chapter 14: Sub bab 14.6 Phase-Shift Oscillator

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

1. Pendahuluan [Kembali]

Osilator adalah rangkaian elektronik yang digunakan untuk menghasilkan sinyal periodik tanpa memerlukan sinyal input eksternal. Salah satu jenis osilator yang banyak digunakan dalam aplikasi analog adalah Phase-Shift Oscillator. Osilator ini menggunakan prinsip umpan balik positif melalui jaringan RC bertingkat untuk menghasilkan osilasi sinusoidal yang stabil.

Phase-shift oscillator bekerja berdasarkan kriteria Barkhausen, yaitu: (1) total pergeseran fasa dalam loop tertutup harus 360° (atau 0°), dan (2) loop gain harus lebih besar dari satu. Dalam phase-shift oscillator, pergeseran fasa 180° disediakan oleh jaringan RC tiga tahap, dan 180° lainnya berasal dari penguat inverting, sehingga total pergeseran fasa mencapai 360°.

2. Tujuan [Kembali]

Memahami prinsip kerja dasar osilator dengan umpan balik positif.
Menjelaskan bagaimana jaringan RC tiga tahap menghasilkan pergeseran fasa sebesar 180°.
Mengetahui syarat terjadinya osilasi berdasarkan kriteria Barkhausen (loop gain dan pergeseran fasa).
Menganalisis dan menghitung frekuensi osilasi dari rangkaian phase-shift oscillator.

3. Alat dan Bahan [Kembali]

A. ALAT

1.Ptoteus

Proteus adalah software simulasi dan desain rangkaian elektronik yang digunakan untuk membuat, menguji, dan memvisualisasikan rangkaian.

B. 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. Capacitor

komponen elektronik yang digunakan untuk menyimpan energi dalam bentuk medan listrik. Kapasitor terdiri dari dua konduktor (biasanya berupa pelat logam) yang dipisahkan oleh bahan isolator yang disebut dielektrik.

8. Transistor N channel.

Transistor N-channel MOSFET adalah jenis transistor efek medan (FET) yang menggunakan elektron sebagai pembawa muatan utama. Ini kebalikan dari P-channel, yang menggunakan hole (lubang) sebagai pembawa muatan.

4. Dasar Teori [Kembali]

Phase-shift oscillator merupakan salah satu jenis osilator sinusoidal yang menghasilkan gelombang sinus kontinu tanpa input eksternal. Osilator ini bekerja berdasarkan prinsip umpan balik positif, yaitu sebagian dari sinyal keluaran dikembalikan ke input untuk memperkuat sinyal tersebut. Agar osilasi dapat terjadi dan bertahan, dua syarat utama yang dikenal sebagai kriteria Barkhausen harus dipenuhi: pertama, total pergeseran fasa dalam loop tertutup harus bernilai 360° (atau ekuivalen dengan 0°), dan kedua, besar penguatan loop (loop gain), yaitu hasil kali penguatan penguat (A) dan faktor umpan balik (β), harus sama dengan atau lebih besar dari satu (|Aβ| ≥ 1).

Pada phase-shift oscillator, pergeseran fasa 180° diperoleh dari jaringan umpan balik yang terdiri dari tiga tingkat RC secara seri, di mana masing-masing tingkat memberikan kontribusi pergeseran fasa. Namun, karena efek saling memuat antar tahap (loading effect), distribusi pergeseran fasa tidak merata, dan secara keseluruhan hanya memastikan total pergeseran fasa sebesar 180°. Tambahan pergeseran fasa sebesar 180° diperoleh dari penguat inverting (seperti op-amp, FET, atau BJT), sehingga totalnya mencapai 360°.

5. Prinsip Kerja [Kembali]

Phase-shift oscillator bekerja berdasarkan prinsip umpan balik positif yang memenuhi kriteria osilasi Barkhausen. Rangkaian ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu penguat (amplifier) dan jaringan umpan balik (feedback network) yang menghasilkan pergeseran fasa sebesar 180°. Jaringan umpan balik biasanya dibentuk oleh tiga rangkaian RC seri, yang masing-masing menyumbangkan pergeseran fasa kurang dari 60° akibat adanya efek pembebanan antar tahap. Total pergeseran fasa dari ketiga rangkaian RC ini diatur agar mendekati 180°, yang kemudian dikombinasikan dengan tambahan pergeseran fasa 180° dari penguat inverting (seperti op-amp, FET, atau BJT), sehingga total pergeseran fasa dalam satu putaran (loop) mencapai 360° atau kelipatan 2π radian, memenuhi syarat osilasi.

Ketika rangkaian pertama kali diberi daya, noise atau gangguan kecil pada input akan diperkuat oleh penguat dan dikembalikan ke input melalui jaringan RC. Jika penguatan total loop (Aβ) lebih dari satu, maka sinyal ini akan diperkuat terus menerus hingga membentuk osilasi yang stabil. Frekuensi osilasi ditentukan oleh nilai resistor dan kapasitor dalam jaringan RC, dan secara teoritis diberikan oleh rumus

$f = \frac{1}{2 π R C \sqrt{6}}$

Agar osilasi bisa dipertahankan, penguat harus memiliki gain lebih besar dari 29 karena nilai atenuasi dari jaringan umpan balik adalah 1/29. Dalam kondisi kerja normal, sinyal osilasi yang terbentuk akan terus berlangsung selama catu daya tetap diberikan dan parameter rangkaian tidak berubah secara signifikan.

6. Ringkasan [Kembali]

Phase-Shift Oscillator adalah rangkaian elektronik yang digunakan untuk menghasilkan sinyal gelombang sinusoidal secara kontinu tanpa sumber sinyal eksternal. Osilator ini bekerja dengan prinsip umpan balik positif di mana sinyal output sebagian dikembalikan ke input dengan kondisi fasa dan penguatan tertentu. Jenis osilator ini sangat cocok digunakan untuk frekuensi rendah hingga menengah, terutama di bawah 1 MHz.

A. Komponen dan Rangkaian Dasar

1.Penguat Inverting

· Dapat berupa transistor atau op-amp.

· Memberikan pergeseran fasa 180° dari sinyal input terhadap output.

2. Jaringan RC (Resistor-Kapasitor) Bertingkat

· Terdiri dari tiga bagian RC berurutan.

· Masing-masing jaringan memberikan pergeseran fasa sekitar 60°, sehingga total 180°.

3. Jalur Umpan Balik

· Menghubungkan output kembali ke input penguat.

· Disusun sedemikian rupa agar memenuhi kondisi osilasi (fase dan penguatan).

B. Persamaan Frekuensi Osilasi

Untuk osilator dengan tiga jaringan RC identik:

$f = \frac{1}{2 π R C \sqrt{6}}$

f: Frekuensi osilasi (Hz)

R: Nilai resistor (Ω)

C: Nilai kapasitor (F)

Frekuensi sangat bergantung pada nilai R dan C. Semakin besar nilai RC, maka semakin rendah frekuensinya.

7. Soal Latihan [Kembali]

A. Example

1. Sebuah phase-shift oscillator (Gambar 14.21 a) dengan menggunakan FET yang memiliki:

transkonduktansi gm = 5000 mS, resistansi drain , dan nilai rangkaian umpan balik .

Tentukan nilai kapasitor agar osilator bekerja pada frekuensi 1 kHz, dan tentukan nilai resistor drain RD agar penguatan A≥29A≥29 untuk memastikan osilasi dapat terjadi.

Jawab:

untuk menghitung nilai RL agar didapatkan penguatan A = 40 A (melebihi minimum A≥29A≥29 agar aman terhadap loading antara RL dan impedansi input jaringan umpan balik):

Menggunakan persamaan:

RD=10kΩ

2. Rangkaian osilator BJT seperti pada gambar (b).14.21

Diketahui:

· R = 10 kΩ

· RE = 2 kΩ

· RC = 5 kΩ

· Frekuensi osilasi yang diinginkan:1 kHz

Hitung nilai kapasitor C yang dibutuhkan.

Jawab:

3. Diketahui sebuah rangkaian phase-shift oscillator menggunakan transistor BJT seperti pada Gambar 14.21(b). Nilai-nilai komponennya adalah:

· R = 12 kΩ

· C = 4.7 nF

· RE = 3 kΩ

Hitunglah frekuensi osilasi f dari rangkaian.

Jawab :

B. Problem

1. Sebuah rangkaian phase-shift oscillator disusun dengan benar secara teori, namun pada praktiknya tidak menghasilkan osilasi. Sebutkan dua penyebab kemungkinan dan penjelasannya secara logis.

Jawaban:

Penguatan tidak cukup:

Jika penguatan penguat tidak mencapai minimum |A| = 29, maka Aβ < 1Aβ < 1, sehingga osilasi tidak akan terbangun atau tidak stabil.

Nilai komponen tidak identik:

Jika resistor atau kapasitor pada jaringan RC tidak identik atau terlalu menyimpang, maka total pergeseran fasa tidak akan tepat 180°, menyebabkan syarat fasa tidak terpenuhi.

2. Sebuah rangkaian phase-shift oscillator menggunakan penguat inverting dengan penguatan A = -29 A. Jaringan RC terdiri dari tiga tahap identik. Seorang mahasiswa berpendapat bahwa penguatan sebesar itu sudah cukup untuk menghasilkan osilasi. Apakah pendapat mahasiswa tersebut benar? Jelaskan alasannya dengan meninjau syarat osilasi.

Jawaban :

Dalam phase-shift oscillator, jaringan RC tiga tahap memberikan pergeseran fasa total 180 der, dan penguat inverting menambah 180 der, total menjadi 360 der atau 0 der, yang memenuhi syarat fasa.

Nilai minimum penguatan (magnitude) yang dibutuhkan agar sinyal dapat tetap berosilasi adalah 29. Ini didasarkan pada analisis matematis dari gain loop:

A ≥ 29 untuk Aβ ≥ 1

Karena penguatan diberikan A = 29 A, maka |A| = 29 , yang cukup besar untuk memenuhi syarat amplitudo. Tanda minus hanya menunjukkan sifat inverting.

3. Apa prinsip kerja phase-shift oscillator dan sebutkan dua syarat utama yang harus dipenuhi agar osilasi dapat terjadi secara berkelanjutan. Mengapa diperlukan tiga tahap RC dalam jaringan umpan balik?

Pembahasan:

Prinsip kerja:
Phase-shift oscillator menggunakan penguat inverting (seperti op-amp, FET, atau BJT) yang menghasilkan pergeseran fasa 180 der, dan sebuah jaringan umpan balik RC berisi tiga tahap yang masing-masing memberi pergeseran fasa 60 der. Total pergeseran fasa dari input ke output adalah 360 der atau 0 der, sehingga memungkinkan umpan balik positif yang diperlukan untuk osilasi.

Syarat osilasi (Barkhausen criteria):

1. Gain loop (Aβ) ≥ 1 — penguatan total loop harus cukup untuk mempertahankan sinyal.

2. Pergeseran fasa total = 0° atau kelipatan 360° — agar sinyal kembali ke fase semula dan mengalami konstruktif interferensi.

Mengapa perlu 3 tahap RC?
Karena satu jaringan RC maksimum memberikan pergeseran fasa hingga 90 der, tapi dalam praktik hanya sekitar 60 der. Tiga tahap masing-masing memberi 60 der, total 180 der, sehingga cocok dengan penguatan inverting 180 der dan menghasilkan umpan balik positif.

C. Pilihan Ganda

1. Mengapa digunakan tiga jaringan RC dalam phase-shift oscillator?

A. Untuk memperkuat sinyal input
B. Untuk menghasilkan total pergeseran fasa sebesar 180 derajat
C. Untuk mengurangi distorsi gelombang
D. Untuk meningkatkan daya keluaran
Jawaban : B. Untuk menghasilkan total pergeseran fasa sebesar 180 derajat

Pembahasan:

Setiap jaringan RC memberikan pergeseran fasa sekitar 60°, sehingga tiga jaringan RC memberikan total pergeseran fasa 180°. Ditambah dengan 180° dari penguat inverting (seperti op-amp), total menjadi 360°, memungkinkan umpan balik positif dan osilasi berkelanjutan sesuai dengan kriteria Barkhausen.

2. Apa efek jika nilai kapasitor dalam jaringan RC digandakan?

A. Frekuensi osilasi meningkat
B. Frekuensi osilasi menurun
C. Tidak ada pengaruh
D. Gelombang menjadi lebih tajam

Jawaban :

B. Frekuensi osilasi menurun
Pembahasan:

Frekuensi osilasi berbanding terbalik dengan nilai RC, sesuai rumus

Jika kapasitor (C) digandakan, nilai RC menjadi lebih besar, sehingga frekuensi menjadi lebih rendah.

3. Mengapa sinyal output dari phase-shift oscillator bisa terdistorsi?

A. Karena osilator tidak menggunakan penguat
B. Karena nilai resistor terlalu kecil
C. Tidak ada pembatas amplitudo atau gain control
D. Frekuensi terlalu tinggi untuk bandwidth penguat operasional

Jawaban :
C. Tidak ada pembatas amplitudo atau gain control
D. Frekuensi terlalu tinggi untuk bandwidth penguat operasional

Pembahasan:
Tanpa pembatas amplitudo atau pengaturan gain, osilator bisa menghasilkan sinyal dengan amplitudo berlebih, menyebabkan distorsi. Selain itu, jika frekuensi osilasi melebihi bandwidth penguat (op-amp), bentuk sinyal tidak dapat diikuti secara akurat, menghasilkan distorsi tambahan pada output.

8. Percobaan [Kembali]

a) Prosedur Percobaan.

Untuk membuat rangkaian ini, pertama, siapkan semua alat dan bahan yang bersangkutan, di ambil dari library proteus
Letakkan semua alat dan bahan sesuai dengan posisi dimana alat dan bahan terletak.
Tepatkan posisi letak nya dengan gambar rangkaian
Selanjutnya, hubungkan semua alat dan bahan menjadi suatu rangkaian yang utuh
Lalu mencoba menjalankan rangkaian , jika tidak terjadi error, maka rangkaian akan berfungsi yang berarti rangkaian bekerja.

b) Rangkaian.

- Rangkaian 14.21 A