RANGKAIAN OSILATOR 1. TEORI OSILASI SINUSOIDA Untuk membuat suatu osilator sinusoida, diperlukan suatu penguat umpan balik positif. Gagasannya adalah menggunakan sinyal umpan balik sebagai sinyal masuk. Bila bati simpal (AB) dan fasa sudah tepat, maka akan muncul sinyal keluar secara berulang-ulang meskipun tidak ada sinyal masuk dari luar. Sebagaimana dalam gambar berikut ini tegangan umpan balik (Vf) dikuatkan untuk menghasilkan tegangan keluaran (Vout) yang kemudian menghasilkan kembali tegangan umpan balik melalui rangkaian umpan balik (feedback circuit). Dengan demikian sebuah proses yang berputar berulangulang terjadi dan sinyal sinus keluaran terus-menerus dihasilkan. Fenomena ini yang disebut sebagai osilasi. Gambar 1.
2. PENGUAT TEGANGAN DAN FASA Pada gambar 2 dibawah ini ditunjukkan sebuah sinyal Vin yang menggerakkan terminal masuk dari sebuah penguat (A). Tegangan keluar yang telah diperkuat adalah : Vout = AVin Gambar 2. Tegangan Vout ini menggerakkan rangkaian umpan balik yang biasanya berupa rangkaian resonansi, sehingga umpan balik maksimumnya hanya pada satu frekuansi saja (fo). Tegangan umpan balik yang dikembalikan ke titik x diberikan oleh : Vf = ABVin Jika pergeseran fasa sepanjang penguat dan rangkaian umpan balik adalah 0 o, maka ABVin sefasa dengan sinyal Vin yang menggerakan sinyal masukan dari penguat (A). Jika titik x disambungkan dengan y dan sumber tegangan Vin dilepas, maka yang menggerakan terminal masuk dari penguat adalah tegangan umpan balik ABVin seperti pada gambar 3 dibawah ini.
Gambar 3. Lalu apa yang terjadi dengan tegangan keluar pada gambar 3 tersebut? Ada tiga keadaan yang mungkin muncul, yaitu: Jika nilai AB kurang dari 1, maka nilai ABVin akan lebih kecil dari pada nilai Vin, hal ini akan berakibat bahwa sinyal keluarnya akan menghilang (teredam). Gambar 4. Jika nilai AB lebih besar dari 1, maka nilai ABVin lebih besar dari nilai Vin, hal ini menyebabkan sinyal keluar akan membesar (naik). Gambar 5. Jika nilai AB sama dengan 1, maka nilai ABVin akan sama dengan nilai Vin dan tegangan keluar berupa sinyal sinusoidal yang berosilasi.
Gambar 6. Pada suatu osilator, penguat tegangan (bati simpal) lebih besar dari 1 pada saat daya pertama kali dinyalakan, setelah tegangan keluar mencapai besaran yang diinginkan (steady state), harga AB secara otomatis akan turun menjadi 1 dan sinyal keluar akan memiliki amplitude yang stabil. Gambar 7. 3. TEGANGAN AWAL PADA OSILATOR Darimana datangnya tegangan awal pada sebuah rangkaian osilator? Saat pertama kali daya dinyalakan, tegangan awal yang muncul berasal dari tegangan derau yang dibangkirkan oleh tahanan-tahanan pada rangkaian osilator. Sehingga bisa dianggap bahwa setiap tahanan sebagai sumber tegangan ac kecil yang akan menggerakkan sinyal osilasi pertama kali. Tegangan derau ini diperkuat dan muncul pada terminal keluar, tegangan derau yang diperkuat ini lalu menggerakkan rangkaian umpan balik resonansi. Dengan membuat pergeseran fasa yang melingkar simpul balik sama dengan 0 o pada frekuensi resonansi, maka didapatkan osilasi hanya pada satu harga frekuensi.
Bila bati simpal lebih besar dari pada 1, osilasi membesar pada frekuensi ini sampai didapatkan nilai steady state dan AB turun menjadi 1, lalu sinyal keluar akan memiliki amplitude yang tetap. Gambar 8. 4. OSILATOR JEMBATAN WIEN Osilator jembatan wien adalah rangkaian osilator yg lazim untuk frekuensi rendah sampai menengah, yaitu dalam daerah 5 Hz sampai sekitar 1 MHz. Rangkaian ini hampir selalu dipakai pada pembangkit audio komersial dan biasanya lebih disukai untuk pemakaian frekuensi rendah lainnya. Gambar 9. Pada frekuensi amat rendah, kapasitor seri tampak terbuka bagi sinyal masuk sehingga tidak ada sinyal keluar. Pada frekuensi amat tinggi kapasitor pararel tampak terhubung singkat dan tidak ada keluaran. Dan diantara kedua
harga ini terdapat harga maksimum (1/3 B). Frekuensi saat rangkaian mencapai harga maksimum (1/3 B) disebut frekuensi resonansi. Sedangkan pergeseran fasa saat terjadi resonansi sama dengan 0 o. Gambar 10. Titik a-c adalah terminal keluar penguat tegangan (opamp) yang terhubung ke terminal masuk rangkaian umpan balik. Titik b-d adalah terminal keluar rangkaian umpan balik yg terhubung ke terminal masuk penguat tegangan (opamp). Sehingga komponen yg membentuk rangkaian resonansi adalah R1, R2, C1, dan C2. Sedangkan R3 dan R4 membentuk penguat tegangan pada opamp. Frekuensi resonansi (fo) Jika nilai R1 = R2 dan C1 = C2, maka frekuensi resonansi menjadi : Karena penguat umpan balik (B) nilainya adalah 1/3, maka agar nilai bati simpal (AB) sama dengan 1, nilai penguat tegangan (A) harus bernilai 3.
Rumus penguat tegangan (A) pada rangkaian gambar 10 adalah: A 1 R f R1 1 R R 3 4 Sehingga nilai perbandingan R3 dan R4 sama dengan 2: R R 3 4 2 Cara untuk mengurangi AB menjadi 1 Seperti yang telah disebutkan diatas bahwa sinyal pertama yang menggerakkan osilasi adalah sinyal tegangan derau yang kecil, kemudian amplitude sinyal membesar (karena AB > 1) sampai mencapai nilai steady state. Saat amplitude sinyal sudah tetap itu berarti bahwa AB = 1. Untuk mengurangi nilai AB menjadi 1 pada rangkaian osilator jembatan wien, maka perlu ditambahkan 2 dioda seperti pada rangkaian dibawah ini: Gambar 11
Soal : 1. Hitung nilai frekuensi resonansi (fo) pada rangkaian osilator dibawah ini. Jawab : 2. Rancanglah rangkaian umpan balik RC (B) agar osilator memiliki frekuensi resonansi sebesar fo = 10 KHz 3. Rancanglah sebuah osilator wein yang memiliki frekuensi osilator sebesar fo = 100 KHz.
5. OSILATOR PERGESERAN FASA Osilator pergeseran fasa menyediakan pergeseran fasa pada penguat umpan balik (B) sebesar 180 o dan pada penguat tegangan (A) juga penyediakan pergeseran fasa 180 o. Pada bagian umpan balik, pergeseran fasa sebesar 180o diperoleh dari rangkaian RC dengan tiga tahap. Pada gambar 12 diperlihatkan rangkaian dasar dari osilator pergeseran fasa : Gambar 12 Seperti pada osilator lainnya, bahwa bati simpal dari osilator ini juga harus sama dengan 1, AB = 1 dengan demikian osilasi dapat terjadi. Untuk menghasilkan pergeseran fasa sebesar 180 o pada penguat umpan balik (B), maka nilai B = 1/ 29. Sehingga niali penguat tegangan (A) sama dengan 29. Frekuensi resonansi (fo) Berikut ini adalah rangkaian osilator pergeseran fasa menggunakan penguat opamp.
Gambar 13. Keluaran opamp terhubung dengan rangkaian RC 3 tahap yang menyediakan pergeseran fasa sebesar 180 o, dan keluaran penguat umpan balik terhubung dengan masukan inverting opamp yang menyediakan pergeseran fasa sebesar 180 o.