BAB VRANGKAIAN OP AMP DASAR

5.1.PENGUAT INVERTING

Keluaran sensor dan tranduser pada umumnya mempunyai tegangan yang

sangat kecil hingga mikro volt, sehingga diperlukan penguat dengan impedansi

masukan rendah. Rangkaian penguat inverting merupakan rangkaian penguat

pembalik dengan impedansi masukan sangat rendah. Rangkaian penguat inverting

akan menerima arus atau tegangan dari tranduser sangat kecil dan akan

membangkitkan arus atau tegangan yang lebih besar. Rangkaian dasar penguat

inverting adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 1, dimana sinyal

masukannya dibuat melalui input inverting. Rangkaian ini adalah pengubah dari

arus menjadi tegangan dan digerakkan oleh sumber tegangan dan bukan sumber

arus. Tahanan sumber R1, bagian umpan baliknya berubah dan beberapa sifat

umpan balik juga berubah.

Gambar Rangkaian penguat pembalik

Input non-inverting pada rangkaian ini dihubungkan ke ground, atau v+ = 0.

Karena v+ dan v- nilainya = 0 namun tidak terhubung langsung ke ground, input

op-amp v- pada rangkaian ini dinamakan virtual ground. Dengan fakta ini, dapat

dihitung arus pada hambatan resistor R1 dan arus pada hambatan resistor R2

adalah

(1)

(2)

Arus yang masuk dalam op-amp adalah nol, makab

(3)

Masukan persamaan 1 dan 2 ke persamaan 3

(4)

Selanjutnya

Jika penguatan G didefenisikan sebagai perbandingan tegangan keluaran terhadap

tegangan masukan, maka dapat ditulis

(4)

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.

Contoh soal

1. Sebuah penguat pembalik seperti pada gambar xxx memiliki hambatan R1

sebesar 100Ω dan R2 sebesar 1KΩ. Penguat pembalik tersebut di beri

input sebesar 1000µVolt. Hitung berapa besarnya penguat dan tegangan

output?

Jawab

2. Sebuah penguat pembalik seperti pada gambar xxx memiliki hambatan R1

sebesar 100Ω. Penguat pembalik tersebut di beri input sebesar 100m Volt.

Tegangan keluaran dari penguat yang diinginkan 0,2 Volt. Hitung berapa

besarnya penguat dan hambatan R2?

Jawab

5.2.PENGUAT NON INVERTING

Banyak rangkaian elektronika yang memerlukan penguatan tegangan atau

arus yang tinggi tanpa terjadi pembalikan (inversion) isyarat. Peguat op-amp tak-

membalik (noninverting op-amp) didesain untuk keperluan ini. Rangkain ini dapat

digunakan untuk memperkuat isyarat AC maupun DC dengan keluaran yang tetap

sefase dengan masukan. Impedansi masukan dari rangkaian ini berharga sangat

tinggi dengan nilai sekitar 100 M. Dengan isyarat masukan dikenakan pada

terminal masukan noninverting, besarnya penguatan tegangan tergantung pada

harga in R dan F R yang dipasang. Isyarat keluaran penguat ini diambil dari resistor

L R (biasanya berharga sekitar 35-50 ).

Penguat non inverting 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.

gambar 2 : penguat non-inverter

Dengan menggunakan analisa konsep bumi semu:

vin = v+

v+ = v- = vin

Dari sini ketahui arus pada hambatan R2 dan arus pada hambatan R1 adalah

iR1 = vin/R1

iout = (vout-vin)/R2

Hukum kirchkof pada titik input inverting merupakan fakta yang mengatakan

bahwa :

iout + i(-) = iR1

Arus yang masuk dalam op-amp adalah nol, maka

iout = iR1

(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 :

… (2)

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.

Contoh Soal

Sebuah penguat tak-membalik dengan menggunakan dengan konfigurasi seperti

terlihat pada gambar 16.2 menggunakan resistor

5.3.PENGIKUT TEGANGAN

Pengikut tegangan biasanya didefinisikan sebagai rangkaian dengan penguatan

satu. Diantara masukan dan keluaran terdapat isolasi impedansi. Keluaran dari op

amp terhubung pada masukan inverting dan tegangan masukan dihubungkan pada

masukan non inverting. Hambatan umpan balik sama dengan nol sehingga

besarnya penguatan adalah

Dengan masukan non inverting, rangkaian ini memiliki impedansi masukan yang

amat tinggi serta impedansi keluaran yang amat rendah. Keuntungan ini menjadi

sangat ideal untuk penyangga.

Gambar xxx Gambar penyangga positif

Penyangga negative sering diperlukan dalam pemakaian khusus. Rangkaian

penyangga fase terbalik ditunjukan pada Gambar xxx. Karena Rin sama dengan Rf

maka rumus penguatan sebagai berikut:

Kelemahan dari rangkaian ini adalah amat berkurangnya impedansi masukan.

5.4.PENGUAT PENJUMLAH TEGANGAN

Dengan menggunakan rangkaian penguat membalik dasar dan menambahkan

resistor masukan lainnya, kita dapat membuat penguat penjumlah membalik atau

penjumlah analog, seperti tampak pada Gambar 2.13. Tegangan keluaran

dibalikkan dan nilainya sama dengan penjumlahan aljabar dari masing-masing

perkalian tegangan masukan dengan hasil bagi resistor masukan dengan. resistor

umpan balik yang bersesuaian, atau dapat dinyatakan sebagai :

Suku RF/RN (VN) dalam rumus di atas menyatakan bahwa dalam rangkaian

tersebut mungkin terdapat lebih dari dua masukan. Bila semua resistor luar sama

nilainya (RF = R, = R2 = ... = RN), keluaran dengan mudah dapat dihitung

sebagai penjumlahan aIjabar dari masingmasing tegangan masukan, atau

VOut = - (VI + V2 + - - - + VN)

Tabel tegangan masukan&eluaran menunjukkan hasil dari macam-macam

tegangan masukan. Ingatlah bahwa polaritas keluaran merupakan kebalikan dari

polaritas hasil penjumlahan aljabar.

Dalam rangkaian ini, bumi semu yang pernah dijelaskan sebelumnya merupakan

titik penjumlahan arus. Konsep titik penjumlahan dapat dipahami dengan

menganalisis arus dalam penguat penjumlab seperti diperlihatkan dalam Gambar

2.14. Karena titik penjumlaban adalah bumi semu, maka tegangan pada titik ini

kurang lebih selalu sama dengan tegangan masukan tak membalik (= 0 V).

Penguat penjumlah tegangan: (a) diagram skematik; (b) tabel tegangan

masukan/keluaran.

Dengan kedua masukan positif, arus dari setiap resistor akan mengalir searah. Untuk

kasus dalam Gambar 2.14a, I1 = 0,1 mA dan I2 = 0,2 mA. Karena itu, kelu,aran harus

menuju -3 V supaya IF benilai 0,3 mA.

Bila sebuah Masukan positif dan sebuah lainnya negatif, seperti tampak dalam

Gambar 2.14b, maka sebuah arus masukan (0,3 mA) akan menuju titik penjumlahan

dan sebuah lainnya (0,2 mA) akan keluar dari titik penjumlahan. Karena jumlah arus

yang masuk harus sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik itu, maka arus 0,1

mA harus keluar dari titik penjumlahan melalui RF. Tegangan keluaran harus menuju

+1 V untuk memberikan arus yang dibutuhkan.

Bila kedua masukan negatif, seperti iampak dalam Gambar 2.14c, maka kedua arus

masukan menuju titik penjumlahan (0,1 mA dan 0,2 mA). Arus yang mengalir lewat

RF harus sama dengan penjumlahan kedua arus ini (0,3 mA). jadi, sekali lagi

keluaran harus menuju +3 V untuk mewujudkannya.

5.5.PENGUAT SELISIH TEGANGAN

Penamaan penguat operasional memang cocok karena penguat ini dapat

digunakan untuk operasi matematika. Pada eksperimen sebelumnya telah kita lihat

bagaimana opamp berfungsi sebagai penguat atau secara matematika sebagai

pengali. Pada bagian ini akan kita pelajari op-amp sebagai operasi matematika

penjumlah dan pengurang. Untuk operasi penjumlah, masukan tak membalik dari

op-amp dihubungkan dengan tanah sedangkan tegangan masukan yang akan

dijumlah diumpankan pada masukan membalik. Pada operasi pengurangan atau

penguat diferensial, dengan mengumpankan isyarat pada masukan tak-membalik

dan membalik akan didapat selisih keduanya.

Penguat ini serupa dengan pembanding, kedua masukan dipakai untuk merasakan

tegangan di antara mereka, namun rangkaian menggunakan modus lup tertutup,

sehingga tegangan keluaran dapat diperkirakan dan dikendalikan besarnya. Bila

semua resistor luar sama besarnya, maka penguat ini berfungsi sebagai rangkaian

matematik analog dan dikenal sebagai pengurang tegangan, seperti tampak dalam

Gambar 2.17a. Tegangan keluaran merupakan kebalikan selisih tegangan di antara

kedua masukan dan nilainya dihitung menurut rumus

Sebagaimana pembanding, polaritas tegangan kelfiaran akan positif bila tegangan

pada masukan membalik lebih negatif daripada tegangan pada masukan tak

membalik (seperti dibuktikan dalam rumus), dan sebaliknya.

Tabel tegangan masukan/keluaran dalam Gambar 2.17b memperlihatkan polaritas

yang tepat dan selisih aljabar tegangan keluaran untuk macam-macam tegangan

masukan

5.6.PENGUAT INTEGRATOR

Rangkaian op-amp untuk fungsi integrasi termasuk rangkaian yang penting.

Rangkaian integrator banyak digunakan dalam “komputer analog” sebagai alat

bantu untuk menyelesaikan persamaan integral. Rangkaian ini dapat dibuat

dengan menempatkan kapasitor pada masukan membalik dan keluaran dan

masukan tak-membalik ditanahkan.

Rangkaian integrator op-amp ini juga berasal dari rangkaian inverting dengan

tahanan umpan baliknya diganti dengan kapasitor. Proses perhitungannya sebagai

berikut: B F i = I + i 1 , B I diabaikan karena sangat kecil nilainya sehingga : F i

@ i 1 . Arus pada kapasitor adalah

yang sama dengan iF , sehingga

karena v1 = v2 @ 0, karena penguatan A terlalu besar, sehingga

Sehingga persamaannya menjadi :

Batas frekuensi yang dilalui oleh capasitor dalam rangkaian integrator adalah

Biasanya rangkaian untuk aplikasi ada penambahan tahanan yang diparalel

dengan kapasitor dengan dinama RF. Seperti pada gambar 2.29 rangkaian

integrator yang belum di tambah tahanan yang diparalel dengan kapasitor. Nilai

ROM adalah antara nol sampai dengan R1.

5.7.PENGUAT DEFERENSIATOR

Rangkaian differensiator adalah rangkaian aplikasi dari rumusan matematika yang

dapat dimainkan (dipengaruhi) dari kerja kapasitor. Rangkaian nya seperti pada

gambar 2.25 dengan rangkaian sederhana dari differensiator. Untuk mendapatkan

rumus differensiator, urutannya adalah sebagai bagai berikut : C B F i = i + i dan

selama nilai = 0 B i maka C F i = i selisih dari inverting input dan noninverting

input (v1 dan v2) adalah nol dan penguatan tegangannya sangat besar, maka

didapat persamaan pengisian kapasitor sebagai berikut :

menjadi atau

Rangkaian Differensiator Op-amp.

Pada rangkaian aplikasi rangkaian differensiator op-amp ini ada sedikit perubahan

yaitu penambahan tahanan dan kapasitor yang fungsinya untuk menfilter sinyal

masukan. Seperti tampak pada gambar 2.26 adalah rangkaian differensiator yang

dimaksud. Dengan demikian maka ada batasan input dari frekuensi yang masuk,

batasan tersebut adalah

sedangkan nilai frekuensi yang diakibatkan oleh RF dan C1 adalah sebagai berikut

:

Bila sinyal input melebihi frekuensi fa maka hasil output akan sama dengan hasil

input, alias fungsi rangkaian tersebut tidak lagi differensiator lagi tapi sebagai

pelewat biasa. Sedangkan untuk gambar 2.26 biasanya digunakan untuk rangkaian

aplikasi yang di integrasikan dengan rangkaian lain. Syarat perhitungan nilai nilai

R1, C1, RF, CF adalah sesuai dengan syarat sebagai berikut :

Contoh perhitungan rangkaian differensial Differensiator op-amp dari rangkaian

seperti gambar 2.25 dengan nilai C 1mF 1 = dan R = KW F 1 . Sumber tegangan

±15Volt > Awal sinyal adalah 0 Volt. Tentukan tegangan output a. Vin = 1 Volt

(sinyal dc) saat 10 detik. b. Vin = 20 Volt (sinyal dc) saat 1 detik saat

Jawab:

Gambar sinyal outputnya :

Gambar 2.27

Output dari rangkaian differensiator Op-amp dengan input sinyal dc

Gambar sinyal output untuk differensiator op-amp dari sinyal sinus dan segiempat

adalah seperti pada gambar 2.28.

Gambar 2.28

Sinyal output rangkaian differensiator Op-amp

Untuk menentukan nilai CF dan RF pada differensiator op-amp ini ditentukan dari

fa dan fb dengan hubungan sebagai berikut :

fb = 20 fa

Contoh soal :

Rancang differensiator op-amp dengan input bervariasi antara 10 Hz sampai

1KHz dengan Vin = 1 sin w t. Volt (peak to peak)

a. Tenrukan nilai nilai R1,C1, RF, dan CF

b. Tentukan bentuk sinyal vo

Penyelesaian :

a. Karena input berkisar 10 sampai 1 KHz, maka di ambil frekuensi tertingginya.

Jadi fa = 1 KHz

dan rumusnya : dan ditentukan

C1 =0.1 m F , sehingga :

Bila fb = 20 fa , maka fb = 20 KHz , maka nilai

(disesuaikan nilai

tahanan yang ada).

Selama nilai R1.C1 = RF.CF ,maka nilai CF adalah :

(nilai disesuaikan dengan nilai

kapasitor yang ada)

Nilai ROM = R1||RF @ 78 W (digunakan 82W)

b. Bentuk sinyal vo adalah

5.8.PENGUAT INSTRUMENTASI

Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup (closed loop) dengan

masukan difrensial, dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi nisbah

penolakan modul bersama (common mode rejection ratio – CMRR). Fungsi utama

penguat instrumentasi adalah untuk memperkuat tegangan yang tepat berasal dari

sensor atau transduser secara akurat. Rangkaian equivalen penguat instrumentasi

adalah seperti gambar xxx

Besaran RicM adalah hambatan atau impedansi masukan deferensial. e0 adalah

tegangan keluaran tanpa beban (terbuka) dan R0 adalah hambatan atau impedansi

keluaran. Karena penguat instrumentasi adalah loop terbuka, maka perlu dipasang

rangkaian umpan balik untuk menggunakan seperti halnya penguat operasional.

Penguat instrumentasi yang bermutu tinggi dibuat dalam bentuk hybrid yaitu

campuran ic dan komponen diskrit.

Penguatan instrumentasi dapat dibuat dengan menggunakan op amp. Mutu dari

penguat instrumentasi ini tergentung dari mutu op-amp yang digunakan yang

menyangkut ini offset masukan, impedansi masukan, drift pada tegengan

keluaran, CMRR, PSRR, dan lain sebagainya. Disamping itu CMRR dan

ketepatan penguat op-amp amat tergantung kepada presisi dari komponen pasif

yang digunakan. Sekarang kita anakn membahas dua rangkaian penguat

instrumentasi menggunakan op-amp. Rangkaian yang digunakan untuk membuat

instrumentasi dengan op amp seperti Gambar xxx.

Gambar xxx suatu penguat instrumentasi

Kita dapat bagi rangkaian diatas menjadi dua bagian pertama terdiri dari IC OP-

AMP OA1 dan IC OP-AMP OA2 dan bagian kedua terdiri dari IC OP-AMP OA3.

Sekarang kita akan membahas bagian kedua terlebih dahulu. Rangkaian bagian

kedua dapat di lihat pada Gambar xxx

Gambar rangkaian penguat deferensial

Karena impedansi masukan difrensial dari op-amp sangat tinggi maka dapat

dianggap I1=I4=0 sehingga Ia = Ia’ dan Ib =Ib’

Dengan menggunakan hokum kirchoff kita peroleh

ea-Vo=(R2+R6)Ia

eb-0=(R5+R7)Ib

Selanjutnya kita menggunakan dari sifat op yang lain yaitu bahwa masukan

inverting dan non inverting ada dalam keadaan hubung sikat virtual maka:

Vo=-IaR6+IbR7

Dari ketiga persamaan kita dapatkan:

Agar tegangan Vo sebanding dengan selisih tegangan isyarat masukan maka harus

dibuat agar:

Sebaiknya digunakan R5=R2 dan R7=R6

Jadi

Penguatan common mode dapat kita peroleh bila menggunakan

seperti Gambar xxx

Persamaan menjadi

Seperti telah digunakan diatas jika digunakan R7=R6 dan R5=R2 kita peroleh

penguat diferensial. Dalam prakteknya tidak akan membuat hambatan sama

karena resistor tersebut mempunyai toleransi minimum 1%

Misalnya

Maka

Dari persamaan diatas kita peroleh common mode Rejection ratio

Tampak bila ∆=1%=0.01 dan R2=R6 maka CMRR=60=30db

Jadi agar diperoleh CMRR yang tinggi diperlukan komponen dengan presisi yang

tinggi pula.

Gambar rangkaian pertama penguat instrumentasi

Oleh karena masukan inverting dan non inverting pada op-amp dalam keadaan

hubung singkat maka tegangan pada titik A = ea dan pada titik B =eb. Hambatan

masukan diferensial sangat besar maka arus I1=I2=0 akibatnya:

akan tetapi

sehingga

sehingga persamaan xx menyatakan bahwa bila

ea=eb=ecm maka sehingga yang berarti bahwa pada rangkaian

Gambar xx terjadi penurunan dari segi CMRR disebabkan oleh bagian II saja. Ini

berarti bahwa dipandang dari segi CMRR hanya R2,R6,R5 dan R7 yang harus

mempunyai nilai presisi.

Penguatan dari seluruh rangkaian gambar xxx dapat diperoleh dengan

menggabungkan persamaan xx dan xx yaitu:

Suatu contoh rangkaian instrumentasi pada gambar xxx yang digunakan adalah

tipe CA3140 yaitu CMOS input op amp dengan Zin(CM)=1012, CMRR=90db,

unity gain bandwith 7,5 MHz dan PSRR = 90db.

Gambar xxx penguat deferensial presisi

Spesifikasi penguat diatas adalah respon frekuensi (-3dB) dc hingga 1 Mhz; slew

rate = 1,5V/µs, CMRR=86dB. Penguatan = 35-60dB.