BAB IVOPERATIONAL AMPLIFIER

PENDAHULUAN

Sinyal keluaran dari sebuah tranduser atau sensor sangat kecil hampir

mendekati mikro volt. tegangan keluran dari tranduser belum dapat dibaca oleh

adc atau pengolah sinyal yang lain. Agar sinyal tersebut dapat diolah oleh

pengolah sinyal, maka tegangan keluaran dari tranduser tersebut harus dinaikan

dengan penguat operasional. Penguat operasional adalah satu dari komponen

komponen terpenting dalam system instrumentasi. Penguat operasional dipakai

hamper disetiap system untuk menaikan sinyal level rendah dari tranduser ke level

cukup tinggi. Didalam system instrumentasi penguat menggunakan op-amp.

Sebuah op-amp merupakan sebuah rangkaian integrasi (IC) linier yang

mampu memberikan penguatan yang sangat besar dan dapat dioperasikan pada

interval tegangan yang cukup lebar. Op-amp mampu untuk memberi penguatan

sampai setinggi 100.000 untuk sebuah op-amp dalam keadaan rangkaian hubung-

terbuka sampai hanya sebesar 1 (satu) kali saat digunakan sebagai rangkaian

pengikut tegangan (voltage follower).

IC OP AMP 741

Penguat operasional (opamp) adalah suatu blok penguat yang mempunyai

dua masukan dan satu keluaran. Opamp biasa terdapat di pasaran berupa

rangkaian terpadu (integrated circuit-IC). Op Amp tersedia dalam berbagai

kemasan standard. Terdapat lebih dari 2000 jenis Op Amp dalam IC, salah satu

yang populer adalah LM741.

Gambar 1 Konfigurasi pin IC Op amp 741

IC op amp yang digunakan pada percobaan ini ditunjukkan pada Gambar

1. Rangkaian op amp ini dikemas dalam bentuk dual in-line package (DIP). DIP

memiliki tanda bulatan atau strip pada salah satu ujungnya untuk menandai arah

yang benar dari rangkaian. Pada bagian atas DIP biasanya tercetak nomor standar

IC. Perhatikan bahwa penomoran pin dilakukan berlawanan arah jarum jam,

dimulai dari bagian yang dekat dengan tanda bulatan/strip.

Pada IC ini terdapat dua pin input, dua pin power supply, satu pin output,

satu pin NC (no connection), dan dua pin offset null. Pin offset null

memungkinkan kita untuk melakukan sedikit pengaturan terhadap arus internal di

dalam IC untuk memaksa tegangan output menjadi nol ketika kedua input bernilai

nol. Pada percobaan kali ini kita tidak akan menggunakan fitur offset null.

Perhatikan bahwa tidak terdapat pin ”ground” pada op amp ini, amp menerima

referensi ground dari rangkaian dan komponen eksternal.

Meskipun pada IC yang digunakan pada eksperimen ini hanya berisi satu

buah op amp, terdapat banyak tipe IC lain yang memiliki dua atau lebih op amp

dalam suatu kemasan DIP. IC op amp memiliki kelakukan yang sangat mirip

dengan konsep op amp ideal pada analisis rangkaian. Bagaimanapun, terdapat

batasan-batasan penting yang perlu diperhatikan. Pertama, tegangan maksimum

power supply tidak boleh melebihi rating maksimum, biasanya ±18V, karena akan

merusak IC. Kedua, tegangan output dari IC op amp biasanya satu atau dua volt

lebih kecil dari tegangan power supply. Sebagai contoh, tegangan swing output

dari suatu op amp dengan tegangan supply 15 V adalah ±13V. Ketiga, arus output

dari sebagian besar op amp memiliki batas pada 30mA, yang berarti bahwa

resistansi beban yang ditambahkan pada output op amp harus cukup besar

sehingga pada tegangan output maksimum, arus output yang mengalir tidak

melebihi batas arus maksimum.

Tabel 16.1 Sifat ideal dan data yang sebenarnya dari opamp IC 741.

Parameter Data Harga Ideal

Tegangan offset masukan, Vio 2 mV

Arus offset masukan, Iio 20 nA

Arus panjar masukan, IB 80 nA

Nisbah penolakan modus bersama (CMRR), ρ 90 dB

Pergeseran dari Iio 1 nA/°C

Pergeseran dari Vio

Frekuensi penguatan-tunggal (unity-gain frecuency) 1 MHz

Bandwith daya- penuh 10 kHz

Penguatan diferensial lingkar terbuka, A 105 dB

Keterangan :

1. Tegangan ofset masukan (input offset voltage) Vio menyatakan seberapa

jauh v+ dan vterpisah untuk mendapatkan keluaran 0 volt.

2. Arus offset masukan (input offset current) menyatakan kemungkinan

seberapa berbeda kedua arus masukan.

3. Arus panjar masukan (input bias current) memberi ukuran besarnya arus

basis (masukan).

4. Harga CMRR menjamin bahwa output hanya tergantung pada (v+) - (v-),

walaupun v+ dan v- masing-masing berharga cukup tinggi.

Untuk menghindari keluaran yang berosilasi, maka frekuensi harus dibatasi, unity

gain frequency memberi gambaran dari data tanggapan frekuensi. Ini hanya

berlaku untuk isyarat-kecil saja karena untuk isyarat yang besar penguat

mempunyai keterbatasan nilai dv dt o / sehingga keluaran bentuk-penuh hanya

dihasilkan pada frekuensi yang relative rendah.

PENGUATAN OP AMP

Operational Amplifier, sering disingkat dengan sebutan Op Amp,

merupakan komponen yang penting dan banyak digunakan dalam rangkaian

elektronik berdaya rendah (low power). Istilah operational merujuk pada

kegunaan op amp pada rangkaian elektronik yang memberikan operasi aritmetik

pada tegangan input (atau arus input) yang diberikan pada rangkaian.

Gambar xx Blok diagram op amp

Penguat operasional atau Op-Amp adalah rangkaian elektronik yang

dirancang dan dikemas secara khusus sehingga dengan menambah beberapa

komponen luar dapat dipakai untuk berbagai keperluan. Op-Amp digunakan untuk

rangkaian perhitungan analog, rangkaian pengaturan dan instrumentasi. Fungsi

Op-Amp adalah untuk melakukan operasi matematika linier (tegangan dan arus),

integrasi, dan penguatan. (Hughes, 1990 : 1).

Gambar

IC Op-Amp adalah komponen solid-state yang mampu mengindera dan

memperkuat sinyal masukan baik DC maupun AC. IC Op-Amp yang khas terdiri

dari tiga rangkaian dasar, yakni penguat diferensial impedansi masukan tinggi,

penguat tegangan penguatan tinggi, dan penguat keluaran impedansi rendah.

KARAKTERISTIK OP AMP

Op-Amp adalah piranti solid-state yang mampu mengindera dan

memperkuat sinyal, baik sinyal DC maupun sinyal AC. Op-Amp merupakan

sebagai penguat, sehingga Anda harus mempertimbangkan baik karakteristik dc

maupun ac dalam memperbaiki dan merancang rangkaian rangkaian dengan op-

amp. Karekteristik Op-Amp yang terpenting yaitu:

1. Impedansi masukan

Idealnya impedansi masukan op-amp adalah tak terhingga, namun dalam

kenyataannya hanya mencapai 1 MΩ atau lebih. Op-amp khusus ada yang

memiliki impedansi masukan 100MΩ. Semakin tinggi impedansi

masukan, maka semakin baik penampilan op amp tersebut. Pada frekuensi

tinggi, kapasitansi masukan op amp banyak berpengaruh. Secara umum

kapasitansi yang dapat digunakan kurang dari 2 pF pada saat terminal

masukan op amp dibumikan.

2. Impedansi Keluaran

Idealnya impedansi keluaran dari op amp adalah nol. Tetapi pada

kenyataannya impedansi keluaran op amp bervariasi anara 25 sampai

ribuan ohm.

3. Arus Bias Masukan

Secara teoritis impedansi masukan tak berhingga, sehingga tidak ada arus

masukan. Namun pada kenyataanya, aka nada sedikit arus masukan

khususnya pada orde pikoamper sampai miliamper yang dikenal dengan

sebagai arus bias masukan. Arus ini dapat mengoyahkan kestabilan op-

amp sehingga mempengeruhi keluaran.

4. Tegangan Offset Keluaran

Tegangan offset keluaran (tegangan kesalahan) disebabkan oleh arus bias

masukan. Bila tegangan kedua masukan ini sama besar, keluaran op amp

akan nol volt. pada kenyataannya jarang ditemukan kejadian seperti itu,

sehingga pada keluarannya aka nada sedikit tegangan. Keadaan seperti ini

dapat diatasi dengan teknik penolan offset yaitu dengan menambah arus

dan tegangan offset masukan.

5. Arus Offset Masukan

Kedua arus masukan seharusnya sama besar sehingga tegangan keluaran

nol. Pada kenyataannya itu tidak mungkin karena harus ditambah dengan

arus offset masukan untuk menjaga supaya keluaran tetap nol volt. Untuk

memperoleh keluaran nol volt, maka sebuah maukan harus menarik arus

lebih besar. Arus offset ini dapat mencapat 20mA.

6. Tegangan Offset Masukan

Op-amp memiliki tagangan keluaran yang ideal nol pada saat tegangan

kedua masukan nol. Karena penguatan op-amp yang tinggi, maka adanya

sedikit ketakseimbangan dalam rangkaian op amp akan mengakibatkan

munculnya tegangan keluaran. Untuk membuat tegangan keluaran menjadi

nol, maka masukan diberikan sedikit tegangan offset. Sehingga tegangan

keluaran dapat di nolkan kembali

7. Penolan Offset

Ada beberapa macam cara pemberian tegangan offset masukan untuk

mengenolkan kembali tegangan keluaran. Pabrik pabrik op amp telah

memasukan ini dalam gambar dan perhitungan yang terdapat dalam

lembaran data yang ada di dalam datasheet. Cara mengenolkan tegangan

keluaran dengan penolan offset terlihat pada gambar xx.

+

-

L M 7 4 1

3

26

7 14 5

-5 V

1 0 0 K13

2

+5 V

O U T P U T

Gambar xxx Offset nol

Prosedur urutan kerja membuat tegangan keluaran bernilai nol

Pastikan bahwa rangkaian telah dilengkapi dengan komponen yang

dibutuhkan.

Perkecil sinyal masukan sampai nol.

Hubungkan beban pada terminal keluaran.

Masukan catu DC dan tunggulah beberapa menit

Hubungkan sebuah voltmeter yang peka dan osiloskop yang dikopel

DC untuk membaca tegangan keluaran

Putarlah resistor variable sampai tegangan keluaran nol

Lepaskan komponen tambahan dan hubungkan kembali masukan

masukan sumber. Pastikan tidak menyentuh resistor pengatur tegangan

offset, karena dapat mengubah nilai dari keluaran dari op amp.

8. Pengaruh Temperatur

Perubahan temperature akan mempengaruhi semua piranti solid state dan

rangkaian elektronika. Rangkaian DC yang menggunakan op-amp

cenderung lebih rentan terhadap pengaruh temperature dibandingkan

rangkaian AC. Perubahan temperatur ini dapat menyebabkan perubahan

arus offset dan tegangan offset. Perubahan ini sering disebut dengan

geseran. Drift yang disebabkan oleh temperature akan mengganggu setiap

ketakseimbangan op amp yang telah diatur sebelumnya. Sehingga

mengakibatkan terjadi kesalahan pada keluarannya.

9. Kompensasi Frekuensi

Karena penguatan op amp sangat tinggi dan adanya pergeseran fasa antara

rangkaian internal, maka pada frekuensi tinggi tertentu sebagian sinyal

keluaran akan diumpankan kembali kedalam masukan. Tidak jarang dalam

merangkai rangkaian dengan opamp harus menambah kapasitor

kompensasi untuk mencegah osilasi.

10. Laju Lantingan

Laju lantingan atau slew rate adalah laju perubahan maksimum tegangan

keluaran op amp. Laju ini dinyatakan sebagai:

Op-amp 741 memiliki laju lanting 0,5 , yang berarti tegangan

keluaran maksimum dapat berubah 0,5V dalam 1 . Kapasitansi akan

membatasi kemampuan slew rate dan keluaran akan mengalami

penundaan setelah diumpankan masukan.

11. Tanggapan Frekuensi

Frekuensi masukan akan mempengaruhi kinerja dai op amp. Penguatan

op-amp akan turun terhadap kenaikan frekuensi. Penguatan yang diberikan

oleh pabrik biasanya dinyatakan pada nol Hertz atau DC. Gambar xx

menunjukan kurva penguatan tegangan terhadap tanggapam frekuensi.

Dalam modus lup terbuka, penguatan turun dengan cepat sejalan

peningkatan frekuensi. Pada saat frekuensi dinaikan 10kali maka

penguatan turun menjadi 1/10 kalinya. Titik breakover pada op amp terjadi

pada 70,7% penguatan maksimum. Secara umum lebar jalur dinyatakan

pada titik di mana penguatan turun 70,7% dari skala maksimumnya. Op

amp sering memerlukan umpan balik yang sifatnya degenerative dalam

rangkaian rangkaian penguat.

Gambar xxx penguatan tegangan dan tanggapan frekuensi

12. Perbandingan Penolakan Modus Sekutu (CMRR)

CMRR adalah suatu sifat yang berhubungan dengan penguat deferensial.

Bila tegangan yang sama asanya di masukan kedalam masukan masukan

penguat deferensial, maka keluaran dari penguat deferensial akan

menghasilkan nilai nol. Kemampuan suatu op-amp untuk memperkuat

sinyal deferensial sambil menindas sinyal modus sekutu disebut

perbandingan penolakan modus sekutu (CMRR). Perbandingan ini

dinyatakan dalam

Dengan Ao adalah penguat deferensial dan Acm adalah penguatan modus

sekutu. CMRR biasanya dinyatakan dalam decibel.

13. Pembatasan Listrik

Op amp merupakan sebuah komponen elektronika yang memiliki kendala

listrik yang tidak boleh dilanggar, agar op amp dapat bekerja dengan

benar. Tegangan catu daya maksimum yang boleh digunakan oleh op amp

adalah 15 volt. Tegangan masukan op amp yang boleh diberikan di antara

terminal terminal masukan adalah tidak boleh melebihi tegangan catu daya

sebesar 15 Volt.

Tegangan masukan dan tegangan catu daya dapat menyebabkan desipasi

daya. Daya listrik akan berubah menjadi panas. Daerah temperature di

mana op amp akan bekerja adalah bekerja pada temperature 0 – 70°C

untuk piranti komersial, temperature -25 – 85°C untuk piranti industry dan

temperature -55 - 125°C.

Gambar xxx. Simbol skematis Op-Amp standar (Hughes, 1990:3)

Terminal-terminal masukan ada pada bagian atas segitiga. Masukan tak

membalik dinyatakan dengan tanda plus (+) ditunjukkan oleh nomor 1. Masukan

membalik dinyatakan dengan tanda minus (-) ditunjukkan oleh nomor 2.

Tegangan DC atau AC yang diberikan pada masukan ini akan sefasa dengan

keluaran. Terminal keluaran diperlihatkan pada bagian puncak segitiga (nomor 5).

Terminal-terminal catu dan kaki-kaki lainnya untuk kompensasi frekuensi atau

pengaturan nol diperlihatkan pada sisi atas dan sisi bawah segitiga (nomor 3 dan

4).

OP-AMP dalam praktiknya dirangkai dengan konfigurasi yang bermacam-

macam dan dalam kondisi “closed loop” mempunyai penguatan yang sangat

tinggi (very high) dan hanya untuk sinyal yang lebih kecil (dalam orde mikrovolt

atau lebih kecil lagi) dengan frekuensi yang sangat rendah dikuatkan secara akurat

tanpa distorsi. Dan untuk sinyal-sinyal yang sekecil ini sangat mudah terkena

noise dan tak mungkin didapatkan pada suatu laboratorium.

Disisi lain penguatan tegangannya selain besar, juga tidak konstan.

Penguatan tegangannya bervariasi dengan perubahan temperatur dan sumber daya

(sumber tegangan). Variasi dari penguatan tegangan ini relatip besar untuk

kondisi “open loop”, sehingga untuk penggunaan atau aplikasi rangkaian linear

tak mungkin. Hal ini disebabkan kebanyakan aplikasi linear outputnya

proporsional terhadap inputnya dari tipe OP-AMP yang sama.

Dengan alasan diatas maka OP-AMP kondisi “open loop” secara umum

tidak digunakan dalam aplikasi linear. Untuk mengatasi hal diatas maka dilakukan

dengan memodifikasi rangkaian dasar OP-AMP yaitu dengan tujuan mengontrol

penguatannya. Modifikasi rangkaian dasar ini adalah dengan menerapkan

penggunaan umpan balik ( “feedback” ), yaitu sinyal pada output diumpan balik-

kan ke input secara langsung melalui jaringan atau peralatan lain.

Berdasarkan beberapa pengertian diatas dapat disimpulkan bahwa

pembelajaran penguatan op amp disini adalah suatu usaha yang dilakukan untuk

dapat mengenal dan memahami tentang pengertian maupun aplikasi penguatan op

amp sehingga pengetahuan dan pemahaman tentang penguatan Op Amp menjadi

lebih baik.

Penguat operational amplifier mempunyai beberapa sifat karakteristik dari

op-amp. Sifat sifat dari op-amp antara lain impedansi masukan dan keluaran,

tanggapan amplitude, dan offset tegangan keluaran.