Op-amp Multivibrator
Op-amp Multivibrator adalah rangkaian Op-amp non-inverting yang menghasilkan sinyal input sendiri dengan bantuan jaringan umpan balik RC (Resistor-Capasitor).
Operasional Amplifier atau Op-amp adalah perangkat yang sangat serbaguna yang dapat digunakan dalam berbagai rangkaian elektronik yang berbeda dan aplikasi, dari penguat tegangan, untuk filter, untuk sinyal kondisioner. Tetapi satu rangkaian Op-amp yang sangat sederhana dan sangat berguna yang berbasis di antara Op-amp umumnya adalah Op-amp Multivibrator Astabil.
Kami melihat dalam tutorial kami tentang Logika Sekuensial bahwa rangkaian multivibrator dapat dibangun menggunakan transistor, gerbang logika atau dari chip khusus seperti timer NE555. Kita juga melihat bahwa multivibrator astabil berpindah secara terus-menerus antara dua keadaan tidak stabilnya tanpa perlu adanya pemicu eksternal.
Tetapi masalah dengan menggunakan komponen-komponen ini untuk menghasilkan rangkaian multivibrator astabil adalah bahwa untuk astabil berbasis transistor, banyak komponen tambahan diperlukan, astabil digital umumnya hanya dapat digunakan dalam rangkaian digital, dan penggunaan timer 555 mungkin tidak selalu memberi kita output simetris tanpa komponen biasing tambahan.
Namun Rangkaian Op-amp multivibrator, dapat memberikan kita dengan sinyal gelombang persegi panjang yang baik dengan penggunaan hanya empat komponen, tiga resistor dan kapasitor timing.
Op-amp multivibrator merupakan rangkaian osilator astabil yang menghasilkan gelombang output persegi panjang menggunakan waktu jaringan RC terhubung ke input inverting Op-amp dan jaringan pembagi tegangan terhubung ke yang lain input non-inverting Op-amp.
Tidak seperti multivibrator Monostabil atau multivibrator Bistabil, pada multivibrator Astabil memiliki dua keadaan, yang keduanya tidak stabil karena terus-menerus beralih di antara dua keadaan ini dengan waktu yang dihabiskan di setiap keadaan bagian yang dikendalikan oleh pengisian atau pemakaian kapasitor melalui resistor.
Dalam rangkaian multivibrator Op-amp, Op-amp berfungsi sebagai pembanding (komparator) analog. Sebuah Op-amp komparator membandingkan tegangan pada dua inputnya dan memberikan output positif atau negatif tergantung pada apakah input lebih besar atau lebih kecil dari beberapa nilai referensi, VREF.
Namun, karena Op-amp komparator loop terbuka sangat sensitif terhadap perubahan tegangan pada inputnya, output dapat beralih secara tidak terkendali antara rel supply positif, +V(sat) dan negatif, -V(sat) setiap kali tegangan input sedang diukur dekat dengan tegangan referensi, VREF.
Untuk menghilangkan operasi switching yang tidak menentu atau tidak terkontrol, Op-amp yang digunakan dalam rangkaian multivibrator dikonfigurasikan sebagai rangkaian Schmitt Trigger loop-tertutup. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.
Rangkaian Op-amp komparator di atas dikonfigurasi sebagai pemicu Schmitt yang menggunakan umpan balik positif yang disediakan oleh resistor R1 dan R2 untuk menghasilkan histerisis. Karena jaringan resistif ini terhubung antara output penguat dan input non-inverting (+), ketika Vout jenuh pada rel supply positif, tegangan positif diterapkan pada Op-amp input non-inverting. Demikian juga, ketika Vout jenuh ke rel supply negatif, tegangan negatif diterapkan pada Op-amp input non-inverting.
Karena dua Resistor dikonfigurasikan pada output Op-amp sebagai jaringan pembagi tegangan, maka tegangan referensi, oleh karena itu Vref akan tergantung pada fraksi tegangan output yang diumpankan ke input non-inverting. Fraksi umpan balik ini, β diberikan sebagai:
Di mana +V(sat) adalah tegangan saturasi DC Op-amp positif dan -V(sat) adalah tegangan saturasi DC Op-amp negatif.
Kemudian kita dapat melihat bahwa tegangan referensi positif atau atas, +Vref (yaitu nilai positif maksimum untuk tegangan pada input inverting) diberikan sebagai: +Vref = +V (sat) β sedangkan tegangan referensi negatif atau lebih rendah (yaitu nilai negatif maksimum untuk tegangan pada input inverting) diberikan sebagai: -Vref = -V (sat) β.
Jadi jika Vin melebihi +Vref, Op-amp beralih ke keadaan dan tegangan output turun ke tegangan saturasi DC negatif. Demikian juga ketika tegangan input turun di bawah -Vref, Op-amp beralih keadaan sekali lagi dan tegangan output akan beralih dari tegangan saturasi negatif kembali ke tegangan saturasi DC positif.
Jumlah built-in histerisis yang diberikan oleh komparator Schmitt karena beralih antara dua tegangan saturasi ditentukan oleh perbedaan antara dua tegangan referensi pemicu sebagai: VHISTERISIS = +Vref - (-Vref).
Bahkan komparator Schmitt akan selalu menghasilkan bentuk gelombang output empat persegi panjang yang tidak tergantung pada bentuk gelombang sinyal input. Dengan kata lain, input tegangan tidak harus berupa sinusoidal, bisa berupa bentuk gelombang apa pun atau bentuk gelombang kompleks. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.
Karena bentuk gelombang input akan bersifat periodik dan memiliki amplitudo yang cukup besar dari tegangan rujukannya, Vref, bentuk gelombang output persegi akan selalu memiliki periode yang sama, T dan karenanya frekuensi, ƒ sebagai bentuk gelombang input.
Dengan mengganti resistor R1 atau R2 dengan Potensiometer, kita dapat menyesuaikan fraksi umpan balik, β dan oleh karena itu nilai tegangan referensi pada input non-inverting menyebabkan Op-amp mengubah keadaan di mana saja dari nol hingga 90° dari setiap setengah siklus sehingga selama tegangan referensi, Vref tetap di bawah amplitudo maksimum dari sinyal input.
Jadi bagaimana cara kerjanya. Pertama-tama mari kita asumsikan bahwa kapasitor benar-benar habis dan output Op-amp jenuh pada rel supply positif. Kapasitor, C mulai mengisi dari tegangan output, Vout melalui resistor, R pada tingkat yang ditentukan oleh konstanta waktu RC mereka.
Kita tahu dari tutorial kami tentang Rangkaian RC bahwa kapasitor ingin mengisi penuh ke nilai Vout (yaitu +V(sat)) dalam lima konstanta waktu. Namun, segera setelah kapasitor mengisi tegangan pada terminal Op-amp inverting (-) sama dengan atau lebih besar dari tegangan pada terminal non-inverting (fraksi tegangan output Op-amp dibagi antara resistor R1 dan R2 ), output akan berubah keadaan dan didorong ke rel supply negatif yang berlawanan.
Tetapi Kapasitor, yang telah dengan senang hati mengisi ke arah rel supply positif (+V(sat)), sekarang melihat tegangan negatif, -V(sat) di platnya. inverting tegangan output yang tiba-tiba ini menyebabkan kapasitor melepaskan ke nilai Vout yang baru pada kecepatan yang ditentukan lagi oleh konstanta waktu RC-nya.
Kemudian kita dapat melihat dari persamaan di atas bahwa frekuensi osilasi untuk rangkaian Multivibrator Op-amp tidak hanya tergantung pada konstanta waktu RC tetapi juga pada fraksi umpan balik.
Maka frekuensi osilasi dihitung sebagai 1kHz. Ketika β = 0.462, frekuensi ini dapat dihitung secara langsung sebagai: ƒ = 1/2RC. Juga ketika dua resistor umpan balik adalah sama, yaitu R1 = R2, fraksi umpan balik sama dengan 3 dan frekuensi osilasi menjadi: ƒ = 1/2.2RC.
Maka dalam contoh sederhana ini kita dapat menghasilkan rangkaian multivibrator Op-amp yang dapat menghasilkan bentuk gelombang persegi output variabel dari 100Hz ke 1.2kHz, atau rentang frekuensi apa pun yang kita perlukan hanya dengan mengubah nilai komponen RC.
Operasional Amplifier atau Op-amp adalah perangkat yang sangat serbaguna yang dapat digunakan dalam berbagai rangkaian elektronik yang berbeda dan aplikasi, dari penguat tegangan, untuk filter, untuk sinyal kondisioner. Tetapi satu rangkaian Op-amp yang sangat sederhana dan sangat berguna yang berbasis di antara Op-amp umumnya adalah Op-amp Multivibrator Astabil.
Kami melihat dalam tutorial kami tentang Logika Sekuensial bahwa rangkaian multivibrator dapat dibangun menggunakan transistor, gerbang logika atau dari chip khusus seperti timer NE555. Kita juga melihat bahwa multivibrator astabil berpindah secara terus-menerus antara dua keadaan tidak stabilnya tanpa perlu adanya pemicu eksternal.
Tetapi masalah dengan menggunakan komponen-komponen ini untuk menghasilkan rangkaian multivibrator astabil adalah bahwa untuk astabil berbasis transistor, banyak komponen tambahan diperlukan, astabil digital umumnya hanya dapat digunakan dalam rangkaian digital, dan penggunaan timer 555 mungkin tidak selalu memberi kita output simetris tanpa komponen biasing tambahan.
Namun Rangkaian Op-amp multivibrator, dapat memberikan kita dengan sinyal gelombang persegi panjang yang baik dengan penggunaan hanya empat komponen, tiga resistor dan kapasitor timing.
Op-amp multivibrator merupakan rangkaian osilator astabil yang menghasilkan gelombang output persegi panjang menggunakan waktu jaringan RC terhubung ke input inverting Op-amp dan jaringan pembagi tegangan terhubung ke yang lain input non-inverting Op-amp.
Tidak seperti multivibrator Monostabil atau multivibrator Bistabil, pada multivibrator Astabil memiliki dua keadaan, yang keduanya tidak stabil karena terus-menerus beralih di antara dua keadaan ini dengan waktu yang dihabiskan di setiap keadaan bagian yang dikendalikan oleh pengisian atau pemakaian kapasitor melalui resistor.
Dalam rangkaian multivibrator Op-amp, Op-amp berfungsi sebagai pembanding (komparator) analog. Sebuah Op-amp komparator membandingkan tegangan pada dua inputnya dan memberikan output positif atau negatif tergantung pada apakah input lebih besar atau lebih kecil dari beberapa nilai referensi, VREF.
Namun, karena Op-amp komparator loop terbuka sangat sensitif terhadap perubahan tegangan pada inputnya, output dapat beralih secara tidak terkendali antara rel supply positif, +V(sat) dan negatif, -V(sat) setiap kali tegangan input sedang diukur dekat dengan tegangan referensi, VREF.
Untuk menghilangkan operasi switching yang tidak menentu atau tidak terkontrol, Op-amp yang digunakan dalam rangkaian multivibrator dikonfigurasikan sebagai rangkaian Schmitt Trigger loop-tertutup. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.
Op-amp Komparator Trigger Schmitt
Rangkaian Op-amp komparator di atas dikonfigurasi sebagai pemicu Schmitt yang menggunakan umpan balik positif yang disediakan oleh resistor R1 dan R2 untuk menghasilkan histerisis. Karena jaringan resistif ini terhubung antara output penguat dan input non-inverting (+), ketika Vout jenuh pada rel supply positif, tegangan positif diterapkan pada Op-amp input non-inverting. Demikian juga, ketika Vout jenuh ke rel supply negatif, tegangan negatif diterapkan pada Op-amp input non-inverting.
Karena dua Resistor dikonfigurasikan pada output Op-amp sebagai jaringan pembagi tegangan, maka tegangan referensi, oleh karena itu Vref akan tergantung pada fraksi tegangan output yang diumpankan ke input non-inverting. Fraksi umpan balik ini, β diberikan sebagai:
Kemudian kita dapat melihat bahwa tegangan referensi positif atau atas, +Vref (yaitu nilai positif maksimum untuk tegangan pada input inverting) diberikan sebagai: +Vref = +V (sat) β sedangkan tegangan referensi negatif atau lebih rendah (yaitu nilai negatif maksimum untuk tegangan pada input inverting) diberikan sebagai: -Vref = -V (sat) β.
Jadi jika Vin melebihi +Vref, Op-amp beralih ke keadaan dan tegangan output turun ke tegangan saturasi DC negatif. Demikian juga ketika tegangan input turun di bawah -Vref, Op-amp beralih keadaan sekali lagi dan tegangan output akan beralih dari tegangan saturasi negatif kembali ke tegangan saturasi DC positif.
Jumlah built-in histerisis yang diberikan oleh komparator Schmitt karena beralih antara dua tegangan saturasi ditentukan oleh perbedaan antara dua tegangan referensi pemicu sebagai: VHISTERISIS = +Vref - (-Vref).
Konversi Sinusoidal ke Rectangular
Salah satu dari banyak kegunaan komparator pemicu Schmitt, selain sebagai multivibrator Op-amp, adalah bahwa kita dapat menggunakannya untuk mengubah bentuk gelombang sinusoidal periodik menjadi bentuk gelombang persegi panjang yang memberikan nilai sinusoidal lebih besar daripada titik referensi tegangan.Bahkan komparator Schmitt akan selalu menghasilkan bentuk gelombang output empat persegi panjang yang tidak tergantung pada bentuk gelombang sinyal input. Dengan kata lain, input tegangan tidak harus berupa sinusoidal, bisa berupa bentuk gelombang apa pun atau bentuk gelombang kompleks. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.
Rangkaian Konverter Sinusoidal ke Rectangular
Karena bentuk gelombang input akan bersifat periodik dan memiliki amplitudo yang cukup besar dari tegangan rujukannya, Vref, bentuk gelombang output persegi akan selalu memiliki periode yang sama, T dan karenanya frekuensi, ƒ sebagai bentuk gelombang input.
Dengan mengganti resistor R1 atau R2 dengan Potensiometer, kita dapat menyesuaikan fraksi umpan balik, β dan oleh karena itu nilai tegangan referensi pada input non-inverting menyebabkan Op-amp mengubah keadaan di mana saja dari nol hingga 90° dari setiap setengah siklus sehingga selama tegangan referensi, Vref tetap di bawah amplitudo maksimum dari sinyal input.
Op-amp Multivibrator
Kita dapat mengambil gagasan ini untuk mengubah bentuk gelombang periodik menjadi output persegi empat langkah lebih jauh dengan mengganti input sinusoidal dengan rangkaian timing RC yang terhubung melintasi output Op-amp. Kali ini, alih-alih bentuk gelombang sinusoidal yang digunakan untuk memicu Op-amp, kita dapat menggunakan tegangan pengisian kapasitor, Vc untuk mengubah status output dari Op-amp seperti yang ditunjukkan.Rangkaian Multivibrator Op-amp
Jadi bagaimana cara kerjanya. Pertama-tama mari kita asumsikan bahwa kapasitor benar-benar habis dan output Op-amp jenuh pada rel supply positif. Kapasitor, C mulai mengisi dari tegangan output, Vout melalui resistor, R pada tingkat yang ditentukan oleh konstanta waktu RC mereka.
Kita tahu dari tutorial kami tentang Rangkaian RC bahwa kapasitor ingin mengisi penuh ke nilai Vout (yaitu +V(sat)) dalam lima konstanta waktu. Namun, segera setelah kapasitor mengisi tegangan pada terminal Op-amp inverting (-) sama dengan atau lebih besar dari tegangan pada terminal non-inverting (fraksi tegangan output Op-amp dibagi antara resistor R1 dan R2 ), output akan berubah keadaan dan didorong ke rel supply negatif yang berlawanan.
Tetapi Kapasitor, yang telah dengan senang hati mengisi ke arah rel supply positif (+V(sat)), sekarang melihat tegangan negatif, -V(sat) di platnya. inverting tegangan output yang tiba-tiba ini menyebabkan kapasitor melepaskan ke nilai Vout yang baru pada kecepatan yang ditentukan lagi oleh konstanta waktu RC-nya.
Tegangan Multivibrator Op-amp
Setelah terminal inverting Op-amp mencapai tegangan referensi negatif baru, -Vref di terminal non-inverting, Op-amp sekali lagi mengubah keadaan dan output didorong ke tegangan rel supply yang berlawanan, +V(sat). Kapasitor sekarang melihat tegangan positif pada platnya dan siklus pengisian dimulai lagi. Dengan demikian, kapasitor terus-menerus mengisi dan mengeluarkan menciptakan Op-amp multivibrator output astabil.
Periode bentuk gelombang output ditentukan oleh konstanta waktu RC dari dua komponen timing dan rasio umpan balik yang ditetapkan oleh R1, jaringan pembagi tegangan R2 yang menetapkan level tegangan referensi. Jika nilai positif dan negatif dari tegangan saturasi amplifier memiliki besaran yang sama, maka t1 = t2 dan ekspresi untuk memberikan periode osilasi menjadi:
Namun, jika kita menggunakan nilai resistor yang memberikan fraksi umpan balik 0.462, ( β = 0.462 ), maka frekuensi osilasi rangkaian akan sama dengan hanya 1/2RC seperti yang ditunjukkan karena istilah log linear menjadi sama dengan satu.
Contoh: Multivibrator Op-amp No.1
Sebuah rangkaian multivibrator Op-amp dibangun menggunakan komponen-komponen berikut. R1 = 35kΩ, R2 = 30kΩ, R = 50kΩ dan C = 0.01uF. Hitung frekuensi osilasi rangkaian.
Kita dapat mengambil rangkaian multivibrator Op-amp ini selangkah lebih maju dengan mengganti salah satu resistor umpan balik dengan potensiometer untuk menghasilkan multivibrator op-amp frekuensi variabel seperti yang ditunjukkan.
Variabel Multivibrator Op-amp
Dengan menyesuaikan potensiometer pusat antara β1 dan β2 frekuensi output akan berubah dengan jumlah berikut.
Wiper potensiometer pada β1
Wiper potensiometer pada β2
Kita telah melihat di atas bahwa rangkaian Multivibrator Op-amp dapat dibangun menggunakan Op-amp standar, seperti 741, dan beberapa komponen tambahan. Osilator relaksasi non-sinusoidal yang dikendalikan tegangan ini umumnya terbatas pada beberapa ratus kilo-hertz (kHz) karena Op-amp tidak memiliki bandwidth yang diperlukan, tetapi tetap saja mereka membuat Osilator yang sangat baik.