Rangkaian Op-amp Monostabil
Op-amp Multivibrator Monostabil adalah rangkaian elektronik yang menghasilkan pulsa output persegi empat waktu tunggal ketika dipicu secara eksternal. Rangkaian monostabil dapat dengan mudah dibuat menggunakan komponen diskrit atau gerbang logika digital tetapi rangkaian monostabil juga dapat dibangun menggunakan penguat operasional (Op-amp).
Op-amp Multivibrator Monostabil (one-shot multivibrator) rangkaian yang umpan balik positif (atau regeneratif) switching rangkaian yang hanya memiliki satu keadaan yang stabil, menghasilkan output pulsa durasi tertentu T.
Sinyal pemicu eksternal diterapkan untuk mengubah keadaan dan setelah periode waktu yang ditetapkan, baik dalam mikrodetik, milidetik atau detik, periode waktu yang ditentukan oleh komponen RC, rangkaian monostabil kemudian kembali ke keadaan stabil semula jika tetap sampai sinyal input pemicu berikutnya tiba. Dasar diagram blok multivibrator monostabil diberikan sebagai:
Diagram blok di atas menunjukkan bahwa multivibrator monostabil dibangun dengan menambahkan Resistor, (R) dan Kapasitor, (C) eksternal di seluruh rangkaian switching. Rangkaian switching dapat dibuat menggunakan Transistor, gerbang logika digital atau Op-amp umum. Konstanta waktu, τ dari kombinasi resistor-kapasitor menentukan panjang pulsa, T.
Dalam tutorial ini kita akan membangun rangkaian multivibrator monostabil menggunakan rangkaian komparator Op-amp dengan jalur umpan balik positif. Karena umpan baliknya positif, rangkaiannya adalah regeneratif, yang menambah sinyal input diferensial.
Dalam konfigurasi Op-amp inverting ini, beberapa sinyal output (disebut fraksi umpan balik) diumpankan kembali ke input inverting Op-amp melalui jaringan resistif. Oleh karena itu dalam konfigurasi inverting dasar ini, fraksi umpan balik negatif karena diumpankan kembali ke input inverting. Konfigurasi umpan balik negatif ini antara output dan terminal input inverting memaksa tegangan input diferensial menuju nol.
Hasil dari umpan balik negatif ini adalah bahwa Op-amp menghasilkan sinyal output yang diamplifikasi yaitu 180° di luar-fase dengan sinyal input. Jadi peningkatan tegangan terminal inverting, -V umpan-balik dari output menyebabkan penurunan tegangan output, VO menghasilkan penguat yang seimbang dan stabil beroperasi di wilayah linier.
Pertimbangkan sekarang rangkaian Op-amp yang sama identik di mana input Op-amp inverting dan Op-amp non-inverting telah dipertukarkan. Itulah sinyal umpan balik yang diumpankan kembali ke input non-inverting dan proses umpan balik sekarang positif menghasilkan rangkaian Op-amp komparator dasar dengan histerisis bawaan.
Rangkaian multivibrator monostabil Op-amp dibangun di sekitar Op-amp yang dikonfigurasi sebagai rangkaian Trigger Schmitt loop-tertutup yang menggunakan umpan balik positif yang diberikan oleh resistor R1 dan R2 untuk menghasilkan histerisis yang diperlukan.
Penggunaan umpan balik positif berarti bahwa umpan balik bersifat regeneratif dan memberikan ketergantungan keadaan yang diperlukan yang pada dasarnya mengubah Op-amp menjadi perangkat memori yang dapat dipertahankan. Pertimbangkan rangkaian Op-amp komparator dasar di bawah ini.
Jaringan resistif terhubung antara output Op-amp dan input non-inverting ( + ). Ketika Vout jenuh ke arah rel supply positif, (+Vcc), tegangan positif, sehubungan dengan ground diterapkan pada input non-inverting Op-amp. Demikian juga, ketika Vout jenuh terhadap rel supply negatif, (-Vcc), tegangan negatif, sehubungan dengan ground diterapkan ke input non-inverting Op-amp.
Karena dua resistor dikonfigurasikan melintasi output dalam bentuk jaringan pembagi tegangan, maka tegangan VB yang ada pada input non-inverting karenanya akan tergantung pada fraksi tegangan output yang diumpankan oleh rasio kedua resistor. Fraksi umpan balik ini, β diberikan sebagai:
Perhatikan bahwa kita dapat membuat nilai variabel β dengan mengganti resistor R1 dan R2 dengan potensiometer di mana wiper potensiometer dihubungkan langsung ke input non-inverting Op-amp sehingga memungkinkan kita untuk memvariasikan fraksi umpan balik.
Karena jumlah histerisis berhubungan langsung dengan jumlah fraksi umpan balik, yang terbaik adalah menghindari membangun pemicu Schmitt Op-amp (pembanding regeneratif) dengan jumlah histerisis yang sangat kecil ( β kecil ) karena hal ini dapat mengakibatkan Op-amp berosilasi antara titik atas dan bawah saat beralih.
Jika sekarang kita menempatkan jaringan umpan balik pada pemicu Schmitt antara output dan input inverting ( - ), kita dapat mengontrol jumlah waktu yang diperlukan Op-amp Schmitt untuk mengubah keadaan. Dengan melakukan ini, sinyal ke input inverting Op-amp sekarang disediakan oleh Op-amp itu sendiri melalui jaringan umpan balik RC eksternal seperti yang ditunjukkan.
Pada saat power on (yaitu t = 0 ), output ( VOUT ) akan jenuh ke arah rel positif ( +Vcc ), atau ke rel negatif ( -Vcc ), karena ini adalah hanya dua kondisi stabil yang diizinkan oleh Op-amp. Mari kita asumsikan sekarang bahwa output telah berayun ke arah rel supply positif, +Vcc. Kemudian tegangan pada input non-inverting, VB akan sama dengan +Vcc*β di mana β adalah fraksi umpan balik.
Input inverting diadakan di 0.7 volt, penurunan volt maju/forward dari Dioda, D1 dan dijepit ke 0V (ground) dengan dioda, mencegah dari akan lebih positif. Dengan demikian potensi pada VA jauh lebih kecil dari pada VB dan output tetap stabil pada +Vcc. Pada saat yang sama, kapasitor, (C) mengisi daya hingga 0.7 volt potensial yang sama dan ditahan di sana oleh penurunan tegangan forward-bias dari Dioda.
Jika kita menerapkan pulsa negatif ke input non-inverting, tegangan 0.7 v pada VA sekarang menjadi lebih besar daripada tegangan pada VB karena VB sekarang negatif. Dengan demikian output dari switch Op-amp yang dikonfigurasikan Schmitt menyatakan dan jenuh terhadap rail supply negatif, -Vcc. Hasilnya adalah bahwa potensi pada VB sekarang sama dengan -Vcc*β.
Keadaan meta-stabil sementara ini menyebabkan kapasitor untuk mengisi secara eksponensial dalam arah yang berlawanan melalui resistor umpan balik, R dari +0.7 volt ke output jenuh yang baru saja beralih juga, -Vcc. Dioda, D1 menjadi reverse-bias sehingga tidak berpengaruh. Kapasitor, C akan keluar pada waktu yang konstan τ = RC.
Segera setelah tegangan kapasitor pada VA mencapai potensi yang sama dengan VB, yaitu -Vcc*β, Op-amp beralih kembali ke keadaan stabil permanen semula dengan output jenuh sekali lagi pada +Vcc.
Perhatikan bahwa setelah periode waktu selesai dan output Op-amp berubah kembali ke kondisi stabil dan jenuh ke arah rel supply positif, kapasitor mencoba untuk mengisi mundur secara terbalik ke +Vcc tetapi hanya dapat mengisi ke nilai maksimum 0.7 v diberikan oleh drop tegangan maju dioda. Kami dapat menunjukkan efek ini secara grafis sebagai:
Di mana: Vcc adalah tegangan supply, VD adalah drop tegangan maju dioda, (biasanya sekitar 0.6 hingga 0.7 volt) dan β adalah fraksi umpan balik.
2. waktu pemulihan kapasitor:
3. Total waktu antara pulsa pemicu:
4. Pulsa input diberikan sebagai 10 ms, oleh karena itu durasi puncak negatif adalah 1 ms (10%). Jika kita mengasumsikan nilai kapasitansi 0.1uF, maka nilai diferensiator RC dihitung sebagai:
Ini memberikan rangkaian Op-amp monostabil akhir untuk contoh kita sebagai:
Op-amp Multivibrator Monostabil (one-shot multivibrator) rangkaian yang umpan balik positif (atau regeneratif) switching rangkaian yang hanya memiliki satu keadaan yang stabil, menghasilkan output pulsa durasi tertentu T.
Sinyal pemicu eksternal diterapkan untuk mengubah keadaan dan setelah periode waktu yang ditetapkan, baik dalam mikrodetik, milidetik atau detik, periode waktu yang ditentukan oleh komponen RC, rangkaian monostabil kemudian kembali ke keadaan stabil semula jika tetap sampai sinyal input pemicu berikutnya tiba. Dasar diagram blok multivibrator monostabil diberikan sebagai:
Diagram Blok Op-amp Monostabil
Diagram blok di atas menunjukkan bahwa multivibrator monostabil dibangun dengan menambahkan Resistor, (R) dan Kapasitor, (C) eksternal di seluruh rangkaian switching. Rangkaian switching dapat dibuat menggunakan Transistor, gerbang logika digital atau Op-amp umum. Konstanta waktu, τ dari kombinasi resistor-kapasitor menentukan panjang pulsa, T.
Dalam tutorial ini kita akan membangun rangkaian multivibrator monostabil menggunakan rangkaian komparator Op-amp dengan jalur umpan balik positif. Karena umpan baliknya positif, rangkaiannya adalah regeneratif, yang menambah sinyal input diferensial.
Rangkaian Op-amp Monostabil
Pertama-tama mari kita pertimbangkan rangkaian Penguat Inverting seperti yang ditunjukkan.Hasil dari umpan balik negatif ini adalah bahwa Op-amp menghasilkan sinyal output yang diamplifikasi yaitu 180° di luar-fase dengan sinyal input. Jadi peningkatan tegangan terminal inverting, -V umpan-balik dari output menyebabkan penurunan tegangan output, VO menghasilkan penguat yang seimbang dan stabil beroperasi di wilayah linier.
Pertimbangkan sekarang rangkaian Op-amp yang sama identik di mana input Op-amp inverting dan Op-amp non-inverting telah dipertukarkan. Itulah sinyal umpan balik yang diumpankan kembali ke input non-inverting dan proses umpan balik sekarang positif menghasilkan rangkaian Op-amp komparator dasar dengan histerisis bawaan.
Rangkaian multivibrator monostabil Op-amp dibangun di sekitar Op-amp yang dikonfigurasi sebagai rangkaian Trigger Schmitt loop-tertutup yang menggunakan umpan balik positif yang diberikan oleh resistor R1 dan R2 untuk menghasilkan histerisis yang diperlukan.
Penggunaan umpan balik positif berarti bahwa umpan balik bersifat regeneratif dan memberikan ketergantungan keadaan yang diperlukan yang pada dasarnya mengubah Op-amp menjadi perangkat memori yang dapat dipertahankan. Pertimbangkan rangkaian Op-amp komparator dasar di bawah ini.
Op-amp Komparator Schmitt
Jaringan resistif terhubung antara output Op-amp dan input non-inverting ( + ). Ketika Vout jenuh ke arah rel supply positif, (+Vcc), tegangan positif, sehubungan dengan ground diterapkan pada input non-inverting Op-amp. Demikian juga, ketika Vout jenuh terhadap rel supply negatif, (-Vcc), tegangan negatif, sehubungan dengan ground diterapkan ke input non-inverting Op-amp.
Karena dua resistor dikonfigurasikan melintasi output dalam bentuk jaringan pembagi tegangan, maka tegangan VB yang ada pada input non-inverting karenanya akan tergantung pada fraksi tegangan output yang diumpankan oleh rasio kedua resistor. Fraksi umpan balik ini, β diberikan sebagai:
Karena jumlah histerisis berhubungan langsung dengan jumlah fraksi umpan balik, yang terbaik adalah menghindari membangun pemicu Schmitt Op-amp (pembanding regeneratif) dengan jumlah histerisis yang sangat kecil ( β kecil ) karena hal ini dapat mengakibatkan Op-amp berosilasi antara titik atas dan bawah saat beralih.
Jika sekarang kita menempatkan jaringan umpan balik pada pemicu Schmitt antara output dan input inverting ( - ), kita dapat mengontrol jumlah waktu yang diperlukan Op-amp Schmitt untuk mengubah keadaan. Dengan melakukan ini, sinyal ke input inverting Op-amp sekarang disediakan oleh Op-amp itu sendiri melalui jaringan umpan balik RC eksternal seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Dasar Op-amp Monostabil
Pada saat power on (yaitu t = 0 ), output ( VOUT ) akan jenuh ke arah rel positif ( +Vcc ), atau ke rel negatif ( -Vcc ), karena ini adalah hanya dua kondisi stabil yang diizinkan oleh Op-amp. Mari kita asumsikan sekarang bahwa output telah berayun ke arah rel supply positif, +Vcc. Kemudian tegangan pada input non-inverting, VB akan sama dengan +Vcc*β di mana β adalah fraksi umpan balik.
Input inverting diadakan di 0.7 volt, penurunan volt maju/forward dari Dioda, D1 dan dijepit ke 0V (ground) dengan dioda, mencegah dari akan lebih positif. Dengan demikian potensi pada VA jauh lebih kecil dari pada VB dan output tetap stabil pada +Vcc. Pada saat yang sama, kapasitor, (C) mengisi daya hingga 0.7 volt potensial yang sama dan ditahan di sana oleh penurunan tegangan forward-bias dari Dioda.
Jika kita menerapkan pulsa negatif ke input non-inverting, tegangan 0.7 v pada VA sekarang menjadi lebih besar daripada tegangan pada VB karena VB sekarang negatif. Dengan demikian output dari switch Op-amp yang dikonfigurasikan Schmitt menyatakan dan jenuh terhadap rail supply negatif, -Vcc. Hasilnya adalah bahwa potensi pada VB sekarang sama dengan -Vcc*β.
Keadaan meta-stabil sementara ini menyebabkan kapasitor untuk mengisi secara eksponensial dalam arah yang berlawanan melalui resistor umpan balik, R dari +0.7 volt ke output jenuh yang baru saja beralih juga, -Vcc. Dioda, D1 menjadi reverse-bias sehingga tidak berpengaruh. Kapasitor, C akan keluar pada waktu yang konstan τ = RC.
Segera setelah tegangan kapasitor pada VA mencapai potensi yang sama dengan VB, yaitu -Vcc*β, Op-amp beralih kembali ke keadaan stabil permanen semula dengan output jenuh sekali lagi pada +Vcc.
Perhatikan bahwa setelah periode waktu selesai dan output Op-amp berubah kembali ke kondisi stabil dan jenuh ke arah rel supply positif, kapasitor mencoba untuk mengisi mundur secara terbalik ke +Vcc tetapi hanya dapat mengisi ke nilai maksimum 0.7 v diberikan oleh drop tegangan maju dioda. Kami dapat menunjukkan efek ini secara grafis sebagai:
Bentuk Gelombang Op-amp Monostabil
Kemudian kita dapat melihat bahwa input pemicu negatif akan mengubah rangkaian monostabil Op-amp menjadi kondisi tidak stabil sementara. Setelah jeda waktu, T ketika kapasitor, C mengisi melalui resistor umpan balik, R, rangkaian beralih kembali ke keadaan stabil normalnya setelah tegangan kapasitor mencapai potensial yang diperlukan.
Periode waktu tunda ( T ) pulsa persegi ini pada output, waktu keadaan tidak stabil, diberikan sebagai:
Periode Pengaturan Timing Op-amp Monostabil
Jika resistor dua Op-amp umpan balik yang dari nilai yang sama, yaitu: R1 = R2, maka persamaan di atas menyederhanakan turun terlalu:
T = 0.693 RC
Jelas ada sejumlah waktu tertentu yang diperlukan kapasitor untuk mengisi ulang dari -Vcc*β ke VD (0.7v) dan oleh karena itu selama periode ini, pulsa negatif kedua mungkin tidak memulai periode waktu baru.
Kemudian untuk memastikan operasi yang benar dari rangkaian monostabil Op-amp pada penerapan pulsa pemicu berikutnya, periode waktu antara pulsa pemicu, ( Ttotal ) harus lebih besar dari periode waktu, T ditambah waktu yang diperlukan untuk kapasitor untuk diisi ulang, ( Tcharging ).
Waktu pemulihan pengisian diberikan sebagai:
Untuk memastikan bahwa rangkaian monostabil Op-amp memiliki sinyal pemicu negatif yang baik yang memulai periode waktu pada ujung depan dari pulsa pelepasan negatif, dan juga untuk menghentikan pemicu salah dari rangkaian ketika rangkaian dalam keadaan stabil, kita dapat menambahkan rangkaian pembeda RC ke input.
Rangkaian Diferensiator berguna dalam menghasilkan lonjakan output negatif dari bentuk gelombang input persegi atau persegi panjang. Pengurangan yang tajam dan mendadak dari tegangan ambang komparator di bawah fraksi umpan baliknya, nilai β mendorong Op-amp yang dapat dimonostasikan ke dalam periode waktunya. rangkaian diferensiator dibentuk menggunakan resistor-kapasitor ( jaringan RC seperti yang ditunjukkan.
Rangkaian Diferensiator RC
Rangkaian Diferensiator dasar di atas menggunakan jaringan RC lain yang tegangan outputnya merupakan turunan dari tegangan input, sehubungan dengan waktu. Ketika tegangan input berubah dari 0 ke -Vcc, kapasitor mulai mengisi daya secara eksponensial. Karena tegangan kapasitor, Vc awalnya nol, tegangan output diferensiator tiba-tiba melompat dari 0 ke -Vcc menghasilkan lonjakan negatif dan kemudian meluruh secara eksponensial ketika kapasitor naik.
Umumnya untuk rangkaian diferensiator RC, nilai puncak lonjakan negatif kira-kira sama dengan besarnya bentuk gelombang pemicu. Juga, sebagai aturan umum, untuk rangkaian diferensiator RC untuk menghasilkan puncak tajam yang baik, konstanta waktu, ( τ ) harus setidaknya sepuluh kali lebih kecil dari lebar pulsa input. Jadi misalnya, jika lebar pulsa input adalah 10 ms, maka konstanta waktu 5RC harus kurang dari 1 ms (10%).
Keuntungan menggunakan rangkaian diferensiator adalah bahwa setiap tegangan DC konstan atau sinyal yang bervariasi lambat akan diblokir sehingga hanya pulsa pemicu yang bervariasi secara cepat untuk memulai periode waktu yang dapat dimonostabilkan. Dioda, D memastikan bahwa pulsa pemicu yang tiba di input non-inverting Op-amp selalu negatif.
Menambahkan rangkaian diferensial RC ke monostabil Op-amp dasar memberi:
Rangkaian Op-amp Monostabil
Contoh: Op-amp Monostabil No.1
Sebuah rangkaian Op-amp monostabil dibangun menggunakan komponen-komponen berikut. R1 = 30kΩ, R2 = 30kΩ, R = 150kΩ dan C = 1.0uF. Jika Op-amp monostabil disupply dari supply ±12V dan periode waktu dimulai dengan pulsa 10ms.
Hitung periode waktu rangkaian, waktu pemulihan kapasitor, total waktu antara pulsa pemicu dan nilai-nilai jaringan diferensiator (pembeda). Gambarlah rangkaian yang sudah selesai.
Data yang diberikan: R1 = R2 = 30kΩ, R = 150kΩ, C = 1.0uF dan lebar pulsa sama dengan sepuluh milidetik, (10 ms).
1. Periode Waktu, T :
Rangkaian Op-amp Monostabil Akhir
Kita telah melihat dalam tutorial ini bahwa rangkaian Op-amp Monostabil dapat dibangun menggunakan penguat operasional (Op-amp) umum, seperti 741, dan beberapa komponen tambahan. Walaupun mungkin lebih mudah untuk membangun rangkaian monostabil (one-shot) menggunakan komponen diskrit, gerbang logika digital atau chip IC 555 umum, kadang-kadang diperlukan untuk membuat Op-amp monostabil menggunakan Op-amp untuk digunakan dalam rangkaian analog.
Dengan mengkonfigurasi Op-amp sebagai pemicu Schmitt dengan umpan balik positif, durasi pulsa output ditentukan oleh konstanta waktu dari rangkaian timing RC, serta oleh nilai rasio jaringan pembagi tegangan resistif yang memberikan umpan balik positif. yang membantu membuat rangkaian tidak stabil.