Opperasional Amplifier

A.              Penguat non inverting dan inverting

I.     Topik    : Penguat inverting dan non inverting sebagai pengkondisi sinyal.

II. Tujuan : Setelah melakukan  kegiatan pembelajaran diharapkan mahasiswa

dapat :

2.1.  Menjelaskan karakteristik op-amp.

2.2.  Membuat  rangkaian penguat non inverting untuk pengkondisi sinyal

2.3.  Menghitung gain  penguat non inverting

2.4.   Membuat rangkaian penguat inverting untuk pengkondisi sinyal

2. 6.  Menghitung gain  penguat inverting

III. Pendahuluan

Kegiatan pembelajaran untuk topik penguat inverting dan non inverting sebagai pengkondisi sinyal membahas tentang: karakteristirk op-amp, rangkaian penguat non inverting untuk pengkondisi sinyal, menghitung gain penguat non inverting, rangkaian penguat inverting untuk pengkondisi sinyal, menghitung gain penguat inverting,

IV. Materi

4.1. Karakteristik op-amp

Penguat operasional atau sering disebut op-amp merupakan komponen elektronika yang berfungsi untuk memperkuat sinyal arus searah (DC) maupun arus bolak-balik (AC). Penguat operasional terdiri atas transistor, resistor dan kapasitor yang dirangkai dan dikemas dalam rangkaian terpadu (intregated circuit).

Dalam sistem instrumentasi Op-amp sering digunakan untuk pembuatan pengkondisi sinyal. Op-amp dipilih karena:

a. Bentuknya praktis (kecil), tidak memerlukan ruang yang banyak

b. Kehandalan tinggi

c. Mudah digunakan

d. Mudah diperoleh di pasaran.

Gambar 3.1 menunjukkan blok diagram rangkaian Op-amp, gambar 3.2. simbol dari Op-amp dan gambar 3.3. rangkaian pengganti op-amp ideal.

 

 

 Gambar 3.1. Blok diagram penguat operasional (op-amp)

Blok diagram op-amp terdiri dari beberapa bagian, yang pertama adalah penguat diferensial, tahap penguatan (gain), rangkaian penggeser level (level shifter) dan penguat akhir yang biasanya dirancang dengan penguat push-pull kelas B.

                                 

                            Gambar 3.2. simbul rangkaian op-amp.

Penjelasan:

Non inverting input = masukan tak membalik

Inverting input = masukan membalik

 +V_CC = tegangan catu positip

-V_EE = tegangan catu negatip

V_out = tegangan keluaran

 

 

                 

                Gambar 3.3. Rangkaian penganti op-amp.

Penjelasan:

V₁ (+V) = non inverting input ( masukan tak membalik)

V₂ (-V) =  inverting input ( masukan  membalik)

 R_in = (Z_in ) impedansi input

 R_out =(Z_out )  impedansi output

V_out = tegangan keluaran

 A_VOL = penguatan loop terbuka.

 (1) Karakteristik ideal op-amp dinyatakan dengan perjanjian sebagai berikut:

a. Penguatan loop terbuka tak terhingga, sehingga V₊ = V₋.

b. Impedansi input (Z_in ) tak terhingga, sehingga op-amp tidak menarik arus dari sumber.

c. Impedansi output (Z_out ) nol, sehingga tegangan output konstan meskipun beban berubah.

d. Penguatan loop terbuka (A) tak terhingga.

 (2) Karakteristik real op-amp adalah sebagai berikut:

a.  Masukan V₊ dan V₋ menghasilkan keluaran V_o = A(V₊ − V₋) dimana penguatan loop terbuka A harganya terbatas dan berbanding terbalik dengan frekuensi. Harga perkalian A.f berkisar antara 0,1 s.d 10 MHz

b. Impedansi masukan terbatas, sekitar 1 MΩ untuk IC bipolar atau 10⁶ MΩ untuk IC-FET

c. Pada saat V₊ = V₋, tegangan output tidak sama dengan nol. Tegangan ini dikenal sebagai tegangan offset. Tegangan offset terjadi karena ketidak seimbangan  arus dan tegangan di dalam IC.

d. Masukan V₊ dan V₋ tidak mengambil arus bias yang sama. Hal ini juga menimbulkan tegangan offset.

e. Arus keluaran terbatas, berkisar antara 10mA pada tegangan V_o = 10 Volt.

Contoh real  parameter op-amp LM 741 ditunjukkan pada tabel 3.1

Tabel 3.1  Parameter op-amp yang penting 

 

(3) Parameter op-amp

Parameter-parameter  yang harus dipertimbangkan dalam pemilhan Op-amp adalah:

(a)   Penguatan open-loop

Op-amp idealnya memiliki penguatan open-loop (A_OL) yang tak terhingga. Namun pada prakteknya op-amp semisal LM741 memiliki penguatan yang terhingga kira-kira 100.000 kali. Sebenarnya dengan penguatan yang sebesar ini, sistem penguatan op-amp menjadi tidak stabil. Input diferensial yang amat kecil saja sudah dapat membuat outputnya menjadi  saturasi.

(b)   Unity-gain frequency

Op-amp ideal mestinya bisa bekerja pada frekuensi berapa saja mulai dari sinyal dc sampai frekuensi giga Herzt. Parameter unity-gain frequency menjadi penting jika op-amp digunakan untuk aplikasi dengan frekuensi tertentu. Parameter A_OL biasanya adalah penguatan op-amp pada sinyal DC. Response penguatan op-amp menurun seiring dengan menaiknya frekuenci sinyal input. Op-amp LM741 misalnya memiliki unity-gain frequency sebesar 1 MHz. Ini berarti penguatan op-amp akan menjadi 1 kali pada frekuensi 1 MHz. Jika perlu merancang aplikasi pada frekeunsi tinggi, maka pilihlah op-amp yang memiliki unity-gain frequency lebih tinggi.

(c)    Slew rate

Slew Rate yaitu penormalan batas lebar bandwidth limitations yang biasa disebut dengan "slew rate limiting" yaitu suatu efek untuk membatasi rate maksimum dari perubahan tegangan output piranti Op-amp. Normalnya slew rate volt per mikro detik dan range-nya sebesar 1 volt per mikro detik sampai 10 volt per mikro detik. Efek lain dari slew rate adalah membuat bandwidth lebih besar untuk sinyal output yang rendah dari pada sinyal output yang besar.

Di dalam op-amp biasanya ditambahkan beberapa kapasitor untuk kompensasi dan mereduksi noise. Namun kapasitor ini menimbulkan kerugian yang menyebabkan response op-amp terhadap sinyal input menjadi lambat. Op-amp ideal memiliki parameter slew-rate yang tak terhingga. Sehingga jika input berupa sinyal kotak, maka outputnya juga kotak. Tetapi karena ketidak idealan op-amp, maka sinyal output dapat berbentuk ekponensial. Sebagai contoh praktis, op-amp LM741 memiliki slew-rate sebesar 0.5V/us. Ini menujukkan perubahan output op-amp LM741 tidak bisa lebih cepat dari 0.5 volt dalam waktu 1 us.

(d)     Parameter CMRR

CMRR (Commom Mode Rejection Ratio) adalah suatu sifat yang bertalian dengan penguat diferensial. Bila tegangan-tegangan yang sama fasanya diumpankan ke dalam masukan-masukan penguat, keluaran  akan  nol. Parameter ini cukup penting untuk menunjukkan kinerja op-amp tersebut. Op-amp dasarnya adalah penguat diferensial dan mestinya tegangan input yang dikuatkan hanyalah selisih tegangan antara input V₁ (non-inverting) dengan input V₂ (inverting). Karena ketidak-idealan op-amp, maka tegangan persamaan dari kedua input ini ikut juga dikuatkan. Parameter CMRR diartikan sebagai kemampuan op-amp untuk menekan  penguatan tegangan ini (common mode) sekecil-kecilnya. CMRR didefenisikan dengan rumus CMRR = A_DM/A_CM yang dinyatakan dengan satuan dB. Contohnya op-amp dengan CMRR = 90 dB, ini artinya penguat­an A_DM (differential mode) adalah kira-kira 30.000 kali dibandingkan penguatan A_CM (commom mode). Kalau CMRR-nya 30 dB, maka artinya perbandingannya kira-kira hanya 30 kali. Kalau diaplikasikan secara real, misalkan tegangan input V₁ = 5.05 volt dan tegangan V₂ = 5 volt, maka dalam hal ini tegangan diferensialnya (differential mode) = 0.05 volt dan tegangan persamaan-nya (common mode) adalah 5 volt. Dengan CMRR yang makin besar diharapkan akan dapat menekan penguatan sinyal yang tidak diinginkan (common mode) sekecil-kecilnya. Jika kedua pin input dihubung singkat dan diberi tegangan, maka output op-amp seharusnya nol. Dengan kata lain, op-amp dengan CMRR yang semakin besar akan semakin baik.

(e)      Op-amp ideal

Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier 

(penguat diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp dinamakan input inverting dan non-inverting. Op-amp ideal memiliki open loop gain (penguatan loop terbuka) yang tak terhingga besarnya. Seperti misalnya op-amp LM741 yang sering digunakan oleh banyak praktisi elektronika, memiliki karakteristik tipikal open loop gain sebesar 10⁴ ~ 10⁵. Penguatan yang sebesar ini membuat op-amp menjadi tidak stabil, dan penguatannya menjadi tidak terukur (infinite). Disinilah peran rangkaian negative feedback (umpanbalik negatif) diperlukan, sehingga op-amp dapat dirangkai menjadi aplikasi dengan nilai penguatan yang terukur (finite). Impedasi input op-amp ideal mestinya adalah tak terhingga, sehingga mestinya arus input pada tiap masukan­nya adalah 0. Sebagai perbandingan praktis, op-amp LM741 memiliki impedansi input  Z_in = 10⁶ Ohm. Nilai impedansi ini relatif sangat besar sehingga arus input op-amp LM741 seharusnya ada  meskipun sangat kecil.

4.2. Rangkaian penguat non inverting untuk pengkondisi sinyal

Dalam penggunaannya op-amp dibagi menjadi dua jenis yaitu penguat linier dan penguat tidak linier. Penguat linier merupakan penguat yang tetap mempertahankan bentuk sinyal masukan, yang termasuk dalam penguat ini antara lain penguat non inverting, penguat inverting, penjumlah diferensial dan penguat instrumentasi. Sedangkan penguat tidak linier merupakan penguat yang bentuk sinyal keluarannya tidak sama dengan bentuk sinyal masukannya, diantaranya komparator, integrator, diferensiator, pengubah bentuk gelombang dan pembangkit gelombang. Gambar 3.4. menunjukkan rangkaian dari penguat non inverting. Penguat ini dinamakan penguat non inverting karena masukan dari penguat dimasukan pada kaki non inverting dari op-amp. Sinyal keluaran yang dihasilkan oleh penguat jenis ini sefasa dengan sinyal masukannya, seperti yang ditunjukkan pada gamabar 3.4.

Sinyal input

Sinyal output

Gambar 3.4. Rangkaian penguat non inverting

4.3. Menghitung nilai penguatan  penguat non inverting

Untuk menghitung nilai penguatan  penguat non inverting dapat dilakukan sebagai berikut

v_in = v₊

v₊ = v_- = v_in

tegangan jepit pada R₂ adalah

v_out – v_- = v_out – v_in

atau i_out = (v_out-v_in)/R₂

tegangan jepit pada R₁ adalah

v_- = v_in

atau  i_R1 = v_in/R₁

i_out + i_(-) = i_R1

i_(-) = 0

i_out = i_R1

(v_out – v_in)/R₂ = v_in/R₁

 V_out = V_in (1 + R₂/R₁)

Jika penguatan G adalah perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka didapat penguatan op-amp non-inverting :

4.4. Rangkaian penguat inverting untuk pengkondisi sinyal

Sinyal input

Sinyal output

Gambar 3.6. Rangkaian penguat inverting

Gambar 3.6. menunjukkan rangkaian penguat inverting. Penguat ini dinamakan penguat inverting karena masukan dari penguat dimasukan pada kaki inverting dari op- Amp. Sinyal keluaran yang dihasilkan oleh penguat jenis ini berbeda fasa 180⁰dengan sinyal masukannya.

4.5. Menghitung nilai penguatan  penguat inverting

Untuk menghitung nilai penguatan  penguat inverting dapat dilakukan sebagai berikut:

v_- = v₊ = 0

tegangan jepit pada R1 adalah v_in – v_- = v_in

tegangan jepit pada reistor R₂ adalah v_out – v_- = v_out

i_in + i_out = i_- = 0 arus masukan op-amp adalah 0.

i_in + i_out = v_in/R₁ + v_out/R₂ = 0

Selanjutnya

v_out/R₂ = - v_in/R₁ …. atau

v_out/v_in = - R₂/R₁

Jika penguatan G didefinisikan sebagai perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka dapat ditulis

G=Vout/Vin=-R2/R1 

 sehingga      Vout = -(R2/R1).Vin

V. Pendalaman materi

1. Hitung besar Vo soal gambar 3.7, jika R1=1KΩ, R2 = 10KΩ dan Vi= 100mV

 

    Gambar 3.7. Rangkaian  penguat non inverting gambar soal no 1

2. Hitung gain dan Vout rangkaian penguat non inverting gambar 3.8., jika SW1, SW2 dan SW3 di on-kan secara bergantian  masukkan hasilnya pada tabel 3.2. jika  nilai R1=R2=R3, dan nilai Rf seperti yang terlihat pada tabel 3.2.

   Gambar 3.8. Rangkaian penguat non inverting gambar soal no2

Tabel 3.2. Tabel hasil perhitungan  penguat non inverting

Rf (Ω)	R Ω	V p-p		Gain (Rg+Rf)/Rg
		input	output
2k5	R1 =1k5	2mV
	R2=330	5 mV
	R3=100	10mV

3. Hitung besar Vo soal gambar 3.9, jika R1=1KΩ, R2 = 10KΩ dan Vi= 1V

      Gambar 3.9. Rangkaian penguat inverting gambar soal no 3

4. Hitung gain dan Vout rangkaian penguat inverting gambar 3.8., jika SW1, SW2, SW3 dan SW4 di on-kan secara bergantian  masukkan hasilnya pada tabel 3.3. jika  nilai  R1,R2,R3,R4 dan nilai Rf seperti yang terlihat pada tabel 3.3.

    Gambar 3.10. Rangkaian penguat inverting gambar soal no4

Tabel 3.3. Tabel hasil perhitungan penguat inverting

Rf	R	V p-p		Gain Vo/Vi
		input	output
3k3	R1 =10k	2 mV
	R2 =1k5	4 mV
	R3 =330	8 mV
	R4 =100	10 mV

B.     Penguat adder dan deferensial

I.     Topik    : Penguat adder dan deferensial sebagai pengkondisi sinyal.

II. Tujuan : Setelah melakukan  kegiatan pembelajaran diharapkan mahasiswa

dapat :

2.1.  Membuat  rangkaian penguat adder untuk pengkondisi sinyal

2.3.  Menghitung gain  penguat adder

2.4.   Membuat  rangkaian deferensial untuk pengkondisi sinyal

2. 6.  Menghitung gain  penguat deferensial

III. Pendahuluan

Kegiatan pembelajaran untuk topik penguat adder dan deferensial sebagai pengkondisi sinyal membahas tentang: rangkaian penguat adder untuk pengkondisi sinyal, menghitung gain  penguat adder, rangkaian deferensial untuk pengkondisi sinyal dan menghitung gain  penguat deferensial.

IV.  Materi

4.1. Rangkaian penguat adder untuk pengkondisi sinyal

Gambar 3.11. menunjukkan rangkaian penguat adder, input V1 dan input V2 keduanya dimasukkan ke input inverting op-amp.

Gambar 3. 11 Rangkain penguat adder

4.2. Menghitung nilai penguatan  penguat adder

Penguatan dari loop 1

Penguatan dari loop 2

Vout = A_vi(CL).V1 + A_V2(CL).V2

i_in=i₁+i₂=

V_OUT=(i₁ +i₂) Rf = ,

Jika R1=R2 maka,

4.3.  Rangkaian penguat deferensial untuk pengkondisi sinyal

 

Gambar 3. 12 Rangkain penguat defrensial

Gambar 3.12. menunjukkan rangkaian penguat defrensial. Rangkaian penguat deferensial digunakan  untuk  menguatkan selisih antara dua tegangan masukkan (V2-V1)

                 

4.4. Menghitung nilai penguatan  penguat deferensial

Untuk op-amp ideal berlaku = V+ = V- = Vx,  i pada op-amp =0 oleh karena itu  R1 dan R2 merupakan pembagi tegangan, begitu juga dengan R3 dan R4.

Tegangan Vx dilihat dari V1

Tegangan Vx dilihat dari V2

Dari kedua persamaan diperoleh

Jika dipilih   nilainya  R1=R3 dan R2=R4, maka

V. Pendalaman materi

1. Hitung besar Vo gambar 3.13, jika R1=R2=R3=R4 =1KΩ, Vi=50mV, V2=20mV dan V3=10mV.

               Gambar 3.13  Rangkaian adder gambar soal no1

2. Tentukan rumus untuk menghitung V_OUT pada rangakain gambar 3.14.

3. Hitung besarnya V_OUT pada rangakain gambar 3.15.

4. Hitung besar Vo gambar 3.16, jika R1=R2=R3=R4 =1KΩ, Vi=50mV dan V2=100mV

 

                     Gambar 3.14  Rangkaian adder gambar soal no2

 

                   Gambar 3.15 Rangkaian adder gambar soal no 3

          Gambar 3.16 Rangkaian deferensial gambar soal no 4

C.    Buffer (penyesuai impedansi)

I.     Topik    : Rangkain buffer (penyesuai impedansi) sebagai pengkondisi sinyal

II. Tujuan : Setelah melakukan  kegiatan Pembelajaran diharapkan mahasiswa

dapat :

2.1.  Membuat rangkaian buffer untuk pengkondisi sinyal

2.2. Menghitung nilai penguatan  rangkaian buffer

III. Pendahuluan

Aplikasi op-amp yang sering dibuat untuk pengkondisi sinyal  adalah rangkaian penguat inverter, non-inverter, adder dan differensial. Pada pokok bahasan ini akan dijelaskan aplikasi op-amp yang paling dasar, yaitu sebagai penyangga (buffer).

Kegiatan pembelajaran untuk topik buffer sebagai pengkondisi sinyal membahas tentang: rangkaian buffer untuk pengkondisi sinyal dan  menghitung gain penguat buffer

IV. Materi

4.1.   Rangkaian buffer untuk pengkondisi sinyal

Rangkaian buffer sering diperlukan dalam rangakain pengkondisi sinyal sebagai penyuasai impedansi karena rangkaian penyangga mempunyai karakteristik impedansi inputnya besar dan impedansi output kecil sesuai dengan karakteristik op-amp. Gambar 3.17.  menunjukkan rangkaian buffer

 

                    Gambar 3.17. Rangkaian buffer

4.2. Menghitung nilai penguatan rangkaian buffer

Rangkaian buffer Pada gambar 3.17.  dapat digolongkan ke  penguat non inverting karena masukan dari penguat dimasukan pada kaki non inverting dari op-Amp. Oleh karena itu untuk mencari nilai penguatan tegangan menggunakan rumus:

Karena impedansi output op-amp kecil dan impedansi input op-amp sangat besar diperoleh,

 

Penguatan tegangan dari rangkaian buffer kurang dari 1. Rangkaian  penyangga diperlukan pada rangakain pengkondisi sinyal agar rangkaian sebelum rangakain pengkondisi sinyal dan rangkaian sesudah rangakain pengkondisi sinyal impedansinya sesuai sehingga antar tingkat tidak terbebani.

V. Pendalaman materi

1. Jelaskan digunakan untuk apa rangkaian buffer pada rangkaian pengkondisi sinyal

2.  Hitung berapa tegangan V _out dari rangkaian gambar 3

          Gambar 3.18 Rangkaian buffer gambar soal no 2

D.    Penguat instrumentasi

I.     Topik    : Penguat instrumentasi sebagai pengkondisi sinyal.

II. Tujuan : Setelah melakukan  kegiatan pembelajaran diharapkan mahasiswa

dapat :

2.1.   Membuat    rangkaian penguat instrumentasi untuk pengkondisi sinyal

2.2.  Menghitung nilai penguatan  rangkaian penguat instrumentasi

III. Pendahuluan

Kegiatan pembelajaran untuk topik penguat instrumentasi  sebagai pengkondisi sinyal membahas tentang:  rangkaian penguat instrumentasi untuk pengkondisi sinyal dan menghitung nilai penguatan  rangkaian penguat instrumentasi.

IV.   Materi

4.1.   Rangkaian penguat instrumentasi untuk pengkondisi sinyal

Penguat instrumentasi adalah suatu penguat untai tertutup (closed loop) dengan masukan diferensial dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi perbandingan penolakan modus bersama (Common Mode Rejection Ratio). Sebuah rangkaian penguat instrumentasi ditunjukkan pada Gambar 3.19.

Gambar 3.19.  Rangkaian penguat instrumentasi

4.2.   Menghitung nilai penguatan  rangkaian penguat instrumentasi

Pada gambar 3.19 rangkaian  penguat instrumentasi disusun dari penguat penyangga (buffer) dan penguat diferensial dasar yang dihubungkan tahanan R₃. Dari kedua op-amp masukan penguat penyangga terdapat pengikut tegangan yang berfungsi untuk mempertahankan resistansi masukan yang tinggi, dan tiga tahanan yang berfungsi untuk mengatur besarnya nilai penguatannya.

Tahanan R₁ merupakan potensiometer yang digunakan untuk mengatur penguatan, dan besarnya arus yang melalui R_1.

                                                                                   

Arus I mengalir melalui kedua tahanan R₂ dan memberikan nilai tegangan:

 

        

Dengan mensubstitusikan persamaan diperoleh

     

     

                                                            

Dari analisa rangkaian didapatkan tegangan keluaran yaitu:

                                                       

Dengan mensubstitusikan persamaan serta mengasumsikan R₅ = R₄ didapatkan:

                                                      

Sehingga didapatkan penguatan (gain) yang besarnya:

V.      Pendalaman materi

1.    Hitung besarnya V_RG dan V_OUT  pada gambar rangkaian 3.20. bila besarnya V1, V2, R dan RG seperti pada tabel 3.4. selanjutnya masukkan hasil perhitungan anda kedalam tabel 3.4

Tabel 3.4  Tabel hasil penguatan instrumentasi

No.	V1 (V)	V2 (V)	RG (kOhm)	R (kOhm)	V RG (V)	Vout (V)
1	1	2	3K3	3K3
2	2	1	3K3	3K3
3	1	3	1	3K3
4	3	3	1	3K3

              Gambar 3.20. Rangkaian instrumentasi gambar soal no 1

Daftar Pustaka;

Pujiono.2012. Rangkaian Elektronika Analog. Yoggyakarta : Graha Ilmu