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. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

 

1. Pendahuluan (kembali)

Dalam sistem elektronika, feedback (umpan balik) dan osilator merupakan dua konsep penting yang saling berkaitan dalam pengembangan rangkaian analog. Feedback adalah proses mengembalikan sebagian sinyal output ke input untuk memengaruhi kinerja sistem. Terdapat dua jenis feedback, yaitu feedback negatif dan feedback positif. Feedback negatif digunakan untuk meningkatkan kestabilan dan linearitas sistem, sedangkan feedback positif justru memperkuat sinyal hingga mencapai kondisi osilasi. Osilator sendiri adalah rangkaian yang dapat menghasilkan sinyal periodik (biasanya berbentuk sinusoidal, segitiga, atau kotak) tanpa input eksternal, dengan memanfaatkan feedback positif. Osilator banyak digunakan dalam berbagai perangkat seperti jam digital, sistem komunikasi, dan instrumen pengukur frekuensi. Dengan memahami konsep feedback dan osilator, kita dapat merancang sistem yang mampu menghasilkan dan mengatur sinyal dengan lebih presisi dan stabil.  

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]

Figure 14.26

Figure 14.27

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

6. Ringkasan [kembali]

Rangkaian feedback dan osilator merupakan bagian penting dalam sistem elektronik yang digunakan untuk penguatan sinyal, pengendalian kestabilan, dan pembangkitan sinyal periodik. Feedback adalah proses mengembalikan sebagian output ke input rangkaian. Terdapat dua jenis feedback, yaitu feedback negatif dan feedback positif. Feedback negatif digunakan untuk meningkatkan kestabilan sistem, mengurangi distorsi, memperluas bandwidth, dan mengendalikan gain. Sementara itu, feedback positif digunakan untuk memperkuat sinyal input dan biasanya diaplikasikan dalam rangkaian osilator.

Dalam rangkaian dengan feedback, terdapat rumus umum untuk menghitung closed-loop gain (A_f) sebagai berikut:

Untuk feedback negatif: A_f = A / (1 + Aβ)

Untuk feedback positif: A_f = A / (1 - Aβ)

Di mana: A = gain open-loop (penguat tanpa feedback) β = faktor feedback (proporsi sinyal output yang dikembalikan ke input) A_f = gain sistem setelah diberikan feedback

Osilator adalah rangkaian elektronik yang menghasilkan sinyal periodik tanpa memerlukan sinyal masukan eksternal setelah dinyalakan. Osilator bekerja berdasarkan prinsip feedback positif yang dikondisikan agar memenuhi syarat Barkhausen, yaitu:

Besarnya loop gain harus sama atau lebih besar dari satu (|Aβ| ≥ 1) Total pergeseran fase di sekitar loop harus 0° atau kelipatan 360° (fase kembali ke awal) Jenis-jenis osilator dibedakan berdasarkan komponen utama pembentuk frekuensinya, di antaranya: RC Oscillator (misalnya Wien Bridge Oscillator): Digunakan untuk menghasilkan frekuensi rendah (audio). Rumus frekuensi osilasi: f = 1 / (2πRC) Di mana R adalah resistansi dan C adalah kapasitansi dalam jaringan RC.

LC Oscillator (misalnya Colpitts dan Hartley Oscillator): Digunakan untuk frekuensi menengah hingga tinggi (radio). Rumus frekuensi osilasi: f = 1 / (2π√(LC)) Di mana L adalah induktansi dan C adalah kapasitansi dalam rangkaian.

Crystal Oscillator: Menggunakan kristal kuarsa sebagai resonator untuk menghasilkan frekuensi yang sangat stabil. Rumus mendekati frekuensi osilasi: f ≈ 1 / (2π√(L_eq C_eq)), dengan L_eq dan C_eq adalah induktansi dan kapasitansi ekuivalen dari kristal.

Relaxation Oscillator: Menghasilkan bentuk gelombang non-sinusoidal seperti gelombang kotak atau gigi gergaji. Frekuensinya tergantung pada waktu pengisian dan pengosongan kapasitor dalam konfigurasi sederhana, seperti: f ≈ 1 / (RC) Aplikasi dari rangkaian osilator sangat luas, mulai dari jam digital, sistem komunikasi (seperti pemancar dan penerima radio), pengatur frekuensi, hingga generator fungsi pada laboratorium. Pemilihan jenis osilator bergantung pada kebutuhan frekuensi, kestabilan, dan bentuk gelombang yang diinginkan.

7. Soal Latihan [kembali]

Colpitts Oscillator

Problem :

Masalah 1: Osilasi Tidak Muncul (Tidak Bekerja)

Penyebab:

•Nilai komponen (kapasitor dan induktor) tidak memenuhi kondisi umpan balik positif atau tidak memenuhi kondisi Barkhausen.

•Tegangan bias transistor salah, menyebabkan transistor tidak berada dalam daerah aktif.

Solusi:

•Periksa kembali rasio kapasitor C1 dan C2 dalam pembagi tegangan — pastikan umpan balik cukup besar untuk mempertahankan osilasi.

•Pastikan transistor diberi bias yang benar agar bekerja dalam daerah aktif (gunakan pembagi tegangan di basis dan resistor emitter).

Masalah 2: Frekuensi Osilasi Tidak Stabil

Penyebab:

•Nilai komponen reaktif (L dan C) berubah akibat suhu atau komponen berkualitas rendah.

•Gangguan eksternal (seperti crosstalk atau supply yang tidak stabil).

Solusi:

•Gunakan komponen presisi dan suhu stabil, seperti kondensator NPO/C0G dan induktor berkualitas tinggi.

•Tambahkan decoupling capacitor di catu daya untuk menstabilkan suplai.

Masalah 3: Amplitudo Sinyal Melemah atau Berkurang

Penyebab:

•Umpan balik terlalu kecil (rasio C1 dan C2 tidak ideal).

•Transistor tidak cukup menguatkan (gain rendah).

•Beban output terlalu berat, menyerap sinyal.

Solusi:

•Ubah rasio C1 dan C2 untuk meningkatkan umpan balik (biasanya C2 > C1).

•Gunakan transistor dengan gain (hFE) lebih tinggi.

Pilihan Ganda :

1.Apa prinsip dasar kerja dari Colpitts Oscillator?

A. Umpan balik dari induktor B. Umpan balik dari dua kapasitor yang membentuk pembagi tegangan C. Menggunakan kapasitor variabel untuk kontrol frekuensi D. Umpan balik dari resistor dan kapasitor seri

Jawaban: B

Penjelasan: Colpitts Oscillator menggunakan dua kapasitor dan satu induktor. Umpan balik diperoleh dari pembagi tegangan kapasitif (dua kapasitor), yang memenuhi kondisi osilasi.

2. Frekuensi osilasi dari Colpitts Oscillator ditentukan oleh:

A. Nilai resistor bias B. Rasio kapasitor C1 dan C2 C. Kombinasi induktor dan kapasitor (tank circuit) D. Tegangan input

Jawaban: C

Penjelasan: Frekuensi osilasi diberikan oleh rumus:

f= 1 / √2πL⋅Ceq​​​

di mana Ceq​ adalah kapasitansi ekivalen dari dua kapasitor seri (C1 dan C2). Jadi, frekuensi ditentukan oleh induktor dan kapasitor.

3. Agar Colpitts Oscillator dapat menghasilkan osilasi berkelanjutan, apa syarat utamanya?

A. Umpan balik harus negatif B. Frekuensi harus di bawah 1 kHz C. Umpan balik positif dan gain total ≥ 1 D. Beban harus tinggi impedansi

Jawaban: C

Penjelasan: Untuk osilasi berkelanjutan, kondisi Barkhausen harus dipenuhi:

• Umpan balik total positif (fase 0° atau kelipatan 360°)
• Gain loop total ≥ 1

                                                   

8. Percobaan [kembali]

Figure 14.26

Figure 14.27

9. Download File [kembali]

Figure 14.26 [klik disini]

Figure 14.27 [klik disini]

Download Datasheet