Nama Kelompok :

1. Anthony Salim Masrikan 110511427096

2. Anggrianto Dwi Herdian 110511427074

3. Dwi Febi Suhendra 110511427090

4. Risky Indra Cahyono 110511427080

OPERATIONAL AMPLIFIERS (OP-AMP)

1. SEJARAH OP-AMP

Awal dari penggunaan penguat operasional adalah tahun 1940 an, ketika sirkuit

elektronika dasar dibuat dengan menggunakan tabung vakum untuk melakukan

operasi matematika seperti penjumlahan, pengurangan, perkalian, pembagian,

integral, dan turunan. Istilah penguat operasional itu sendiri baru digunakan pertama

kali oleh John Ragazzini dan kawan-kawan dalam sebuah karya tulis yang

dipublikasikan pada tahun 1947. Kutipan bersejarah dalam karya tulis tersebut adalah:

"As an amplifier so connected can perform themathematical operations of

arithmetic and calculus on the voltages applied to its inputs, it is hereafter termed an

operational amplifier "(Ragazzini, et.al, 1947) (dalam bahasa Indonesia: "Oleh karena

penguat dapat dihubungkan untuk melakukan operasi matematika dan kalkulus

terhadap tegangan yang dikenakan terhadap masukannya, maka digunakan istilah

penguat operasional.")

Penguat operasional yang tersedia secara komersial untuk pertama kalinya

adalah K2-W yang diproduksi oleh Philbrick Researches, Inc. dari Boston antara tahun

1952 hingga awal 1970an. Penguat operasional tersebut harus dijalankan pada

tegangan +/- 300 V dan memiliki berat 85 g dan berukuran 3,8 cm x 5,4 cm x 10,4 cm

dan dijual seharga US$22.

2. PENGERTIAN OP-AMP

Penguat operasional (bahasa Inggris: operational amplifier) atau yang biasa

disebut op-amp merupakan suatu jenis penguat elektronika dengan sambatan (bahasa

Inggris: coupling) arus searah yang memiliki bati (faktor penguatan atau dalam bahasa

1

Inggris:gain) sangat besar dengan dua masukan dan satu keluaran. Istilah ‘penguat

operational’ (operational amplifier) secara umum menggambarkan tentang sebuah

rangkaian penguat penting yang membentuk dasar dari rangkaian-rangkaian penguat

audio dan video, penyaring atau tapis, buffer, penggerak-penggerak saluran, penguat

instrumentasi, komparator atau pembanding, osilator, dan berbagai macam rangkaian

analog lainnya.

Op-amp pada dasarnya merupakan sebuah blok komponen yang sederhana.

Sebuah op-amp akan memiliki dua buah terminal masukan di mana salah satu

masukan disebut sebagai masukan pembalik (diberi tanda -) sementara masukan

lainnya disebut dengan masukan non-pembalik (dibeeri tanda +). Penguat operasional

pada umumnya tersedia dalam bentuk sirkuit terpadu dan yang paling banyak

digunakan adalah seri 741.

Operational Amplifier merupakan

salah satu komponen analog yang sering

digunakan dalam berbagai aplikasi

rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp

yang paling sering dipakai antara lain

adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Pada pokok

bahasan kali ini akan dipaparkan beberapa aplikasi op-amp yang paling dasar, yaitu

rangkaian penguat inverting, non-inverting differensiator dan integrator. Pada Op-Amp

memiliki 2 rangkaian feedback (umpan balik) yaitu feedback negatif dan feedback

positif dimana Feedback negatif pada op-amp memegang peranan penting. Secara

umum, umpan balik positif akan menghasilkan osilasi sedangkan umpan balik negatif

menghasilkan penguatan yang dapat terukur.

Beberapa pakar mengemukakan pengertian Op-Amp seperti dibawah ini :

Lord Kelvin

Konsep rangkaian penguat diferensial mekanik dengan penguatan tinggi tetapi

tidak presisi presisi, digunakan dengan feedback menghasilkan penguatan presisi.

Vanenar Bush

Konsep matematis penguat diferensial dengan feedback menghasilkan kontrol

presisi.

2

HS Black, HW Bode, dan DB Parkinson

Menggunakan konsep rangkaian dengan OPAMP tabung elektronika untuk

kontrol posisi laras meriam.

Penguat operasional adalah perangkat yang sangat efisien dan serba

guna. Contoh penggunaan penguat operasional adalah untuk operasi matematika

sederhana seperti penjumlahan dan pengurangan terhadap tegangan listrik hingga

dikembangkan kepada penggunaan aplikatif seperti komparator dan osilator dengan

distorsi rendah.

Sebenarnya Operational Amplifier atau di singkat op-amp merupakan salah

satu komponen analog yang sering digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian

elektronika. Aplikasi op-amp yang paling sering dipakai antara lain adalah rangkaian

inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Pada pokok bahasan kali ini akan

dipaparkan beberapa aplikasi op-amp yang paling dasar, yaitu rangkaian penguat

inverting,non-inverting differensiator dan integrator.

Penguat operasional dalam bentuk rangkaian terpadu memiliki karakteristik yang

mendekati karakteristik penguat operasional ideal tanpa perlu memperhatikan apa

yang terdapat di dalamnya. Karakteristik penguat operasional ideal adalah:

1. Bati tegangan tidak terbatas.

2. Impedansi  masukan tidak terbatas.

3. Impedansi keluaran nol.

4. Lebar pita  tidak terbatas.

5. Tegangan ofset nol (keluaran akan nol jika masukan nol).

Saat ini penguat operasional tersedia dalam bentuk sirkuit terpadu dan tidak

lagi menggunakan tabung vakum, melainkan menggunakan transistor. Dalam suatu

sirkuit terpadu penguat operasional umumnya terdapat lebih dari 25 transistor beserta

resistor dan kapasitor yang diperlukan hanya dalam satu cipsilikon.

Hasilnya, penguat operasional modern hanya membutuhkan tegangan listrik +/-

18 V, bahkan beberapa jenis seperti LM324 dapat berjalan pada tegangan hanya +/-

1,5 V. Penguat operasional KA741 dari Fairchild Semiconductor yang banyak

3

digunakan bahkan hanya berukuran 5,7mm x 4,9mm x 1,8mm dan tersedia di pasaran

dengan harga hanya Rp.3.500 (US$0,37).

3. KARAKTERISTIK DASAR OP-AMP

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya bahwa pada dasarnya Op-amp

adalah sebuah differential amplifier (penguat diferensial), yang mana memiliki 2 input

masukan, yaitu input inverting (V-) dan input non-inverting(V+), Rangkaian dasar dari

penguat diferensial dapat dilihat pada gambar 1 dibawah ini:

Gambar 1 : Penguat Diferensial

Pada rangkaian diatas, dapat diketahui tegangan output (Vout) adalah Vout =

A(v1-v2) dengan A adalah penguatan dari penguat diferensial ini. Titik input v1

dikatakan sebagai input non-iverting, sebab tegangan vout satu phase dengan v1.

Sedangkan sebaliknya titik v2 dikatakan input inverting sebab berlawanan phasa

dengan tengangan vout.

Op-amp ideal  

Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier (penguat

diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp ada yang dinamakan

input inverting dan non-inverting. Op-amp ideal memiliki open loop gain (penguatan

loop terbuka) yang tak terhingga besarnya. Seperti misalnya op-amp LM741 yang

sering digunakan oleh banyak praktisi elektronika, memiliki karakteristik tipikal open

loop gain sebesar 104 ~ 105. Penguatan yang sebesar ini membuat op-amp menjadi

tidak stabil, dan penguatannya menjadi tidak terukur (infinite). Disinilah peran

rangkaian negative feedback (umpan balik negatif) diperlukan, sehingga op-amp dapat

dirangkai menjadi aplikasi dengan nilai penguatan yang terukur (finite). Impedasi input

op-amp ideal mestinya adalah tak terhingga, sehingga mestinya arus input pada tiap

4

masukannya adalah 0. Sebagai perbandingan praktis, op-amp LM741 memiliki

impedansi input Zin = 106 Ohm. Nilai impedansi ini masih relatif sangat besar sehingga

arus input op-amp LM741 mestinya sangat kecil. Ada dua aturan penting dalam

melakukan analisa rangkaian op-amp berdasarkan karakteristik op-amp ideal. Aturan

ini dalam beberapa literatur dinamakan golden rule, yaitu :

Aturan 1:

Perbedaan tegangan antara input v+ dan v- adalah nol

(v+ - v-= 0 atau v+ = v- )

Aturan 2:

Arus pada input Op-amp adalah nol

(i+ = i- = 0)

Inilah dua aturan penting op-amp ideal yang digunakan untuk menganalisa rangkaian

op-amp.

Diagram Blok Op-amp

Op-amp di dalamnya terdiri dari beberapa bagian, yang pertama adalah

penguat diferensial, lalu ada tahap penguatan (gain), selanjutnya ada rangkaian

penggeser level (level shifter) dan kemudian penguat akhir yang biasanya dibuat

dengan penguat push-pull kelas B. Gambar-2 (a) berikut menunjukkan diagram dari

op-amp yang terdiri dari beberapa bagian tersebut.

Gambar 2 (a) : Diagram Blok Op-Amp

5

Gambar 2 (b) : Diagram Schematic Simbol Op-Amp

Simbol op-amp adalah seperti pada gambar 2 (b) dengan 2 input, non-inverting

(+) dan input inverting (-). Umumnya op-amp bekerja dengan dual supply (+Vcc dan –

Vee) namun banyak juga op-amp dibuat dengan single supply (Vcc – ground). Simbol

rangkaian di dalam op-amp pada gambar 2 (b) adalah parameter umum dari sebuah

op-amp. Rin adalah resitansi input yang nilai idealnya infinit (tak terhingga). Rout

adalah resistansi output dan besar resistansi idealnya 0 (nol). Sedangkan AOL adalah

nilai penguatan open loop dan nilai idealnya tak terhingga.

4. TEORI APLIKASI OP-AMP

Inverting

Inverting amplifier ini, input dengan outputnya berlawanan polaritas. Jadi ada

tanda minus pada rumus penguatannya. Penguatan inverting amplifier adalah bisa

lebih kecil nilai besaran dari 1, misalnya -0.2 , -0.5 , -0.7 , dst dan selalu negatif.

Rumusnya :

Gambar 3. Rangkaian inverting amplifier

6

Non-Inverting

Rangkaian non inverting ini hampir sama dengan rangkaian inverting hanya

perbedaannya adalah terletak pada tegangan inputnya dari masukan noninverting.

Rumusnya seperti berikut :

sehingga persamaan menjadi

Hasil tegangan output noninverting ini akan lebih dari satu dan selalu positif.

Rangkaiannya adalah seperti pada gambar berikut ini :

Gambar 4. Non inverting amplifier

Buffer

Rangkaian buffer adalah rangkaian yang inputnya sama dengan hasil

outputnya. Dalam hal ini seperti rangkaian common colektor yaitu berpenguatan = 1.

Rangkaiannya seperti pada gambar berikut ini :

Gambar 5. Rangkaian buffer

Nilai R yang terpasang gunanya untuk membatasi arus yang di keluarkan. Besar

nilainya tergantung dari indikasi dari komponennya, biasanya tidak dipasang alias arus

dimaksimalkan sesuai dengan kemampuan op-ampnya.

Adder/ Penjumlah

7

Rangkaian penjumlah atau rangkaian adder adalah rangkaian penjumlah yang

dasar rangkaiannya adalah rangkaian inverting amplifier dan hasil outputnya adalah

dikalikan dengan penguatan seperti pada rangkaian inverting. Pada dasarnya nilai

outputnya adalah jumlah dari penguatan masing masing dari inverting, seperti :

Bila Rf = Ra = Rb = Rc, maka persamaan menjadi :

Tahanan Rom gunanya adalah untuk meletak titik nol supaya tepat, terkadang

tanpa Rom sudah cukup stabil. Maka rangkaian ada yang tanpa Rom juga baik

hasilnya. Rangkaian penjumlah dengan menggunakan noninverting sangat suah

dilakukan karena tegangan yang diparalel akan menjadi tegangan terkecil yang ada,

sehingga susah terjadi proses penjumlahan.

Gambar 6. Rangkaian penjumlah dengan hasil negative

Subtractor/ Pengurang

8

Rangkaian pengurang ini berasal dari rangkaian inverting dengan

memanfaatkan masukan non-inverting, sehingga persamaannya menjadi sedikit ada

perubahan. Rangkaian ini bisa terdiri 3 macam yaitu :

a. Rangkaian dengan 1 op-amp

b. Rangkaian dengan 2 op-amp

c. Rangkaian dengan 3 op-amp

Rangkaian pengurang dengan 1 op-amp ini memanfaatkan kaki inverting dan kaki non

inverting. Supaya benar benar terjadi pengurangan maka nilai dibuat seragam seperti

gambar. Rumusnya adalah:

sehingga

Gambar 7. Rangkaian pengurang dengan 1 op-amp

Rangkaian pengurang dengan 2 op-amp tidak jauh berbeda dengan satu

opamp, yaitu salah satu input dikuatkan dulu kemudian dimasukkan ke rangkaian

pengurang, seperti gambar dibawah ini. Perhitungan rumus yang terjadi pada titik Vz

adalah :

sehingga Vo menjadi

9

Bila Rf=Ri maka persamaannya akan menjadi :

Gambar 8. Rangkaian pengurang dengan 2 op-amp

Rangkaian pengurang dengan 3 op-amp sangat lah beda dengan yang lainnya. Ada 3

macam proses yang terjadi disini seperti pada gambar dibawah ini.

Gambar 9. Rangkaian pengurang dengan 3 op-amp

Gambar 10. Proses mencari persamaan dari rangkaian pengurang 3 op-amp

10

Rangkaian penguat dengan 3 op-amp seperti pada gambar dibawah ini sangat

persis seperti rangkaian penguat dengan 1 op-amp. Hal ini karena sebelum masuk

dilewatkan buffer saja. Perhitungannya pun sama dengan rangkaian pengurang 1 op-

amp.

Gambar 11. Rangkaian pengurang 3 op-amp dengan buffer

Differensiator.

Rangkaian differensiator adalah rangkaian aplikasi dari rumusan matematika

yang dapat dimainkan (dipengaruhi) dari kerja kapasitor. Rangkaiannya seperti pada

gambar 10 dengan rangkaian sederhana dari differensiator. Untuk mendapatkan rumus

differensiator di dapat persamaan pengisian kapasitor sebagai berikut :

Gambar 12. Rangkaian Differensiator Op-amp.

11

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 :

sama dengan hasil input, alias fungsi rangkaian tersebut tidak lagi differensiator

lagi tapi sebagai pelewat biasa. Sedangkan untuk gambar dibawah 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 :

fa<fb

sehingga frekuensi input dilewatkan terlebih dahulu ke R1, C1 , RF, kemudian lewat

ke R1, C1 , CF bila frekuensinya melebihi fa.

Gambar 13. Rangkaian praktis (aplikasi) differensial op-amp

12

Gambar 14. Output dari rangkaian differensiator Op-amp dengan input sinyal dc

Gambar sinyal output untuk differensiator op-amp dari sinyal sinus dan segi empat

adalah seperti pada gambar berikut :

Gambar 15. Sinyal output rangkaian differensiator Op-amp

Sumber : George Clayton, Steve Winder. 2002. Operational Amplifiers. Jakarta. Penerbit : Erlangga.

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

http://it.scribd.com/doc/34597438/Makalah-OP-AMP

http://journal.mercubuana.ac.id/data/2_Op-amp.pdf

13