FIG 14

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

6. Problem

1. Pendahuluan (kembali)

Dalam dunia elektronika, osilator merupakan rangkaian penting yang digunakan untuk menghasilkan sinyal gelombang periodik tanpa memerlukan sinyal input eksternal. Salah satu jenis osilator yang banyak digunakan adalah tuned oscillator, yaitu osilator yang menggunakan komponen induktif (L) dan kapasitif (C) dalam konfigurasi rangkaian resonansi (tank circuit) untuk menentukan frekuensi osilasi. Tuned oscillator banyak digunakan dalam aplikasi komunikasi radio, pemancar, penerima, serta berbagai perangkat yang memerlukan sumber frekuensi tetap dan stabil.

Tuned oscillator bekerja berdasarkan prinsip resonansi LC, yaitu kondisi di mana induktansi dan kapasitansi menghasilkan osilasi alami pada frekuensi tertentu. Ketika energi dialirkan ke dalam rangkaian LC, arus dan tegangan akan berosilasi pada frekuensi resonansi, yang ditentukan oleh nilai L dan C menurut rumus:

$f = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}$

Osilasi ini kemudian diperkuat dan dipertahankan oleh penguat aktif (biasanya transistor atau op-amp) dalam rangkaian umpan balik yang sesuai dengan kriteria Barkhausen, yakni total penguatan loop sama dengan satu dan total fasa adalah kelipatan 360°.

Beberapa jenis tuned oscillator yang umum digunakan antara lain:

Colpitts Oscillator
Hartley Oscillator
Clapp Oscillator

Setiap jenis memiliki konfigurasi LC dan metode umpan balik yang berbeda, namun prinsip dasarnya tetap sama: menciptakan osilasi stabil dengan frekuensi yang ditentukan oleh komponen resonansi.

2. Tujuan (kembali)

Memahami prinsip dasar kerja osilator yang menggunakan rangkaian resonansi LC (tuned circuit) dalam menghasilkan sinyal osilasi frekuensi tetap.
Mempelajari dan menganalisis cara kerja berbagai jenis tuned oscillator, seperti Colpitts, Hartley, dan Clapp oscillator, serta memahami perbedaan konfigurasi dan karakteristik masing-masing.
Menentukan frekuensi osilasi berdasarkan nilai komponen induktor (L) dan kapasitor (C) dengan menggunakan rumus resonansi:
$f = \frac{1}{2 π \sqrt{L C}}$
Melakukan simulasi rangkaian tuned oscillator menggunakan perangkat lunak komputer (misalnya Proteus atau Multisim) untuk mengamati bentuk gelombang output, kestabilan frekuensi, dan amplitudo osilasi.
Mengidentifikasi pengaruh nilai komponen terhadap frekuensi dan kestabilan osilasi, serta mengevaluasi performa rangkaian dalam menghasilkan sinyal sinusoidal yang stabil.

Meningkatkan keterampilan dalam merancang, menganalisis, dan memverifikasi rangkaian osilator sebagai dasar dalam pengembangan sistem komunikasi dan sinyal elektronika.

3. Alat dan Bahan (kembali)

Fig 14.28

1. Laptop/komputer dengan software Proteus (untuk simulasi rangkaian)

2. Multimeter digital atau voltmeter virtual (untuk pengukuran output dalam simulasi)

Bahan (komponen elektronik):

Operational Amplifier IC 741 – 1 buah
Resistor 10 kΩ – 1 buah
Resistor 100 kΩ – 1 buah
Kapasitor 1 nF – 2 buah
Induktor 1 mH – 1 buah
Power supply +5V dan -5V (simulasi virtual atau real)
Breadboard (jika dirakit secara fisik)
Kabel jumper (jika dirakit secara fisik)

Fig 14.29

1. Laptop/PC dengan software Proteus (versi sesuai kebutuhan)

2. Komponen rangkaian di dalam Proteus:

Field Effect Transistor (FET) – contoh: 2N3819 atau J201

Resistor:

R1 = 100 kΩ
R2 = 10 kΩ
R3 = 1 kΩ

Kapasitor:

C1 = 100 nF
C2 = 10 nF
C3 = 10 µF

Induktor:

L1 = 100 µH
L2 = 50 µH (atau tap pada L1 sesuai perancangan
RFC (Radio Frequency Choke) = 1 mH
Power supply DC (Vdd) = +12 V

Ground

3. Osiloskop virtual (pada Proteus) untuk pengamatan sinyal keluaran

4. Multimeter virtual (opsional, untuk pengukuran tegangan dan arus)

Fig 14.30

1. Laptop/PC dengan software Proteus Design Suite (versi terbaru atau sesuai kebutuhan).

2. Software pendukung seperti Multisim (jika digunakan untuk perbandingan) atau LTSpice (opsional).

3. Osiloskop virtual (tersedia dalam Proteus) untuk mengamati sinyal output.

4. Power supply virtual (dari Proteus) sebagai sumber tegangan DC.

Bahan (komponen yang digunakan dalam simulasi):

1. Transistor NPN (misalnya 2N2222 atau BC547) – 1 buah

2. Resistor:

R1 = 47 kΩ – 1 buah
R2 = 10 kΩ – 1 buah
RE (resistor emitor) = 1 kΩ – 1 buah

3. Kapasitor:

C1 (kapasitor kopling basis) = 0.01 µF – 1 buah
C2 (kapasitor resonansi) = 0.001 µF – 1 buah
C3 (kapasitor bypass emitor) = 10 µF – 1 buah
C4 (kapasitor output/coupling) = 0.01 µF – 1 buah

4. Induktor:

L1 dan L2 (dapat menggunakan transformator dengan tap tengah atau dua induktor terpisah) – 1 set

5. Transformator (jika digunakan untuk menggantikan L1 dan L2) – 1 buah

6. RFC (Radio Frequency Choke) – 1 buah (opsional tapi disarankan)

7. Ground – beberapa titik

8. Vcc (Sumber DC) – +12 V atau sesuai desain

4. Dasar Teori (kembali)

Fig 14.28

Oscillator adalah suatu rangkaian elektronik yang berfungsi menghasilkan sinyal periodik tanpa memerlukan sinyal input eksternal setelah dinyalakan. Sinyal yang dihasilkan dapat berupa gelombang sinusoidal, kotak, atau segitiga, tergantung pada jenis oscillator dan konfigurasi rangkaiannya. Oscillator banyak digunakan dalam berbagai perangkat elektronik seperti pemancar radio, televisi, sistem komunikasi, generator fungsi, dan peralatan laboratorium.

Salah satu jenis oscillator yang umum digunakan adalah Colpitts Oscillator, yang ditemukan oleh Edwin H. Colpitts pada tahun 1918. Colpitts Oscillator termasuk dalam kelompok LC oscillator, yaitu oscillator yang menggunakan elemen induktif (L) dan kapasitif (C) sebagai jaringan umpan balik untuk menentukan frekuensi osilasi. Ciri khas dari Colpitts Oscillator adalah penggunaan dua buah kapasitor yang disusun secara seri dan sebuah induktor yang dihubungkan paralel terhadap kombinasi kedua kapasitor tersebut. Kombinasi L dan C inilah yang membentuk rangkaian resonansi (tuned circuit) yang menentukan frekuensi osilasi.

Frekuensi osilasi pada Colpitts Oscillator ditentukan oleh persamaan:

f = (1/2π√L.Ceq)

Dengan:

Ceq = (C1.C2/C1+C2)

Dimana:

C1 dan C2 adalah kapasitor dalam jaringan umpan balik,

L adalah induktor dalam rangkaian.

Prinsip kerja oscillator ini didasarkan pada syarat Barkhausen, yaitu dua kondisi yang harus dipenuhi agar osilasi dapat terjadi:

1. Penguatan loop (loop gain) sama dengan atau lebih besar dari satu.

2. Pergeseran fasa total pada loop umpan balik sama dengan kelipatan 360° (atau 0°).

Dalam konfigurasi aslinya, Colpitts Oscillator menggunakan transistor sebagai penguat. Namun dalam perancangan ini, transistor diganti dengan operational amplifier (Op-Amp). Op-Amp digunakan untuk memberikan penguatan terhadap sinyal umpan balik sehingga osilasi dapat dipertahankan secara berkelanjutan. Dengan penggunaan Op-Amp, beberapa keunggulan diperoleh, seperti kemudahan pengaturan gain, desain yang lebih sederhana, serta kestabilan yang lebih baik pada frekuensi tertentu.

Rangkaian Op-Amp Colpitts Oscillator bekerja dengan cara memberikan umpan balik positif dari output menuju input inverting (-) melalui jaringan LC. Non-inverting input (+) dihubungkan ke ground. Agar terjadi osilasi, penguatan harus cukup untuk mengkompensasi rugi-rugi dalam jaringan resonansi. Resistor feedback (Rf) dan resistor input (Ri) digunakan untuk mengatur tingkat penguatan Op-Amp.

Jika penguatan terlalu kecil, osilasi tidak akan terjadi atau cepat meredam. Jika penguatan terlalu besar, bentuk gelombang output dapat terdistorsi. Oleh karena itu, pengaturan nilai Rf,Ri,C1,C2 dan L sangat penting untuk mendapatkan osilasi yang stabil dan sinyal sinusoidal yang mendekati ideal.

Colpitts Oscillator banyak digunakan dalam aplikasi komunikasi, pemancar sinyal radio, serta rangkaian oscillator RF (radio frequency) karena kemampuannya menghasilkan sinyal frekuensi tinggi dengan kestabilan yang baik. Selain itu, oscillator ini juga dapat digunakan sebagai sumber frekuensi lokal dalam sistem superheterodyne.

Dalam praktikum ini, dilakukan perancangan dan simulasi rangkaian Op-Amp Colpitts Oscillator menggunakan software Proteus. Tujuannya adalah untuk mempelajari prinsip kerja oscillator, menganalisis bentuk gelombang output, serta memahami pengaruh nilai komponen terhadap frekuensi osilasi. Hasil simulasi diharapkan dapat memberikan gambaran mengenai cara kerja dan karakteristik oscillator ini secara lebih nyata.

Fig 14.29

Osilator adalah rangkaian elektronik yang digunakan untuk menghasilkan sinyal gelombang periodik tanpa memerlukan sinyal input eksternal. Sinyal yang dihasilkan dapat berupa gelombang sinus, kotak, segitiga, dan lainnya, tergantung jenis osilator yang dirancang. Osilator banyak digunakan dalam berbagai bidang, seperti komunikasi radio, sistem kontrol, instrumen pengukuran, dan pengolahan sinyal.

Salah satu jenis osilator yang banyak digunakan adalah Hartley oscillator, yang termasuk dalam kategori osilator LC (menggunakan induktor dan kapasitor sebagai elemen tangki resonansi). Hartley oscillator pertama kali ditemukan oleh Ralph Hartley pada tahun 1915. Ciri khas Hartley oscillator adalah penggunaan induktor dengan tap atau dua induktor yang disusun secara seri, yang berfungsi sebagai pembagi tegangan untuk menciptakan umpan balik (feedback) positif. Umpan balik ini sangat penting agar osilasi dapat terus berlangsung tanpa mengalami peluruhan.

Prinsip kerja Hartley oscillator didasarkan pada resonansi LC, yaitu kondisi ketika reaktansi induktif dan kapasitif saling meniadakan pada frekuensi tertentu, sehingga menghasilkan osilasi. Frekuensi osilasi (f) dari Hartley oscillator dapat dihitung menggunakan rumus:

di mana:

f = (1/2π√(L1+L2)C)

L1 = induktansi bagian pertama
L2 = induktansi bagian kedua
C = kapasitansi pada tangki resonansi

Dalam Hartley oscillator berbasis Field Effect Transistor (FET), FET berperan sebagai penguat sinyal dan memberikan impedansi input yang tinggi. Hal ini penting agar rangkaian resonansi (LC) tidak terbebani secara signifikan, sehingga osilasi tetap stabil. FET memiliki tiga terminal utama, yaitu gate (G), source (S), dan drain (D). Dalam konfigurasi osilator, umpan balik biasanya dihubungkan ke gate, output diambil dari drain, dan source di-ground-kan (common source configuration).

Umpan balik positif yang cukup besar diperlukan untuk memenuhi kriteria Barkhausen, yaitu syarat agar osilator dapat berosilasi secara kontinu. Kriteria ini menyatakan bahwa:

1. Besarnya penguatan loop harus sama atau lebih besar dari 1.

2. Fase total dari sinyal yang melalui loop harus kelipatan 0° atau 360° (tidak terjadi pergeseran fase total).

Selain itu, dalam Hartley oscillator ditambahkan komponen Radio Frequency Choke (RFC) pada jalur power supply untuk menghalangi sinyal AC masuk ke sumber daya dan hanya melewatkan komponen DC.

Dengan memanfaatkan karakteristik FET, Hartley oscillator mampu menghasilkan osilasi dengan distorsi yang rendah, kestabilan frekuensi yang baik, dan konsumsi arus bias yang lebih kecil dibandingkan dengan penggunaan Bipolar Junction Transistor (BJT).

Pada praktikum ini, Hartley oscillator dirancang dan disimulasikan menggunakan software Proteus, dengan tujuan untuk mempelajari respon rangkaian, memahami peran setiap komponen, serta mengamati pengaruh variasi nilai induktansi dan kapasitansi terhadap frekuensi osilasi yang dihasilkan.

Fig 14.30

Osilator merupakan rangkaian elektronik yang mampu menghasilkan sinyal periodik tanpa memerlukan sinyal masukan eksternal. Sinyal ini dapat berbentuk gelombang sinus, kotak, atau segitiga, tergantung pada jenis osilator dan konfigurasi rangkaiannya. Dalam banyak aplikasi seperti komunikasi radio, sistem waktu, dan pemrosesan sinyal, osilator menjadi komponen utama yang sangat penting.

Salah satu jenis osilator yang banyak digunakan adalah osilator LC, yaitu osilator yang menggunakan kombinasi induktor (L) dan kapasitor (C) untuk membentuk rangkaian resonansi atau tank circuit. Dalam rangkaian ini, energi bolak-balik disimpan dan dipertukarkan antara medan listrik pada kapasitor dan medan magnetik pada induktor. Frekuensi osilasi dari rangkaian LC ditentukan oleh rumus:

di mana:

f = (1/2π√L.C)

f adalah frekuensi osilasi (Hz),

L adalah induktansi total (Henry),

C adalah kapasitansi (Farad).

Hartley Oscillator adalah salah satu bentuk osilator LC yang menggunakan dua induktor (atau satu induktor dengan tap tengah) dan satu kapasitor dalam rangkaian tank-nya. Ciri khas dari osilator ini adalah pembagian induktansi menjadi dua bagian, yaitu L1 dan L2, di mana titik tengahnya digunakan untuk mengumpan balik sinyal ke basis transistor. Umpan balik ini harus berfasa positif agar osilasi dapat terjadi secara berkelanjutan, sesuai dengan kondisi Barkhausen, yaitu:

1. Penguatan total dalam loop = 1 (atau lebih besar dari 1 saat awal osilasi),

2. Perubahan fasa total dalam loop = 0° atau kelipatan 360°.

Pada Hartley Oscillator, transistor berfungsi sebagai penguat, memperkuat sinyal dari rangkaian resonansi dan mengumpankannya kembali ke rangkaian input. Dengan konfigurasi ini, rangkaian mampu mempertahankan osilasi tanpa adanya sinyal luar.

Induktansi total dalam Hartley Oscillator dihitung sebagai:

Ltotal = L1+L2

Maka, frekuensi osilasi dapat ditentukan dengan:

(1/2π√(L1+L2)C)

Hartley Oscillator memiliki kelebihan dalam kestabilan frekuensi dan kemudahan tuning (penyetelan frekuensi), sehingga banyak digunakan dalam pemancar radio, generator sinyal, serta aplikasi frekuensi menengah dan tinggi lainnya.

6. Problem (kembali)

soal 1:

Rancanglah rangkaian Op-Amp Colpitts Oscillator yang menghasilkan frekuensi osilasi sebesar 100 kHz. Gunakan kapasitor identik $C_1 = C_2$ , dan pilih nilai induktor $L = 10 \, \mu H$ . Tentukan nilai kapasitor $C_1$ dan $C_2$ , serta jelaskan prinsip kerja osilator ini.

Jawaban:

Nilai komponen:

$C_1 = C_2 = 5.07 \, nF$
$L = 10 \, \mu H$

Prinsip kerja:
Colpitts oscillator menggunakan dua kapasitor dan satu induktor untuk membentuk jaringan resonansi. Op-amp digunakan sebagai penguat dengan umpan balik positif dari pembagi tegangan kapasitor. Resonansi antara L dan kapasitor menghasilkan osilasi pada frekuensi tertentu.

soal 2:

Sebuah FET Hartley Oscillator dirancang menggunakan induktor terbelah $L_1 = 47 \, \mu H$ , $L_2 = 47 \, \mu H$ , dan kapasitor $C = 100 \, pF$ . Hitung frekuensi osilasi yang dihasilkan. Jelaskan keuntungan penggunaan FET dalam osilator ini dibandingkan transistor BJT.

Jawaban:

Keuntungan FET:

Impedansi input tinggi → tidak membebani rangkaian LC.
Noise rendah → lebih stabil dalam aplikasi RF.
Konsumsi daya lebih kecil dibanding BJT.

soal 3:

Sebuah rangkaian Transistor Hartley Oscillator menggunakan transistor NPN umum (misal 2N2222) dengan induktor $L_1 = 68 \, \mu H$ , $L_2 = 33 \, \mu H$ , dan kapasitor $C = 82 \, pF$ . Hitunglah frekuensi osilasi serta sebutkan syarat osilasi terjadi pada rangkaian ini.

Jawaban:

Syarat osilasi (Barkhausen criteria):

Gain loop harus lebih besar atau sama dengan 1:
$A \cdot \beta \geq 1$ , di mana $\beta$ adalah rasio umpan balik dan $A$ adalah gain transistor.
Fase total loop = 0° atau kelipatan 360°:
Hartley menggunakan umpan balik induktif, fase terjaga dari kolektor ke basis.

7. Soal Latihan (kembali)

soal 1:

Pada rangkaian Op-Amp Colpitts Oscillator, fungsi utama dari dua buah kapasitor (C1 dan C2) yang dipasang secara seri adalah:

A. Mengatur penguatan Op-Amp
B. Menyaring noise dari catu daya
C. Membentuk jaringan umpan balik dan menentukan frekuensi osilasi
D. Menurunkan arus input

Jawaban:

C. Membentuk jaringan umpan balik dan menentukan frekuensi osilasi

Pembahasan:
C1 dan C2 membentuk pembagi tegangan kapasitif yang memberikan umpan balik dari keluaran ke input Op-Amp secara positif. Bersama dengan induktor, mereka menentukan frekuensi osilasi.

soal 2:

Keunggulan utama penggunaan FET dibanding BJT dalam Hartley Oscillator adalah:

A. Daya output lebih besar
B. Memiliki impedansi input tinggi sehingga tidak membebani rangkaian resonansi
C. Harga lebih murah
D. Memiliki tegangan breakdown lebih tinggi

Jawaban:
B. Memiliki impedansi input tinggi sehingga tidak membebani rangkaian resonansi

Pembahasan:
FET memiliki impedansi input yang sangat tinggi, sehingga tidak menarik arus dari rangkaian LC. Hal ini penting untuk menjaga kualitas dan kestabilan osilasi.