Discreete Op Amp

 

www.SAP.or.id


 

Halaman Utama

Technical Paper

Contact Info

 

Discrete Op Amp Untuk Penguat Audio

 

 

     

 

Gambar 1, Discrete OP Amp


Click disini untuk melihat Prototype Discrete OP Amp

 Jika anda melihat dengan cermat rangkaian di atas, sesungguhnya rangkaian di atas adalah OP Amp (Operarational Amplifier) dalam konfigurasi Non Inverting  yang tersusun dari komponen lepasan  atau umumnya disebut juga discrete OP Amp. Rancangan discrete OP amp ini hanya tersusun dari dua tingkat penguat yaitu differential amplifier yang menggunakan JFET type 2SK117 dan tingkat penguat arus & tegangan yang bekerja pada konfigurasi single ended yang  menggunakan transistor bipolar BC560. Masing masing tingkat penguat tersebut digerakan oleh sumber arus constant yang tersusun dari kombinasi antara LM317 dan JFET tipe 2SK246.

Sebagai tingkat diferential dari discrete OP Amp ini saya memilih JFET type 2SK117 dengan pertimbangan bahwa JFET memiliki karakter noise yang paling rendah jika dibandingkan dengan bipolar apalagi tabung. Sumber arus konstan yang saya gunakan pada rancangan ini adalah konfigurasi Cascode antara LM317 dan JFET tipe 2SK246.

Nilai penguatan dari OP Amp discrete ini bisa sangat bervariasi tergantung kebutuhan anda. Men set nilai penguatan dapat dilakukan dengan menetapkan nilai resistan Rf. Formula dari nilai penguatanya/gain dapat diperoleh dari rumus berikut

Gain = 1 + (Rf/1k)

 

Spesifikasi singkat dan kemungkinan Aplikasi

Saya tidak bisa menginformasikan dengan pasti berapa bandwidth dari Discrete OP Amp ini karena Generator sinus yang saya miliki hanya mampu mengeluarkan frekuensi sinus sampai dengan 100 kHz, dan pada frekuensi tersebut output dari Discrete OP Amp ini belum menjangkau upper cut off nya ( pada gain 100x / 40db), dengan prototype yang masih hard wire.   Kalau wiring nya sudah dibuat lebih rapih dalam sebuah PCB yang dirancang dengan baik dimana induktansi liar biasa ditekan sekecilnya, kemungkinan bandwith dari Discrete OP Amp ini bisa mencapai 200kHz atau lebih.

Pada prototype yang saya buat saya men set Rf sebesar 100k untuk mendapatkan gain sekitar 100 kali, untuk keperluan pengembangan Project Phono Stage yang sedang saya lakukan saat tulisan ini  saya buat. Jika menginginkan nilai tertentu yang lebih kecil anda tinggal mengubah nilai Rf pada rangkaian ini.
Discrete OP Amp ini bisa diaplikasikan pada berbagai rancangan Audio seperti misalnya untuk Phono Stage, Line Stage Amplifier, Crossover Aktif, dll.

 


Sumber Ide
Terus terang, ide untuk merancang rangkain OP Amp discrete ini diilhami oleh dua produk high end terkemuka di dunia  yaitu
FM Acoustics dari Switzerland dan Pass Labs. Dalam hal topologi rangkaian saya terinspirasi oleh  rangkain Power Amplifier Seri Aleph yang dibuat oleh Passlabs, yaitu sebuah amplifier yang hanya terdiri dari dua tingkat penguat. Disain dari Aleph ini memang sangat berbeda dari kebanyakan disain power amplifier yang pada umumnya paling sedikit tersusun dari 3 tingkat penguat atau lebih. Pada rancangan Power Amplifier Seri Aleph, secara keseluruhan Nelson Pass menggunakan HEXFET dari IRF, akan tetapi pada dicrete OP Amp saya menggunakan kombinasi antara JFET dan Bipolar Transistor.

Sedangkan dari FM Acoustics saya mendapatkan ide bahwa rangkaian discrete dapat dibuat mendekati kesempurnaan karena memberikan kebebasan  pada kita untuk memilih komponen dengan karakteristik yang terbaik, berbeda halnya dengan rangkaian IC OP Amp dimana kita hanya bisa memakai langsung tanpa bisa  melakukan tweaking lagi karena rangkaiannya sudah berada dalam sebuah kemasan.



Pada masa kini IC OP Amp tersedia sangat banyak di pasaran, dibuat oleh berbagai pabrik di dunia, sebagai contoh LM741 ( National), TL071 (Texas Instrument), OP27 (Burr Brown), dan masih ada sangat banyak lagi untuk disebutkan satu persatu di sini. Harganyapun bervariasi dari yang murah sampai yang agak mahal.

Menggunakan IC OP Amp memang jauh lebih praktis, membutuhkan tempat yang lebih kecil di PCB dan juga membutuhkan biaya yang lebih murah daripada menggunakan OP Amp discrete seperti yang ada pada gambar 1 di atas.  Sehingga mungkin timbul pertanyaan dalam pikiran anda mengenai apa keunggulan OP Amp discrete daripada IC OP Amp untuk aplikasi Audio.

Menurut pendapat saya pribadi setidaknya ada lima keunggulan dari OP Amp Discrete dibandingkan dengan IC OP Amp


1.  Dapat dibuat dengan meminimalisir jumlah tingkat penguat secara keseluruhan
2. Tingkat Keluaran/ Output stage dapat dibuat untuk bekerja pada Class A
3.  Nilai penguatan dapat dibuat sesuai dengan kebutuhan kita
4.  Besar tegangan kerja dapat dibuat sesuai keperluan kita

5.   Kebebasan untuk melakukan component matching


Penjelasan dari masing2 keunggulan tersebut dapat anda lihat pada uraian di bawah ini :

Dapat dibuat dengan meminimalisir jumlah tingkat penguat secara keseluruhan

Umumnya konfigurasi IC OP Amp tersusun minimum atas 3 tingkat penguat diferential amplifier, voltage amplification stage, dan output stage, seperti yang bisa anda lihat pada gambar 2 dibawah ini.

 

   

 

Gambar 2, Konfigurasi Umum IC OP Amp



Sedangkan OP Amp discrete yang saya rancang hanya tersusun atas dua tingkat penguat yaitu differential amplifier dan VI stage, yang menggunakan konfigurasinya single ended. Diagram yang disederhanakan dari discrete OP Amp Dapat anda lihat pada gambar 3 di bawah ini.

   

Gambar 3, Konfigurasi discrete OP amp


 
Dalam sebuah penguat audio, semakin sedikit komponen yang dilewati oleh sinyal musik maka  sinyal yang akan keluar pada output dari penguat  tersebut akan bersuara lebih baik, karena setiap komponen elektronik akan memberikan distorsi pada sinyal musik yang melewatinya, tidak perduli seberapa mahalnya nya harga komponen tersebut atau siapapun yang membuat komponen tersebut.

Dengan hanya menggunakan dua tingkat penguat maka saya yakin kualitas OP Amp Discrete ini akan bersuara lebih natural dari pada IC OP Amp yang umumnya tersusun dari 3 atau lebih tingkat penguat.

 
Tingkat Keluaran/ Output stage dapat dibuat untuk bekerja pada Class A

Umumnya tingkat keluaran/output stage dari IC OP Amp bekerja pada Class B atau AB, pada discrete OP Amp dengan dua tingkat penguat, maka output stage dapat dibuat untuk bekerja pada Class A Single Ended.
Untuk keperluan penguat audio pengoperasian pada Class A akan memberikan kualitas suara yang lebih menyenangkan dibandingkan jika dioperasikan pada Class B ataupun AB.

Nilai penguatan dapat dibuat sesuai dengan kebutuhan kita

Jika anda melihat data sheet dari IC OP Amp, maka anda akan menemukan bahwa IC OP Amp tersebut memiliki penguatan gain terbuka
( Open Loop Gain/ Aol) yang nilainya bisa mencapai jutaan.

Sebagai contoh OP Amp sbb :

OP27        GBP =  8 MHz
TL071       GBP =  10 MHz
NE5532    GBP =   3 MHz

Padahal untuk aplikasi audio, anda tidak akan membutuhkan penguatan sebesar itu, sebagai contoh, untuk membuat linestage preamp, umumnya dibutuhkan nilai penguatan sekitar 10x (20db) atau lebih kecil, sedangkan untuk membuat Phono stage, pada sebuat tingkat penguat dalam phono stage umumnya dibutuhkan nilai penguatan sekitar 100x (40db) itupun kalau anda pakai Catridge MC ( moving coil), jika anda menggunakan catridge MM (moving magnet), nilai penguatan yang anda butuhkan akan menjadi lebih kecil.

Jika IC Op Amp anda gunakan untuk membuat tingkat penguat audio yang gain nya jauh lebih kecil dari Aol nya, maka mau tidak mau anda harus menerapkan feedback dengan kadar yang sangat tinggi, untuk menurunkan gain dari yang nilainya juta an menjadi sekitar

10x – 100x.
Dampak buruk dari kadar feedback yang terlalu tinggi adalah terjadinya Transient Intermodulation Distortion (TIM), dan kalau didengar kemungkinan suara dari IC OP Amp akan terdengar kurang dinamik ataupun compress.

Dengan menggunakan discrete OP Amp kita mengatur agar supaya Aol dari rangkaian tersebut sesuai dengan kebutuhan kita atau tidak terlalu jauh, sehingga feedback yang dibutuhkan untuk mencapai tingkat gain yang diinginkan tidak terlampau besar. Semakin rendah nilai feedback akan semakin baik suara terdengar.

 Besar tegangan kerja dapat dibuat sesuai keperluan kita

Umumnya IC OP Amp dapat bekerja pada tegangan maksimum sampai sekitar +/- 20V, kita tidak akan dapat menggunakan IC OP amp jika rangkaian kita harus mengeluarkan tegangan puncak maksimum melebihi +/- 20V, dengan rangkaian discrete kita bisa dengan mudah mengatur tegangan kerja yang kita butuhkan sejauh kita bisa mengkombinasikan jenis komponen yang akan digunakan pada rangkain discrete tersebut.

 

Kebebasan untuk melakukan komponen matching
 
Sebagai sebuah produk siap pakai IC OPAmp dapat anda pakai langsung untuk keperluan anda  tapi kemudian anda tidak bisa berbuat apa apa lagi untuk meningkatkan perfoma dari dari IC OP Amp tersebut selain pasrah saja terhadap spesifikasi yang dilampirkan dalam data sheet oleh pabrik. Lain halnya jika anda menggunakan Discrete OP Amp, anda masih punya banyak kesempatan untuk melakukan tweaking guna meningkatkan kinerja rangkaian.


Beberapa alternatif tweaking yang bisa dilakukan adalah sbb :


1. Memilih jenis komponen  yang sesuai dengan selera anda.

2. Mengubah ubah arus bias atau tegangan kerja dari komponen dalam rangkaian agar sesuai selera anda.

3. Melakukan matching pada differential transistor dan resistornya.
Untuk mencapai kualitas maksimal maka transistor dan resistor  yang digunakan pada differential amplifier harus benar benar identik, pada kenyataanya sebagai produk masal IC OP Amp memiliki batasan akurasi tertentu dalam hal matching pada komponen yang digunakan didalamnya dan terhadap situasi ini pengguna IC OP amp tidak dapat berbuat apa apa lagi selain menerima apa adanya. Lain halnya dengan discret OP Amp dimana anda bisa melakukan proses matching sesuka anda sampai mendapatkan kualitas yang terbaik.
Harga dari produk FM Acoustic  bisa mencapai milliaran Rupiah,  ketika saya  bertanya pada Manuel Hubert yaitu perancang dari produk tersebut mengapa produknya berharga begitu mahal, jawabanya adalah karena setiap komponen yang digunakan pada  produknya terlebih dahulu diseleksi dan di matching untuk mendapatkan kualitas  terbaik dan tidak asal pakai.
Mungkin rakitan  anda bisa bersaing dengan produk tersebut namun tidak harus mengeluarkan biaya milyaran Rupiah.

 

Kembali ke Halaman Utama

 

 
 





Comments