TUGAS INSTRUMENTASIBab 4

ELEKTRONIK

KELOMPOK 4

Elisabeth Anri

Ely Rohaeti

Ilham Khoiruman

Lingga Arum Puspita

4.1 PERKENALAN

Komponen aktif untuk memperkuat sinyal.

a. Bipolar (dua kutub)

b. Transistor semikonduktor oksida logam (MOS)

Semikonduktor transistor chips

gabungan rangkaian / sirkit

Chip dan gabungan sirkit terdiri atas puluhan bipolar atau ribuan MOS

4.2 RANGKAIAN ANALOG

Pelajaran tentang rangkaian elektronik, dimana masukan dan keluaran terus-menerus berbeda atau bervariasi.

4.2.1 PENGUAT BERLAINAN

Transistor dapat digunakan untuk membuat penguat yang memiliki ciri khas sendiri

Sebagai penguat AC maupun DC Perbedaan pada masukan dan keluaran DC dapat

melawan arah umpan balik, contohnya :

jika tegangan pada perangkat penguat dipasok 9 V maka masukan DC sebesar 3 V dan keluarannya 6 V

Perangakat bipolar adalah penguat arus dan keuntungan yang diberikan :

Gain(β) = ΔIC(collector I change)/ΔIB(base I change)

Perangkat MOS memiliki transduktor yang mengubah keluaran arus dan masukan tegangan, dengan besaran transkonduktansi :

Transconductance(μ) = ΔIs(source I change)/ΔEG (gate V change)

Parameter β dan μ, serta perangkat lain adalah temperature

Contoh 4.1

In Fig. 4.1b the MOS device has a transfer admittance of 4.5 A/V. If the load resistance is 5 kΩ, what is the stage gain?

Stage gain = m × 5 kΩ = 4.5 mA/V × 5 kΩ=22.5

4.2.2 Penguat Operasional (Op_amps)

Rangkaian gabungan memungkinkan multi koneksi perangkat aktif dalam chip

tunggal untuk membuat penguat operasional

Rangkaian penguat ini berukuran kecil

Penguat operasional mengharuskan angka terkecil dari komponen luar

(eksternal)

Arah umpan balik mudah ditetapkan, mendapat karakteristik keuntungan

yang stabil dan keluaran satu penguat dapat menentukan arah masukan

penguat lainnya

Memiliki dua masukan (input) dan dua keluaran (output), yakni positif – negatif

Tersedia dalam bentuk bipolar dan MOS

Spesifikasi tipe tujuan umum dari gabungan op-amp adalah:

Keuntungan tegangan 200,000

impedansi keluar 75 Ω

impedansi masuk bipolar 2 MΩ

impedansi masuk MOS 1012 Ω

Karakteristik yang termasuk pola rangkaian penguat:

keseimbangan tegangan masuk

keseimbangan arus masuk

arus masuk bias

besar laju

kesatuan frekuensi keuntungan

Ketika sinyal tegangan masu menjadi terminal negatif dari penguat

operasional, sinyal keluar akan terbalik. Maka keuntungan tegangan masuk

dinyatakan :

Gain = -Eout / Ein = -R2 / R1

Keuntungan tegangan dapat disesuaikan dengan beda nilai tahanan R2 atau

dapat divariasikan dengan menambahkan potensiometer dalam seri dengan

R2.

Ketika sinyal tegangan masuk menjadi terminal positif , maka keuntungan

tgangan dinyatakan :

Gain = Eout / Ein = 1+ R2 / R1

4.2.3 Current amplifiers (Penguat Arus) Perangkat yang memperkuat arus yang disebut

sebagai Current amplifiers . Namun, dalam instrumentasi industri konverter tegangan ke arus kadang-kadang disebut sebagai penguat arus.

Keuntungan tersebut didapatkan dari :

dimana resistor dihubungkan oleh persamaan :

Gambar : Diagram Circuit dari konfigurasi dasar (a) penguat arus dan (b) penguat diferensial

Iout / Iin = R2 R6 / R1 R3

R1 (R3 +R5) = R2R4

4.2.4 Differential Amplifiers (Penguat diferensial) Sebuah penguat diferensial adalah penguat input

ganda yang menguatkan perbedaan antara dua sinyal, sehingga outputnya adalah gain dikalikan dengan besarnya perbedaan antara dua sinyal

Sinyal dapat dikurangi atau ditambahkan dalam jaringan resistor sebelum amplifikasi

Tegangan keluaran diberikan oleh:

Gambar diagram skematis untuk (a) Contoh 4.6 dan (b) penyangga penguat.

Contoh:

Sebuah DC amplifier dengan 130 mV masuk pada terminal A, dan -85 mV masuk pada terminal B. Berapa besar output (anggap amplifier dengan masukkan 0 V pada input)?

Gambar Schematic diagrams for (a) Example 4.6

4.2.5 Buffer Amplifiers(Penguat Penyangga) Sirkuit Buffer adalah sirkuit yang menghasilkan

tegangan output sama dengan tegangan input Fungsi sirkuit penyangga dalam peralatan elektronik

adalah buffer, di mana prinsip dasarnya adalah gain tegangan penguat arus tanpa

Sirkuit buffer yang dibangun dari penguat operasional (Op - Amp), dapat dibuat dengan sangat sederhana karena tidak memerlukan komponen tambahan

sirkuit pendek dan jalur input pembalik baris output penguat operasional(Op - amp) dapat dihitung dengan persamaan;

Vin ≈ Vout

Rangkaian penguat penyangga sangat menguntungkan karena dapat memperoleh sebuah penguat dengan resistansi masukan

(Zin) sangat tinggi (10-1012 Ω) dan resistansi keluaran (Zout) sangat rendah (10-3-10-1 Ω), dekat dengan kondisi ideal.

gambar (b) penyangga amplifier

4.2.6 Nonlinear Amplifiers(Penguat Non-linear)

penguat non-linear menggunakan unsur-unsur nonlinier seperti dioda atau transistor dalam lingkaran umpan.

Gambar Sirkuit penguat nonlinier: (a) penguat log dan (b) antilog penguat

4.2.7 Instrument amplifierRangkaian op-amp yang tidak cocok untuk tingkat rendah sinyal instrumen amplifikasi. Op-amp dapat memiliki impedansi input yang berbeda pada dua input, impedansi input dapat relatif rendah dan cenderung memuat output sensor, mungkin karena memiliki keuntungan tersendiri dalam masukan pembalik dan non-pembalik, dan modus umum kebisingan dapat menjadi masalah. Op-amp dikonfigurasi untuk digunakan sebagai penguat instrumen

Gambar Circuit skematis dari sebuah penguat instrumentasi

Gambar menunjukkan rangkaian praktis menggunakan penguat instrumentasi untuk memperkuat sinyal output dari jembatan resistif, R6 digunakan untuk menyesuaikan untuk setiap nol sinyal offset.

4.2.8 Amplifier applications

Dalam pengendalian proses, amplifier digunakan di banyak aplikasi selain penguatan sinyal, penyaringan, dan linierisasi. Beberapa aplikasi ini adalah sebagai berikut:Kapasitansi multiplierGyratorGelombang sinus osilator

Power supply regulatorTingkat deteksi

Tegangan referensiCermin ArusTegangan ke frekuensi konverterTegangan-ke-digital converterPulse modulasi amplitudo

4.3 Rangkaian DigitalStudi tentang rangkaian elektronik dimana input dan output dibatasi untuk dua nilai yang tetap atau diskrit atau tingkat logika disebut elektronika digital.

Dalam instrumentasi ada tempat untuk rangkaian analog maupun digital.

Rangkaian digital memiliki banyak keunggulan dibandingkan rangkaian analog.

Kelebihan sinyal analog yaitu mudah dikonversi menjadi sinyal digital dengan menggunakan analog-ke-digital konverter (ADC). Sedangkan kelebihan sinyal digital yaitu :

Kebutuhan daya yang rendah

Lebih hemat biaya

Dapat mengirimkan sinyal jarak jauh tanpa kehilangan akurasi dan eliminasikebisingan

Pengiriman sinyal berkecepatan tinggi

Kemampuan memori untuk penyimpanan data

Controller dan alpha numerik menampilkan kecocokan

4.3.1 Sinyal Digital

Sinyal digital dapat berupa logika tingkat tinggi atau rendah. Kebanyakan rangkaian digital memakai suplay 5-V.

Logika tingkat rendah (biner 0) yaitu dari 0 sampai 1V

logika tingkat tinggi (binary1) yaitu dari 2 sampai 5V

1 sampai 2 V adalah wilayah terdefinisi, yaitu, setiap tegangan di bawah 1 V dianggap sebagai level 0 dan tegangan apapun di atas 2 V dianggap sebagai level 1

4.3.2 Bilangan Biner

Untuk melakukan fungsi yang sama, untuk fungsi matematika menggunakan sistem desimal (basis 10), sedangkan elektronik menggunakan sistem biner (basis 2).

Bilangan biner dapat dengan mudah dikonversi ke angka desimal dengan menggunakan Nilai kekuatan bilangan biner.

rangkaian biner disinkronisasi oleh sinyal waktu yang mengacu kekristal osilator yang sangat akurat (<± 0,001 persen).Sinyal waktu dapat digunakan untuk menghasilkan penundaan yang sangat akurat dibandingkan dengan penundaan yang dihasilkan RC (memiliki toleransi > ± 10 persen), sehingga penundaan dan waktu akan dilakukan hampir seluruhnya oleh rangkaian digital.

Tabel 4.1 memberikan perbandingan antara menghitung dalam sistem desimal dan biner.

Tabel 4.2 nilai daya biner terhadap lokasi LSB dan setara desimal

Tabel 4.3 sistem heksadesimal

4.3.3 Rangkaian Logika

blok dasar di rangkaian digital disebut gerbang yang berupa penyangga, inverter, AND, NAND, OR, NOR, XOR, dan XNOR.

blok dasar saling berhubungan untuk membentuk blok fungsional seperti encoders, dekoder, penambah, counter, register, multiplexer, demultiplexer, dan sejenisnya. Blok fungsional kemudian saling berhubungan untuk membuat system.

Gambar 4.12a Rangkaian MOS komplementer (CMOS) inverter. Sirkuit menggunakan perangkat pelengkap berupa N- dan P- channel.

Gambar 4.12b simbol gerbang setara. Ketika input ke gerbang rendah (0) posisi channel MOS positif (PMOS) adalah "ON" dan MOS negatif(NMOS) adalah "OFF" sehingga output terangkat tinggi (1) , dan ketika input tinggi (1), PMOS "OFF" dan NMOS "ON", dan output rendah(0), sehingga tanda masukan terbalik pada output. Salah satu perangkat MOSselalu "OFF", sehingga sirkuit tidak menarik arus dari suplai (kecualiselama switching).

4.3.4 Konversi analog ke digital

Beberapa teknik dapat digunakan untuk konversi sinyal analog ke sinyal digital. Contohnya dengan menggunakan :konverter flash yang sangat cepat dan mahal dengan ketepatan yang terbatas, yaitu 6-bit output dengan waktu konversi 33 ns.Perangkat yang paling mahal dapat mengkonversi tegangan analog ke12 bit dalam 20 mikrodeti , dan perangkat yang lebih murah dapat mengkonversi sinyal analog ke 8 bit dalam 30 mikrodetik.Konverter kemiringan ganda merupakan converter yang sangat murah, perangkat dengan kecepatan rendah tetapi memiliki akurasi yang baikdan sangat toleran terhadap tingkat kebisingan dalam sinyal analog. Sebuah konversi 12 bit memakan waktu sekitar 20 ms.

4.4 Perbandingan Rangkaian

rangkaian analog dapat menggunakan bipolar atau MOS-amplifier terpadu. Bipolarop-amp cenderung memiliki masukan dc yang rendah, tapi MOS op-amp memiliki impedansi masukan yang tinggi. Rangkaian digital dapat dibagi dengan jumlah komponen terintegrasi kesebuah chip silikon tunggal dengan skala kecil, menengah, dan skala besar.> skala kecil (hingga 100 perangkat) seperti SN 54/74

> skala menengah (lebih dari 100.000 perangkat) hanya akan menggunakan perangkat CMOS

> skala besar (lebih dari 1.000.000 perangkat) menggunakan teknologi CMOS. Digunakan untuk mikroprosesor, mikrokontroler, dan semacamnya.