PENGUAT OPERASIONAL (OP-AMP)

PENGUAT OPERASIONAL (OP-AMP)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur kita aturkan kepada Tuhan Yang Maha Esa , karena atas berkat dan rahmat-Nya, tugas makalah ini dapat diselesaikan tepat pada waktunya .

Tugas ini merupakan perwujudan usaha untuk senantiasa menambah wawasan. Dalam pelaksanaan ini penulis banyak mendapat bantuan dari berbagai pihak yang tidak mungkin disebut satu persatu. Untuk itu saya  mengucapkan terima kasih sedalam-dalamnya kepada semua pihak yang telah membantu pelaksanaan penulisan makalah ini.

Saya menyadari bahwa tugas makalah ini masih jauh dari kata sempurna sehingga saya  tidak menutup diri untuk menerima kritik dan saran dari pembaca, pada akhir kata, besar harapan penulisan semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi pembaca.

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR........................................................................................................ 1

DAFTAR ISI...................................................................................................................... 2

PENDAHULUAN

A.    Latar Belakang.................................................................................................. 3

B. Rumusan Masalah............................................................................................... 3

C. Tujuan ......................................................................................... 3

KAJIAN TEORI DAN ANALISIS MASALAH

A.    Pengertian OP-AMP.......................................................................................... 4

B. Karakteristik Ideal OP-AMP.............................................................................. 5

C. Penggunaan OP-AMP........................................................................................ 9

PENUTUP

A.    Kesimpulan........................................................................................................ 14

B.     Saran.................................................................................................................. 14

DAFTAR PUSTAKA......................................................................................................... 15

BAB I

PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANG

Penguat operasional (opamp) adalah suatu blok penguat yang mempunyai dua masukan dan satu keluaran. Penguat operasional (Op-Amp) dikemas dalam suatu rangkaian terpadu (integrated circuit-IC). Salah satu tipe operasional amplifier (Op-Amp) yang populer adalah LM741.

B. RUMUSAN MASALAH

Apa itu Penguat Operasional (OP-AMP)?

Bagaimana penggunaan dari OP-AMP?

C. TUJUAN

Adapun tujuan dari makalah ini yaitu; supaya mahasiswa mengetahui solusi daripada rumusan masalah di atas, dan dapat mengaplikasikannya.

BAB II

KAJIAN TEORI DAN ANALISIS MASALAH

A. PENGERTIAN OP-AMP

Penguat Operasional (Operational Amplifier – Op Amp) adalah sebuah penguat instan yang bisa langsung dipakai untuk banyak aplikasi penguatan. Sebuah Op-Amp biasanya berupa IC (Integrated Circuit). Pengemasan Op-Amp dalam IC bermacam-macam, ada yang berisi satu Op- Amp (contoh : 741), dua Op-Amp (4558, LF356), empat Op-Amp (contoh = LM324, TL084) dan sebagainya. Penguat operasional adalah rangkaian terpadu (IC) yang mempunyai 5 buah terminal dasar. Dua terminal untuk catu daya, 2 yang lain digunakan untuk isyarat masukan yang berupa masukan membalik (-) dan masukan tak membalik (+) serta 1 terminal untuk keluaran.

(Simbol Op-Amp)

Penguat Operasional tersusun dari beberapa rangkaian penguat yang menggunakan transistor atau FET. Biasanya membuat penguat dari op amp lebih mudah dibandingkan membuat penguat dari transistor karena tidak memerlukan perhitungan titik kerja, bias dan sebagainya.

Kelebihan penguat operasional (op amp):

§  Impedansi input yang tinggi sehingga tidak membebani penguat sebelumnya.

§  Impedansi output yang rendah sehingga tetap stabil walau dibebani oleh rangkaian selanjutnya.

§  Lebar pita (bandwidth) yang lebar sehingga dapat dipakai pada semua jalur frekuensi audio (woofer, midle, dan tweeter)

§  Adanya fasilitas offset null sehingga memudahkan pengaturan bias penguat agar tepat dititik tengah sinyal.

Bagian-bagian dalam Op amp :

§  Penguat Differensial, yaitu merupakan bagian input dari Op amp. penguat differensial mempunyai dua input (input + dan input -)

§  Penguat Penyangga (Buffer), yaitu penguat penyangga sinyal output dari penguat differensial agar siap untuk dimasukkan ke penguat akhir op amp.

§  Pengatur Bias, yaitu rangkian pengatur bias dari penguat differensial dan buffer agar diperoleh kestabilan titik nol pada output penguat akhir

§  Penguat Akhir, yaitu penguat yang merupakan bagian output dari Op amp. Penguat Akhir ini biasanya menggunakan konfigurasi push-pull kelas B atau kelas AB.

B. KARAKTRISTIK IDEAL DARI OP-AMP

Penguat operasional banyak digunakan dalam berbagai aplikasi karena beberapa keunggulan yang dimilikinya, seperti penguatan yang tinggi, impedansi masukan yang tinggi, impedansi keluaran yang rendah dan lain sebagainya. Berikut ini adalah karakteristik dari Op Amp ideal:

§  Penguatan tegangan lingkar terbuka (open-loop voltage gain) A_VOL = ¥-

§  Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) V_OO = 0

§  Hambatan masukan (input resistance) R_I = ¥

§  Hambatan keluaran (output resistance) R_O = 0

§  Lebar pita (band width) BW = ¥

§  Waktu tanggapan (respon time) = 0 detik

§  Karakteristik tidak berubah dengan suhu

Kondisi ideal tersebut hanya merupakan kondisi teoritis tidak mungkun dapat dicapai dalam kondisi praktis. Tetapi para pembuat Op Amp berusaha untuk membuat Op Amp yang memiliki karakteristik mendekati kondisi-kondisi di atas. Karena itu sebuah Op Amp yang baik harus memiliki karakteristik yang mendekati kondisi ideal

v  Penguatan Tegangan Lingkar Terbuka

Penguatan tegangan lingkar terbuka (open loop voltage gain) adalah penguatan diferensial Op Amp pada kondisi dimana tidak terdapat umpan balik (feedback) yang diterapkan padanya. Secara ideal, penguatan tegangan lingkar terbuka adalah:

A_VOL = Vo / Vid = - ¥

A_VOL = Vo/(V1-V2) = - ¥

Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran V_O berbeda fasa dengan tegangan masukan V_id. Konsep tentang penguatan tegangan tak berhingga tersebut sukar untuk divisualisasikan dan tidak mungkin untuk diwujudkan. Suatu hal yang perlu untuk dimengerti adalah bahwa tegangan keluaran V_O jauh lebih besar daripada tegangan masukan V_id. Dalam kondisi praktis, harga A_VOL adalah antara 5000 (sekitar 74 dB) hingga 100000 (sekitar 100 dB).

Tetapi dalam penerapannya tegangan keluaran V_O tidak lebih dari tegangan catu yang diberikan pada Op Amp. Karena itu Op Amp baik digunakan untuk menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil.

v  Tegangan Ofset Keluaran

Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) V_OO adalah harga tegangan keluaran dari Op Amp terhadap tanah (ground) pada kondisi tegangan masukan V_id = 0. Secara ideal, harga V_OO = 0 V. Op Amp yang dapat memenuhi harga tersebut disebut sebagai Op Amp dengan CMR (common mode rejection) ideal.

Tetapi dalam kondisi praktis, akibat adanya ketidakseimbangan dan ketidakidentikan dalam penguat diferensial dalam Op Amp tersebut, maka tegangan ofset V_OO biasanya berharga sedikit di atas 0 V. Apalagi apabila tidak digunakan umpan balik maka harga V_OO akan menjadi cukup besar untuk menimbulkan saturasi pada keluaran. Untuk mengatasi hal ini, maka perlu diterapakan tegangan koreksi pada Op Amp. Hal ini dilakukan agar pada saat tegangan masukan V_id = 0, tegangan keluaran V_O juga = 0. Hambatan masukan (input resistance) R_i dari Op Amp adalah besar hambatan di antara kedua masukan Op Amp. Secara ideal hambatan masukan Op Amp adalah tak berhingga. Tetapi dalam kondisi praktis, harga hambatan masukan Op Amp adalah antara 5 kW hingga 20 MW, tergantung pada tipe Op Amp. Harga ini biasanya diukur pada kondisi Op Amp tanpa umpan balik. Apabila suatu umpan balik negatif (negative feedback) diterapkan pada Op Amp, maka hambatan masukan Op Amp akan meningkat.

Dalam suatu penguat, hambatan masukan yang besar adalah suatu hal yang diharapkan. Semakin besar hambatan masukan suatu penguat, semakin baik penguat tersebut dalam menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil. Dengan hambatan masukan yang besar, maka sumber sinyal masukan tidak terbebani terlalu besar.

v  Hambatan Keluaran

Hambatan Keluaran (output resistance) R_O dari Op Amp adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada saat Op Amp bekerja sebagai pembangkit sinyal. Secara ideal harga hambatan keluaran R_O Op Amp adalah = 0. Apabula hal ini tercapai, maka seluruh tegangan keluaran Op Amp akan timbul pada beban keluaran (RL), sehingga dalam suatu penguat, hambatan keluaran yang kecil sangat diharapkan.

Dalam kondisi praktis harga hambatan keluaran Op Amp adalah antara beberapa ohm hingga ratusan ohm pada kondisi tanpa umpan balik. Dengan diterapkannya umpan balik, maka harga hambatan keluaran akan menurun hingga mendekati kondisi ideal.

v  Lebar Pita

Lebar pita (band width) BW dari Op Amp adalah lebar frekuensi tertentu dimana tegangan keluaran tidak jatuh lebih dari 0,707 dari harga tegangan maksimum pada saat amplitudo tegangan masukan konstan. Secara ideal, Op Amp memiliki lebar pita yang tak terhingga. Tetapi dalam penerapannya, hal ini jauh dari kenyataan.

Sebagian besar Op Amp serba guan memiliki lebar pita hingga 1 MHz dan biasanya diterapkan pada sinyal dengan frekuensi beberapa kiloHertz. Tetapi ada juga Op Amp yang khusus dirancang untuk bekerja pada frekuensi beberapa MegaHertz. Op Amp jenis ini juga harus didukung komponen eksternal yang dapat mengkompensasi frekuensi tinggi agar dapat bekerja dengan baik.

v  Waktu Tanggapan

Waktu tanggapan (respon time) dari Op Amp adalah waktu yang diperlukan oleh keluaran untuk berubah setelah masukan berubah. Secara ideal harga waktu respon Op Amp adalah = 0 detik, yaitu keluaran harus berubah langsung pada saat masukan berubah.

Tetapi dalam prakteknya, waktu tanggapan dari Op Amp memang cepat tetapi tidak langsung berubah sesuai masukan. Waktu tanggapan Op Amp umumnya adalah beberapa mikro detik hal ini disebut juga slew rate. Perubahan keluaran yang hanya beberapa mikrodetik setelah perubahan masukan tersebut umumnya disertai dengan oveshoot yaitu lonjakan yang melebihi kondisi steady state. Tetapi pada penerapan biasa, hal ini dapat diabaikan.

v  Karakteristik Terhadap Suhu

Sebagai mana diketahui, suatu bahan semikonduktor yang akan berubah karakteristiknya apabila terjadi perubahan suhu yang cukup besar. Pada Op Amp yang ideal, karakteristiknya tidak berubah terhadap perubahan suhu. Tetapi dalam prakteknya, karakteristik sebuah Op Amp pada umumnya sedikit berubah, walaupun pada penerapan biasa, perubahan tersebut dapat diabaikan.

v  Implementasi Penguat Operasional

Rangkaian yang akan dijelaskan dan dianalisa dalam tulisan ini akan menggunakan penguat operasional yang bekerja sebagai komparator dan sekaligus bekerja sebagai penguat. Berikut ini adalah konfigurasi Op Amp yang bekerja sebagai penguat: 

Gambar di atas adalah gambar sebuah penguat non inverting. Penguat tersebut dinamakan penguat noninverting karena masukan dari penguat tersebut adalah masukan noninverting dari Op Amp. Sinyal keluaran penguat jenis ini sefasa dengan sinyal keluarannya. Adapun besar penguatan dari penguat ini dapat dihitung dengan rumus: 

A_V = (R1+R2)/R1

A_V = 1 + R2/R1

Sehingga :

V_O =1+(R2/R1) V_id

Selain penguat noninverting, terdapat pula konfigurasi penguat inverting. Dari penamaannya, maka dapat diketahui bahwa sinyal masukan dari penguat jenis ini diterapkan pada masukan inverting dari Op Amp, yaitu masukan dengan tanda “-“. Sinyal masukan dari pengaut inverting berbeda fasa sebesar 180⁰ dengan sinyal keluarannya. Jadi jiak ada masukan positif, maka keluarannya adalah negatif. Berikut ini adalah skema dari penguat inverting:

Penguatan dari penguat di atas dapat dihitung dengan rumus:

A_V = - Rf/Ri

Sehingga: V_O = - (Rf/Ri) V_id

C. PENGGUNAAN OP-AMP

Inverting amplifier

Rangkaian dasar penguat inverting adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar, dimana sinyal masukannya dibuat melalui input inverting. Seperti tersirat pada namanya, pembaca tentu sudah menduga bahwa fase keluaran dari penguat inverting ini akan selalu berbalikan dengan inputnya. Pada rangkaian ini, umpanbalik negatif di bangun melalui resistor R2.

penguat inverter

Input non-inverting pada rangkaian ini dihubungkan ke ground, atau v₊ = 0. Dengan mengingat dan menimbang aturan 1 (lihat aturan 1), maka akan dipenuhi v_- = v₊ = 0. Karena nilainya = 0 namun tidak terhubung langsung ke ground, input op-amp v_- pada rangkaian ini dinamakan virtual ground. Dengan fakta ini, dapat dihitung tegangan jepit pada R1 adalah v_in – v_- = v_in dan tegangan jepit pada reistor R₂ adalah v_out – v_- = v_out. Kemudian dengan menggunakan aturan 2, di ketahui bahwa :

i_in + i_out = i_- = 0, karena menurut aturan 2, 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 didefenisikan sebagai perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka dapat ditulis

Impedansi rangkaian inverting didefenisikan sebagai impedansi input dari sinyal masukan terhadap ground. Karena input inverting (-) pada rangkaian ini diketahui adalah 0 (virtual ground) maka impendasi rangkaian ini tentu saja adalah Z_in = R₁.

Non-Inverting amplifier

Prinsip utama rangkaian penguat non-inverting adalah seperti yang diperlihatkan pada gambar berikut ini. Seperti namanya, penguat ini memiliki masukan yang dibuat melalui input non-inverting. Dengan demikian tegangan keluaran rangkaian ini akan satu fasa dengan tegangan inputnya. Untuk menganalisa rangkaian penguat op-amp non inverting, caranya sama seperti menganalisa rangkaian inverting.

penguat non-inverter

Dengan menggunakan aturan 1 dan aturan 2, kita uraikan dulu beberapa fakta yang ada, antara lain :

v_in = v₊

v₊ = v_- = v_in ..... lihat aturan 1.

Dari sini ketahui tegangan jepit pada R₂ adalah v_out – v_- = v_out – v_in, atau i_out = (v_out-v_in)/R₂.

Lalu tegangan jepit pada R₁ adalah v_- = v_in, yang berarti arus i_R1 = v_in/R₁.

Hukum kirchkof pada titik input inverting merupakan fakta yang mengatakan bahwa :

i_out + i_(-) = i_R1

Aturan 2 mengatakan bahwa i_(-) = 0 dan jika disubsitusi ke rumus yang sebelumnya, maka diperoleh

i_out = i_R1 dan Jika ditulis dengan tegangan jepit masing-masing maka diperoleh

(v_out – v_in)/R₂ = v_in/R₁ yang kemudian dapat disederhanakan menjadi : v_out = v_in (1 + R₂/R₁)

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

Impendasi untuk rangkaian Op-amp non inverting adalah impedansi dari input non-inverting op-amp tersebut. Dari datasheet, LM741 diketahui memiliki impedansi input Z_in = 10⁸ to 10¹² Ohm.

Integrator

Op-amp bisa juga digunakan untuk membuat rangkaian-rangkaian dengan respons frekuensi, misalnya rangkaian penapis (filter). Salah satu contohnya adalah rangkaian integrator seperti yang ditunjukkan pada gambar 3. Rangkaian dasar sebuah integrator adalah rangkaian op-amp inverting, hanya saja rangkaian umpanbaliknya (feedback) bukan resistor melainkan menggunakan capasitor C.

integrator

Mari kita coba menganalisa rangkaian ini. Prinsipnya sama dengan menganalisa rangkaian op-amp inverting. Dengan menggunakan 2 aturan op-amp (golden rule) maka pada titik inverting akan didapat hubungan matematis :

i_in = (v_in – v_-)/R = v_in/R , dimana v_- = 0 (aturan1)

i_out = -C d(v_out – v_-)/dt = -C dv_out/dt; v_- = 0

i_in = i_out ; (aturan 2)

Maka jika disubtisusi, akan diperoleh persamaan :

i_in = i_out = v_in/R = -C dv_out/dt, atau dengan kata lain

Dari sinilah nama rangkaian ini diambil, karena secara matematis tegangan keluaran rangkaian ini merupakan fungsi integral dari tegangan input. Sesuai dengan nama penemunya, rangkaian yang demikian dinamakan juga rangkaian Miller Integral. Aplikasi yang paling populer menggunakan rangkaian integrator adalah rangkaian pembangkit sinyal segitiga dari inputnya yang berupa sinyal kotak.

Dengan analisa rangkaian integral serta notasi Fourier, dimana

f = 1/t dan

penguatan integrator tersebut dapat disederhanakan dengan rumus

Sebenarnya rumus ini dapat diperoleh dengan cara lain, yaitu dengan mengingat rumus dasar penguatan opamp inverting  G = - R₂/R₁.

Pada rangkaian integrator  tersebut diketahui :

Dengan demikian dapat diperoleh penguatan integrator tersebut seperti persamaan (5) atau agar terlihat respons frekuensinya dapat juga ditulis dengan

Karena respons frekuensinya yang demikian, rangkain integrator ini merupakan dasar dari low pass filter. Terlihat dari rumus tersebut secara matematis, penguatan akan semakin kecil (meredam) jika frekuensi sinyal input semakin besar.

Pada prakteknya, rangkaian feedback integrator mesti diparalel dengan sebuah resistor dengan nilai misalnya 10 kali nilai R atau satu besaran tertentu yang diinginkan. Ketika inputnya berupa sinyal dc (frekuensi = 0), kapasitor akan berupa saklar terbuka. Jika tanpa resistor feedback seketika itu juga outputnya akan saturasi sebab rangkaian umpanbalik op-amp menjadi open loop (penguatan open loop opamp ideal tidak berhingga atau sangat besar). Nilai resistor feedback sebesar 10R akan selalu menjamin output offset voltage (offset tegangan keluaran) sebesar 10x sampai pada suatu frekuensi cutoff tertentu.

 

Differensiator

Kalau komponen C pada rangkaian penguat inverting di tempatkan di depan, maka akan diperoleh rangkaian differensiator seperti pada gambar. Dengan analisa yang sama seperti rangkaian integrator, akan diperoleh persamaan penguatannya :

Rumus ini secara matematis menunjukkan bahwa tegangan keluaran v_out pada rangkaian ini adalah differensiasi dari tegangan input v_in. Contoh praktis dari hubungan matematis ini adalah jika tegangan input berupa sinyal segitiga, maka outputnya akan mengahasilkan sinyal kotak.

differensiator

Bentuk rangkain differensiator adalah mirip dengan rangkaian inverting. Sehingga jika berangkat dari rumus penguat inverting

G = -R₂/R₁

dan pada rangkaian differensiator diketahui :

maka jika besaran ini disubtitusikan akan didapat rumus penguat differensiator

Dari hubungan ini terlihat sistem akan meloloskan frekuensi tinggi (high pass filter), dimana besar penguatan berbanding lurus dengan frekuensi. Namun demikian, sistem seperti ini akan menguatkan noise yang umumnya berfrekuensi tinggi. Untuk praktisnya, rangkain ini dibuat dengan penguatan dc sebesar 1 (unity gain). Biasanya kapasitor diseri dengan sebuah resistor yang nilainya sama dengan R. Dengan cara ini akan diperoleh penguatan 1 (unity gain) pada nilai frekuensi cutoff tertentu.

BAB III

PENUTUP

A. KESIMPULAN

Adapun kesimpulan yang dapat ditarik dari percobaan ini yaitu sebagai berikut:

§  Penguat operasional dapat berfiungsi sebagai penguat membalik (inverting) dan tidak membalik (non inverting) serta sebagai penguat diferensial

§  Penguat operasional atau Op-amp adalah suatu penguat diferensial dengan dua masukan dan satu keluaran yang mempunyai penguat tegangan yang amat tinggi.

§  Kestabilan komponen dalam rangkaian sangat berpengaruh terhadap  suatu hasil pengamatan.

B. SARAN

Saya menyadari bahwa tugas makalah ini masih jauh dari kata sempurna sehingga saya  tidak menutup diri untuk menerima kritik dan saran dari pembaca, pada akhir kata, besar harapan penulisan semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi pembaca.

           

DAFTAR PUSTAKA

Sutrisno,1987,Elektronika Teori dasar dan Penerapannya Jilid 2.ITB: Bandung

Tim Elektronika Lanjutan,2010,Elektronika lanjutan.Unimed:Medan

Woolard, Barry G, 1988, Elektronika Praktis.Pradnya Pramita:Jakarta

http://id.wikipedia.org/wiki/elektronika_lanjutan