chapter 14: Feedback and Oscillator Circuits

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Ringkasan

7. Problem & Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

 

1. Pendahuluan (kembali)

Dalam dunia elektronika, konsep feedback atau umpan balik merupakan salah satu prinsip dasar yang sangat penting dalam perancangan berbagai rangkaian, terutama rangkaian penguat dan osilator. Seperti dijelaskan dalam buku Electronic Devices and Circuit Theory oleh Robert L. Boylestad dan Louis Nashelsky, feedback adalah proses di mana sebagian sinyal keluaran suatu sistem dikembalikan ke bagian inputnya. Feedback dapat dibedakan menjadi dua jenis utama, yaitu feedback negatif yang digunakan untuk meningkatkan stabilitas dan linearitas penguat, serta feedback positif yang menjadi inti dari kerja rangkaian osilator.

Pada rangkaian osilator, feedback positif digunakan untuk mempertahankan osilasi, yaitu sinyal keluaran yang berbentuk periodik meskipun tanpa adanya sinyal input eksternal. Agar osilasi dapat terjadi, harus dipenuhi syarat Barkhausen, yaitu penguatan loop (loop gain) harus sama dengan satu dan perubahan fase total dalam loop harus kelipatan 360 derajat. Dengan memenuhi syarat ini, energi yang hilang akibat rugi-rugi dalam rangkaian dapat digantikan secara terus-menerus sehingga osilasi tidak meredam.

2. Tujuan (kembali)

• • Memahami prinsip kerja rangkaian osilator Colpitts.

  • Menjelaskan peran feedback positif dalam menghasilkan osilasi.

  • Membedakan karakteristik osilator Colpitts berbasis BJT dan FET.

  • Mengidentifikasi fungsi setiap komponen utama dalam rangkaian.

  • Menghitung dan menganalisis frekuensi osilasi berdasarkan nilai komponen.

  • Menjelaskan syarat terjadinya osilasi (syarat Barkhausen).

  • Mengaitkan aplikasi praktis osilator Colpitts dalam bidang elektronika dan komunikasi.

  • Melatih kemampuan analisis dan perancangan rangkaian osilator.

3. Alat dan Bahan (kembali)

Alat

Software Proteus

Bahan

1. Voltmeter

Alat ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt

2. DC Voltage

Komponen yang menyediakan tegangan tetap antara dua terminal: terminal positif (+) dan terminal negatif (–). Sumber ini digunakan untuk memberikan energi listrik ke rangkaian, dan nilainya bisa berupa tegangan tetap (seperti baterai 5V atau 12V) atau variabel, tergantung konfigurasi rangkaian.

3. 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.

4. 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. 

                                                        Cara Menghitung Nilai Resistor

5.Op Amp

Op-amp (operational amplifier) adalah komponen elektronik aktif yang berfungsi untuk memperkuat perbedaan tegangan antara dua inputnya (input inverting dan non-inverting). 

6.Transistors.

Transistor adalah komponen elektronik yang berfungsi sebagai saklar atau penguat sinyal. Transistor memiliki tiga kaki: basis (B), kolektor (C), dan emitor (E). Dengan mengatur arus kecil di basis, transistor bisa mengendalikan arus yang lebih besar antara kolektor dan emitor.

7. Baterai

  Baterai adalah suatu bahan yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik yang dapat digunakan oleh alat-alat elektronika.

8. Kapasitor

            Kapasitor adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor mempunyai satuan Farad dari Michael Faraday.

9. Transformator

komponen trafo yang digunakan untuk mensimulasikan proses perubahan tegangan listrik dalam sebuah rangkaian elektronik.

4. Dasar Teori (kembali)

Oscillator adalah rangkaian yang menghasilkan sinyal bolak-balik (AC) secara mandiri tanpa input sinyal eksternal setelah inisiasi awal. Pada tuned oscillator, rangkaian resonansi LC (induktor dan kapasitor) digunakan untuk menentukan frekuensi osilasi. Rangkaian resonansi ini berfungsi sebagai tank circuit yang menyimpan dan saling bertukar energi antara medan magnetik induktor dan medan elektrostatik kapasitor, sehingga menghasilkan osilasi pada frekuensi resonansi tertentu.

Frekuensi resonansi $f_0$ dari rangkaian LC dihitung dengan rumus:

$$f_0=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$$

di mana $L$ adalah induktansi (Henry) dan $C$ adalah kapasitansi (Farad). Pada frekuensi ini, impedansi rangkaian LC sangat tinggi (untuk rangkaian paralel) atau sangat rendah (untuk rangkaian seri), sehingga hanya frekuensi ini yang mendapat umpan balik positif yang cukup untuk mempertahankan osilasi.

Dalam oscillator tipe Colpitts, rangkaian resonansi terdiri dari induktor $L$ dan dua kapasitor $C_1$ dan $C_2$ yang terhubung secara seri. Frekuensi osilasi pada Colpitts oscillator adalah:

$$f_0=\frac{1}{2\pi \sqrt{L{C}_{eq}}}\text{dengan}{C}_{eq}=\frac{C_1{C}_2}{C_1+C_2}$$

Sedangkan pada Hartley oscillator, rangkaian resonansi terdiri dari dua induktor $L_1$ dan $L_2$ (atau satu induktor dengan tap) dan satu kapasitor $C$. Frekuensi osilasi dihitung dengan:

$$f_0=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_{eq}C}}\text{dengan}{L}_{eq}=L_1+L_2+2M$$

di mana $M$ adalah induktansi mutual antara kumparan.

Agar osilasi dapat terjadi dan berkelanjutan, rangkaian harus memenuhi kriteria Barkhausen, yaitu:

• Besar loop gain sama dengan satu:

$$\mathrm{\mid }A\beta \mathrm{\mid }=1$$

• Total pergeseran fase dalam loop adalah 0° atau kelipatan 360°:

$$\varphi =0^{\circ }\text{atau}{360}^{\circ }\times n,n=1,2,3,\dots$$

Pada tuned oscillator, rangkaian LC memberikan pergeseran fase yang diperlukan, dan amplifier memberikan penguatan yang cukup sehingga sinyal yang diumpankan kembali ke input memiliki amplitudo dan fase yang tepat untuk mempertahankan osilasi. Misalnya, pada osilator tuned kolektor, rangkaian tangki LC terhubung ke kolektor transistor, dan umpan balik dihasilkan melalui kopling induktif yang mengatur kuantitas umpan balik agar memenuhi kondisi osilasi.

Energi osilasi berosilasi antara kapasitor dan induktor: ketika kapasitor terisi penuh, energi tersimpan dalam medan elektrostatik, kemudian energi ini berpindah ke induktor sebagai medan magnetik saat kapasitor mengosongkan muatannya, dan siklus ini berulang terus-menerus. Rangkaian resonansi LC ini menentukan frekuensi osilasi dan membantu menjaga kestabilan sinyal keluaran.

Dengan demikian, rumus-rumus frekuensi resonansi LC dan kriteria Barkhausen merupakan dasar teori utama dalam memahami tuned oscillator circuits, yang banyak digunakan dalam aplikasi frekuensi radio, pemancar, dan sistem komunikasi.

5. Prinsip Kerja [kembali]

Fig 14.26

Rangkaian pada gambar adalah osilator Colpitts yang menggunakan transistor sebagai penguat utama. Prinsip kerjanya dimulai ketika sumber tegangan diberikan, arus mengalir melalui resistor bias (R1 dan R2) sehingga transistor berada pada kondisi aktif. Rangkaian LC yang terdiri dari induktor (L) dan dua kapasitor (C1 dan C2) membentuk rangkaian resonansi yang menentukan frekuensi osilasi. Ketika transistor menghantarkan, arus mengalir melalui L dan menghasilkan tegangan bolak-balik pada titik kolektor. Tegangan ini sebagian diumpan-balikkan ke basis transistor melalui pembagi kapasitor C1 dan C2. Umpan balik ini harus sefasa dan cukup besar agar syarat osilasi terpenuhi (syarat Barkhausen). Dengan demikian, sinyal osilasi akan terus diperkuat dan dipertahankan oleh transistor, menghasilkan gelombang sinus pada output (V0). Kapasitor bypass (CE) digunakan untuk meningkatkan penguatan AC dengan mem-bypass resistor emitor (RE) pada frekuensi tinggi, sedangkan RFC (Radio Frequency Choke) mencegah sinyal RF kembali ke sumber tegangan.

Frekuensi osilasi dari rangkaian Colpitts ini dapat dihitung dengan rumus:

$$�=\frac{1}{2�\sqrt{�\cdot {�}_{�����}}}$$

dengan:

$${�}_{�����}=\frac{�1\cdot �2}{�1+�2}$$

Rumus ini menunjukkan bahwa frekuensi osilasi bergantung pada nilai induktansi (L) dan kombinasi seri dari kedua kapasitor (C1 dan C2)

Example

1. Clock Generator pada Sistem Digital
   Menyediakan sinyal jam (clock) pada rangkaian digital yang membutuhkan frekuensi stabil.

2. Oscillator untuk Metal Detector
   Digunakan sebagai bagian dari detektor logam yang bekerja dengan prinsip perubahan frekuensi resonansi.

3. Pembangkit Sinyal pada Wireless Microphone
   Membantu menghasilkan sinyal pembawa untuk mikrofon nirkabel.

7. Problem Soal Latihan [kembali]  

Problem

1. Sebuah osilator Colpitts seperti pada gambar pertama menggunakan induktor $�=10��$, kapasitor ${�}_1=100��$, dan ${�}_2=100��$.
a. Hitunglah frekuensi osilasi yang dihasilkan rangkaian!
b. Jika C1 diubah menjadi 200 pF, bagaimana perubahan frekuensi osilasi yang terjadi?

Penyelesaian:

a. Menghitung Frekuensi Osilasi

Rumus frekuensi osilasi Colpitts:

$$�=\frac{1}{2�\sqrt{�\cdot {�}_{�����}}}$$

dengan

$${�}_{�����}=\frac{{�}_1\cdot {�}_2}{{�}_1+{�}_2}$$

Substitusi nilai:

$${�}_{�����}=\frac{100��\times 100��}{100��+100��}=\frac{10,000}{200}=50��=50\times {10}^{-12}�$$$$�=10��=10\times {10}^{-6}�$$$$�=\frac{1}{2�\sqrt{10\times {10}^{-6}\times 50\times {10}^{-12}}}$$$$=\frac{1}{2�\sqrt{500\times {10}^{-18}}}$$$$=\frac{1}{2�\sqrt{5\times {10}^{-16}}}$$$$=\frac{1}{2�\times 7.07\times {10}^{-8}}$$$$=\frac{1}{4.44\times {10}^{-7}}$$$$\approx 2.25\times {10}^6��=2.25���$$

b. Jika ${�}_1=200��$, ${�}_2=100��$:

$${�}_{�����}=\frac{200\times 100}{200+100}=\frac{20,000}{300}\approx 66.67��$$$$�=\frac{1}{2�\sqrt{10\times {10}^{-6}\times 66.67\times {10}^{-12}}}$$$$=\frac{1}{2�\sqrt{666.7\times {10}^{-18}}}$$$$=\frac{1}{2�\sqrt{6.667\times {10}^{-16}}}$$$$=\frac{1}{2�\times 8.17\times {10}^{-8}}$$$$=\frac{1}{5.13\times {10}^{-7}}$$$$\approx 1.95\times {10}^6��=1.95���$$

Jadi, jika C1 diperbesar, frekuensi osilasi akan menurun.

2. Pada rangkaian osilator Colpitts dengan FET seperti gambar kedua, diketahui $�=5��$, ${�}_1=47��$, dan ${�}_2=220��$.
a. Hitunglah frekuensi osilasi rangkaian!
b. Jika ingin menaikkan frekuensi osilasi, sebaiknya komponen mana yang diubah? Jelaskan alasannya.

Penyelesaian:

a. Menghitung Frekuensi Osilasi

$${�}_{�����}=\frac{47\times 220}{47+220}=\frac{10,340}{267}\approx 38.74��$$$$�=5��=5\times {10}^{-6}�$$$$�=\frac{1}{2�\sqrt{5\times {10}^{-6}\times 38.74\times {10}^{-12}}}$$$$=\frac{1}{2�\sqrt{193.7\times {10}^{-18}}}$$$$=\frac{1}{2�\sqrt{1.937\times {10}^{-16}}}$$$$=\frac{1}{2�\times 1.392\times {10}^{-8}}$$$$=\frac{1}{8.75\times {10}^{-8}}$$$$\approx 11.43\times {10}^6��=11.43���$$

b. Komponen yang Diubah untuk Menaikkan Frekuensi

Untuk menaikkan frekuensi osilasi, Anda bisa:

• Mengurangi nilai L (induktor)

• Mengurangi nilai C1 dan/atau C2 (kapasitor)

Karena frekuensi berbanding terbalik dengan akar dari hasil kali L dan Ctotal, mengecilkan salah satunya akan menaikkan frekuensi. Biasanya, lebih mudah mengganti kapasitor daripada induktor, sehingga mengurangi nilai kapasitor (C1 atau C2) adalah cara yang paling praktis.

3 Jika RE terlalu besar, apa yang akan terjadi pada osilasi? Jelaskan penjelasan fisikanya.

Jawaban:
Jika nilai RE terlalu besar, tegangan emitor naik sehingga tegangan basis-emitor (V_BE) turun. Hal ini menyebabkan transistor tidak lagi berada dalam kondisi aktif penuh atau bahkan bisa mati (cut-off). Akibatnya, penguatan rangkaian tidak cukup untuk memenuhi syarat osilasi (Barkhausen criterion), sehingga osilasi akan berhenti. Secara fisika, ini terjadi karena sinyal umpan balik yang kembali ke basis tidak cukup besar untuk mengimbangi rugi-rugi dalam rangkaian, sehingga tidak ada lagi energi yang cukup untuk mempertahankan getaran (osilasi).

Soal Pilihan Ganda

Soal No 1. Komponen apa yang berfungsi sebagai pembagi tegangan untuk umpan balik pada rangkaian osilator Colpitts ini?
a. R1 dan R2
b. C1 dan C2
c. L dan RFC
d. RE dan CE

Jawaban: b. C1 dan C2

Soal 2

Apa fungsi kapasitor CE pada rangkaian ini?
a. Menyaring sinyal AC pada output
b. Menstabilkan tegangan kolektor
c. Membypass resistor emitor untuk meningkatkan penguatan AC
d. Menentukan frekuensi osilasi

Jawaban: c. Membypass resistor emitor untuk meningkatkan penguatan AC

Soal 3

Jika nilai induktor (L) diperbesar, maka frekuensi osilasi yang dihasilkan akan...
a. Tetap
b. Naik
c. Turun
d. Tidak terpengaruh

Jawaban: c. Turun

B. Rangkaian 2: Osilator Colpitts dengan FET (Gambar Kedua)

Soal 4

Pada rangkaian Colpitts dengan FET, komponen apa yang berfungsi sebagai penguat utama?
a. Kapasitor C1
b. Induktor L
c. FET
d. Resistor RG

Jawaban: c. FET

Soal 5

Apa peran kapasitor kopling (CC) pada rangkaian ini?
a. Menentukan frekuensi osilasi
b. Menghubungkan sinyal AC output ke rangkaian luar dan memblokir DC
c. Mengatur bias FET
d. Mengurangi noise pada power supply

Jawaban: b. Menghubungkan sinyal AC output ke rangkaian luar dan memblokir DC

Soal 6

Jika nilai kapasitor C2 diperkecil, maka frekuensi osilasi akan...
a. Tetap
b. Naik
c. Turun
d. Tidak terpengaruh

Jawaban: b. Naik

                                   

8. Percobaan [kembali]

fig 14.26

Fig 14.27

9. Download File [kembali]

fig 14.26 (klik)

fig 14.27 (klik)

Download Datasheet

Datasheet Induktor [klik disini] 

Datasheet Kapasitor [klik disini]

Datasheet Tansistor [klik disini]

Datasheet Resistor [klik disini]

Datasheet Transistor NPN [klik disini]