FIG.14.33
Osilator merupakan rangkaian penting dalam sistem elektronik modern yang digunakan untuk menghasilkan sinyal periodik secara terus-menerus tanpa memerlukan sinyal input eksternal. Osilator banyak digunakan dalam sistem komunikasi, komputer, mikrokontroler, dan instrumen pengukuran, terutama sebagai pembangkit sinyal waktu (clock) atau gelombang sinus, persegi, atau segitiga pada frekuensi tertentu.
Salah satu jenis osilator yang paling presisi dan stabil adalah osilator kristal, yang memanfaatkan resonansi mekanis dari kristal kuarsa (XTAL) untuk menjaga kestabilan frekuensi. Kristal kuarsa bekerja berdasarkan efek piezoelektrik, di mana tegangan listrik dapat menyebabkan kristal bergetar pada frekuensi tertentu. Karena karakteristik resonansi dari kristal sangat tajam dan stabil, osilator kristal menjadi pilihan utama untuk aplikasi yang memerlukan akurasi tinggi, seperti sistem jam digital, komunikasi data, dan pengontrol mikroprosesor.
Dalam percobaan ini, akan dilakukan simulasi dua jenis osilator kristal yang umum digunakan, yaitu:
-
Osilator kristal dengan transistor BJT (Bipolar Junction Transistor),
-
Osilator kristal dengan transistor FET (Field Effect Transistor).
Keduanya memiliki konfigurasi umpan balik seri yang menghubungkan kristal ke jalur penguat, namun berbeda dalam karakteristik kerja dan struktur penguat.
2. Tujuan[Kembali]
Mempelajari prinsip kerja osilator kristal menggunakan transistor BJT dan FET.
-
Melakukan simulasi dua konfigurasi osilator berdasarkan Gambar 14.33 menggunakan software Proteus.
-
Mengamati perbedaan karakteristik antara osilator BJT dan FET.
Software: Proteus
Komponen Virtual:
Transistor BJT: 2N2222
Transistor FET: 2SK1058
-
Kristal Osilator (XTAL): 4 MHz (atau sesuai yang disediakan)
-
Kapasitor: CC, CE
-
Resistor: R1, R2, R3, R4, RE, RG
-
Induktor: L1, L2 (RFC)
-
Sumber tegangan DC: Vcc/VDD
Osilator Kristal
Osilator kristal bekerja berdasarkan prinsip resonansi listrik dan mekanik dari kristal kuarsa. Saat diberikan tegangan listrik, kristal akan berosilasi dengan frekuensi tertentu (frekuensi resonansi), menghasilkan getaran mekanik yang sangat stabil. Frekuensi ini ditentukan oleh bentuk, ukuran, dan pemotongan kristal.
Kristal kuarsa dapat dimodelkan secara listrik sebagai rangkaian seri terdiri dari induktansi (L), kapasitansi (C), dan resistansi (R), yang dihubungkan paralel dengan kapasitansi parasi. Frekuensi resonansinya bisa mencapai ketelitian hingga ±0.001% atau lebih baik.
Prinsip Kerja Osilator
Agar suatu rangkaian dapat berosilasi secara terus-menerus, maka harus memenuhi dua syarat utama (kondisi Barkhausen):
-
Gain loop ≥ 1 → penguatan total dari sinyal umpan balik harus cukup untuk mempertahankan osilasi.
-
Fasa total umpan balik = 0° atau kelipatan 360° → sinyal yang kembali ke input harus sefasa agar dapat memperkuat dirinya sendiri.
Untuk memenuhi syarat tersebut, digunakan rangkaian penguat (seperti BJT atau FET) dan umpan balik melalui jalur yang mengandung kristal kuarsa.
Komponen Penting
-
XTAL (kristal): memberikan jalur resonansi.
-
RFC (Radio Frequency Choke): induktor dengan impedansi tinggi terhadap sinyal AC untuk menjaga osilasi tetap dalam rangkaian, sambil membiarkan arus DC masuk.
-
Kapasitor CC: kapasitor kopling, memisahkan sinyal AC dari komponen DC.
-
Kapasitor CE: kapasitor bypass emitor (pada BJT), meningkatkan gain dengan mengurangi efek resistansi emitor.
-
Resistor bias (R1, R2, RE, RG, dll): mengatur titik kerja transistor.
a) Prosedur [Kembali]
Buka software Proteus.
-
Bangun rangkaian sesuai Gambar 14.33 untuk versi BJT dan FET.
-
Gunakan kristal osilator (misal 4 MHz).
-
Tambahkan alat ukur seperti oscilloscope di titik output.
-
Jalankan simulasi dan amati bentuk gelombang output.
-
Catat frekuensi dan amplitudo hasil osilasi.
b) Rangkaian Simulasi dan Prinsip Kerja [Kembali]
Rangkaian simulasi
(a). Osilator Kristal Menggunakan BJT
Deskripsi Rangkaian:
- Komponen utama: transistor NPN (2N2222), kristal kuarsa, RFC (L1), kapasitor kopling (CC), kapasitor bypass (CE), dan resistor bias R1, R2, RE.
- Output diambil dari kolektor Q1, setelah melalui RFC dan kapasitor CC.
Prinsip Kerja:
Tegangan suplai Vcc memberikan arus bias melalui R1 dan R2 ke basis transistor, mengaktifkan Q1 dalam mode aktif.
Kristal XTAL dan kapasitor CC berada dalam jalur umpan balik dari kolektor ke basis.
Ketika noise awal memicu osilasi, sinyal diperkuat oleh Q1 dan dikembalikan ke input melalui kristal.
RFC mencegah sinyal RF mengalir ke sumber tegangan, menjaga energi dalam rangkaian osilasi.
CE berfungsi untuk mem-bypass resistor RE agar gain penguat maksimal.
Karena umpan balik melalui kristal dan kapasitor menghasilkan total fasa 0°, syarat Barkhausen dipenuhi, sehingga osilasi terus berlanjut.
Output gelombang sinus berfrekuensi tetap muncul di kolektor.Kelebihan BJT:
- Penguatan tinggi
- Stabil untuk frekuensi menengah
Kekurangan:
- Memiliki noise lebih tinggi dari FET
- Lebih boros daya
(b). Osilator Kristal Menggunakan FET
Deskripsi Rangkaian:
- Komponen utama: transistor FET (2SK1058), kristal kuarsa, RFC (L2), kapasitor kopling (C3), dan resistor RG.
- Output diambil dari drain Q2, setelah melalui RFC dan kapasitor kopling.
Prinsip Kerja:
VDD memberikan tegangan bias ke drain, sementara gate dibias melalui RG ke ground.
Kristal XTAL dan kapasitor C3 menghubungkan drain ke gate dalam konfigurasi umpan balik.Ketika noise awal terjadi, arus osilasi terbentuk, diperkuat oleh FET, dan dikembalikan ke gate melalui jalur kristal.FET memiliki impedansi input tinggi dan kapasitansi gerbang kecil, membuatnya cocok untuk osilasi frekuensi tinggi.RFC mencegah sinyal RF bocor ke VDD dan menjaga kestabilan sinyal AC dalam rangkaian.Karena umpan balik sefasa dan gain cukup, syarat osilasi dipenuhi dan sinyal terus diperkuat.Output sinyal sinus stabil muncul di drain FET.Kelebihan FET:
- Impedansi input sangat tinggi
- Cocok untuk frekuensi tinggi
- Konsumsi daya rendah
Kekurangan:
- Lebih sensitif terhadap gangguan
- Perlu biasing yang tepat
c) Video Simulasi [Kembali]
Komentar
Posting Komentar