Modul 04: Op-Amp. Penguat Inverting, Non-Inverting, dan Comparator dengan Histeresis. 1 Alat dan Komponen. 2 Teori Singkat

Transkripsi

1 Modul 04: Op-Amp Penguat Inverting, Non-Inverting, dan Comparator dengan Histeresis Reza Rendian Septiawan March 3, 2015 Op-amp merupakan suatu komponen elektronika aktif yang dapat menguatkan sinyal dengan tingkat penguatan yang tinggi. Op-amp banyak digunakan untuk membangun blok rangkaian yang jauh lebih kompleks. Op-amp itu sendiri merupakan sebuah komponen yang terdiri dari banyak resistor, dioda, dan transistor yang dikemas dalam satu kemasan terintegrasi. Namun kita tidak perlu membahas atau mengetahui secara detail fungsi dan cara kerja dari komponen-komponen yang berada di dalam op-amp itu sendiri, yang terpenting adalah kita mengetahui bagaimana cara kerja mendasar dari op-amp itu sendiri. 1 Alat dan Komponen 1. Osiloskop 2. Multimeter 3. Signal generator 4. Catu daya DC 5. Kabel jumper 6. IC op-amp dan soketnya 7. project board 8. Resistor dan kapasitor 2 Teori Singkat 2.1 Op-amp Dalam skema rangkaian, op-amp biasa dilambangkan seperti tampak pada Gambar 1. Kakikaki utama dari op-amp terdiri dari kaki masukan inverting, kaki masukan non-inverting, dan kaki keluaran. Namun karena op-amp termasuk dalam kategori komponen aktif, op-amp membutuhkan koneksi catu daya yang terdiri dari koneksi dengan tegangan positif dan negatif. Gambar 1: Simbol dari op-amp pada rangkaian (diambil dari buku Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). Op-amp ideal memiliki karakteristik impedansi diantara kedua kaki masukannya adalah tak hingga sehingga tak membebani rangkaian yang memberi sinyal masukan, memiliki penguatan loop terbuka yang besarnya tak hingga, dan memiliki impedansi keluaran yang sama dengan nol. Namun pada prakteknya, tak ada op-amp yang ideal. Di dunia nyata, karakteristik dari op-amp ideal biasanya didekati oleh devais op-amp yang memiliki impedansi masukan yang tinggi, penguatan tegangan yang tinggi, pita respon frekuensi penggunaan yang lebar, serta impedansi keluaran yang rendah, sehingga bisa diasumsikan op-amp tersebut mendekati karakteristik dari op-amp ideal. Beberapa op-amp yang umum berada di pasaran adalah IC LM741, OP177, AD8041, TL061, TL071, dan TL081. Beberapa jenis IC ada yang memiliki lebih dari satu op-amp diskret dalam satu devais IC, antara lain IC TL082 dan TL084 yang masing-masing memiliki 2 dan 4 1

2 Modul 04: Op-Amp halaman 2 op-amp dalam satu IC. Gambar 2: Contoh dari kaki keluaran IC op-amp TL082 (diambil dari datasheet TL082 oleh ST Electronics). Cara kerja op-amp secara mendasar adalah sebagai devais penguat diferensial dengan penguatan yang tak hingga. Perbedaan sinyal masukan yang sangat kecil pada kedua kaki masukan op-amp dapat membuat keluaran dari op-amp langsung tersaturasi pada rangkaian op-amp yang terbuka. Hal ini menyebabkan keluaran dari op-amp menjadi tidak linear dan tidak stabil. akan menjadi mudah. Akibat penggunaan umpan balik negatif inilah op-amp dapat bekerja sebagai penguat sinyal. 2.2 Op-amp Sebagai Penguat Non- Inverting Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, untuk membuat op-amp sebagai rangkaian penguat membutuhkan jalur umpan balik negatif. Salah satu rangkaian penguat paling sederhana dari op-amp adalah rangkaian penguat non-inverting. Skema rangkaian penguat ini dapat dilihat pada Gambar 4. Gambar 4: Rangkaian penguat non-inverting pada op-amp (diambil dari buku Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). Gambar 3: Perbedaan masukan yang kecil pada kaki op-amp akan membuat op-amp tersaturasi pada rangkaian terbuka (diambil dari buku Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). Untuk membuat keluarannya menjadi stabil, dibutuhkan rangkaian umpan balik negatif yang akan memberikan sebagian fraksi sinyal dari kaki keluaran menuju kaki masukan inverting dari opamp. Dengan membuat jalur umpan balik negatif ini akan membuat sinyal yang masuk ke kaki inverting menjadi sama dengan sinyal yang masuk ke kaki non-inverting. Dengan menggunakan asumsi ini, maka proses analisis rangkaian pada op-amp Dengan memberikan sinyal masukan V in pada kaki non-inverting dan memberikan umpan balik negatif V f pada kaki inverting yang berasal dari sinyal keluaran V out, maka op-amp akan stabil pada kondisi tegangan masukan di kaki inverting V sama dengan tegangan masukan di kaki noninverting V +. V in = V + = V = V f (1) Namun dari rangkaian tersebut kita dapat melihat bahwa tegangan umpan balik V f merupakan fraksi dari tegangan keluaran V out yang dilewatkan pada pembagi tegangan yang terdiri dari dua buah resistor R f dan, sehingga kita dapat menuliskan V f = R f + V out (2) Sehingga kita dapat menuliskan bahwa besarnya penguatan dari rangkaian penguat non-inverting

3 Modul 04: Op-Amp halaman 3 adalah sebagai berikut A = V out V in = R f + 1 (3) 2.3 Op-amp Sebagai Penguat Inverting Konfigurasi lainnya dari op-amp sebagai penguat dengan menggunakan jalur umpan balik negatif adalah sebagai penguat inverting. Pada konfigurasi ini, sinyal masukan V in akan diberikan pada kaki masukan inverting dari op-amp seteleh melewati hambatan, sedangkan kaki masukan noninverting dihubungkan dengan ground sehingga tegangan di kaki non-inverting V + maupun di kaki inverting V akan sama dengan nol. Kondisi ini disebut dengan virtual ground. Seperti biasa, sinyal keluaran V out dari kaki keluaran diumpan balik melewati hambatan R f menuju kaki masukan inverting. Konfigurasi penguat inverting dapat dilihat pada Gambar 5. Pada rangkaian penguat Gambar 5: Rangkaian penguat inverting pada opamp (diambil dari buku Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). inverting, arus yang berasal sinyal masukan yang melewati hambatan adalah I i = V in V = V in (4) Akibat dari kondisi virtual ground dan impedansi masukan yang tinggi, maka tidak ada arus yang akan masuk ke op-amp dan semua arus akan diteruskan ke rangkaian umpan balik negatif I i = I f (5) Besarnya arus yang melewati jalur umpan balik negatif dapat dituliskan sebagai berikut I f = V V out R f = V out R f (6) Sehingga didapatkan penguatan dari rangkaian penguat inverting adalah sebagai berikut A = V out V in = R f (7) Akibat fasa dari sinyal keluaran yang terbalik dengan fasa sinyal masukan, maka rangkaian ini dinamakan rangkaian penguat inverting. 2.4 Op-amp Sebagai Komparator dengan Histeresis Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, prinsip dasar dari op-amp adalah untuk membandingkan masukan dari kedua kaki inputnya. Jika terdapat perbedaan sedikit saja antara kedua kaki masukannya, akan mengakibatkan kondisi keluaran dari opamp langsung berubah, membuat op-amp menjadi tidak stabil akibat adanya gangguan noise latar belakang. Selain itu terdapat juga beberapa kondisi yang membutuhkan op-amp sebagai komparator dengan titik batas on dan off yang berbeda. Kondisi ini membutuhkan op-amp sebagai komparator dengan histeresis antara titik nyala dan mati dari keluarannya. Untuk membuat op-amp sebagai komparator dengan histeresis, dibutuhkan jalur umpan balik positif dari kaki keluaran op-amp menuju kaki masukan non-inverting dengan sinyal masukan diberikan pada kaki masukan inverting. Kaki keluaran dari op-amp dapat bernilai ±V out(max), sehingga kaki masukan non-inverting dapat bernilai V + = R 1 + (±V out(max) ) (8) Saat kaki keluaran bernilai +V out(max), maka kaki masukan non-inverting akan bernilai V + = V UT P = R 1 + (+V out(max) ) (9) sehingga sinyal masukan pada kaki inverting harus bernilai lebih besar dari nilai tegangan tersebut untuk dapat memicu kondisi off dari op-amp. Tegangan batas ini dinamakan tegangan ambang batas

4 Modul 04: Op-Amp halaman 4 3 Percobaan 3.1 Op-amp Sebagai Penguat Non- Inverting 1. Susun rangkaian seperti pada Gambar 4. Gunakan Gambar 6: Rangkaian komparator dengan histeresis pada op-amp (diambil dari buku Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). atas (upper threshold point, UTP). Sedangkan saat keluaran dari op-amp berada pada kondisi LOW ( V out(max) ), maka kaki masukan non-inverting akan bernilai V = V LT P = R 1 + ( V out(max) ) (10) sehingga sinyal masukan pada kaki inverting harus turun melewati nilai tegangan tersebut untuk dapat memicu op-amp menjadi kondisi on. Tegangan batas ini dinamakan tegangan ambang batas bawah (lower threshold point, LTP). Akibat kondisi titik nyala dan mati dari op-amp yang berbeda, maka rangkaian ini dinamakan rangkaian komparator dengan histeresis. Gambar 7: Respon op-amp pada rangkaian komparator histeresis terhadap sinyal masukan (diambil dari buku Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). dengan rentang dari 20 Hz 100 khz. Amati sinyal keluaran dan masukannya. Hitung penguatannya. 3. Ulangi untuk 5 konfigurasi hambatan dan R f yang berbeda. Tampilkan kurva penguatannya dalam satu gambar. 3.2 Op-amp Sebagai Penguat Inverting 1. Susun rangkaian seperti pada Gambar 5. Gunakan dengan rentang dari 20 Hz 100 khz. Amati sinyal keluaran dan masukannya. Hitung penguatannya. 3. Ulangi untuk 5 konfigurasi hambatan dan R f yang berbeda. Tampilkan kurva penguatannya dalam satu gambar. 3.3 Op-amp Sebagai Summing Amplifier 1. Susun rangkaian seperti pada Gambar 5. Gunakan dengan rentang dari 1 khz 10 khz. Sambungkan SG dengan rangkaian pembagi tegangan. Sambungkan keluaran langsung dari SG dan keluaran dari pembagi tegangan ke rangkaian penguat inverting dengan nilai yang berbeda. Amati sinyal masukan dan keluarannya. Hitung penguatannya. 3. Ulangi untuk 5 konfigurasi hambatan 1 dan 2 yang berbeda.

5 Modul 04: Op-Amp halaman 5 4. Ulangi dengan menggunakan dua buah SG sehingga bisa divariasikan nilai frekuensinya. 3.4 Op-amp Sebagai Penguat Inverting Bertingkat 1. TL082 memiliki dua buah op-amp diskret dalam satu IC. Susun dua buah rangkaian inverting bertingkat. dengan rentang dari 1 khz 10 khz. 3. Ulangi untuk 5 konfigurasi hambatan dan R f yang berbeda untuk masing-masing opamp. Referensi [1] Thomas L. Floyd dan David Buchla. Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition Prentice Hall.