Laboratorium elektronika industri komparator analog

KOMPARATOR ANALOG
TUJUAN
Untuk dapat membuat komparator dengan IC OP-AMP 741
Untuk mengetahui karakteristik dari komparator analog
Untuk mengetahui prinsip kerja dari komparator analog
Untuk mengetahui aplikasi dari komparator analog
LANDASAN TEORI
Pada setiap lapangan elektronika industri yang paling banyak digunakan ataupun ditemukan adalah amplifier. Namun amplifer juga dapat diklasifikasikan menurut setiap rentang frekuensi, masukan, metode pemasangan rangkaian yang aka dipakai, titik bias temapat alat-alat ini beroperasi, tegangan, arus, ataupun pada dayanya tersebut. Sirkut yang mengamplifikasi setiap rentang-rentang frekuensi yang luas tersebut dinamakan juga atau disebut juga dengan amplifier gelombang lebar ataupun amplifier yang tentu saja tidak teratur. Sedangkan pada sebuah amplifier yang telah disetel tersebut akan disetel untuk mengamplifikasikan setiap gelombang-gelombang frekuensi yang sempit ataupun juga disebut amplifier gelombang teratur. Metode pemasangan rangkaian amplifier tersebut agak mengubah hasil kerjanya, dan metode yang paling sering dipakai adalah pemasangan ac ( arus bolak-balik) : pada kondisi ini semua komponen-komponen memiliki frekuensi-frekuensi yang nilainya rendah (termasuk dc) yang tidak diteruskan ke rangkaian-rangkaian berikutnya. Beberapa amplifier tersebut dipasang secara dc (arus searah); pada kondisi ini semua komponen-komponen memiliki frekuensi rendah sampai dc Ini merupakan salah satu benuk amplifier dc yaitu amplifier pembelah; pada kondisi sinyal input terbelah dan berubah menjadi satu seri pulsa, yang merupakan sinyal bolak-balik yang diamplikasikan oleh amplier yang terpasang secara ac, sebelum dikembalikan ke dc. Pada setiap peralatan-peralatan aktif tersebut dibiaskan kedalam suatu kondisi operasi operasi yang tentu saja saling berkaitan dengan suatu fungsi-fungsi implikasi yang akan dilaksanakan dalam suatu kegiatan rangkaian-rangkaian : Kelas A -- arus yang mengalir dalam suatu beban selama seluruh periode siklus sinyal input. Kelas AB – arus mengalir dalam suatu beban selama lebih dari setengah siklus, tetapi kurang dari siklus sinyal input yang penuh. Kelas B -- arus mengalir dalam setiap beban selama setengah siklus sinyal input. Kelas C -- arus mengalir dalam suatu beban selama kurang dari setengah siklus sinyal input
Amplifier tegangan yang juga teratur ataupun yangtidak teratur sertapada amplifier a.f (frekuensi audio) berdaya rendah yang biasanya juga bekerja juga didalam Kelas A, sedangkan amplifier tersebut berdaya a.f bekerja dalam kelas B. Amplifier r.f (radio frequency/frekuensi radio) dan juga osilator tersebutbiasanya akan bekerja dan beroperasi dalam kelas C. (Barry G Wollard, 2003)
Dari sudut pandang sinyal, penguat operasional mempunyai tiga terminal: dua terminal masukan dan satu terminal keluaran. Gambar 2.1 menunjukkan symbol yang akan kita gunakan untuk menggambarkan penguat operasional. Terminal 1 dan 2 adalah terminal masukan, dan terminal 3 adalah terminal keluaran.
Penguat membutuhkan daya dc untuk beroperasi. Kebanyakan penguat operasional IC membutuhkan dua catu daya dc seperti diperlihatkan gambar 2.2a. dua terminal yaitu 4 dan 3 dikeluarkan dari paket penguat operasional dan masing-masing disambungkan pada tegangan V+ dan V ‑. Dalam gambar 2.2 b secara eksplisit ditunjukkan kedua catu daya dc sebagai baterai dengan tanah (ground) yang sama. Menarik untuk diperhatikan bahwa titik acuan tanah dalam rangkaian penguat operasional ialah terminal bersama biasa kedua catu dayanya, dengan kata lain, tidak ada terminal pada paket penguat operasional yang secara fisis dihubungkan dengan tanah.
(a) (b)
Gambar 2.1. simbol Op-Amp Gambar 2.2. Op-Amp yang disambungkan ke catu daya dc
Disamping ketiga terminal sinyal dan dua terminal catu daya, sebuah penguat operasional dapat mempunyai terminal lain untuk tujuan-tuuan khusus. Terminal lain tersebut dapat mencakup terminal untuk kompensasi frekwensi dan terminal bagi “offset nulling”. Penguat operasional harus dapat merasakan perbedaan antara sinyal tegangan yang diberikan pada kedua terminal masukkannya (yaitu, kuantitas v2-v1), mengalikannya dengan sebuah bilangan A, dan menyebabkan tegangan yang dihasilkannya A(v2-v1) tampak pada terminal keluaran 3. Disini harus ditekankan bahwa jika kita membahas tentang tegangan pada sebuah terminal, maka yang dimaksudkan ialah tegangan antara terminal tersebut dan tanah; jadi v1 berarti tegangan yang diterapkan anatara terminal 1 dan tanah. Penguat operasional yang ideal diharapkan tidak menarik arus masukan; yaitu artinya arus sinyal ke dalam terminal 1 dan arus sinyal ke dalam terminal 2 sama dengan nol. Dengan kata lain, impedans masukan sebuah penguat operasional yang ideal diharapkan tak terhingga. Karakteristik penguat operasional yang penting adalah merupakan piranti (device) yang digandengkan langsung (direct coupled) atau penguat dc, dc disini berarti penggandengan langsung (dapat dianggap sama dengan arus searah, karena sebuah penguat nol). Kenyataan bahwa penguat operasional merupakan piranti yang digandeng langsung memperbolehkan kita menggunakannya untuk berbagai pemakaian penting. Penguat operasional dapat digunakan untuk mengalikan sebuah sinyal dengan konstanta, mengintegrasinya (differentiate) dan menjumlahkan sejumlah sinyal dengan ukuran yang telah ditetapkan. Kesemuanya ini merupakan operasi matematis-karena itu ia disebut penguat operasional. Rangkaian di atas merupakan blok pembangunan fungsional yang diperlukan untuk melakukan komputasi analog. Karena alasan demikian penguat operasional merupakan elemen dasar komputer analog. Akan tetapi penguat operasional dapat melakukan lebih dari sekedar melakukan operasi matematis yang diperlukan dalam komputasi analog.
Masalah dc : (a). Tegangan Ofset, karena penguat operasional adalah piranti (device) tergandeng langsung dengan beti besar pada dc, penguat operasi tersebut rentan terhadap maslah dc. Masalah pertama ialah tegangan offset dc (dc offset voltage). Untuk memahami masalah ini perhatikanlah percobaan berikut ini : bila kedua terminal masukan penguat operasional digabung dan dihubungkan ke tanah, ternyata tegangan dc terhingga akan ada pada keluaran. Ini merupakan tegangan offset keluaran dc.
Guna memeperhitungkan tegangan offset dc ini dalam analisis konfigurasi simpal tertutup, ternyata mudah untuk “mengkaitkannya kembali” ke masukan. Khususnya, bila kita membagi tegangan offset keluaran dc dengan bati Ao, kita peroleh tegangan offset masukan Voff. Yang terakhir ini dapat diwakili oleh sumber tegangan yang dihubungkan secara seri dengan salah satu masukan penguat operasional ideal, yaitu yang tegangan ofsetnya nol. Penguat operasional serba guna mempunyai tegangan offset Voff yang besarnya beberapa milivolt (2 hingga 5 mV). Nilai Voff dan koefisien temperaturnya biasanya ditentukan dalam lembar data penguat operasional. Spesifikasi terakhir ini sangat penting terutama bila kita ingin membuat Voff menjadi nol. Banyak penguat operasional diperlengkapi dengan dua terminal tambahan dan teknik yang dianjurkan untuk menurunkan Voff hingga nol. Pertanyaan yang timbul : Apakah Voff tetap nol dengan adanya perubahan temperature ?. Jawabannya dapat ditentukan bila kita ingin mengetahui spesifikasi simpangan tegangan offset (offset voltage drift) (biasanya diberikan dalam µV/oC). Salah satu cara menanggulangi masalah offset dc ialah dengan menggandengkan penguat secara kapasitif. Tetapi ia hanya mungkin dalam pemakaian penguat simpal-tertutup yang tidak perlu memperkuat dc atau sinyal yang berfrekuensi sangat rendah. Kapasitor penggandeng akan menyebabkan bati menjadi nol pada dc. (b). Arus bias masukan : supaya penguat operasional beroperasi, kedua terminal masukannya harus dicatu arus dc terhingga, yang disebut arus bias masukan (input bias current). Arus bias masukan tidak tergantung pada kenyataan bahwa penguat operasional mempunyai hambatan masukan terhingga. Pembikin penguat operasional biasanya menentukan nilai rata-rata Ib1 dan Ib2 maupun perbedaan yang diharapkan. Nilai Ib rata-rata disebut arus bias masukan, sementara perbedaannya disebut arus offset masukan. Nilai khas untuk penguat operasional serba guna yang menggunakan transistor dwikutub adalah Ib = 100 nA dan Ioff = 10 nA. Penguat operasional yang menggunakan transistor efek medan dalam tahapan masukan mempunyai arus bias masukan yang jauh lebih kecil dalam tahapan masukan mempunyai arus bias masukan yang jauh lebih kecil (dalam orde pikoampere). (Adel S. Sedra, 1990)
Amplifier operasional (operational amplifier = Op-Amp) adalah sebagian besar di antara IC analogi yang digunakan. IC mengambil tempat amplifier yang sebelumnya diperlukan oleh banyak komponen. Amplifier operasional pada dasarnya adalah amplifier gain tinggi yang dapat digunakan untuk memperkuat sinyal ac atau dc yang lemah. Simbol skematis untuk amplifier operasional adalah segitiga. Segitiga mensimbolkan arah dan titik dari input ke output. Amplifier operasional mempunyai lima terminal pokok; dua untuk tegangan suplai; dua untuk sinyal input; dan satu untuk sinyal output. Terminal suplai daya diberi label V+ dan V-. Amplifier operasional dapat dioperasikan dari sepasang suplai (positif ke negative terhadap ground) atau dari suplai tunggal. Dua terminal input pada amplifier operasional diberi label input (-) inverting dan (+) noninverting. Polaritas teganganyang diberikan pada input inverting adalah mundur atau terbalik pada output. Polaritas yang diberikan pada input noninverting adalah sama pada output. Terminal-terminal itu disebut terminal input diferensial karena tegangan input efektif pada Op-Amp tergantung pada perbedaan tegangan di antara terminal. Hanya ada satu terminal output pada Op-Amp. Output itu diperoleh antara terminal output dan ground biasa. Ada keterbatasan daya yang ada dari output. Rangkaian komparator tegangan digunakan untuk membandingkan dua level tegangan yang berbeda dan menentukan level yang lebih besar. Amp-op basic yang dioperasikan tanpa rangkaian umpan balik ideal untuk hal itu. Beda pada satu input terhadap yang lain akan menghasilkan perubahan yang besar pada tegangan output. Tegangan input A lebih besar dibandingkan dengan tegangan input B, pada waktu tegangan input A lebih besar dibandingkan tegangan input B, LED menswitch ON untuk menunjukkan kondisi ini.
Gambar 2.1 Komparator
(Frank D.Petruzella,1996)
Pada rangkaian-rangkaian op-amp, umpan balik yang digunakan adalah jenis umpan balik negatif. Pada rangkaian-rangkain semacam ini, tegangan keluaran op-amp biasanya berada pada batas-batas saturasi positif dan negatif. Selain itu oleh karena adanya umpan balik negatif ini dan ditambah dengan pengauh dari gain op-amp yang tinggi maka masukan differensial op-amp setiap saat adalah sangat kecil. Ketika op-amp digunakan pada suatu rangkaian tanpa umpan balik (dikenal sebagai rangkaian loop terbuka), tegangan keluarannya akan berada pada salah satu kondisi saturasinya. Pemberian sebuah sinyal masukan differensial kecil saja dan dengan polaritas yang tepat akan berakibat pada beralihnya keluaran op-amp kepada kondisi saturasi yang lainnya.
Umpan balik positif dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan sebuah rangkaian yang bekerja sebagai komparator ataupun rangkaian yang berperilaku sebagai sebuah osilator terkendali pada frekuensi-frekuensi kerja yang telah ditetapkan.
Sebuah komparator pada dasarnya merupakan rangkaian yang digunakan untuk mengindera atau mendeteksi kondisi di mana sebuah sinyal yang berubah terhadap waktu telah mencapai nilai tegangan ambangnya (threshold). Komparator banyak ditemui dalam aplikasi-aplikasi sistem elektronik. Komparator ini dapat digunakan untuk mengindera atau mendeteksi kondisi dari sebuah sinyal eletrik ketika mencapai atau melampaui level tegangan tertentu.
Sebuah rangkaian komparator dapat dibangun dengan menggunakan IC komparator (IC yang memang didedikasikan secara khusus untuk fungsi komparator). IC ini pada dasarnya sama seperti op-amp. Perbedaannya adalah IC ini pada umumnya memiliki keluaran-keluaran yang dapat beralih dengan cepat, dan pada umumnya dirancang sebagai penggerak rangkaian-rangkaian digital. Cara lain untuk membentuk rangkaian komparator adalah dengan menggunakan komponen op-amp. Komparator yang dibangun dengan menggunakan op-amp ini dapat juga digunakan sebagai penggerak rangkaian-rangkaian digital jika batas-batas keluarannya diberikan. Akan tetapi tidak semua jenis op-amp dapat digunakan sebagai komparator.
Pada umumnya persyaratan yang harus dimiliki oleh op-amp agar dapat digunakan untuk membangun rangkaian komparator adalah memiliki offset dan drift yang rendah serta waktu peralihan nilai keluaran yang cepat.
Rangkaian komparator memiliki sebuah penguat differensial pada sisi masukannya. Adapun keluarannya merupakan sebuah tingkat penggerak untuk mencapai keadaan yang dapat beralih nilainya. Sebuah rangkaian komparator yang paling sederhana memiliki tegangan sinyal yang dikenakan langsung pada salah satu dari terminal masukan lainnya dikenakan tegangan referensi. Prinsip kerja dari sebuah komparator dengan op-amp tunggal diperlihatkan pada gambar 2.3.
Prinsip kerja ini juga berlaku untuk IC komparator, dengan pengecualian bahwa tegangan keluaran minimum pada umumnya sama dengan 0 V (sama dengan potensial petanahan).
Gambar 2.4 Komparator dengan op-amp tunggal
Dari rangkaian gambar 2.4 di atas dapat dilihat bahwa konfigurasi op-amp yang digunakan adalah konfigurasi loop terbuka (tanpa umpan balik). Keluaran rangkaian akan betransisi di antara keadaan-keadaan saturasinya pada saat sinyal masukan melampaui sebuah nilai tegangan yang sama dengan Eref . Tegangan referensi, Eref , tidak boleh melebihi tegangan mode kommon maksimum jika komponen yang digunakan pada rangkaian adalah sebuh opamp. Pertukaran pada hubungan-hubungan sinayal dan masukan referensi akan berakibat pada perubahan polaritas keluaran yang dihasilkan.
Gambar 2.5. Komparator op-amp dengan masukan berujung tunggal
Pada gambar 2.5 di atas, tegangan sinyal dan tegangan referensi dikenakan pada terminal masukan yang sama melalui resistor-resistor yan bersesuaian (R1 untuk tegangan sinyal dan R2 untuk tegangan referensi). Adapun terminal masukan op-amp yang lain ditanahkan. Dengan demikian, rangkaian komparator ini tidak terpengaruh oleh batasan-batasan tegangan mode kommon sehingga sebuah op-amp dapat digunakan dalam membangun rangkaian ini. Transisi keluaran terjadi saat :
ei = et = - Eref ( 2-1)
Tegangan ambang (threshold), et , dapat diatur nilainya dengan memilih nilai resistor-resistor masukan yang digunakan. Tegangan referensi, Eref, dapat bernilai sembarang (sesuai dengan kebutuhan rancangan rangkaian) dengan polaritas berlawanan terhadap sinyal masukan.Pada kedua macam komparator yang ditunjukkan di atas, untuk dapat memperoleh transisi tegangan keluaran skala penuh maka tegangan masukan harus berayun melewati tegangan ambangnya berdasarkan persamaan:
(Vo+ - Vo- ) / AVOL ( 2-2 )
Untuk kasus-kasus dimana perubahan sinyal masukan terjadi dengan cepat maka waktu transisi keluaran akan bergantung pada karakteristik komponen penguat. Waktu peralihan nilai nilai keluaran untuk sinyal-sinyal masukan yang bervariasi secara perlahan atau lambat adalah bergantung pada laju perubahan tegangan masukan. Untuk kasus-kasus seperti ini, transisi keluaran harus dipercepat dengan cara memberikan umpan balik positif. Sebuah rangkaian komparator dengan umpan balik positif merupakan rangkaian yang bersifat regeneratif di mana umpan balik ditambahkan pada sinyal masukan diferensial. Sebuah komparator regeneratif (dikenal juga dengan nama rangkaian penyulut Schimit) yang menggunakan komponen penguat operasional. Umpan balik rangkaian komparator regeneratif (penyulut schimitt) diberikan melalui resistor umpan balik R2. Umpan balik ini dihubungkan di antara terminal keluaran op-amp dan terminal masukan non-pembaliknya. Ketika ei mencapai tegangan ambang rangkaian maka penguat akan bekerja di antara kondisi-kondisi saturasinya. Umpan balik positif akan mengakibatkan tegangan pada terminal non-pembalik op-amp menjadi naik atau turun (bergantung pada polaritas dari tegangan referensinya) sedemikian sehingga tegangan masukan diferensial menjadi lebih besar. Hal ini akan mengakibatkan penggerak tingkat keluaran serta secara virtual waktu transisi menjadi tidak bergantung terhadap laju perubahan tegangan masukan.
Rangkaian komparator regeneratif memperlihatkan karakteristik histerisis yaitu proses transisi keluaran untuk beberapa nilai ei yang berbeda akan terjadi jika ei meningkat atau berkurang menuju nilai tegangan ambangnya. Kurva transfer komparator regeneratif adalah kurva transfer komparator op-amp dengan nilai tegangan referensi, Eref , sama dengan nol. Dengan mengabaikan offset rangkaian, nilai tegangan ambang untuk ei di mana terjadi proses transisi keluaran adalah memiliki nilai yang sama dengan :
Vo sat . ( 2-3)
Vo sat dapat mengambil kedua nilai saturaSi positif dan ngatif sehingga besar histerisisnya akan menjadi:
VH ( V+sat - V-sat ) . ( 2-4)
Besar histerisis ini akan bergantung secara langsung pada magnituda dari fraksi umpan balik positif,
ᵦ = ( 2-5 )
Hindarilah penggunaan komparator regeneratif (penyulut schimit) dengan histerisis yang sangat kecil (nilai ᵦ yang kecil) karena hal ini dapat mengakibatkan terjadinya osilasi frekuensi tinggi pada saat berlangsungnya proses peralihan nilai keluaran.Pada semua rangkaian komparator, keluaran yang dihasilkan dapat diapit pada nilai-nilai yang diinginkan. Metode ini lebih sering digunakan dibandingka dengan metode pembatasan saturasi. Perlu ditekankan di sini bahwa para perancang harus secara cermat memperhatikan dan menjamin bahwa tegangan referensi dan tegangan masukan tidak melebihi batas-batas sinyal mode kommon dan masukan differensial yang diijinkan. (George Clayton,2005)
|