Constant-Gain Multiplier
Dalam sistem elektronika, terdapat berbagai jenis rangkaian penguat (amplifier) yang dirancang untuk memperkuat sinyal masukan dengan tujuan tertentu, salah satunya adalah untuk melakukan proses perkalian sinyal dengan suatu nilai tetap atau konstan. Rangkaian ini dikenal dengan istilah Constant-Gain Multiplier.
Constant-Gain
Multiplier
merupakan jenis rangkaian penguat yang memiliki nilai penguatan (gain)
tetap, di mana output yang dihasilkan merupakan hasil perkalian langsung antara
sinyal masukan dengan faktor penguatan tersebut. Konsep ini sangat penting
terutama dalam sistem pengolahan sinyal analog, sistem pengendalian otomatis,
serta dalam berbagai aplikasi elektronika industri lainnya.
Dengan memanfaatkan karakteristik dari komponen aktif seperti op-amp (operational amplifier) yang dikonfigurasi secara khusus, Constant-Gain Multiplier dapat dibentuk untuk memberikan kestabilan dan keakuratan dalam penguatan sinyal. Pemahaman terhadap prinsip kerja serta cara perancangan rangkaian ini menjadi dasar penting bagi mahasiswa teknik elektro dalam memahami sistem penguatan dan pengolahan sinyal secara lebih lanjut.
-
Mengetahui definisi dan fungsi dari Constant-Gain Multiplier
-
Mengetahui bentuk rangkaian sederhana Constant-Gain Multiplier
-
Mensimulasikan rangkaian Constant-Gain Multiplier pada aplikasi proteus
A. ALAT & BAHAN
1. Ptoteus
Proteus adalah perangkat lunak simulasi dan desain rangkaian elektronik yang umum digunakan dalam dunia teknik elektro. Software ini memungkinkan pengguna untuk merancang, menguji, dan memvisualisasikan rangkaian elektronik secara virtual sebelum direalisasikan secara fisik.
2. IC Op-Amp LM 124
3. IC Op-Amp LM 324
5. Resistor
6. DC Generators
7. Sine Generators
8. Voltage Probes
9. AC Volts
10. Ground
Dalam
dunia elektronika, khususnya dalam penguatan sinyal analog, penggunaan penguat
operasional (op-amp) berperan sangat penting dalam meningkatkan amplitudo
sinyal untuk berbagai keperluan seperti sensor, komunikasi, dan sistem kendali.
Kedua gambar rangkaian yang ditampilkan merupakan implementasi praktis dari
penguatan bertingkat (multistage amplification) dan penguatan ganda (multiple
gain stages) yang dirancang menggunakan beberapa op-amp secara berurutan dan
paralel. Rangkaian pertama menunjukkan konfigurasi tiga tahap penguat yang
dirangkai secara berurutan. Masing-masing tahap terdiri dari op-amp dengan
konfigurasi inverting amplifier, di mana sinyal output dari tahap pertama
menjadi input untuk tahap kedua, dan seterusnya. Penguatan tiap tahap ditentukan
oleh rasio antara resistor umpan balik (Rf) dan resistor masukan (Rin), dan
total penguatan sistem merupakan hasil perkalian dari penguatan tiap tahap.
Dalam kasus tersebut, input mikro sebesar 150 μV diperkuat secara bertahap
hingga mencapai tegangan output yang cukup besar, yakni 0,729 V, menunjukkan
efektivitas penguatan bertingkat dalam meningkatkan sinyal lemah menjadi sinyal
yang dapat diolah lebih lanjut.
Sedangkan
pada rangkaian kedua, ditunjukkan implementasi penguatan simultan dengan
beberapa op-amp yang bekerja paralel. Dalam konfigurasi ini, sinyal input yang
sama didistribusikan ke tiga op-amp berbeda, masing-masing dengan resistor
masukan yang bervariasi sehingga menghasilkan penguatan yang berbeda-beda
meskipun resistor umpan baliknya tetap sama. Dengan perancangan ini, sinyal
input tunggal dapat diolah menjadi tiga sinyal output yang memiliki skala
penguatan 10 kali, 20 kali, dan 50 kali secara bersamaan. Konfigurasi seperti
ini sangat berguna dalam sistem monitoring atau kalibrasi, di mana satu sinyal
dapat diamati dalam beberapa level tegangan sekaligus untuk mendapatkan
informasi yang lebih kaya atau untuk dicocokkan dengan perangkat yang memiliki
karakteristik input berbeda. Kedua rangkaian ini mencerminkan konsep dasar
bagaimana op-amp tidak hanya memperkuat sinyal, tetapi juga bisa diatur
penguatannya secara presisi dan digunakan dalam berbagai skema sistem, baik
secara bertahap maupun serempak. Oleh karena itu, pemahaman mengenai
konfigurasi, pemilihan komponen, serta cara kerja tiap tahap op-amp sangat
penting bagi mahasiswa teknik elektro maupun praktisi dalam merancang sistem
pengolahan sinyal yang efisien dan akurat.
Rangkaian pertama merupakan sistem penguat bertingkat atau cascade amplifier yang terdiri atas tiga buah penguat operasional (op-amp) yang disusun secara seri. Tujuan utama dari konfigurasi ini adalah untuk memperkuat sinyal input yang sangat kecil, yaitu sebesar 150 mikrovolt (µV), menjadi sinyal output yang jauh lebih besar dan dapat dimanfaatkan untuk aplikasi selanjutnya. Setiap op-amp disusun dalam konfigurasi inverting amplifier, di mana sinyal input diberikan melalui resistor masukan dan dikembalikan melalui resistor umpan balik. Pada tahap pertama, sinyal input dilewatkan melalui resistor 30 kΩ menuju op-amp pertama yang menghasilkan penguatan negatif awal. Output dari tahap ini kemudian diteruskan ke op-amp kedua melalui resistor 15 kΩ untuk kembali diperkuat dan dibalik. Tahap akhir melakukan proses yang sama dengan resistor 10 kΩ. Ketiga tahap ini bekerja berurutan untuk menghasilkan penguatan total sebesar 4860 kali dari input awal. Dengan demikian, sinyal yang sebelumnya terlalu kecil menjadi sinyal yang dapat dibaca dan diolah oleh sistem elektronika lanjutan seperti mikrokontroler atau alat ukur.
Rangkaian kedua dirancang untuk memperkuat satu sinyal input menjadi tiga output berbeda dengan besar penguatan yang sudah ditentukan, yaitu 10, 20, dan 50 kali. Rangkaian ini menggunakan tiga buah op-amp yang masing-masing dikonfigurasi sebagai inverting amplifier. Ketiga op-amp menerima sinyal input yang sama, namun masing-masing memiliki nilai resistor masukan yang berbeda, yaitu 50 kΩ, 25 kΩ, dan 10 kΩ. Sementara itu, resistor umpan balik (feedback) yang digunakan tetap sama untuk semua op-amp, yaitu 500 kΩ. Perbedaan nilai resistor masukan ini menyebabkan setiap op-amp menghasilkan penguatan yang berbeda sesuai dengan perbandingan antara resistor umpan balik dan resistor input. Output dari masing-masing op-amp akan berupa tegangan yang telah diperkuat dan memiliki polaritas terbalik terhadap sinyal aslinya. Keluaran dari op-amp pertama akan bernilai -10 kali input, op-amp kedua menghasilkan -20 kali input, dan op-amp ketiga menghasilkan -50 kali input. Rangkaian ini sangat berguna dalam sistem distribusi sinyal, di mana satu sumber sinyal perlu dikirim ke berbagai bagian sistem dengan level tegangan yang berbeda-beda sesuai kebutuhan.
Example 1: Konsep Dasar Constant-Gain Multiplier
Soal:
Dua sinyal input diberikan pada rangkaian multiplier:
- V₁(t) = 2 cos(1000t)
- V₂(t) = 3 cos(1000t)
Jika rangkaian menggunakan Constant-Gain Multiplier dengan gain konstan k = 0.5, berapa output sinyal V_out(t)?
Pembahasan:
V_out(t) = k × V₁(t) × V₂(t)
= 0.5 × (2 cos(1000t)) × (3 cos(1000t))
= 3 cos²(1000t)
Gunakan identitas trigonometri:
cos²(θ) = (1 + cos(2θ)) / 2
⇒ V_out(t) = 3 × (1 + cos(2000t)) / 2
= 1.5 + 1.5 cos(2000t)
Jawaban akhir:
V_out(t) = 1.5 + 1.5 cos(2000t)
Example 2: Perkalian Dua Sinyal Berbeda
Soal:
Jika V₁(t) = 4 sin(500t) dan V₂(t) = 2 cos(500t), dan rangkaian multiplier memiliki gain konstan k = 0.25, hitung outputnya.
Pembahasan:
V_out(t) = 0.25 × 4 × sin(500t) × 2 × cos(500t)
= 2 sin(500t) cos(500t)
Gunakan identitas:
sin(θ) cos(θ) = ½ sin(2θ)
⇒ V_out(t) = 2 × ½ sin(1000t)
= sin(1000t)
Jawaban akhir:
V_out(t) = sin(1000t)
Example 3: Sinyal DC dan AC
Soal:
Input pertama adalah sinyal DC: V₁ = 5 volt
Input kedua adalah sinyal AC: V₂(t) = sin(200t)
Jika gain konstan k = 0.1, berapa output dari Constant-Gain Multiplier?
Pembahasan:
V_out(t) = k × V₁ × V₂(t)
= 0.1 × 5 × sin(200t)
= 0.5 sin(200t)
Jawaban akhir:
V_out(t) = 0.5 sin(200t)
a. Problem 1: Prinsip Kerja Constant-Gain Multiplier
Pada sebuah rangkaian penguat dengan konstanta penguatan tetap (Constant-Gain Multiplier), diketahui bahwa penguat tersebut dirancang dengan faktor penguatan sebesar 5. Input sinyal memiliki bentuk gelombang sinusoidal dengan amplitudo 2 V.
- (a) Jelaskan secara singkat prinsip kerja dari Constant-Gain Multiplier.
- (b) Hitung tegangan keluaran (output voltage) jika tidak ada perubahan pada faktor penguatan.
- (c) Jika amplitudo input dinaikkan menjadi 3 V, bagaimana perubahan pada tegangan keluaran? Berikan penjelasan fisik mengapa perubahan tersebut terjadi.
Petunjuk: Gunakan persamaan dasar penguatan tegangan Vout
b. Problem 2: Analisis Rangkaian Constant-Gain Multiplier
Sebuah rangkaian Constant-Gain Multiplier menggunakan penguat operasional (op-amp) dengan faktor penguatan tetap 10. Input yang diberikan adalah sinyal AC dengan frekuensi 1 kHz dan amplitudo 1.5 V.
- (a) Rancang rangkaian penguat menggunakan op-amp yang menghasilkan penguatan tetap tersebut.
- (b) Tentukan besar tegangan keluaran dan frekuensi yang dihasilkan pada output.
- (c) Jika terjadi perubahan pada komponen resistor yang mengakibatkan faktor penguatan turun menjadi 8, bagaimana nilai tegangan keluarannya?
Petunjuk: Fokus pada persamaan penguatan op-amp non-inverting dan perhitungan perubahan gain akibat perubahan resistor.
c. Problem 3: Aplikasi Constant-Gain Multiplier pada Sistem Audio
Pada sistem penguatan audio, digunakan Constant-Gain Multiplier dengan penguatan tetap sebesar 20 dB untuk meningkatkan sinyal audio. Input audio memiliki level 0.1 V RMS.
- (a) Berapakah tegangan keluaran setelah dikuatkan oleh rangkaian?
- (b) Apabila output mulai mengalami distorsi pada level di atas 2 V RMS, apakah input maksimum yang dapat diberikan tanpa menyebabkan distorsi?
- (c) Diskusikan kemungkinan penyebab distorsi pada sistem ini dan bagaimana cara mengatasinya.
Petunjuk: Konversikan penguatan dari dB ke penguatan linier
Soal 1: Prinsip Dasar Constant-Gain Multiplier
Apa fungsi utama dari sebuah Constant-Gain Multiplier dalam sistem elektronika?
A. Mengubah arus DC menjadi AC
B. Menghasilkan output dengan amplitudo tetap, terlepas dari perubahan input
C. Mengalikan dua sinyal masukan dengan faktor penguatan konstan
D. Mengubah frekuensi sinyal masukan secara otomatis
Jawaban: C
Pembahasan:
Constant-Gain Multiplier dirancang untuk mengalikan dua sinyal input dan menghasilkan output yang merupakan hasil perkalian tersebut dengan faktor penguatan konstan. Biasanya digunakan dalam modulasi dan pengolahan sinyal.
Soal 2: Aplikasi Constant-Gain Multiplier
Di antara aplikasi berikut, manakah yang paling umum menggunakan Constant-Gain Multiplier?
A. Penguatan audio pada amplifier kelas AB
B. Modulator dalam sistem komunikasi analog
C. Penyaringan harmonik pada catu daya
D. Konversi sinyal digital menjadi analog
Jawaban: B
Pembahasan:
Constant-Gain Multiplier sering digunakan dalam modulasi pada sistem komunikasi analog, seperti pada modulasi amplitudo (AM) atau modulasi frekuensi (FM), di mana dua sinyal perlu dikalikan untuk menghasilkan sinyal termodulasi.
Soal 3: Karakteristik Utama
Salah satu karakteristik penting dari Constant-Gain Multiplier adalah:
A. Kemampuan mereduksi sinyal noise secara otomatis
B. Penguatan yang bervariasi berdasarkan perubahan suhu
C. Penguatan tetap yang tidak dipengaruhi oleh perubahan amplitudo sinyal input
D. Kemampuan untuk mengubah sinyal sinusoidal menjadi gelombang kotak
Jawaban: C
Pembahasan:
Seperti namanya, Constant-Gain Multiplier memiliki penguatan tetap yang tidak dipengaruhi oleh perubahan amplitudo sinyal input. Ini sangat penting dalam aplikasi di mana stabilitas penguatan dibutuhkan.
- Rangkaian 11.6 Klik Disini
- Rangkaian 11.7 Klik Disini
- Download Video Rangkaian 11.6 Klik Disini
- Download Video Rangkaian 11.7 Klik Disini
- Datasheet LM124 Klik Disini\
- Datasheet LM324 Klik Disini
Komentar
Posting Komentar