11.1 CONSTANT-GAIN MULTIPLIER (Fig 11.6 and Fig 11.7)

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Example

6. Problem

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File  

1. Pendahuluan [Kembali]

    Dalam perkembangan teknologi modern, kestabilan penguatan (gain) pada rangkaian analog menjadi hal yang sangat penting, terutama pada aplikasi presisi seperti alat medis, sistem komunikasi, dan kendali otomatis. Salah satu permasalahan yang sering terjadi adalah perubahan nilai gain akibat pengaruh suhu atau tegangan, yang dapat menurunkan akurasi sinyal. Oleh karena itu, digunakan konsep constant-gain multiplier stage , yaitu rangkaian yang mampu menjaga nilai penguatan tetap stabil meskipun terjadi gangguan eksternal.    

    Salah satu komponen utama yang banyak digunakan dalam penerapan konsep ini adalah operational amplifier (op-amp). Op-amp memiliki karakteristik penguatan tinggi serta fleksibel dalam berbagai konfigurasi, seperti penguat inverting dan non-inverting. Dengan pengaturan nilai resistor yang tepat, op-amp dapat menghasilkan penguatan yang konstan sesuai dengan kebutuhan rangkaian.

    Pembahasan ini difokuskan pada analisis rangkaian op-amp yang terdiri dari beberapa tahap penguatan, dengan masing-masing tahap memiliki konfigurasi resistor yang menentukan besar penguatan terhadap sinyal input. Rangkaian disimulasikan menggunakan IC LM124 untuk melihat bagaimana perubahan nilai komponen mempengaruhi tegangan keluaran serta kestabilan penguatan yang dihasilkan.

2. Tujuan [Kembali]

• Mengetahui konsep dan fungsi Constant-Gain Multiplier dalam menghasilkan penguatan.
• Memahami proses penguatan sinyal pada rangkaian bertingkat (multistage).
• Menentukan penguatan total dari rangkaian berdasarkan tiap tahap penguat.
• Mengetahui pengaruh nilai resistor terhadap besar penguatan.
• Memahami bentuk dan konfigurasi rangkaian Constant-Gain Multiplier.
• Menerapkan dan mensimulasikan rangkaian menggunakan software Proteus.

3. Alat dan Bahan [Kembali]

A. Alat
    1. Software
        a. Software Proteus (ISIS Profesional)
    Perangkat lunak (software) simulasi elektronika yang digunakan untuk merancang skema rangkaian (schematic capture), menjalankan simulasi cara kerja komponen secara virtual.

          

    2. Instrument
        a. Oscilloscope
    Osiloskop adalah alat ukur elektronik yang digunakan untuk menampilkan dan menganalisis bentuk gelombang sinyal listrik secara visual pada layar dalam bentuk grafik tegangan terhadap waktu.

  

     3. Probe
        a. Voltage Probe
    Merupakan alat ukur dalam simulasi rangkaian yang digunakan untuk mengamati atau mengukur nilai tegangan pada titik tertentu dalam rangkaian.

  

    4. Terminal

        a. Power Terminal

    Merupakan komponen pada rangkaian atau simulasi yang digunakan sebagai titik penyambung sumber tegangan (power supply), baik positif maupun negatif (ground).

   

B. Bahan
    1. V-SINE
    Merupakan sumber tegangan sinusoidal yang digunakan dalam simulasi rangkaian untuk menghasilkan sinyal AC berbentuk gelombang sinus. Komponen ini biasanya digunakan sebagai input pada rangkaian penguat atau penyearah untuk menguji respon rangkaian terhadap sinyal bolak-balik dengan frekuensi dan amplitudo tertentu.

    2. Integrated Circuit Operational Amplifier (IC Op-Amp)
        a. IC Op-Amp LM124
    Merupakan integrated circuit (IC) yang berisi empat buah operational amplifier dalam satu kemasan (quad op-amp). Komponen ini banyak digunakan dalam rangkaian penguat sinyal karena memiliki konsumsi daya rendah dan dapat bekerja dengan catu daya tunggal maupun ganda. LM124 cocok digunakan untuk aplikasi analog seperti penguat, filter, dan pengolahan sinyal karena karakteristiknya yang stabil dan mudah dikonfigurasi.

        b. IC Op-Amp LM324
    Merupakan komponen elektronik berupa sumber arus konstan (current source) yang digunakan untuk menghasilkan arus tetap pada rangkaian, meskipun terjadi perubahan tegangan atau beban. Komponen ini sering dimanfaatkan dalam aplikasi pengaturan arus, sensor suhu, dan rangkaian referensi karena memiliki karakteristik stabil dan mudah diatur menggunakan resistor eksternal.

   

    3. Resistor
    Merupakan komponen pasif yang digunakan untuk menghambat arus listrik dalam suatu rangkaian. Nilai resistansi resistor menentukan besar kecilnya arus yang mengalir serta mempengaruhi pembagian tegangan dalam rangkaian. Resistor banyak digunakan dalam berbagai aplikasi elektronika, seperti pengatur arus, pembagi tegangan, dan penentu nilai penguatan pada rangkaian op-amp.

    8. Ground
    Merupakan titik referensi nol volt (0 V) dalam suatu rangkaian listrik atau elektronika. Komponen ini berfungsi sebagai acuan tegangan serta jalur kembali arus dalam rangkaian, sehingga seluruh pengukuran tegangan dilakukan relatif terhadap ground.

4. Dasar Teori[Kembali]

Constant-Gain Multiplier Stage in Series Circuit

Pada rangkaian penguat bertingkat (multistage amplifier), beberapa tahap penguat dihubungkan secara seri untuk memperoleh penguatan total yang lebih besar. Setiap tahap penguat memiliki nilai penguatan (gain) masing-masing yang ditentukan oleh konfigurasi rangkaian dan nilai resistor yang digunakan. Ketika beberapa tahap ini digabungkan, maka penguatan total rangkaian merupakan hasil perkalian dari penguatan tiap tahap.

Secara umum, jika terdapat beberapa tahap penguat yang disusun secara seri, maka penguatan total dapat dinyatakan sebagai:

A_total = A₁  A₂  A₃  

Sedangkan tahap berikutnya dapat berupa penguat inverting dengan penguatan:

Dimana :         A₁ = 1+Rf/R₁          A₂ = -Rf/R₂          A₃ = -Rf/R₃ 

Sedemikian menghasilkan Nilai V output sebagai berikut :

V_out = A_total V_in

Constant-Gain Multiplier Stage in Parallel Circuit

Rangkaian penguat bertingkat (series/multistage) yang mengalikan nilai penguatan, pada rangkaian paralel setiap penguat menerima sinyal input yang sama dan bekerja secara bersamaan. Pada konfigurasi ini, keluaran dari masing-masing penguat biasanya digabungkan menggunakan rangkaian penjumlah (summing amplifier).

Jika beberapa penguat disusun secara paralel, maka yang dijumlahkan bukan nilai gain secara langsung, melainkan sinyal keluarannya. Secara umum, jika setiap penguat memiliki penguatan berbeda terhadap input yang sama, maka keluaran total dapat dinyatakan sebagai:

V_out = A₁V_{in +} A₂V_{in +} A₃V_in

V_out =-(Rf/R_{1 +} Rf/R_{2 +} Rf/R₃)

A_total = A_{1 +} A_{2 +} A₃  

5. Example [Kembali]

Example 1: Multistage (Series Circuit)

Soal:
Sebuah rangkaian penguat bertingkat terdiri dari 3 tahap:

• Tahap 1 (non-inverting): Rf = 10 kΩ, R1 = 5 kΩ
• Tahap 2 (inverting): Rf = 20 kΩ, R2 = 10 kΩ
• Tahap 3 (inverting): Rf = 30 kΩ, R3 = 15 kΩ

Jika Vin = 2 V, tentukan:

1. Penguatan masing-masing tahap
2. Penguatan total
3. Tegangan output Vout

Pembahasan:
A₁ = 1 + (Rf/R1) = 1 + (10/5) = 3
A₂ = -Rf/R2 = -20/10 = -2
A₃ = -Rf/R3 = -30/15 = -2

Atotal = A₁ × A₂ × A₃
= 3 × (-2) × (-2) = 12

Vout = Atotal × Vin
= 12 × 2 = 24 V

Jawaban akhir:
Atotal = 12
Vout = 24 V

 

Example 2: Multistage dengan Variasi Gain (Series)

Soal:
Rangkaian terdiri dari 3 tahap:

• A₁ = 1 + (12kΩ / 4kΩ)
• A₂ = - (15kΩ / 5kΩ)
• A₃ = - (8kΩ / 4kΩ)

Jika Vin = 1.5 V, tentukan Vout.

Pembahasan:
A₁ = 1 + 3 = 4
A₂ = -3
A₃ = -2

Atotal = 4 × (-3) × (-2) = 24

Vout = 24 × 1.5 = 36 V

Jawaban akhir:
Vout = 36 V

 

Example 3: Parallel Circuit (Summing Amplifier)

Soal:
Sebuah rangkaian paralel terdiri dari 3 penguat inverting dengan:

• Rf = 12 kΩ
• R1 = 4 kΩ, R2 = 6 kΩ, R3 = 3 kΩ

Jika Vin = 2 V, tentukan:

1. Penguatan masing-masing
2. Tegangan output total

Pembahasan:
A₁ = -Rf/R1 = -12/4 = -3
A₂ = -12/6 = -2
A₃ = -12/3 = -4

Vout = A₁Vin + A₂Vin + A₃Vin
= (-3×2) + (-2×2) + (-4×2)
= -6 - 4 - 8 = -18 V

Jawaban akhir:
Vout = -18 V

6. Problem [Kembali]

Problem 1: Multistage Amplifier (Series Circuit)

Pada sebuah rangkaian penguat bertingkat (multistage amplifier), terdapat tiga tahap penguat yang disusun secara seri dengan karakteristik sebagai berikut:

• Tahap 1 (non-inverting) memiliki Rf = 10 kΩ dan R1 = 5 kΩ
• Tahap 2 (inverting) memiliki Rf = 20 kΩ dan R2 = 10 kΩ
• Tahap 3 (inverting) memiliki Rf = 30 kΩ dan R3 = 15 kΩ

Diketahui tegangan input Vin = 1 V.

(a) Tentukan penguatan masing-masing tahap penguat.
(b) Hitung penguatan total rangkaian.
(c) Tentukan tegangan keluaran (Vout) dari rangkaian tersebut. Jelaskan mengapa tanda output bisa berubah (positif/negatif).

Petunjuk: Gunakan rumus:
A₁ = 1 + Rf/R1, A₂ = -Rf/R2, A₃ = -Rf/R3, dan Atotal = A₁ × A₂ × A₃

 

Problem 2: Parallel Amplifier (Summing Circuit)

Sebuah rangkaian terdiri dari tiga penguat yang disusun secara paralel, di mana masing-masing penguat menerima sinyal input yang sama Vin = 2 V. Diketahui nilai resistor:

• Rf = 12 kΩ
• R1 = 4 kΩ, R2 = 6 kΩ, dan R3 = 3 kΩ

(a) Tentukan penguatan masing-masing penguat.
(b) Hitung tegangan keluaran total (Vout) dari rangkaian.
(c) Jelaskan perbedaan prinsip kerja antara rangkaian paralel ini dengan rangkaian seri pada multistage amplifier.

Petunjuk: Gunakan rumus:
A = -Rf/R dan Vout = A₁Vin + A₂Vin + A₃Vin

 

Problem 3: Analisis Kombinasi Series dan Parallel Amplifier

Sebuah rangkaian terdiri dari dua tahap:

• Tahap pertama adalah rangkaian seri dengan penguatan A₁ = 3 dan A₂ = -2
• Output dari tahap pertama kemudian masuk ke rangkaian paralel dengan penguatan A₃ = -1 dan A₄ = -2

Jika Vin = 1.5 V:

(a) Hitung tegangan keluaran dari tahap seri pertama.
(b) Tentukan penguatan total pada tahap paralel.
(c) Hitung tegangan keluaran akhir dari rangkaian.
(d) Jelaskan secara konsep bagaimana kombinasi seri dan paralel mempengaruhi penguatan total rangkaian.

Petunjuk:

• Tahap seri: Atotal = A₁ × A₂
• Tahap paralel: Atotal = A₃ + A₄
• Gunakan hubungan Vout = Atotal × Vin secara bertahap

7. Soal Latihan [Kembali]

Soal 1: Prinsip Dasar Constant-Gain Multiplier

Apa fungsi utama dari sebuah Constant-Gain Multiplier dalam sistem elektronika?
A. Mengubah arus DC menjadi AC
B. Menghasilkan output dengan amplitudo tetap, terlepas dari perubahan input
C. Mengalikan dua sinyal masukan dengan faktor penguatan konstan
D. Mengubah frekuensi sinyal masukan secara otomatis

Jawaban: C
Pembahasan:
Constant-Gain Multiplier dirancang untuk mengalikan dua sinyal input dan menghasilkan output yang merupakan hasil perkalian tersebut dengan faktor penguatan konstan. Biasanya digunakan dalam modulasi dan pengolahan sinyal.

 

Soal 2: Aplikasi Constant-Gain Multiplier

Di antara aplikasi berikut, manakah yang paling umum menggunakan Constant-Gain Multiplier?
A. Penguatan audio pada amplifier kelas AB
B. Modulator dalam sistem komunikasi analog
C. Penyaringan harmonik pada catu daya
D. Konversi sinyal digital menjadi analog

Jawaban: B
Pembahasan:
Constant-Gain Multiplier sering digunakan dalam modulasi pada sistem komunikasi analog, seperti pada modulasi amplitudo (AM) atau modulasi frekuensi (FM), di mana dua sinyal perlu dikalikan untuk menghasilkan sinyal termodulasi.

 

Soal 3: Karakteristik Utama

Salah satu karakteristik penting dari Constant-Gain Multiplier adalah:
A. Kemampuan mereduksi sinyal noise secara otomatis
B. Penguatan yang bervariasi berdasarkan perubahan suhu
C. Penguatan tetap yang tidak dipengaruhi oleh perubahan amplitudo sinyal input
D. Kemampuan untuk mengubah sinyal sinusoidal menjadi gelombang kotak

Jawaban: C

Pembahasan:

Seperti namanya, Constant-Gain Multiplier memiliki penguatan tetap yang tidak dipengaruhi oleh perubahan amplitudo sinyal input. Ini sangat penting dalam aplikasi di mana stabilitas penguatan dibutuhkan.

8. Percobaan [Kembali]

A. Prosedur
    1. Rangkaian 11.6

1. Buka aplikasi proteus.
2. Pilih komponen yang diperlukan dalam rangkaian, seperti op-amp (124), Vsine, resistor, ground, osiloskop dan lain-lain.
3. Susunlah komponen seperti pada gambar rangkaian 11.6 lalu hubungkan tiap komponen menggunakan wire (kabel).
4. Pasang probe voltage untuk menghitung besar tegangan input dan tegangan output.
5. Jalankan simulasi dan amati gelombang input dan output

    2. Rangkaian 11.7

1. Buka aplikasi proteus.
2. Pilih komponen yang diperlukan dalam rangkaian, seperti op-amp (324), Vsine, resistor, ground, osiloskop dan lain-lain.
3. Susunlah komponen seperti pada gambar rangkaian 11.7 lalu hubungkan tiap komponen menggunakan wire (kabel).
4. Pasang probe voltage untuk menghitung besar tegangan input dan tegangan output.
5. Jalankan simulasi dan amati gelombang input dan output.

B. Simulasi Rangkaian dan Prinsip Kerja
    1. Rangkaian 11.6

Simulasi Rangkaian 11.6

Hasil Simulasi Rangkaian 11.6

    Prinsip Kerja :
Tegangan input kecil (sekitar 150 µV) masuk ke tahap pertama penguat. Pada tahap ini, op-amp dikonfigurasi sebagai non-inverting amplifier, sehingga sinyal diperkuat tanpa membalik fasa. Besar penguatan ditentukan oleh A₁ = 1+Rf/R_1. A₁ = 1+270K/30K,      A₁ = 1+9,        A₁ = 10.

Output dari tahap pertama kemudian diteruskan ke tahap kedua yang menggunakan konfigurasi inverting amplifier. Pada tahap ini, sinyal akan diperkuat sekaligus dibalik fasanya (180°). Besar penguatan ditentukan oleh A₂ = -Rf/R₂.                      A₂ = -270K/15K,       A₂ =-18           

Selanjutnya, sinyal masuk ke tahap ketiga yang juga merupakan inverting amplifier, sehingga terjadi pembalikan fasa lagi dan penguatan tambahan dengan rumus A₃ = -Rf/R₃.  A₃=-270K/10K,           A₃=-27

Karena rangkaian disusun secara seri (multistage), maka penguatan total merupakan hasil perkalian dari tiap tahap, yaitu:
A_total = A₁  A₂  A_3.               A_total= (10) (-18) (-27),           A_total= 4860

 

Dengan demikian, tegangan output akhir diperoleh dari:
V_out=V_in A_total.  V_out= 150µV 4860,      V_out= 0.729V

Secara keseluruhan, rangkaian ini berfungsi sebagai penguat bertingkat (multistage amplifier) yang mampu memperbesar sinyal input yang sangat kecil menjadi lebih besar, dengan nilai penguatan ditentukan oleh rasio resistor di setiap tahap.

    2. Rangkaian 11.7

Simulasi Rangkaian 11.7

Hasil Simulasi Rangkaian 11.7

    Prinsip Kerja :
Tegangan input sebesar 100 mV (0,1 V) diberikan ke tiga cabang penguat secara bersamaan. Setiap op-amp dikonfigurasi sebagai inverting amplifier, sehingga output tiap cabang akan mengalami pembalikan fasa (180°), dengan rumus A = -Rf/R_i.    

Pada cabang pertama, digunakan resistor Rf = 500 kΩ dan R1 = 50 kΩ, sehingga penguatannya:
A₁ = -Rf/R₁.     A₁ = -500K/50K,         A₁ =-10
Maka output pertama:
Vo₁=V_in A₁,      Vo₁=0.1 (-10),             Vo₁=-1V

Pada cabang kedua, dengan R2 = 25 kΩ:
A₂ = -Rf/R₁.     A₂ = -500K/25K,         A₂ =-20
Maka:
Vo₂=V_in A₂,      Vo₂=0.1 (-20),             Vo₂=-2V

Pada cabang ketiga, dengan R3 = 10 kΩ:
A₃ = -Rf/R₃.     A₃ = -500K/10K,         A₂ =-50
Maka:
Vo₃=V_in A₃,      Vo₃=0.1 (-50),             Vo₂=-5V

Karena rangkaian disusun secara paralel, maka yang dijumlahkan adalah tegangan output dari masing-masing cabang, bukan dikalikan seperti rangkaian seri.

Video Simulasi :

9. Download File [Kembali]

Download Rangkaian 11.6 [Klik Disini]

Download Rangkaian 11.7 [Klik Disini]

Download Datasheet Op-Amp [Klik Disini]

Download Datasheet Resistor [Klik Disini]