Gain Minimum untuk Menjaga Stabilitas Non-inverting Amplifier Op Amp yang Berbeban Kapasitif

Transkripsi

1 Gain Minimum unuk Menjaga Sabilia Non-invering mlifier O m yang Berbeban Kaaiif [F. Dalu Seiaji] Gain Minimum unuk Menjaga Sabilia Non-invering mlifier O m yang Berbeban Kaaiif F. Dalu Seiaji Fakula Teknik Juruan Teknik Elekro, Univeria Krien Saya Wacana, Salaiga fd_fje@yahoo.com brak Non-invering amlifier meruakan alah au konfigurai daar amlifier berbai o am. Pada amlifier ini, hail erkalian anara cloe loo gain ada frekueni nol ( DC ) dengan bandwidh (BW) akan bernilai konan yaiu ebear uniy-gain frequency (f ) o am yang diakai. Sebuah beban kaaiif ada non-invering amlifier berama hambaan keluaran o am (Ro) akan menciakan au kuub (ole) ambahan (f ) yang memodifikai reon frekueni amlifier. abila f lebih kecil dariada f maka amlifier daa menjadi idak abil, yang diunjukkan dengan adanya overhoo ada e reone keluaran. Salah au acuan yang diakai menyaakan bahwa amlifier akan mencaai keabilan bila dienuhi nilai DC minimal ( DCmin ) ebear 0.(f /f ). Makalah ini menjelakan bahwa kia daa memilih DC yang jauh lebih kecil dibandingkan 0.(f /f ) dengan ea memerahankan keabilan relaif non-invering amlifier. Keimulan ini didukung oleh hail imulai erangka-lunak dan engujian amlifier ecara riil. Kaa kunci: Non-invering amlifier, beban kaaiif, keabilan, gain minimum. brac Non-invering amlifier i one of he wo baic oeraional amlifier (o am) circui. In hi ye of amlifier roduc beween cloe loo gain a zero herz ( DC ) and bandwidh (BW) will be conan and equal o uniy-gain frequency (f ). caaciive load (C L ) ogeher wih o am ouu reiance (R 0 ) will creae a new ole a frequency f, hu modifying frequency reone of he amlifier. If f greaer han f, a non-invering amlifier migh become unable by having a high overhoo on i e reone. One of he reference ued in hi aer aed ha he amlifier will be able if DC equal or greaer han 0.(f /f ). Thi aer exlain ha we can chooe DC much lower han 0.(f /f ) while mainaining a relaively able non-invering amlifier. Thi concluion agree wih imulaion and meauremen reul. Keyword: Non-invering amlifier, caaciive load, abiliy, minimum gain. Reon Frekueni Non-invering mlifier Beriku ini adalah rangkaian non-invering amlifier memergunakan o am TL 074. R R2 0 () = () + ωb Dengan endekaan erebu maka cloe loo gain ( cl ) rangkaian Gambar adalah : v i khz -5V + TL074 5V Gambar. Non-invering amlifier dengan TL 074 O am TL 074 elah erkomenai ecara inernal ehingga gain inernalnya () daa didekai dengan ranfer funcion : [] v o vo cl () = v i + R2/ R cl () = + ( + R2 / R) + ω 0 ( + R / R ) 2 di mana : 0 = gain o am ada frekueni nol ω = 2 π f = oen loo frequency cuoff b b ω = 2 π f. ω = uniy gain frequency 0 b (2) Caaan: Dikui unuk makalah ini dierima ebelum anggal Juni Dikui yang layak mua akan dierbikan ada Jurnal Teknik Elekro volume 5, nomor 2, Seember Karena 0 jauh lebih bear dibandingkan {+ (R 2 /R )} maka : Juruan Teknik Elekro, Fakula Teknologi Induri Univeria Krien Pera h://uli.era.ac.id/journal/elecrical/ 3

2 Jurnal Teknik Elekro Vol. 5, No., Mare 2005: R2/ R cl () + ω ( + R2/ R) DC cl () + BW DC 2 β (3) = bai frekueni nol non-invering amlifier = + (R / R ) = di mana : BW = frekueni cuoff non-invering amlifier = ω ( + R / R ) BW. DC = ω 2 Non-invering mlifier dengan Beban Kaaiif R o dan C L membenuk low a filer ada keluaran o am dengan ranfer funcion : H () = + ω (4) di mana : ω = 2π f = RC R o adalah hambaan keluaran o am TL 074, edangkan β adalah fakor uman balik (egangan eri) ada non-invering amlifier. Bila f jauh lebih kecil dibanding f maka gain o am akan urun ekiar (-20 log β + 3) db, dierai engurangan udu fae ebear 45º yang erjadi ada frekueni f. Hal ini diunjukkan oleh hail imulai yang dilakukan dengan erangka-lunak Circui Maker ver 5.5. Pada imulai ini diilih β bernilai au, R 2 nol dan R ak berhingga, agar engaruh H () erhada () daa diamai dengan jela eeri diunjukkan oleh Gambar 4 dan Gambar 5. o L Beban kaaiif idak diinginkan karena cenderung membua amlifier menjadi idak abil. Pada bagian ini akan diunjukkan bagaimana engaruh beban kaaiif C L ebear 0 nf erhada reon frekueni ebuah non-invering amlifier mengunakan o am TL074. R R2-5V Gambar 4. Perbandingan reon magniudo () dan {()H ()} khz + TL074 5V CL 0nF Gambar 2. Non-invering amlifier TL 074 dengan beban kaaiif C L = 0 nf Beban kaaiif (C L ) akan menambahkan ebuah kuub yang dibenuk berama hambaan keluaran o am (R o ). Hal ini akan dijelakan dengan menggambarkan blok diagram amlifier ada Gambar ebagai beriku : Gambar 3. Blok diagram non-invering amlifier dengan beban kaaiif Gambar 5. Perbandingan reon fae () dan {()H ()} Seeri elah dierkirakan, kurva magniudo mengalami enurunan 3 db dan kurva fae berkurang 45º yang erjadi ada frekueni f ekiar 00 khz. Ini berari nilai R o TL 074 kira-kira (2π.00k.0n) - aau 59 Ω. Gambar 4 juga menunjukkan bahwa nilai f TL 074 adalah ekiar 3 4 Juruan Teknik Elekro, Fakula Teknologi Induri Univeria Krien Pera h://uli.era.ac.id/journal/elecrical/

3 Gain Minimum unuk Menjaga Sabilia Non-invering mlifier O m yang Berbeban Kaaiif [F. Dalu Seiaji] MHz. Pengaruh nilai DC erhada keabilan noninvering amlifier dicari dengan menganalii bode lo () dan {().H ()} eeri diunjukkan Gambar 6 dan 7. Hail imulai dan engujian rangkaian erebu diunjukkan ada Gambar 8 dan 9. Pengamaan benuk gelombang dilakukan dengan memergunakan oiloko digial ie Tekronix TDS 220. Gambar 6. Bode lo magniudo () dan {()H ()} Gambar 8. Hail imulai non-invering amlifier TL 074 dengan DC = 300 dan C L = 0 nf Gambar 7. Bode lo udu fae () dan {()H ()} Berdaarkan kedua gambar di aa maka amlifier dengan beban kaaiif akan abil aabila dienuhi : DC 0 f 20log f (5) Jika yara erebu ak erenuhi maka amlifier beroeni ak-abil (oenially unable). [2] Simulai dan Pengujian Non-invering mlifier dengan Beban Kaaiif Berdaarkan Gambar 6 dan 7 maka eramaan 5 berari bahwa keabilan (relaif) memerlukan hae margin φ edikinya 90º. gar amlifier Gambar 2 memenuhi yara erebu maka gain DC minimum ( DCmin ) yang diijinkan adalah : DC min DC min 0 f = 20log f 300 (6) mlifier dengan gain 300 erebu direaliaikan dengan memilih R = kω, R 2 = 299 kω, beban kaaiif C L dieakan 0 nf dan egangan maukan DC 40 mv, khz. Gambar 9. Hail engujian non-invering amlifier TL 074 dengan DC = 300 dan C L = 0 nf Terliha bahwa keluaran hail imulai mau un engujian rangkaian riil idak menunjukkan adanya overhoo, berari amlifier memang abil. Namun demikian kenaikan egangan keluaran berlangung lamba yang mengindikaikan nilai daming raio (ζ) iem cuku bear. Unuk memudahkan analii kuaniaif erhada benuk gelombang erebu maka blok diagram iem (Gambar 3) diubah ke dalam benuk daar iem beruman balik negaif orde dua ebagai beriku : [3] Gambar 0. Blok diagram dari rangkaian yang diuji Dengan membandingkan Gambar 0 dengan Gambar 3 didaakan : Juruan Teknik Elekro, Fakula Teknologi Induri Univeria Krien Pera h://uli.era.ac.id/journal/elecrical/ 5

4 Jurnal Teknik Elekro Vol. 5, No., Mare 2005: ωn ω β ( + 2 ξωn) + ω 2 ω βωω n ( + 2 ξω ) ( + ω ) n (7) Unuk rangkaian yang diuji maka : ω = 6π.0 6 rad/, ω = 2π.0 5 rad/, β = /300 Bila nilai-nilai erebu dimaukkan ke dalam eramaan 7 akan dieroleh : ω n = 98,7.0 3 rad/ ζ =,58. Karena ζ >, daa diahami mengaa iem erebu berifa eredam lebih (overdamed). Dengan maukan e beramliudo V ebear 40 mv maka didaakan keluaran : Pengujian dilakukan dengan mengubah-ubah nilai DC (lebih kecil dari 300) yang berari membua φ bervariai di bawah 90º. Dengan φ dikeahui maka M daa dierkirakan melalui Gambar. Mialkan unuk DC ebear 00 aau 40 db maka dari Gambar 4 dan 5 didaakan φ ekiar 72º, elanjunya berdaarkan Gambar dieroleh M ekiar,5%. Hail imulai dan engujian rangkaian dengan nilai DC erebu diunjukkan ada Gambar 2 dan 3. 2 ( ξ ξ ) ωn o() = V. β ( e ) v v () = 2( e )( vol) o (8) Berdaarkan eramaan 8, keluaran akan mencaai 90% nilai eady ae dalam inerval waku ekiar 32 µ. Hail ini euai dengan imulai mau un engujian rangkaian (Gambar 8 dan 9) yang menghailkan nilai ekiar 30 µ. Pada engujian diakai gelombang koak DC (bukan e) dengan amliudo ama yaiu 40 mv dan eriode T ebear m. Periode maukan erebu jauh lebih bear dari (eling ime) amlifier yang nilainya ekiar 30 µ berdaarkan Gambar 8. Dengan demikian gelombang koak erebu daa diakai unuk mencari reon e iem. Peramaan 5 memang menjamin keabilan namun idak menjelakan aakah amlifier yang idak memenuhinya ai ak abil. Unuk mengeahuinya erlu dicari hubungan anara overhoo makimum (M ), daming raio (ζ) dan hae margin (φ). Hubungan keiganya (unuk iem orde dua) daa dinyaakan ecara grafi ebagai beriku. [4] Gambar 2. Hail imulai non-invering amlifier TL 074 dengan DC = 00 dan C L = 0 nf Gambar 3. Hail engujian non-invering amlifier TL 074 dengan DC = 00 dan C L = 0 nf Terliha bahwa amlifier juru bekerja lebih baik dibandingkan ada aa DC memenuhi yara DCmin yaiu 300. Hal ini diunjukkan dengan waku naik (rie ime) yang menjadi lebih ingka (kurang dari 20 µ) emenara overhoo ea kecil ehingga idak eramai oleh oiloko. Gambar. Grafik hubungan anara ζ, φ, M Namun bila DC eru diurunkan maka demikian ula φ, akibanya overhoo akan berambah bear. Hal ini dibukikan oleh hail imulai dan engujian unuk nilai DC ebear 50 (34 db) dan 0 (20 db) ada Gambar 4, 5 dan 6, 7. 6 Juruan Teknik Elekro, Fakula Teknologi Induri Univeria Krien Pera h://uli.era.ac.id/journal/elecrical/

5 Gain Minimum unuk Menjaga Sabilia Non-invering mlifier O m yang Berbeban Kaaiif [F. Dalu Seiaji] Berdaarkan Gambar 4 dan 5, maka unuk nilai DC ebear 50 (34 db) dan 0 (20 db) didaakan hae margin beruru-uru φ ebear 60º dan 30º, lalu dengan memergunakan Gambar dieroleh nilai overhoo makimum (M ) ekiar 8% dan 40%. Gambar 4. Hail imulai non-invering amlifier TL 074 dengan DC = 50 dan C L = 0 nf Gambar 5. Hail engujian non-invering amlifier TL 074 dengan DC = 50 dan C L = 0 nf Hail imulai dan engujian yang dilakukan menunjukkan keeuaian yang baik dengan analii erebu. Unuk DC ebear 50 (34 db) didaakan M ekiar 8% (imulai) dan 8,% (engujian). Sedangkan unuk DC ebear 0 (20 db) dieroleh M ekiar 40% (imulai) dan 42% (engujian). Keimulan danya beban kaaiif C L ebear 0 nf ada noninvering amlifier menggunakan o am TL 074 yang memiliki uniy-gain frequency (f ) ebear 3 MHz mengakibakan erbenuknya ebuah kuub ambahan (f ) ada frekueni ekiar eeriga uluh f aau 00 khz. Menuru acuan yang diakai, yara agar amlifier abil adalah nilai DC (cloe loo gain ada frekueni nol) minimum ama dengan euluh kali (f /f ) aau 300. Berdaarkan analii dan engujian, emenuhan yara erebu memang meniadakan overhoo namun reon amlifier erhada maukan e menjadi cuku lamba. Hail engujian menunjukkan bahwa unuk DC ebear 00 maka overhoo yang erjadi maih anga kecil emenara reon amlifier menjadi lebih cea, ehingga benuk keluaran emakin mendekai maukannya. Jadi daa diimulkan bahwa yara erebu idak erlu dienuhi ecara kea. Gambar 6. Hail imulai non-invering amlifier TL 074 dengan DC = 0 dan C L = 0 nf Namun demikian nilai DC idak boleh erlalu kecil karena akan berengaruh ama erhada nilai hae margin. Bila hae margin menurun maka overhoo naik ehingga keabilan relaif dari amlifier akan berkurang. Hail engujian menunjukkan unuk nilai DC berkiar anara eeriga uluh amai eerenam dari eryaraan erebu, didaakan overhoo makimum anara 8% amai 42%. akah jangkauan overhoo iu maih dierbolehkan berganung ada jeni alikai yang memergunakan noninvering amlifier erebu. Dafar Puaka Gambar 7. Hail engujian non-invering amlifier TL 074 dengan DC = 0 dan C L = 0 nf []. Sedra,.S., and Smih, K.C., Microelecronic Circui, 2 nd ed., Hol, Rienhar and Winon, New York, 987. [2] h:// echsuor/deigntool/ineracivetool/ abiliy/abiliy.hml Juruan Teknik Elekro, Fakula Teknologi Induri Univeria Krien Pera h://uli.era.ac.id/journal/elecrical/ 7

6 Jurnal Teknik Elekro Vol. 5, No., Mare 2005: 3-8 [3]. Ogaa, K., Modern Conrol Engineering, Prenice-Hall, New Delhi, 984 [4]. h://uer.ece.gaech.edu/~allen/cademic/ ECE_644/ece_644.hm [5]. Naional Semiconducor, Naional Oeraional Daa Book, 995 [6]. Mancini, R., ed., O m for Everyone, Oxford : Newne, Juruan Teknik Elekro, Fakula Teknologi Induri Univeria Krien Pera h://uli.era.ac.id/journal/elecrical/