Upload
hatruc
View
337
Download
20
Embed Size (px)
Citation preview
7
BAB II. PENGUAT OP AMP
II.1. Pengenalan Op Amp
Penguat Op Amp (Operating Amplifier) adalah chip IC
yang digunakan sebagai penguat sinyal yang nilai
penguatannya dapat dikontrol melalui penggunaan resistor dan
komponennya.
Umumnya op amp terdiri dari 2 (dua) input dan 1 output dan
keluaran dari op amp adalah ๐ฃ๐ yang mempunyai persamaan
sebagai berikut :
๐ฃ๐ = ๐ด(๐ฃ+ โ ๐ฃโ)
dengan :
๐ด = ๐๐๐๐๐ข๐๐ก ๐ก๐๐๐๐๐๐๐ ๐๐๐๐ ๐๐๐๐ ๐๐๐๐ ๐๐๐๐๐๐๐๐๐
๐ฃ+ = ๐ก๐๐๐๐๐๐๐ ๐๐๐๐ข๐ก ๐ก๐๐๐๐ ๐๐๐๐๐๐๐๐
๐ฃโ = ๐ก๐๐๐๐๐๐๐ ๐๐๐๐ข๐ก ๐๐๐๐๐๐๐๐
Simbol dari penguat op amp sendiri adalah seperti
gambar di bawah ini :
Gambar 2.1. simbol op amp
8
Op amp sifatnya bekerja secara linier. Oleh karena itu
op amp menyesuaikan keluaran arus sehingga perbedaan
tegangan di antara 2 (dua) input (๐ฃ+ ๐๐๐ ๐ฃโ) mendekati 0
(nol), maka besarnya ๐ฃ+ = ๐ฃโ.
Op amp yang sering digunakan adalah ๐ฟ๐741. Dalam
hal op amp yang ideal, pengauatn tegangan open loop menuju
tak terbatas, sehingga :
๐๐ = 0
dengan ๐๐ didefinisikan sebagai arus masukan untuk input
membalik maupun input tidak membalik. Berikut adalah op
amp yang telah terhubung dengan beban resitif ๐ ๐ฟ.
Gambar 2.2. op amp dengan beban pada output
Op amp ๐ฟ๐741 mempunyai 8 kaki, adapun skema dari ๐ผ๐ถ op
amp ๐ฟ๐741, dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
9
Gambar 2.3. skema op amp ๐ฟ๐741
Skematik diagram op amp ๐ฟ๐741 adalah :
Gambar 2.4. skematik op amp ๐ฟ๐741
10
II.2. Karakteristik Op Amp
Op amp banyak
digunakan dalam
berbagai aplikasikarena
mempunyai bebrapa
keunggulan yang
dimilikinya, seperti
penguatan yang tinggi,
Gambar 2.5. Penguat LM741
impedansi masukan yang tinggi, impedansi keluaran yang
rendah dan lain sebagainya.
Berikut di bawah ini adalah karakteristik dari op amp :
1. Penguatan tegangan lingkar terbuka ๐ด๐ฃ๐๐ = โโ
2. Tegangan offset keluaran ๐ฃ๐๐ = 0
3. Hambatan masukan ๐ ๐ = โ
4. Hambatan keluaran ๐ ๐ = 0
5. Lebar pita (BW) = 0
6. Waktu tanggapan = 0 detik
7. Karakteristiktidah berubah terhadap suhu
Karakteristik di atas adalah merupakan kondisi ideal dari op
amp.
Berikut adalah penjelasan kondisi ideal dari op amp tersebut :
Penguatan tegangan lingkar terbuka ๐จ๐๐๐
Penguatan lingkar terbuka adalah penguatan diferensial
op amp pada kondisi dimana tidak terdapat umpan balik yang
diterapkan pada op amp tersebut.
11
๐ด๐ฃ๐๐ =๐ฃ๐
๐ฃ๐๐ = โโ
๐ด๐ฃ๐๐ =๐ฃ๐
(๐ฃ1 โ ๐ฃ2) = โโ
Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran ๐ฃ๐
berbeda fase dengan tegangan masukan ๐ฃ๐๐ . Yang perlu
difahami adalah bahwa tegangan keluaran ๐ฃ๐ jauh lebih besar
dibandingan dengan tegangan masukan ๐ฃ๐๐ .
Dalam kondisi praktis, harga ๐ด๐ฃ๐๐ adalah antara 5000
(sekitar 74 dB) sampai 100.000 (100 dB). Op amp baik untuk
menguatkan sinyal yang nilai amplitudonya rendah.
Tegangan offset keluaran ๐๐๐
Tegangan offset keluaran adalah harga tegangan
keluaran dari op amp terhadap tanah (ground) pada kondisi
tegangan masukan ๐ฃ๐๐ = 0. Secara ideal ๐ฃ๐๐ = 0, tetapi dalam
kondisi praktis (secara praktek) harga ๐ฃ๐๐ biasanya sedikit
lebih besar dari 0 (nol) bahkan jauh lebih besar.
Hambatan masukan ๐น๐
Hambatan masukan adalah besar hambatan di antara
kedua masukan op amp. Secara ideal hambatan masukan op
amp adalah tak berhingga, tetapi dalam kondisi praktis (secara
praktek) harga hambatan masukan op amp adalah antara 5๐ฮฉ
sampai 20๐ฮฉ tergantung pada tipe dari op amp.
Dalam suatu penguat, hambatan masukan yang besar
adalah suatu hal yang sangat diharapkan. Semakin besar nilai
hambatan masukan suatu penguat, maka semakin baik penguat
12
tersebut dalam menguatkan sinyal amplitudo yang sangat
kecil. Dengan hambatan masukan yang besar, maka sumber
sinyal masukan tidak terbebani terlalu besar.
Hambatan keluaran ๐น๐
Hambatan keluaran adalah besarnya hambatan dalam
yang timbul pada saat op amp bekerja sebagai pembagkit
sinyal. Secara ideal harga hambatan keluaran ๐ ๐ sama dengan
0. Semakin kecil nilai hambatan keluaran, maka op amp
mendekati kondisi yang ideal.
Lebar pita (BW)
Lebar pita adalah lebar frekuensi tertentu dimana
tegangan keluaran tidak lebih besar dari 0,707 harga tegangan
maksimum pada saat amplitudo tegangan masukan konstan.
Secara ideal, op amp memiliki lebar pita (BW) tak
berhingga, tetapi dalam penerapannya tidalk sama dengan
kondisi ideal. Biasanya op amp mempunyai frekuensi kerja 1
MHz dan diterapkan pada sinyal dengan frekuensi kilohertz.
Contoh : IC op amp LM741, sesuai data sheet mempunyai
penguatan tegangan mendekati 100, sehingga supaya IC
LM741 bekerja dengan baik, penguatan tegangan rangkaian
pada penguat tidak membalik tidak boleh lebih besar dari
5 (= 100/20). IC LM741 mempunyai karakteristik slew rate,
yaitu ukuran seberapa cepat suatu sinyal dapat berubah dalam
format ๐ฃ๐๐๐ก ๐๐๐ก๐๐ , dimana untuk IC LM741 sebesar
0,5 ๐ฃ๐๐๐ก/๐๐๐ก๐๐. Jika sinyal masukan berupa gelombang
sinusoidal dengan ๐ฃ๐๐ = 1 ๐ฃ๐๐๐ก, maka dibutuhkan waktu
13
1๐ฃ๐๐๐ก/(0,5 ๐ฃ๐๐๐ก ๐๐๐ก๐๐ ) = 2 ๐๐๐๐ก๐๐ untuk mengubah 1 volt.
Karena ada dua 1 volt yang bergantian tiap siklus, maka
4 ๐๐๐๐ก๐๐ merupakan periode tertinggi yang dapat ditolerir IC
LM741 untuk sinyal ๐ฃ๐๐ = 1 ๐ฃ๐๐๐ก.
Dengan demikian, frekuensi tertinggi yang dapat ditolerir IC
LM741 dengan sinyal ๐ฃ๐๐ = 1 ๐ฃ๐๐๐ก adalah :
๐๐๐๐๐ =๐ ๐๐๐ค _๐๐๐ก๐
2 ๐ฅ ๐ก๐๐๐๐๐ ๐๐ _๐๐๐ ๐ข๐๐๐ =
0,5 ๐ฃ๐๐๐ก /๐๐๐๐๐๐๐๐ก๐๐
2 ๐ฅ 1 ๐ฃ๐๐๐ก=
250๐๐ป๐ง
Waktu Tanggapan
Waktu tanggapan adalah waktu yang diperlukan oleh
keluaran berubah setelah masukan berubah. Secara ideal
waktu tanggapan op amp sebesar 0 detik, yaitu keluaran harus
berubah secara langsung pada saat masukan berubah.
Tetapi secara praktis (secara penerapannya), waktu
tanggapan dari op amp memang cepat, tetapi tidak langsung
berubah sesuai masukan, biasanya sebesar beberapa
mikrodetik, ini disebut dengan slew rate.
Karakteristik terhadap Suhu
Suatu bahan semikonduktor biasanya akan berubah
karakteristiknya apabila terjadi perubahan suhu. Pada op amp
yang ideal, perubahan suhu tidak berubah karakteristiknya.
Tetapi dalam prakteknya, suhu berubah, maka karakteristik op
amp tersebut juga berubah sedikit.
14
II.3. Jenis Penguat Op Amp (Integrator Operating
Amplifier)
Op amp ada 2 (dua) jenis masukan yaitu masukan
membalik (inverting) dan masukan tidak membalik (non
inverting).
1. Penguat dengan masukan membalik (inverting)
Rangkaian penguat membali (inverting) adalah rangkaian
op amp yang membalikkan sinyal input. Berikut rangkaian
penguat membalik (inverting amplifier) :
Gambar 2.6. op amp inverting
Gambar 2.7. sinyal keluaran op amp inverting
Untuk menganalisa rangkaian di atas, menggunakan
hukum arus dari Kirchoff utuk menentukan keluaran ๐ฃ๐
dan penguatan tegangan rangkaian sebagai berikut :
15
๐๐๐๐๐ข๐๐ก๐๐ ๐ก๐๐๐๐๐๐๐ = ๐ฃ๐
๐ฃ๐
Dengan memisalkan op dalam keadaan ideal dimana tidak
ada arus yang mengalir pada input op amp, maka arus
yang mengalir pada ๐ 3 adalah 0 (nol). Oleh karena itu,
๐ฃ3 = 0. Dari persamaan di atas, maka didapatkan
๐ฃ2 = ๐ฃ3 = 0, karena rangkaian op amp berperilaku secara
linier (๐ฃ+ = ๐ฃโ). Maka arus yang mengalir melalui ๐ 1
adalah :
๐๐ 1 =(๐ฃ1โ๐ฃ2)
๐ 1=
(๐ฃ๐ โ0)
๐ 1=
๐ฃ๐
๐ 1
Dari persamaan di atas, kita tahu bahwa :
๐๐ 1 = ๐๐ 2 =๐ฃ๐
๐ 1
๐๐ 2 =(0โ๐ฃ๐)
๐ 2= ๐๐ 1 =
๐ฃ๐
๐ 1
โ๐ฃ๐
๐ 2=
๐ฃ๐
๐ 1
๐ฃ๐ = โ๐ฃ๐ (๐ 2
๐ 1)
Untuk mencari penguatan tegangannya, kita harus
membagi tegangan keluaran dengan tegangan masukan :
๐๐๐๐๐ข๐๐ก๐๐ ๐ก๐๐๐๐๐๐๐ = โ๐ฃ๐
๐ฃ๐ =
๐ 2
๐ 1
16
Sebagai catatan, kenapa penguatan tegangan akhir
bertanda negatif, karenanya dinamakan penguatan
membalik (inverting amplifier).
2. Penguatan dengan masukan tidak membalik (non
inverting amplifier)
Penguatan tegangan pada rangkaian op amp masukan
tidak membalik adalah : 1 +๐ 2
๐ 1
Berikut ini adalah rangakain penguat tidak membalik (non
inverting amplifier) :
Gambar 2.8. rangkaian penguat tidak membalik
Gambar 2.9. sinyal keluaran penguat tidak membalik
Dari rangkain di atas, dapat di hitung ๐ฃ๐ sebagai berikut :
๐ฃ๐ = ๐ฃ๐ (1 +๐ 2
๐ 1)
17
Dengan penguatan tegangan adalah :
๐ฃ0
๐ฃ๐ = (1 +
๐ 2
๐ 1)
II.4. Penguat sebagai Penjumlah (Summing Amplifier)
Penguat sebagai penjumlah memiliki fungsi untuk
menjumlahkan beberapa level sinyal input yang masuk ke
sistem op amp. Penggunaan penguat sebagai penjumlah sering
kita jumpai pada rangkaian mixer untuk audio. Berikut adalah
rangkaian penguat sebagai penjumlah :
Gambar 2.10. rangkaian penguat sebagai penjumlah
Besarnya penguatan (Gain) pada masing-masing titik
tegangan masukan adalah :
๐๐๐๐๐ข๐๐ก๐๐ = ๐ ๐
๐ ๐
dengan :
๐ ๐ adalah resistor feed back menuju input inverting
18
๐ ๐ adalah resistor yang dilewati tegangan masukan menuju
input inverting op amp
Besarnya tegangan keluaran ๐ฃ๐๐ข๐ก pada gambar di atas adalah :
๐ฃ๐๐ข๐ก = โ ๐ ๐
๐ 1 ๐ฅ ๐ฃ1 +
๐ ๐
๐ 2 ๐ฅ ๐ฃ2 + โฏ+
๐ ๐
๐ ๐ ๐ฅ ๐ฃ๐
Contoh soal penguat :
Berapa penguatan dari rangkaian di bawah ini :
(๐ 2 = 100๐ฮฉ,๐ 1 = 10๐ฮฉ)
Jawab : penguat gambar di atas adalah penguat non
inverting, sehingga :
๐ฃ0
๐ฃ๐ = 1 +
๐ 2
๐ 1 = 1 +
100๐
10๐ = 1 + 10 = 11 ๐ฅ
Jadi penguatan dari rangkaian adalah 11 x
19
Soal latihan :
1. Berapa penguatan dari rangkaian di bawah ini :
(๐ 2 = 10๐ฮฉ,๐ 1 = 1๐ฮฉ)
2. Berapa penguatan dari rangkaian di bawah ini :
(๐ 1 = 1๐ฮฉ,๐ 2 = 1๐ฮฉ,๐ 3 = 1๐ฮฉ ๐๐๐
๐ฃ1 = 0,1 ๐ฃ, ; ๐ฃ2 = 0,2 ๐ฃ;๐ฃ3 = 0,1 ๐ฃ)
20
Rangkuman :
Penguat Op Amp (Operating Amplifier) adalah chip IC
yang digunakan sebagai penguat sinyal yang nilai
penguatannya dapat dikontrol melalui penggunaan resistor dan
komponennya.
Jenis penguat op amp (Operating Amplifier) adalah op
amp inverting, op amp non inverting dan summing amplifier.
Penguatannya op amp adalah sebagai berikut :
1. ๐๐๐๐๐ข๐๐ก๐๐ ๐ก๐๐๐๐๐๐๐ = โ๐ฃ๐
๐ฃ๐ =
๐ 2
๐ 1 untuk op am
inverting
2. ๐๐๐๐๐ข๐๐ก๐๐ ๐ก๐๐๐๐๐๐๐ = ๐ฃ0
๐ฃ๐ = (1 +
๐ 2
๐ 1) untuk op amp
non
inverting
3. ๐ฃ๐๐ข๐ก = โ ๐ ๐
๐ 1 ๐ฅ ๐ฃ1 +
๐ ๐
๐ 2 ๐ฅ ๐ฃ2 + โฏ+
๐ ๐
๐ ๐ ๐ฅ ๐ฃ๐ untuk
summing amplifier