BAB 5E UMPAN BALIK NEGATIF

Bab VE, Umpan Balik Negatif

Hal 217

BAB 5E UMPAN BALIK NEGATIF Dengan pemberian umpan balik negatif kualitas penguat akan lebih baik hal ini ditunjukkan dari : 1. pengutannya lebih stabil, karena tidak lagi dipengaruhi oleh komponen-komponen internal dari penguat, melainkan hanya dari komponen-komponen umpan baliknya. 2. hambatan dalam output dan input tidak lagi bergantung pada parameter-parameter internal transistor, misalnya hie dan hoe. Namun bergantung pada komponen luarnya saja. 3. tanggapan frekensi menjadi lebih lebar baik pada LF maupun pada HF. 4. pada kondisi tertentu nonlinearitas (distorsi harmonik) dan rasio S/N dari penguat dapat diperbaiki. Disamping keuntungan-keuntungan tentunya ada yang harus dikorbankan, yaitu: 1.

2.

penguatan sinyal menjadi lebih kecil. Kekurangan ini tidak begitu berarti karena dengan menggunakan op-amp penguatan 104 sudah demikian murahnya. jika menggunakan banyak besaran umpan balik akan cenderung tidak stabil yaitu kecenderungan berosilasi dan menghasilkan sinyal tegangan output yang tidak diinginkan. Sehingga perancangan NFB perlu kehati-hatian.

Pengaruh Umpan Negatif Balik pada Penguatan Blok umum dari umpan balik negatif digambarkan sbb:

Sastra Kusuma Wijaya

FISIKA FMIPA UI

Diktat Elektronika I

Bab VE, Umpan Balik Negatif Vs

+ M -

Hal 218

Vi=Vs-Vf

Vo=AV i

A Vf=βVo β

Gambar 1, Umpan Balik Secara Umum Besaran Vs merupakan tegangan sinyal sumber dapat berupa tegangan maupun arus, Vo adalah tegangan output sebagian diumpan balikan dengan menggunakan rangkaian β dengan output dari rangkaian β sebesar Vf = βVo. Sinyal tsb digabung dengan sinyal sumber Vs dengan rangkaian M, sehingga output yang keluar dari rangkaian M adalah Vi = Vs - Vf. Jika A adalah penguatan tanpa umpan balik yaitu A=Vo/Vi , maka penguatan dengan umpan balik negatif adalah

Afb = atau Afb =

Vo AVi AVi AVi = = = Vs Vi + V f Vi + β Vo Vi + AβVi

A 1+ β A

Terlihat bahwa penguatan karena umpan balik masih dipengaruhi oleh A (yaitu pengutan dari penguat), agar penguatan tidak bergantung pada parameter penguat, maka gunakan βA >> 1, sehingga: Afb =

A 1 = βA β

Terlihat bahwa penguatan hanya bergantung pada faktor umpan baliknya saja (β).


FISIKA FMIPA UI



Hal 219

Contoh: Jika penguat dirancang dengan β = 0,1 dengan penguat yang dipakai adalah Av = 1000, maka faktor penguatan Aβ = 100, maka Afb = 1000/101 ~ 10. Sedangkan jika penguat tsb berubah penguatannya menjadi Av = 500, maka penguatan karena umpan balik menjadi Afb = 500/501 ~ 10. Terlihat disini bahwa walaupun penguat tadi berubah penguatannya (karena faktor ekternal seperti suhu), namun penguatan karena umpan balik praktis tidak berubah, yaitu ~ 10. Stabilitas Penguatan Dari penguatan karena umpan balik Afb =

A 1+ β A

dapat dicari

stabilitas penguatan yaitu : dA fb

−

1 (1 + β ) 2

dA dA 1 dA ∴ fb = A fb 1 + β A A

artinya perubahan penguatan dA berkurang sebesar 1/(1+βA) bila menggunakan umpan balik negatif. Contoh: Jika A = 1000 ± 200 yaitu kesalahan penguatan tsb 20%, dengan menggunakan umpan balik negatif β = 0,01 maka kesalahnnya menjadi 2%, dengan Afb = 100 ± 2. Pengaruh Umpan Balik Negatif pada Lebar Frekuensi Karakteristik tanggapan frekuensi dikembangkan untuk 1.

tanggapan frekuensi rendah, penguatan berkurang dengan AVo , dengan f1 berkurangnya frekuensi, sesuai dengan AVL = 1 − j f1 f


FISIKA FMIPA UI



2. 3.

Hal 220

adalah frekuensi cut-off (3 dB) untuk tanggapan frekuensi rendah. tanggapan frekunesi medium, penguatan praktis tetap untuk daerah ini, yaitu Avo. tanggapan frekuensi tinggi, penguatan berkurang dengan AVo , dengan bertambahnya frekuensi, sesuai dengan AVH = 1 + j f f2 f2 adalah frekuensi cut-off (3 dB) untuk tanggapan frekuensi tinggi. Secara

umum

dengan

pemberian

umpan

balik negatif A demikian penguatannya akan berkurang, sesuai dengan Afb = 1+ β A juga penguatan untuk setiap tanggapan frekuensi. Pada kasus HF akibat umpan balik negatif adalah : AVo (1 + j ff ) 1 + j ff AVH AVo . AVHfb = = × = f 1 + β AVH 1 + β ⎡⎣ AVo (1 + j ff ) ⎤⎦ 1 + j f (1 + β AVo ) j f f 2 Penguatan pada HF akibat umpan balik akan berkurang 3 dB komponen real dan komponen imajiner pada persamaan tsb sama besar, sehingga : f f 2 = 1 + β AVo . Berarti f2fb = (1 + β Avo) f2. Dengan cara sama untuk LF diperoleh f1fb = f1/(1 + β Avo). Tanggapan frekuensi akibat umpan balik dapat dilihat pada berikut. 2

2

2

2

lebar frekuensi tanpa NFB AVo

AVofb lebar frekuensi akibat NFB

f1 (1+βAV)

f1

f2

f2(1+βAV)

Gambar 2, Pengaruh umpan balik negatif pada taggapan frekuensi


FISIKA FMIPA UI



Hal 221

Pengaruh Umpan Balik Negatif pada Noise Noise akibat umpan balik dapat dinyatakan sebagai : Nf = - β A Nf, dengan N dan Nf masing-masing adalah level noise tanpa umpan balik dan dengan umpan balik. Sehingga diperoleh : Nf =

N . 1+ β A

Dari hasil terihat bahwa rasio S/N tidak ada perbaikan, untuk itu perlu menggunakan komponen dengan rasio S/N yang tinggi seperti FET, kabel isolasi, maupun menggunakan sumber daya bebas-noise, dll. Tipe-tipe umpan balik negatif Ada 4 tipe umpan balik negatif, yaitu Umpan balik tegangan seri, arus seri, tegangan shunt, arus shunt. Penjelasan dari tipe-tipe tsb diberikan berikut ini.

vi

Av Vi

Umpan balik tegangan seri

Ri

RL

Vs

Ro

βVo

β

Gambar 3, Blok diagram Umpan Balik tegangan seri. Blok diagram umpan balik tegangan seri diberikan pada Gambar 3 dan contoh rangkaian untuk penguat emiter bersama diberikan pada Gambar 4.


FISIKA FMIPA UI



Hal 222 VCC 5k

Ii

RC

47 k

R1 Vo

Vs

Vi

3k

R2

Gambar 4, Umpan balik tegangan seri pada CE Perhatikan Gambar 3, dapat dihitung: Penguatan

Av =

Vo Vi

Avfb =

Vo Vs

⎫ ; Vi = Vs − βVo ⎪ Av ⎪ ⎬ Avfb = 1 + β Av ⎪ ⎪⎭

R input

Jika tidak ada umpan balik maka hambatan dalam input adalah Ri = Vi/Ii , sedangkan jika ada umpan balik negatif maka hambatan dalam input menjadi : Rifb =

Vs Vi + β Vo Vi + β AvVi = = = Ri (1 + β Av ) Ii Ii Ii

R output

Dari Gambar 3 penguatan Av adalah penguatan tegangan pada saat hambatan beban RL = ∞ (dalam keadaan terbuka) berarti rangkaian umpan balik seolah tak berhubungan, hal ini berarti Ro adalah hambatan dalam output tanpa umpan balik. Dengan adanya umpan balik maka berlaku:


FISIKA FMIPA UI



Hal 223

Av V 1+βAv s Ro 1+βAv

RL Vo

Dari sisi output: AvVi = Vo + I o Ro , sedangkan dari sisi input V +I R Vs = Vi + β Vo = o o o + β Vo . Av Atau Vo =

AvVs I R Ro . − o o , sehingga diperoleh Rofb = 1 + β Av 1 + β Av 1 + β Av

Dari rangkaian CE seperti ditunjukkan pada Gambar 4 jika menggunakan transistor dengan parameter hie = 2 kΩ, hfe = 80, hre = 0 hoe = 0 S. Diperoleh sebelumnya bahwa penguatan untuk konfigurasi h R 80 × 5 kΩ emiter bersama Av ≈ − fe c = − = −200 , selanjutnya faktor hie 2 kΩ R2 3 = = 0,06 . umpan balik β = R1 + R2 47 + 3

Hambatan dalam input Ri = hie = 2 kΩ dan hambatan dalam input akibat umpan balik Rifb = hi1 (1+βAv) = 26 kΩ. Hambatan dalam output dengan mengabaikan hoe maka Ro =RC // (R1+R2) = 4,5 kΩ sehingga hambatan dalam output karena umpan balik Rofb = 321 Ω. Umpan balik arus seri

Sesuai dengan namanya tegangan diumpan balik secara seri ke tegangan input yang akan diperoleh arus output. Blok diagram umpan balik arus seri ditunjukkan pada Gambar 6 dan contoh rangkaian diberikan pada Gambar 5. Dari Gambar 5 tegangan umpan balik Vf diumpan secara oposisi terhadap Vs sehingga Vbe = Vs - Vf, dengan menggunakan rangkaian ekivalen seperti pada


FISIKA FMIPA UI



Hal 224 VCC

RC

Vo

be

Vs

V

Vf

RE

Gambar 5, Contoh rangkaian NFB arus seri pada CE Io A

Vo

Vs

Vi

Vf

β

Gambar 6, Blok diagram umpan balik arus seri

Ib

hfe Ib

Vs

AC

hie

(1+hfe)Ib

RC

Vo

Re

Gambar 7, Rangkaian ekivalen CE. Dari rangkaian tsb (Gambar 7) dapat dihitung : Vs = hie b + (1 +hfe) IbRe, sehingga Rifb = Vs/Ib = hie + (1 + hfe) Re. Selanjutnya jika Rc ~ hie maka Rifb ~ hfe Re.


FISIKA FMIPA UI



Hal 225

Pengatan arus karena umpan balik Aifb = Ic/Ib = hfe, sedangkan h fe I b Rc I R R penguatan tegangan Avfb = c c = Aifb c = atau I b Rifb Rifb (hie + ⎡⎣1 + h fe ⎤⎦ Re ) I b dengan pendekatan Aifb ≈

Rc Re

Perhitungan hambatan dalam output dilakukan dengan menghubung-singkatkan sinyal input dan melepas sinyal output sehingga rangkaiannya seperti dtunjukkan pada Gambar 8a. Perhatikan bahwa konduktansi output hoe tidak diabaikan. Dari gambar tsb dibuat rangkaian ekivalennya seperti ditunjukkan pada Gambar 8b. hfe Ib

I

hie

AC

AC

Ib hoe

hfe Ib hoe hoe

V

Ib

Re

V I+Ib

hie

Re

(a)

(b)

Gambar 8, (a) Rangkaian ekivalen untuk menghitung Rofb dan (b) rangkain ekivalennya Dari Gambar 8b, maka hambatan dalam output adalah Rofb = Perhatikan hie dan Re dalam hubungan paralel, maka: − I b hie = ( I + I b ) Re

→ Ib = −

V . I

Re I hie + Re

dan tegangan output V adalah:


FISIKA FMIPA UI



V =−

h fe I b

+

hoe

Hal 226

h I I − hie I b = − I b (hie + fe ) hoe hoe hoe

dengan menggunakan h fe ⎞ Re I ⎛ I V= + h + ⎜ ie ⎟. hoe hie + Re ⎝ hoe ⎠

hasil

Ib

sebelumnya

maka

Sehingga hambatan dalam output Rofb=V/I diperoleh sebesar: h fe ⎞ Re ⎛ Re h fe 1 1 Rofb = + h + ≈ + ⎜ ie ⎟ hoe hie + Re ⎝ hoe ⎠ hoe hie + Re hoe Umpan balik tegangan shunt

Sesuai dengan namanya arus diumpan balik secara paralel ke tegangan input yang akan diperoleh tegangan output. Blok diagram umpan balik arus seri ditunjukkan pada Gambar 9 dan contoh rangkaian diberikan pada Gambar 10. Rs Is

Ii

Io

Vs

Ai

Vo

If=βIo β

Gambar 9, Blok diagram NFB tipe tegangan shunt VCC

Rf

RC

If Is

Ib

Vo

Vs

Gambar 10, Contoh NFB tegangan shunt pada CE


FISIKA FMIPA UI



Hal 227

Dari Gambar 10 arus yang masuk ke terminal basis adalah Ib = Is -If dan ada umpan balik tegangan shunt. Pada hambatan Rf akan terjadi efek Miller (yaitu seolah-olah nilai hambatan Rf menjadi lebih kecil) seperti ditunjukkan pada Gambar 11. VCC

RC

Vo

Rf 1-Av

Vs

Gambar 11, Rangkaian CE setelah Rf diganti dengan hambatan Miller Dari Gambar 11 diperoleh Ib = Vs/hie dan dengan menggunakan h R pendekatan Avfb = Av maka Avfb = − fe c , sehingga arus umpan balik hie V − AvVs Vs (1 − Av ) didapat I f = s , dengan Av negatif. Jika input = Rf Rf diberi sinyal tak ideal berarti ada hambatan sumber sebesar Rs, namun penguatan tegangan praktis tidak berubah yaitu Av = Vo/Vbe. Contoh rangkaian dengan hambatan sumber diberikan pada Gambar 12. VCC

50 k RC 2,5 k Rs

5k

Rf Vo

Vs

Gambar 12, Contoh dengan hambatan sumber.


FISIKA FMIPA UI



Hal 228

Dengan menyadari bahwa Av >> 1, maka berarti juga If > Ib dengan demikian If = Vs/Rs yaitu dengan mengabaikan Vbe. Selanjutnya tegangan output Vo = - If Rf = - Vs/Rs Rf. Dengan demikian diperoleh :

Avfb =

Rf Vo = − Vs Rs

. Hasil ini menunjukkan bahwa ada

pembalikan fasa, dan dipergunakan sebagai prinsip dari penguat inverting. Hambatan dalam output

Untuk menghitung hambatan dalam output rangkaian ekivalen tsb dibah menjadi rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 13 yaitu dengan meng-hubung-singkatkan sinyal sumber Vs dan membuka output. I - hfe Ib hfe Ib

I

Ib Rs

hie

AC

I - (1 - h fe) Ib

Rf

Gambar 13, Rangkaian ekivalen untuk mencari hambatan dalam output Dari gambar tsb maka V = (I - hfe Ib) Rf + hie Ib. Terlihat juga bahwa antara hie dan Rs pada Gambar 13. Terhubung secara paralel, maka tegangan pada Rs sama dengan tegangan pada hie atau hie Ib = [I (1 - hfe) Ib] Rs , karena arus yang mengalir di Rs adalah Irs = I -(1 - hfe) Ib seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13. Sehingga arus yang IRs . Hambatan dalam mengalir ke kaki basis adalah I b = hie + (1 + h fe ) Rs output dihitung dari Rofb = V/I sehingga : Rofb

V ( I − h fe I b ) R f + hie h = = I I


IRs

ie + (1+ h fe ) Rs

FISIKA FMIPA UI

.



Hal 229

Dengan menggunakan hasil Ib di atas maka h fe Rs R f hie Rs ) dan dengan pendekatan Rofb = + (R f − hie + (1 + h fe ) Rs hie + (1 + h fe ) Rs hfe > 1 diperoleh : Rofb =

hie ( Rs + R f ) hie + h fe Rs

Perhatikan bahwa untuk menghitung hambatan output Ro = Rofb // Rc, yaitu seolah menghubungkan Rc dengan ground. Dari Gambar 12 jika menggunakan transistor dengan hfe = 80 dan hie = 1,5 kΩ, maka didapat:

Av =

h RI Vo = − fe c b = - 267 Vbe hie I b

Avfb = Rifb = Rofb =

R Vo = − f = -20 Vs Rs Rf 1 − Av

// hie = 165 Ω

hie ( R f + Rs ) hie + h fe Rs

= 391 Ω

Hambatan output Rc // Rofb = 362 Ω Umpan balik arus shunt Tegangan diumpan balik secara paralel ke tegangan input berasal arus seri yang diperoleh dari arus output. Blok diagram umpan balik arus seri ditunjukkan pada Gambar 14 dan contoh rangkaian diberikan pada Gambar 15.


FISIKA FMIPA UI


Bab VE, Umpan Balik Negatif Rs Is

Hal 230 Ii

Io

Vs

Ai

If=βIo

Vo Io

β

Io

Gambar 14, Blok diagram NFB arus shunt VCC

RC1

Is Rs

RC2

Ib1 If

Re2

Vs

Rf

Gambar 15, Contoh rangkaian NFB arus shunt

Penguatan arus Ai = Io/Ii, karena ada umpan balik negatif Ii = Is If dengan If = β Io. Contoh dari rangkaian NFB tipe arus shunt ditunjukkan pada Gambar 15. Perhatikan pada Gambar 15 komponen bias tidak ditunjukkan hal ini maksudnya untuk mempermudah. Parameter transistor tsb adalah : hfe = 80, hie = 2 kΩ. Sedangkan hambatan Rs, Rc1, Rc2, dan Rc1 masing-masing adalah 1 kΩ, 10 kΩ, 470 Ω dan 100 Ω. Sedangkan Rf = 1,5 kΩ. Dengan menggunakan pendekatan Ve2 >> , maka faktor umpan balik β dilakukan dengan cara : (perhatikan Gambar 16).


FISIKA FMIPA UI


Bab VE, Umpan Balik Negatif Ib1

hfe1 Ib1

Ib2

hie2 RC1

RC2 Vo

VS

hie1

AC

Rs

hfe2 Ib2

AC

Is

Hal 231

RE2

Rf

Io

If

Gambar 16, Rangkaian ekivalen dari rangkaian pada Gambar 15. I s I o − I f 1/ Re 2 R f , = = = 1/ R f Re 2 If If

selanjutnya

β=

If Io

=

Re 2 = Re 2 + R f

1/16 dan I o = −h fe I b 2 = − h fe

Rc1 × − h fe I b1 = 3270 Ib1 Rc1 + Ri 2

dengan Ri 2 = hie + (1 + h fe )( Re // R f ) ~ 9,6 kΩ, dan Is = β Ib1 + Ib1 = ( 1+ β) Ib1 = 205 Ib1, dengan demikian Aifb =

Io Io = ~ 16 I s I f + I b1

Sedangkan hambatan dalam input Rifb = Penguatan tegangan Avfb =


Vbe1 Is

Vo I R = o c 2 = 775 Vbe1 I s Rif

FISIKA FMIPA UI



sedangkan

Hal 232

R + Rif Vs = 104 = s Vbe` Rs

Dengan demikian didapat penguatan tegangan


FISIKA FMIPA UI

Vo = 775/104 = 7,5 Vs


BAB 5E UMPAN BALIK NEGATIF

Recommend Documents