MODUL - 04 Op Amp ABSTRAK

Transkripsi

1 MODUL - 04 Op Amp Yuri Yogaswara, Asri Setyaningrum Program Studi Magister Pengajaran Fisika Institut Teknologi Bandung yogaswarayuri@gmail.com ABSTRAK Pada percobaan praktikum Op Amp ini digunakan IC LM741 yang memiliki masukan tak membalik v+(non-inverting), masukan membalik v- (inverting) dan keluaran vo. Jika isyarat masukan dihubungkan dengan masukan membalik (v-), maka pada daerah frekuensi tengah isyarat keluaran akan berlawanan fase (berlawanan tanda dengan isyarat masukan). Sebaliknya, jika isyarat masukan dihubungkan dengan masukan tak membalik (v+), maka isyarat keluaran akan sefase. Adapun prosedur percobaan ini yaitu sebagai berikut: Pertama menyusun rangkaian penguat membalik(inverting) dengan rangkaian filter high pass filter dan low pass filter (gambar 1) kemudian menghubungkan rangkain tersebut pada signal generator, dan penguat catu daya yang telah dibuat dalam proyek RBL sebagai sumber tegangan listrik. Amati gelombang keluaran (output) dan masukannya (input) pada osiloskop dan menghitung besar tegangan masukan dan keluarannya dengan menubah nilai frekuensinya. Kedua dengan cara yang sama menyusun rangkaian penguat tidak membalik(non inverting) dengan rangkaian filter high pass filter dan low pass filter (gambar 2) kemudian menghubungkan rangkain tersebut pada signal generator, dan penguat catu daya yang telah dibuat dalam proyek RBL sebagai sumber tegangan listrik. Amati gelombang keluaran (output) dan masukannya (input) pada osiloskop dan menghitung besar tegangan masukan dan keluarannya dengan menubah nilai frekuensinya. ketiga mensimuliasikan rangkaian penguat komparator pada proteus (gambar 3) kemudian mengamati gelombang masukan dan keluarnya kemudian dianalisis lebar pita gelombangnya. Kesimpulan dalam percobaan ini yang pertama, Op-amp inverting dan non inverting dapat digunakan untuk membalik fase suatu sinyal input. Kedua, Op-amp inverting dan non inverting dapat digunakan untuk melakukan penguatan terhadap tegangan dari suatu input sinyal yang kecil sehingga didapat suatu sinyal keluaran yang besar. Ketiga, Op-Amp inverting dan non inverting ini memiliki dua rangkaian feedback (umpan balik) yaitu feedback negatif dan feedback positif dimana Feedback negatif pada op-amp memegang peranan penting. Kata Kunci : LM741, Op Amp Inverting, Op Amp Non Inverting

2 A. PENDAHULUAN Dalam kehidupan sehari hari selain digunakan di industri, rangkain elektronika Op Amp juga banyak digunakan dalam berbagai peralatan rumah tangga yang kita miliki, Aplikasi rangkaian elektronika Op Amp banyak digunakan untuk kepentingan peralatan rumah tangga dan industri. Aplikasi elektronika Op Amp pada peralatan rumah tangga dapat dilihat pada UPS (Uninterabable Power Supply), peralatan pengubah daya dari listrik DC menjadi listrik AC (inverter), catu daya untuk laptop, notebook dan komputer. Op Amp atau Operational Amplifier itu sendiri merupakan sebuah komponen yang terdiri dari banyak resistor, dioda, dan transistor. Bagaimana cara kerja mendasar dari rangkaian Op Amp ini? B. TEORI DASAR Penguat operasional (op-amp) adalah sebuah penguat instan yang bisa langsung dipakai untuk benyak aplikasi penguatan. Sebuah Op amp biasanya berupa IC (Integrated Circuit). Pengemasan Op amp dalam IC bermacam-macam, ada yang berisi satu op amp (contoh : 741), dua op amp (4558, LF356), empat op amp (contoh = LM324, TL084), dll. Penguat Operasional atau disingkat Op-amp adalah merupakan sutu penguat differensial berperolehan sangat tinggi yang terterkopel DC langsung yang dilengkapi dengan umpan. Oleh karena itu, penguat operasional lebih banyak digunakan dengan loop tertutup daripada dalam lingkar terbuka. Gambar 1(a) Skematik Op Amp, (b)fisik Op Amp (diambil dari Gambar 1 menunjukkan sebuah blok op-amp yang mempunyai berbagai tipe dalam bentuk IC. Dalam bentuk paket praktis IC seperti tipe 741 hanya berharga beberapa ribu rupiah.

3 Seperti terlihat pada gambar 1, op amp memiliki masukan tak membalik v+(non-inverting), masukan membalik v- (inverting) dan keluaran vo. Jika isyarat masukan dihubungkan dengan masukan membalik (v-), maka pada daerah frekuensi tengah isyarat keluaran akan berlawanan fase (berlawanan tanda dengan isyarat masukan). Sebaliknya, jika isyarat masukan dihubungkan dengan masukan tak membalik (v+), maka isyarat keluaran akan sefase. Sebuah opamp biasanya memerlukan catu daya ± 15 V. Dalam menggambarkan rangkaian hubungan catu daya ini biasanya dihilangkan. Beberapa sifat ideal dari Op-amp adalah sebagai berikut: a. Penguat lingkar terbuka tak berhingga atau A v, Ib = b. Hambatan keluaran lingkar terbuka adalah nol atau R 0, Ib = 0 c. Hambatan masukan lingkar terbuka tak berhingga atau R i, Ib = d. Lebar pita tak berhingga atau f= f 2 f 1 = e. Nisbah penolakan modus bersama (CMRR) Karakteristik Op-amp Keuntungan dari pemakaian penguat operasional ini adalah karakteristiknya yang mendekati ideal sehingga dalam merancang rangkaian yang menggunakan penguat ini lebih mudah dan juga kareana penguat ini bekerja pada tingkatan yang cukup dekat dengan karakteristik kerjanya secara teoritis. Karakteristik utama sebuah penguat operasional yang ideal adalah: a. Impedansi masukan tak terhingga. Penguat yang ideal diharapkan tidak menarik arus masukan, artinya tidak ada arus yang masuk kedalam terminal 1 maupun 2 (I1 = I2 = 0). b. Impedansi keluaran sama dengan nol. Terminal 3 merupakan keluaran penguat operasional, idealnya diharapkan bertindak sebagai terminal keluaran sebuah sumber sumber tegangan ideal. Tegangan antara terminal 3 dengan ground akan selalu sama dengan A, dimana A adalah faktor penguatan sebuah penguat operasional. c. Penguatan loop terbuka tak terhingga. Apabila dioperasikan pada loop terbuka (tidak ada umpan balik dari keluaran ke masukan), maka sebuah penguat opersaional ideal mempunyai gain (penguatan) yang besarnya tak terhingga.

4 Aplikasi dan Rangkaian Dasar Op-amp Fungsi atau aplikasi rangkaian Op-amp yaitu: Penguat Membalik (inverting) Penguat membalik adalah penggunanan op- amp sebagai penguat sinyal dimana sinyal outputnya berbalik fasa 180 derajat dari sinyal input. Pada penguat ini dimana, masukannya melalui input membalik pada penguat operasional, dan keluarannya berlawanan fasa dengan masukan. Gambar.2 Rangkaian Penguat Membalik/ inverting (diambil dari Untuk mencari penguatan/gain dari rangkaian amplifier inverting dengan Op Amp dapat menggunakan persamaan berikut : Penguat tidak Membalik (Non Inverting) Penguat non inverting ini hampir sama dengan rangkaian inverting hanya perbedaannya adalah terletak pada tegangan inputnya dari masukan noninverting. Hasil tegangan output noninverting lebih dari satu dan selalu positif. Penguat ini dimana, masukannya melalui input tak membalik (non inverting) pada penguat operasional dan keluarannya sefasa dengan masukan. Gambar 3 Rangkaian Penguat Tidak Membalik/Non Inverting (diambil dari

5 Untuk mencari penguatan/gain dari rangkaian amplifier non inverting dengan Op Amp dapat menggunakan persamaan berikut : Komparator (Pembanding) Comparator adalah penggunaan op amp sebagai pembanding antara tegangan yang masuk pada input (+) dan input (-). Jika input (+) lebih tinggi dari input (-) maka op amp akan mengeluarkan tegangan positif dan jika input (-) lebih tinggi dari input (+) maka op amp akan mengeluarkan tegangan negatif. Dengan demikian op amp dapat dipakai untuk membandingkan dua buah tegangan yang berbeda. Gambar 4 Rangkaian Komparator (diambil dari Untuk mendapatkan Vout dapat menggunakan persamaan berikut :

6 C. METODE Adapun prosedur percobaan ini yaitu sebagai berikut: Pertama menyusun rangkaian penguat membalik(inverting) dengan rangkaian filter high pass filter dan low pass filter (gambar 5) kemudian menghubungkan rangkain tersebut pada signal generator, dan penguat catu daya yang telah dibuat dalam proyek RBL sebagai sumber tegangan listrik. Amati gelombang keluaran (output) dan masukannya (input) pada osiloskop dan menghitung besar tegangan masukan dan keluarannya dengan menubah nilai frekuensinya. Kedua dengan cara yang sama menyusun rangkaian penguat tidak membalik(non inverting) dengan rangkaian filter high pass filter dan low pass filter (gambar 6) kemudian menghubungkan rangkain tersebut pada signal generator, dan penguat catu daya yang telah dibuat dalam proyek RBL sebagai sumber tegangan listrik. Amati gelombang keluaran (output) dan masukannya (input) pada osiloskop dan menghitung besar tegangan masukan dan keluarannya dengan menubah nilai frekuensinya. ketiga mensimuliasikan rangkaian penguat komparator pada proteus (gambar 7) kemudian mengamati gelombang masukan dan keluarnya kemudian dianalisis lebar pita gelombangnya. Gambar 5 : a) Rangkaian Inverting dengan LPF, b) Rangkaian Inverting dengan HPF

7 Gambar 6 : a) Rangkaian Non Inverting dengan LPF, b) Rangkaian Non Inverting dengan HPF Gambar 7 : a) Rangkaian Op Amp Komparator D. DATA DAN PEMBAHASAN 1. Rangkaian Penguat Inverting HPF Frekuensi Cut Off HPF Inverting (Hz) C R Ro Rf 159 Hz 1µF 1kΩ 1kΩ 10kΩ Data Hasil Percobaan Penguat Inverting HPF Eksperimen Vin Filter = 0,5 volt

8 Frekuensi Praktikum Gain Simulasi Proteus Gain (Hz) Vout Filter Vout Amp Vout Filter Vout Amp 30 0,04 0,4 10 0,03 0, ,06 0,6 10 0,04 0, ,08 0,8 10 0,05 0, ,12 1,2 10 0,10 1, *) 0, ,39 3, , ,46 4, , ,48 4, , ,49 4, , ,49 4, , ,49 4,9 10 Rata rata gain 10,0 Rata rata gain 9,35 *) data untuk contoh perhitungan 12 Kurva Tanggapan Amplitudo Gain Grafik 1: kurva tanggapan ampliutudo rangkaian inverting HPF hasil simulasi proteus Dari hasil data hasil praktikum penguatan rangkaina inverting HPF bisa dianalsis bahwa besarnya penguatan rangkaina inverting HPF dibandingkan dengan secara teori adalah sama atau sesuai, yaitu memiliki penguatan 10 kali. Tetapi pada proteus hasil yang didapatkan tidak tepat 10 kali tetapi hampir mendekati yaitu

9 9,3. Mungkin hal ini disebabkan karena kurang teliti dalam membaca skala pada osiloskop di simulasi proteus. Berikut contoh perhitungan penguatan rangkaian Secara Teori hasil praktikum, yaitu asil simulasi proteus, yaitu Ini membuktikan bahwa data hasil praktikum sama secara teori. Pada rangakaian inverting HPF ini adanya penambahan tahanan dan kapasitor yang dimaksud adalah untuk memfilter sinyal masukan, oleh karena itu adanya batasan input dari frekuensi yang masuk dengan batas frekuensi cut off ditentukan dari nilai R dan C nya. Dari hasil analisis ternyata tampak bahwa jika frekuensi yang diberikan cukup tinggi maka menghasilkan penguatan yang sesuai dengan teori. Sehingga dapat dikatakan hasil praktikum ini ternyata sesuai keadaan karakteristik rangkaian filter lolos tinggi Gambar 8 : contoh sinyal gelombang tegnagan output hasil praktikum rangkaian Inverting HPF

10 Gambar 9 : contoh sinyal gelombang tegnagan input dan output simulasi proteus rangkaian Inverting HPF Dari gambar sinyal masukan dan keluaran nampak bahwa terdapat perbedaan fasa antara sinyal masukan dan sinyal keluaran sebesar hal ini juga sesuai dengan teori bahwa pada penguat ini dimana, masukannya melalui input membalik pada penguat operasional, dan keluarannya berlawanan fasa dengan masukan. 2. Rangkaian Penguat Inverting LPF Frekuensi Cut Off LPF Inverting (Hz) C R Ro Rf 159 Hz 1µF 1kΩ 20Ω 100kΩ Data Hasil Percobaan Penguat Inverting LPF Eksperimen Vin Filter = 0,5 volt Frekuensi (Hz) Praktikum Gain Simulasi Proteus Gain Vout Filter Vout Amp Vout Filter Vout Amp 30 0,8 4,8 6,0 0,33 0,43 1,3 40 0,8 4,4 5,5 0,33 0,56 1,7 50 *) 0,8 4,4 5,5 0,32 1,06 3, ,7 4,2 6,0 0,29 1,07 3,7

11 200 0,5 4 8,0 0,21 1,00 4, ,3 4 13,3 0,11 0,57 5, ,2 4 20,0 0,11 0,57 5, ,1 4 40,0 0,02 0,10 5, ,1 4 40,0 0,01 0,05 5, ,1 4 40,0 0,01 0,05 5,0 Rata rata gain 18,4 Rata rata gain 4,0 *) data untuk contoh perhitungan 6,0 Kurva Tanggapan Amplitudo 5,0 4,0 3,0 Gain 2,0 1,0 0, Grafik 2: kurva tanggapan ampliutudo rangkaian inverting LPF hasil simulasi proteus Dari hasil data hasil praktikum dan simulasi proteus penguatan inverting LPF bisa dianalsis bahwa besarnya penguatan bervariassi, rata rata penguatan hasil praktikum dan simulasi dibanding secara teori benda jauh. Mungkin kesalahan ini dikarenakan kesalahan paralak kesalahan membaca skala pada alat ukur atau ketelitian suatu alat ukur yang dipakai. Berikut contoh perhitungan data secara Teori, yaitu hasil praktikum, yaitu hasil simulasi proteus, yaitu

12 Kesalahan pada data hasil praktikum mungkin dikarenakan kesalahan dalam pengambilan data serta praktikum pada tapis lolos rendah ini tidak maksimal sehingga adanya ketidak sesuaian antara teori dan kesimpulan pada praktikum ini. Dari data nilai-nilai penguatan yang diperoleh dengan besarnya frekuensi yang digunakan maka dapat diketahui bahwa tinginya frekuensi yang diberikan tidak seiring dengan kecilnya keluaranya. Hal ini tidak sesuai dengan teori pada tapis/filter lolos rendah yang menyatakan bahwa tegangan keluaran pada rangkaian tapis lolos rendah berubah dengan frekuensi, makin tinggi frekuensi makin kecil keluaranya. Isyarat dengan frekuensi rendah mempunyai tegangan keluaran sama dengan tegangan masukan, sedangkan isyrat frekuensi tinggi mempunyai tenggangan keluaran yang diperlemah. Makin tinggi frekuensi makin lemah keluaranya. Dikatakan isyarat dengan frekuensi tinggi mendapat pelemahan. Inilah yang dimaksud sebagai tapis lolos rendah, artinya setiap isyarat dengan frekuensi rendah lolos dan isyarat dengan frekuensi tinggi tidak lolos yaitu diberi pelemahan. Lengkung yang menyatakan hubungan antara perbandingan dengan isyarat keluaran dan isyarat masukan dengan frekuensi disebut tanggapan ampilitudo. Gambar 10 : contoh sinyal gelombang tegnagan input dan output hasil praktikum rangkaian Inverting LPF

13 Gambar 11 : contoh sinyal gelombang tegnagan input dan output simulasi proteus rangkaian Inverting LPF Dari gambar sinyal masukan dan keluaran nampak bahwa terdapat perbedaan fasa antara sinyal masukan dan sinyal keluaran sebesar hal ini juga sesuai dengan teori bahwa pada penguat ini dimana, masukannya melalui input membalik pada penguat operasional, dan keluarannya berlawanan fasa dengan masukan. 3. Rangkaian Penguat Non Inverting Frekuensi Cut Off HPF&LPF Non Inverting (Hz) C R Ro Rf 159 Hz 1µF 1kΩ 2kΩ 18kΩ Data Hasil Percobaan Simulasi Proteus Vin Filter = 0,5 volt Frekuensi HPF Gain LPF Gain (Hz) Vout Filter Vout Amp Vout Filter Vout Amp , , , , , , , , , , , ,5 5 10

14 4000 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , Rata rata gain 10,0 Rata rata gain 10,0 Gambar 12 : contoh sinyal gelombang tegnagan input dan output simulasi proteus rangkaian Non Inverting LPF Pada percobaan simulasi proetus penguatan non inverting HPF maupun LPF memiliki nilai data yang sama. Dengan besar penguatan secara teori, yaitu Hal ini juga sama denga hasil percobaan simulasi proteus gain Vo dan Vi bisa dianalisis dari data, sebagai contoh salah satu data yaitu :

15 Dilihat dari bentuk sinyal masukan dan sinyal keluaran memiliki fasa yang sama. Hal ini juga sesuai dengan teori bahwa masukan melalui input tak membalik (non inverting) pada penguat operasional dan keluarannya sefasa dengan masukan. Sehingga dapat dikatakan hasil simulasi ini ternyata sesuai keadaan karakteristik rangkaian non inverting 4. Kenapa bentuk gelombang tegangan keluarannya ke potong Jawaban : Karena tegangan V.out melebihi V.saturasi sementara hasil output dari OP-AMP hanya sampai batas rating maksimal saturasi. Penyebabnya distorsi amplitudo sinyal output pada sebuah amplifier dapat berupa terpotongnya sinyal output pada sisi puncak positif maupun puncak negatif atau keduanya. Ini juga disebabkan karena V.in melebihi tegangan V.saturasi 5. Simuliasikan rangakain kompartor dengan Proteus Gambar 13 : Rangkaian Op Amp Komparator

16 Gambar 14 : sinyal gelombang rangkaian Op Amp Komparator penggunaan komparator op amp adalah sebagai pembanding antara tegangan yang masuk pada input (+) dan input (-). Jika input (+) lebih tinggi dari input (-) maka op amp akan mengeluarkan tegangan positif dan jika input (-) lebih tinggi dari input (+) maka op amp akan mengeluarkan tegangan negatif. Dengan demikian op amp dapat dipakai untuk membandingkan dua buah tegangan yang berbeda. Dapat dilihat dari sinyal masukan dan keluaran memiliki fasa yang berlawanan tetapi lebar pita atau bandwithnya sama. Kenapa pada rangkaian penguatan komparator harus adanya RL sebagai tahanan pada power supply nilai RL ini akan berpengaruh pada kinerja power supply, kalau RL nya kecil maka power supply akan panas. E. KESIMPULAN 1. Op-amp inverting dan non inverting dapat digunakan untuk membalik fase suatu sinyal input. 2. Op-amp inverting dan non inverting dapat digunakan untuk melakukan penguatan terhadap tegangan dari suatu input sinyal yang kecil sehingga didapat suatu sinyal keluaran yang besar.

17 3. Op-Amp inverting dan non inverting ini memiliki dua rangkaian feedback (umpan balik) yaitu feedback negatif dan feedback positif dimana Feedback negatif pada op-amp memegang peranan penting. F. DAFTAR PUSTAKA 1. Sutrisno Elektronika Teori dan Penerapannya Jilid 2. ITB: Bandung. 2. Septiawan, Reza Rendian Modul 04 Op-Amp Penguat Inverting, Non- Inverting, dan Comparator dengan Histeresis. ITB: Bandung 3. (diakses tanggal 25 Febuari 2017, pada pukul WIB)

18 Lampiran Dokumentasi