makalah amplifier instrumentasi

AMPLIFIER INSTRUMENTASI

Penguat ini merupakan penguat serbaguna dan bermanfaat yang terdiri dari tiga op amp dan tujuh buah resistor. Terdiri dari rangkaian buffer dan penguat differensial. Untuk mengatur penguatan yang diinginkan bisa diatur dengan mengubah-ubah nilai Rf. Rumusan dan gambar dari penguat instrumentasi adalah sebagai berikut :

Perangkat-perangkat pengukuran output memerlukan daya operasinya. Daya ini biasanya nampak dari rangkaian pengukuran elektro mekanik memerlukan daya secara khusus (tipical) antara beberapa mikrowatt  pada alat ukur kumparan putar yang sensitif hingga beberapa watt pada tranduser-tranduser.

Pada beberapa penggunaan (pemakaian) daya pada rangkaian-rangkaian pengukuran tidak dapat disupply dari perngkat outputnya. Jadi bila rangkaian dihubungkan secara langsung pada rangkaian output, maka sinyal-si nyal menimbulkan distorsi pada saat pembebanan. Amplifier instrumentasi dalam beberapa hal diperlukan untuk:

1.      Menyupply daya yang diperlukan oleh perangkat output, dengan demikian sinyal dapat diukur, didisplay atau direkam secara jelas dan tepat.

2.      Bila besaran yang dapat diukur oleh alat ukur telah diproses atau dimodifikasi.

3.      Penggunaan Op Amp dilakukan untuk menimbulkan operasi  matematika pada sinyal listrik dari alat-alat bertenaga listrik. Operasinya bioasanya menambah, mengurang, mengali, membagi, mengintegrasi, mendifferensiasi, numerik, logaritma dsb.

4.      Melengkapi pencabutan dari variabel yang diukur oleh rangkaian regulasi kontrol, sementara proses diindustri dalam keadaan berjalan dari suatu amp,ifier.

Sifat-sifat dari amplifier instrumentasi:

1.      Mampu menyupply daya pada level tegangan atau arus spesifik yang secara langsung sebanding dengan besaran yang diukur.

2.      Daya yang diserap dari sistem pengukuran sekecil mungkin.

3.      Akan secara tepat menunjukkan variasi-variasi dalam pengukuran.

4.      Akan beroperasi pada daya yang kurang dari daya cadangan yang mungkin.

5.      Mempunyai waktu operasi yang lama dan derajat reabilitas yang tinggi.

6.      Mempunyai impendansi input yang tinggi dan impemdansi output yang rendah.

Impendansi output yang rendah juga menyebabkan tidak tergantung  pada frekuensi.

1.      Amplifier-amplifier arus bolak balik

Amplifier dirancang untuk memperkuat sinyal sinus dengan frekuensi yang dirancang secara khusus. Ini dirancang untuk menghasilkan   kembali bentuk sinyal input pada terminal-terminal output, tapi tegangan atau arusnya bertambah menurut rationya. Amplifier dapat memperkuat  sinyal pada range frekuensi tertentu, bila frekuensi yang diberikan berlebihan akan mempunyai respon data yang tergantung pada harga tekanan beban (RL). Secara ideal grafik penguatan (gain) tegangan terhadap frekuensi direspon seperti gambar  (a).

Penguatan tegangan yang konstan terdapat diantara frekuensi-frekuensi wc1 dan wc2, penguatan tersebut disebut dengan band gain (A mid).

Pengaruh amplifier AC jelas merupakan suatu filter band pass. Pass band yang ada pada wc1 – wc2 memberikan hanya satu band frekuensi-frekuensi untuk melepaskan atau melewatkan dan menahan terjadinya  pemberhentian. Misalnya output yang menyebabkan pemberhentian dalam hal ini frekuensinya adalah nol (0) yang tidak termasuk band frekuensi (rejection band) adalah dari  0 – cw1 dan cw2 ke frekuensi selanjutnya. Respon ideal kadang tidak dapat diberikan pada saat praktek  respon yang nyata seperti terlihat pada gambar (b).

Terdapat pass band yang kita sebut sebagi band rata (flat band). Kadang-kadang jenis ini dapat jatuh dibawah A unit pada frekuensi  yang lebih rendah dan lebih tinggi. Frekuensi diantara penguatan (gain) sebesar 0.70 Amid disebut frekuensi cut off. Pada unit band frerkuensi terdapat dua buah frekuensi  yang besar penguatannya 0.707 A mid yaitu pada frekuensi wc1 dan wc2.

Masing-masing desebut sebagai the lower cut off frequence dan the upper frequency.

Band width = BW = wc2 – wc1

Respon berkurang dari respon mid band sebesar 3 db. Perubahan daya sebesar 50% disebabkan karena perubahan 70,7% tegangan sebesar 3 db. Perubahan-perubahan lambat dari tegangan output tidak berpengaruh terhadap tegangan output.

Batas band width amplifier pada frekuensi-frekuensi yang lebih rendah yaitu dari batas naik ke titik nol yang konstan. Perubahan-perubahan lambat dari tegangan output, sebagai contoh adalah drift, atau penyimpangan secara normal dialami (dihadapi) oleh amplifier-amplifier  DC dapat dihindari dengan cara merubah-rubah tegangan output secara lambat.

2.      DC Amplifier

Dengan demikian untuk kedua penguatan yaitu penguatan sinyal-sinyal DC atau sinyal-sinyal lambat, maka dapat digunakan DC amplifier . respon frekuensinya seperti gambar (C).

Respon yang rata dimulai dari sinyal DC atau frekuensinya nol. Hal ini menunjukkan respon dasar dari suatu low pass filter, yaitu  suatu perangkat yang memproduksi kembali sinyal-sinyal frekuensi rendah. Seperti keterangan diatas, maka DC amplifier sering dipakai dalam pengukuran dan sistem instrumentasi  dan juga merupakan komponen yang penting bagi suatu sistem kompoter  analog.  Bagaimanapun juga jenis DC amplifierb yang baik sangat sulit pendasainannya. Ini disebabkan amplifier DC dibuat dengan feed back yang banyak dan itu dan itu merupakan masalah drift. Dimana drift merupakan suatu perubahan yang lambat dari banyak sinyal output. Jika sinyal inputnya statik (tenang) atau diharapkan dengan perubahan output sekecil mungkin, masalah lain DC amplifier adalah perlu adanya pencegahan setiap cut off frekuensi rendah yang membuat tidak berguna.

3.      Direct Coupled Amplifier

Untuk mencegah cut off pada frekuensi rendah dan juga untuk memperoleh respon frekuensi yang betul-betul rata maka digunakan Direct Coupled (penguat copling langsung). Pada dasarnya frekuensi cut off dari penguat AC ditentukan oleh copling capasitor antar tingkat penguat dan lumped (gumpalan capasitansi). Dengan membuang capasitor copling antara tingkat amplifier  dapat di cople (dihubung) langsung tanpa kopling dan ini dinamakan direct coupled Amplifier.

Kekurangannya :

-          Timbulnya drift (denyutan)

Setiap perubahan tegangan sumber (perubahan parameter) setiap komponen yang digunakan akan menimbilkan sinyal output lancung (loncat), yang sangat berbeda dari output,  bila diperhitungkan inputnya.

Oleh karena itu direct copled disebut juga dengan DC amplifier dan kondisinya dimana tegangan input DC yang benar lebih besar daripada tegangan yang disebabkan oleh drift (denyutan).

4.      Chopped and Modulasi DC Amplifier

Penguat-penguat AC yang sederhana dapat digunakan untuk mengutkan sinyal input DC dengan menambah komponen rangkaiannya yang disebut dengan chopper. Pendekatan yang digunakan untuk membuat suatu Amplifier DC. Dimana DC adalah konverter pertama terhadap sinyal-sinyal ekivalen AC yang dikuatkan oleh Amplifier AC.

Sinyal Ac akhirnya dikonverter kembali pada sinyal DC seperti pada gambar (d).

Gambar (d) memperlihatkan Amplifier DC tipe pemotong (chopper). Vs adalah input tegangan DC. Sebagai kemungkinan lain tegangan tsb dihubungkan pada terminal A dan B.

Bila saklar pada posisi A maka arus mengalir pada kumparan primer Is satu arah. Bila saklar pada posisi B akan menjadi sebaliknya. Ini berarti bahwa suatu tegangan AC akan berkurang pada kumparan sekunder dari transformator input. Pada transformator yang ideal tegangan tersebut sepenuhnya berbentuk gelombang segi empat, hanya puncak tegangan berkurang sebanding  dengan input DC.

Sinyal Ac diperkuat dalam suatu amplifier AC standar. Halnya sama sebagi gelombang persegi yang diperkuat pada kumparan poins dari trafo output. Sinyal AC diubah kembali dalam bentuk sinyal DC.

Kumparan sekunder dari transformator output secara terpusat dipilih (tapped) dengan menggunakan saklar-saklar output standar (switch gauge) pada saklar-saklar input.

Tegangan input yang melalui kumparan primer dari transformator output diperlihatkan pada gambar (e). Output kumparan sekunder diperlihatkan pada gambar (f).

Amplifier  gambar (d) dihubungkan sebagi suatu amplifier pemotong bila  tegangan input DC secara hakiki dipotong untuk menghasilkan suatu sinyal AC. Aksi pemotongan bisa dilengkapi dengan Salah satu cara yaitu mekanik atau elektronik.

Suatu vebrasi read (getaran baluh) dipakai bila secara mekanik aksi pemotongan tersebut dilakukan.

5.      PENGUAT GANDENG DC

Dalam praktek biasanya untuk memperoleh suatu penguatan yang cukup besar, dapat dilakukan dengan menggandeng beberapa penguat atau biasa dikenal dengan penguat bertingkat. Untuk menjaga agar tegangan panjar (bias) pada suatu tahap tidak terganggu oleh tahap sebelum dan berikutnya, maka antara penguat-penguat tersebut dipisahkan dengan kapasitor. Rangkaian semacam ini lebih dikenal dengan penguat gandengan RC. Penguat gandengan RC hanya bekerja untuk isyarat AC.

Bila isyarat berupa arus/tegangan DC atau bolak-balik dengan frekuensi sangat rendah, maka diperlukan rangkaian penguat gandengan DC. Pada penguat ini, antara transistor yang satu dengan yang lainnya dihubungkan secara langsung. Ada beberapa cara untuk memperoleh penguat gandengan DC diantaranya adalah penguat diferensial dan penguat hubungan Darlington.

Penguat yang muthakhir tersusun sebagai rangkaian terpadu (integrated circuit- IC). Dengan IC memungkinkan kita untuk menyusun ribuan transistor ke dalam suatu permukaan silikon (chip) dengan luas hanya beberapa mm2. Satu hal yang menguntungkan dengan IC adalah dengan tanpa kapasitor, kita dapat menghasilkan penguat dengan frekuensi respon sampai mendekati DC.

A.    Penguat Diferensial

Untuk mengerti bagaimana penguat diferensial bekerja, perlu kita pelajari keadaan panjar DC dari rangkaian dasarnya seperti ditunjukkan pada gambar. Masukan dapat diumpankan pada ujung-ujung basis B1 dan B2. Perbedaan (difference) isyarat pada kedua ujung inilah yang akan dikuatkan, sehingga kita menyebutnya sebagai penguat diferensial.

Cara menghitung keadaan panjar dari penguat tersebut tidak berbeda dengan pada penguat transistor tunggal. Dengan kedua basis ditanahkan seperti pada gambar kita mempunyai:

VE » -0,6 volt karena

VBE » -0,6 volt

dengan salah satu atau kedua transistor yang bekerja

Permasalahannya adalah bagaimana membuat kedua transistor bekerja secara sama. Selama keduanya mempunyai tegangan basis yang sama (0 volt) dan tegangan emitor yang sama (~ -0,6 volt), keduanya mempunyai karakteristik yang identik. Khususnya, karena

kita memerlukan transistor dengan harga Io yang hampir sama. Kenyataannya Io berharga sangat variatif untuk satu transistor ke transistor lainnya dan juga terhadap temperatur sehingga untuk mendapatkan pasanngan Io yang serasi terkadang menjadi masalah yang serius.

Namun demikian saat dua transistor dibuat bertetangga pada rangkaian terintegrasi, maka mereka akan memiliki karakteristik dasar dan temperatur yang relatif sama dan secara otomatis akan menjadi serasi. Salah satu ukuran keserasian tersebut adalah dengan melihat harga “tegangan offset masukan”, yaitu selisih antara kedua harga VBE, diperlukan untuk menjamin adanya kesamaan arus yang mengalir. Biasanya selisih ini berharga dari 50 mV – 5 mV.

Arus total yang melewati kedua emitor adalah

karenanya untuk dua transistor yang identik kedua arus emitor adalah sebesar

Besarnya arus kolektor keduanya adalah hampir sama dengan harga arus emitor di atas, sehingga kedua tegangan kolektor adalah sebesar

B.      Pengoperasian Modus Bersama (Common-mode Operation -CM)

Rangkaian pada gambar 14.2 memperlihatkan bahwa isyarat vi diumpankan pada kedua basis. Karena vi dipakai bersama sebagai masukan, maka keadaan ini disebut “masukan modus bersama”

Kita mungkin berharap sistem dapat memberikan keluaran beberapa ratus Mv dengan masukan beberapa mV, tetapi kenyataanya tidak demikian. Tegangan emitor akan tetap sekitar 0,6 volt di bawah tegangan basis, sehingga tidak akan berharga terlalu jauh dari -0,6 V. Karenanya besarnya arus total

hanya akan sedikit berubah. Akibat adanya rangkaian yang simetri, dengan harga vBE yang identik pada kedua transistor, kedua arus emitor akan tetap berharga sekitar

sehingga tegangan kolektor juga berubah sedikit.

Selanjutnya besarnya penguatan dapat dihitung dengan menggunakan rangkaian setara seperti telah dibicarakan pada bab sebelumnya.

Pada rangkaian setara operasi modus bersama seperti terlihar pada gambar diatas kita Melihat

dan besarnya tegangan keluaran adalah

sehingga penguatan pada masing-masing transistor adalah sebesar

Karena RL dan RE mempunyai harga yang hampir sama maka penguatan tegangan yang dihasilkan sangat rendah (biasanya kurang dari satu). Jika perbedaan keluaran o1 o2 v - v digunakan, maka penguatan akan berharga nol, maka RL1 dan RL2 mestinya terdapat keserasian (identik).

Hambatan masukan dari isyarat-kecil pada masing-masing basis diberikan oleh

suatu harga yang cukup besar.

Rangkaian di atas, karena sifat simetrinya, berperilaku seperti sepasang penguat transistor yang paralel tanpa adanya resistor emitor bypassed 2RE.