CHAPTER 12-13

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

1. Pendahuluan (kembali)

pembangkitan sinyal dengan fokus pada sebuah komponen yang sangat menarik dan fleksibel: Voltage Controlled Oscillator atau VCO.

VCO adalah sebuah osilator elektronik yang frekuensi osilasi outputnya dikendalikan oleh tegangan input. Kemampuan untuk mengubah frekuensi keluaran hanya dengan memvariasikan tegangan kontrol menjadikan VCO sebagai blok bangunan yang sangat penting dalam berbagai aplikasi, mulai dari sintesis frekuensi, modulasi sinyal, hingga sistem komunikasi.

Dalam seri artikel kali ini, kita akan mengupas tuntas prinsip dasar, karakteristik penting, dan beberapa aplikasi menarik dari Voltage Controlled Oscillator. Kita akan melihat bagaimana perubahan kecil pada tegangan kontrol dapat menghasilkan perubahan frekuensi yang signifikan pada sinyal output

2. Tujuan (kembali)

1.Memahami Mekanisme Pembangkitan Sinyal yang Dikontrol Tegangan: Kita akan mempelajari bagaimana komponen-komponen elektronik seperti kapasitor, induktor (atau rangkaian penggantinya), dan elemen aktif (seperti transistor atau Op-Amp) bekerja sama untuk menghasilkan osilasi yang frekuensinya dapat diatur oleh tegangan eksternal.

2.Mengenal Karakteristik Penting VCO: Kita akan membahas parameter-parameter kunci yang mendefinisikan kinerja sebuah VCO, seperti rentang frekuensi kerja, sensitivitas kontrol tegangan (sering disebut gain atau konstanta VCO), linearitas kontrol, dan stabilitas frekuensi. Pemahaman ini penting untuk memilih VCO yang tepat untuk aplikasi tertentu.

3.Mengeksplorasi Aplikasi VCO dalam Sistem Elektronik: VCO adalah komponen inti dalam berbagai sistem. Kita akan melihat contoh penggunaannya dalam Phase-Locked Loop (PLL), sintesis frekuensi untuk radio dan komunikasi, modulasi frekuensi (FM), dan bahkan dalam instrumen musik elektronik. Memahami aplikasi ini akan memberikan gambaran luas tentang pentingnya VCO dalam dunia elektronika.

4.Mengembangkan Pemahaman tentang Desain Osilator: Meskipun kita tidak akan mendalami desain VCO yang rumit, pemahaman prinsip kerjanya akan memberikan wawasan yang berharga tentang bagaimana osilator secara umum bekerja dan faktor-faktor apa saja yang mempengaruhi frekuensi dan stabilitasnya.

3. Alat dan Bahan (kembali)

A. ALAT

1.Ptoteus

Proteus adalah software simulasi dan desain rangkaian elektronik yang digunakan untuk membuat, menguji, dan memvisualisasikan rangkaian.

B. BAHAN

1. Voltmeter

Alat ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt

2. DC Voltage

Komponen yang menyediakan tegangan tetap antara dua terminal: terminal positif (+) dan terminal negatif (–). Sumber ini digunakan untuk memberikan energi listrik ke rangkaian, dan nilainya bisa berupa tegangan tetap (seperti baterai 5V atau 12V) atau variabel, tergantung konfigurasi rangkaian.

3. Ground

Ground adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.

4. Resistor

Fungsi utama dari resistor adalah membatasi aliran arus. Resistor dapat menahan arus dan memperkecil besar arus. Besar resistansi (kemampuan menahan arus) resistor disesuaikan dengan kebutuhan perangkat elektronika.

5.LM-566

menghasilkan gelombang persegi dan gelombang segitiga yang frekuensinya sangat linear terhadap tegangan kontrol yang diberikan pada pin inputnya

6.Potensiometer

Potensiometer adalah sebuah komponen elektronik pasif yang berfungsi sebagai pembagi tegangan yang dapat diatur. Secara sederhana, ia adalah resistor tiga terminal dengan kontak geser atau wiper yang dapat disesuaikan untuk mengubah nilai resistansi antara wiper dan salah satu dari dua terminal ujung.

7.Capasitor

Kapasitor adalah komponen elektronik pasif yang punya kemampuan untuk menyimpan muatan listrik dalam medan listrik untuk sementara waktu.

4. Dasar Teori (kembali)

Voltage Controlled Oscillator (VCO) adalah sebuah osilator elektronik yang menghasilkan sinyal periodik (seperti gelombang sinus, kotak, segitiga, atau gigi gergaji) dengan frekuensi yang bervariasi sesuai dengan tegangan input kontrol. Tegangan input ini sering disebut sebagai tegangan kontrol (

V_{co n t ro l}

ebelum membahas VCO secara spesifik, penting untuk memahami prinsip dasar osilasi elektronik. Sebuah osilator pada dasarnya adalah sebuah penguat dengan umpan balik positif. Untuk menghasilkan osilasi yang berkelanjutan, dua kondisi utama harus dipenuhi (kriteria Barkhausen):

Penguatan Loop Sama dengan Satu (atau Lebih): Produk dari penguatan penguat ( $A$ ) dan faktor umpan balik ( $β$ ) harus sama dengan atau lebih besar dari satu ( $∣ A β ∣ \geq 1$ ). Ini memastikan bahwa sinyal yang berosilasi tidak meredam.
Pergeseran Fasa Loop Nol (atau Kelipatan 360 Derajat): Total pergeseran fasa sinyal saat melewati penguat dan rangkaian umpan balik harus nol derajat atau kelipatan 360 derajat. Ini memastikan bahwa sinyal yang diumpan balik memperkuat sinyal awal secara konstruktif.

Bagaimana Tegangan Mengontrol Frekuensi?

Dalam VCO, frekuensi osilasi dikendalikan oleh elemen reaktif dalam rangkaian osilator yang nilainya dapat diubah oleh tegangan kontrol. Komponen utama yang sering digunakan untuk tujuan ini adalah:

Varactor Diode (atau Varicap): Ini adalah dioda dengan kapasitas yang bervariasi tergantung pada tegangan bias terbalik yang diberikan padanya. Semakin besar tegangan bias terbalik, semakin kecil kapasitas dioda, dan sebaliknya. Varactor sering digunakan dalam tangki resonansi (rangkaian LC) untuk mengontrol frekuensi osilasi.
Transistor dengan Efek Medan (FET) sebagai Resistor yang Dikontrol Tegangan: Dalam beberapa desain VCO, FET dapat dioperasikan di daerah triode (linier) di mana resistansinya dapat dikendalikan oleh tegangan gerbang. Resistor yang dikontrol tegangan ini kemudian dapat digunakan dalam rangkaian pembentuk waktu yang mempengaruhi frekuensi osilasi, seperti dalam osilator relaksasi
Core yang Dapat Disaturasi (Saturable Core Inductor): Meskipun kurang umum dalam VCO modern untuk aplikasi frekuensi tinggi, induktansi sebuah induktor dengan core feromagnetik dapat diubah dengan memvariasikan arus DC yang melewatinya, yang mempengaruhi permeabilitas core. Ini dapat digunakan untuk mengontrol frekuensi osilasi dalam osilator yang menggunakan induktor.

5. Prinsip Kerja [kembali]

ti dari prinsip kerja VCO adalah pengendalian frekuensi osilasi melalui tegangan input (tegangan kontrol). Ini dicapai dengan menggunakan komponen yang nilai reaktansinya (kapasitansi atau induktansi) atau karakteristik resistifnya dapat diubah oleh tegangan kontrol, dan komponen-komponen ini merupakan bagian penting dari rangkaian osilator.

Berikut adalah langkah-langkah umum dalam prinsip kerja VCO:

Pembangkitan Sinyal Dasar: Rangkaian osilator (LC, RC, atau kristal) menghasilkan sinyal periodik pada frekuensi tertentu yang ditentukan oleh nilai komponen-komponen di dalamnya. Rangkaian ini memenuhi kriteria Barkhausen untuk osilasi.
Elemen yang Dikontrol Tegangan: Salah satu atau lebih komponen penentu frekuensi dalam osilator diganti atau dipengaruhi oleh elemen yang nilainya bervariasi terhadap tegangan kontrol. Komponen yang paling umum digunakan adalah varactor diode, yang kapasitansinya berubah seiring dengan perubahan tegangan bias terbaliknya. Selain itu, transistor FET yang beroperasi sebagai resistor variabel juga dapat digunakan dalam osilator relaksasi.
Pengubahan Nilai Komponen: Ketika tegangan kontrol berubah, nilai komponen yang dikontrol tegangan (misalnya kapasitansi varactor) juga berubah.
Perubahan Frekuensi Osilasi: Perubahan nilai komponen penentu frekuensi ini secara langsung mempengaruhi frekuensi osilasi rangkaian.

6. Ringkasan [kembali]

Voltage Controlled Oscillator (VCO) adalah osilator elektronik yang menghasilkan sinyal periodik dengan frekuensi output yang dikendalikan oleh tegangan input (tegangan kontrol).

Dasar Teori:

Osilasi terjadi karena umpan balik positif yang memenuhi kriteria Barkhausen.
Pengendalian frekuensi dicapai dengan menggunakan komponen yang nilainya (reaktansi atau resistansi) dapat divariasikan oleh tegangan kontrol, seperti varactor diode (kapasitansi berubah dengan tegangan) dan FET (resistansi berubah dengan tegangan).

Jenis-Jenis VCO:

LC VCO: Frekuensi dikontrol oleh varactor dalam rangkaian LC.
RC VCO (Osilator Relaksasi): Frekuensi dikontrol oleh FET yang mengubah konstanta waktu RC.
Crystal VCO (VCXO): Frekuensi kristal ditarik oleh varactor.
Digital VCO (NCO): Frekuensi dikontrol secara numerik lalu diubah ke analog.

Karakteristik Penting VCO:

Rentang Frekuensi Osilasi
Sensitivitas Kontrol Tegangan ( $K_{V CO}$ )
Linearitas Kontrol
Stabilitas Frekuensi
Noise Fasa
Tegangan Kontrol & Catu Daya
Bentuk Gelombang Output

Prinsip Kerja:

Tegangan kontrol memodifikasi nilai komponen penentu frekuensi dalam osilator. Perubahan nilai komponen ini menyebabkan perubahan pada frekuensi osilasi sinyal output. Sensitivitas kontrol tegangan ( $K_{V CO}$ ) mengukur perubahan frekuensi per perubahan tegangan kontrol.

7. Soal Latihan [kembali]

7.1 Problem

1.(FIG 13.22):

Jika terjadi korsleting pada resistor R2 (menjadi 0Ω), apa yang akan terjadi pada tegangan kontrol pada pin 5 LM566 dan bagaimana ini akan mempengaruhi frekuensi output?

JAWAB:

Jika R2 korsleting, pin 5 (CTRL) LM566 akan terhubung langsung ke +12V. Tegangan kontrol yang tinggi ini akan menyebabkan VCO menghasilkan frekuensi output maksimum sesuai dengan karakteristik LM566 dan nilai R1 serta C1.

2. (FIG 13.23):

Bagaimana cara mengatur potensiometer RV1 agar frekuensi output VCO menjadi minimum? Jelaskan alasannya.

JAWAB:

Untuk mendapatkan frekuensi output minimum, potensiometer RV1 harus diatur sedemikian rupa sehingga resistansinya maksimum (1kΩ) ditambahkan ke R2 (1.5kΩ). Ini akan menghasilkan tegangan kontrol minimum pada pin 5 (mendekati tegangan pada R3 dibagi total resistansi). Tegangan kontrol yang lebih rendah akan menyebabkan VCO menghasilkan frekuensi output yang lebih rendah.

3.(FIG 13.24):

Apa fungsi kapasitor C2 pada rangkaian 3? Jelaskan bagaimana rangkaian ini akan merespons jika diberikan tegangan kontrol DC statis.

JAWAB:

Fungsi kapasitor C2 adalah untuk memblokir komponen DC dari sumber tegangan kontrol eksternal. Jika tegangan kontrol DC statis diberikan, setelah transient awal pengisian kapasitor C2, tidak akan ada lagi arus DC yang mengalir melalui R2 dan R3 akibatnya tegangan pada pin 5 (CTRL) akan kembali ke level yang ditentukan oleh pembagi tegangan internal LM566 (biasanya sekitar setengah dari V+). Ini berarti tegangan kontrol DC statis tidak akan mempengaruhi frekuensi output dalam kondisi steady-state. Rangkaian ini dirancang untuk merespons perubahan tegangan kontrol (AC atau perubahan DC).

7.2.Latihan Soal

Soal 1:

Pada FIG 13.22, tegangan kontrol pada pin 5 LM566 ditentukan oleh:

a) Nilai kapasitor C1 b) Tegangan output pada pin 3 c) Pembagi tegangan R2 dan R3 d) Tegangan catu daya +12V secara langsung

Jawaban: c) Pembagi tegangan R2 dan R3

Soal 2:

Komponen apa yang memungkinkan pengguna untuk mengubah frekuensi output VCO secara manual pada FIG 13.23?

a) Resistor R1 b) Kapasitor C1 c) Potensiometer RV1 d) Resistor R3

Jawaban: c) Potensiometer RV1

Soal 3:

Apa tujuan utama penambahan kapasitor C2 pada FIG 13.24?

a) Untuk meningkatkan amplitudo gelombang output b) Untuk memblokir komponen DC dari tegangan kontrol eksternal c) Untuk mengatur frekuensi osilasi dasar d) Untuk menstabilkan tegangan catu daya

Jawaban: b) Untuk memblokir komponen DC dari tegangan kontrol eksternal

8. Percobaan [kembali]

1.FIG 13.22

2.FIG 13.23