Respon Frekuensi Penguat (Amplifier)
Respon Frekuensi dari penguat atau filter menunjukkan bagaimana gain dari output merespons sinyal input pada frekuensi yang berbeda. Penguat (Amplifier) dan Filter adalah rangkaian elektronik yang banyak digunakan dan memiliki sifat penguatan dan penyaringan.
Penguat (Amplifier) menghasilkan penguatan sementara Filter mengubah karakteristik amplitudo dan / atau fase dari sinyal listrik sehubungan dengan frekuensinya.
Karena penguat dan filter ini menggunakan Resistor, Induktor, Kapasitor atau jaringan (RLC) dalam desainnya, ada hubungan penting antara penggunaan komponen reaktif ini dan karakteristik respons rangkaian frekuensi. Ketika berhadapan dengan rangkaian AC, diasumsikan bahwa mereka beroperasi pada frekuensi tetap, misalnya 50 Hz atau 60 Hz.
Tetapi respon dari rangkaian AC linier juga dapat diperiksa dengan sinyal input AC atau sinusoidal dengan besaran konstan tetapi dengan frekuensi yang bervariasi seperti yang ditemukan pada rangkaian penguat (amplifier) dan filter. Ini kemudian memungkinkan rangkaian tersebut untuk dipelajari menggunakan analisis respons frekuensi.
Respon Frekuensi dari rangkaian listrik atau elektronik memungkinkan kita untuk melihat dengan tepat bagaimana gain output (dikenal sebagai respons magnitudo ) dan fase (dikenal sebagai respons fase ) berubah pada frekuensi tunggal tertentu, atau pada seluruh rentang frekuensi berbeda dari 0Hz, (dc) ke ribuan mega-hertz, (MHz) tergantung pada karakteristik desain rangkaian.
Secara umum, analisis respons frekuensi dari suatu rangkaian atau sistem ditunjukkan dengan memplot gainnya, yaitu ukuran sinyal outputnya ke sinyal inputnya, Output/Input terhadap skala frekuensi di mana rangkaian atau sistem diharapkan beroperasi.
Kemudian dengan mengetahui rangkaian gain, (atau kerugian) pada setiap titik frekuensi membantu kita untuk memahami seberapa baik (atau buruk) rangkaian dapat membedakan antara sinyal frekuensi yang berbeda.
Respons frekuensi dari rangkaian bergantung frekuensi yang diberikan dapat ditampilkan sebagai sketsa grafis magnitudo (gain) terhadap frekuensi ( ƒ ).
Sumbu frekuensi horizontal biasanya diplot pada skala logaritmik sedangkan sumbu vertikal mewakili output atau gain tegangan, biasanya digambarkan sebagai skala linier dalam divisi desimal. Karena penguatan sistem bisa positif atau negatif, sumbu y dapat memiliki nilai positif dan negatif.
Dalam Elektronik, Logaritma, atau "log" singkatnya didefinisikan sebagai power yang nomor dasar harus dinaikkan untuk mendapatkan nomor itu.
Kemudian pada plot Bode, skala sumbu x logaritmik pass dalam divisi log 10, sehingga setiap dekade frekuensi (misalnya, 0.01, 0.1, 1, 10, 100, 1000, dll.) Sama-sama ditempatkan pada sumbu x . Kebalikan dari logaritma adalah antilogaritma atau “antilog”.
Representasi grafis dari kurva respons frekuensi disebut Bode Plot dan karena itu Bode plot umumnya dikatakan sebagai grafik semi-logaritmik karena satu skala (sumbu x) adalah logaritmik dan yang lainnya (sumbu y) adalah linier (plot log-lin) seperti yang ditunjukkan.
Kemudian kita dapat melihat bahwa respons frekuensi dari setiap rangkaian yang diberikan adalah variasi dalam perilakunya dengan perubahan dalam frekuensi sinyal input karena menunjukkan pita frekuensi di mana output (dan penguatannya) tetap cukup konstan.
Rentang frekuensi baik besar atau kecil antara ƒL dan ƒH disebut bandwidth rangkaian. Jadi dari ini kita dapat menentukan sekilas kenaikan tegangan (dalam dB) untuk input sinusoidal apa pun dalam rentang frekuensi tertentu.
Seperti disebutkan di atas, diagram Bode adalah presentasi logaritmik dari respons frekuensi. Kebanyakan amplifier audio modern memiliki respons frekuensi datar seperti yang ditunjukkan di atas pada seluruh rentang frekuensi audio dari 20 Hz hingga 20 kHz. Rentang frekuensi ini, untuk penguat audio disebut Bandwidth-nya, (BW) dan terutama ditentukan oleh respons frekuensi rangkaian.
Titik frekuensi ƒL dan ƒH berhubungan dengan sudut bawah atau frekuensi cut-off dan sudut atas atau titik frekuensi cut-off masing-masing adalah rangkaian gain turun pada frekuensi tinggi dan rendah. Titik-titik ini pada kurva respons frekuensi dikenal sebagai titik -3dB (desibel). Jadi bandwidth hanya diberikan sebagai:
Bandwidth, (BW) = ƒH - ƒL
Desibel, (dB) yang merupakan 1/10 dari bel (B), adalah satuan non-linier umum untuk mengukur gain dan didefinisikan sebagai 20log10 (A) di mana A adalah gain desimal, yang diplot pada y-sumbu.
Nol desibel, (0dB) sesuai dengan fungsi besarnya kesatuan yang memberikan output maksimum. Dengan kata lain, 0dB terjadi ketika Vout = Vin karena tidak ada pelemahan pada tingkat frekuensi ini dan diberikan sebagai:
Kita melihat dari plot Bode di atas bahwa pada dua sudut atau titik frekuensi cut-off, output turun dari 0dB ke -3dB dan terus turun pada tingkat yang tetap.
Penurunan atau pengurangan gain ini dikenal sebagai wilayah roll-off dari kurva respons frekuensi. Dalam semua rangkaian penguat dan filter urutan tunggal dasar, tingkat roll-off ini didefinisikan sebagai 20dB/dekade, yang setara dengan tingkat 6dB/oktaf. Nilai-nilai ini dikalikan dengan urutan rangkaian.
Titik frekuensi sudut -3dB ini menentukan frekuensi di mana gain output dikurangi menjadi 70.71% dari nilai maksimumnya. Kemudian kita dapat dengan benar mengatakan bahwa titik -3dB juga merupakan frekuensi di mana sistem mendapatkan telah berkurang menjadi 0.707 dari nilai maksimumnya.
Oleh karena itu jumlah daya output yang dikirim ke beban secara efektif "dibelah dua" pada frekuensi cut-off dan dengan demikian bandwidth (BW) dari kurva respons frekuensi juga dapat didefinisikan sebagai rentang frekuensi antara dua titik daya setengah ini .
Sedangkan untuk penguatan tegangan kami menggunakan 20log10 (Av), dan untuk gain arus 20log10 (Ai) , untuk penguatan daya kami menggunakan 10log10 (Ap).
Perhatikan bahwa faktor pengali dari 20 tidak berarti bahwa itu dua kali lipat dari 10 karena desibel adalah satuan rasio daya dan bukan ukuran tingkat daya aktual. Gain dalam dB dapat berupa positif atau negatif dengan nilai positif yang menunjukkan gain dan atenuasi (pelemahan) nilai negatif. Kemudian kita bisa menyajikan hubungan antara tegangan, arus, dan penguatan daya dalam tabel berikut.
Operasional Amplifier dapat memiliki gain tegangan loop terbuka, ( AVO ) lebih dari 1.000.000 atau 100dB.
Penguat (Amplifier) menghasilkan penguatan sementara Filter mengubah karakteristik amplitudo dan / atau fase dari sinyal listrik sehubungan dengan frekuensinya.
Karena penguat dan filter ini menggunakan Resistor, Induktor, Kapasitor atau jaringan (RLC) dalam desainnya, ada hubungan penting antara penggunaan komponen reaktif ini dan karakteristik respons rangkaian frekuensi. Ketika berhadapan dengan rangkaian AC, diasumsikan bahwa mereka beroperasi pada frekuensi tetap, misalnya 50 Hz atau 60 Hz.
Tetapi respon dari rangkaian AC linier juga dapat diperiksa dengan sinyal input AC atau sinusoidal dengan besaran konstan tetapi dengan frekuensi yang bervariasi seperti yang ditemukan pada rangkaian penguat (amplifier) dan filter. Ini kemudian memungkinkan rangkaian tersebut untuk dipelajari menggunakan analisis respons frekuensi.
Respon Frekuensi dari rangkaian listrik atau elektronik memungkinkan kita untuk melihat dengan tepat bagaimana gain output (dikenal sebagai respons magnitudo ) dan fase (dikenal sebagai respons fase ) berubah pada frekuensi tunggal tertentu, atau pada seluruh rentang frekuensi berbeda dari 0Hz, (dc) ke ribuan mega-hertz, (MHz) tergantung pada karakteristik desain rangkaian.
Secara umum, analisis respons frekuensi dari suatu rangkaian atau sistem ditunjukkan dengan memplot gainnya, yaitu ukuran sinyal outputnya ke sinyal inputnya, Output/Input terhadap skala frekuensi di mana rangkaian atau sistem diharapkan beroperasi.
Kemudian dengan mengetahui rangkaian gain, (atau kerugian) pada setiap titik frekuensi membantu kita untuk memahami seberapa baik (atau buruk) rangkaian dapat membedakan antara sinyal frekuensi yang berbeda.
Respons frekuensi dari rangkaian bergantung frekuensi yang diberikan dapat ditampilkan sebagai sketsa grafis magnitudo (gain) terhadap frekuensi ( ƒ ).
Sumbu frekuensi horizontal biasanya diplot pada skala logaritmik sedangkan sumbu vertikal mewakili output atau gain tegangan, biasanya digambarkan sebagai skala linier dalam divisi desimal. Karena penguatan sistem bisa positif atau negatif, sumbu y dapat memiliki nilai positif dan negatif.
Dalam Elektronik, Logaritma, atau "log" singkatnya didefinisikan sebagai power yang nomor dasar harus dinaikkan untuk mendapatkan nomor itu.
Kemudian pada plot Bode, skala sumbu x logaritmik pass dalam divisi log 10, sehingga setiap dekade frekuensi (misalnya, 0.01, 0.1, 1, 10, 100, 1000, dll.) Sama-sama ditempatkan pada sumbu x . Kebalikan dari logaritma adalah antilogaritma atau “antilog”.
Representasi grafis dari kurva respons frekuensi disebut Bode Plot dan karena itu Bode plot umumnya dikatakan sebagai grafik semi-logaritmik karena satu skala (sumbu x) adalah logaritmik dan yang lainnya (sumbu y) adalah linier (plot log-lin) seperti yang ditunjukkan.
Kurva Respons Frekuensi
Kemudian kita dapat melihat bahwa respons frekuensi dari setiap rangkaian yang diberikan adalah variasi dalam perilakunya dengan perubahan dalam frekuensi sinyal input karena menunjukkan pita frekuensi di mana output (dan penguatannya) tetap cukup konstan.
Rentang frekuensi baik besar atau kecil antara ƒL dan ƒH disebut bandwidth rangkaian. Jadi dari ini kita dapat menentukan sekilas kenaikan tegangan (dalam dB) untuk input sinusoidal apa pun dalam rentang frekuensi tertentu.
Seperti disebutkan di atas, diagram Bode adalah presentasi logaritmik dari respons frekuensi. Kebanyakan amplifier audio modern memiliki respons frekuensi datar seperti yang ditunjukkan di atas pada seluruh rentang frekuensi audio dari 20 Hz hingga 20 kHz. Rentang frekuensi ini, untuk penguat audio disebut Bandwidth-nya, (BW) dan terutama ditentukan oleh respons frekuensi rangkaian.
Titik frekuensi ƒL dan ƒH berhubungan dengan sudut bawah atau frekuensi cut-off dan sudut atas atau titik frekuensi cut-off masing-masing adalah rangkaian gain turun pada frekuensi tinggi dan rendah. Titik-titik ini pada kurva respons frekuensi dikenal sebagai titik -3dB (desibel). Jadi bandwidth hanya diberikan sebagai:
Bandwidth, (BW) = ƒH - ƒL
Desibel, (dB) yang merupakan 1/10 dari bel (B), adalah satuan non-linier umum untuk mengukur gain dan didefinisikan sebagai 20log10 (A) di mana A adalah gain desimal, yang diplot pada y-sumbu.
Nol desibel, (0dB) sesuai dengan fungsi besarnya kesatuan yang memberikan output maksimum. Dengan kata lain, 0dB terjadi ketika Vout = Vin karena tidak ada pelemahan pada tingkat frekuensi ini dan diberikan sebagai:
Kita melihat dari plot Bode di atas bahwa pada dua sudut atau titik frekuensi cut-off, output turun dari 0dB ke -3dB dan terus turun pada tingkat yang tetap.
Penurunan atau pengurangan gain ini dikenal sebagai wilayah roll-off dari kurva respons frekuensi. Dalam semua rangkaian penguat dan filter urutan tunggal dasar, tingkat roll-off ini didefinisikan sebagai 20dB/dekade, yang setara dengan tingkat 6dB/oktaf. Nilai-nilai ini dikalikan dengan urutan rangkaian.
Titik frekuensi sudut -3dB ini menentukan frekuensi di mana gain output dikurangi menjadi 70.71% dari nilai maksimumnya. Kemudian kita dapat dengan benar mengatakan bahwa titik -3dB juga merupakan frekuensi di mana sistem mendapatkan telah berkurang menjadi 0.707 dari nilai maksimumnya.
Respon Frekuensi Titik -3dB
-3 dB = 20log10 (0.7071)
Titik -3dB juga dikenal sebagai titik setengah daya karena daya output pada frekuensi sudut ini akan setengah dari nilai 0dB maksimumnya seperti yang ditunjukkan.Oleh karena itu jumlah daya output yang dikirim ke beban secara efektif "dibelah dua" pada frekuensi cut-off dan dengan demikian bandwidth (BW) dari kurva respons frekuensi juga dapat didefinisikan sebagai rentang frekuensi antara dua titik daya setengah ini .
Sedangkan untuk penguatan tegangan kami menggunakan 20log10 (Av), dan untuk gain arus 20log10 (Ai) , untuk penguatan daya kami menggunakan 10log10 (Ap).
Perhatikan bahwa faktor pengali dari 20 tidak berarti bahwa itu dua kali lipat dari 10 karena desibel adalah satuan rasio daya dan bukan ukuran tingkat daya aktual. Gain dalam dB dapat berupa positif atau negatif dengan nilai positif yang menunjukkan gain dan atenuasi (pelemahan) nilai negatif. Kemudian kita bisa menyajikan hubungan antara tegangan, arus, dan penguatan daya dalam tabel berikut.
Tabel Desibel Gain Ekuivalen (setara)
dB Gain
|
Tegangan/Arus
Gain 20log10(A)
|
Daya Gain 10log10(A)
|
-6
|
0.5
|
0.25
|
-3
|
0.7071 atau 1/√2
|
0.5
|
0
|
1
|
1
|
3
|
1.414 atau √2
|
2
|
6
|
2
|
4
|
10
|
3.2
|
10
|
20
|
10
|
100
|
30
|
32
|
1,000
|
40
|
100
|
10,000
|
60
|
1,000
|
1,000,000
|
Operasional Amplifier dapat memiliki gain tegangan loop terbuka, ( AVO ) lebih dari 1.000.000 atau 100dB.
Contoh: Desibel No.1
Jika sistem elektronik menghasilkan tegangan output 24mV ketika sinyal 12mV diterapkan, hitung nilai desibel dari tegangan output sistem.
Contoh: Desibel No.2
Jika daya output dari penguat audio diukur pada 10W ketika frekuensi sinyal adalah 1kHz, dan 1W ketika frekuensi sinyal adalah 10kHz. Hitung perubahan daya dB.
Ringkasan Respon Frekuensi
Dalam tutorial ini kita telah melihat bagaimana rentang frekuensi di mana rangkaian elektronik beroperasi ditentukan oleh respons frekuensinya. Respons frekuensi perangkat atau rangkaian menggambarkan operasinya pada rentang frekuensi sinyal tertentu dengan menunjukkan bagaimana penguatannya, atau jumlah sinyal yang dibiarkannya melalui perubahan dengan frekuensi.
Bode plot adalah representasi grafis dari karakteristik respons frekuensi rangkaian dan dengan demikian dapat digunakan dalam menyelesaikan masalah desain. Secara umum, fungsi gain magnitudo dan fase ditunjukkan pada grafik terpisah menggunakan skala frekuensi logaritmik sepanjang sumbu-x.
Bandwidth adalah rentang frekuensi di mana rangkaian beroperasi di antara titik frekuensi cut-off atas dan bawahnya. Titik-titik frekuensi cut-off atau sudut ini menunjukkan frekuensi di mana daya yang terkait dengan output turun menjadi setengah nilai maksimumnya. Setengah titik daya ini terkait dengan penurunan gain 3dB (0.7071) relatif terhadap nilai dB maksimumnya.
Sebagian besar penguat (amplifier) dan filter memiliki karakteristik respons frekuensi datar di mana bagian bandwidth atau band pass rangkaiannya rata dan konstan pada rentang frekuensi yang luas. Rangkaian resonan dirancang untuk melewatkan rentang frekuensi dan memblokir yang lain.
Mereka dibangun menggunakan Resistor, Induktor, Kapasitor yang reaktansinya bervariasi dengan frekuensi, kurva respons frekuensi mereka dapat terlihat seperti kenaikan tajam atau titik karena bandwidth mereka dipengaruhi oleh resonansi yang tergantung pada titik-Q rangkaian, karena titik-Q yang lebih tinggi memberikan bandwidth yang lebih sempit.
Mereka dibangun menggunakan Resistor, Induktor, Kapasitor yang reaktansinya bervariasi dengan frekuensi, kurva respons frekuensi mereka dapat terlihat seperti kenaikan tajam atau titik karena bandwidth mereka dipengaruhi oleh resonansi yang tergantung pada titik-Q rangkaian, karena titik-Q yang lebih tinggi memberikan bandwidth yang lebih sempit.