Analogi Tongkat: Memperjelas Umpan Balik Terbagi pada Penguat

Untuk meledakkan misteri rangkaian penguat umpan balik terbagi, kita dapat merujuk pada sistem mekanik yang familiar: tongkat. Ujung bergerak tongkat mewakili tegangan input dan output, sementara titik tumpu—baik ground fisik atau virtual—berfungsi sebagai referensi umpan balik.

Pertimbangkan penguat op-amp non-terbalik klasik yang ditunjukkan di bawah ini. Seperti yang dibahas sebelumnya, gain tegangannya tidak pernah bisa di bawah satuan. Dengan memasangkan diagram tongkat dengan skematik—di mana panjang lengan tongkat sesuai dengan nilai resistor—kita dapat memvisualisasikan bagaimana perubahan tegangan diterjemahkan menjadi perpindahan mekanik.

Fisik menyebut pengaturan ini sebagai tongkat kelas ketiga, karena usaha (input) dan beban (output) terletak di sisi yang sama dari fulcrum. Tongkat kelas ketiga menunjukkan perpindahan output yang setidaknya sebesar input, cocok dengan gain ≥1 dari penguat non-terbalik.

Mendorong titik input ke atas pada tongkat analog dengan menerapkan tegangan input positif. Geometri tongkat memperkuat gerak: titik output bergerak dua kali lebih jauh dan dalam arah yang sama. Dalam rangkaian, tegangan output sama dengan dua kali input, mempertahankan polaritas.

Karena karakteristik memperkuat perpindahan dari tongkat, titik “output” akan bergerak dua kali lebih jauh dari titik “input”, dan dalam arah yang sama. Dalam rangkaian elektronik, tegangan output akan sama dengan dua kali input, dengan polaritas yang sama. Menerapkan tegangan input negatif analog dengan memindahkan tongkat ke bawah dari posisi “nol” yang rata, menghasilkan perpindahan output yang diperkuat yang juga negatif:

Mengubah rasio resistor R₂/R₁ mengubah posisi titik input relatif terhadap fulcrum, sehingga menyesuaikan gain mekanik. Misalnya, meningkatkan R₂ relatif terhadap R₁ menggeser tongkat sehingga perpindahan output menjadi empat kali input.

Sekarang, sinyal input apa pun akan diperkuat dengan faktor empat alih-alih faktor dua:

Konfigurasi terbalik juga dapat dipetakan pada analogi tongkat, tetapi dengan kelas mekanik yang berbeda. Di sini titik ground dari pembagi umpan balik adalah input inverting op-amp, yang menempatkan input di satu sisi fulcrum dan output di sisi lain—tongkat kelas pertama.

Ketika kedua resistor sama—mencerminkan panjang lengan tongkat yang sama di kedua sisi—perpindahan output sama dengan magnitudo input tetapi membalik arah. Jadi input positif menghasilkan output negatif.

Menyesuaikan R₂/R₁ lagi menggeser fulcrum tongkat, memodulasi gain. Jika R₂ dua kali R₁, geometri tongkat menghasilkan gain –2. Sebaliknya, menukar nilai resistor memindahkan fulcrum satu di tiga dari ujung output, memberikan gain –½.