Oleh: Reinhard NIM:

Transkripsi

1 MODUL PRAKTIKUM CURRENT FEEDBACK OPERATIONAL AMPLIFIER Oleh: Reinhard NIM: Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektronika Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga Januari 2015

2

3

4

5

6 INTISARI Dalam kegiatan belajar mengajar di Fakultas Teknik Elektro dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana, penggunaan komponen operational amplifier (op-amp) sebagai komponen utama praktikum sangat sering dijumpai, namun jenis op-amp yang digunakan adalah voltage feedback amplifier. Padahal ada jenis op-amp lain yang belum pernah dibahas maupun dipraktikumkan yaitu current feedback operational amplifier. Prinsip kerja dari CFA (current feedback operational amplifier) jauh berbeda dari op-amp yang biasa digunakan, CFA memanfaatkan arus yang mengalir antara kedua inputan (inverting dan non inverting) dalam melakukan fungsi penguatan, sedangkan VFA (voltage feedback amplifier) memanfaatkan perbedaan nilai tegangan antara kedua inputan. Perbedaan cara kerja antara kedua penguat ini membuat CFA memiliki beberapa keunggulan dibanding dengan VFA diantaranya CFA dapat bekerja pada frekuensi masukan yang sangat tinggi. Persamaan- persamaan yang berlaku pada CFA juga berbeda dengan persamaan- persamaan pada VFA, dimana penggunaan resistor umpan balik negatif pada aplikasi- aplikasi untai yang menggunakan CFA sangat perlu diperhatikan karena adanya factor transimpedansi (Z). penggunaan nilai resistor umpan balik yang besar dapat mempengaruhi nilai penguatan yang dihasilkan oleh CFA, dimana nilai penguatan akan turun dari yang diharapkan, karena adanya pengaruh dari transimpedansi (Z) Modul praktikum yang dibuat pada tugas akir ini terdiri atas 8 topik praktikum yang sebagian besar berisi panduan bagi mahasiswa untuk mempelajari karakteristik dari CFA dan aplikasi aplikasi CFA dalam beberapa jenis rangkaian penguat maupun tapis aktif yang sudah dikenal oleh mahasiswa, untuk nantinya dapat dibandingkan hasilnya dengan penggunaan VFA

7 ABSTRACT In the teaching and learning activities of electrical and computer engineering faculty at Satya Wacana Christian University, the use of operational amplifier (op-amp) as the practical training main component are often to be seen, however the type of op-amp used in the practical training is voltage feedback operational amplifier. Besides the is another type of op-amp that never been discussed before by the lecturer, it is the current feedback operational amplifier The working principle of CFA (current feedback operational amplifier) is far different compare to the common op-amp, CFA utilize current which is flowing between both input of the CFA, meanwhile the VFA (Voltage feedback amplifier) utilize the voltage diference between both input of the VFA, because of this contrast the CFA has some advantage compare to the VFA which are that the CFA can work on high frequencies input. The equations work on CFA are also different copare to the VFA, where the usage of negative feedback resistor while designing an amplifeing circuit using CFA have to be necessary concerned because of the transimpedance (Z) factor. Using a high value of the negative feedback resistor will affect the gain value produced by the CFA, where the gain value will reduced from what is expected. The practice module made in this final project consist of 8 topics which mainly contain guidances for electrical engineering students to study about the CFA characteristic, kinds of CFA application as an amplifeing circuits and, some active filters that they have known, so they can compare the CFA practical training result with the use of VFA

8 KATA PENGANTAR Puji Syukur ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, atas segala berkat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan studi dan skripsi di Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana. Penulis ingin mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada: 1. Haryono Trisnadi dan Sinawati Sadikun selaku Ayah dan Ibu, yang telah membesarkan dan membiayai kuliah penulis dengan penuh kasih sayang dan kesabaran 2. Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, M.T selaku pembimbing 1 3. Bapak Deddy Susilo, M.Eng selaku pembimbing 2 4. Aletheia Anggelia Tonoro yang telah banyak memberi dukungan semangat selama menjalankan studi di FTEK UKSW 5. Teman- teman kos Kalipengging Amsal, Yonas, Yohanes Inka, Gde, Hendry, dan Veto, yang telah banyak membantu dalam perkuliahan di FTEK UKSW 6. Ivan Dwinanda dan Awang Astu yang banyak membantu selama hidup di kota Salatiga 7. Teman-teman Teman-Teman kafe Rindang. 9. Teman-teman lab skripsi 10. Semua keluarga besar FTEK UKSW mulai dari dosen sampai pegawai gedung C. Walaupun masih banyak kekurangan dalam pembuatan skripsi ini, penulis berharap skripsi ini dapat berguna dan dapat disempurnakan suatu hari kelak. Salatiga, 9 januari 2015 Penulis, Reinhard

9 DAFTAR ISI INTISARI... i ABSTRACT... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... iv DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... xi BAB I PENDAHULUAN Tujuan Latar Belakang Spesifikasi Sistem Sistematika Penulisan...3 BAB II DASAR TEORI Current Feedback Operational Amplifier Karakterisitik Operational Amplifier Penguat tegangan open loop Hambatan masukan Bandwidth Slew rate Transimpedansi (Z) Current Feedback Op-amp sebagai penguat non-inverting Current Feedback Op-amp sebagai penguat inverting...10 BAB III PERANCANGAN Perancangan susunan pedoman praktikum Perancangan Pedoman Praktikum Pengukuran Karakteristik Op-amp CFA (Lampiran A) Pengukuran hambatan masukan kaki inverting dan non inverting opamp (Rin) Pengukuran nilai transimpedansi Pengukuran tegangan keluaran maksimum...15

10 Pengukuran slew rate opamp current feedback Karakteristik Rangkaian dasar Op-amp CFA(penguat membalik, penguat tak membalik, penguat penjumlah. Lampiran B) Penguat tak membalik Penguat membalik (Inverting) Penguat penjumlah (Summing Amplifier) Pembatasan Lebar Pita Pada Penguat Berbasis CFA (Lampiran C) Integrator Berbasis Op-amp CFA (Lampiran D) Integrator dengan CFA Diferensiator dengan CFA Stabilitas dan Kompensasi Pada Op-amp CFA (Lampiran E) Penguat selisih dan Penguat Instrumentasi berbasis Op-amp CFA (Lampiran F) Penguat selisih (Differential Amplifier) Penguat Instrumentasi Tapis-Tapis Aktif Berbasis Op-amp CFA (Lampiran G) Penguat Photocurrent Berbasis Op-amp CFA (Lampiran H)...33 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS Pengukuran Karakteristik Op-amp CFA Pengukuran hambatan masukan kaki inverting dan non inverting opamp (Rin) Pengukuran nilai transimpedansi Pengukuran tegangan keluaran maksimum Pengukuran slew rate Karakteristik Rangkaian dasar Op-amp CFA(penguat membalik, penguat tak membalik, penguat penjumlah) Penguat tak membalik (non inverting amplifier) Penguat Inverting Penguat penjumlah (summing amplifier) Pembatasan Lebar Pita Pada Op-amp CFA Integrator Berbasis CFA Integrator berbasis CFA...67

11 Diferensiator Berbasis CFA Stabilitas dan Kompensasi Pada Op-amp CFA Penguat selisih dan Penguat Instrumentasi berbasis Op-amp CFA Penguat selisih (Differntial amplifier) Penguat Instrumentasi Berbasis CFA Tapis-Tapis Aktif Berbasis Op-amp CFA Low pass filter orde High pass filter orde Low pass filter orde High pass filter orde Penguat Photocurrent Berbasis Op-amp CFA...97 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran Pengembangan DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN A LAMPIRAN B LAMPIRAN C LAMPIRAN D LAMPIRAN E LAMPIRAN F LAMPIRAN G LAMPIRAN H...133

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 3.1. Konfigurasi pin LT Gambar 3.2.(a). Rangkaian Pengukur Hambatan masukan kaki non inverting...14 Gambar 3.2.(b). Rangkaian Pengukur Hambatan masukan kaki inverting...14 Gambar 3.3. Internal CFA...14 Gambar 3.4. Rangkaian Pengukur Transimpedansi...15 Gambar 3.5. Untai penguat Membalik untuk mencari Vomax...15 Gambar 3.6. Untai penguat non inverting untuk mencari Vomax...16 Gambar 3.7. Rangkaian pengukur slew rate...16 Gambar 3.8. Penguat tak membalik (non inverting)...17 Gambar 3.9. Rangkaian penguat inverting...17 Gambar Rangkaian penguat penjumlah...18 Gambar Grafik Bandwidth vs Tegangan supply LT Gambar Untai penguat tak membalik untuk mencari bandwidth...20 Gambar Integrator dengan CFA...20 Gambar Diferensiator dengan CFA...21 Gambar Rangkaian penguat tak membalik untuk mencari stabilitas CFA...22 Gambar Sinyal keluaran RLC seri underdamped...23 Gambar Rangkaian RLC seri...24 Gambar Rangkaian Penguat selisih...25 Gambar Rangkaian Penguat Instrumentasi...26 Gambar Rangkaian dan Low pass Filter orde Gambar Rangkaian High pass Filter orde Gambar Respon Frekuensi Butterworth Filter...30 Gambar VCVS(Voltage controlled voltage source)...30 Gambar Rangkaian low pass Filter orde Gambar Rangkaian High pass Filter orde Gambar Symbol photodiode...33 Gambar Rangkaian penguat photocurrent...34 Gambar 4.1.(a). Untai untuk mencari Hambatan masukan pada kaki non inverting...36

13 Gambar 4.1.(b). Untai untuk mencari Hambatan masukan pada kaki inverting...36 Gambar 4.2. Untai Penguat tak membalik untuk mencari nilai transimpedansi...38 Gambar 4.3. Grafik frekuensi terhadap transimpedansi...41 Gambar 4.4. Untai penguat membalik untuk mencari Vomax...42 Gambar 4.5. Sinyal Vomax pada penguat inverting(volt/div=5volt)...42 Gambar 4.6. Untai penguat non inverting untuk mencari Vomax...43 Gambar 4.7. Sinyal Vomax pada penguat non inverting(volt/div=5volt)...43 Gambar 4.8. Untai untuk mencari nilai slewrate...44 Gambar 4.9. slew rate CFA...44 Gambar Slew rate dalam 1 sumbu...44 Gambar Rangkaian penguat non-inverting...45 Gambar Output non-inverting ketika R2=2kΩ, R1=1kΩ (volt/div=0,5volt)...45 Gambar Output non-inverting ketika R2=20kΩ, R1=10kΩ (volt/div=0,5volt).46 Gambar Output non-inverting ketika R2=200kΩ, R1=100kΩ (volt/div=0,5volt)...46 Gambar Output non-inverting ketika R2=1MΩ, R1=500kΩ (volt/div=0,5volt)...47 Gambar Tanggapan frekuensi penguat non-inverting berbasis CFA...51 Gambar Rangkaian penguat membalik...52 Gambar Output inverting ketika R2=2kΩ, R1=1kΩ (volt/div=0,5volt)...52 Gambar Output inverting ketika R2=20kΩ, R1=10kΩ (volt/div=0,5volt)...53 Gambar Output inverting ketika R2=200kΩ, R1=100kΩ (volt/div=0,5volt)...53 Gambar Output inverting ketika R2=1MΩ, R1=500kΩ (volt/div=0,5volt)...54 Gambar Tanggapan frekuensi penguat inverting...57 Gambar Rangkaian penguat penjumlah...58 Gambar Output summing R1=1k, R2=1k, R3=1k (volt/div=1volt)...58 Gambar Output summing R1=1k, R2=1k, R3=2k (volt/div=1volt)...59 Gambar Output summing R1=100k, R2=100k, R3=100k (volt/div=1volt)...59 Gambar Output summing R1=100k, R2=100k, R3=200k (volt/div=1volt)...60 Gambar Penguat tak membalik untuk mencari bandwidth...62 Gambar Bandwidth ketika Rf=1kΩ, Rg=100Ω,Vcc/Vee=+15/

14 Gambar Bandwidth ketika Rf=1kΩ, Rg=100Ω,Vcc/Vee=+7/ Gambar Bandwidth ketika Rf=2kΩ, Rg=200Ω,Vcc/Vee=+15/ Gambar Bandwidth ketika Rf=2kΩ, Rg=200Ω,Vcc/Vee=+7/ Gambar Bandwidth ketika Rf=10kΩ, Rg=1kΩ,Vcc/Vee=+15/ Gambar Rangkaian integrator berbasis CFA...67 Gambar sinyal Vo dan Vi integrator dengan R1=10kΩ dan C1=10nF...67 Gambar sinyal Vo dan Vi integrator dengan R1=1kΩ dan C1=100pF...68 Gambar sinyal Vo dan Vi integrator dengan R1=100Ω dan C1=100pF...69 Gambar Rangkaian diferensiator berbasis CFA...70 Gambar sinyal Vo dan Vi diferensiator dengan R1=1kΩ dan C1=100nF...70 Gambar sinyal Vo dan Vi diferensiator dengan R1=1kΩ dan C1=1nF...71 Gambar sinyal Vo dan Vi diferensiator dengan R1=1kΩ dan C1=100pF...72 Gambar Untai penguat tak membalik untuk mencari stabilitas CFA...73 Gambar Stabilitas saat R1 dan R2= 1kΩ...73 Gambar Stabilitas saat R1 dan R2= 10kΩ...73 Gambar Stabilitas saat R1 dan R2= 5kΩ...74 Gambar Stabilitas saat R1 dan R2= 500Ω...74 Gambar Rangkaian RLC seri pada Circuit maker...77 Gambar Hasil Simulasi Rangkaian RLC pada Circuit maker...77 Gambar Rangkaian penguat selisih (differential amp)...78 Gambar Vi1 dan Vo diff amp saat R1,R3=1kΩ dan R2,R4=1kΩ...79 Gambar Vi2 dan Vo diff amp saat R1,R3=1kΩ dan R2,R4=1kΩ...80 Gambar Vi1 dan Vo diff amp saat R1,R3=100Ω dan R2,R4=1kΩ...81 Gambar Vi2 dan Vo diff amp saat R1,R3=100Ω dan R2,R4=1kΩ...81 Gambar Vi1 dan Vo diff amp saat R1,R3=100Ω dan R2,R4=1kΩ...82 Gambar Vi2 dan Vo diff amp saat R1,R3=100Ω dan R2,R4=1kΩ...82 Gambar Rangkaian penguat instrumentasi...83 Gambar Vo1 penguat instrumentasi (volt/div=0,5volt)...85 Gambar Vo2 penguat instrumentasi (volt/div=0,1volt)...85 Gambar Vo akir penguat instrumentasi (volt/div=0,5volt)...85 Gambar rangkaian low pass filter orde

15 Gambar Tanggapan frekuensi LPF orde 1 berbasis CFA...87 Gambar rangkaian high pass filter orde Gambar Tanggapan frekuensi HPF orde 1 berbasis CFA...89 Gambar rangkaian lowpass filter orde Gambar Tanggapan frekuensi LPF orde 2 berbasis CFA...92 Gambar faktor kualitas LPF orde Gambar rangkaian highpass filter orde Gambar Respon frekuensi HPF orde Gambar rangkaian penguat photocurrent...97 Gambar untai internal penguat photocurrent...98 Gambar Rangkaian penyusun photodioda...100

16 DAFTAR TABEL Tabel 4.1. Respon frekuensi Rin pada kaki non-inverting...36 Tabel 4.2. Tegangan keluaran berdasarkan perubahan R1 dan r2 dalam mencari nilai Transimpedansi...38 Tabel 4.3. Transimpedansi saat R1 dan R2= 1kΩ...39 Tabel 4.4. Transimpedansi saat R1 dan R2= 10kΩ...40 Tabel 4.5. Transimpedansi saat R1 dan R2= 100kΩ...40 Tabel 4.6. Transimpedansi saat R1 dan R2= 200kΩ...40 Tabel 4.7. Respon Frekuensi penguat non inverting saat R2=2kΩ, R1=1kΩ...45 Tabel 4.8. Respon Frekuensi penguat non inverting saat R2=20kΩ, R1=10kΩ...46 Tabel 4.9. Respon Frekuensi penguat non inverting saat R2=200kΩ, R1=100kΩ...47 Tabel Respon Frekuensi penguat non inverting saat R2=1MΩ, R1=500kΩ...47 Tabel Respon Frekuensi penguat inverting saat R2=2kΩ, R1=1kΩ...52 Tabel Respon Frekuensi penguat inverting saat R2=20kΩ, R1=10kΩ...53 Tabel Respon Frekuensi penguat inverting saat R2=200kΩ, R1=100kΩ...53 Tabel Respon Frekuensi penguat inverting saat R2=1MΩ, R1=500kΩ...54 Tabel Respon Frekuensi penguat penjumlah R1=1k,R2=1k,R3=1k...58 Tabel Respon Frekuensi penguat penjumlah R1=1k,R2=1k,R3=2k...59 Tabel Respon Frekuensi penguat penjumlah R1=100k,R2=100k,R3=100k...59 Tabel Respon Frekuensi penguat penjumlah R1=100k,R2=100k,R3=200k...60 Tabel Respon frekuensi low pass filter orde 1 dengan Ra dan Rb =1kΩ, R1=1kΩ,C1=100pF...86 Tabel Respon frekuensi low pass filter orde 1 dengan Ra dan Rb =100kΩ, R1=1kΩ,C1=100pF...86 Tabel Respon frekuensi high pass filter orde 1 dengan Ra dan Rb =1kΩ, R1=1kΩ,C1=10nF...88 Tabel Respon frekuensi high pass filter orde 1 dengan Ra dan Rb =100kΩ, R1=1kΩ,C1=10nF...88 Tabel Respon frekuensi low pass filter orde 2 dengan Ra, Rb =1kΩ, R1,R2=1kΩ,C1,C2=100pF...90

17 Tabel Respon frekuensi low pass filter orde 2 dengan Ra, Rb =100kΩ, R1,R2=1kΩ,C1,C2=100pF...90 Tabel Respon frekuensi high pass filter orde 2 dengan Ra, Rb =1kΩ, R1,R2=1kΩ,C1,C2=100pF...94 Tabel Respon frekuensi High pass filter orde 2 dengan Ra, Rb =100kΩ, R1,R2=1kΩ,C1,C2=100pF...94 Tabel Respon frekuensi penguat photocurrent dengan Cf=100pF...97 Tabel Respon frekuensi penguat photocurrent dengan Cf=50pF...97