FEEDBACK & OSCILLATOR CIRCUITS

Fig. 14.23; dan Fig. 14.24

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

6. Problem

1. Pendahuluan (kembali)

Dalam sistem elektronika, rangkaian umpan balik (feedback circuit) dan osilator memainkan peran penting dalam penguatan sinyal dan generasi sinyal frekuensi tertentu. Umpan balik adalah proses di mana sebagian dari sinyal keluaran dikembalikan ke masukan, yang dapat bersifat positif (positive feedback) atau negatif (negative feedback), tergantung pada aplikasinya. Umpan balik negatif banyak digunakan dalam penguat (amplifier) untuk meningkatkan stabilitas, linearitas, dan bandwidth, serta mengurangi distorsi dan noise.

Sementara itu, rangkaian osilator dirancang untuk menghasilkan sinyal periodik secara kontinu tanpa sinyal input eksternal. Osilator memanfaatkan prinsip umpan balik positif untuk menghasilkan sinyal sinusoidal, kotak, atau gelombang segitiga, yang sangat penting dalam aplikasi komunikasi, sistem pengatur waktu, dan perangkat digital.

Pemahaman yang baik mengenai prinsip kerja, jenis-jenis, dan implementasi rangkaian umpan balik dan osilator sangat penting dalam bidang teknik elektro dan elektronika untuk merancang sistem yang efisien dan andal.

2. Tujuan (kembali)

1. Memahami prinsip kerja rangkaian umpan balik dalam sistem penguat, baik umpan balik positif maupun negatif.

2. Menganalisis pengaruh umpan balik terhadap karakteristik penguat, seperti gain, bandwidth, stabilitas, dan distorsi.

3. Mengenal berbagai jenis rangkaian osilator seperti osilator RC, LC, dan Kristal, serta memahami cara kerjanya dalam menghasilkan sinyal periodik tanpa input eksternal.

4. Mampu merancang dan mengimplementasikan rangkaian osilator sederhana untuk menghasilkan sinyal dengan frekuensi tertentu.

5. Meningkatkan keterampilan dalam penggunaan perangkat simulasi dan alat ukur elektronik dalam pengujian karakteristik umpan balik dan osilator.

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

G. Oscilloscope

Osiloskop adalah alat ukur elektronik yang digunakan untuk menampilkan bentuk gelombang sinyal listrik secara grafis pada layar, biasanya dalam bentuk tegangan (sumbu Y) terhadap waktu (sumbu X).

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
$\beta$ = 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 $A β \geq 1$

Example:

1. Negative Feedback pada Amplifier

Fungsi: Mengurangi gain, tapi meningkatkan stabilitas, bandwidth, dan linearitas.

Contoh: Pada op-amp non-inverting, sebagian output dikembalikan ke input inverting (-) melalui jaringan resistor.

Efek:

Menstabilkan penguatan
Mengurangi distorsi dan noise
Meningkatkan bandwidth

2. RC Phase Shift Oscillator

Fungsi: Menghasilkan gelombang sinusoidal pada frekuensi tertentu.

Karakteristik:

Menggunakan RC (Resistor-Capacitor) untuk menciptakan fase balik 180°.
Dengan gain dari amplifier (biasanya op-amp atau transistor), total umpan balik positif 360° (atau 0° fasa efektif).

Contoh Penggunaan:

Generator sinyal audio
Osilator frekuensi rendah (LF)

3. Colpitts Oscillator

Fungsi: Menghasilkan sinyal frekuensi tinggi (gelombang sinusoidal), sering digunakan dalam komunikasi RF.

Karakteristik:

Menggunakan LC (Induktor-Kapasitor) sebagai bagian dari jaringan umpan balik.
Kapasitor dibagi dua untuk membentuk pembagi tegangan kapasitif.

Contoh Penggunaan:

Pemancar radio FM/AM
Sistem komunikasi RF (frekuensi tinggi)

6. Problem [kembali]

Dalam praktikum atau pembelajaran tentang Feedback and Oscillator Circuits, terdapat beberapa permasalahan yang sering dihadapi, antara lain:

Stabilitas Osilasi Tidak Tercapai Osilator tidak menghasilkan sinyal karena tidak terpenuhinya syarat osilasi, seperti gain loop $A\beta$ kurang dari 1 atau pergeseran fase tidak tepat.
Distorsi Sinyal Keluaran Sinyal yang dihasilkan tidak berbentuk sinus murni karena pengaturan gain yang tidak sesuai atau penggunaan komponen yang tidak ideal
Kesalahan Penempatan Komponen Salah dalam menyusun jaringan RC atau LC pada umpan balik menyebabkan rangkaian tidak berfungsi sebagaimana mestinya.
Pengaruh Suhu dan Toleransi Komponen Variasi suhu dan toleransi pada resistor, kapasitor, atau transistor dapat mengubah karakteristik rangkaian dan mengganggu kestabilan osilasi.
Kekurangan Pemahaman Konsep Feedback Banyak siswa mengalami kesulitan memahami perbedaan antara umpan balik negatif dan positif, serta dampaknya pada kerja rangkaian.
Kesulitan Menentukan Frekuensi Osilasi Perhitungan teoritis tidak sesuai dengan hasil praktik karena perbedaan nilai komponen aktual dan pengaruh lingkungan (seperti noise).

7. Soal Latihan [kembali]

1. Sebuah rangkaian Wien Bridge Oscillator menggunakan dua buah resistor dengan nilai $R = 10 \, \text{k}\Omega$ dan dua buah kapasitor dengan nilai $C = 0{,}001 \, \mu\text{F}$ . Hitunglah frekuensi osilasi yang dihasilkan oleh rangkaian tersebut!

Jawaban:

Rumus frekuensi Wien Bridge Oscillator:

f = \frac{1}{2\pi RC}

Diketahui:

$R = 10 \, \text{k}\Omega = 10.000 \, \Omega$
$C = 0{,}001 \, \mu\text{F} = 0{,}001 \times 10^{-6} \, \text{F} = 1 \times 10^{-9} \, \text{F}$

f = \frac{1}{2\pi \times 10.000 \times 1 \times 10^{-9}}

f = \frac{1}{2 π \times 10^{- 5}} = \frac{1}{6,283 \times 10^{- 5}} \approx 15.9 kHz

2. Sebuah osilator menggunakan penguat operasional dengan gain $A$ , dan jaringan umpan balik memberikan faktor $\beta = \frac{1}{3}$ . Berapakah nilai minimum gain $A$ agar osilator dapat berosilasi?

Jawaban:

Agar terjadi osilasi, harus memenuhi kriteria Barkhausen:

A\beta \geq 1

Diketahui $\beta = \frac{1}{3}$ , maka:

A \times \frac{1}{3} \geq 1 \Rightarrow A \geq 3

3. Sebuah rangkaian amplifier menggunakan umpan balik negatif. Apa fungsi utama dari umpan balik negatif pada rangkaian tersebut?

A. Meningkatkan gain tanpa batas B. Mengurangi stabilitas sistem C. Menurunkan gain tetapi meningkatkan linearitas dan stabilitas D. Meningkatkan distorsi sinyal E. Meningkatkan daya keluaran