Penguat Differensiator Op-amp
Rangkaian Op-amp (penguat operasional) dasar dari penguat differensiator menghasilkan sinyal output yang merupakan turunan pertama dari sinyal input.
Di sini, posisi Kapasitor dan Resistor telah terbalik (reversed) dan sekarang reaktansi, XC terhubung ke terminal input dari Penguat Inverting sementara resistor, Rƒ membentuk elemen umpan balik negatif di seluruh Op-amp seperti biasa.
Rangkaian Op-amp ini melakukan operasi matematika Diferensiasi, yaitu "menghasilkan output tegangan yang berbanding lurus dengan laju perubahan tegangan input sehubungan dengan waktu". Dengan kata lain, semakin cepat atau lebih besar perubahan pada sinyal tegangan input, semakin besar arus input, semakin besar pula perubahan tegangan output sebagai respon, menjadi bentuk “lonjakan”.
Seperti halnya rangkaian Integrator Op-amp, kami memiliki Resistor dan Kapasitor yang membentuk Jaringan RC di seluruh Op-amp dan reaktansi ( Xc ) kapasitor memainkan peran utama dalam kinerja Difensiator Op-amp.
Sinyal input ke differensiator diterapkan ke kapasitor. Kapasitor memblokir setiap konten DC sehingga tidak ada aliran arus ke titik penjumlahan amplifier, X menghasilkan tegangan output nol. Kapasitor hanya memungkinkan perubahan tegangan input tipe AC untuk lewat dan yang frekuensinya tergantung pada laju perubahan sinyal input.
Pada frekuensi rendah reaktansi kapasitor adalah "Tinggi" yang menghasilkan gain rendah ( Rƒ/Xc ) dan tegangan output rendah dari Op-amp. Pada frekuensi yang lebih tinggi, reaktansi kapasitor jauh lebih rendah sehingga menghasilkan gain yang lebih tinggi dan tegangan output yang lebih tinggi dari penguat differensiator.
Namun, pada frekuensi tinggi, rangkaian differensiator Op-amp menjadi tidak stabil dan akan mulai berosilasi. Hal ini terutama disebabkan oleh efek orde-1 pertama, yang menentukan respon frekuensi dari rangkaian Op-amp yang menyebabkan respon orde-2 kedua yang, pada frekuensi tinggi memberikan tegangan output yang jauh lebih tinggi dari yang diharapkan. Untuk menghindari hal ini, gain frekuensi tinggi dari rangkaian perlu dikurangi dengan menambahkan kapasitor nilai kecil tambahan pada resistor feedback (umpan balik) Rƒ.
Oke, beberapa pelajaran matematika menjelaskan apa yang terjadi! Karena tegangan simpul dari Op-amp di terminal input inverting-nya adalah nol, arus, i yang mengalir melalui kapasitor akan diberikan sebagai:
Muatan pada kapasitor sama dengan Kapasitansi kali Tegangan melintasi kapasitor
Dengan demikian laju perubahan muatan ini adalah:
tetapi dQ/dt adalah arus kapasitor, i
dari mana kita memiliki output tegangan ideal untuk Differensiator Op-amp diberikan sebagai:
Oleh karena itu, tegangan output Vout adalah konstan –Rƒ*C kali turunan dari tegangan input Vin terhadap waktu. Tanda minus (-) menunjukkan pergeseran fasa 180° karena sinyal input terhubung ke terminal input Op-amp inverting.
Satu poin terakhir untuk menyebutkan, rangkaian Difentiator Op-amp dalam bentuk dasarnya memiliki dua kelemahan utama dibandingkan dengan rangkaian Op-amp Integrator yang dibahas sebelumnya.
Salah satunya adalah bahwa ia mengalami ketidakstabilan pada frekuensi tinggi seperti yang disebutkan di atas, dan yang lainnya adalah bahwa input kapasitif membuatnya sangat rentan terhadap sinyal noise acak dan setiap noise atau harmonik yang ada dalam rangkaian sumber akan diperkuat lebih dari sinyal input itu sendiri. Ini karena output sebanding dengan kemiringan tegangan input sehingga beberapa cara membatasi bandwidth untuk mencapai stabilitas loop tertutup diperlukan.
Menambahkan resistor input RIN membatasi kenaikan differensiator pada rasio Rƒ/RIN. Rangkaian sekarang berfungsi seperti penguat differensiator pada frekuensi rendah dan penguat dengan umpan balik resistif pada frekuensi tinggi memberikan penolakan kebisingan yang jauh lebih baik.
Redaman tambahan frekuensi yang lebih tinggi dilakukan dengan menghubungkan kapasitor Cƒ secara paralel dengan resistor feedback differensiator, Rƒ. Ini kemudian membentuk dasar High Pass Filter Aktif seperti yang telah kita lihat sebelumnya di bagian Filter.
Di sini, posisi Kapasitor dan Resistor telah terbalik (reversed) dan sekarang reaktansi, XC terhubung ke terminal input dari Penguat Inverting sementara resistor, Rƒ membentuk elemen umpan balik negatif di seluruh Op-amp seperti biasa.
Rangkaian Op-amp ini melakukan operasi matematika Diferensiasi, yaitu "menghasilkan output tegangan yang berbanding lurus dengan laju perubahan tegangan input sehubungan dengan waktu". Dengan kata lain, semakin cepat atau lebih besar perubahan pada sinyal tegangan input, semakin besar arus input, semakin besar pula perubahan tegangan output sebagai respon, menjadi bentuk “lonjakan”.
Seperti halnya rangkaian Integrator Op-amp, kami memiliki Resistor dan Kapasitor yang membentuk Jaringan RC di seluruh Op-amp dan reaktansi ( Xc ) kapasitor memainkan peran utama dalam kinerja Difensiator Op-amp.
Rangkaian Differensiator Op-amp
Sinyal input ke differensiator diterapkan ke kapasitor. Kapasitor memblokir setiap konten DC sehingga tidak ada aliran arus ke titik penjumlahan amplifier, X menghasilkan tegangan output nol. Kapasitor hanya memungkinkan perubahan tegangan input tipe AC untuk lewat dan yang frekuensinya tergantung pada laju perubahan sinyal input.
Pada frekuensi rendah reaktansi kapasitor adalah "Tinggi" yang menghasilkan gain rendah ( Rƒ/Xc ) dan tegangan output rendah dari Op-amp. Pada frekuensi yang lebih tinggi, reaktansi kapasitor jauh lebih rendah sehingga menghasilkan gain yang lebih tinggi dan tegangan output yang lebih tinggi dari penguat differensiator.
Namun, pada frekuensi tinggi, rangkaian differensiator Op-amp menjadi tidak stabil dan akan mulai berosilasi. Hal ini terutama disebabkan oleh efek orde-1 pertama, yang menentukan respon frekuensi dari rangkaian Op-amp yang menyebabkan respon orde-2 kedua yang, pada frekuensi tinggi memberikan tegangan output yang jauh lebih tinggi dari yang diharapkan. Untuk menghindari hal ini, gain frekuensi tinggi dari rangkaian perlu dikurangi dengan menambahkan kapasitor nilai kecil tambahan pada resistor feedback (umpan balik) Rƒ.
Oke, beberapa pelajaran matematika menjelaskan apa yang terjadi! Karena tegangan simpul dari Op-amp di terminal input inverting-nya adalah nol, arus, i yang mengalir melalui kapasitor akan diberikan sebagai:
Q = C x VIN
Satu poin terakhir untuk menyebutkan, rangkaian Difentiator Op-amp dalam bentuk dasarnya memiliki dua kelemahan utama dibandingkan dengan rangkaian Op-amp Integrator yang dibahas sebelumnya.
Salah satunya adalah bahwa ia mengalami ketidakstabilan pada frekuensi tinggi seperti yang disebutkan di atas, dan yang lainnya adalah bahwa input kapasitif membuatnya sangat rentan terhadap sinyal noise acak dan setiap noise atau harmonik yang ada dalam rangkaian sumber akan diperkuat lebih dari sinyal input itu sendiri. Ini karena output sebanding dengan kemiringan tegangan input sehingga beberapa cara membatasi bandwidth untuk mencapai stabilitas loop tertutup diperlukan.
Gelombang Differensiator Op-amp
Jika kita menerapkan sinyal yang terus berubah seperti sinyal tipe gelombang-persegi, segitiga atau gelombang-sinusoidal ke input rangkaian penguat differensiator, sinyal output yang dihasilkan akan diubah dan yang bentuk akhirnya tergantung pada konstanta waktu RC dari kombinasi Resistor/Kapasitor.Penguat Differensiator Op-amp Yang Ditingkatkan
Resistor tunggal dasar dan rangkaian differensiator Op-amp kapasitor tunggal tidak banyak digunakan untuk mereformasi fungsi matematika Diferensiasi karena dua kesalahan inheren yang disebutkan di atas, "Ketidakstabilan" dan "Kebisingan". Jadi untuk mengurangi gain loop tertutup keseluruhan pada frekuensi tinggi, resistor tambahan, Rin ditambahkan ke input seperti yang ditunjukkan di bawah ini.Rangkaian Penguat Differensiator Op-amp Yang Ditingkatkan
Menambahkan resistor input RIN membatasi kenaikan differensiator pada rasio Rƒ/RIN. Rangkaian sekarang berfungsi seperti penguat differensiator pada frekuensi rendah dan penguat dengan umpan balik resistif pada frekuensi tinggi memberikan penolakan kebisingan yang jauh lebih baik.
Redaman tambahan frekuensi yang lebih tinggi dilakukan dengan menghubungkan kapasitor Cƒ secara paralel dengan resistor feedback differensiator, Rƒ. Ini kemudian membentuk dasar High Pass Filter Aktif seperti yang telah kita lihat sebelumnya di bagian Filter.