MAKALAH RANGKAIAN ELEKTRONIKA
PERANCANGAN PENGUAT OPERASIONAL AMPLIFIER
Disusun Oleh :
Dani Wahyudin 20120120045
FAKULTAS TEKNIK ELEKTRO
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH YOGYAKARTA
BAB I
PENDAHULUAN
FUNGSI DAN KARAKTERISTIK PENGUAT OPERASIONAL
Penguat operasional atau op-amp adalah rangkaian elektronik yang dirancang dan dikemas secara khusus, sehingga dengan menambahkan komponen luar sedikit saja dapat dipakai untuk berbagai keperluan. Hingga kini op-amp yang dibuat dan dikemas dalam rangkaian komponen-komponen diskrit tersebut masih dirasa begitu mahal oleh para insinyur atau teknisi. Namun, kini dengan teknologi rangkaian terpadu (IC) yang telah ditingkatkan, op-amp dalam bentuk kemasan IC menjadi jauh lebih murah dan amat luas pemakaiannya.
Pada mulanya op-amp digunakan untuk rangkaian perhitungan analog, rangkaian pengaturan dan instrumentasi. Fungsi utamanya adalah untuk melakukan operasi linier matematika (tegangan dan arus), integrasi dan penguatan. Kini op-amp dapat dijumpai di mana saja, dálam berbagai bidang: reproduksi suara, sistem komunikasi, sistem pengolahan digital, elektronik komersial, dan aneka macam perangkat hobi. Dalam konfigurasinya kita akan menemukan op-amp dengan masukan dan keluaran tunggal, masukan dan keluaran diferensial, atau masukan diferensial dan keluaran tunggal.
Konfigurasi dengan masukan diferensial dan keluaran tunggal banyak digunakan dalam industri elektronika. Setiap orang yang terlibat dalam elektronika mau tak mau harus memahami kegunaan op-amp, mengetahui karakteristiknya, mampu mengenali konfigurasi dasar rangkaian op-amp dan mampu bekerjasama dengannya.
ISI
- APAKAH OP-AMP ITU?
Op-amp IC adalah peranti solid-state yang mampu mengindera dan memperkuat sinyal masukan baik DC maupun AC. Op-amp IC yang khas terdiri atas tiga rangkaian dasar, yakni penguat diferensial impedansi masukan tinggi, penguat tegangan penguatan tinggi, dan penguat keluaran impedansi rendah (biasanya pengikut emiter push-pull).
Perhatikan, lazimnya op-amp memerlukan catu positif dan catu negatif. Karena catunya demikian, tegangan keluarannya dapat berayun positif atau negatif terhadap bumi.
Karakteristik op-amp yang terpenting adalah:
1. Impedansi masukan amat tinggi, sehingga arus masukan praktis dapat diabaikan.
2. Penguatan lup terbuka - amat tinggi.
3. Impedansi keluaran amat rendah, sehingga keluaran penguat tidak terpengaruh oleh pembebanan.
Gambar 1. Blok diagram op-amp
Simbol op-amp standar dinyatakan dengan sebuah segitiga, seperti tampak pada Gambar1. Terminal-terminal masukan ada pada bagian atas segitiga. Masukan membalik dinyatakan dengan tanda minus (-). Tegangan DC atau AC yang dikenakan pada masukan ini akan digeser fasanya 180o pada keluaran. Masukan tak membalik dinyatakan dengan tanda plus (+). Tegangan DC atau AC yang diberikan pada masukan ini akan sefasa dengan keluaran. Terminal keluaran diperlihatkan pada bagian puncak segitiga. Terminal-terminal catu dan kaki-kaki lainnya untuk kompensasi frekuensi atau pengaturan nol diperlihatkan pada sisi atas dan sisi bawah segitiga. Kaki-kaki ini tidak selalu diperlihatkan dalam diagram skematis, tapi secara implisit sudah dinyatakan. Hubungan daya mudah dipahami, hubungan-hubungan kaki lainnya belum tentu terpakai semuanya.
Tipe op-amp atau nomor produk berada di tengah-tengah segitiga. Rangkaian umum yang bukan menunjukkan op-amp khusus memiliki simbol-simbol A1, A2, dan seterusnya, atau OP-1, OP-2, dan seterusnya. Meskipun kita dapat menggunakan op-amp tanpa mengetahui secara tepat apa yang terjadi di dalamnya, tetapi akan lebih baik bila karakteristik kerjanya kita pahami dengan mempelajari rangkaian internalnya. Op-amp pada dasarnya terdiri atas tiga tahapan: penguat diferensial impedansi masukan tinggi, penguat tegangan berpenguatan tinggi dengan penggeser level (sehingga keluaran dapat berayun positif atau negatif, dan penguat keluaran impedansi rendah.
B. FUNGSI OP-AMP
Idealnya penguatan op-amp adalah tak berhingga, namun kenyataannya penguatan op-amp hanya mencapai kurang lebih 200.000 dalam modus lup terbuka. Dalam keadaan demikian tidak ada umpan balik dari keluaran menuju masukan dan penguatan tegangan (Av) maksimum, sebagaimana diperlihatkan dalam Gambar 2a.
Gambar 2.
Dalam rangkaian praktisnya, adanya perbedaan tegangan sedikit saja pada masukan-masukannya akan menyebabkan tegangan keluaran berayun menuju level maksimum catu. Tegangan maksimum keluaran kurang lebih 90 % tegangan catu. Itu terjadi karena ada jatuh tegangan internal pada op-amp.
Keluaran dikatakan berada dalam keadaan saturasi (jenuh), dan dapat dinyatakan (salah satu) sebagai + Vsat atau -Vsat. Sebagai contoh, rangkaian op-amp dalam modus lup terbuka dengan catu 15 V akan menghasilkan ayunan keluaran antara - 13,5 V sampai +13,5 V. Dengan tipe rangkaian seperti ini op-amp amat tidak stabil, keluaran akan 0 V untuk selisih masukan 0 V juga,tapi bila ada sedikit beda tegangan pada masukannya, maka keluaran akan berada pada salah satu dari kedua level tegangan di atas.
Modus lup terbuka terutama dijumpai pada rangkaian pembanding tegangan dan rangkaian detektor level. Keserbagunaan op-amp dibuktikan dalam penerapannya pada berbagai tipe rangkaian dalam modus lup tertutup, seperti diperlihatkan dalam Gambar 2b. Komponen luar digunakan untuk memberikan umpan balik keluaran pada masukan membalik. Umpan balik akan menstabilkan rangkaian pada umumnya dan menurunkan derau.
Penguatan lup tertutup harus dapat dikendalikan pada satu nilai tertentu dalam rangkaian praktis. Dengan menambahkan sebuah resistor Rin pada masukan membalik seperti pada Gambar 2c, penguatan op-amp dapat diatur. Perbandingan resistansi RF terhaadap Rin menentukan penguatan tegangan rangkaian dan besamya dapat dihitung dengan rumus
Konfigurasi membalik tanda minus diabaikan dalam perhitungan misalkan Rin = 10 k dan RF = 100 k tegangan masukan 0,01 V akan menghasilkan tegangan keluaran 0,1 V. Bila R ini diubah menjadi 1 k maka A, bertambah menjadi 100. Kini tegangan masukan sebesar 0,01 V akan menghasilkan tegangan keluaran 1V. Bila RF dan Rin sama besar, maka Av sama dengan 1, atau penguatannya satu. Hubungan langsung dari keluaran menuju masukan juga menghasilkan penguatan satu, seperti terlihat pada Gambar 2d. Dalam konfigurasi tak membalik ini, tegangan keluaran sama dengan tegangan masukan dan Av sama dengan + 1.
Salah satu fungsi yang penting untuk diingat adalah hubungan polaritas masukan terhadap keluaran. Tegasnya, dikatakan bahwa bila masukan membalik lebih positif dibandingkan dengan masukan tak membalik, maka keluaran akan negatif. Demikian pula, jika masukan membalik lebih negatif dibandingkan dengan masukan tak membalik, maka keluaran akan positif. Gambar 5 menunjukkan fungsi yang penting ini, dengan .masukan tak membalik dibumikan atau nol volt.
Gambar 3.
Hubungan antara input dan output
C. KARAKTERISTIK DAN PARAMETER OP-AMP
Jika Anda paham akan karakteristik dan parameter peranti elektronik, tentunya akan lebih mudah bagi Anda untuk memahami penggunaannya dalam rangkaian. Dengan mengetahui apa-apa yang bisa diharapkan dari sebuah op-amp, Anda akan dibantu dalam merancang dan memperbaiki rangkaian yang menggunakan op-amp.
Bagian ini akan menjelaskan informasi-inforimasi yang bertalian dengan karakteristik dan prameter op amp yang dipakai dalam rangkaian pada umumnya.
· Impedansi masukkan
Idealnya impedansi masukkan op amp adalah tak terhingga, namun dalam kenyataannya hanya mencapai 1 M atau lebih, berberapa op amp khusus ada yang memiliki impedansi masukkan 100 M, semakin tinggi impendansi masukkan semakin baik penampilan op amp tersebut, pada frekuensi tinggi kapasitansi masukkan op amp banyak berpengaruh lazimnya kapasitansi ini kurang dari 2 pF, bila sebuah terminal masukkan op-amp dibumikan.
· Impedansi Keluaran
Idealnya impedansi keluaran adalah nol. Kenyataannya, berbeda beda untuk setiap op-amp. Impedansi keluaran bervariasi antara 25 sampai ribuan ohm. Untuk kebanyakan pemakaian, impedansi keluaran dianggap nol, sehingga op-amp akan dianggap berfungsi sebagai sumber tegangan yang mampu memberikan arus dari berbagai macam beban. Dengan impedansi masukan yang tinggi dan impedansi keluaran yang rendah op-amp akan berperan sebagai peranti penyesuai impedansi.
· Arus Bias Masukan
Secara teoritis impedansi masukan tak berhingga besarnya, sehingga seharusnya tak ada arus masukan. Namun, akan ada sedikit arus masukan pada khususnya dalam ordo pikoampere sampai mikroampere. Harga rata-rata kedua arus ini dikenal sebagai arus bias masukan. Arus ini dapat menggoyahkan kestabilan op-amp, sehingga mempengaruhi keluaran. Pada umumnya makin rendah arus bias masukan, kian rendah pula kelabilannya. Op-amp yang menggunakan transistor efek medan (FET) pada masukan-masukannya memiliki arus bias masukan terendah.
Tegangan offset keluaran (tegangan kesalahan) disebabkan oleh arus bias masukan. Bila tegangan kedua masukan sama besar, keluaran op-amp akan nol volt. Namun jarang ditemukan kejadian seperti ini, sehingga pada keluarannya akan ada sedikit tegangan. Keadaan seperti ini dapat diatasi dengan teknik penolan offset yaitu dengan menambahkan arus atau tegangan offset masukan.
· Arus Offset Masukan
Kedua arus masukan seharusnya sama besar sehingga tegangan keluarn nol. Tapi ini tidak mungkin, karena itu harus ditambahkan arus offset masukan untuk menjaga supaya keluaran tetap nol volt. Dengan perkataan lain, untuk. memperoleh keluaran nol volt, sebuah masukan mungkin menarik arui lebih besar daripada lainnya. Arus offset ini dapat mencapai 20 mA.
· Tegangan Offset Masukan
Idealnya tegangan keluaran op-amp nol manakala tegangan kedua masukan nol. Namun, berkenaan dengan penguatan op-amp yang tinggi, adanya sedikit ketakseimbangan dalam rangkaian akan mengakibatkan munculnya tegangan keluaran. Dengan memberikan sedikit tegangan offset pada sebuah masukannya, tegangan keluaran dapat dinolkan kembali.
· Penolan Offset
Ada bermacam-macam cara pemberian tegangan offset masukan untuk menolkan kembali tegangan keluaran. Pabrik-pabrik op-amp telah memasukkan hal ini ke dalam perhitungan dan dalam. lembaran data mereka telah diberikan rekomendasi terbaik untuk op-amp-op-amp tertentu. Gambar 6 menunjukkan cara menolkan op-amp yang khas. Terminal-lerminal offset nol telah diperlihatkan dalam Gambar 2 dan 3.
Prosedur berikut menjelaskan urutan kerja penolan tegangan keluaran.
1. Pastikan bahwa rangkaian telah dilengkapi dengan komponenkomponen yang dihutuhkan, termasuk rangkaian penolan. (Rangkaian penolan biasanya tidak ditunjukkan dalam diagram skematisnya).
2. Perkecil sinyal masukan sampai nol. Bila resistor masukan seri kira-kira 1% lebih tinggi daripada impedansi sumber sinyal, tak perlu diapa-apakan lagi keadaan ini. Bila resistor seri sama atau lebih kecil daripada impedansi sumber, gantilah setiap sumber Resistor pengatur tegangan-offset dengan resistor yang sepadan dengan impedansinya.
3. Hubungkan beban pada terminal keluaran.
4. Masukan catu DC dan tunggulah beberapa menit agar rangkaian mantap keadaannya.
5. Hubungkan sebuah voltmeter yang peka (mampu memberikan pembacaan beberapa milivolt) atau Osiloskop yang dikopel DC pada beban untuk membaca tegangan kelu'aran (Vout).
6. Putarlah resistor variabel sampai Vout terbaca nol.
7. Lepaskan setiap komponen tambahan pada masukan dan hubungkan kembali masukan-masukan sumber, pastikan tidak menyentuh resistor pengatur tegangan offset, karena dapat mengubah nilainya.
· Pengaruh Temperatur
Perubahan temperatur mempengaruhi semua peranti solid state, tak terkecuali op-amp. Rangkaian DC yang menggunakan op-amp cenderung lebih rentan terhadap pengaruh ini dibandingkan rangkaian AC. Perubahan temperatur dapat menyebabkan perubahan arus offset dan tegangan offset, inilah yang disebut geseran. Drift yang disebabkan oleh temperatur akan mengganggu setiap ketakseimbangan op-amp yang telah diatur sebelumnya, akibatnya pada keluaran akan terjadi kesalahan.
· Kompensasi Frekuensi
Karena penguatan op-amp yang tinggi dan adanya pergeseran fasa antar rangkaian internal, maka pada frekuensi tinggi tertentu sebagian sinyal keluaran akan diumpankan kembali ke dalam masukan, sehingga terjadi osilasi. Tidak jarang orang menambahkan kapasitor kompensasi pada op-amp, entah secara internal maupun eksternal, tujuannya adalah untuk mencegah osilasi ini dengan jalan menurunkan penguatan op-amp ketika frekuensi dinaikkan.
· Laju Lantingan
Laju lantingan atau slew rate adalah laju perubahan maksimurn tegangan keluaran op-amp. Laju ini dinyatakan sebagai:
Op-amp 741 serba guna memiliki laju lantingan 0,5 V/ s, yang berarti tegangan keluaran maksimum dapat berubah 0,5 V dalam I
Pada frekuensi-frekuensi tinggi atau pada laju perubahan sinyal yang tinggi, pembatasan-laju lantingan lebih sering terjadi. Laju lantingan adalah parameter penampilan-sinyal besar. Biasanya laju lantingan dinyatakan pada penguatan satu. Op-amp dengan laju lantingan lebih tinggi memiliki lebar-jalur yang lebih besar.
· Tanggapan Frekuensi
Penguatan op-amp turun terhadap kenaikan frekuensi. Penguatan yang.diberikan pabrik biasanya dinyatakan pada nol Hertz atau DC. Gambar 8 menunjukkan kurva penguatan tegangan terhadap tanggapan frekuensi. Dalam modus lup terbuka, penguatan turun amat cepat sejalan dengan peningkatan frekuensi. Bila frekuensi naik 10 kali maka penguatan turun menjadi 1/10 kalinya. Titik breakover terjadi pada 70,7% penguatan maksimum. Lazimnya lebar-jalur dinyatakan pada titik di mana penguatan turun 70,7% dari skala maksimumnya. Karena itu, lebar-jalur lup terbuka sekitar 10 Hz untuk contoh ini.
Untungnya, op-amp biasanya memerlukan umpan balik yang sifatnya degeneratif dalam rangkaian-rangkaian penguat. Umpan balik inilah yang memperlebar jalur rangkaian. Untuk penguatan lup tertutup sebesar 100, lebar-jalur meningkat sampai kira-kira 100 kHz. Bila penguatan diturunkan menjadi l0, lebar-jalur akan melebar menjadi 100 kHz, Titik penguatan satu terjadi pada 1 MHz, titik ini disebut frekuensi penguatan satu. Frekuensi penguatan satu merupakan titik acuan, pada titik inilah kebanyakan op-amp dinyatakan oleh pabriknya.
· Perkalian Penguatan Lebar jalur
Perkalian penguatan lebar-jalur atau gain-bandwidth product (GBP) sama saja dengan frekuensi penguatan satu. Sifat ini tidak hanya memberitahu kita akan frekuensi atas yang bermanfaat, tetapi juga memungkinkan kita menentukan lebar-jalur lebar-jalur frekuensi) pada suatu nilai penguatan yang diketahui.
Gambar 6. penguatan tegangan dan tanggapan frekuensi
Sebagai contoh lihat Gambar 6. yang menunjukkan kurva tanggapan frekuensi untuk op-amp yang dikompensasi frekuensi (seperti 741), bila Anda mengalikan penguatan dan lebar-jalur dari suatu rangkaian tertentu, hasil yang diperoleh akan sama dengan frekuensi penguatan satu:
GBP
|
= penguatan x lebar-jalur
|
= frekuensi penguatan satu
| |
= 100 x 10 kHz
|
= 1000000 Hz
|
(1 MHz)
| |
Atau
| |||
GBP
|
= 10 x 100 kHz
|
= 1000000 Hz
|
(1 MHz)
|
Karena itu bila kita ingin mengetahui batas atas frekuensi atau lebar jalur suatu rangkaian dengan penguatan sebesar 100, tinggal kita bagi saja frekuensi penguatan satu dengan penguatannya:
Derau
Sebagaimana rangkaian elektronika lainnya, op-amp juga peka terhadap derau. Derau luar dijangkitkan oleh peranti listrik atau berasal dari derau bawaan komponen-komponen elektronik (resistor, kapasitor, dan sebagainya) yang beroperasi dalam daerah frekuensi dari 0,01 Hz sampai beberapa MHz. Derau luar ini dapat ditindas asalkan rangkaian dirakit dengan benar. Derau internal opamp ditimbulkan oleh komponen-komponen internal, arus bias, dan juga drift. Derau-derau ini ikut diperkuat oleh op-amp, sebagaimana halnya tegangan offset dan tegangan sinyal. Penguatan derau dinyatakan dalam
penguatan derau = 1 + RF/Rin
Derau internal dapat diperkecil dengan menggunakan resistor masukan seri dan resistor umpan bahk sekecil mungkin yang masih memenuhi persyaratan rangkaian. Pemintasan resistor umpan balik dengan sebuah kapasitor kecil (3 pF) juga akan menurunkan penguatan derau pada frekuensi-frekuensi tinggi.
· Perbandingan Penolakan Modus Sekutu (CMAR = Common Mode Rejection Ratio)
CMRR adalah suatu sifat yang bertalian dengan penguat diferensial. Bila tegangan-tegangan yang sama fasanya diumpankan ke dalam masukan-masukan penguat, keluaran akan nol. Hanya perbedaan tegangan pada masukan yang akan menghasilkan keluaran. Sebagai contoh, sinyal 1020 Hz diberikan pada masukan membalik op-amp, seperti terlibat pada Gambar 7. Frekuensi yang sama diberikan pada masukan tak membalik tapi fasanya berbeda 180o.
Gambar 7. penolakan modus sekutu
Ini adalah sinyal diferensial. Tapi, sinyal 1020 Hz tadi telah tercemari oleh derau jala-jala 60 Hz. Sinyal 60 Hz ini sefasa pada kedua masukannya dan menyatakan sinyal modus sekutu. Penguat diferensial cenderung menolak sinyal modus sekutu 60 Hz ini sambil menguatkan sinyal diferensial 1020 Hz.
Kemampuan suatu op-amp untuk memperkuat sinyal diferensial sambil menindas sinyal modus sekutu disebut perbandingan penolakan modus sekutu (CMRR). Perbandingan ini dinyatakan dalam :
Dengan Ad adalah penguatan diferensial dan Acm adalah penguatan modus sekutu. CMRR biasanya dinyatakan dalam desibel, dan tinggi nilainya kian baik tingkat penolakannya.
· Perlindungan Hubung Singkat
Op-amp dapat menjangkitkan arus yang membahayakan bila keluarannya terhubung singkat ke bumi, +Vc atau -Vc, dari catu, kecuali bila dilengkapi perlindungan hubung singkat. Kebanyakan tipe op-amp belakangan ini dilengkapi dengan pelindung hubung singkat semacam ini, namun tipe-tipe lama belum dilengkapi.
· Pembatasan Listrik
Seperti peranti-peranti solid state yang lain, op-amp memiliki kendala-kendala listrik yang tak boleh dilanggar, agar mereka bekerja dengan benar dan tidak terjadi perusakan. Kendala ini biasanya disebut dengan tarif maksimum absolut. Di antaranya :
Catu daya ± V (tegangan maksimum yang masih aman yang boleh dikenakan pada peranti, termasuk catu positif dan negatif).
Disipasi daya (besarnya panas yang masih aman yang dapat dilepaskan oleh peranti untuk suatu pengoperasian yang kontinyu dalam selang waktu yang diberikan).
Tegangan masukan diferensial (tegangan masukan dalam batas aman yang boleh diberikan di antara kedua masukan tanpa Tegangan masukan. Tegangan maksimum yang masih dapat diberikan di antara terminal-terminal masukan dan bumi. Besarnya tegangan masukan ini tak boleh melampaui tegangan catu biasanya 15 V).
Lama hubung singkat keluaran (Selang waktu op-amp dapat bertahan terhadap, hubung singkat langsung dari terminal keluaran ke bumi atau ke terminal catu lainnya).
Kisar temperatur pengoperasian (daerah temperatur di mana op-amp akan bekerja sesuai dengan spesifikasi yang diberikan. Peranti komersial bekerja pada 0 – 70oC, peranti industri bekerja pada -25 – 85 o C, dan peranti militer bekerja pada -55 – 125o C).
Kisar temperatur penyimpanan (batas-batas temperatur penyimpanan yang masih aman, lazimnya -65 – 150o C).
Temperatur kaki (temperatur di mana peranti dapat bertahan dalarn selang waktu tertentu. ketika proses penyolderan kaki-kaki terminal sedang berlangsung. Tarif ini biasanya 300o C untuk selang waktu 10 - 60 detik).
BAB III
PENUTUP
Kesimpulan
· Op-amp adalah penguat DC yang memiliki impedansi input tinggi dan impedansi output rendah.
· Op-amp dapat digunakan untuk membalik fase suatu sinyal input.
· Op-amp dapat digunakan untuk melakukan penguatan terhadap tegangan dari suatu input sinyal yang kecil sehingga didapat suatu sinyal keluaran yang besar.
· Konfigurasi op-amp seperti integrator atau differensiator dapat digunakan untuk mengubah bentuk sinyal masukkan menjadi bentuk lain pada bagian keluaran.
· Penguat diferensiator akan mengubah sinyal input gelombang sinus, kotak, dan segitiga berturut – turut menjadi gelombang sinus, gelombang garis lurus dengan transient, dan gelombang kotak.
· Penguat operasional adalah perangkat yang sangat efisien
· Op-Amp memiliki 2 rangkaian feedback (umpan balik) yaitu feedback negatif dan feedback positif dimana Feedback negatif pada op-amp memegang peranan penting.
· Pada op-amp non-inverting nilai penguat sebesar Vo = Rf+Ri/Ri (Vi)
Sumber :
Tidak ada komentar:
Posting Komentar