Twitter

Archive for September 2014

Op-Amp ( Operational Amplifier )



Nama : Muhammad Rizki
NIM : 3211301031
Elektronika 3A
Politeknik Negeri Batam
OPERATONAL AMPLIFIRE (OP-AMP)

Rangkaian Op-amp (Operational Amplifier) adalah komponen elektronika analog yang paling banyak digunakan pada setiap rangkaian elektronika. Contoh dari pemakaian op amp adalah rangkaian inverter, rangkaian non-inverter, rangkaian integrator dan rangkaian differensiator. Jenis rangkaian op amp terbagi menjadi 2 rangkaian feedback, yaitu rangkaian feedback negatif dan rangkaian feedback positif. Feedback negatif memiliki peran penting dimana umpan balik negatif menghasilkan penguatan yang dapat diukur.
Op amp sendiri merupakan penguat diferensial yang memiliki dua masukan. Input op amp sering dinamakan sebagai input inverting dan non-inverting. Op amp ideal memiliki open loop gain yang tak terhingga besarannya. Seperti halnya op amp LM741 yang sering digunakan oleh banyak praktifi elektronika, memiliki karakter tipikal open loop gain sebesar 104 -105. Dengan gain sebesar itu membuat op amp menjadi tidak stabil dan penguatan menjadi tidak terukur. Disinilah pentingnya rangkaian negative feedback, sehingga op amp yang sudah dirangkai menjadi aplikasi dengan nilai penguatan yang terukur.
Dalam melakukan analisa rangkaian op amp berdasarkan karakteristik op amp ideal kita harus mengetahui aturan yang penting, yaitu
  • Perbedaan tegangan antara input v+ dan v- adalah nol.
  • Arus pada input op amp adalah nol.
Op amp juga bisa digunakan untuk membuat rangkaian dengan respon frekuensi, contohnya adalah rangkaian penapis (filter) yang terdapat pada rangkaian integrator. Rangkaian dasar sebuah integrator adalah rangkaian op amp inverting, hanya saja rangkaian feedbacknya bukan merupakan resistor melainkan menggunakan kapasitor. Dari sinilah kita mengetahui tegangan keluaran rangkaian ini merupakan fungsi integral dari tegangan input. Sesuai dengan nama penemunya, rangkaian ini dinamakan rangkaian Miller Integral. Aplikasi yang paling populer menggunakan rangkaian integrator adalah rangkaian pembangkit sinyal segitiga dari inputnya yang berupa sinyal kotak.
Uraian diatas merupakan penguat op amp ideal. Beberapa hal yang mesti kita perhatikan pada rangkaian op amp adalah Tegangan Ofset (Ofset Voltage), Arus Offset (Offset Current), Arus Bias (Bias Current) dan lain sebagainya. Pada umumnya tidak ideal op amp dan bagaimana cara mengatasinya sudah diterangkan pada datasheet op amp dan hal ini spesifik untuk masing-masing pabrikan

A.    Ciri-ciri Pokok Penguat Operasi:
1.        Impedansi masukan sangat tinggi, sehingga hanya mengalir arus yang sangat kecil pada masukannya, yang berarti tidak membebani sinyal masukan.
2.        Penguatan pada ikal terbuka (open loop gain) sangat tinggi. Kondisi ini sangat bermanfaat untuk menguatkan sinyal yang sangat kecil.
3.        Impedansi keluaran sangat rendah, sehingga sangat sedikit dipengaruhi oleh rangkaian bebannya, artinya penguat dapat dibebani dengan sembarang harga resistansi tanpa mempengaruhi tegangan keluaran op-amp.
  

Gambar 1. Diagram blok dasar op-amp
Dipasaran IC op-amp tersedia 4 macam kemasan yakni bentuk kemasan TO metal, kemasan datar (flat pack), kemasan standar DIL atau DIP (dual in line atau dual in pack) kaki 14 dan DIL atau DIP kaki 8. Sementara dalam satu kemasan ada yang memuat satu op=amp dua, atau empat.
Gambar 2. IC op-amp DIL (dual in line)

B.     Terminal-terminal Op-amp
1.        Terminal masukan
Om-amp mempunyai 2 terminal masukan yang masing-masing bertanda (-) dan (+). Kedua masukan ini disebut terminal masukan diferensial, karena tegangan keluaran Vo bergantung pada perbedaan tegangan antara kedua terminal masukan tersebut. Jika terminal masukan (-) mendapat tegangan lebih positip dari pada terminal masukan (+) maka keluaran Vo negatif, jika terminal masukan (-) lebih negatif dari pada terminal masukan (+) maka Vo positif. Jadi polaritas tegangan pada terminal masukan (-). Oleh sebab itu terminal masukan (-) ini dikenal dengan masukan yang membalik (Inverting Input) V (-). Dan sebalik terminal masukan (+) disebut terminal masukan yang tidak membalik (Non-Inverting) V (+).
2.        Terminal keluaran
Meskipun op-amp mempunyai 2 terminal masukan, ia hanya mempunyai satu terminal keluaran. Ujung terminal ini dihubung ke beban. Beban (RL) dari op-amp dihubungkan dengan terminal keluaran dan ground (GND).
3.        Terminal suplay daya
Terminal-terminal op-amp yang harus dihubungkan ke catu daya agar op-amp dapat bekerja ditandai dengan (+) V dan (-) V. Terminal (+) dihubungkan ke sumber tegangan positif, sedang terminal (-) dihubungkan ke sumber tegangan negatif. Ini berlaku jika op-amp memang dimaksudkan untuk digunakan dengan sistem suplai tiga polaritas (+), (-) dan (0). Jika op-amp hendak digunakan dengan sistem catu daya yang mempunyai dua polaritas (+) dan (0) atau (GND), maka terminal negatif op-amp dihubung ke (0) atau (GND). Penggunaan sistem catu daya jenis ini menyebabkan terminal keluaran op-amp akan berada setengah tergangan suplai (1/2 VCC) pada saat tidak ada perbedaan tegangan diantara kedua terminal masukannya. Harus diingat pula bahwa ada op-amp yang hanya dapat dioperasikan pada tegangan positip dan GND saja sehingga dioperasikan pada tegangan tiga polaritas, akan merusak op-amp.
4.        Terminal kompensasi
Tidak semua op-amp mempunyai terminal kompensasi. Terminal kopensasi ini biasanya dua buah, digunakan untuk menangani masalah off set karena watak op-amp yang tidak sesuai dengan kondisi idealnya.
Gambar 3. Lambang Op-amp

C.    Op-amp Sebagai Penanding (Comparator)
Gambar 4. Op-amp dengan pengaut terbuka

Gambar 5. Skema dasar komparator

Vo → +V  -Volt jika Vin > Vref
Vo → -V  +Volt jika Vin < Vref
Prinsip kerja op-amp sebagai penanding (comparator). Tegangan referensi tidak selalu 0 V (GND) tetapi dapat pada tegangan dengan nilai tertentu. Juga tidak harus bahwa tegangan referensi dipasang pada masukan inverting. Dapar saja tegangan referensi pada masukan non inverting sementara Vin pada masukan inverting, sebab pada prinsipnya komparator adalah membandingkan tegangan masukan dengan tegangan referensi yang telah ditentukan. Ciri komparator adalah bekerja tanpa umpan balik, jadi dengan kondisi pengutan penuh atau penguatan terbuka (open loop gain). Teganga referensi fungsinya untuk membandingkan tegangan yang satu denga teganga yang lainya.

D.    Kaidah Persamaan Dasar Pada Penguat Operasi
Prinsip pokok yang harus diingat dalam menganalisis kerja atau menjabarkan rumus-rumus op-amp adalah membuat persamaan yang mengacu pada kondisi tegangan pada terminal inverting sama dengan tegangan pada terminal non-inverting. Maka jika tegangan pada terminal non-inverting dihubung ke GND baik secara langsung maupun melalui resistor maka otomatis persamaan yang disusun pada loop inverting juga sama dengan 0V. Dengan kata lain tidak ada perbedaan tegangan antara terminal inverting sama non-inverting, atau VD = 0 Volt.
Gambar 6. Penguat non inverting dgn pembagi tegangan pada masukannya





Gambar 7. Penjumlah inverting

E.     Penguat yang Membalik (inverting ampifier)
Rangkaian penguat yang membalik atau penguat inverting adalah seperti yang terlihat di bawah:
Gambar 8. Penguat inverting

F.     Penguat yang Tak Membalik (non inverting amplifier)
Rangkaian penguat yang tak membalik atau penguat non inverting adalah seperti yang terlihat di bawah:
Gambar 9. Penguat non inverting
G.    Pengikut Tegangan (Voltage Follower)
Rangkaian op-amp sebagai pengikut tegangan adalah seperti yang terlihat di bawah:
Gambar 10. Rangkaian pengikut tegangan
Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa rangkaian pengikut tegangan menerapkan umpan balik langsung tanpa menggunakan resistor antara keluaran dengan masukan inverting.

 Arus pada gambar adalah pada kondisi tegangan masukan Vin berpolaritas positip. Jika polaritas Vin negatip, arah dari masing-masing arus akan berbalik. 
Pengikut tegangan ini digunakan sebagai penyangga (buffer), atau sebagai transformator impedansi yang akan “menyangga”  beban yang berimpedansi rendah sehingga beban tersebut dapat dihubungkan dengan suatu penguat tegangan tanpa “memberati” penguat tersebut, yang dapat mempengaruhi/menurunkan kinerja penguat.
Bagaimana impedansi masukan pengikut tegangan ini menjadi tinggi sehingga dapat digunakan sebagai penyangga dijelaskan sebagai berikut:
Gambar 11. Analisa Impedansi masukan pd pengikut tegangan

H.    Penguat Penjumlah (Summing Amplifier)
Pada penguat penjumlah yang membalik, selama masukan inverting dihubung ke GND maka gambarnya seperti berikut:
Gambar 12. Penguat penjumlah yang membalik
I.      Penguat Pengurang (Subtracting Amplifier)
Penguat pengurang dimaksudkan untuk digunakan mengurangkan dua buah tegangan. Rangkaian adalah terlihat seperti gambar berikut:
Gambar 14. Op-amp sebagai penguat pengurang
Dengan mengacu pada kaidah persamaan dasar op-amp, jika dibuat R1 = R2 = R3 = RF diperoleh hubungan tegangan Vo dengan kedua Vin : Vo = Vin2 – Vin1.

J.     Integrator
Suatu rangkaian integrator akan menambah secara terus menerus suatu besaran yang diukur selama satu periode waktu. Bentuk gelombang keluarannya sebanding dengan interval waktu dari sinyal masukan. Rangakaian integrator ditunjukan seperti gambar berikut:
Gambar 15. Prinsip dasar Rangkaian Integrator
Suatu resistor masukan Rin dipasang pada masukan inverting dan sebuah kondensator CF dihubungkan antara terminal masukan inverting dengan terminal keluaran sebagai umpan balik. Apabila suatu tegangan DC positip (+V) dipasang pada Vin, maka keluaran Vo akan meluncur ke negatip secara linier dengan fungsi waktu. Grafik dibawah mentakan tegangan Vo sebagai fungsi waktu jika Vin positip. Bahkan saat tegangan masukan pada nol volt (Vin = 0), adanya arus panjar yang kecil pada terminal masukan (disebabkan oleh sistem rangkaian di dalam op-amp itu sendiri) yang tak dapat dihindari, akan menyebabkan kapasitor CF terisi sampai keluaran Vo mencapai tegangan jenuhnya (tegangan maksimum yakni 1 atau 2 V mendekati tegangan catunya).
Gambar 16. Keluaran rangkaian integrator
Kondisi ini mengakibatkan rangkaian tidak bisa dimanfaatkan. Untuk mengatasi hal ini, dalam praktek biasanya dilakukan pemasangan resistansi yang bernilai besar, paralel dengan CF.
K.    Diferensiator
Apabila pada rangkaian integrator kedudukan kapasitor dengan resistor saling dipertukarkan, terbentuklah rangkaian diferensiator seperti gambar di bawah:
Gambar 17. Rangkaian diferensiator
Pada rangkaian diferensiator, tegangan keluaran sebanding dengan tingkat perubahan tegangan masukan. Analisa untuk mendapatkan persamaan Vo sebagai fungsi dari Vin adalah sebagai berikut : tegangan pada ujung-ujung kapasitor adalah V = q/ C ; karena Vd = 0, maka tegangan pada ujung-ujung kapasitor cin adalah Vin = q / Cin.
L.     Penguat Instrumentasi
Penguat pengurang atau penguat diferensial mempunyai keterbatasan, diantaranya ialah:
-          Resistansi masukan rendah, padahal dalam praktek penguat diferensial yang dibutuhkan seringkali yang beresistansi tinggi.
-          Penguatan kurang besar. Jika penguatannya diperbesarb dengan memperbesar resistor umpan balik RF, maka dapat menyebabakan tegangan offset keluaran DC yang berlebihan yang disebabkan oleh arus offset masukan.
Keterbatasan penguat diferensial atau penguat pengurang dapat diatasi dengan penguat instrumentasi seperti gambar dibawah ini:
Gambar 18. Penguat instrumentasi
Penguata instruentasi mempunyai ciri-ciri antara lain:
-          Resistansi masukan tinggi, terutama jika menggunakan penguat operasi yang menggunakan FET (transistor efek medan) pada masukannya. Resistansi tinggi ini juga didapat karena rangkaian ini menggunakan konfigurasi non inverting pada kedua masukannya.
-          Mempunyai CMMR (common mode rejection ratio) tinggi karena menggunakan dua konfigurasi non inverting yang mempunyai satu common fedback resistor Ra.
-          Mempunyai penguatan tinggi karena menggunakan dua tinggkat penguat.

Dari gambar 18, diatas jika Vb dihubung ke GND, maka Vb secara praktis akan nol sehingga tegangan keluaran (Voa) sebesar: Va (Ra  + Rb) / Ra. Sebalinya, op-amp yang dibagian bawah (op-amp 2) akan bertindak sebagai penguat inverting dengan tegangan keluaran Vob = -Va.Rb/Ra.

M.        Op- amp Sebagai Multivibrator
Rangkaian multivibrator dibagi menjadi tiga kategori yakni: Bistable multivibrator (multivibrator bistabil atau flip-flop), Monostable multivibrator (multivibrator monostabil), dan Astable multivibrator (multivibrator tak stabil).
1.        Multivibrator Bistabil
Gambar 19. Op-amp sebagai multivibrator bistabil
Tegangan non-inverting merupakan bagian dari tegangan keluaran (+) :  . Vo
Gambar 20. Hubungan Vo dan Vin dari gambar Op-amp sebagai multivibrator bistabil

2.        Multivibrator Monostabil
Gambar 21. Op-amp sebagai multivibrator monobistabil
Karena tegangan masukan non-inverting merupakan bagian dari tegangan keluaran (+) :  . Vo
Gambar 22. Hubungan Vin (picu) dengan Vo
Lama periode waktu tak stabil (dalam detik) dapat dihitung melalui persamaan:
T = R4 . C1 Ln
Gambar 23. Op-amp sebagai multivibrator monobistabil dengan Vref (-)
Gambar 24. Hubungan Vin (picu) dengan Vo

Lama periode waktu tak stabil (dalam detik) dapat dihitung melalui persamaan:
T = R1 . C1 Ln

3.        Multivibrator Tak Stabil

Gambar 25. Op-amp sebagai multivibrator tak bistabil
Periode gelombang (T1 + T2) apabila tegangan negatif sama dengan jenuh positif dapat di hitung melalui persamaan: T = T1 + T2 = 2 R3 .C Ln

Gambar 26. Hubungan keluaran Vo dengan Teg pd terminal inverting dan non inverting










2 komentar