Pendahuluan Modul 1

MODUL 1

RANGKAIAN DASAR OP AMP

A. Tujuan

1. Membuktikan secara eksperimental bahwa penguatan op amp dapat diatur dan

dapat bernilai negatif

2. Mampu mengoprasikan op amp sebagai amplifier non inverting

3. Mampu mengoprasikan op amp sebagai amplifier inverting

4. Mampu mengoprasikan op amp sebagai diferensial amplifier

5. Menguji pengubah tegangan ke arus

6. Menguji pengubah arus ke tegangan

7. Mahasiswa dapat menguji/mengetes kondisi suatu komponen elektronika.

B. Teori Dasar

Operational amplifier (op-amp) dapat dikatakan sebagai penguat dengan multistage

yang mempunyai input diferensial. Op-amp dikemas dalam rangkaian integrasi (IC).

Ciri-ciri op-amp antara lain:

a. Memiliki dua input dengan satu output

b. Impedansi input tinggi

c. Impedansi output rendah

d. Penguatan open loop tinggi

e. Lebar pita frekuensi tidak terhingga

f. Dapat dikonfigurasi dengan umpan balik

g. Tegangan output nol bila kedua tegangan input sama

Pada kenyataan op-amp memiliki nilai batas tertentu, tergantung jenis metode

pembuatan op-amp tersebut

1

Pengertian Op Amp

Penguat operasional (Operational amplifier) atau yang biasa disebut op-amp

merupakan suatu komponen elektronika berupa sirkuit teritegrasi (integrated circuit

atau IC) yang terdiri atas bagian differential amplifier, common emitter amplifier dan

bagian push-pull amplifier. Bagian output op-amp ini biasanya dikendalikan dengan

umpan balik negatif (negative feedback) karena nilai gain-nya yang tinggi.

Keuntungan dari penggunaan op-amp adalah karena komponen ini memiliki

penguatan yang sangat besar, impedansi input yang besar, dan impedansi output yang

kecil. Selain dari itu, kemampuan interval frekuensi dari komponen ini sangat lebar.

Penggunaan dari op-amp meliputi amplifier atau penguat biasa (non-inverting

amplifier), inverting amplifier, computer analog (operasi jumlah, kurang, integrasi

dan diferensiasi), dll. Adapun jenis op amp yang sering digunakan adalah chip 741.

Penguat operasional adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat

dan konfigurasi penguat diferensial yang telah dijelaskan di atas. Penguat operasional

memiliki dua masukan dan satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang tinggi.

Untuk dapat bekerja dengan baik, penguat operasional memerlukan tegangan catu

simetris yaitu tegangan yang berharga positif (+V) dan tegangan yang berharha

negatif (-V) terhadap tanah (ground).

Berikut ini adalah symbol dari penguat operasional:

Gambar 1.1 Simbol Op Amp

Karakteristik Ideal Op Amp

Adapun karakteristik yang dimiliki oleh op amp ideal adalah sebagai berikut:

2

a. Penguatan tegangan lingkar terbuka (open loop voltage gain) Avol=−∞

b. Tegangan offset keluaran (output offset voltage) V Of =0

c. Hambatan masukan (input resistance) R I=∞

d. Hambatan keluaran (output resistance) RO=0

e. Lebar pita (bandwidth) BW=∞

f. Waktu tanggapan (respond time) ¿0

g. Karakteristik tidak berubah dengan suhu

Kondisi ideal tersebut hanya merupakan kondisi teoritis,yang tidak mungkin

dapatdicapai 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.

Rangkaian-rangkaian Dasar Op Amp

a. Rangkaian Inverting

Sebuah penguat inverting menggunakan umpan balik negatif untuk membalik dan

menguatkan sebuah tegangan. Resistor Rf melewatkan sebagian sinyal keluaran

kembali ke masukan. Karena keluaran tidak sefase sebesar 180°, maka nilai

keluaran tersebut secara efektif mengurangi besar masukan. Ini mengurangi bati

keseluruhan dari penguat dan disebut dengan umpan balik negatif.

Gambar 1.2 Inverting Op Amp

V out=−R f

R¿V ¿

b. Rangkaian Non-Inverting

Rangkaian non inverting ini hampir sama dengan rangkaian inverting hanya

perbedaannyaadalah terletak pada tegangan inputnya dari masukan noninverting.

Rumus penguatan non-inverting adalah sebagai berikut:

3

V o=(1+Rf

R¿)V 1

Dengan demikian, penguat non-pembalik memiliki bati minimum bernilai 1. Hasil

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

Gambar 1.3 Non-inverting Op Amp

c. Rangkaian Differential Amplifier

Differential Amplifier digunakan untuk mencari selisih dari dua tegangan yang

telah dikalikan dengan konstanta tertentu yang ditentukan oleh nilai resistansi,

yaitu sebesar Rf

R1 untuk R1=R2 dan R f=Rg. Penguat jenis ini berbeda dengan

diferensiator. Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut:

V out=( R f +R1 ) Rg

( Rg+R2 ) R1

V 2−R f

R1

V 1

Sedangkan untuk R1=R2 dan R f=Rg, maka;

V out=R f

R¿(V 2−V 1 )

Gambar 1.4 Differential Op Amp

d. Rangkaian Adder Amplifier

Rangkaian penjumlah atau rangkaian adder adalah rangkaian penjumlah yang

dasarrangkaiannya adalah rangkaian inverting amplifier dan hasil outputnya

adalah dikalikan denganpenguatan seperti pada rangkaian inverting.Adder

4

amplifier menjumlahkan beberapa tegangan masukan, dengan persamaan sebagai

berikut:

V out=−Rf (V 1

R1

+V 2

R2

+…+V n

Rn)

Saat R1=R2=…=Rn dan R f saling bebas maka:

V out=−Rf (V 1+V 2+…+V n )

Keluaran adalah terbalik. Impedansi masukan dari masukan ke-n adalah Zn=Rn.

Gambar 1.5 Adder Amplifier

e. Rangkaian Integrator

Penguat ini mengintegrasikan tegangan masukan terhadap waktu, dengan

persamaan:

V out=−1RC

∫0

t

V ¿dt+V o

dimana t adalah waktu dan V o adalah tegangan keluaran pada t=0. Sebuah

integrator dapat juga dipandang sebagai tapis pelewat-tinggi dan dapat digunakan

untuk rangkaian tapis aktif.

Gambar 1.6 Integrator

f. Rangkaian Differentiator

Mendiferensiasikan sinyal hasil pembalikan terhadap waktu dengan persamaan:

V out=−RCd V ¿

dt

5

di mana V ¿ dan V out adalah fungsi dari waktu. Rangkaian diferensiator adalah

rangkaian aplikasi dari rumusan matematika yang dapat dimainkan (dipengaruhi)

dari kerja kapasitor.

Gambar 1.7 Differentiator

C. Peralatan

1. Sumber tegangan ± 15 V

2. Osiloskop

3. Multimeter

4. Fungsi generator

5. Op amp 741

6. Resistor dengan bermacam harga

D. Prosedur Percobaan

1. Penguatan Op Amp Inverting

a. Menyusun rangkaian seperti pada Gambar 1.1 di bawah ini

Gambar 1.8

b. Membandingkan tegangan input dengan tegangan output

c. Memperbesar output pada generator fungsi

6

d. Mengukur dan catat pada lembar data, tegangan output dan input pada kondisi

ini

e. Menghitung penguatan tegangan dan bandingkan fasa tegangan input dan

output

f. Mematikan power op amp dang anti R1 dengan beberapa harga yang berbeda

kemudian mengulangi langkah 1 s/d 5

2. Penguatan Op Amp Non Inverting

a. Menyusun rangkaian seperti pada Gambar 1.2

Gambar 1.9

b. Melakukan langkah langkah seperti pada percobaan 1

3. Op Amp sebagai Penjumlah

c. Menyusun rangkaian seperti pada Gambar 1.3

Gambar 1.10

d. Menutup saklar S1 dan buka S2 lalu mencatat tegangan V1 dan Vout

e. Membuka saklar S1 dan tutup S2 lalu mencatat tegangan V1 dan Vout

f. Menutup saklar S1 dan S2 lalu mencatat tegangan Vout

7

g. Mematikan power ke op amp dan menukar polaritas V1 dan melakukan seperti

langkah 4

h. Merancang rangkaian penguat seperti pada gambar 1.3 agar menghasilkan

tegangan output sebesar -4,5V dengan tegangan input 1,5V

4. Differensial


Gambar 1.11

b. Memberikan V1=0,2 V dan V2=0,3 V

c. Mencatat Vout yang terukur

d. Mengubah Rf menjadi 50kΩ. mencatat Vout yang terukur

5. Pengubahan Tegangan ke Arus


Gambar 1.12

b. Mengatur variable resistor P1 sehingga didapat V3=1V

c. Mencatat arus output Iout

d. Mengubah variable resistor sehingga didapat Vin yang berbeda, ulangi

langkah 1 s/d 3

8

6. Pengubah Arus ke Tegangan


Gambar 1.13

b. Mengatur variable resistor P1 sehingga didapat arus input Iin=0,1mA

c. Mencatat tegangan output Vout

d. Mengubah variable resistor sehingga didapat Iin yang berbeda, ulangi langkah

1 s/d 3

E. Tugas Pendahuluan

1. Buat persamaan penguatan rangkaian 1.8, 1.9, 1.10!

a. Rangkaian inverting:

A=−R f

R¿

b. Rangkaian non-inverting:

A=R f

R¿+1

c. Adder amplifier:

A=R f

R¿

2. Apa yang dimaksud dengan umpan balik negatif?

Yang dimaksud dengan sistem umpan balik negatif adalah suatu sistem dimana

sinyal keluaran dari penguat dikembalikan lagi ke masukan penguat tersebut,

sehingga sinyal keluaran bergabung dengan sinyal masukan, dan sinyal keluaran

9

yang dikembalikan mempunyai fase yang berlawanan dengan sinyal masukan.

Adapun macam-macam umpan balik negatif :

a. Seri – Parallel (Voltage Controlled Voltage Source/VCVS)

adalah rangkaian umpan balik negatif yang mempunyai keluaran berupa

tegangan yang dikendalikan oleh masukan berupa tegangan. Tipe dari

penguat ini adalah penguat tegangan. Penguat ini idealnya mempunyai

impedansi masukan tak berhingga dan impedansi keluaran nol.

b. Parallel – Parallel (Current Controlled Voltage Source/ICVS)


tegangan yang dikendalikan oleh masukan berupa arus. Tipe dari penguat

ini adalah penguat transresistansi. Penguat ini idealnya mempunyai

impedansi masukan nol dan impedansi keluaran nol.

c. Seri – Seri (Voltage Controlled Current Source/VCIS)


arus yang dikendalikan oleh masukan berupa tegangan. Tipe dari penguat

ini adalah penguat transkonduktansi. Penguat ini idealnya mempunyai

impedansi masukan tak berhingga dan impedansi tak berhingga.

d. Parallel – Seri (Current Controlled Current Source/ICIS)


arus yang dikendalikan oleh masukan berupa arus. Tipe dari penguat ini

adalah penguat arus. Penguat ini idealnya mempunyai impedansi masukan

nol dan impedansi keluaran tak berhingga.

3. Apa kelebihan dan kekurangan rangkaian penguat op amp dibanding rangkaian

penguat transistor?

Kelebihan : memiliki impedansi input yang tinggi dan gain yang besar

Kekurangan : hanya dapat bekerja untuk arus yang kecil

4. Apa syarat utama sebuah rangkaian differensial amplifier dengan op amp?

Memiliki dua input dan memiliki nilai R f yang sama.

10

5. Buat skema pengukur dan tegangan yang jatuh di sebuah hambatan!

11

F. Data Hasil Percobaan

Berikut ini adalah data hasil percobaan yang telah praktikan peroleh

Percobaan 1

Percobaan 2

Percobaan 3

No S1 S2 Vout (volt) Gain

1 Tutup Buka 1,4 0,93

2 Buka Tutup 1,4 0,93

3 Tutup Tutup 2,8 1,87

12

(a)

Vin (Vp) Vout (Vp) A

1 0.8 0.8

2 1.78 0.89

3 2.7 0.9

4 3.54 0.885

5 4.6 0.92

(b)


1 1.56 1.56

2 3.8 1.9

3 6 2

4 7.8 1.95

5 9.8 1.96

(a)


1 1.8 1.8

2 3.6 1.8

3 5.8 1.93

(b)


1 2.8 2.8

2 5.76 2.88

3 8.46 2.82

G. Tugas Akhir

1. Dapatkah kita menghasilkan tegangan output yang melebihi Vcc op-amp dari

sebuah tegangan input yang cukup kecil?

Kita tidak dapat menghasilkan tegangan output yang lebih besar dari tegangan

output karena adanya tegangan jatuh sehingga nilai MPP dari penguat op-amp

tidak dapat dicapai.

2. Cocokkah penguatan yang dihitung dengan teori disbanding dengan kenyataan?

Umumya, untuk besar penguatan yang kecil memiliki kecocokan dengan teori

tetapi ketika untuk besar penguatan yang cukup besar tidak didapatkan kecocokan

dengan teori. Dalam percobaan ini nilai penguatan hampir semuanya mendekati

perhitungan teori.

3. Apa saja yang mempengaruhi kecocokan perhitungan penguatan dari teori dengan

kenyataan di rangkaian?\

Kecocokan perhitungan penguatan dari teori dengan kenyataan di rangkaian

dipengaruhi oleh:

a. Power supply yang diberikan

b. Besar nilai resistor yang diberikan

c. Frekuensi input yang diberikan

H. Analisis

Percobaan elektronika ini memiliki beberapa tujuan, antara lain membuktikan

secara eksperimental bahwa penguatan op amp dapat diatur dan dapat bernilai negatif;

mampu mengoprasikan op-amp sebagai amplifier non inverting; mampu

mengoprasikan op-amp sebagai amplifier inverting; mampu mengoprasikan op amp

sebagai diferensial amplifier; menguji pengubah tegangan ke arus; menguji pengubah

arus ke tegangan; dapat menguji/mengetes kondisi suatu komponen elektronika.

Percobaan ini dibagi menjadi enam bagian, yakni percobaan prnguatan op-amp

inverting (Percobaan 1); percobaan penguatan op-amp non inverting (Percobaan 2);

percobaan op-amp sebagai penjumlah (Percobaan 3); percobaan diferensial

(Percobaan 4); percobaan pengubah tegangan ke arus (Percobaan 5); dan percobaan

pengubah arus ke tegangan (Percobaan 6). Untuk melakukan percobaan ini, praktikan

diharuskan untuk menysun enam buah rangkaian yang berbeda untuk masing-masing

percobaan, yang telah diilustrasikan sebelumnya.

13

Setiap akan melakukan percobaan, (sesuai dengan petunjuk) praktikan

diharuskan untuk menguji komponen yang akan digunakan terlebih dahulu dengan

menggunakan ohmmeter, voltmeter dan amperemeter yang semuanya terdapat pada

multimeter. Rangkaian yang digunakan pada percobaan pertama merupakan sebuah

rangkaian inverting amplifier sederhana yang tersusun atas sebuah op-amp 741 dan

dua buah resistor. Adapun yang divariasikan dalam percobaan ini adalah nilai dari Rf.

Pertama-tama nilai yang digunakan adalah nilai 10kΩ, kemudian 5kΩ. Variasi ini

dilakukan agar didapatkan nilai A (penguatan) yang bervariasi pula. Adapun sumber

tegangan AC yang digunakan sebesar ±15 volt.

Setelah dilakukan percobaan dan dihitung secara teoritis, ternyata hasil yangh

diperoleh dari percobaan tidak sama persis, namun hasilnya mendekati. Penguatan

yang terjadi semestinya bernilai 1 dan 2 untuk diode bersifat ideal. Namun karena ini

merupakan hasil praktikum dimana tidak mungkin ada alat yang bersifat ideal, maka

hasil yang didapat praktikan masih berkisar diantara dua nilai tersebut.

Percobaan kedua yang dilakukan praktikan adalah percobaan penguatan op-amp

non inverting. Rangkaian komponen yang digunakan pada percobaan kedua ini sama

sederhananya dengan rangkaian pertama. Perbedaan antara kedua rangkaian tersebut

hanya terletak pada penempatan Vin. Sama dengan percobaan sebelumnya, resistor

yang digunakan adalah resistor bernilai 10kΩ dan 5 kΩ. Pada percobaan ini praktikan

juga diminta untuk mencari nilai penguatan pada rangkaian non-inverting. Adapun

hasil yang diperoleh dari percobaan ini sudah mendekati perhitungan secara teoritis.

Percobaan ketiga yakni mengenai op-amp sebagai penjumlah. Pada input

masukan inverting op-amp diberikan tegangan masukan dan input non inverting

dihubungkan dengan ground. Percobaan ini menggunakan 2 sumber yaitu v1 dan v2

yang masing-masing dihubungkan seri dengan hambatan yang bedarnya sama. Kedua

sumber dirangkai parallel yang kemudian terhubung dengan input masukan invering

op-amp dan hambatan Rf. Besar penguatan yang dihasilkan merupakan penjumlahan

masing-masing penguatan dari sinyal masukan. Karena sinyal masukan diberikan

pada input inverting sehingga fase dari sinyal keluaran akan berlawanan dengan sinyal

masukan. Pada percobaan ini nilai V1 dan V2 yang kami gunakan memiliki besar

yang sama karena keterbatasan alat. Nilai V1 dan V2 yang kami gunakan sebesar 3.5

volt. Saat IC di beri tegangan sumber, hasil yang kami dapatkan sesuai dengan teori

yang ada yaitu berupa penjumlahan namun saat tegangan sumber dimatikan tegangan

14

output yang dihasilkan tidak sesuai. Dalam hal ini besar tegangan yang output yang

dihasilkan bernilai 1 volt. Pada percobaan ini variasi yang digunakan adalah dengan

membuka dan menutup saklar 1 dan saklar 2.

Untuk percobaan-percobaan selanjutnya, praktikan tidak dapat

melaksanakannya karena waktu yang disediakan sangatlah terbatas.

I. Kesimpulan

Dari percobaan yang telah dilakukan, dapat ditarik beberapa kesimpulan antara lain:

1. Penguatan op-amp dapat diatur dengan menambahkan komponen lain yakni

resistor.

2. Sinyal output akan memiliki beda fase sebesar 180o dengan sinyal input apabila

input inverting diberi sinyal dan input non inverting di-ground-kan.

3. Sinyal output akan memiliki fase yang sama dengan sinyal input apabila input non

inverting diberi sinyal dan input inverting di-ground-kan.

4. Hal yang paling berpengaruh pada penguatan op-amp adalah perbandingan nilai

resistor pada rangkaian.

5. Op-amp dapat berfungsi sebagai adder atau penjumlah.

J. Referensi

Boyslestad, Robert & Louis Nashelky. Electronic Devices and Circuit Theory 7 th

Edition, New Jersey: Prentince Hall Publishing Company.

15

LAMPIRAN

16

Pendahuluan Modul 1

Documents

Transcript of Pendahuluan Modul 1