Isnin, 11 Julai 2011

ASAS PENGUAT KENDALIAN (OPERATIONAL AMPLIFIER)

ASAS PENGUAT KENDALIAN (OPERATIOANAL AMPLIFIER - OP AMP)

                                             
                            Rajah 1 Simbol operational amplifier (OP AMP)

Operational amplifier atau ringkas dipanggil OP AMP adalah sejenis  penguat (amplifier) elektronik beperfoman tinggi. Direkabentuk khas untuk membesarkan AC atau DC signal voltage dan mempunyai ciri gandaan (voltage gain) yang sangat tinggi. Sebagaimana litar gandaan transistor, Op amp kini digunakan dengan meluas sebagai peranti asas gandaan dalam bentuk IC (integrated circuit) kepada litar-litar elektronik. Simbol asas kepada op amp adalah seperti di dalam rajah 1. Asasnya OP AMP mempunyai dua punca masukkan (input) dan hanya satu punca keluaran (output). Satu daripada punca atau terminal input dinamakan INVERTING INPUT dan ditanda sebagai lambang tolak (–) atau minus sign. Jika suatu signal diberi pada input tersebut (–), akan menghasilkan suatu pembesaran signal (amplified signal) pada punca output tetapi dengan fasa yang terbalik berbanding signal input. Manakala punca yang kedua pula dinamakan NON INVERTING input dan ditandakan dengan lambang campur (+) atau plus sign. Jika satu signal diberi pada input tersebut (+), akan menghasilkan suatu amplified signal pada output dengan fasa yang sama dengan input signal. Kedua-dua lambang input tadi boleh juga disebut dengan punca positif dan negatif kepada OP AMP.
                                            
                                                                        Rajah 2

Pengunaan dan penyambungan bekalan kuasa (power supply) kepada op amp ditunjukkan dalam litar skematik seperti pada rajah 2 di atas.

Dengan tersedia dua punca input kepada OP AMP tersebut akan memudahkan lagi proses melakukan litar suapbalik (feedback) dan menjadikan operational amplifier suatu peranti yang serba-guna dan mesra pengguna berbanding transistor amplifier circuit biasa yang memerlukan litar perintang cenderung tambahan (bias circuit resistor) yang melecehkan dan proses suap-balik signal yang lebih rumit, tetapi bagi OP amp semuanya telah siap terbina di dalam litar IC tersebut.
Jika kita memberi suatu litar suap-balik (feedback circuit) daripada punca output kepada punca input inverting akan menghasilkan suatu kesan negative feedback dimana akan menghasilkan suatu ciri litar amplifier  dengan kawalan gandaan yang sangat tepat dan penurunan jumlah distortion dan noise signal yang tidak dikehendaki. Di dalam lain keadaan apabila litar feedback daripada punca output diberi kepada punca input Noninverting pula maka memberi suatu kesan positive feedback dan terhasil suatu litar oscillator atau multivibrator kepada OP AMP. Lebih mengkagumkan suatu kesan khas boleh juga diperolehi dengan menggabungkan kombinasi dua jenis feedback tersebut.

                                                    
                                                                      Rajah 3

                                                                    
Di dalam banyak-banyak jenis pengeluaran IC operational amplifier, dimana jenis siri nombor 741 adalah yang paling popular dan sangat baik jika digunakan sebagai pembelajaran asas kepada operational amplifier secara teori mahupun praktikal. Secara ringkasnya IC OP AMP 741 ini boleh diperolehi dengan jenis 14 pin dual-in-line, 8 pin dual-in-line atau pakage TO seperti di dalam rajah 3 dengan konfigurasi pin masing-masing ada ditunjukkan. Manakala siri nombor 747 pula adalah  IC 741 jenis dua dalam satu (2 in 1) seperti  di dalam rajah 4 dengan konfigurasi pinnya ada ditunjukkan bagi setiap pakage yang berbeza.
                                                           
                      Rajah 4, Konfigurasi pin jenis 747 Dual Op Amp.
            
Bagi mengaktifkan suatu op amp biasanya memerlukan bekalan kuasa jenis dua simeteri (symmetrical power supply) dengan punca tengah (center tap) perlu di sambung ground (GND) kan seperti di dalam rajah 1. Cara ini membolehkan suatu op amp membesar atau amplified signal DC pada kedu-dua polariti, positive atau negative yang merujuk kepada punca ground. Ideal nya IC ini direkabentuk dimana jika kedua-dua punca input nya disambung kepada ground maka dc output voltage nya akan memperolehi nilai sifar (zero). Bagaimana pun secara realitinya disebabkan sedikit ketidak seimbangan litar dalamannya, maka sedikit dc voltage akan muncul pada punca outputnya (tidak 100% sifar voltage) dan dipanggil DC offset voltage. Tetapi biasanya nilai offset tersebut agak kecil dan boleh di abaikan. Tetapi bagi tujuan rekabentuk yang lebih kritikal dan memerlukan lebih ketepatan maka offset output voltage tadi sebenarnya boleh di setkan pada kedudukan zero dengan menyambung suatu 10kΩ potentiometer diantara pin terminal yang di tandakan “offset null” di dalam rajah 3 dan 4.
Operational amplifier IC juga boleh di aktifkan dengan jenis single power supply. Caranya adalah dengan menggunakan suatu jaringan litar DC voltage divider kepada punca input non-inverting dengan kira-kira setengah daripada power supply voltage seperti contoh rajah 5.
                        
                                           
                                                           Rajah 5
Oleh itu DC output voltage juga akan berada pada kedudukan setengah daripada power supply voltage.
Sebenarnya op amp 741 mempunyai banyak ciri istimewa yang membuatkan ia begitu popular antaranya mempunyai litar pelindungan dalaman yang sentiasa melindungi dirinya daripada kesan beban output yang berlebihan atau pun litar pintas (short circuit) pada ground walaupun pada masa yang lama. IC 741 juga tidak memerlukan apa juga komponen luaran tambahan untuk menggantirugi atau adjustment terhadap frekuensi respon nya lalu dapat memudahkan keseluruhan rekabentuk litar dan meminimum kan jumlah komponen yang digunakan nanti. Lebih dari itu ia juga mempunyai ciri gulingan frekuensi respon yang sangat sekata atau licin (smooth roll-off) pada penghujung frekuensi tingginya dan ini membuatkan litar sentiasa stabil sepenuhnya pada semua konfigurasi suap-balik (feedback configuration) yang digunakan. Di bawah menunjukkan suatu jadual rujukkan teknikal parameter yang penting kepada IC operational amplifier 741 tersebut.
Parameter                                         Min.       Typ.      Max.     Units

Supply Voltage                                    ±5                         ± 18          V
Supply Current                                                   1.7           2.8         mV
Input Bias Current                                             80           500        nA
Input Resistance                                0.3           2.0                         M Ω
Input Offset Voltage                                           2.0           6.0        mV
Offset Voltage Adjustment
Range                                                                    ± 15                        mV
Voltage Gain                                       20.000    200.000
Output Resistance                                                 75                        Ω
Output Short Circuit Current                             25                        mA
Gain Bandwidth Product                                     1                          MHz
Slew Rate                                                                 0.5                       V/μS
Power Consumption                                             50          85         mW


Litar-litar di bawah akan menunjukkan beberapa contoh litar asas dan kegunaan IC operational amplifier dengan siri nombor 741.

1.    INVERTING DC AMPLIFIER (Pelbagai tujuan)

                                                                
                                                                       Rajah 6

Tiga Ciri Penting Litar;

1. Input impedance (Z) = R1
                                         = 10 kΩ

2. Amplifier Gain = R2 / R1 = 1MΩ/10 kΩ = 100

3. Bandwidth = 1MHz/Gain = 1MHz / 100 = 10 kHz


                             
Litar di dalam rajah 6 di atas menunjukkan suatu DC inverting amplifier jenis umum yang beroperasi menggunakan dua simeteri (dual symmetrical) power supply ± 12 Volt. Menunjukkan signal input dimasukkan menerusi punca inverting dan oleh itu signal output nya akan terbalik fasa. Nilai gandaan kepada amplifier ini ditentukan oleh nisbah pada feedback resistor R1 dan R2. Keluaran dc voltage nya boleh disetkan kepada zero point dengan melaras perintang R4. Keujudan susutan voltage dalaman membuatkan jumlah voltage keluaran maksimum boleh berayun hanya kira-kira ±10 V sahaja.

2.    NON-INVERTING DC AMPLIFIER (Pelbagai tujuan)
                              
                                                                                  Rajah 7

Tiga Ciri Penting Litar;

1. Input impedance (Z) > 1MΩ

2. Amplifier Gain = 1 + (R2 / R1) = 101

3. Bandwidth = 1MHz/Gain = 1MHz / 100 ≅ 10 kHz


Litar di dalam rajah 7 di atas adalah suatu jenis non-inverting DC amplifier umum yang beroperasi menggunakan dua simeteri power supply ±12Volt. Jumlah gandaan amplifier ini ditentukan mengikut kepada feedback resistor R1 dan R2. Sejak signal input dibekalkan kepada terminal non-inverting maka menghasilkan signal output yang sefasa dengan signal input tadi. Litar seperti ini mempunyai input impedance (rintangan ac) yang tinggi oleh itu signal source mesti menyediakan suatu laluan DC ground bagi input bias current. Masih sama R3 boleh setkan voltage output tepat kepada kedudukkan zero dan keujudan susutan voltage dalaman membuatkan jumlah voltage keluaran maksimum boleh berayun hanya kira-kira ±10 V sahaja.


3.    INVERTING AC AMPLIFIER (PELBAGAI TUJUAN)


                                                      
                                                                        Rajah 8  

Tiga Ciri Penting Litar;

1. Input impedance (Z) = R1 = 33 kΩ

2. Amplifier Gain = R2 / R1 = 30

3. Bandwidth = 50 hingga 30  kHz

Rajah 8 seterusnya menunjukkan suatu litar inverting ac amplifier dan mempunyai hasil signal output yang tidak-sefasa dengan signal input yang memasuki terminal inverting. Jumlah gandaan kepada litar op amp ini ditentukan oleh nisbah feedback resistor R1 dan R2. Capacitor C1 akan memberikan kesan roll-off kepada frekuensi rendah dan menyekat sebarang signal DC. Gandaan amplifier juga jatuh dengan 3dB pada frekuensi apabila reactance kepada C1 menyamai nilai rintangan R1. Untuk kegunaan litar gandingan terus (direct-coupling) kepada litar seterusnya maka voltage output DVC boleh diset zero oleh R4. Bagaimana pun untuk AC coupling maka R4 tidak diperlukan.

4.    NON-INVERTING AC AMPLIFIER
                                                               
                                                                                  Rajah 9

Tiga Ciri Penting Litar;

1. Input Z = 100kΩ

2. Gain = 1 +(R2/R1)
              = 34

3. Bandwidth = 15 Hz hingga 30kHz

Suatu jenis non-inverting ac amplifier pelbagai tujuan ditunjukkan di dalam rajah 9 di atas. Kelihatan signal dimasukkan menerusi non-inverting input IC op amp 741, maka akan menghasilkan signal output yang masih sefasa dengan signal input yang diberi. Gandaan bagi litar amplifier boleh diset untuk apa-apa nilai dengan memilih R1 dan R2 tetapi lebih tinggi nilai gandaan maka lebih rendah nilai bandwith kepada amplifier. Perhatikan juga dimana R3 berfungsi membekalkan suatu laluan DC ground untuk bias current. Nilai gandaan akan jatuh 3 dB pada frekuensi dimana reactance bagi C1 bersamaan R3 iaitu XC1 = 1/ 2π R3 C. Perintang R4 boleh digunakan untuk set output voltage kepada zero tetapi boleh diabaikan sekiranya punca keluaran amplifier ini hendak dijodohkan kepada peringkat seterusnya melalui capacitor.






5.    PENGIKUT VOTEJ DC (DC VOLTAGE FOLLOWER)

                   
                                  
                   Rajah 10, Gandaan uniti DC voltage follower

Dengan ciri-ciri:

Input   Z = sangat tinggi
Output Z < 1 Ω
Gain (gandaan) = 1
Bandwidth = 1MHz

Suatu penjodohan terus dengan gandaan uniti ditunjukkan menerusi rajah 10 seperti di atas. Menggunakan jenis dua simeteri power supply dan litar ini sangat berguna untuk litar pemindahan galangan (impedance transformation). Menggunakan seratus peratus kesan negative feedback, mempunyai input impedance yang sangat tinggi dan output impedance yang sangat rendah. Frekuensi responnya boleh pergi sehingga 1 MHz. Satu lagi sumber signal input mesti menyediakan suatu laluan terus kepada ground kurang daripada 100kΩ untuk input bias current. Litar tersebut juga mampu membawa beban arus (load current) naik sehingga 10 mA.


6.    PENGIKUT VOLTEJ AC (AC VOLTAGE FOLLOWER)


                                      
                                Rajah 11, Penjodohan AC suatu voltage follower.

Suatu penjodohan AC dengan gandaan uniti voltage follower beroperasi di dalam single power supply ditunjukkan di dalam rajah 11 di atas. Pembahagi voltej (Voltage divider) R1 dan R2 membekalkan suatu DC voltage iaitu separuh kepada nilai voltage power supply kepada punca input non-inverting 741 IC, ini memberikan DC output voltage juga pada kedudukkan setengah power supply voltage. Oleh itu output signal voltage akan sentiasa berayun dalam lingkungan di atas dan di bawah nilai tersebut. Dimana menggunakan capacitor untuk penjodohan AC bagi peringkat seterusnya dan tidak memerlukan litar offset null.  Input impedance di dalam litar ini adalah bersamaan kepada R1 dan R2 secara selari, contoh 500kΩ di dalam litar ini (1MΩ/2). Disebabkan menggunakan sambungan seratus peratus negative feedback maka output impedance nya juga adalah sangat rendah. Untuk kegunaan frekuensi rendah maka C1 dan C2 boleh ditukar dengan jenis electrolitic dengan nilai yang lebih besar, tetapi mestilah dipasang dengan polariti yang betul iaitu punca positive capacitor hendaklah disambung kearah punca tengah voltage divider atau mengikut mana-mana potential yang besar disitu.

Disediakan oleh: Roslan

Tiada ulasan:

Catat Ulasan

APA KOMEN ANDA.