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
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.
Di pasaran ada banyak merek merek ternama yang bisa anda pilih sesuai 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.