp

B. Resistor

Fungsi 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.

C. Kapasitor

Kapasitor adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk menyimpan dan melepaskan energi listrik dalam bentuk muatan. Dalam berbagai jenis rangkaian, kapasitor memiliki peran penting, seperti menyaring sinyal untuk menghilangkan noise atau komponen frekuensi tertentu, serta memblokir arus searah (DC) sambil meneruskan arus bolak-balik (AC), yang sering digunakan dalam proses kopling sinyal antar tahap rangkaian.

D. Power supply

Power supply (catu daya) adalah perangkat atau sistem yang menyediakan energi listrik ke beban listrik. Fungsi utamanya adalah untuk mengubah energi listrik dari satu bentuk (biasanya dari sumber utama seperti listrik PLN) menjadi bentuk lain yang sesuai dengan kebutuhan perangkat yang akan dioperasikan.

E. Ground

Ground adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.

F. Voltmeter

Alat ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt

4. Dasar Teori (kembali)

1. Rangkaian Umpan Balik (Feedback Circuits)

Umpan balik dalam sistem elektronika adalah proses mengembalikan sebagian sinyal keluaran ke masukan. Berdasarkan arah dan efeknya, umpan balik dibagi menjadi dua jenis:

Umpan Balik Negatif (Negative Feedback): Mengurangi gain total tetapi meningkatkan kestabilan, linearitas, dan bandwidth. Umumnya digunakan dalam penguat operasional dan penguat daya untuk meminimalkan distorsi dan memperluas respon frekuensi.
Umpan Balik Positif (Positive Feedback): Meningkatkan sinyal masukan dan dapat menyebabkan penguatan berlebihan. Umpan balik jenis ini digunakan dalam rangkaian osilator untuk menghasilkan sinyal periodik.

Umpan balik dapat mempengaruhi performa penguat melalui persamaan:

$A_{f} = \frac{A}{1 + A β}$

di mana:

$A$ = gain tanpa umpan balik
$β$ = faktor umpan balik
$A_{f}$ = gain dengan umpan balik

2. Rangkaian Osilator (Oscillator Circuits)

Osilator adalah rangkaian yang menghasilkan sinyal periodik (misalnya, gelombang sinus, kotak, atau segitiga) tanpa memerlukan sinyal input eksternal. Prinsip kerja osilator berdasarkan umpan balik positif, yang menjaga osilasi tetap berlangsung.

Agar osilasi terjadi, dua kondisi utama (Barkhausen Criterion) harus dipenuhi:

Loop gain: $A β \geq 1$
Fase total: pergeseran fase total dalam loop umpan balik adalah kelipatan 360° atau 0°

Jenis-jenis osilator yang umum digunakan:

RC Oscillator: menggunakan resistor dan kapasitor, cocok untuk frekuensi rendah.
LC Oscillator: menggunakan induktor dan kapasitor, cocok untuk frekuensi menengah hingga tinggi.
Crystal Oscillator: menggunakan kristal kuarsa, menghasilkan frekuensi sangat stabil.
Phase Shift & Wien Bridge Oscillator: tipe osilator berbasis RC yang umum digunakan dalam aplikasi audio.

Wien Bridge Oscillator adalah salah satu jenis osilator RC (resistor-kapasitor) yang mampu menghasilkan sinyal sinusoidal dengan distorsi rendah. Rangkaian ini memanfaatkan umpan balik positif melalui jaringan Wien bridge, yang terdiri dari kombinasi resistor dan kapasitor.

5. Prinsip Kerja [kembali]

Prinsip Kerja Wien Bridge Oscillator menggunakan dua jalur umpan balik:

Jalur umpan balik positif yang terdiri dari jaringan RC seri dan paralel (membentuk jembatan Wien).
Jalur umpan balik negatif melalui amplifier (biasanya Op-Amp) untuk mengontrol kestabilan dan amplitudo output.
Kondisi osilasi (berdasarkan Kriteria Barkhausen):
Total pergeseran fase harus 0° atau kelipatan 360°
Loop gain $A β \geq 1$

6. Ringkasan [kembali]

1. Feedback (Umpan Balik):

Feedback adalah proses mengembalikan sebagian sinyal output ke input rangkaian.

Feedback negatif:
- Output dikembalikan ke input inverting (−).
- Tujuan: Menstabilkan gain, mengurangi distorsi, memperluas bandwidth.
- Digunakan pada: Penguat (amplifier).
Feedback positif:

Output dikembalikan ke input non-inverting (+).
Tujuan: Memperkuat sinyal hingga menghasilkan osilasi atau perubahan logika.
Digunakan pada: Osilator, Schmitt Trigger.

2. Oscillator (Osilator):

Osilator adalah rangkaian yang dapat menghasilkan gelombang sinyal periodik (seperti

sinus, kotak, segitiga) tanpa input eksternal.

Syarat Barkhausen:
- Loop gain = 1
- Total pergeseran fasa = 360° atau 0°
Jenis-jenis osilator:
- RC Phase Shift Oscillator: Menggunakan resistor dan kapasitor, menghasilkan gelombang sinus.
- Wien Bridge Oscillator: Akurat untuk menghasilkan frekuensi tertentu.
- LC Oscillator (Colpitts, Hartley): Menggunakan induktor dan kapasitor.
- Crystal Oscillator: Menggunakan kristal kuarsa, sangat stabil untuk jam dan mikroprosesor.

7. Soal Latihan [kembali]

7.1 PROBLEM

PROBLEM 1: Fungsi Feedback pada Op-Amp

Soal:

Jelaskan apa yang dimaksud dengan umpan balik negatif (negative feedback) dalam rangkaian Op-Amp, dan apa pengaruhnya terhadap karakteristik penguat?

Jawaban:

Umpan balik negatif adalah proses mengembalikan sebagian sinyal output ke input inverting (−) Op-Amp. Tujuan utamanya adalah untuk menstabilkan penguatan (gain), mengurangi distorsi, meningkatkan bandwidth, dan membuat output menjadi linier dan terkontrol. Dengan adanya feedback negatif, perbedaan tegangan antara input (+) dan (−) menjadi sangat kecil (mendekati nol), sehingga Op-Amp dapat beroperasi dalam kondisi linear.

PROBLEM 2: Prinsip Kerja Rangkaian Osilator RC

Soal:
Bagaimana prinsip kerja dasar rangkaian osilator RC dan mengapa ia bisa menghasilkan sinyal sinusoidal tanpa input eksternal?

Jawaban:

Rangkaian osilator RC menggunakan kombinasi resistor (R) dan kapasitor (C) untuk menghasilkan fase balik 180°, yang dikombinasikan dengan penguatan dari Op-Amp atau transistor. Sinyal output sebagian dikembalikan ke input dengan umpan balik positif, menghasilkan regenerasi sinyal secara terus-menerus tanpa memerlukan sinyal input. Selama syarat Barkhausen terpenuhi (loop gain = 1 dan total fase shift = 360° atau 0°), osilator akan terus menghasilkan sinyal sinusoidal.

PROBLEM 3: Perbandingan Feedback Positif dan Negatif

Soal:
Bandingkan antara feedback positif dan feedback negatif dalam rangkaian elektronik. Sebutkan satu contoh aplikasi dari masing-masing jenis feedback.

Jawaban:

Feedback negatif mengembalikan sinyal output ke input inverting. Ini menurunkan gain total, tetapi meningkatkan stabilitas, linearitas, dan respons frekuensi.
📌 Contoh: Rangkaian penguat (amplifier)
Feedback positif mengembalikan sinyal ke input non-inverting. Ini meningkatkan gain dan bisa menyebabkan osilasi jika tidak dikontrol.
📌 Contoh: Rangkaian osilator seperti Wien Bridge Oscillator

Feedback negatif dipakai untuk penguatan terkontrol, sementara feedback positif dipakai untuk membangkitkan sinyal osilasi atau saklar cepat seperti pada komparator Schmitt trigger.

7.2 SOAL LATIHAN

Soal 1: Jenis Feedback

Feedback negatif dalam rangkaian penguat digunakan untuk:

A. Meningkatkan penguatan (gain)
B. Menurunkan stabilitas rangkaian
C. Mengurangi distorsi dan meningkatkan linearitas
D. Menghasilkan osilasi pada frekuensi tertentu

Jawaban: C

Penjelasan: Feedback negatif mengurangi gain, tetapi meningkatkan stabilitas, mengurangi distorsi, dan membuat respons sinyal lebih linier.

Soal 2: Syarat Terjadinya Osilasi

Syarat utama agar suatu rangkaian osilator dapat menghasilkan gelombang secara terus-menerus adalah:

A. Total gain < 1 dan sudut fase = 90°
B. Total gain = 1 dan sudut fase = 180°
C. Total gain > 1 dan sudut fase = 90°
D. Total gain = 1 dan sudut fase = 360° atau 0°

✅ Jawaban: D

Penjelasan: Syarat Barkhausen menyatakan bahwa agar osilasi terjadi secara berkelanjutan, loop gain = 1 dan total fase balik = 360° (atau 0°).

Soal 3: Jenis Osilator

Rangkaian osilator yang menggunakan kombinasi resistor dan kapasitor untuk menghasilkan gelombang sinus disebut:

A. Colpitts Oscillator
B. Hartley Oscillator
C. RC Phase Shift Oscillator
D. Crystal Oscillator

Jawaban: C

Penjelasan: RC Phase Shift Oscillator menggunakan jaringan RC untuk menghasilkan pergeseran fase 180°, dan bersama dengan Op-Amp, membentuk syarat osilasi.

8. Percobaan [kembali]

a. prosedur percoban

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.

1. Fig 14.7