227

OPERATIONAL AMPLIFIER

(OP-AMP)

11.1 Pendahuluan

(a)(b)

(c)

Gambar 11.1. Berbagai macam penguat operasional (operational amplifier).

Pada dasarnya penguat operasional (operational amplifier) atau yang disebut

juga dengan op-amp seperti yang terlihat pada gambar 11.1 di atas ini merupakan

sebuah komponen elektronika yang dikemas secara terpadu (integrated circuit),

tentu hal tersebut berbeda dengan sebuah transistor maupun dioda yang dikemas

secara individu (diskrit). Penguat operasional (operational amplifier) tersebut

tersusun dari beberapa transistor hingga membentuk sebuah rangkaian fungsional.

Pada prinsipnya penguat-penguat operasional (operational amplifier)

digunakan untuk melakukan operasi-operasi aritmatika seperti penambahan

(adding), pengurangan (substraction), integarasi (integration) dan diferensiasi

(differentiation) saat awal ditemukannya. Pada saat awal ditemukannya tersebut,

penguat-penguat operasional (operational amplifier) tersusun atas tabung-tabung

hampa (vacuum tube) yang bekerja dengan tegangan tinggi, namun saat ini

penguat operasional merupakan rangkaian terpadu linear (linear integrated

circuit) yang menggunakan tegangan dc (direct current).

Pada dasarnya penguat-penguat operasional (operational amplifier)

merupakan pengembangan dari penguat-penguat differensial yang digunakan

untuk membandingkan 2 (dua) buah sinyal masukan (input). Hasil pengembangan

228

tersebut memungkinkan sebuah penguat operasional memiliki impedansi masukan

(input impedance) yang tinggi, arus masukan (input current) yang rendah dan

impedansi keluaran (output impedance) yang rendah.

11.1.1 Simbol

Gambar 11.2. simbol penguat

operasional (operational amplifier).

Pada umumnya penguat

operasional (operational amplifier)

disimbolkan seperti yang terlihat pada

gambar 11.2 di samping ini.

11.1.2 Konstruksi

Pada prinsipnya sebuah penguat operasional (operational amplifier) tersusun

atas 3 (tiga) jenis rangkaian penguat (amplifier circuit), yaitu seperti yang terlihat

pada gambar 11.3 di bawah ini:

1. Penguat diferensial (differential amplifier).

2. Penguat tegangan (voltage amplifier).

3. Penguat neraca (push-pull amplifier).

Gambar 11.3. Struktur dasar sebuah penguat operasional (operational amplifier).

Pada dasarnya penguat diferensial (differential amplifier) yang terdapat pada

sebuah penguat operasional merupakan tingkat masukan (input stage) bagi

penguat operasional tersebut. Penguat diferensial pada penguat operasional

tersebut akan memberikan penguatan pada perbedaan tegangan di antara 2 (dua)

masukan penguat operasional. Keluaran dari penguat diferensial tersebut akan

229

menjadi masukan bagi penguat tegangan (voltage amplifier) untuk mendapatkan

penguatan tambahan (additional gain) yang akhirnya akan dikeluarkan oleh

penguat neraca kelas B (push-pull amplifier) sebagai keluaran dari penguat

operasional. Penguat tegangan (voltage amplifier) tersebut dapat berjumlah lebih

dari 1 (satu) tingkat penguat tegangan (voltage amplifier stage) pada beberapa

penguat operasional. Penguat diferensial, begitu namanya disebut karena

kemampuannya yang dapat menguatkan perbedaan dari 2 (dua) sinyal masukan

(input signal) yang diberikan kepadanya dan bila tidak terdapat perbedaan di

antara kedua sinyal tersebut maka keluaran dari penguat diferensial tersebut akan

bernilai 0 (nol).

Pada prinsipnya penguat diferensial (differential amplifier) memiliki 3 (tiga)

cara pengoperasian berdasarkan jenis sinyal-sinyal masukannya, yaitu:

1. Pengoperasian meruncing (single-ended).

2. Pengoperasian diferensial (differential).

3. Pengoperasian bersama (common).

(a) (b)

Gambar 11.4. (a). Rangkaian dasar penguat diferensial (differential amplifier).

(b). Simbol penguat diferensial.

Pada prinsipnya penguat diferensial (differential amplifier) seperti yang

terlihat pada gambar 11.4 di atas ini tersusun dari transistor-transistor ( 1Q dan

230

2Q ) dan resistor-resistor kolektor ( 1CR dan 2CR ) yang dihubungkan secara hati-

hati hingga memiliki karakteristik-karakteristik yang sama. Transistor-transistor

pada penguat diferensial tersebut, yaitu 1Q dan 2Q , secara bersama-sama

menggunakan sebuah tahanan emiter (single emitter resistor) yang disimbolkan

dengan ER . Pada saat kedua basis pada transistor-transistor tersebut ( 1Q dan 2Q )

dihubungkan ke ground, maka tegangan emiter pada kedua transistor tersebut ( 1Q

dan 2Q ) akan bernilai volt7,0 , hal tersebut terjadi akibat tegangan yang

melintasi kedua persambungan basis-emiter (base-emitter junction) adalah sama.

Tegangan emiter yang sama pada 1Q dan 2Q tersebut menyebabkan nilai arus

pada kedua transistor ( 1Q dan 2Q ) adalah sama ( 1EI = 2EI ) dan nilai arus emiter

pada kedua transistor bernilai setengah dari arus yang melewati ER karena ER

digunakan secara bersama-sama oleh kedua trasnsistor. Pada saat kondisi tersebut,

nilai arus pada kedua kolektor dari transistor-transistor tersebut ( 1Q dan 2Q )

adalah sama dan nilainya mendekati nilai arus emiter sehingga menyebabkan

tidak adanya perbedaan (zero difference) di antara tegangan masukan (kedua basis

bernilai 0).

Pada skenario selanjutnya basis pada 1Q dilepaskan dari ground dan

kemudian dihubungkan ke sebuah tegangan positif yang kecil, maka 1Q akan

menghantarkan lebih banyak arus listrik. Kondisi 1Q yang menghantarkan lebih

banyak arus listrik tersebut disebabkan oleh tegangan emiter yang sedikit

meningkat, namun peningkatan tegangan emiter yang sedikit tersebut tidak

menyebabkan kenaikan yang signifikan pada arus total yang melewati tahanan

emiter ( ER ). Pada saat kondisi tersebut, nilai arus emiter pada 1Q ( 1EI ) lebih

besar dari arus emiter pada 2Q ( 2EI ). Nilai arus emiter yang lebih besar pada 1Q

tersebut menyebabkan tegangan kolektor pada 1Q menurun dan tegangan kolektor

pada 2Q meningkat. Menurun dan meningkatnya tegangan pada kedua transistor

tersebut ( 1Q dan 2Q ) menyebabkan terjadinya perbedaan pada tegangan masukan

(input voltage), yaitu bernilai volt0 dan sedikit bernilai positif untuk yang

231

lainnya.

Pada skenario lainnya basis pada 1Q ditempatkan kembali ke ground dan

basis pada 2Q dihubungkan dengan tegangan positif yang kecil. 2Q yang telah

dihubungkan dengan tegangan positif yang kecil tersebut akan menyebabkan 2Q

akan menghantarkan sedikit arus listrik. Kondisi 2Q yang menghantarkan sedikit

arus listrik tersebut menyebabkan nilai tegangan kolektor pada 1Q akan

meningkat dan nilai tegangan kolektor pada 2Q menurun.

Pada dasarnya sebuah penguat operasional (operational amplifier) memiliki

3 (tiga) karakteristik utama, yaitu:

1. Sebuah penguat operasional (operational amplifier) memiliki sebuah

penguatan tegangan terbuka yang sangat tinggi (high open-loop voltage

gain) yang disimbolkan dengan oA . Nilai penguatan tegangan terbuka

tersebut umumnya berkisar 510 untuk tegangan dc (direct current) dan

tegangan ac (alternating current) berfrekuensi rendah, namun nilai tersebut

akan menurun sesuai dengan peningkatan frekuensi.

2. Sebuah penguat operasional (operational amplifier) memiliki impedansi

masukan yang tinggi (high input impedance). Nilai impedansi masukan

tersebut berkisar antara 610 hingga 1210 .

3. Sebuah penguat operasional (operational amplifier) memiliki impedansi

keluaran yang rendah (very low output impedance). Nilai impedansi

keluaran tersebut berkisar 100 . Nilai impedansi keluaran yang tinggi

tersebut menyebabkan penguat operasional dapat memindahkan tegangan

keluaran (output voltage) secara efisien kepada rangkaian beban yang lebih

besar beberapa kilo Ohm dari penguat operasional.

11.2 Rangkaian Dasar Op-Amp

Pada prinsipnya terdapat 2 (dua) rangkaian dasar dari penguat operasional

yang sebaiknya diketahui, yaitu:

1. Rangkaian penguat membalik (inverting op-amp).

232

2. Rangkaian penguat tak membalik (non-inverting op-amp).

11.2.1 Penguat Membalik (Inverting Op-Amp)

Perhatikan rangkaian penguat operasional (operational amplifier) yang

dihubungkan sebagai penguat membalik (inverting amplifier) pada gambar 11.5 di

bawah ini. Pada rangkaian penguat membalik tersebut sinyal masukan diberikan

melalui sebuah resistor masukan iR yang dihubungkan secara seri terhadap

masukan membalik (inverting input) yang disimbolkan dengan . Sinyal

keluaran penguat operasional pada rangkaian penguat membalik (inverting

amplifier) tersebut diumpan-balikan (feedback) melalui fR ke masukan yang

sama. Pada rangkaian penguat membalik tersebut masukan non-pembalik (non-

inverting input) dihubungkan ke ground.

Gambar 11.5. Rangkaian penguat

membalik (inverting amplifier).

Pada prinsipnya sebuah penguat

operasional (operational amplifier)

ideal memiliki impedansi masukan

yang sangat besar hingga dinyatakan

sebagai impedansi masukan tak-

terhingga (infinite input impedance).

Kondisi penguat operasional yang memiliki impedansi masukan tak-terhingga

tersebut menyebabkan tidak adanya arus yang melewati masukan membalik

(inverting input) pada penguat operasional. Keadaan tak berarus pada masukan

membalik tersebut membuat tegangan jatuh di antara masukan membalik dan

masukan tak-membalik bernilai volt0 . Kondisi tersebut menunjukan bahwa

tegangan pada masukan membalik adalah bernilai volt0 karena kondisi masukan

tak membalik (non-inverting inputs) yang dihubungkan ke ground. Kondisi

masukan membalik (inverting input) yang memiliki tegangan volt0 tersebut

dinyatakan sebagai ground semu (virtual ground) seperti yang terlihat pada

233

gambar 11.6 dan 11.7 di bawah ini, pada masukan membalik tidak terdapat arus

sehingga arus yang melalui idR dan fR adalah sama fin II .

Gambar 11.6. Ground semu (virtual

ground) pada penguat membalik

(inverting amplifier).

Gambar 11.7. Aliran arus pada penguat

membalik (inverting amplifier).

Pada kondisi tersebut tegangan yang melintasi iR adalah sama dengan inV .

Samanya tegangan yang melintasi iR terhadap inV tersebut disebabkan oleh

terhubungnya resistor ke ground semu (virtual ground) pada masukan membalik

(inverting input) penguat operasional. Hal tersebut dapat ditulis secara matematis

menjadi:

in

inin R

VI

Sedangkan nilai fI juga dipengaruhi oleh ground semu (virtual ground),

yaitu:

f

outf R

VI

Namun karena fI adalah sama dengan inI inf II maka persamaan di

atas dapat disubstitusikan menjadi:

i

in

f

out

R

V

R

V

234

i

f

in

out

R

R

V

V

Perbandingan antara outV dan inV tersebut merupakan penguatan keseluruhan

dari penguat membalik (inverting amplifier) dan dapat ditulis secara matematis

menjadi:

i

fcl R

RA

Persamaan di atas menunjukan bahwa penguatan tegangan tertutup (closed-

loop voltage gain) dari penguat membalik merupakan perbandingan antara

tahanan umpan-balik (feedback resistance, fR ) terhadap tahanan masukan (input

resistance, iR ).

11.2.2 Penguat Tak Membalik (Non-Inverting Op-Amp)

Gambar 11.8. Rangkaian penguat tak

membalik (non-inverting amplifier).

Perhatikan rangkaian penguat

operasional (operational amplifier)

yang dihubungkan sebagai sebuah

penguat tak-membalik (non-inverting

amplifier) pada gambar 11.8 di samping

ini.

Pada rangkaian penguat tak-membalik (non-inverting amplifier) tersebut

sinyal masukan diberikan ke masukan tak-membalik (non-inverting input)

kemudian keluarannya diberikan kembali ke masukan membalik (inverting input)

melalui rangkaian umpan balik (feedback circuit) yang terbentuk oleh resistor

masukan iR dan resistor umpan-balik fR . Resistor masukan iR dan resistor

umpan-balik fR tersebut membentuk sebuah rangkaian pembagi tegangan

(voltage divider) yang mengurangi tegangan keluaran outV dan menghubungkan

tegangan keluaran yang telah berkurang tersebut ke masukan membalik (inverting

235

input). Tegangan keluaran outV yang dihubungkan ke masukan membalik

tersebut dinyatakan sebagai tegangan umpan-balik (feedback voltage) dan dapat

ditulis secara matematis menjadi:

outfin

inf V

RR

RV

Pada prinsipnya yang menjadi masukan diferensial bagi penguat operasional

pada hubungan ini adalah perbedaan antara tegangan masukan inV dan tegangan

umpan-balik fV seperti yang terlihat pada gambar 11.9 di bawah ini.

Gambar 11.9. Tegangan diferensial

pada penguat tak-membalik (non-

inverting amplifier).

Tegangan diferensial (differential

voltage) tersebut dikuatkan oleh

penguatan tegangan terbuka (open-loop

voltage gain) dari penguat operasional

tersebut dan disimbolkan dengan olA .

Tegangan yang telah dikuatkan tersebut

merupakan tegangan keluaran (output

voltage) yang ditulis secara matematis

sebagai berikut:

finolout VVAV

Pada dasarnya pada hubungan ini terjadi suatu pelemahan dari rangkaian

umpan-balik yang dapat ditulis secara matematis sebagai berikut:

fin

in

RR

RB

Kemudian substitusikan outBV dan fV pada persamaan outV tersebut

sehingga menjadi:

outinolout BVVAV

outolinolout BVAVAV

inoloutolout VABVAV

inololout VABAV 1

236

Dari persamaan tersebut dapat diketahui besarnya penguatan tegangan

keseluruhan (overall voltage gain) dari rangkaian yaitu perbandingan antara

tegangan keluaran outV dan tegangan masukan inV yang dapat ditulis secara

matematis menjadi:

BA

A

V

V

ol

ol

in

out

1

Pada umumnya nilai BAol memiliki nilai yang lebih besar daripada 1 (satu)

sehingga persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:

BBA

A

V

V

ol

ol

in

out 1

Kemudian substitusikan nilai pelemahan dari rangkaian umpan-balik ke

dalam persamaan di atas sehingga menjadi:

in

fin

in

outinvertingnonol R

RR

BV

VA

1

Oleh karena itu,

in

finvertingnonol R

RA 1

11.3 Aplikasi Op-Amp

Pada prinsipnya penguat operasional (operational amplifier) banyak

digunakan pada aplikasi-aplikasi yang membutuhkan kemampuan untuk

melakukan penguatan sinyal (amplifying), integrasi (integration), diferensiasi

(differentiation) dan kemampuan penguat operasional lainnya. Berikut ini adalah

beberapa aplikasi dari penguat operasional.

11.3.1 Rangkaian Pengintegrasi (Integrator)

Perhatikan gambar 11.10 di bawah ini. Gambar tersebut merupakan sebuah

rangkaian pengintegrasi (integrator). Pada rangkaian pengintegrasi tersebut

memiliki sebuah elemen umpan-balik (feedback element) yaitu sebuah kapasitor

yang membentuk sebuah rangkaian RC dengan resistor masukan (input resistor),

237

Gambar 11.10. Rangkaian

pengintegrasi (integrator).

namun pada umumnya sebagian

besar resistor digunakan secara paralel

dengan kapasitor untuk membatasi

penguatan (gain).

Pada prinsipnya cara kerja rangkaian pengintegrasi (integrator) dapat

diketahui dengan baik bila kita memahami cara kerja sebuah kapasitor mengisi

muatan (charges). Sebuah kapasitor memiliki muatan Q yang besarnya

proporsional terhadap arus muatan (charging current, CI ) dan waktu t . Secara

matematis hubungan tersebut dapat dinyatakan sebagai:

tIQ C

Sedangkan berdasarkan tegangan, hubungan tersebut menjadi:

CCVQ

Dari kedua hubungan tersebut dapat diperoleh nilai tegangan kapasitor

berdasarkan hubungan antara arus kapasitor CI , nilai kapasitor C dan waktu

t , yaitu:

tC

IV C

C

Perhatikan persamaan tersebut. Hubungan pada persamaan tersebut

membentuk sebuah persamaan untuk sebuah garis lurus (straight line), yaitu

sebuah garis lurus yang bermula pada titik nol dengan nilai kemiringan yang tetap

(constant slope) berdasarkan nilai CIC . Hubungan tersebut dapat disesuaikan

dengan sebuah persamaan garis lurus yaitu bmxy , di mana CVy ,

CIm C , tx dan 0b .

238

Pada prinsipnya nilai tegangan pada suatu kapasitor tidak bersifat linear

tetapi bersifat eksponensial. Sifat eksponensial tersebut disebabkan karena arus

muatan (charging current) secara berkelanjutan menurun sesuai pada saat

kapasitor tersebut mengisi (charges) dan hal tersebut menyebabkan nilai muatan

(rate of change) dari tegangan menurun secara berkelanjutan. Pada rangkaian

pengintegrasi (integrator), rangkaian RC dan penguat operasional tersebut

membuat muatan kapasitor menjadi konstan. Nilai muatan yang konstan tersebut

menghasilkan sebuah tegangan yang linear, tentu sangat berbeda dengan muatan

pada kapasitor yang sebenarnya merupakan tegangan yang bersifat eksponensial.

Perhatikan gambar 11.11 di bawah ini.

Gambar 11.11. Aliran arus pada

rangkaian pengintegrasi (integrator).

Pada gambar tersebut terlihat

bahwa masukan membalik (inverting

input) pada penguat operasional

merupakan sebuah ground semu

(virtual ground). Masukan membalik

yang menjadi ground semu tersebut

menyebabkan nilai tegangan yang

melintasi inR adalah sama dengan nilai

inV . Hubungan tersebut menghasilkan

sebuah persamaan untuk arus masukan

(input current), yaitu:

i

inin R

VI

Nilai inI tersebut selalu bernilai konstan bila nilai inV juga konstan dan

masukan membalik (inverting input) selalu berkondisi ground semu (virtual

ground). Nilai inI dan inV yang konstan tersebut akan menjaga nilai tegangan

yang melintasi iR bernilai konstan.

239

Gambar 11.12. Arus mengalir ke inR

dan C .

Pada prinsipnya di dalam

konfigurasi tersebut nilai impedansi

masukan penguat operasional adalah

bernilai sangat tinggi sehingga

menyebabkan arus yang mengalir pada

masukan membalik tersebut sangat

kecil bahkan dapat diabaikan. Nilai arus

yang kecil pada masukan membalik

(inverting input) tersebut menyebabkan

semua arus masukan melewati

kapasitor seperti yang terlihat pada

gambar 11.12 di samping ini dan secara

matematis ditulis menjadi

inC II

Pada prinsipnya seperti yang sudah dijelaskan bahwa nilai inI adalah konstan

maka nilai CI juga bernilai konstan. Nilai CI yang konstan tersebut akan mengisi

kapasitor secara linear sehingga menghasilkan sebuah tegangan lurus yang

melintasi C . Polaritas positif pada kapasitor tersebut ditetapkan pada volt0

oleh ground semu (virtual ground) penguat operasional, sedangkan pada polaritas

negatif kapasitor yaitu tegangan keluaran (output voltage) dari penguat

operasional tersebut secara linear akan menurun dari titik nol seperti saat kapasitor

mengisi dan dapat dilihat pada gambar 11.13 di bawah ini. Tegangan keluaran

tersebut merupakan sebuah tegangan yang memiliki kemiringan negatif (negative

ramp) yang diakibatkan oleh masukan positif yang konstan (constant positive

input).

240

Gambar 11.13. Tegangan keluaran (output voltage) pada rangkaian pengintegrasi

(integrator) bila tegangan masukannya (input voltage) berupa tegangan persegi

yang konstan.

Pada prinsipnya bila sebuah tegangan masukan positif (positive input

voltage) yang berbentuk anak tangga atau pulsa (step or pulse) diberikan pada

rangkaian pengintegrasi (integrator) tersebut, maka rangkaian pengintegrasi akan

mengeluarkan sebuah tegangan dengan kemiringan pada tegangan tersebut yang

menurun hingga penguat operasional menjadi jenuh (saturation) pada tingkat

negatif maksimumnya seperti yang terlihat pada gambar 11.14 di bawah ini.

Kemiringan pada tegangan keluaran tersebut diatur oleh hubungan CIC ,

namun karenain

inC R

VI maka tingkat muatan atau kemiringan tegangan

keluaran pengintegrasi adalah tVout

. Secara matematis hubungan tersebut

dapat ditulis menjadi:

CR

V

t

V

in

inout

Pada umumnya rangkaian pengintegrasi (integrator) secara khusus berguna

pada osilator-osilator gelombang segitiga (triangular-wave oscillator) seperti

terlihat pada gambar 11.14 di bawah ini.

241

Gambar 11.14. Persamaan antara tegangan masukan (input voltage) dan tegangan

keluaran (output voltage) pada rangkaian pengintegrasi (integrator).

11.3.2 Rangkaian Diferensiator (Differentiator)

Gambar 11.15. Rangkaian diferensiator

(differentiator).

Perhatikan gambar 11.15 di

samping ini. Gambar tersebut

merupakan sebuah rangkaian

diferensiator (differentiator). Pada

rangkaian diferensiator tersebut terlihat

bahwa penempatan kapasitor dan

resistor adalah berbeda dari rangkaian

pengintegrasi (integrator). Pada

konfigurasi tersebut kapasitor menjadi

elemen masukan (input element),

sedangkan resistor menjadi

komponen umpan-balik (feedback element). Rangkaian diferensiator tersebut akan

menghasilkan sebuah keluaran (output) yang berbanding lurus (proportional)

terhadap tingkat muatan tegangan masukan (input voltage).

Perhatikan gambar 11.16 dan 11.17 di bawah ini. Pada gambar tersebut

terlihat sebuah tegangan gergaji positif (positive sawtooth) menjadi masukan bagi

rangkaian diferensiator. Pada hubungan tersebut semua arus masukan inI akan

menjadi arus kapasitor CI sehingga inC II , sedangkan tegangan yang

melintasi kapasitor CV tersebut adalah sama besarnya dengan tegangan masukan

inV sehingga inC VV , hal tersebut disebabkan oleh masukan membalik

242

(inverting input) yang telah menjadi ground semu (virtual ground). Hubungan

tersebut dapat ditulis secara matematis menjadi:

tC

IV C

C

Ct

VI C

C

Gambar 11.16. Aliran arus pada

sebuah rangkaian diferensiator

(differentiator).

Pada prinsipnya arus pada

masukan membalik (inverting input)

adalah sangat kecil sehingga dapat

diabaikan, dengan begitu hampir

seluruh arus kapasitor CI mengalir

pada resistor RI sehingga CR II .

Arus pada kapasitor dan resistor

tersebut adalah bernilai konstan karena

kemiringan tegangan kapasitor

(capacitor voltage) yang konstan. Arus

yang konstan tersebut

Gambar 11.17. Sebuah rangkaian diferensiator (differentiator) dengan masukan

berupa tegangan gergaji (sawtooth voltage).

menghasilkan tegangan keluaran yang konstan dan nilai tegangan keluaran adalah

243

sama nilainya terhadap tegangan yang melintasi fR . Secara matematis hubungan

tersebut dapat ditulis menjadi:

fCfRout RIRIV

CRt

VV f

Cout

Pada prinsipnya tegangan keluaran tersebut akan bernilai negatif ketika

masukannya berupa tegangan gergaji positif (positive sawtooth) dan akan bernilai

positif ketika masukannya berupa tegangan gergaji negatif (negative sawtooth)

seperti yang terlihat pada gambar 11.18 di bawah ini. Saat kemiringan positif

terjadi pada masukan maka kapasitor berkondisi mengisi (charging) dari sumber

masukan dan saat itu juga sebuah arus konstan akan melalui resistor umpan-balik

(feedback resistor). Saat kemiringan negatif terjadi pada masukan maka arus

mengalir dengan arah yang berlawanan karena kapasitor berkondisi melepaskan

muatan (discharging). Nilai kemiringan pada masukan tersebut ditentukan oleh

hubungan tVC , bila kemiringan tersebut meningkat maka nilai outV juga akan

meningkat dan bila kemiringan menurun nilai outV juga akan menurun.

Gambar 11.18. Bentuk gelombang masukan (input) dan keluaran (output) pada

sebuah rangkaian diferensiator (differentiator).

244

11.3.3 Pembanding (Comparator)

Pada dasarnya penguat operasional (operational amplifier) umum digunakan

sebagai komparator untuk membandingkan (compare) amplitudo suatu tegangan

dengan amplitudo tegangan lainnya. Pada rangkaian komparator tersebut penguat

operasional digunakan pada konfigurasi terbuka (open-loop configuration) dengan

tegangan masukan (input voltage) pada satu terminal masukan dan sebuah

tegangan referensi (reference voltage) pada terminal masukan lainnya.

Pada prinsipnya sebuah rangkaian komparator merupakan sebuah contoh dari

rangkaian penguat operasional (operational amplifier) yang membandingkan 2

(dua) tegangan masukan serta menghasilkan sebuah keluaran dari salah satu

keadaan, yaitu lebih besar (greater) atau lebih kecil (less) terhadap hubungan dari

masukan-masukan tersebut.

Gambar 11.19. Rangkaian pendeteksi

tingkat nol (zero-level detector).

Perhatikan gambar rangkaian pada

gambar 11.19 di samping ini. Gambar

rangkaian tersebut merupakan sebuah

pendeteksi tingkat nol (zero-level

detector), yaitu suatu aplikasi rangkaian

yang mengimplementasikan sebuah

penguat operasional (operational

amplifier) sebagai sebuah komparator

untuk menentukan ketika sebuah tegan-

gan masukan melebihi sebuah tingkat tertentu (certain level). Pada rangkaian

pendeteksi tingkat nol (zero-level detector) tersebut masukan membalik (-)

dihubungkan ke ground untuk menghasilkan sebuah tingkat nol dan tegangan

sinyal masukan (voltage signal input) dihubungkan ke masukan tak-membalik (+).

Pada hubungan tersebut sebuah perbedaan yang sangat kecil di antara 2 (dua)

masukan akan menyebabkan tegangan keluaran (output voltage) bergerak menuju

batasnya, hal tersebut disebabkan oleh tingginya nilai penguatan tegangan terbuka

(open-loop voltage gain). Sebuah penguat operasional yang memiliki penguatan

tegangan terbuka sebesar 100.000 000.100olA akan menyebabkan sebuah

245

perbedaan tegangan sebesar mV35,0 di antara masukan-masukan tersebut

menghasilkan sebuah tegangan keluaran (output voltage) sebesar

VoltmV 35000.10035,0 sehingga menyebabkan penguat operasional

berkondisi jenuh (saturation).

Perhatikan gambar 11.20 di bawah ini. Gambar tersebut menunjukan hasil

dari tegangan masukan (input voltage) sinusoidal yang diberikan ke masukan tak-

membalik (non-inverting input, +) dari pendeteksi tingkat nol (zero-level

detector). Pada pendeteksi tingkat nol tersebut terlihat bahwa ketika gelombang

sinus bernilai positif keluarannya adalah tingkat positif maksimumnya, sedangkan

ketika gelombang sinus bergerak ke titik 0 maka penguat dikendalikan ke keadaan

yang terbalik dan keluaran mejadi tingkat negatif maksimumnya. Rangkaian

pendeteksi tingkat nol tersebut dapat digunakan sebagai sebuah rangkaian kwadrat

untuk menghasilkan gelombang persegi (square wave) dari sebuah gelombang

sinus (sine wave).

Gambar 11.20. Tegangan keluaran pada

pendeteksi tingkat nol (zero-level

detector).

Pada prinsipnya rangkaian

pendeteksi tingkat nol dapat

dikonfigurasikan untuk mendeteksi

tegangan positif dan tegangan negatif.

Konfigurasi tersebut dilakukan dengan

menghubungkan sebuah sumber

tegangan referensi tetap (fixed

reference voltage source) ke masukan

membalik (inverting input, -) seperti

yang terlihat pada gambar 11.21 di

bawah ini. Tegangan referensi pada

konfigurasi tersebut dapat dikendalikan

dengan menggunakan sebuah pembagi

tegangan (divider voltage) dan dapat

dinyatakan secara matematis menjadi:

246

V21

2

RR

RVREF

Gambar 11.21. Rangkaian pendeteksi

tegangan positif dan negatif (negative

and positive detector).

Pada persamaan di atas V

merupakan tegangan catu daya (supply

voltage) dc pada penguat operasional.

Pada konfigurasi tersebut juga

digunakan sebuah dioda zener yang

berfungsi untuk mengatur tegangan

referensi ZRED VV . Dioda zener pada

rangkaian tersebut akan menghasilkan

keluaran pada tingkat negatif

maksimum bila tegangan masukan

inV lebih rendah daripada tegangan

referensi REFin VV , sedangkan untuk tegangan masukan yang melebihi

tegangan referensi REFin VV maka dioda zener akan membuat keluaran tersebut

bergerak ke tegangan positif maksimumnya seperti yang terlihat pada gambar

11.22 dan 11.23 di bawah ini.

Gambar 11.22.(a). Rangkaian

pendeteksi tegangan positif dan negatif

menggunakan pembagi tegangan

(voltage divider).

Gambar 11.22.(b). Rangkaian

pendeteksi tegangan positif dan

negative menggunakan sebuah dioda

zener.

247

Gambar 11.23. Tegangan keluaran pada

rangkaian pendeteksi tegangan positif

dan negatif yang menggunakan zener.

Pada prinsipya keadaan dinamis

sering menyebabkan kita untuk

menganalisa lebih lanjut sebuah

aplikasi rangkaian elektronika. Pada

keadaan dinamis tersebut sering terjadi

sebuah fluktuasi tegangan yang tidak

diinginkan pada saluran masukan dan

sering disebut sebagai derau atau noise.

Tegangan derau tersebut menjadi beban

pada tegangan masukan (input voltage)

seperti yang terlihat pada gambar 11.24

di bawah ini. Tegangan derau tersebut

dapat menyebabkan sebuah kompator

secara tidak teratur merubah kondisi

keluarannya.

Gambar 11.24. Tegangan derau (noise)

pada sebuah sinyal masukan (input

signal).

Perhatikan gambar 11.25 di bawah

ini. Pada gambar tersebut terlihat

sebuah tegangan sinusoidal

berfrekuensi rendah yang diberikan ke

masukan tak-membalik (non-inverting,

+) pada sebuah penguat operasional.

Tegangan sinusoidal yang diberikan ke

masukan tak-membalik tersebut akan

menggambarkan efek-efek potensial

dari tegangan derau (noise voltage)

pada sebuah komparator yang

248

Gambar 11.25. Efek potensial dari

tegangan derau (noise) terhadap

tegangan keluaran (output voltage).

digunakan sebagai sebuah pendeteksi

tingkat nol (zero-level detector). Pada

saat gelombang sinusoidal mendekati 0

terjadi fluktuasi-fluktuasi derau

sehingga menyebabkan masukan total

berubah ke atas dan ke bawah 0 untuk

beberapa kali, tentu hal tersebut akan

menghasilkan sebuah tegangan yang

tidak menentu. Tegangan masukan

yang tidak menentu tersebut akan

menyebabkan tegangan keluaran juga

menjadi tidak menentu sehingga

komparator penguat operasional

berganti dari kondisi negatifnya

menjadi kondisi positifnya serta

sebaliknya. Tegangan keluaran yang ti-

ak stabil tersebut terjadi ketika tegangan masukan tidak menentu di sekitar

tegangan referensi.

Pada prinsipnya keadaan tegangan masukan yang tidak menentu pada sebuah

komparator tersebut dapat diselesaikan dengan cara merancang komparator yang

kurang sensitif terhadap derau (noise). Kondisi komparator yang kurang sensitif

terhadap derau tersebut dapat dibuat dengan menggunakan teknik umpan-balik

positif (positive feedback) dan dinyatakan sebagai hysteresis.

Pada dasarnya hysteresis menunjukan bahwa pada komparator terdapat

sebuah tingkat referensi yang lebih tinggi ketika tegangan masukan bergerak dari

sebuah nilai yang lebih rendah (lower) menuju nilai yang lebih tinggi (higher) dan

ketika komparator bergerak dari nilai yang lebih tinggi menuju sebuah nilai yang

lebih rendah seperti sebuah thermostat rumah tangga yang umum digunakan.

Konfigurasi komparator dengan hysteresis tersebut dilakukan dengan membuat 2

(dua) tingkat referensi yaitu sebuah tingkat referensi sebagai titik pemicu atas

(upper trigger point) dan sebuah tingkat referensi sebagai titik pemicu bawah

249

(lower trigger point). 2 (dua) tingkat referensi tersebut membentuk sebuah

susunan umpan-balik positif (positive feedback arrangement) seperti yang terlihat

pada gambar 11.26 di bawah ini. Pada konfigurasi tersebut masukan tak-

membalik (non-inverting input, +) dihubungkan ke sebuah tahanan pembagi

tegangan yaitu sebuah bagian dari tegangan keluaran yang diumpan-balikan ke

masukan, sedangkan sinyal masukan diberikan ke masukan membalik (inverting

input).

Gambar 11.26.(a). Rangkaian

komparator dengan hysteresis.

Gambar 11.26.(b). Tegangan keluaran

dari sebuah komparator dengan

hysteresis.

Pada prinsipnya bila tegangan

keluaran pada komparator tersebut

adalah bernilai positif maksimum

maxoutV maka tegangan umpan-balik

ke masukan tak-membalik (non-

inverting input) adalah tegangan titik

pemicu atas UTPV dan dinyatakan

secara matematis sebagai berikut:

max21

2outUTP V

RR

RV

Namun ketika inV melebihi UTPV

maka tegangan keluaran akan bernilai

negatif maksimum maxoutV dan

tegangan umpan-balik ke masukan tak-

membalik adalah tegangan titik pemicu

bawah LTPV dan dinyatakan secara

matematis sebagai berikut:

max21

2outLTP V

RR

RV

Pada umumnya sebuah

komparator dengan hysteresis dikenal

sebagai sebuah pemicu Schmitt

250

(Schmitt trigger). Secara matematis

hysteresis didefinisikan oleh perbedaan

dari 2 (dua) tingkat pemicu (trigger

levels), yaitu:

LTPUTPHYS VVV

11.3.4 Pengikut Tegangan (voltage follower)

Gambar 11.27. Rangkaian pengikut

tegangan (voltage follower).

Pada dasarnya pengikut tegangan

atau yang disebut juga dengan voltage

follower merupakan salah satu

rangkaian aplikasi penguat operasional

(operational amplifier). Pengikut

tegangan tersebut diperoleh melalui

konfigurasi penguat tak-membalik.

Pada konfigurasi tersebut semua

tegangan keluaran diumpan-balikan ke

masukan membalik (inverting input, -) oleh sebuah hubungan langsung (straight

connection) seperti yang terlihat pada gambar 11.27 di samping ini.

Pada gambar 11.27 tersebut terlihat bahwa hubungan umpan-balik langsung

memiliki sebuah penguatan tegangan (voltage gain) sebesar 1 (satu) dan itu

artinya pada konfigurasi tersebut tidak terdapat penguatan tegangan. Secara

matematis peguatan tegangan tertutup (closed-loop voltage gain) dari pengikut

tegangan adalah:

1VFclV

Tegangan keluaran (output voltage) yang dihubungkan ke masukan

membalik (inverting input) tersebut mengkonfigurasikan sinyal masukan untuk

diberikan di antara masukan tak-membalik (non-inverting input) dan ground,

namun karena adanya ground semu (virtual ground) maka tegangan pada

masukan membalik adalah sama terhadap tegangan pada masukan tak-membalik.

Secara matematis hubungan tersebut adalah:

251

so EE .

Pada prinsipnya terdapat sebuah keistimewaan dari konfigurasi pengikut

tegangan (voltage follower) tersebut, yaitu rangkaian pengikut tegangan memiliki

nilai impedansi masukan yang sangat tinggi, namun nilai impedansi keluarannya

sangat rendah. Keistimewaan yang terdapat pada pengikut tegangan tersebut

menyebabkan rangkaian pengikut tegangan sangat sesuai digunakan sebagai

penahan penguatan (gain buffer) pada antar-muka (interfacing) antara sebuah

sumber berimpedansi tinggi (high-impedance source) terhadap sebuah beban

berimpedansi rendah (low-impedance load).

11.3.5 Analogue to Digital Converter (ADC)

Pada prinsipnya perubahan sinyal-sinyal analog menjadi sinyal-sinyal digital

merupakan suatu proses yang sangat dibutuhkan pada sebuah antar-muka

(interfacing) untuk sebuah sistem analog linear (linear analog system) yang harus

menyediakan masukan sinyal digital dari sinyal analog ke sebuah sistem digital

(digital system). Perubahan sinyal-sinyal analog menjadi sinyal-sinyal digital

tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan banyak metode, salah satunya

seperti metode keserempakan (simultaneous).

Pada metode keserempakan (simultaneous) tersebut perubahan sinyal-sinyal

analog menjadi sinyal-sinyal digital dilakukan dengan menggunakan komparator-

komparator paralel. Komparator-komparator paralel tersebut akan

membandingkan sinyal masukan analog (analog signal) dengan tegangan

referensi bervariasi (various reference voltage) yang dihasilkan oleh sebuah

pembagi tegangan (voltage divider). Ketika sinyal masukan analog tersebut

melebihi tegangan referensi (reference voltage) untuk sebuah komparator yang

tersedia maka komparator tersebut akan mengeluarkan sinyal keluaran tingkat

tinggi (high level).

Perhatikan gambar 11.30 di bawah ini. Pada gambar tersebut terlihat sebuah

pengubah (converter) sinyal analog ke sinyal digital atau yang disebut dengan

ADC. Gambar tersebut merupakan sebuah ADC yang akan menghasilkan bilan-

252

Gambar 11.30. Sebuah ADC dengan metode simultan (simultaneous).

gan biner 3 (tiga) digit pada terminal keluarannya. Nilai ketiga digit bilangan

biner tersebut menunjukan nilai-nilai dari tegangan masukan analog (analog input

voltage) pada ADC. Gambar tersebut menunjukan bahwa ADC membutuhkan 7

(tujuh) buah komparator. Jumlah komparator untuk setiap ADC umumnya

ditentukan oleh 12 n , di mana nilai n tersebut menunjukan jumlah digit dari

bilangan biner yang akan dihasilkan. Pada ADC yang dibuat dengan

menggunakan metode simultan (simultaneous) tersebut pengubahan (conversion)

253

dari sinyal analog menjadi sinyal digital akan mengalami kekurangan akibat

komparator yang selalu membutuhkan sebuah bilangan yang terukur, namun

keuntungan dari metode simultan adalah metode ini menyediakan waktu

pengubahan yang cepat karena proses pengubahan (conversion) semua sinyal

analog dilakukan secara bersamaan (simultaneous).

Pada ADC tersebut terlihat bahwa tegangan referensi (reference voltage)

untuk setiap komparator diatur oleh serangkaian resistor pembagi tegangan

(voltage divider) dan tegangan referensi (reference voltage, REFV ). Terminal

keluaran dari setiap komparator tersebut dihubungkan ke terminal masukan (input

terminal) sebuah enkoder utama (priority encoder). Enkoder utama (priority

encoder) pada rangkaian tersebut merupakan sebuah alat digital yang akan

menghasilkan sejumlah bilangan biner pada terminal keluarannya dan nilai

keluarannya tersebut menunjukan nilai masukan dari sinyal analog. Encoder

tersebut mencuplik (samples) sinyal masukan yang telah diubah menjadi bilangan

biner oleh komparator dan sejumlah bilangan biner 3 (tiga) digit yang sesuai

(proportional) terhadap nilai sinyal masukan analog-nya akan ditampilkan pada

terminal keluaran enkoder.

Pada prinsipnya tingkat pencuplikan (sampling rate) yang dilakukan oleh

ADC akan menentukan akurasi keluaran bilangan biner-nya terhadap perubahan

sinyal masukan (changing input signal). Dibutukan tingkat pencuplikan yang

lebih banyak pada satuan waktu yang diberikan untuk menghasilkan bentuk

digital yang memiliki akurasi yang baik.