MAKALAH RANGKAIAN ELEKTRONIKA
PERANCANGAN PENGUAT OPERASIONAL
AMPLIFIER
Disusun Oleh :
Dani Wahyudin 20120120045
FAKULTAS TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA
BAB I
PENDAHULUAN
FUNGSI DAN
KARAKTERISTIK PENGUAT OPERASIONAL
Penguat operasional atau op-amp adalah rangkaian
elektronik yang dirancang dan dikemas secara khusus, sehingga dengan
menambahkan komponen luar sedikit saja dapat dipakai untuk berbagai keperluan.
Hingga kini op-amp yang dibuat dan dikemas dalam rangkaian komponen-komponen
diskrit tersebut masih dirasa begitu mahal oleh para insinyur atau teknisi.
Namun, kini dengan teknologi rangkaian terpadu (IC) yang telah ditingkatkan,
op-amp dalam bentuk kemasan IC menjadi jauh lebih murah dan amat luas pemakaiannya.
Pada
mulanya op-amp digunakan untuk rangkaian perhitungan analog, rangkaian
pengaturan dan instrumentasi. Fungsi utamanya adalah untuk melakukan operasi
linier matematika (tegangan dan arus), integrasi dan penguatan. Kini op-amp
dapat dijumpai di mana saja, dálam berbagai bidang: reproduksi suara, sistem
komunikasi, sistem pengolahan digital, elektronik komersial, dan aneka macam
perangkat hobi. Dalam konfigurasinya kita akan menemukan op-amp dengan masukan
dan keluaran tunggal, masukan dan keluaran diferensial, atau masukan
diferensial dan keluaran tunggal.
Konfigurasi
dengan masukan diferensial dan keluaran tunggal banyak digunakan dalam industri
elektronika. Setiap orang yang terlibat dalam elektronika mau tak mau harus
memahami kegunaan op-amp, mengetahui karakteristiknya, mampu mengenali
konfigurasi dasar rangkaian op-amp dan mampu bekerjasama dengannya.
ISI
- APAKAH
OP-AMP ITU?
Op-amp IC adalah
peranti solid-state yang mampu mengindera dan memperkuat sinyal masukan baik DC
maupun AC. Op-amp IC yang khas terdiri atas tiga rangkaian dasar, yakni penguat
diferensial impedansi masukan tinggi, penguat tegangan penguatan tinggi, dan
penguat keluaran impedansi rendah (biasanya pengikut emiter push-pull).
Perhatikan,
lazimnya op-amp memerlukan catu positif dan catu negatif. Karena catunya
demikian, tegangan keluarannya dapat berayun positif atau negatif terhadap
bumi.
Karakteristik
op-amp yang terpenting adalah:
1. Impedansi
masukan amat tinggi, sehingga arus masukan praktis dapat diabaikan.
2. Penguatan
lup terbuka - amat tinggi.
3. Impedansi
keluaran amat rendah, sehingga keluaran penguat tidak terpengaruh oleh
pembebanan.
Gambar
1. Blok diagram op-amp
Simbol op-amp standar dinyatakan dengan sebuah
segitiga, seperti tampak pada Gambar1. Terminal-terminal masukan ada pada
bagian atas segitiga. Masukan membalik dinyatakan dengan tanda minus (-).
Tegangan DC atau AC yang dikenakan pada masukan ini akan digeser fasanya 180o
pada keluaran. Masukan tak membalik dinyatakan dengan tanda plus (+). Tegangan
DC atau AC yang diberikan pada masukan ini akan sefasa dengan keluaran.
Terminal keluaran diperlihatkan pada bagian puncak segitiga. Terminal-terminal
catu dan kaki-kaki lainnya untuk kompensasi frekuensi atau pengaturan nol
diperlihatkan pada sisi atas dan sisi bawah segitiga. Kaki-kaki ini tidak
selalu diperlihatkan dalam diagram skematis, tapi secara implisit sudah
dinyatakan. Hubungan daya mudah dipahami, hubungan-hubungan kaki lainnya belum
tentu terpakai semuanya.
Tipe op-amp atau nomor produk berada di
tengah-tengah segitiga. Rangkaian umum yang bukan menunjukkan op-amp khusus
memiliki simbol-simbol A1, A2, dan seterusnya, atau OP-1, OP-2, dan seterusnya.
Meskipun kita dapat menggunakan op-amp tanpa mengetahui secara tepat apa yang
terjadi di dalamnya, tetapi akan lebih baik bila karakteristik kerjanya kita
pahami dengan mempelajari rangkaian internalnya. Op-amp pada dasarnya terdiri
atas tiga tahapan: penguat diferensial impedansi masukan tinggi, penguat
tegangan berpenguatan tinggi dengan penggeser level (sehingga keluaran dapat
berayun positif atau negatif, dan penguat keluaran impedansi rendah.
B. FUNGSI
OP-AMP
Idealnya penguatan
op-amp adalah tak berhingga, namun kenyataannya penguatan op-amp hanya mencapai
kurang lebih 200.000 dalam modus lup terbuka. Dalam keadaan demikian tidak ada
umpan balik dari keluaran menuju masukan dan penguatan tegangan (Av) maksimum,
sebagaimana diperlihatkan dalam Gambar 2a.
Gambar 2.
Dalam rangkaian praktisnya, adanya perbedaan
tegangan sedikit saja pada masukan-masukannya akan menyebabkan tegangan
keluaran berayun menuju level maksimum catu. Tegangan maksimum keluaran kurang
lebih 90 % tegangan catu. Itu terjadi karena ada jatuh tegangan internal pada
op-amp.
Keluaran dikatakan berada dalam keadaan saturasi
(jenuh), dan dapat dinyatakan (salah satu) sebagai + Vsat atau -Vsat. Sebagai
contoh, rangkaian op-amp dalam modus lup terbuka dengan catu 15 V akan
menghasilkan ayunan keluaran antara - 13,5 V sampai +13,5 V. Dengan tipe
rangkaian seperti ini op-amp amat tidak stabil, keluaran akan 0 V untuk selisih
masukan 0 V juga,tapi bila ada sedikit beda tegangan pada masukannya, maka
keluaran akan berada pada salah satu dari kedua level tegangan di atas.
Modus
lup terbuka terutama dijumpai pada rangkaian pembanding tegangan dan rangkaian
detektor level. Keserbagunaan op-amp dibuktikan dalam
penerapannya pada berbagai tipe rangkaian dalam modus lup tertutup, seperti
diperlihatkan dalam Gambar 2b. Komponen luar digunakan untuk memberikan umpan
balik keluaran pada masukan membalik. Umpan balik akan menstabilkan rangkaian
pada umumnya dan menurunkan derau.
Penguatan lup tertutup harus dapat dikendalikan pada
satu nilai tertentu dalam rangkaian praktis. Dengan menambahkan sebuah resistor
Rin pada masukan membalik seperti pada Gambar 2c, penguatan op-amp dapat
diatur. Perbandingan resistansi RF terhaadap Rin menentukan penguatan tegangan
rangkaian dan besamya dapat dihitung dengan rumus
Konfigurasi membalik tanda minus diabaikan dalam perhitungan
misalkan Rin = 10 k dan RF = 100 k tegangan masukan 0,01 V akan menghasilkan
tegangan keluaran 0,1 V. Bila R ini diubah menjadi 1 k maka A, bertambah
menjadi 100. Kini tegangan masukan sebesar 0,01 V akan menghasilkan tegangan
keluaran 1V. Bila RF dan Rin sama besar, maka Av sama dengan 1, atau
penguatannya satu. Hubungan langsung dari keluaran menuju masukan juga
menghasilkan penguatan satu, seperti terlihat pada Gambar 2d. Dalam konfigurasi
tak membalik ini, tegangan keluaran sama dengan tegangan masukan dan Av sama
dengan + 1.
Salah satu fungsi yang penting untuk diingat adalah
hubungan polaritas masukan terhadap keluaran. Tegasnya, dikatakan bahwa bila
masukan membalik lebih positif dibandingkan dengan masukan tak membalik, maka
keluaran akan negatif. Demikian pula, jika masukan membalik lebih negatif
dibandingkan dengan masukan tak membalik, maka keluaran akan
positif. Gambar 5 menunjukkan fungsi yang penting ini, dengan .masukan tak membalik
dibumikan atau nol volt.
Gambar 3.
Hubungan antara input dan output
C. KARAKTERISTIK
DAN PARAMETER OP-AMP
Jika Anda paham akan
karakteristik dan parameter peranti elektronik, tentunya akan lebih mudah bagi
Anda untuk memahami penggunaannya dalam rangkaian. Dengan mengetahui apa-apa
yang bisa diharapkan dari sebuah op-amp, Anda akan dibantu dalam merancang dan
memperbaiki rangkaian yang menggunakan op-amp.
Bagian ini akan menjelaskan informasi-inforimasi
yang bertalian dengan karakteristik dan prameter op amp yang dipakai dalam
rangkaian pada umumnya.
· Impedansi
masukkan
Idealnya
impedansi masukkan op amp adalah tak terhingga, namun dalam kenyataannya hanya
mencapai 1 M atau lebih, berberapa op amp khusus ada yang memiliki impedansi
masukkan 100 M, semakin tinggi impendansi masukkan semakin baik penampilan op
amp tersebut, pada frekuensi tinggi kapasitansi masukkan op amp banyak
berpengaruh lazimnya kapasitansi ini kurang dari 2 pF, bila sebuah terminal
masukkan op-amp dibumikan.
· Impedansi
Keluaran
Idealnya
impedansi keluaran adalah nol. Kenyataannya, berbeda beda untuk setiap op-amp.
Impedansi keluaran bervariasi antara 25 sampai ribuan ohm. Untuk kebanyakan
pemakaian, impedansi keluaran dianggap nol, sehingga op-amp akan dianggap
berfungsi sebagai sumber tegangan yang mampu memberikan arus dari berbagai
macam beban. Dengan impedansi masukan yang tinggi dan impedansi keluaran yang
rendah op-amp akan berperan sebagai peranti penyesuai impedansi.
· Arus
Bias Masukan
Secara
teoritis impedansi masukan tak berhingga besarnya, sehingga seharusnya tak ada
arus masukan. Namun, akan ada sedikit arus masukan pada khususnya dalam ordo
pikoampere sampai mikroampere. Harga rata-rata kedua arus ini dikenal sebagai
arus bias masukan. Arus ini dapat menggoyahkan kestabilan op-amp, sehingga
mempengaruhi keluaran. Pada umumnya makin rendah arus bias masukan, kian rendah
pula kelabilannya. Op-amp yang menggunakan transistor efek medan (FET) pada
masukan-masukannya memiliki arus bias masukan terendah.
Tegangan
offset keluaran (tegangan kesalahan) disebabkan oleh arus bias masukan. Bila
tegangan kedua masukan sama besar, keluaran op-amp akan nol volt. Namun jarang
ditemukan kejadian seperti ini, sehingga pada keluarannya akan ada sedikit tegangan.
Keadaan seperti ini dapat diatasi dengan teknik penolan offset yaitu dengan
menambahkan arus atau tegangan offset masukan.
· Arus
Offset Masukan
Kedua
arus masukan seharusnya sama besar sehingga tegangan keluarn nol. Tapi ini
tidak mungkin, karena itu harus ditambahkan arus offset masukan untuk menjaga
supaya keluaran tetap nol volt. Dengan perkataan lain, untuk. memperoleh
keluaran nol volt, sebuah masukan mungkin menarik arui lebih besar daripada
lainnya. Arus offset ini dapat mencapai 20 mA.
· Tegangan
Offset Masukan
Idealnya
tegangan keluaran op-amp nol manakala tegangan kedua masukan nol. Namun,
berkenaan dengan penguatan op-amp yang tinggi, adanya sedikit ketakseimbangan
dalam rangkaian akan mengakibatkan munculnya tegangan keluaran. Dengan
memberikan sedikit tegangan offset pada sebuah masukannya, tegangan keluaran
dapat dinolkan kembali.
· Penolan
Offset
Ada
bermacam-macam cara pemberian tegangan offset masukan untuk menolkan kembali
tegangan keluaran. Pabrik-pabrik op-amp telah memasukkan hal ini ke dalam
perhitungan dan dalam. lembaran data mereka telah diberikan rekomendasi terbaik
untuk op-amp-op-amp tertentu. Gambar 6 menunjukkan cara menolkan op-amp yang
khas. Terminal-lerminal offset nol telah diperlihatkan dalam Gambar 2 dan 3.
Prosedur berikut menjelaskan urutan
kerja penolan tegangan keluaran.
1. Pastikan
bahwa rangkaian telah dilengkapi dengan komponenkomponen yang dihutuhkan,
termasuk rangkaian penolan. (Rangkaian penolan biasanya tidak ditunjukkan dalam
diagram skematisnya).
2. Perkecil
sinyal masukan sampai nol. Bila resistor masukan seri kira-kira 1% lebih tinggi
daripada impedansi sumber sinyal, tak perlu diapa-apakan lagi keadaan ini. Bila
resistor seri sama atau lebih kecil daripada impedansi sumber, gantilah setiap
sumber Resistor pengatur tegangan-offset dengan resistor yang sepadan dengan
impedansinya.
3. Hubungkan
beban pada terminal keluaran.
4. Masukan
catu DC dan tunggulah beberapa menit agar rangkaian mantap keadaannya.
5. Hubungkan
sebuah voltmeter yang peka (mampu memberikan pembacaan beberapa milivolt) atau
Osiloskop yang dikopel DC pada beban untuk membaca tegangan kelu'aran (Vout).
6. Putarlah
resistor variabel sampai Vout terbaca nol.
7. Lepaskan
setiap komponen tambahan pada masukan dan hubungkan kembali masukan-masukan
sumber, pastikan tidak menyentuh resistor pengatur tegangan offset, karena
dapat mengubah nilainya.
· Pengaruh
Temperatur
Perubahan
temperatur mempengaruhi semua peranti solid state, tak terkecuali op-amp.
Rangkaian DC yang menggunakan op-amp cenderung lebih rentan terhadap pengaruh
ini dibandingkan rangkaian AC. Perubahan temperatur dapat menyebabkan perubahan
arus offset dan tegangan offset, inilah yang disebut geseran. Drift yang
disebabkan oleh temperatur akan mengganggu setiap ketakseimbangan op-amp yang
telah diatur sebelumnya, akibatnya pada keluaran akan terjadi kesalahan.
· Kompensasi
Frekuensi
Karena
penguatan op-amp yang tinggi dan adanya pergeseran fasa antar rangkaian
internal, maka pada frekuensi tinggi tertentu sebagian sinyal keluaran akan
diumpankan kembali ke dalam masukan, sehingga terjadi osilasi. Tidak jarang orang
menambahkan kapasitor kompensasi pada op-amp, entah secara internal maupun
eksternal, tujuannya adalah untuk mencegah osilasi ini dengan jalan menurunkan
penguatan op-amp ketika frekuensi dinaikkan.
· Laju
Lantingan
Laju
lantingan atau slew rate adalah laju perubahan maksimurn tegangan keluaran
op-amp. Laju ini dinyatakan sebagai:
Op-amp
741 serba guna memiliki laju lantingan 0,5 V/
s, yang berarti tegangan keluaran maksimum
dapat berubah 0,5 V dalam I
s. Kapasitansi membatasi kemampuan
"pelantingan" ini dan keluaran akan mengalami penundaan setelah
diumpankan masukan, seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 5. Lebih kerap
lagi, kapasitor kompensasi frekuensi baik itu internal maupun eksternal,
menyebabkan pembatasan kemampuan laju lantingan di dalam op amp
Pada
frekuensi-frekuensi tinggi atau pada laju perubahan sinyal yang tinggi,
pembatasan-laju lantingan lebih sering terjadi. Laju lantingan adalah parameter
penampilan-sinyal besar. Biasanya laju lantingan dinyatakan pada penguatan
satu. Op-amp dengan laju lantingan lebih tinggi memiliki lebar-jalur yang lebih
besar.
· Tanggapan
Frekuensi
Penguatan
op-amp turun terhadap kenaikan frekuensi. Penguatan yang.diberikan pabrik
biasanya dinyatakan pada nol Hertz atau DC. Gambar 8 menunjukkan kurva
penguatan tegangan terhadap tanggapan frekuensi. Dalam modus lup terbuka,
penguatan turun amat cepat sejalan dengan peningkatan frekuensi. Bila frekuensi
naik 10 kali maka penguatan turun menjadi 1/10 kalinya. Titik breakover terjadi
pada 70,7% penguatan maksimum. Lazimnya lebar-jalur dinyatakan pada titik di
mana penguatan turun 70,7% dari skala maksimumnya. Karena itu, lebar-jalur lup
terbuka sekitar 10 Hz untuk contoh ini.
Untungnya,
op-amp biasanya memerlukan umpan balik yang sifatnya degeneratif dalam
rangkaian-rangkaian penguat. Umpan balik inilah yang memperlebar jalur
rangkaian. Untuk penguatan lup tertutup sebesar 100, lebar-jalur meningkat
sampai kira-kira 100 kHz. Bila penguatan diturunkan menjadi l0, lebar-jalur
akan melebar menjadi 100 kHz, Titik penguatan satu terjadi pada 1 MHz, titik
ini disebut frekuensi penguatan satu. Frekuensi penguatan satu merupakan titik
acuan, pada titik inilah kebanyakan op-amp dinyatakan oleh pabriknya.
· Perkalian
Penguatan Lebar jalur
Perkalian
penguatan lebar-jalur atau gain-bandwidth product (GBP) sama saja dengan
frekuensi penguatan satu. Sifat ini tidak hanya memberitahu kita akan frekuensi
atas yang bermanfaat, tetapi juga memungkinkan kita menentukan lebar-jalur
lebar-jalur frekuensi) pada suatu nilai penguatan yang diketahui.
Gambar 6. penguatan tegangan dan tanggapan frekuensi
Sebagai
contoh lihat Gambar 6. yang menunjukkan kurva tanggapan frekuensi untuk op-amp
yang dikompensasi frekuensi (seperti 741), bila Anda mengalikan penguatan dan
lebar-jalur dari suatu rangkaian tertentu, hasil yang diperoleh akan sama
dengan frekuensi penguatan satu:
GBP
|
= penguatan x lebar-jalur
|
= frekuensi
penguatan satu
|
|
= 100 x 10 kHz
|
= 1000000 Hz
|
(1 MHz)
|
|
Atau
|
|||
GBP
|
= 10 x 100 kHz
|
= 1000000 Hz
|
(1 MHz)
|
Karena
itu bila kita ingin mengetahui batas atas frekuensi atau lebar jalur suatu
rangkaian dengan penguatan sebesar 100, tinggal kita bagi saja frekuensi
penguatan satu dengan penguatannya:
Derau
Sebagaimana
rangkaian elektronika lainnya, op-amp juga peka terhadap derau. Derau luar
dijangkitkan oleh peranti listrik atau berasal dari derau bawaan
komponen-komponen elektronik (resistor, kapasitor, dan sebagainya) yang
beroperasi dalam daerah frekuensi dari 0,01 Hz sampai beberapa MHz. Derau luar
ini dapat ditindas asalkan rangkaian dirakit dengan benar. Derau internal opamp
ditimbulkan oleh komponen-komponen internal, arus bias, dan juga drift.
Derau-derau ini ikut diperkuat oleh op-amp, sebagaimana halnya tegangan offset
dan tegangan sinyal. Penguatan derau dinyatakan dalam
penguatan derau = 1 + RF/Rin
Derau internal dapat diperkecil dengan
menggunakan resistor masukan seri dan resistor umpan bahk sekecil mungkin yang
masih memenuhi persyaratan rangkaian. Pemintasan resistor umpan balik dengan
sebuah kapasitor kecil (3 pF) juga akan menurunkan penguatan derau pada
frekuensi-frekuensi tinggi.
· Perbandingan
Penolakan Modus Sekutu (CMAR = Common Mode Rejection Ratio)
CMRR
adalah suatu sifat yang bertalian dengan penguat diferensial. Bila
tegangan-tegangan yang sama fasanya diumpankan ke dalam masukan-masukan
penguat, keluaran akan nol. Hanya perbedaan tegangan pada masukan yang akan
menghasilkan keluaran. Sebagai contoh, sinyal 1020 Hz diberikan pada masukan
membalik op-amp, seperti terlibat pada Gambar 7. Frekuensi yang sama diberikan
pada masukan tak membalik tapi fasanya berbeda 180o.
Gambar 7. penolakan modus sekutu
Ini
adalah sinyal diferensial. Tapi, sinyal 1020 Hz tadi telah tercemari oleh derau
jala-jala 60 Hz. Sinyal 60 Hz ini sefasa pada kedua masukannya dan menyatakan
sinyal modus sekutu. Penguat diferensial cenderung menolak sinyal modus sekutu
60 Hz ini sambil menguatkan sinyal diferensial 1020 Hz.
Kemampuan
suatu op-amp untuk memperkuat sinyal diferensial sambil menindas sinyal modus
sekutu disebut perbandingan penolakan modus sekutu (CMRR). Perbandingan ini
dinyatakan dalam :
Dengan
Ad adalah penguatan diferensial dan Acm adalah penguatan
modus sekutu. CMRR biasanya dinyatakan dalam desibel, dan tinggi nilainya kian
baik tingkat penolakannya.
· Perlindungan
Hubung Singkat
Op-amp dapat
menjangkitkan arus yang membahayakan bila
keluarannya terhubung singkat ke bumi, +Vc atau -Vc, dari catu, kecuali
bila dilengkapi perlindungan hubung singkat. Kebanyakan tipe op-amp belakangan
ini dilengkapi dengan pelindung hubung singkat semacam ini, namun tipe-tipe
lama belum dilengkapi.
· Pembatasan
Listrik
Seperti
peranti-peranti solid state yang lain, op-amp memiliki kendala-kendala listrik
yang tak boleh dilanggar, agar mereka bekerja dengan benar dan tidak terjadi
perusakan. Kendala ini biasanya disebut dengan tarif maksimum absolut. Di
antaranya :
Catu
daya ± V (tegangan maksimum yang masih aman yang boleh dikenakan pada peranti,
termasuk catu positif dan negatif).
Disipasi
daya (besarnya panas yang masih aman yang dapat dilepaskan oleh peranti untuk
suatu pengoperasian yang kontinyu dalam selang waktu yang diberikan).
Tegangan
masukan diferensial (tegangan masukan dalam batas aman yang boleh diberikan di
antara kedua masukan tanpa Tegangan masukan. Tegangan maksimum yang masih dapat
diberikan di antara terminal-terminal masukan dan bumi. Besarnya tegangan
masukan ini tak boleh melampaui tegangan catu biasanya 15 V).
Lama
hubung singkat keluaran (Selang waktu op-amp dapat bertahan terhadap, hubung
singkat langsung dari terminal keluaran ke bumi atau ke terminal catu lainnya).
Kisar
temperatur pengoperasian (daerah temperatur di mana op-amp akan bekerja sesuai
dengan spesifikasi yang diberikan. Peranti komersial bekerja pada 0 – 70oC,
peranti industri bekerja pada -25 – 85 o C, dan peranti militer
bekerja pada -55 – 125o C).
Kisar
temperatur penyimpanan (batas-batas temperatur penyimpanan yang masih aman,
lazimnya -65 – 150o C).
Temperatur
kaki (temperatur di mana peranti dapat bertahan dalarn selang waktu tertentu.
ketika proses penyolderan kaki-kaki terminal sedang berlangsung. Tarif ini
biasanya 300o C untuk selang waktu 10 - 60 detik).
BAB III
PENUTUP
Kesimpulan
·
Op-amp
adalah penguat DC yang memiliki impedansi input tinggi dan impedansi output
rendah.
·
Op-amp
dapat digunakan untuk membalik fase suatu sinyal input.
·
Op-amp
dapat digunakan untuk melakukan penguatan terhadap tegangan dari suatu input
sinyal yang kecil sehingga didapat suatu sinyal keluaran yang besar.
·
Konfigurasi
op-amp seperti integrator atau differensiator dapat digunakan untuk mengubah
bentuk sinyal masukkan menjadi bentuk lain pada bagian keluaran.
·
Penguat
diferensiator akan mengubah sinyal input gelombang sinus, kotak, dan segitiga
berturut – turut menjadi gelombang sinus, gelombang garis lurus dengan
transient, dan gelombang kotak.
·
Penguat
operasional adalah perangkat yang sangat efisien
·
Op-Amp
memiliki 2 rangkaian feedback (umpan balik) yaitu feedback negatif dan feedback
positif dimana Feedback negatif pada op-amp memegang peranan penting.
·
Pada
op-amp non-inverting nilai penguat sebesar Vo = Rf+Ri/Ri (Vi)
Daftar pustaka
No comments:
Post a Comment
terima kasih, hal itu sangat membantu