FIGURE 11.8

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Example

6. Problem

7. Pilihan Ganda

8. Percobaan

9. Download File

Sub-Chapter 11.8 R/2R Ladder

1. Pendahuluan[Kembali]

    Dalam sistem konversi digital ke analog (DAC), salah satu metode yang paling umum digunakan sebelumnya adalah binary-weighted resistor, yaitu menggunakan resistor dengan nilai berbeda-beda untuk merepresentasikan bobot (weight) setiap bit. Namun metode ini memiliki kelemahan praktis yang signifikan: semakin banyak jumlah bit (resolusi tinggi), semakin besar rentang perbedaan nilai resistor antara bit MSB (Most Significant Bit) dan bit LSB (Least Significant Bit). Sebagai contoh, pada DAC 12-bit, jika resistor MSB bernilai 1 kΩ, maka resistor LSB dapat mencapai lebih dari 2 MΩ. Rentang nilai resistansi yang sangat besar ini sulit diproduksi secara akurat dengan teknologi fabrikasi IC, terutama jika harus tetap presisi terhadap variasi suhu. 

    Untuk mengatasi masalah tersebut, digunakan rangkaian R/2R Ladder Network, yaitu rangkaian DAC yang hanya membutuhkan dua nilai resistansi (R dan 2R) dengan rasio 2:1 saja, tanpa perlu resistor dengan rentang nilai yang sangat lebar. Rangkaian ini menjadi salah satu jenis DAC yang paling banyak digunakan karena kesederhanaan nilai komponennya dan akurasinya yang lebih baik dibanding metode binary-weighted resistor.

2. Tujuan[Kembali]

1. Memahami kelemahan metode binary-weighted resistor pada rangkaian DAC resolusi tinggi.
2. Memahami prinsip kerja rangkaian R/2R Ladder DAC.
3. Memahami fungsi saklar bit (B0–B3) dalam menentukan aliran arus IOUT pada rangkaian R/2R ladder.
4. Memahami peran op-amp sebagai konverter arus ke tegangan (current-to-voltage converter) pada output DAC.
5. Mampu menghitung tegangan output (VOUT) berdasarkan nilai bit biner input menggunakan rumus VOUT = (−VREF / 16) × B.

3. Alat dan Bahan[Kembali]

A. Alat

    1) Instrument

        a. Logic state

        Gerbang Logika (Logic Gates) adalah sebuah entitas untuk melakukan pengolahan  input-input yang berupa bilangan biner (hanya terdapat 2 kode bilangan biner yaitu, angka 1 dan 0) dengan menggunakan Teori Matematika Boolean sehingga dihasilkan sebuah sinyal output yang dapat digunakan untuk proses berikutnya

         b. Logic Probe

            Logic probe adalah alat yang dapat menganalisa suatu rangkaian IC dengan cara menunjukkan logika keluar dari kaki pin IC tersebut.

B. Bahan

    1)   Resistor

    Resistor atau disebut juga dengan Hambatan adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menghambat dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian elektronika. Satuan nilai Resistor atau Hambatan adalah Ohm.

    Spesifikasi dari Resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat dihantarkan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, derau listrik (noise), dan induktansi. Resistor dapat diintegrasikan ke dalam sirkuit hibrida dan papan sirkuit cetak, bahkan sirkuit terpadu.

Spesifikasi :

    Resistor adalah komponen elektronika pasif yang selalu digunakan dalam setiap rangkaian elektronika karena dia berfungsi sebagai penghambat arus listrik. Bila kita menginginkan arus yang besar maka kita pasang resistor yang nilai resistansinya kecil, mendekati nol atau sama dengan nol atau tidak dipasang sama sekali dengan demikian arus tidak lagi dibatasi. Resistor berfungsi sebagai  Penghambat arus listrik, Sebagai tahanan arus listrik agar listrik yang melewati resistor di hambat melalui karbon yang berada di dalam tubuh resistor menjadi di perkecil apabila resistansinya besar, Sebagai tahanan arus listrik agar listrik yang melewati resistor di hambat melalui karbon yang berada di dalam tubuh resistor menjadi di perkecil apabila resistansinya besar.

    2)   Op Amp

    Operational Amplifier atau lebih dikenal dengan istilah Op-Amp adalah salah satu dari bentuk IC Linear yang berfungsi sebagai Penguat Sinyal listrik. Sebuah Op-Amp terdiri dari beberapa Transistor, Dioda, Resistor dan Kapasitor yang terinterkoneksi dan terintegrasi sehingga memungkinkannya untuk menghasilkan Gain (penguatan) yang tinggi pada rentang frekuensi yang luas. Dalam bahasa Indonesia, Op-Amp atau Operational Amplifier sering disebut juga dengan Penguat Operasional.

Konfigurasi:

Pin Out:

Spesifikasi:

    3)   Buffer

    Buffer adalah rangkaian elektronik atau memori penyangga sementara yang berfungsi untuk mentransfer sinyal atau data antara dua komponen tanpa mengubah nilai tegangan sinyal tersebut. Buffer bertindak sebagai jembatan isolasi untuk mencegah gangguan beban mempengaruhi sumber sinyal utama.

4. Dasar Teori[Kembali]

A. Resistor

        Resistor merupakan salah satu komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk membatasi arus yang mengalir pada suatu rangkaian dan berfungsi sebagai terminal antara dua komponen elektronika. Tegangan pada suatu resistor sebanding dengan arus yang melewatinya (V=I R).

Cara menghitung nilai resistansi resistor dengan gelang warna:

1. Masukkan angka langsung dari kode warna gelang pertama

2. Masukkan angka langsung dari kode warna gelang kedua

3. Masukkan angka langsung dari kode warna gelang ketiga

4. Masukkan jumlah nol dari kode warna gelang ke-4 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10(10^n)

B. Op AMP

    Penguat operasional atau yang dikenal sebagai Op-Amp merupakan suatu rangkaian terintegrasi atau IC yang memiliki fungsi sebagai penguat sinyal, dengan beberapa konfigurasi. Secara ideal Op-Amp memiliki impedansi masukan dan penguatan yang tak berhingga serta impedansi keluaran sama dengan nol. Dalam prakteknya, Op-Amp memiliki impedansi masukan dan penguatan yang besar serta impedansi keluaran yang kecil.

Op-Amp memiliki beberapa karakteristik, di antaranya:

a. Penguat tegangan tak berhingga (AV = ∼)

b. Impedansi input tak berhingga (rin = ∼)

c. Impedansi output nol (ro = 0) d. Bandwidth tak berhingga (BW = ∼)

d. Tegangan offset nol pada tegangan input (Eo = 0 untuk Ein = 0)

Rangkaian dasar Op-Amp

5. Example[Kembali]

1.   Jika VREF = 8V dan input biner B3B2B1B0 = 1010 (desimal 10), berapa VOUT?

Jawab:

VOUT = (−VREF/16) × B = (−8/16) × 10 = −5 V

2. Mengapa R/2R ladder lebih disukai dibandingkan binary-weighted resistor pada DAC resolusi tinggi (banyak bit)?

Jawab: Karena R/2R ladder hanya membutuhkan dua nilai resistansi (R dan 2R) dengan rasio 2:1 yang mudah diproduksi secara akurat pada IC, sedangkan binary-weighted resistor membutuhkan rentang nilai resistor yang sangat lebar antara bit MSB dan LSB (bisa mencapai ribuan kali lipat pada DAC banyak bit), yang sulit diproduksi secara presisi dan stabil terhadap perubahan suhu.

3.  Apa fungsi resistor feedback R pada op-amp dalam rangkaian R/2R ladder DAC?

Jawab: Resistor feedback R berfungsi mengubah arus IOUT yang dihasilkan oleh jaringan ladder menjadi tegangan output VOUT, melalui konfigurasi op-amp sebagai inverting current-to-voltage converter.

6. Problem[Kembali]

1. Jika VREF = 10V dan seluruh bit B3B2B1B0 = 1111 (nilai maksimum 4-bit), berapa VOUT yang dihasilkan?

Jawab:

B = 15 (desimal dari 1111)

VOUT = (−10/16) × 15 = −9,375 V

2. Apa yang terjadi pada nilai resistansi ekivalen yang "terlihat" dari satu titik cabang R/2R ladder ke cabang berikutnya, dan mengapa hal ini penting?Jawab: Resistansi ekivalen yang terlihat dari setiap titik cabang selalu bernilai R, karena kombinasi paralel antara 2R (saklar) dengan rangkaian R + (2R paralel cabang berikutnya) selalu menghasilkan R. Hal ini penting karena menjaga konsistensi rasio pembagian arus/tegangan biner di setiap tingkat tangga, sehingga bobot setiap bit tetap sesuai dengan posisinya (MSB berkontribusi dua kali lipat dari bit di bawahnya).

3. Jika sebuah DAC R/2R ladder memiliki 8 bit input, berapa nilai pembagi pada rumus VOUT = (−VREF/N) × B, dan berapa nilai N tersebut?

Jawab: Untuk DAC 8-bit, N = 2⁸ = 256, sehingga rumusnya menjadi VOUT = (−VREF/256) × B.

7. Pilihan Ganda

1.Kelemahan utama metode binary-weighted resistor pada DAC resolusi tinggi adalah...

   A. Membutuhkan op-amp tambahan

   B. Rentang nilai resistor antara MSB dan LSB terlalu besar

   C. Tidak dapat digunakan untuk sinyal analog

   D. Membutuhkan tegangan referensi negatif

Jawaban: B

Penjelasan: Pada DAC banyak bit, resistor LSB dapat mencapai nilai jutaan ohm dibanding resistor MSB, sehingga sulit diproduksi secara akurat dan stabil.

2. Fungsi op-amp pada rangkaian R/2R ladder DAC (Figure 11-8) adalah sebagai...

    A. Pembanding tegangan (comparator)

    B. Penguat sinyal analog murni

    C. Konverter arus ke tegangan (current-to-voltage converter)

    D. Osilator sinyal clock

3. Langkah yang dilakukan setelah menempatkan simbol TTL dan menyelesaikan wiring pada skematik adalah…

    A. Langsung mengunduh (download) ke chip tanpa kompilasi

    B. Melakukan pin assignment lalu compile

    C. Menghapus seluruh komponen library

    D. Mengubah software menjadi mode analog

Jawaban yang benar: B

Penjelasan: Setelah wiring selesai, pin-pin input/output perlu ditetapkan ke pin fisik perangkat (pin assignment), kemudian rangkaian dikompilasi agar dapat disintesis menjadi konfigurasi logika pada chip.

8. Percobaan[Kembali]

A. Prosedur

1. Buka aplikasi simulasi rangkaian elektronika (misalnya Proteus atau Multisim).
2. Susun rangkaian R/2R ladder 4-bit sesuai Figure 11-8, menggunakan resistor R dan 2R, saklar bit B0–B3, serta op-amp dengan resistor feedback R.
3. Hubungkan sumber tegangan referensi (+VREF) ke titik atas rangkaian ladder.
4. Ubah-ubah posisi saklar B0–B3 (ke ground atau VREF) untuk merepresentasikan berbagai kombinasi bit biner.
5. Ukur tegangan output (VOUT) menggunakan voltmeter pada tiap kombinasi bit, lalu bandingkan hasilnya dengan perhitungan menggunakan rumus VOUT = (−VREF/16) × B.

B. Simulasi Rangkaian dan Prinsip Kerja

Simulasi Rangkaian :

Prinsip Kerja : 

Prinsip Kerja Rangkaian (Simulasi Figure 11-8 – R/2R Ladder DAC):

Rangkaian ini menggunakan empat saklar bit B3–B0 yang mengontrol empat buah relay RL1–RL4, di mana posisi tiap relay menentukan apakah cabang 2R (R6, R5, R4, R7) pada bit tersebut terhubung ke ground (logika 0) atau ke +VREF (logika 1) melalui buffer U1–U4; keempat cabang 2R ini kemudian dihubungkan secara bertingkat melalui resistor R (R1, R2, R3) membentuk struktur tangga R/2R, sehingga arus yang mengalir dari tiap bit terbagi sesuai bobot binernya (B3/MSB menyumbang arus dua kali lipat dari bit di bawahnya, dan seterusnya hingga B0/LSB) dan berkumpul menjadi arus IOUT pada titik simpul terakhir (R8); arus IOUT ini lalu masuk ke input inverting op-amp 741 (U11) yang dikonfigurasi sebagai inverting current-to-voltage converter dengan resistor feedback R9, sehingga menghasilkan tegangan output VOUT yang sebanding (namun berpolaritas negatif) dengan nilai desimal kombinasi bit B3B2B1B0, sesuai rumus VOUT = (−VREF/16) × B; pada contoh di gambar, dengan VREF = 10V dan B = 1 (kombinasi bit 0001), diperoleh VOUT = (−10/16) × 1 = −0,625 V, yang sesuai dengan baris kedua pada tabel kebenaran (truth table) di sisi kanan, di mana setiap kenaikan satu langkah nilai biner B akan menaikkan besar VOUT secara linear sebesar 0,625V, hingga mencapai nilai maksimum −9,375V saat seluruh bit berlogika 1 (1111).

Video Simulasi:

9. Download File[Kembali]

Download Rangkaian 11.8 [klik disini]
Download Datasheet Op Amp  [klik disini]

Download Datasheet Buffer [klik disini]

Download Datasheet Relay [klik disini]

Download Datasheet Logic State [klik disini]