Chapter 13 -Linear Digital ICS

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

6. Problem

1. Pendahuluan (kembali)

Dalam dunia elektronika, integrasi antara rangkaian linear dan digital menjadi semakin penting dalam menunjang berbagai aplikasi modern, mulai dari sistem kontrol otomatis hingga perangkat komunikasi. Rangkaian linear digital ICs merupakan gabungan dari komponen analog dan digital yang dirancang untuk menjalankan fungsi-fungsi tertentu secara efisien. Salah satu komponen kunci dalam sistem ini adalah Operational Amplifier (Op-Amp), yang sering digunakan tidak hanya sebagai penguat, tetapi juga sebagai comparator.

Op-Amp sebagai Comparator

Op-Amp sebagai comparator adalah salah satu penerapan paling mendasar namun penting dalam sistem elektronik. Berbeda dengan penggunaan Op-Amp sebagai penguat, fungsi comparator memanfaatkan kemampuan Op-Amp untuk membandingkan dua tegangan input, yaitu input inverting dan non-inverting. Ketika tegangan pada salah satu input lebih besar dari yang lain, keluaran Op-Amp akan berubah secara drastis, mencerminkan hasil perbandingan tersebut.

Fungsi ini sangat berguna dalam berbagai aplikasi digital, seperti sistem pengendali otomatis, detektor tegangan, serta rangkaian pemicu (triggering circuits). Dengan konfigurasi sederhana namun efektif, Op-Amp comparator dapat digunakan untuk mengubah sinyal analog menjadi sinyal logika digital, menjadikannya jembatan penting antara dunia analog dan digital.

2. Tujuan (kembali)

1. Memahami prinsip kerja op-amp sebagai comparator.
2. Menganalisis karakteristik comparator.
3. Merancang rangkaian comparator sederhana.
4. Mengidentifikasi aplikasi comparator.

3. Alat dan Bahan (kembali)

Op-Amp LM741

Komponen aktif analog klasik yang berfungsi sebagai penguat sinyal. Dalam mode comparator, LM741 bekerja tanpa feedback untuk membandingkan dua tegangan input.
Ground

Titik referensi tegangan nol (0V) dalam rangkaian, berfungsi sebagai patokan pengukuran semua tegangan dan penghubung ke sumber daya negatif.
Oscilloscope

Alat ukur elektronik untuk memvisualisasikan bentuk gelombang sinyal input dan output comparator secara real-time.
Sine Generator (Function Generator)

Sumber pembangkit sinyal uji berbentuk gelombang sinus yang digunakan sebagai input comparator.
Output Probe

Kabel penghubung untuk menyalurkan sinyal keluaran dari rangkaian comparator ke oscilloscope atau perangkat pengukur lainnya.

6.Power

4. Dasar Teori (kembali)

Operational amplifier (op-amp) merupakan salah satu komponen aktif dalam rangkaian elektronik analog yang berfungsi untuk memperkuat selisih tegangan antara dua inputnya, yaitu input non-inverting (+) dan input inverting (−). Ketika digunakan sebagai comparator, op-amp tidak lagi bekerja dalam mode linier, melainkan dalam konfigurasi open-loop, yaitu tanpa umpan balik negatif. Dalam mode ini, op-amp memiliki penguatan tegangan (gain) yang sangat tinggi, sehingga perbedaan tegangan sekecil apa pun antara kedua input akan menyebabkan output langsung menuju kondisi saturasi maksimum (positif) atau minimum (negatif).

Konfigurasi ini memungkinkan op-amp digunakan untuk membandingkan dua tegangan: satu sebagai tegangan referensi dan satu lagi sebagai sinyal masukan. Output dari op-amp kemudian akan menunjukkan logika tinggi jika sinyal masukan lebih besar dari referensi, atau logika rendah jika sebaliknya. Fungsi ini menjadikan op-amp sebagai pembanding (comparator) dalam berbagai aplikasi seperti pendeteksi batas tegangan, sensor analog ke digital, dan sistem kendali otomatis.

Meskipun op-amp dapat berfungsi sebagai comparator, perlu dipahami bahwa op-amp tidak dirancang khusus untuk tugas tersebut. IC comparator khusus umumnya memiliki waktu respon yang lebih cepat dan output yang dioptimalkan untuk switching digital. Namun demikian, op-amp tetap sering digunakan sebagai comparator dalam rangkaian sederhana karena ketersediaannya yang luas dan kemudahan dalam implementasi.

Prinsip kerja op-amp sebagai comparator didasarkan pada perbandingan antara dua tegangan masukan. Apabila tegangan pada input non-inverting (+) lebih besar dari tegangan pada input inverting (−), maka output op-amp akan berada dalam kondisi jenuh positif (mendekati tegangan suplai positif). Sebaliknya, apabila tegangan pada input inverting lebih besar, maka output akan jenuh ke negatif (atau mendekati ground jika menggunakan single supply). Dengan kata lain, output hanya memiliki dua kemungkinan keadaan, yaitu tinggi (HIGH) atau rendah (LOW), bergantung pada polaritas selisih tegangan antara kedua input.

Karena penguatan open-loop sangat tinggi, perbedaan tegangan input yang sangat kecil pun sudah cukup untuk menyebabkan perubahan besar pada output. Hal ini menjadikan op-amp sebagai comparator sangat sensitif terhadap perubahan tegangan input. Namun, sensitivitas ini juga menjadikan rangkaian rawan terhadap noise, yang dapat menyebabkan output berubah secara tidak stabil di sekitar titik peralihan. Untuk mengatasi masalah ini, sering kali digunakan teknik hysteresis dengan menambahkan umpan balik positif, sehingga comparator hanya akan berpindah keadaan ketika perbedaan tegangan telah melewati batas tertentu, menciptakan dua ambang tegangan berbeda untuk transisi naik dan turun. Dengan demikian, op-amp dapat digunakan secara efektif sebagai elemen pengubah sinyal analog menjadi sinyal logika digital yang stabil dan dapat diandalkan.

5. Prinsip Kerja [kembali]

6. Problem [kembali]

Slew rate rendah Output berubah secara lambat, tidak cocok untuk sinyal cepat atau frekuensi tinggi.
Tidak ada histeresis Output mudah berosilasi jika Vin mendekati Vref karena sensitif terhadap noise kecil.
Output tidak mencapai tegangan rail Output op-amp seperti 741 tidak mencapai ±Vcc penuh, sehingga dapat menyebabkan LED tidak menyala maksimal atau sinyal logika gagal terbaca.

7. Soal Latihan [kembali]

Soal 1
Sebuah op-amp digunakan sebagai comparator dengan konfigurasi non-inverting. Tegangan referensi sebesar 2,5 V diberikan pada input inverting (−), sedangkan sinyal input sebesar 3,2 V diberikan pada input non-inverting (+). Op-amp disuplai dengan tegangan +5 V dan 0 V (single supply).
Pertanyaan:
Berapakah tegangan output dari comparator tersebut?
Jawaban:
Karena V_in (3,2 V) > V_ref (2,5 V), maka op-amp akan menghasilkan output pada kondisi jenuh positif. Dalam konfigurasi single supply, tegangan jenuh positif mendekati tegangan suplai atas, yaitu +5 V.
Output = 5 V (logika HIGH)
Soal 2
Sebuah comparator op-amp dilengkapi dengan feedback positif untuk membentuk hysteresis. Tegangan referensi tetap sebesar 2,0 V, dan hysteresis yang dihasilkan sebesar ±0,5 V. Pertanyaan:

Berapakah tegangan input minimum yang menyebabkan output berubah dari HIGH ke LOW?
Berapakah tegangan input maksimum yang menyebabkan output berubah dari LOW ke HIGH
Mengapa hysteresis penting dalam aplikasi comparator?

Jawaban:
Tegangan input minimum = 2,0 V − 0,5 V = 1,5 V
Tegangan input maksimum = 2,0 V + 0,5 V = 2,5 V
Hysteresis penting untuk menghindari osilasi atau perubahan output yang tidak stabil akibat noise di sekitar tegangan ambang. Dengan hysteresis, terdapat dua batas berbeda untuk transisi naik dan turun, sehingga output menjadi lebih stabil dan andal.
Soal 3
Dalam sebuah sistem monitoring baterai, op-amp digunakan sebagai comparator untuk mendeteksi apakah tegangan baterai melebihi ambang batas 11,0 V. Tegangan referensi ini diberikan ke input inverting (−), dan tegangan baterai masuk ke input non-inverting (+). Output akan HIGH jika tegangan baterai lebih tinggi dari batas.
Pertanyaan:
Jika tegangan baterai:
a) 10,8 V
b) 11,3 V
Apa kondisi output comparator pada kedua kondisi tersebut?
Jawaban:
a) 10,8 V < 11,0 V → V_in < V_ref → Output = LOW
b) 11,3 V > 11,0 V → V_in > V_ref → Output = HIGH

8. Percobaan [kembali]