Gambar Rangkaian dasar penguat operasiaonal

Transkripsi

1 6 PENGUAT OPEASIONAL 6. Dasardasar Penguat Operasnal Penguat perasnal (pamp) adalah suatu blk penguat yang mempunya dua masukan dan satu keluaran. Opamp basa terdapat d pasaran berupa rangkaan terpadu (ntegrated crcut IC). V CC V EE Gambar 6.. angkaan dasar penguat perasanal Gambar 6. menunjukkan sebuah blk pamp yang mempunya berbaga tpe dalam bentuk IC. Dalam bentuk paket prakts IC sepert tpe 7 hanya berharga beberapa rbu rupah. Sepert terlhat pada gambar 6., pamp memlk masukan tak membalk (nnnertng), masukan membalk (nertng) dan keluaran. Jka syarat masukan dhubungkan dengan masukan membalk (), maka pada daerah rekuens tengah syarat keluaran akan berlawanan ase (berlawanan tanda dengan syarat masukan). Sebalknya jka syarat masukan dhubungkan dengan masukan tak membalk ( ), maka syarat keluaran akan sease. Sebuah pamp basanya memerlukan catu daya ± 5 V. Dalam menggambarkan rangkaan hubungan catu daya n basanya dhlangkan. Data keadaan deal pamp dan knerja IC 7 sepert terlhat pada tabel 6.. Penguat Operasnal 97

2 Idealnya, jka kedua masukan besarnya sama, maka keluarannya akan berharga nl dan tdak tergantung adanya prubahan sumber daya, yatu ( ) = A dmana A berharga sangat besar dan tdak tergantung besarnya beban luar yang terpasang. Tabel 6. Sat deal dan data yang sebenarnya dar pamp IC 7. Parameter D a t a Harga Ideal tegangan set masukan, V mv arus set masukan, I na arus panjar masukan, I B 8 na nsbah penlakan mdus bersama (CM), ρ 9 db ω pergeseran dar I na/ C pergeseran dar V 5 µv/ C rekuens penguatantunggal (untygan requency) MHz bandwdth dayapenuh khz penguatan derensal lngkar terbuka, A 5 db hambatan keluaran lngkar terbuka, 75 Ω hambatan keluaran lngkar tertutup, M Keterangan : Tegangan set masukan (nput set ltage) V menyatakan seberapa jauh dan terpsah untuk mendapatkan keluaran lt. Arus set masukan (nput set current) menyatakan kemungknan seberapa berbeda kedua arus masukan. Arus panjar masukan (nput bas current) member ukuran besarnya arus bass (masukan). Harga CM menjamn bahwa utput hanya tergantung pada ( ) ( ), walaupun dan masngmasng berharga cukup tngg. Untuk menghndar keluaran yang berslas, maka rekuens harus dbatas, unty gan requency member gambaran dar data tanggapan rekuens. In hanya berlaku untuk 98 ELEKTONIKA DASA

3 syaratkecl saja karena untuk syarat yang besar penguat mempunya keterbatasan nla d / dt sehngga keluaran bentukpenuh hanya dhaslkan pada rekuens yang relat rendah. 6. Penguatan TakMembalk (NnInertng Amplcatn) Opamp dapat dpasang sebaga penguat tak membalk sepert gambar 6.a. Terlhat bahwa masukan dberkan pada. s Σ A (a) (b) Gambar 6.. angkaan penguat perasnal tak membalk. Opamp tersebut berungs sebaga = A ( ) dan selanjutnya kta dapat menulskan untuk penjumlah (Σ) dan penguat ujung tunggal (A) sepert pada gambar 6.b. = = A Penguat Operasnal 99

4 Dar pembag tegangan kta mempunya = =β (6.) Jad terlhat bahwa gambar 6.a adalah salah satu cnth dar penguat balkan yang kta pelajar pada bab sebelumnya, dengan β = / ( ) (6.) Dengan demkan kta dapat menulskan penguat lngkar tertutup sebaga A = A/ ( Aβ) (6.) Karena A sangat besar maka A /β = ( ) / = ( / ) (6.) Kta dapat memperleh persamaan terakhr dengan cepat dengan menggunakan metde hubung sngkat maya s = (karena A sangat besar) = (6.5) Jad / = ( / ) (6.6) s Kta dapat membuat bentuk khusus penguat tak mambalk secara sederhana sepert dperlhatkan pada gambar 6.. ELEKTONIKA DASA

5 s Gambar 6.. angkaan khusus penguat perasnal tak membalk dengan metde hubung sngkat maya dperleh s / s = (6.7) Jad penguat sepert terlhat pada gambar 6. menghaslkan penguatan. angkaan n sangat menguntungkan karena kta dapat memperleh suatu penguat dengan hambatan masukan yang sangat tngg ( Ω) dengan hambatan keluaran sangat rendah ( Ω), yatu mendekat knds deal. angkaan n dsebut rangkaan pengkut (llwer), suatu bentuk penngkatan dar penguat pengkut emtr. Jad penguat n berungs sebaga penyangga (buer) dengan penguatan =. Sebaga gambaran pada tabel 6. dperlhatkan knerja rangkaan pengkut dan rangkaan pengkut emtr. Tabel 6. Knerja rangkaan pengkut dan rangkaan pengkut emtr angkaan pengkut (Fllwer) angkaan pengkut emtr (Emtter llwer) Penguatan,99999,995 Hambatan masukan Hambatan keluaran Pergeseran DC Frekuens db > Penguat Operasnal

6 Dalam praktek untuk penguat perasnal takmembalk, besarnya rekuans db BW penguatan lngkar tertutup G dberkan leh G BW = rekuens penguatan tunggal Jad jka kta menggunakan penguat dengan rekuens penguatan tunggal MHz, kta dapat memperleh lebar tanggapan rekuens sebesar MHz. Keluaran Gambar 6. Penguat takmembalk dengan masukan nl Eek dar V (tegangan set masukan) pada knds panjar penguat, tdak terlalu sult untuk dperkrakan. Perhatkan penguat takmembalk dengan masukan nl sepert dperlhatkan pada gambar 6.. Agar dperleh keluaran sebesar krakra lt, kedua masukan harus berbeda sebesar V, yatu = V Dar pembag ptensal dapat dperleh V = dan juga = V Penguatan ELEKTONIKA DASA

7 Basanya untuk ampler dengan penguatan mungkn akan memlk keluaran sebesar mv untuk masukan nl lt. Jka arus masukan tdak dapat dabakan (sepert dasumskan d atas), analss d atas harus dmdkas sebaga pembag tegangan yang terbeban arus masukan I B, dmana V = I B. (6.8) Perlu juga dcba untuk menghubungkan ke tanah tdak dengan hubung sngkat melankan dengan hambatan paralel dengan. Arus sebesar I B juga mengalr lewat hambatan tersebut, eek dar suku kedua pada persamaan 6.8 dapat dhlangkan. Dengan demkan akan dperleh V = I. (6.9) 6. Penguat Membalk (Inertng Ampler) Pada penguat membalk sumber syarat dhubungkan dengan masukan membalk sedangkan masukan pst dtanahkan sepert terlhat pada gambar 6.. s A Gambar 6.. Penguat perasnal membalk Penguat Operasnal

8 Pada gambar 6. terlhat bahwa sebagan dar keluaran dumpankan kembal ke masukan melalu. Penguat n termasuk penguat pembalk negat. Penguatan dar rangkaan n dapat dtentukan sebaga berkut. Kta berasums bahwa arus tdak melalu masukan, jad arus yang lewat dan. Kta mempunya S = = = A dar ketga persamaan d atas dperleh S A = = (6.) A selanjutnya dperleh A ( / ) = ( / A) s (6.) Basanya A berharga sangat besar (katakan sebesar 5 ) sehngga /A berharga sangat kecl dbandngkan dengan dan s. Kta dapatkan penguatan lngkar tertutup / s / (6.) ternyata secara sederhana hanya merupakan perbandngan kedua hambatan yang dpasang. Kta dapat menggunakan metde tanahmaya untuk mendapatkan hasl sepert pada persamaan 7.. Karena masukan pst dtanahkan, maka termnal masukan negat juga dtanahkan maya (walaupun tdak terdapat penghubung lansung ke tanah). Kta memlk ELEKTONIKA DASA

9 / / S dan juga / / S Cnth Sebuah penguat takmembalk dengan sat sepert telah dbahas pada bagan 6., menggunakan dengan knguras sepert terlhat pada gambar 6. menggunakan resstr = = Perkrakan kenerja dar penguat tersebut. k Jawab Besarnya penguatan pada rekuens rendah adalah / S = / =, (atau ~ db) Jka penguatan lngkarterbuka sebesar db, besarnya penguatan lngkar tertutup akan berharga / S = ( A ) = A/ β 5 / =,9 5 (,/,) Nampak bahwa besarnya penguatan sangat mendekat harga deal. Dengan mengngat Aβ = 96 kta dapat mempredks standar penngkatan knerja dengan penguat balkan sebaga berkut: Hambatan masukan = MΩ 96 = 6 MΩ Hambatan keluaran = 75 Ω / 96 =, Ω Untuk melhat tanggapan rekuens dgunakan G BW = rekuens penguatantunggal, BW = MHz BW =,9 khz JIka masukan dtanahkan, besarnya keluaran dberkan leh V = I B. Penguat Operasnal 5

10 mv =,95 5,56 µv = 6 mv Dengan harga yang begtu rendah, I B hampr tdak mempengaruh keluaran. Besarnya masukan mv basanya mengalam perubahan sebesar 5 C, sehngga keluaran akan mengalam perubahan sebesar 5 =,78 mv/ C. 6. Penguat Penjumlah Penamaan penguat perasnal memang cck karena penguat n dapat dgunakan untuk peras matematka. Berkut n kta gunakan pamp sebaga penjumlah. Gambar 6.5 memperlhatkan masukan tak membalk dar pamp dhubungkan dengan tanah. Dengan demkan masukan membalk terhubung sebaga tanah maya karena keduanya terhubung sngkat maya. Karena kta mempunya = s / = s / = / dan juga karena = kta mempunya = s s (6.) z s s Gambar 6.5. angka penguat perasnal sebaga penjumlah 6 ELEKTONIKA DASA

11 Jelas kranya untuk n masukan berlaku : = s s... sn s (6.) n n n Jka kta pasang = = =... = n, maka =... (6.5) s s s sn sn Perhatkan bagamana penguat n berlaku sebaga penjumlah angkaan Pengurang Operas pengurangan dapat dlakukan dengan hanya memaka sebuah pamp sepert pada gambar 6.6. Terlhat bahwa s dan membentuk pembag tegangan. = s ' ' ( ) ' (6.6) s s ' ' Gambar 6.6. Penguat perasnal sebaga rangkaan pengurang. Penguat Operasnal 7

12 8 ELEKTONIKA DASA Karena dan hampr sama, kta mempunya = = ' ' ' s (6.7) Karena dan dlewat arus yang sama besarnya, kta mempunya ( ) ( ) ( ) atau / / s s = = Substtus ddapat = = S s s s ' ' ' ' ' ' atau (6.8) Jka kta memasang = ' dan ' =, maka ) ( = s s (6.9) sehngga ddapat peras pengurangan dar kedua masukan. Perlu dperhatkan bahwa besarnya penguatan dar pengurangan dan juga penjumlahan hanya tergantung pada nsbah/perbandngan resstr yang dpasang. Namun perlu dperhatkan bahwa resstr yang dpasang jangan terlalu rendah atau terlalu besar karena akan terdapat masalah dengan arus yang melewatnya. Basanya harga yang banyak dpaka berksar antara kω kω.

13 Pada pengurangan nsbah / dan ' ' / harus mendekat satu, untuk menjaga agar penguatan mdus bersama berhaarga rendah. Karena adanya pergeseran ase, penguatan mdus bersama cenderung menngg dengan adanya kenakan rekuens. s s Gambar 6.7 Penguat derensal dengan dua penguat Penguat derensal (pasangan berekrpanjang) juga melakukan pengurangan. Namun keluaran tdak pada V DC, mengalam dstrs dan besarnya penguatan tergantung pada r e (karenanya tergantung temperatur). Pengurangan sepert pada gambar 6.6 serng juga dlakukan dengan menggunakan sepasang penguat takmembalk, sehngga masngmasng memlk hambatan masukan yang sangat tngg. In akan menghaslkan penguatan derensal sepert dperlhatkan pada gambar 6.7. Dengan menggunakan pendekatan tanahmaya dapat dbuktkan bahwa keluaran dar penguat d atas adalah S S = = ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) Perhatkan bagamana resstr mengntrl besarnya penguatan derensal. Penguat Operasnal 9

14 6.6 angkaan Pengntegral angkaan pamp yang pentng lannya adalah dengan penempatan sebuah kapastr sepert pada gambar 6.8. Karena masukan tak membalk dtanahkan, maka arus yang lewat akan terus melewat C, jad dan s / = q / C = C = C dt dt s Tampak bahwa tegangan keluaran merupakan ntegral dar syarat masukan. (6.) s C Gambar 6.8. angkaan dasar pengntegral angkaan ntegratr banyak dgunakan dalam kmputer analg dmana rangkaan n banyak membantu menyelesakan persamaan ntegral. Namun demkan untuk maksud tersebut dperlukan penguat dengan stabltas DC yang sangat bak, tdak sepert halnya rangkaan kta sebelumnya dmana perubahan sedkt pada masukan akan dperkuat leh penguatan lngkarterbuka. ELEKTONIKA DASA

15 Gambar 6.9 Kmbnas rangkaan penjumlah arus dan pengntegral Pada pengperasan secara nrmal, perlu mereset rangkaan pengntegral secara reguler pada suatu selang tertentu, msalnya dengan menghubung sngkatkan kapastr, setelah tu dapat dlakukan kembal prses ntegras. Dmungknkan untuk mengkmbnas penjumlahan arus dengan peras ntegras sepert terlhat pada gambar 6.9. k k k C k (a) (b) Gambar 6.. angkaan pengntegral dengan dua masukan Cnth Tentukan keluaran dar rangkaan pada gambar 6.b Penguat Operasnal

16 Jawab Dar ttk ke dapat dlhat sebaga pembag tegangan sehngga memberkan = = / (dengan melhat sebaga tanah maya) dan juga ( )/k = ( )/k Jad = Sehngga = Cnth Tentukan pesamaan keluaran dar rangkaan pada gambar 6.b Jawab Gambar 6.b menunjukkan salah satu aras rangkaan pengntegral. Dengan metde hubung sngkat maya, kta mempunya : = Arus yang melalu adalah : ( ) = ( ) / / Tegangan pada kapastr adalah : = C dt dan juga Jad C dt = C dt C dt = C dt ELEKTONIKA DASA

17 s C A sn ωt C (a) (b) Gambar 6. Varas bentuk rangkaan pada pamp Cnth Untuk suatu S dan pada rangkaan pada gambar 6.a dberkan dalam bentuk persamaan derensal rde pertama; tentukan persamaan tersebut. Jawab Jumlah arus yang masuk pada ttk adalah nl, sehngga S d C dt = dan juga d dt = C C S Cnth 5 Buktkan bahwa keluaran rangkaan pada gambar 6.b mempunya ampltud A (tdak tergantung pada,c dan ω) dan mengalam pergeseran ase (tergantung pada,c dan ω). Jawab mempunya ampltud lebh kecl dar A dan terjad pergeseran ase sebesar φ, dmana ( / ) φ = tan Cω Penguat Operasnal

18 Besarnya ampltud dberkan leh A ( C ) / / ω = A / ( / Cω) = A/ ( tan φ) = A cs φ sehngga = A csφ sn ( ω φ) t = ( dengan tanah maya) Kta juga mempunya A sn ω t = sehngga = = A cs = A sn = A sn A snω t φ sn( ω t φ) ( ω t φ ) A ( ω t φ ) Asnω t snω t Asnω t Terlhat bahwa rangkaan memlk pergeseran ase dua kal dbandngkan rangkaan C sederhana, tetap tdak mengalam pelemahan ampltud. 6.7 Penguatan Nnlner Sebuah penguat perasnal deal adalah merupakan prant lner, yatu besarnya keluaran berbandng lurus dengan masukan untuk semua harga masukan. Terdapat beberapa aplkas pentng nnlner dar pamp, yang palng sederhana adalah sebaga kmparatr (cmparatr). Secara sederhana aplkas n hanya berupa pembandngan tegangan yang dkenakan pada kedua masukannya dan melhat mana yang berharga lebh tngg Kmparatr (Cmparatr) Pada gambar 6.a, jka tegangan masukan lebh besar dar tegangan reerens V, tegangan keluaran akan berharga pst. Karena harga penguatan sangat besar maka perbedaan tegangan yang relat kecl akan membawa penguat pada daerah jenuh. ELEKTONIKA DASA

19 Karakterstk transer menunjukkan bahwa sedkt penurunan pada (mllt) akan membawa pamp dar jenuh pst ke jenuh negat (lhat gambar 6.b). Jka V = lt, n akan menjad zercrssng cmparatr. Kmparatr jens n dapat dgunakan untuk mengubah syarat AC menjad gelmbang ktak dengan peras pemtngan (clpper) sepert terlhat pada gambar 6.c. V A Masukan A Keluaran (a) (b) (c) Gambar 6. Aplkas nnlner pamp : a) Kmparatr, b) karakterstk transer dan c) peras pemtngan (clpper) Pembagkt Gelmbang Ktak Gelmbang ktak dapat dbangktkan dengan rangkaan yang murah dan sederhana dengan sebuah pamp dan sepasang dda zener. Pada gambar 6.a, sebuah kapastr C ds melalu resstr S. dar keluaran dbatas leh harga Vz atau Vz melalu dde dan Vz C A s Vz/ T/ T t T/ Vz/ Vz (a) (b) Gambar 6. Pembangkt gelmbang ktak sederhana a) angkaan dasar dan b) bentuk gelmbang untuk = Penguat Operasnal 5

20 Opamp akan membandngkan dengan Vz yang dperleh dar pembag tegangan dmana dalam hal n =. Saat Vz = berubah tanda, akan berubah tanda. Setengah dar akan dumpankan kembal (balkan pst) ke termnal tak membalk untuk membuat pamp pada keadaan jenuh. Untuk melhat bagamana rangkaan pada gambar 6.a bekerja, buat asums = dan Vz = V. Pada saat t =, mendekat harga 5 V. Pada saat t =, mencapa harga (katakan) 5, V, dan ke harga pst, membuat pamp dalam keadaan jenuh pst namum dbatas leh harga V. Karena adalah tegangan pada C, maka tdak dengan segera dapat berubah dan pada t =, 5V. Karena = V, maka tegangan cenderung memaksa arus melewat sebesar = ( 5) 5 V. = Tegangan kapastr akan bertambah secara ekspnensal mengkut t / C ( e ) 5 = 5 Saat melewat Vz = 5V, termnal masukan pst akan lebh pst dbandngkan dengan termnal negat, berubah tanda dan akan negat. Setengah dar akan dumpankan kembal membuat semakn negat, dan akan menjad Secara umum, dmana ( ) = H / dan = HVz pada t =, Vz. = t / C ( H ) Vz ( e ) HVz (6.) untuk putaran pertama. Pata saat t T /, = HVz. Substtus nla n ke persamaan = 6. dperleh perde sebesar T H = C ln (6.) H Pembangkt gelmbang ktak d atas dengan menggunakan dde zener dapat dperaskan pada daerah rekuens aud. 6 ELEKTONIKA DASA

21 .7. Pembangkt Gelmbang Segtga Dengan menggunakan beberapa pamp hampr semua bentuk gelmbang atau pulsa dapat dbangktkan. Sebaga cnth pada gambar 6.a dperlhatkan rangkaan pembangkt gelmbang segtga. I A A s I A C Vz t Kmparatr (a) Integratr Vz T (b) Gambar 6. Pembangkt gelmbang segtga sederhana : a) angkaan dengan dua buah pamp dan b) Bentuk gelmbang. Saat terjad perubahan, kmparatr beralh antara jenuh pst dan negat dengan keluaran terptng pada Vz atau Vz. Buat asums bahwa Vz pada saat t = ; arus yang mengalr ke ntegratr adalah I = Vz /, dmana n juga mengs kapastr C. Keluaran ntegratr adalah merupakan tegangan kapastr atau = V I C t dt = V I C t (6.) Sebagan dar tegangan dumpankan kembal melalu ke termnal pst kmparatr. Saat berubah tanda ke negat, kmparatr beralh ke jenuh negat, berubah ke Vz, dan arus knstan I berbalk. In akan menyebabkan berbentuk segtga. Besarnya ampltud dapat dkntrl dengan A ( ) A A, yang mengatur aktr balkan H = /, dan rekuens dapat datur leh, yatu dengan mengntrl arus yang mengalr ke kapastr. Penguat Operasnal 7

22 6.8.Kmputer Analg Kmputer analg elektrnk mdern adalah merupakan alat untuk mempredks karakterstk suatu sstem yang dapat dterangkan dengan kumpulan persamaan aljabar atau derensal. Prsedur pemrgraman berupa penyusunan pamp untuk melakukan peras sesu dengan persamaan sstem yang dkehendak dan menamplkan haslnya. K K Σ () dt (a) Penguat Pembalk (b) Penjumlah (c) Integratr Gambar 6.5 Smbul peras ungs dengan pamp D sampng pamp sepert terlhat pada gambar 6.5, dalam praktek kmputer dlengkap dengan resstr dan kapastr yang press, pembangkt ungs untuk berbaga bentuk masukan, ptensmeter, saklar pengntrl, slskp atau tamplan keluaran dan papan untuk merakt kmpnen sesua dengan prgram yang dkehendak. K M x F cs ωt D Gambar 6.6 Cnth suatu sstem ss Salah satu aplkas kmputer analg yang banyak dpaka adalah untuk menyelesakan persamaan ntegral lner. Untuk memberkan gambaran dcba untuk melhat suatu sstem ss sepert dperlhatkan pada gambar 6.6. Dbuat asums massa M berharga knstan dan pegas dalam knds lner ( x = K ), dan besarnya gaya gesekan D berbandng lurus dengan kecepatan u, sstem tersebut dapat dgambarkan dengan persamaan derensal lner 8 ELEKTONIKA DASA

23 d x dx = = F csω t M D x (6.) dt dt K dan sekumpulan knds awal. karakterstk sstem dapat dapat dnyatakan dalam bentuk x ( t) atau kecepatan ( t) u dmana u = dx / dt. Kta berharap dapat menamplkan karakterstk n dengan membuat prgram kmputer untuk menyelesakan persamaan. Langkah awal adalah dengan menyelesakan dereas tertngg. mengantspas ners pada pamp kta menulskan Untuk d x F D dx = csω t x (6.5) dt M M dt KM Untuk memenuh persamaan tersebut dperlukan peras matematka berupa penjumlahan, ntegras, ners, dan perkalan dengan knstanta. Satu penjumlahan dan dua ntegras dperlhatkan pada gambar 6.7; pada masngmasng peras terdapat ners. F cs ω t M x KM D dx M dt Σ d x dt d x dt _ dx _ dt dx dt x (a) (b) (c) Gambar 6.7 Operas yang dperlukan untuk menyelesakan persamaan 6.5. Langkah berkutnya adalah menyusun elemen kmputer untuk menyelesakan persamaan tersebut. Dengan mengetahu masukan yang dperlukan pada penjumlah, kta dapat mengambl syarat (dalam bentuk tegangan) dan memberkan perkalan knstanta dan ners. Dengan mengabakan knds awal, salah satu bentuk prgram dperlhatkan pada gambar 6.8. Penguat Operasnal 9

24 F M cs ωt Σ d x _ dx dt dt x KM x D M dx dt _ D M KM x _ KM Gambar 6.8 Prgram kmputer analg untuk persamaan 6.5. Sebuah slskp dengan snkrnsas yang benar yang dhubungkan pada termnal akan dapat menamplkan perpndahan x ( t). Kecepatan ( t) u terseda pada termnal, namun dperlukan ners untuk mengubah tandanya. Terlhat dalam hal n dperlukan enam pamp, namun dengan pengaturan tertentu slus dapat dperleh dengan hanya menggunakan pamp kurang dar jumlah tersebut. ELEKTONIKA DASA