Penguat Umpan Balik (Feed Back) Negatif

Dalam sistem kendali umpan balik sebagian dari output dikembalikan ke input. Sinyal yang kembali ini bergabung dengan input asal, yang menghasilkan perubahan besar dalam penampilan dari sistem. Umpan Balik Negatif, berarti sinyal yang kembali mempunyai fase yang melawan sinyal input. Keuntungan dari umpan balik negatif adalah menstabilkan penguatan memperbaiki impedansi input dan output, mengurangi efek distorsi nonlinear, dan menambah lebar pita. Suatu penguat umpan balik mempunyai dua bagian yaitu sebuah penguat dan sebuah rangkaian umpan balik. Tergantung pada hubungan output, tegangan output atau arus yang menggerakkan rangkaian umpan balik. Rangkaian umpan balik mengembalikan sinyal ke input yang memodifikasi semua gerak dari sistem. Tujuan utama umpan balik adalah memungkinkan input secara persis mengendalikan output.

Ada empat hubungan umpan balik dasar yakni rangkaian umpan balik Seri-Paralel (SP), umpan balik Paralel-Paralel (PP), umpan balik Seri-Seri (SS), dan umpan balik Paralel-Seri (PS). Dari keempat jenis hubungan tersebut, masing-masing mempunyai sifat-sifat yang khusus yang secara ideal cocok untuk aplikasi tertentu namun yang paling banyak dipakai adalah umpan balik SP dan PP.

Umpan Balik	SP	PP	SS	PS
Hubungan Input	Seri	Paralel	Seri	Paralel
Sinyal Input	V in	I in	Vin	I in
Hubungan Paralel	Paralel	Paralel	Seri	Seri
Sinyal Output	V out	V out	I out	I out
Rasio yang distabilkan	V out / V in	V out / I in	I out / V in	I out / I in

Umpan Balik Negatif Seri-Paralel (SP)

Pada Rangkaian Umpan Balik Seri-Paralel (SP) input dari penguat dan rangkaian umpan balik dalam hubungan seri, tetapi output dalam hubungan parallel. Dengan hubungan ini variabel input pengontrol adalah Vin dan variabel output yang dikontrol adalah Vout. semua tujuan dari umpan balik SP adalah menghasilkan kestabilan tinggi dan rasio yang tepat dari Vout/Vin. Dalam suatu sistem kendali umpan balik SP input ke penguat dalam disebut tegangan kesalahan (error). Tegangan ini adalah perbedaan antara sinyal input dan sinyal umpan balik. Dalam sistem kendali tipikal, tegangan kesalahan mendekati nol alasannya adalah penguat tegangan A sangat tinggi dari 10.000 sampai lebih dari 1.000.000. karena ayunan tegangan output dari kebanyakan penguat sekitar 10V, tegangan kesalahan pada frekuensi rendah adalah pada suatu tempat dalam daerah microvolt. Karenanya dibandingkan dengan tegangan sinyal lain dalam rangkaian, Verror adalah kecil tak berarti. (Verror 0).

Penguatan tegangan keseluruhan dari penguat umpan balik SP adalah stabil dan harganya tetap serta teliti karena perubahan yang terjadi dalam tegangan output diberikan kembali ke input yang menyebabkan tegangan kesalahan berubah dalam arah yang berlawanan. Efek keseluruhannya adalah tegangan output sebenarnya tidak tergantung dari perubahan dari penguatan A. Di titik terakhir, penguatan dalam A disebut Penguatan Loop Terbuka karena merupakan penguatan yang akan kita peroleh jika lintasan umpan balik dibuka. Disisi lain penguatan keseluruhan dari sistem A_SP disebut Penguatan Loop Tertutup karena merupakan penguatan yang akan kita peroleh jika ada loop tertutup atau lintasan sinyal penuh disekitar rangkaian.

Penguat dalam mempunyai impedansi (frekuensi yang membandingkan antara penguat dan tahanan) input Zin dan impedansi Zout. Tetapi penguat keseluruhan mempunyai impedansi input Zin(SP). Impedansi input bertambah jika Vin bertambah maka I in juga bertambah sehingga menimbulkan tegangan kesalahan yang lebih besar dari tegangan output yang lebih besar. Akibatnya tegangan umpan balik BV out bertambah melawan pertambahan semula dalam I in. ini berarti umpan balik negatif SP menambah impedansi input yang terlihat oleh sumber. Impedansi output berkurang jika RL berkurang maka I out bertambah sehingga menimbulkan jatuh tegangan yang lebih besar pada impedansi Thevein Zout dari penguat dalam. Hal ini menghasilkan tegangan output Vout yang lebih rendah tetapi kemudian tegangan umpan balik BVout juga berkurang. Hal ini menyebabkan Verror bertambah dan hampir sepenuhnya mengofset pengurangan tegangan output yang semula. Dengan kata lain, walaupun RL berkurang, tegangan output menujukkan hampir sama sekali tidak berubah, dibandingkan dengan yang akan terjadi tanpa umpan balik. Hal ini berarti bahwa umpan balik negatif SP mengurangi impedansi output.

Dengan mengorbankan penguatan loop terbuka, kita dapat melakukan perbaikan yang besar mengenai penguatan loop tertutup. Seperti yang telah ditunjukkan lebih dulu, stabilitas penguatan diperbaiki, impedansi input bertambah dan impedansi output berkurang. Tingkat sinyal yang besar mempunyai distorsi non linear karena penguatan tegangannya berubah pada titik yang berbeda dalam siklus. Misalnya, setengah siklus positif mungkin diperpanjang dan setengah siklus negatif mungkin diperpendek. Perubahan dalam penguatan dalam merupakan sebeb cacat nonlinear. Umpan balik negatif SP mengurangi distorsi nonlinear karena umpan balik tersebut menghilangkan efek dari perubahan penguatan dalam. Selama perioda loop terbuka jauh lebih besar dari pada penguatan loop tertutup, tegangan output hampir tidak dipengaruhi dalam menimbulkan cacat dari sinyal yang dapat diabaikan. Umpan Balik Negatif SP juga dapat menambah lebar pita karena penguatan loop terbuka jauh lebih besar dari pada penguatan loop tertutup. Jika penguatan dalam diturunkan 3dB, penguatan loop tertutup masih mendekati 1/B ini berarti lebar pita dari penguat keseluruhan lebih besar dari pada lebar pita dari penguat dalam. Umpan Balik SP tidak mempunyai pengaruh pada slew rate atau lebar pita daya sampai tegangan output mendapat kesempatan untuk berubah tidak ada sinyal umpan balik dan tidak ada manfaat dari umpan balik negatif.

Umpan Balik Negatif Paralel-Paralel (PP)

Pada Rangkaian Umpan Balik Negatif Paralel-Paralel (PP), tegangan input menggerakkan terminal inverting dari penguat sedangkan terminal non inverting ditanahkan ke sinyal output yang diperkuat dan dibalik kemudian dimasukkan ke ujung kanan dari resistor umpan balik R. cara yang termudah untuk mendapatkan apa yag dilakukan rangkaian adalah memilerkannya yaitu memecah R menjadi dua komponen Miller. Jika penguat adalah rangkaian diskrit, kita dapat mengharapkan penguatan sebesar 100 atau lebih; jika penguat adalah penguat operatif, penguatan akan lebih baik dari 10.000. Arus yang dapat diabaikan mengalir kedalam penguat dalam dan hampir semua I in mengalir melalui resistansi input Miller. Perbedaan antara umpan balik negatif SP dan PP yakni impedansi input SP mendekati tak terhingga, sedangkan impedansi input PP mendekati nol. Karena impedansi input sangat rendah, input inverting disebut pertanahan semu (Virtual Ground). Ini berarti input inverting bekerja sebagai titik pertanahan dalam arti bahwa tegangan kesalahan kira-kira nol. Dipihak lain input inverting bukan titik pertanahan yang sesungguhnya karena dia tidak melepaskan arus input; hampir seluruh arus input mengalir melalui resistor umpan balik R karena adanya efek Miller.

Konsep pertanahan semu menyederhanakan analisa dari rangkaian penguat operatif inverting sehingga penting untuk mengingat dua ide tentang pertanahan semu berikut ini :

1. Input inverting adalah pada potensial tanah (secara ideal)

2. Semua arus input mengalir melalui resistor umpan balik (secara ideal)

Seperti pada umpan balik SP, umpan balik PP membuat impedansi output Thevein mendekati nol. Dengan kata lain, rangkaian output cenderung untuk bekerja sebagai sumber tegangan yang sempurna. Harga dari Zout(PP) tergantung pada impedansi sumber Rs yang dihubungkan ke input inverting. Dengan penurunan yang serupa dengan yang diberikan umpan balik negatif SP. Penguat umpan balik negatif PP mendekati konverter arus-tegangan yang sempurna pada sebuah alat dengan impedansi input nol, impedansi output nol dan hubungan yang tetap antara Iin dan Vout. Dengan Umpan balik negatif PP kita dapat membuat ammeter elektronik yang resistansinya mendekati nol.

Umpan Balik Negatif Seri-Seri (SS)

Pada umpan balik negatif seri-seri (SS), tegangan input menggerakkan terminal input non-inverting. Tegangan umpan balik menggerakkan terminal input inverting. Karena hubungan input seri, impedansi input mendekati tak terhingga dengan penurunan langsung seperti penurunan untuk umpan balik SP. Sedangkan output dari penguat umpan balik SS bekerja seperti sumber arus. Sebuah umpan balik negatif SS secara ideal bertingkah laku seperti Konverter tegangan ke arus yang sempurna, suatu alat dengan impedansi input tak terhingga, impedansi output tak terhingga dan hubungan tetap antara Vin dan I out. 

Umpan Balik Negatif Paralel-Seri (PS)

Pada umpan balik negatif Paralel-Seri (PS) arus input menggerakkan terminal inverting, terminal non-inverting ditanahkan. Karena efek miller, input inverting dalam adalah pertanahan semu (virtual ground). Dengan kata lain Zin(PS) mendekati nol demikian juga hubungan output seri cenderung untuk bertindak sebagai sumber arus sempurna yaitu Zout(PS) mendekati tak terhingga. Dengan umpan balik PS, variabel input adalah I in dan variabel output adalah I out.

Hubungan output paralel sering dipandang sebagai umpan balik tegangan karena tegangan output dari penguat menggerakkan rangkaian umpan balik tersebut. Umpan balik tegangan menstabilkan tegangan output terhadap perubahan dalam penguatan loop terbuka, impedansi dalam, dan sebagainya. Dengan perkataan lain, umpan balik tegangan cenderung membuat rangkaian output bekerja sebagai sumber tegangan sempurna. Dipihak lain hubungan output seri sering dipandang sebagai umpan balik arus. Karena arus output menggerakkan rangkaian umpan balik. Umpan balik arus menstabilkan arus output terhadap perubahan dalam penguatan loop terbuka, impedansi dalam, dan sebagainya. Dengan kata lain umpan balik arus membuat rangkaian output bekerja hampir seperti sebuah sumber arus yang sempurna.

Sinyal umpan balik yang kembali dapat dipasang seri atau paralel dengan input seperti yang telah ditunjukkan, hubungan input seri menimbulkan impedansi input yang mendekati tak terhingga. Dengan hubungan ini variabel input yang mengontrol adalah tegangan Vin dengan kata lain, hubungan input paralel menghasilkan impedensi input yang mendekati nol; dalam hal ini, veriabel input yang mengontrol adalah arus Iin.

	SP	PP	SS	PS
Rasio Stabil	Vout / Vin	Vout / Iin	Iout / Vin	Iout / Iin
Impedansi input	Bertambah	Berkurang	Bertambah	Berkurang
Impedansi output	Berkurang	Berkurang	Bertambah	Bertambah
Distorsi	Berkurang	Berkurang	Berkurang	Berkurang
Lebar pita	Bertambah	Bertambah	Bertambah	Bertambah
Rangkaian ekivalen	Penguatan tegangan	Konverter arus ke tegangan	Konverter tegangan ke arus	Penguatan Arus