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) AVOL = ¥-
§ Tegangan
ofset keluaran (output offset voltage) VOO = 0
§ Hambatan
masukan (input resistance) RI = ¥
§ Hambatan
keluaran (output resistance) RO = 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:
AVOL = Vo /
Vid = - ¥
AVOL =
Vo/(V1-V2) = - ¥
Tanda negatif menandakan bahwa tegangan
keluaran VO berbeda fasa dengan tegangan masukan Vid.
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 VO jauh lebih besar
daripada tegangan masukan Vid. Dalam kondisi praktis, harga AVOL
adalah antara 5000 (sekitar 74 dB) hingga 100000 (sekitar 100 dB).
Tetapi dalam penerapannya tegangan
keluaran VO 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) VOO
adalah harga tegangan keluaran dari Op Amp terhadap tanah (ground) pada kondisi tegangan masukan
Vid = 0. Secara ideal, harga VOO = 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 VOO biasanya berharga sedikit
di atas 0 V. Apalagi apabila tidak digunakan umpan balik maka harga VOO
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 Vid = 0, tegangan keluaran
VO juga = 0. Hambatan masukan (input resistance) Ri 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) RO dari
Op Amp adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada saat Op Amp bekerja
sebagai pembangkit sinyal. Secara ideal harga hambatan keluaran RO
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:
AV =
(R1+R2)/R1
AV =
1 + R2/R1
Sehingga :
VO
=1+(R2/R1) Vid
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:
AV
= - Rf/Ri
Sehingga:
VO = - (Rf/Ri) Vid
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 vin – v- = vin
dan tegangan jepit pada reistor R2 adalah vout – v-
= vout. Kemudian dengan menggunakan aturan 2, di ketahui bahwa :
iin
+ iout = i- = 0, karena menurut aturan 2, arus masukan
op-amp adalah 0.
iin
+ iout = vin/R1 + vout/R2
= 0
Selanjutnya
vout/R2
= - vin/R1 .... atau
vout/vin
= - 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 Zin = 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 :
vin
= v+
v+
= v- = vin ..... lihat aturan 1.
Dari sini ketahui tegangan jepit pada R2
adalah vout – v- = vout – vin, atau
iout = (vout-vin)/R2.
Lalu tegangan jepit pada R1
adalah v- = vin, yang berarti arus iR1 = vin/R1.
Hukum kirchkof pada titik input
inverting merupakan fakta yang mengatakan bahwa :
iout
+ i(-) = iR1
Aturan 2 mengatakan bahwa i(-)
= 0 dan jika disubsitusi ke rumus yang sebelumnya, maka diperoleh
iout = iR1
dan Jika ditulis dengan tegangan jepit masing-masing maka diperoleh
(vout – vin)/R2
= vin/R1 yang kemudian dapat disederhanakan menjadi : vout
= vin (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 Zin = 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 :
iin = (vin – v-)/R
= vin/R , dimana v- = 0 (aturan1)
iout = -C d(vout – v-)/dt
= -C dvout/dt; v- = 0
iin = iout ; (aturan 2)
Maka jika disubtisusi, akan diperoleh persamaan :
iin = iout = vin/R
= -C dvout/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
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 vout pada rangkaian ini adalah differensiasi
dari tegangan input vin. 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