Kelompok 4BAB 4

Ahmad Nuryana

Binsar Samuel S

Sarah Adhitia R

Sri Siti A.S

Perkenalan: Komponen Aktif

Contoh perangkat aktif: Perangkat seperti bipolar atau semikonduktor oksida logam (MOS) transistor.

Perangkat ini dapat memperkuat sinyal.

Secara keseluruhan semua perangkat ini disebut sebagai elec-tronics.

Transistor dibuat dari bahan semikonduktor (silikon dan galium arsenide) yang disebut chip atau sirkuit terpadu.

Puluhan bipolar atau ribuan MOS transistor dapat dibuat dan saling berhubungan pada satu chip untuk membentuk lengkap fungsi sirkuit yang kompleks atau sistem.

4.2 Analog Sirkuit

Studi tentang sirkuit elektronik, di mana input dan output terus-menerus bervariasi, dikenal sebagai analog elektronik.

Amplifier diskrit

Transistor dapat digunakan untuk membuat amplifier diskrit. Gambar 4.1 menunjukkan rangkaian bipolar diskrit (tipe NPN) dan MOS (N channel) amplifier untuk memperkuat sinyal ac. Perbedaan tingkat input dan output dc operasi poin, dikombinasikan dengan pergeseran suhu, memerlukan isolasi kapasitif antara setiap tahap, serta dengan penerapan umpan balik resistif langsung.

Misalnya, jika perangkat diskrit disuplai dari 9 V , input dc tingkat Bias akan menjadi sekitar 3 V, dan simetri output tingkat dc keluaran akan menjadi sekitar 6 V.

Sebuah perangkat bipolar adalah penguat arus, dan gain yang diberikan oleh

Gain (b) = ΔIC (kolektor I yg berubah) / ΔIB (basis I berubah)

Sebuah perangkat MOS memiliki transkonduktansi (transfer masuk) yang merupakan perubahan arus keluaran untuk perubahan tegangan input. Transkonduktansi diberikan oleh Transkonduktansi (m) = ΔIS (sumber Perubahan I) / ΔEG (gerbang perubahan V)

(4.2)

Kedua beta dan myu, dan parameter perangkat lain tergantung suhu, sehingga mendapatkan dan titik operasi akan bervariasi dengan suhu.

Contoh 4.1 Pada Gambar. 4.1 b perangkat MOS memiliki masuk transfer 4,5 mA / V. Jika resistansi beban 5 kΩ

stage apa di gain?

Gain = myu × 5 kΩ = 4,5 mA / V × 5 kΩ = 22,5

Sinyal sensor biasanya sinyal dc tingkat rendah, yang harus diperkuat

sebelum mereka dapat ditularkan ke unit kontrol pusat, atau digunakan untuk mengoperasikan indikator atau aktuator. Amplifier diskrit tidak cocok untuk penguatan sinyal sensor karena pergeseran suhu dan variasi gain.

4.2.2 Penguat operasional

Rangkaian terintegrasi memungkinkan untuk menghubungkan beberapa perangkat aktif pada satu chip untuk membuat penguat operasional ( op - amp ) , seperti LM741/107 tujuan umum op - amp . Ini rangkaian penguat kecil - satu, dua , atau empat dapat dikemas dalam plastik ganda paket inline tunggal ( DIP ) atau paket serupa ( lihat Gambar . 4.2a ) .

Semua perangkat diskrit secara terpadu sirkuit yang diproduksi sebagai sebuah kelompok , memberi mereka semua karakteristik serupa , dan saat mereka berada di dekat , mereka berada pada suhu yang sama . Dengan demikian, terpadu op - amp dapat dirancang untuk mengatasi sebagian besar masalah yang dihadapi dalam amplifier perangkat diskrit . Hal ini dicapai dengan menggunakan pasangan perangkat untuk menyeimbangkan karakteristik masing-masing, meminimalkan penyimpangan suhu , dan pasangan yang saling melengkapi untuk membangun kembali tingkat operasi dc . Hasil akhirnya adalah tujuan umum amplifier yang memiliki gain tinggi dan pergeseran dc rendah , sehingga dapat memperkuat dc serta sinyal ac .

Ketika input adalah 0 V , tegangan output adalah 0 V , atau dapat dengan mudah disesuaikan menjadi 0 V dengan penyesuaian nol offset

Op-amp membutuhkan jumlah minimal komponen eksternal. Umpan balik langsung mudah berlaku, memberikan karakteristik gain stabil dan output dari satu penguat dapat masuk langsung ke input dari penguat berikutnya.

Op-amp memiliki input ganda, satu yang merupakan masukan yang positif, yaitu, output dalam fase dengan input; dan lainnya adalah input negatif, yaitu, output terbalik dari input, sehingga tergantung pada input yang digunakan, perangkat ini dapat memiliki output terbalik atau inversi dan dapat memperkuat sinyal sensor diferensial atau dapat digunakan untuk membatalkan kebisingan listrik, yang sering kebutuhan dengan sinyal sensor tingkat rendah.

Op-amp juga tersedia dengan output ganda, yaitu, kedua output akan positif dan negatif yang tersedia. Op-amp yang tersedia di kedua bipolar dan Teknologi MOS.

Skema representasi dari sebuah op-amp ditunjukkan pada Gambar. 4.2b. Spesifikasi dan operasi karakteristik bipolar penguat operasional seperti LM 741/107 dan tujuan umum MOS dan kinerja tinggi op-amp dapat ditemukan dalam manufaktur semikonduktor katalog.

Banyak amplifier menggunakan kontrol diimbangi ketika memperkuat sinyal kecil untuk mengatur output dc penguat ke nol ketika input dc adalah nol. Dalam kasus LM 741/107 ini dicapai dengan menghubungkan potensiometer (47 k) antara offset poin nol dan mengambil wiper ke jalur suplai negatif, seperti yang ditunjukkan

pada Gambar. 4.3.

Dalam Gambar. 4.4 di op-amp dikonfigurasi sebagai penguat pembalik tegangan. resistor R1 dan R2 membagi umpan balik, yaitu, beberapa sinyal output adalah feedback untuk input.

Besar faktor penguatan di op-amp cenderung membuat beberapa mereka tidak stabil dan menyebabkan pergeseran dc titik operasi dengan suhu.

Umpan balik menstabilkan penguat, meminimalkan dc drift, dan menetapkan keuntungan untuk diketahui nilai. Ketika sinyal tegangan input dimasukkan ke terminal negatif dari op-amp, seperti pada Gambar. 4.4a, sinyal keluaran akan terbalik. Dalam konfigurasi ini untuk penguat highgain, gain tegangan tinggi mendekati rumus

Gain tegangan dari penguat dapat disesuaikan dengan nilai yang berbeda dari R2 atau dapat divariasikan dengan menambahkan potensiometer secara seri dengan R2. Ketika inputsinyal dimasukkan ke terminal positif rangkaian noninverting, konfigurasi seperti ditunjukkan pada Gambar. 4.4b. Gain tegangan dalam hal ini mendekati Rumus

Dalam konfigurasi ini gain penguat adalah 1 ditambah rasio resistor, sehingga gain tidak berbeda secara langsung dengan rasio resistor. Konfigurasi ini tidak, Namun, memberikan impedansi input tinggi (yang dari op-amp) dan rendah-output impedansi.

4.2.3 Amplifier arus

Perangkat yang memperkuat arus yang disebut sebagai penguat arus. Namun, dalam instrumentasi industri konverter tegangan ke arus kadang-kadang disebut sebagai penguat arus. Gambar 4.6ashows penguat arus dasar.

Maka :

Dan hubungan resistornya adalah

4.2.4 Differential amplifier

Sebuah penguat diferensial adalah penguat input ganda yang menguatkan perbedaan antara dua sinyal, sehingga outputnya adalah gain dikalikan dengan besarnya perbedaan antara dua sinyal. Salah satu sinyal dimasukkan ke negatif

input dari op-amp dan sinyal lainnya diumpankan ke input positif dari op-amp.

Oleh karena itu sinyal yang dikurangi sebelum diperkuat. Gambar 4.6b menunjukan dasar penguat diferensial tegangan. Tegangan keluaran diberikan oleh

Sinyal juga dapat dikurangi atau ditambahkan dalam jaringan resistor sebelum amplifikasi

4.2.5 Buffer amplifier

Sebuah pencocokan impedansi op-amp disebut penguat penyangga. Amplifier tersebut memiliki umpan balik untuk memberikan gain tegangan kesatuan, impedansi masukan yang tinggi (banyak megaohms), dan impedansi output yang rendah (<20 Ω), penguat seperti ditunjukkan pada Gambar. 4.7b. Di konteks ini impedansi digunakan untuk menutupi kedua impedansi ac dan resistensi dc.

Sirkuit memiliki kedua input dan output impedansi. Pengaruh pembebanan pada sirkuit dapat dilihat pada Gambar. 4.8a. Resistor pembagi memberikan tegangan output dari 8 V dan impedansi output dari 2,7 kΩ (efektif impedansi ini adalah 4 kΩin paralel dengan 8 kΩ). Jika pembagi ini dimuat dengan rangkaian dengan impedansi input 2 kΩ, tegangan output akan turun dari 8 sampai 3,43 V. Sebuah penguat penyangga dapat digunakan seperti ditunjukkan pada Gambar. 4.8bto sesuai input impedansi dari rangkaian kedua sirkuit pertama, sehingga memberikan tegangan output dari 8 V di 2 kΩload.

Nonlinear amplifiers

Many sensors have a logarithmic or nonlinear transfer characteristic and such devices require signal linearization. This can be implemented by using amplifiers with nonlinear characteristics. These are achieved by the use of nonlinear elements such as diodes or transistors in the feedback loop. Figure 4.9 shows two examples of nonlinear amplifiers using a diode in the feedback loop. In (a) the amplifier is configured as a logarithmic amplifier and in (b) the amplifier is configured as an antilogarithmic amplifier. Combinations of resistors and non-linear elements can be chosen to match the characteristics of many sensors for linearization of the output from the sensor.

Instrument amplifier

Because of the very high accuracy requirement in instrumentation, the op-amp circuits shown in Fig. 4.4 are not ideally suited for low-level instrument signal amplification. The op-amp can have different input impedances at the two inputs, the input impedances can be relatively low and tend to load the sensor output, can have different gains at the inverting and non-inverting inputs, and common mode noise can be a problem. Op-amps configured for use as an instrument amplifier is shown in Fig. 4.10. This amplifier has balanced inputs with very high input impedance and good common-mode noise reduction. Gain is set by RA.

The output voltage is given by :

Figure 4.11 shows a practical circuit using an instrumentation amplifier to amplify the output signal from a resistive bridge. R6 is used to adjust for any zero signal offset.

Amplifier applications

In process control, amplifiers are used in many applications other than signal amplification, filtering, and linearization. Some of these applications are as follows:• Capacitance multiplier• Gyrator• Sine wave oscillators• Power supply regulators• Level detection• Sample and hold• Voltage reference• Current mirrors• Voltage-to-frequency converters• Voltage-to-digital converters• Pulse amplitude modulation

More information on the design and use of these circuits can be found in analog electronic text books and the like.

Digital Circuits

The study of electronic circuits where the inputs and outputs are limited to two fixed or discrete values or logic levels is called digital electronics. Digital technology would take many volumes to do it justice, so in this text we can only scratch the surface. There is a place for both analog and digital circuits in instrumentation. Sensors and instrumentation functions are analog in nature. However, the digital circuits have many advantages over analog circuits. Analog signals are easily converted to digital signals using commercially available analog-to-digital converters (ADC). In new designs, digital circuits will be used wherever possible. Some of the advantages of digital circuits are : Lower power requirements More cost effective Can transmit signals over long distances without loss of accuracy

and elimination of noise High-speed signal transmission Memory capability for data storage Controller and alpha numeric display compatible

Digital signals

Digital signals are either high or low logic levels. Most digital circuits use a 5-V supply. The logic low (binary 0) level is from 0 to 1V, the logic high (binary1) level is from 2 to 5V; 1 to 2 V is an undefined region, i.e., any voltage below 1 V is considered a 0 level and any voltage above 2 V is considered a 1 level. In circuits where the supply voltage is other than 5 V, a 0 level is still considered as a 0 V level or the output drivers are sinking current, i.e., connecting the output terminal to ground, and a 1 level is close to the supply voltage or the output drivers are sourcing current, i.e., connecting the output terminal to the supply rail.

Binary numbers

We use the decimal system (base 10) for mathematical functions, where as electronics uses the binary system (base 2) to perform the same functions. The rules are the same when performing calculations using either of the two numbering systems (to the base 10 or 2). Table 4.1 gives a comparison between counting in the decimal and binary systems. The least significant bit (LSB) or unit number is the right-hand bit. In the decimal system when the unit numbers are used we go to the tens, that is, 9 goes to10, and when the tens are used we go to the hundreds, that is, 99 goes to 100 and so forth. The binary system is the same when the 0 and 1 are used in the LSB position, then we go to the next position and so on, that is, 1 goes to 10,11 goes to 100, and 111 goes to 1000, and so forth. The only difference is that, to represent a number it requires more digits when using a binary system than in the decimal system. Binary numbers can be easily converted to decimal numbers by using the power value of the binary number. Table 4.2 gives the power value of binary numbers versus their location from the LSB and their decimal equivalent. Note that when counting locations, the count starts at 0 and not, as might be expected, at 1. Each binary digit is called a bit, 4 bits are defined as a nibble, 8 bits form a byte, and 2 bytes or 16 bits are called a word. A word is often broken down into 4 nibbles, where each nibble is represented by a decade number plus letters as shown in Table 4.3. Thus, a word can be represented by 4 decade numbers plus the first six letters of the alphabet. This system is known as the hexadecimal system.

Binary circuits are synchronized by clock signals which are referenced to very accurate crystal oscillators (< ±0.001 percent), using counters and dividers. The clock signal can be used to generate very accurate delays and timing signals, compared to RC-generated delays and timing which can have tolerances of > ±10 percent, so that delays and timing will be done almost entirely by digital circuits in new equipment.

LOGIC CIRCUITS

Blok dasar pada digital circuits disebut gerbang logika . Ini adalah buffer , inverter , AND, NAND , OR , NOR , XOR , XNOR dan . Blok dasar ini saling dihubungkan untuk membangun blok fungsional seperti encoders , dekoder, register , multiplexer , demultiplexer, dan sejenisnya . Blok fungsional kemudian saling berhubungan untuk membuat sistem yaitu , kalkulator , komputer, mikroprosesor , jam , fungsi generator , pemancar , penerima , instrumen digital , ADC, dan digital ke analog konverter (DAC), dan sejenisnya.

Gambar 4.12a menunjukkan rangkaian MOS komplementer ( CMOS ) inverter. Sirkuit tersebut menggunakan kedua N dan P channel perangkat pelengkap ( catatan perangkat simbol ) .

Gambar 4.12b menunjukkan simbol gates setara. Ketika input ke gates rendah ( 0 ) positif - channel MOS ( PMOS ) adalah " ON " dan MOS negatif (NMOS) adalah " OFF " sehingga output yang tertinggi ( 1 ) , dan ketika input tinggi ( 1 ) PMOS adalah " OFF " dan NMOS adalah " ON " , output rendah (0) , sehingga tanda masukan terbalik pada output . Salah satu perangkat MOS selalu " OFF " , sehingga sirkuit tidak menarik arus dari suplai (kecuali selama switching ) membuat sirkuit CMOS sangat hemat daya.

Analog-to-digital conversion

Amplitudo sinyal analog dapat diwakili oleh sejumlah digital, misalnya, kata 8-bit dapat mewakili angka sampai dengan 255, sehingga dapat mewakili tegangan analog atau arus dengan akurasi 1 di 255 (asumsi konversi akurat untuk 1bit) atau ketepatan 0,4 persen. Terintegrasi komersial A / D converter yang tersedia untuk instrumen aplikasi tasi. Beberapa teknik yang digunakan untuk konversi analog sinyal-sinyal digital, diantaranya :1. Flash converters 2. Successive approximation 3. Resistor ladder networks 4. Dual slope converters

Gambar . 4.13a, dengan bentuk gelombang yang ditunjukkan pada Gambar . 4.13b, N- channel transistor efek medan ( FET ) di sirkuit sampel-dan -terus memiliki impedansi rendah ketika dinyalakan " ON " dan sangat tinggi impedansi ketika dinyalakan " OFF " . Tegangan C follows kapasitor input tegangan analog ketika FET " ON " dan memegang tingkat dc analog volt ketika FET diaktifkan " OFF " . Selama " OFF " periode ADC langkah ures tingkat dc tegangan analog dan mengubahnya menjadi sinyal digital . Sebagai frekuensi sampling ADC jauh lebih tinggi daripada frekuensi analog sinyal, amplitudo bervariasi dari sinyal analog dapat direpresentasikan dalam sebuah penggalian.Format ital setiap periode sampel dan disimpan dalam memori . Sinyal analog dapat diregenerasi dari sinyal digital menggunakan DAC .

Gambar 4.14a menunjukkan diagram blok dari ADC 0804 , komersial 8 - bitADC .Input analog dikonversi ke byte informasi digital setiap beberapamilidetik . Sebuah alternatif untuk ADC adalah konverter tegangan ke frekuensi. Dalam hal ini tegangan analog diubah ke frekuensi. Unit komersial seperti LM 331 ditunjukkan pada Gambar. 4.14b tersedia untuk konversi ini.Perangkat ini memiliki hubungan linier antara tegangan dan frekuensi. Karakteristik operasi dari perangkat diberikan dalam produsen 'lembar data.

Perhitungan sirkuit

Sirkuit analog bisa menggunakan bipolar atau MOS-yang dipadukan dengan penguat.

Op-amp bipolar cenderung memiliki masukan dc yang lebih rendah tapi dapat mengimbangi, tapi MOS op-amp memiliki impedansi masukan yang tinggi.

Sejak banyaknya of-amps dan penguat-penguat khusus yang tersedia, lembar data dari para produsen harus dikonsultasikan untuk memutuskan penguat mana yang paling cocok untuk aplikasi tertentu.

Sirkuit digital dapat dibagi menurut jumlah yang digabungkan ke dalam chip silikon tunggal ke skala yang kecil, skala menengah dan penggabungan skala besar (sampai 100 perangkat) seperti SN 54/74 bagian dari sirkuit digital, baik bipolar dan CMOS digunakan keduanya.

Jenis perangkat ini berisi gerbang dan blok-blok bangunan kecil. skala menengah yang digabungkan (lebih dari 100,000 perangkat) hanya akan menggunakan perangkat-perangkat CMOS. Ini karena syarat tenaga yang terlalu banyak, pembuangan tinggi, dan ukuran perangkat bipolar yang relatif besar.

Sirkuit tersebut yang mengandung blok-blok bangunan besar pada chip tunggal.

Sirkuit skala besar yang digabungkan berisi lebih dari 1.000.000 perangkat, dan menggunakan teknologi CMOS. Alat ini digunakan untuk memori besar, mikroprosesor, dan mikrokontroler, dan sirkuit tersebut dapat berisi beberapa juta perangkat.

Sistem yang mengandung gerbang yang banyak sekarang menggunakan programmable logic array (PLA) untuk menggantikan SN 54/74 bagian dari perangkat gerbang, sebagai salah satu perangkat ini dapat menggantikan banyak perangkat gerbang, membutuhkan daya yang lebih kecil, dan dapat dikonfigurasi (diprogram) oleh pengguna produk untuk melakukan semua diperlukan fungsi sistem.