Phase Locked Loop 4046

HEF 4046B adalah sebuah ic phase locked loop yang terdiri atas dua buah komparator fase (phase comparator), sebuah VCO linear, dan sebuah source follower. Sebuah rangkaian filter pelewat rendah (low pass filter) perlu ditambahkan diluar rangkaian untuk memfilter tegangan keluaran dari komparator fase yang digunakan sebagai tegangan masukan VCO.

Berikut rangkaian internal HEF 4046

Dalam perancangan PLL yang perlu diperhatikan adalah frekuensi kerja PLL yang dipengaruhi oleh rancangan VCO dan filter pelewat rendahnya. Secara lebih detail, perancangan PLL akan dijelaskan pada masing-masing bagiannya.

· VCO (Voltage Controlled Oscilator)

VCO membutuhkan sebuah kapasitor eksternal dan sebuah atau dua buah resistor, dimana R1 dan C1 menentukan rentang frekuensi serta R2 memungkinkan frekuensi offset jika diperlukan. Output VCO (pin 4) dapat secara langsung atau melalui pembagi frekuensi dihubungkan dengan input komparator (pin 3). Input inhibit (“low”) meng-enable VCO dan source follower, sebaliknya jika “high” akan mengakibatkan keduanya tidak bekerja untuk meminimalisasi konsumsi daya.

Cara kerja VCO adalah sebagai berikut, masukan tegangan dc mengatur frekuensi keluarannya. Jika tidak diberi sinyal masukan, VCO akan berosilasi dalam mode “free running” yang frekuensinya ditentukan oleh elemen-elemen rangkaian. Besarnya frekuensi “free running” dari VCO diberikan oleh

…………..(1)

Dengan pengukuran frekuensi free running maka akan dapat diperoleh gain VCO sebagai berikut.

Kv = ∆fo/∆V …………………(2)

di mana ∆fo dalam rad/sekon

∆V dalam volt

Komponen R1 dan C1 dipilih sesuai dengan frekuensi free runningyang diinginkan. frekuensi Free running akan menentukan capture range dan lock range dari PLL yaitu rentang frekuensi yang dapat diikuti oleh frekuensi masukannya.

· Komparator fase

Komparator fase akan menghasilkan tegangan tertentu disebabkan adanya perbedan fase antara kedua sinyal masukannya. Dengan kata lain, komparator fase akan mendeteksi perbedaan fase dan menghasilkan tegangan tertentu yang nilainya tergantung pada perbedaan fase yang terdeteksi. Pada IC PLL ini, sinyal masukan pada masing-masing komparator fase berupa sinyal keluaran VCO dan sinyal masukan dari luar yang merupakan sinyal masukan dari rangkaian pengali frekuensi.

HEF 4046B memiliki dua buah komparator fase dengan dua buah pin sinyal masukan yang sama, yaitu pin 3 dan pin 14 (lihat gambar 1). Kedua komparator fase dapat digunakan sesuai dengan kebutuhan. Jika digunakan komparator1 maka rangkaian pelewat rendah (LPF) dihubungkan dengan pin 2 dan jika digunakan komparator dua LPF dihubungkan dengan pin 13.

Komparator 1 berupa gerbang EXOR. Jika digunakan komparator ini, maka sinyal masukan harus memiliki duty cycle 50% untuk mendapatkan lock range yang maksimal. Tegangan keluaran rata-rata dari komparator1 sebesar 1/2Vdd saat tidak diberi sinyal masukan.

Berbeda dengan komparator 1, komparator 2 bekerja mendeteksipositive edge going kedua sinyal masukannya. Oleh karena itu, duty cycle sinyal masukannya tidaklah penting.

· Filter Pelewat Rendah (LPF)

LPF berfungsi untuk melewatkan frekuensi rendah sehingga akan didapat tegangan dc yang akan digunakan sebagai masukan VCO. LPF yang digunakan pada rangkaian ini menggunakan RC filter. Nilai-nilai R dan C rangkaian LPF secara tidak langsung akan memengaruhi capture range dari rangkaian PLL.

Hambatan Negatif dengan Transistor

Rangkaian hambatan negatif merupakan sebuah sistem elektronis yang memiliki fungsi sebagai pengubah impedansi negatif, dimana hambatan pada rangkaian tersebut bersifat negatif. Nilai hambatan yang negatif dapat dibuktikan dengan grafik hubungan V – I. Pada grafik hubungan V-I dengan hambatan positif akan menunjukkan hubungan berbanding lurus, sedangkan pada grafik hubungan V-I rangkaian ini akan menunjukkan hubungan yang berbanding terbalik (grafik N atau grafik S).

Rangkaian hambatan negatif dapat direalisasikan baik dengan menggunakan opamp maupun dengan transistor. Akan tetapi, pada kesempatan ini rancangan hambatan negatif menggunakan transistor. Sifat hambatan negatif dapat pula ditemukan dalam komponen jadi yang telah ada di pasaran yaitu berupa dioda terowongan (tunnel diode). Pada tingkat aplikasi, hambatan negatif dapat digunakan pada rangkaian tunning untuk memurnikan induktor (menghilangkan resistansi induktor).

rangkaian hambatan negatif dengan transistor

Mengenal Timer 555

Apa itu timer 555?

Timer 555 merupakan sebuah IC timer yang bekerja berdasar rangkaian RC dan komparator yang dirangkai dengan komponen digital (R-Sflip-flop). 555 yang pertama diproduksi oleh Signetics yaitu tipe SE-555 yang bekerja pada -55°Cs.d. 125°C dan NE-555 yang bekerja pada 0°C-70°C. Kemudian 555 diproduksi dengan desain yang berbeda meliputi LM555, 556(versi dual), dan LMC-555(versi CMOS).

Timer 555 beroperasi pada power supply dc +5v s.d. +18V dengan stabilitas temperatur 50ppm/°C(0,005%/°C). Output 555 dapat berupa arus sink/source hingga 200mA. IC 555 kompatibel dengan komponen-komponen TTL, CMOS, op-amp, transistor dan jenis IC linear lain.

           Timer 555 dapat beroperasi baik sebagai monostabil maupun astabil

Keluaran gelombang kotak yang dihasilkan dapat memiliki variasi duty cycle mulai dari 50 – 99.9% dan frekuensi kurang dari 0,1Hz sampai dengan lebih dari 100KHz.

Operasi monostabil (gambar 2) membutuhkan masukan pulsa trigger pada pin2 dari IC 555. Masukan trigger berupa drop level tegangan lebih dari+2/3Vcc menuju tegangan kurang dari +Vcc/ 3.

Pin-Pin 555

Ada dua tipe kemasan timer 555 (ditunjukkan pada gambar 1c). Kemasan bulat disebut kemasan T. Adapun tipe lainnya berupa 8-pin DIP yang sering disebut kemasan 'v' merupakan yang paling banyak digunakan sebagai standar (tipeSE/NE). Timer 555 juga terdapat dalam versi dual dan versi quad. Timer 556 sebagai versi dual 555 dan timer 558 sebagai versi quadnya hadir dalam kemasan 14-pin DIP.

Rangkaian 555 terdiri atas dua buah komparator tegangan (COMP1 dan COMP2), sebuah flip-flop kontrol R-S(reset/set) yang dapat direset dari luar melalui pin 4, sebuah penguat pembalik output (A1), dan sebuah transistordischarge (Q1). Level bias kedua kompartor ditentukan oleh resistor-resistor pembagi tegangan (Ra, Rb, dan Rc) yang terdapat antara Vcc dan ground. Input inverting komparator1 diberi masukan 2/3Vcc dan input noninverting dari komparator2 diberi masukan 1/3Vcc.

Berikut adalah fungsi dari masing-masing pin :

Ground (pin1)

Pin ini merupakan titik referensi untuk seluruh sinyal dan tegangan pada rangkaian 555, baik rangkaian intenal maupun rangkaian eksternalnya.

Trigger (pin2)

Masukan trigger biasanya dijaga pada tegangan lebih dari 1/3Vcc agar output pin3 dari IC555 ’low’. Jika masukan trigger menjadi ’low’ (<1/3Vcc) mengakibatkan output pin3 menjadi ’high’. Otput pin3 akan bertahan ‘high’ selama masukan triggernya ‘low’, tetapi tidak serta merta menjadi ‘low’ ketika pin2 kembali ‘high’.

Output (pin3)

Output pada 555 dapat mengalir arus baik sinking(masuk) maupun sourcing(keluar) hingga 200mA. Tidak seperti IC lain yang biasanya hanya dapat mengalirkan arus source (keluar) yang sangat kecil.

berikut menjelaskan arus sinking maupun source.

a)     Arus masuk (”sinking current”)

 Sebuah beban luar (Rl) dihubungkan antara output 555 dan Vcc.Maka, arus hanya akan mengalir melalui beban tersebut jika output 555 dalam keadaan ‘low’. Pada saat tersebut Rl dgroundkan melalui pin1 sehingga mengalir arus Rs1 dari pin3 ke pin1(ground).

b)     Arus keluar (”source current”)

RL dihubungkan antara pin3 dan ground, maka ketika output pin3 ’high’ maka Rl terhubung dengan Vcc melalui Rs2 dan pin8.

Reset (pin4)

Pin reset ini terhubung dengan input preset dari R-S flip-flop kontrol. Jika pin4 diberi masukan ’low’ output dari 555 akan serta merta menjadi ’low’. Biasanya, jika tidak digunakan pin4 dihubungkan ke Vcc untuk menjaga agar tidak terjadi keadaan ’low’.

Control Voltage (pin5)

Biasanya diberi 2/3Vcc (hasil dari pembagi tegangan). Dengan memberi sumber tegangan eksternal atau dengan menghubungkan sebuah resistor ke ground akan mengubah duty cycle outputnya. Jika pin5 tidak digunakan harus dihubungkan dengan decoupling kapasitor 0,01-0,1mikroFarad.

TreshHold (pin6)

Pin ini terhubung pada input noninverting komparator1 untuk memonitor tegangan kapasitor pada rangkaian RC eksternal. Apabila tegangan pin6 <2/3Vcc, output komparator1 akan ’low’, output flip-flop ’low’(Q-), output pin3 ‘high’. Sebaliknya jika >2/3Vcc output komparator1 akan ‘high’, output Flip-flopnya ‘high’, dan pin3 ‘low’.

Discharge (pin7)

Pin ini terhubung ke kaki kolektor transistor NPN Q1 dan kaki emiter Q1 terhubung ke groud, basis Q1 terhubung dengan Qnot R-S flip-flop. Ketika output 555 ‘high’ maka Qnot ‘low’ menyebabkan resistansi CE sangat besar sehingga Q1 ‘off’. Ketika Qnot’high’ CE resistensinya sangat kecil menyebabkan CE grounded sehingga Q1 ‘on’. Dengan kata lain, pin7 grounded (arus mengalir dari pin7 lewat CE ke pin1)

Vcc(pin8)

Vcc (sumber tegangan dc) dihubungkan antara pin8 dengan pin1 (ground).

Operasi Monostabil

Monostable Multivibrator (MMV) juga disebut one shot, menghasilkan output sebuah pulsa dengan periode tertentu ketika dipicu dengan sebuah pulsa masukan. Output dari oneshot akan seketika menuju ‘high’ mengikuti pulsa pemicunya (trigger) dan akan tetap ‘high’ sesuai dengan periodenya. Ketika periodenya telah habis maka outputnya akan kembali ‘low’. Outpt oneshot akan tetap ‘low’ sampai ada trigger lainnya. IC 555 dapat dioperasikan sebagai MMV dengan menambahkan rangkaian eksternal yang sesuai.

Kedua komparator internal diberi tegangan prasikap dengan level tegangan tertentu oleh pembagi tegangan yang dirangkai seri (Ra,Rb,Rc). Input inverting komparator1 diberi tegangan hingga 2/3Vcc, dan input noninverting komparator2 diberi tegangan Vcc/3. Tegangan tersebutlah yang mengakibatkan beroperasinya 555 baik sebagai monostabil maupun astabil. Rangkaian timing eksternal (R1C1) dihubungkan antara Vcc dan input noninverting komparator1 melalui pin6. Pin7 juga dihubungkan dengan pin6 yang mengakibatkan terhubungnya transistor ke kapasitor C1. Ketika transistor ’on’, resistansi kapasitor sangat rendah sehingga terhubung (short) melalui hubungan CE transistor.

Ketika 555 dihubungkan dengan sumber tegangan, input inverting komparator1 akan mendapat tegangan sebesar 2/3Vcc dan input noninverting komparator2 akan mendapat tegangan sebesar Vcc/3. Hal tersebut menyebabkan R-S flip-flop dalam kondisi reset, sehingga output Qnot-nya ’high’. Oleh karena flip-flop terhubung pada output pin3 melalui sebuah penguat pembalik (A1) maka keluaran 555 ’low’. Pada kondisi tersebut kapasitor mengisi (charging).Qnot dalam kondisi ’high’ menyebabkan transistor Q1 jenuh yang berarti terhubung ke ground melalui kapasitor C1. Maka pada kondisi ini kapasitor melepas muatan (discharge) sehingga Vc=0.

Apabila pin2 dieri masukan trigger, pada saat pulsatrigger bergerak menuju tegangan kurang dari 1/3Vcc seperti yang terlihat pada gambar, maka input noninverting komparator2 lebih positif dari input invertingnya, sehingga output komparator2 akan ’high’. Pada saat itu, fip-flop dalam kondisi set, sehingga keluaran Qnot-nya ‘low’ dan keuaran 555 ‘high’. Karena output Qnot-nya low, berarti transistor dalam kondisi ’off’. Arus mengalir dari Vcc ke ground melalui kapasitor C1. Dengan kata lain, kapasitor kembali mengisi.(gambar). Tegangan kapasitor akan terus naik hingga mencapai 2/3Vcc, di mana pada saat Vc=2/3Vcc keluaran komparator1 menjadi ’high’ dan menyebabkan flip-flop reset dan keluaran 555 kembali ’low’. Keluaran 555 tersebut akan tetap bertahan sampai ada masukan trigger lainnya.

Semua IC timer bergantung pada kapasitor eksternal untuk menentukan interval waktu off-on pulsa outputnya. Kapasitor akan memerlukan waktu tertentu untuk pengisian atau pelepasan muatan melalui resistor. Waktu tersebut dapat dijelaskan dan dihitung dari nilai resistan dan kapasitas yang diberikan. Persamaan periode pulsa untuk 555 tergantung pada waktu yang diperlukan oleh kapasitor pada saat mengisi hingga mencapai tegangan 2/3Vcc yang diberikan oleh konstanta waktu RC. Dengan demikian, jika tegangan kapasitor besarnya e = E(1 - ^(-t/RC)), dapat dihitung waktu yang akan mengaktifkan ambang komparatornya sebagai berikut :

2/3 = 1 - ^(-t/RC) 

-1/3 = -^(-t/RC) 

1/3 = ^(-t/RC) 

ln(1/3) = -t/RC 

-1.0986123 = -t/RC 

t = 1.0986123RC 

t = 1.1RC 

Persamaan Dasar

Dosen saya pernah bilang, bahwa dalam elektronika itu sebenarnya cukup bermodalkan dua persamaan dasar. Dua persamaan ini modal untuk menganalisis berbagai bentuk rangkaian elektronika -serumit apapun-, yaitu persamaan hukum ohm dan hukum kirchoff.

1. Hukum Ohm

Hukum ohm muncul karena fenomena arus listrik. Ya, jika ada perbedaan muatan potensial maka muatan negatif yang lebih mudah berpindah akan mengisi bagian yang lebih "positif". Perbedaan potensial yang kemudian menyebabkan perpindahan elektron inilah asal muasal terjadinya arus listrik. Dikatakan arus listrik karena perpindahan elektron terjadi anta kedua ujung konduktor yang berbeda potensial. Maka disini konduktor dikatakan sebagai hambatan, yaitu media mengalirnya arus listrik. Ingat, jika menyebutkan perpindahan elektron maka ia berpindah dari yang bermuatan lebih negatif kepada sisi yang lebih positif. Sebaliknya, jika mengatakan arus listrik, maka arahnya dari positif ke negatif. Adapun hukum ohm sendiri menyebutkan bahwa : besar arus yang mengalir dari suatu konduktor berbanding lurus dengan beda potensial antara kedua ujung-ujung konduktor.