Peranti Penyedia Tegangan Rujukan

Sajian Utama
Komunikasi
Kendali
Energi

Pendahuluan

Dalam artikel ini akan dibahas berturut-turut masalah arsitektur dasar tegangan rujukan, pemilihan peranti penyedia tegangan rujukan, dan teknik kompensasi temperatur yang digunakan pada peranti penyedia tegangan rujukan. Dibahas juga beberapa contoh peranti penyedia tegangan rujukan yang ada di pasaran.

Arsitektur Dasar Tegangan Rujukan

Sel standar berwujud merkuri cair dan elektrolit cair yang ditempatkan dalam wadah gelas berbentuk H. Meskipun akurat dalam jangka panjang, yakni beberapa bagian per sejuta (beberapa ppm, part per million), sel standar ini memerlukan waktu pemulihan yang sangat lama (beberapa minggu sampai beberapa bulan) bila sampai terbeban lebih.

Sebagai penyedia tegangan rujukan, batere merkuri lebih handal. Batere merkuri dapat digunakan selama beberapa tahun dan memberikan akurasi sekitar 2 ½ digit. Batere merkuri masih digunakan sebagai penyedia tegangan rujukan pada beberapa aplikasi yang bersifat portabel, meskipun kebanyakan sudah digantikan peranti semikonduktor dengan konsumsi daya sangat rendah (10 femtoamper). 

Seiring dengan berkembangnya teknologi semikonduktor pada tahun 1950-an dan 1960-an, serta semakin terungkapnya karakteristik fisika semikonduktor, perancang sistem elektronika mulai memanfaatkan peranti penghasil tegangan rujukan yang dibuat berdasarkan sifat diode. 

Terdapat dua prinsip dasar pembangkitan rujukan, yakni prinsip zener-terkubur (buried-zener) dan prinsip celah-pita (bandgap). Keduanya dapat dikonfigurasi secara seri maupun paralel. Diode zener merupakan peranti penyedia tegangan rujukan semikonduktor pertama. Diode zener, yang kebanyakan digunakan dalam rangkaian penggenggam (clamp) dan catu daya, tersedia dalam berbagai tegangan, kemasan, dan tarif daya. Meskipun diode zener sendiri tidak cukup akurat dan tidak cukup stabil untuk dikualifikasikan sebagai tegangan rujukan, diode zener mampu menghasilkan tegangan yang konstan bila dipasang seri dengan resistor dan catu tegangan tak teregulasi.

Koefisien temperatur diode zener bergantung pada tegangan dadalnya (breakdown voltage), terendah adalah diode zener dengan tegangan dadal 6,3V. Bila diode zener dipasang seri dengan sambungan p-i-n (pin junction) yang tepat, akan didapatkan tegangan rujukan stabil yang koefisien temperaturnya dapat dibuat sangat kecil.

Salah satu penyebab berkurangnya akurasi diode zener adalah efek penuaan (aging effect). Untuk mengurangi efek ini, pemakai diode zener yang menghendaki akurasi tegangannya terjaga stabil dapat melakukan pemanasan peranti dalam jangka lama (beberapa tahun). Dengan cara penuaan buatan itu, perubahan tegangan keluaran akibat proses penuaan dapat dikurangi.

Dibanding dengan peranti yang dibuat berdasarkan prinsip celah-pita, peranti yang menggunakan prinsip zener-terkubur pada umumnya memiliki derau lebih rendah, stabilitas jangka panjang yang lebih baik, dan hanyutan (drift) temperatur yang lebih rendah. Kelemahannya, diode zener dengan koefisien temperatur rendah hanya diperoleh pada tegangan sekitar 6-7 volt dan memerlukan tegangan catu sekitar 1 volt lebih tinggi dari tegangan keluarannya agar dapat bekerja dengan baik. Dengan demikian peranti yang dibuat berdasarkan prinsip zener tidak cocok digunakan dalam sistem bertegangan rendah. Kelemahan lain adalah disipasi dayanya yang lebih besar sehingga lebih boros daya listrik.

Peranti penyedia tegangan rujukan berdasarkan prinsip celah pita tersusun atas, misalnya, 11 diode yang dibuat di atas subtrat silikon. Ke-11 buah diode itu dibuat berjajar berdekatan agar temperaturnya sama. Seluruh diode, kecuali satu diode yang terletak di tengah, disambung paralel. Kemudian diode yang di tengah dan 10 diode lainnya dicatu dengan dua sumber arur identik sehingga diode yang di tengah memiliki rapatan arus 10 kali lebih besar dari masing-masing diode lainnya. Diode yang di tengah ini memiliki koefisien temperatur negatif, tetapi beda tegangan tiap diode terhadap grupnya memiliki koefisien temperatur positif.

Jika diatur agar beda tegangan tiap diode ditambah tegangan diode yang di tengah sama dengan tegangan celah-pita silikon (1,205 Volt), maka koefisien temperatur total rangkaian idealnya akan sama dengan nol. Prinsip inilah yang dimanfaatkan pada peranti penyedia tegangan rujukan celah-pita. 

Peranti yang dibuat berdasarkan prinsip celah-pita dapat menyediakan tegangan rujukan yang lebih rendah, yakni 1,235 volt, 1,25 volt, 2,048 volt, 2,5 volt, 4,096 volt atau 5,0 volt untuk disesuaikan dengan kebutuhan pemakaian dan resolusi konverter data.

Gambar 1.a menunjukkan tegangan rujukan dua terminal yang dipasang dalam konfigurasi paralel. Untuk peranti dengan konfigurasi seperti itu diperlukan panjaran dengan arus yang lebih besar dari jumlah arus diam (quiescent current) rujukan dan arus beban sistem maksimum. Konfigurasi paralel seperti itu memungkinkan dipasangnya peranti pada rentang tegangan yang lebar karena panjaran dibatasi oleh resistor pembatas arus. Meskipun demikian harus diperhatikan bahwa daya lebih, yang berwujud hamburan panas pada resistor pembatas arus memboroskan pemakaian daya listrik. 

Peranti penyedia tegangan rujukan dalam konfigurasi seri (gambar 1b), menarik arus sebesar arus diam peranti dan arus beban sesaat sehingga peranti ini menghamburkan lebih sedikit daya listrik.

Pemilihan Peranti Penyedia Tegangan Rujukan 

1. Akurasi

Istilah akurasi sebenarnya rancu. Secara harafiah, akurasi adalah keseluruhan penyimpangan nilai dari nilai keluaran idealnya, yang dinyatakan dalam prosentase. Tegangan rujukan yang sempurna adalah yang 100% akurat. Tetapi, dalam istilah yang umum digunakan, istilah akurasi dan galat total (total error) sering dipertukarkan maknanya. Tegangan rujukan yang 1% akurat biasanya dipahami sebagai memiliki galat total 1% bukan 99%.

Galat merupakan ukuran penyimpangan dari nilai ideal atau nilai seharusnya. Galat tegangan rujukan dinyatakan dalam besaran nilai mutlak (misalnya, sekian milivolt), dalam besaran prosentase (%), atau bagian per sejuta (ppm, part per million).

Akurasi awal (initial accuracy) adalah toleransi tegangan keluaran yang dihasilkan oleh peranti penyediaan tegangan rujukan setelah catu daya dinyalakan (turn-on). Nilai akurasi awal biasanya diukur saat tidak ada beban atau pada rentang beban tertentu. Dalam banyak aplikasi, akurasi awal merupakan spesifikasi paling penting, bahkan peranti penyedia tegangan rujukan kualitas rendah hanya akan mencantumkan akurasi awalnya saja.

Hanyutan penyalaan (turn-on drift) adalah perubahan tegangan keluaran pada interval waktu tertentu setelah catu daya dinyalakan. Hal ini berbeda dengan akurasi awal yang jarang dinyatakan pada rentang waktu tertentu, meskipun untuk peranti elektronika modern umumnya diperlukan waktu sekitar beberapa milidetik untuk penstabilan (khusus peranti dengan pemanasan subtrat, yang memerlukan beberapa detik waktu penstabilan). Peranti penyedia tegangan rujukan pada umumnya menunjukkan perubahan tegangan keluaran pada detik atau menit pertama setelah penyalaan. Hanyutan penyalaan merupakan parameter penting pada sistem portabel untuk menghemat energi batere dengan cara mencatu peranti penyedia tegangan rujukan dalam waktu yang singkat.

Hanyutan jangka pendek (short-term drift) didefinisikan sama dengan hanyutan penyalaan, tetapi dinyatakan dalam rentang waktu pendek (dari milidetik sampai beberapa menit) pada sembarang waktu setelah catu daya terpasang. Sama seperti derau (noise) hanyutan jangka pendek biasanya kecil, tak teramalkan, dan bersifat acak.

Hanyutan jangka panjang (long-term drift) adalah perubahan yang lambat dari keluaran peranti penyedia tegangan rujukan yang terjadi dalam rentang waktu tertentu pada operasi kontinyu. Hanyutan jangka panjang yang biasanya dinyatakan dalam ppm/1000-jam, merupakan salah satu bentuk derau dan karenanya berbentuk acak dan tak teramalkan. Parameter ini biasanya diukur terhadap peranti-peranti sampel yang dipilih secara acak, karena pengukuran dan pengujiannya membutuhkan waktu yang sangat lama.

Penuaan adalah perubahan tegangan keluaran bertahap yang disebabkan oleh perubahan karakteristik tegangan rujukan dalam jangka panjang. Berbeda dengan hanyutan jangka panjang, penuaan menghasilkan perubahan tegangan rujukan yang bersifat satu arah sedangkan hanyutan jangka panjang menyebabkan perubahan yang bersifat fluktuatif dan acak.

Derau (noise) elektrik merupakan keluaran tidak dikehendaki pada terminal keluaran peranti penyedia tegangan rujukan. Derau ini meliputi derau termal pita-lebar (wideband), derau paku (spike) frekuensi rendah, dan derau 1/f pita-sempit. Derau termal biasanya kecil dan mudah difilter dengan jaringan RC, kecuali bila penggunaan jaringan RC tidak dikehendaki karena dapat mempengaruhi kinerja sistem. Pada aplikasi yang hanya mencatu peranti penyedia tegangan rujukan dalam interval waktu singkat, kebanyakan bentuk derau berwujud komponen akurasi awal.

Hanyutan temperatur (temperature drift) adalah perubahan tegangan akibat perubahan temperatur, yang dinyatakan dalam ppm/° C atau %/° C. Hanyutan temperatur merupakan parameter penting kedua setelah akurasi awal, dan menjadi dominan untuk aplikasi yang akurasi awalnya dapat dikompensasi dengan mengkalibrasi penguatan.

Kompensasi Temperatur

1. Pemanas Temperatur Konstan

Penstabilan tegangan dapat dilakukan dengan menempatkan peranti penyedia tegangan rujukan dalam pemanas yang temperaturnya dipertahankan konstan di atas temperatur ruangan (antara +50° C sampai +86° C). Cara ini memiliki kerugian karena temperatur yang tinggi mempercepat proses penuaan (aging) pada diode zener, memperperbesar hanyutan jangka panjang, dan mengurangi usia harapan pakai (life expectancy).

Pemanasan peranti juga menimbulkan masalah lain. Peranti penyedia tegangan rujukan dengan pemanas memerlukan waktu tunda beberapa saat lamanya dari saat pertama kali catu daya diaktifkan sebelum mencapai temperatur yang stabil. Galat dapat terjadi akibat kejutan panas (thermal shock) pada sekitar 20 menit pertama dari saat pemanas diaktifkan, yang menyebabkan perubahan temperatur secara tiba-tiba pada tegangan rujukan. Voltmeter digital 6 atau 8 digit dengan tegangan rujukan yang distabilkan oleh pemanas, misalnya, akan menghasilkan nilai pengukuran yang tidak akurat pada 30-menit sampai 1-jam setelah dihidupkan.

Beberapa produsen peranti penyedia tegangan rujukan mengintegrasikan pemanas dan rangkaian kontrolnya dalam satu rangkaian terpadu dan mengemasnya di dalam pembungkus yang bersifat mengisolasi panas. Cara ini mempercepat waktu pemanasan untuk mencapai temperatur stabil dan mengurangi konsumsi daya listrik pemanas.

Termistor atau resistor koefisien temperatur positif, yang dipasang secara seri atau paralel dengan resistor dan ditempatkan pada jaringan umpan balik penguat penyangga, dapat mengkompensasi temperatur peranti penyedia tegangan rujukan dengan cara mengubah tanggapan penguat sesuai dengan temperatur. Kompensasi temperatur dapat dicapai optimal apabila termistor ditempatkan sedekat mungkin dengan peranti penyedia tegangan rujukan. 

Diode konvensional yang dipasang seri dengan zener tegangan rujukan dapat memperkecil koefisien temperatur zener. Kompensasi dengan cara ini dapat dicapai optimal jika diode kompensator cocok (match) karakteristiknya dengan zener yang dikompensasi.

Bila sistem yang memanfaatkan tegangan rujukan merupakan sistem berbasis prosesor, maka dapat dimanfaatkan tabel nilai kompensasi yang disimpan dalam memori sebagai penstabil tegangan rujukan. Untuk mendapatkan tabel nilai kompensasi, yang pertama kali harus dilakukan adalah melakukan serangkaian pengambilan data tegangan rujukan terukur untuk seluruh rentang temperatur operasi, dan menyimpan data tersebut dalam ROM (read only memory). Saat dioperasikan, keluaran peranti penyedia tegangan rujukan dapat dikoreksi dengan memantau temperatur saat itu dan membaca faktor koreksi yang tersimpan dalam ROM. Akurasi kompensasi dengan cara ini dibatasi oleh histerisis peranti penyedia tegangan rujukan dan keterulangan (repeatability) nilai keluaran tegangan rujukan.

Peranti Penyedia Tegangan Rujukan 

Tabel 1. Beberapa Contoh Peranti Penyedia Tegangan Rujukan
 

Kode Komponen	Arsitektur/ Konfigurasi	Akurasi Awal	Hanyutan Maksimum (ppm/° C)	Tegangan Keluaran (Volt)	Produsen
AD158x	Celah-pita/Seri	0,10%	50	2,5  3  4,096  5	Analog Devices
ADR292	Kombinasi	2 mV	8	2,48  2,5  4,096  5	Analog Devices
REF102	Zener-terkubur /Seri	2,5mV	2,5	10	Burr-Brown
LT1634	Zener-terkubur/ Paralel	0,05%	25	1,2  2,5  4,096  5	Linear Technology
LT1460	Celah-pita/Seri	0,20%	20	2,5  5,0	Linear Technology
MAX6325	Zener-terkubur/Seri	0,02%	1	2,5  4,096  5,0	Maxim
MAX16xx	Celah-pita/Seri	1,00%	50	2,5  4,096  4,5  5,0	Maxim
LM4041	Celah-pita/Paralel	0,10%	100	1,2	National  Semicon-ductor

Untuk aplikasi yang memerlukan catu daya minimum, Linear Technology menyediakan peranti tegangan referensi LT1634 dengan arus catu hanya 10 m A dan tegangan keluaran 1,25V ; 2,5V ; 4,096V; dan 5V. 

Peranti penyedia tegangan rujukan berderau rendah dibuat oleh Maxim, yakni MAX6325, berdasarkan arsitektur zener-terkubur konfigurasi seri. MAX6325 memiliki akurasi 0,02%, derau maksimal 2,4 m V bekerja pada catu tegangan antara 8 V sampai 30V, dan dilengkapi pin pengurang derau yang dapat dipasangi kapasitor 2.2 m F untuk mengurangi derau sampai separuhnya. 

Analog Devices juga memasarkan peranti penyedia tegangan rujukan dengan konsumsi daya rendah yakni AD158x. Peranti AD158x memanfaatkan arsitektur celah-pita konfigurasi seri dengan catu arus 65 m A dan beroperasi pada tegangan catu 200 mV sampai 12 Volt di atas tegangan nominalnya. Untuk peranti dengan konsumsi daya lebih rendah Analog Devices menyediakan ADR29x. ADR29x memanfaatkan arsitektur kombinasi antara rancangan berbasis zener dan berbasis celah-pita.

Bagi perancang yang lebih meminati peranti dengan arsitektur celah pita konfigurasi paralel, National Semiconductor memasarkan peranti penyedia tegangan rujukan 1,2 V yakni cip LM4041 yang stabil pada beban kapasitif. Arus operasi minimum cip ini adalah 60 m A dan maksimum 12 mA. Galat tegangan keluarannya ± 0,1% dan derau keluarannya kurang dari 20 m V rms. Peranti penyedia tegangan rujukan lain diproduksi oleh Burr-Brown, misalnya REF102 yang memberikan tegangan keluaran 10V± 0,0025V dengan hanyutan kurang dari 2,5ppm/° C. Hanyutan jangka panjang REF102 kurang dari 5 ppm/1000 jam dengan derau tipikal 5 m V p-p.

Untuk keperluan tertentu, kadang-kadang diperlukan tegangan keluaran yang dapat diatur. Peranti penyedia tegangan rujukan jenis ini memiliki pin yang dapat dipasangi potensiometer pengatur tegangan. Kelemahan tegangan rujukan yang dapat diatur keluarannya adalah kestabilannya yang berbeda pada tiap-tiap titik tegangan yang dipilih. Pengatur tegangan keluaran ini juga menyebabkan sulitnya mengisolasi penyebab memburuknya kinerja sistem.

Penutup

Kinerja peranti penyedia tegangan rujukan dapat dioptimalkan dengan perancangan rangkaian yang mempertimbangkan aspek penstabilan tegangan keluaran pada berbagai kondisi temperatur. Beberapa metode penstabilan tegangan keluaran dapat dilakukan mulai dari cara paling murah yakni pemasangan termistor sampai termahal dengan tabel nilai kompensasi yang tersimpan dalam ROM.

Daftar Pustaka

1. Lee, Mitchell. 1997. Understanding and Applying Voltage References (Part 1). Linear Technology Magazine, June 1997.
2. ______ . 1997. Understanding and Applying Voltage References (Part 2). Linear Technology Magazine, August 1997.
3. Maxim Inc. tanpa tahun. Selecting Voltage References. Maxim Engineering Journal, Volume Fourteen. 
4. Schweber, Bill. 1998. Investment in Voltage Reference Pays Big System Dividends. EDN Asia, July 1998. Hong Kong: Cahners Asia Limited