BABV INSTRUMEN PENGUAT

BABV INSTRUMEN PENGUAT Operasional Amplifier (Op-Amp) merupakan rangkaian terpadu (IC) linier yang hampir setiap hari terlibat dalam pemakaian peralatan elektronik yang semakin bertambah di berbagai bidang seperti bidang komunikasi audio dan radio, teknologi pengendalian pabrik, teknologi otomotif hingga teknologi kedokteran yang yang dikenal dengan nama instrumentasi medis. V.1. Teori Dasar Operasional Amplifier (Op-Amp) Operasional amplifier yang lebih dikenal dengan nama Op-Amp sebagai kependekan dan namanya, merupakan komponen elektronik yang kegunaannya sangat banyak. Ukuran Op-Amp sangat kecil yaitu sebesar kuku jari kita, memudahkan dalam perancangan-perancangan piranti elektronik yang pada saat ini cenderung memimmalkan ukuran. Isi dan sebuah Op-Amp tediri dan puluhan transistor, resistor dan kapasitor yang dikemas dalam suatu rangkaian terpadu, sehingga Op-Amp dapat disebut juga rangkaian terpadu (IC = Integrated Circuit). Dimana fungsinya adalah mewakili suatu rangkian tertentu sehingga membentuk suatu rangkaian yang kompak. Pada umumnya keunggulan IC ini tidak mudah terganggu oleh pengaruh suhu ataupun kesalahan kecil karena bahan dan IC tersebut. Penguatan (gain) yang besar mempunyai input yang besar pula sehingga output-nya benimpedansi rendah. Di dalam prakteknya, Op-Amp tidak dapat digunakan tanpa adanya komponen lain seperti resistor, kapasitor, dioda atau komponen lain. Untuk dapat memahami penggunaaan Op-Amp ini diperlukan adanya suatu kemampuan menganalisa rangkaian listrik. Semakin banyak kemampuan kita menganalisa rangkaian listrik, semakin luas kita dapat menetapkan penggunaan Op-Amp. V.2. Pengertian Dan Prinsip Dasar Operasional Amplifier Op - Amp adalah suatu penguat gandengan langsung yang memperkuat sinyal arus searah (DC) atau tegangan yang berubah-ubah terhadap satuan waktu. Penguatan yang tinggi dilengkapi dengan umpan balik untuk mengendalikan karakteristiknya secara menyeluruh. Simbol dan Op-Amp tampak pada Gambar 5.1. Universitas Gadjah Mada 1

Gambar 5.1. Simbol Operasional Amplifier A adalah penguat tegangan tanpa beban, dimana harga ini adalah tegangan yang kita dapatkan bila tidak ada beban yang dihubungkan pada keluaran. Tegangan masuk (V1 dan V2) dan tegangan keluaran (Vo) dihitung terhadap jalur tanah. Sumber tegangan (Vcc) yang diperlukan oleh Op-Amp ada dua macam, yaitu sumber tegangan positif (+ Vcc) dan sumber tegangan negatif (- Vcc). Hal ini ditujukan agar Op-Amp dapat memperkuat tegangan yang positif maupun negatif, begitu juga pada bagian output-nya di mana tegangan dapat berharga positif maupun negatif. Semua jenis Op-Amp mempunyai tiga buah bagian, yaitu penguat diferensial berimpedansi input tinggi, tingkat penguat sinyal dan output berimpedansi rendah. Tampak pada Gambar 5.2. pada penguat diferensial berimpedansi input tinggi memiliki tingkat stabilitas yang cukup tinggi (low drift), dan jangkauan band (band width) yang cukup lebar. Apablia sebuah penguat diferensial yang mempunyai dua buah input yaitu input inverting (-) dan input non inverting (+), maka penguat ini akan berfungsi membandingkan dua sinyal yang dimasukkan ke dalam input input nya. Sinyal yang keluar dari tingkat ini besarnya akan sebanding dengan perbedaan atau diferensial antara kedua sinyal yang masuk tadi. Tetapi bila kedua sinyal itu nol, maka output-nya nol juga. Polaritas kedua sinyal apabila sama maka output-nya akan sebanding dengan selisih dari kedua sinyal tersebut. Sebaliknya jika kedua sinyal itu berlawanan polaritasnya maka output-nya pun akan sebanding dengan jumlahnya. Bila salah satu input-nya nol (tidak ada sinyal) maka output akan sebanding dengan sinyal yang dimasukkan pada salah satu input-nya. Tingkat penguat berfungsi memperkuat sinyal yang ke!uar dan penguat diferensial sebesar mungkin (kira-kira 100.000 kali). Sedangkan output berimpedansi rendah Universitas Gadjah Mada 2

berfungsi mengisolasi tingkat penguat ini agar tidak dipengaruhi adanya beban dan menghasilkan daya pendorong. Gambar 5.2. Bagian Bagian dari Op-Amp V.3. Karakteristik Operasional Amplifier Secara teoritis Op-Amp adalah penguat yang mempunyai sifat-sifat atau karakteristik seperti penguat ideal. Tentunya apabila kita menyebutkan sebuah penguat ideal, maka komponen mi harus mempunyai karakteristik sebagai berikut : Faktor penguat Av (open loop gain) tak terhingga artinya jika ada perubahan sedikit saja pada bagian input-nya maka akan menghasilkan perubahan yang sangat besar pada output-nya. Bila input-nya sama dengan nol maka output-nya juga nol Impedansi input tak terhingga artinya input-nya tidak akan menarik daya dan tingkat sebelumnya, sehiigga yang diperlukan hanya perubahan tegangan saja. Impedansi pada bagian output-nya sangat rendah atau nol, artinya tegangan output-nya akan tetap walaupun impedansi beban hampir nol. Lebar band width tidak terhingga artinya penguat dan DC sama frekwensi tak terhingga tetap sama. Rise time sama dengan nol, artinya waktu yang dibutuhkan untuk mencapai harga puncak pada sinyal output akan sama dengan pada sinyal input. Tidak peka terhadap perubahan tegangan sumber atau perubahan suhu (tidak ada drift). Mengingat bahwa bahan bahan yang dipergunakan untuk membuat IC OpAmp kemampuannya terbatas, seperti halnya benda-benda lainnya yang terdapat di alam ini, maka pada kenyataannya sebuah Op-Amp tidaklah tepat seperti panguat yang ideal. Sebuah Op-Amp hanyalah sebuah penguat yang agak mendekati penguat ideal karena pada umumnya : Faktor penguat Av (open loop gain) walaupun cukup besar tetapi terbatas kira-kira 100.000 kali. Universitas Gadjah Mada 3

Bila harga pada input-nya nol, maka output-nya belum tentu tepat nol tetapi mungkin sedikit lebih atau kurang Walaupun impedansi input-nya relatif cukup tinggi, tetapi terbatas hanya beberapa ratus kilo Ohm saja. Sedangkan harga impedansi pada output-nya yang relatif rendah juga terbatas berkisar hanya beberapa puluh sampai ratus Ohm saja. Rise time-nya tidak nol. Kalaupun harga impedansi tegangan sumber atau temperatur cukup besar kerjanya akan terpengaruh. Disamping karakteristik-karekterisrik tersebut di atas ada beberapa karakteristik lagi yang berkaitan dengan masalah offset yang juga mempengaruhi daya Op-Amp, diantaranya adalah : Tegangan offset masukan Arus prategangan masukan Arus offset masukan Resistansi-resistansi basis yang berbeda CMRR (Common Mode Rejection Ratio). Kepatuhan keluaran AC Arus keluar hubung singkat Tanggapan frekwensi Laju slew Distorsi laju slew Lebar pita daya distorsi laju slew Penukaran (trade off) V.4. Aplikasi Penggunaan Operasional Amplifier Karena sifat-sifatnya yang agak mendekati penguat ideal ditambah bentuknya yang kompak berupa sebuah paket IC, maka Op-Amp banyak dipakai dalam berbagai rangkaian. Jenis aplikasi dan Op-Amp di antaranya adalah penguat AC, penjumlah dan pencampur audio, penguat diferensial dan instrumentasi, filter aktif, komparator, integrator, diferensiator, pengubah bentuk gelombang dan pembangkit gelombang (osilator). Namun aplikasi ini dibagi menjadi penguat linier dan penguat non linier. Universitas Gadjah Mada 4

V.4.a. Aplikasi Penggunaan Operasional Amplifier Pada rangkaian penguat jenis ini merupakan rangkaian penguat yang memelihara bentuk sinyal masukan berupa sinusoida dan sinyal keluarannyapun berbentuk sinusoida juga. 1) Penguat AC Mode Non Inverting Penguat AC adalah sebuah rangkaian yang berfungsi untuk memperkuat sinyal bolak balik misalnya sinyal audio. Penguat ini merupakan penguat tegangan yang mendekati ideal karena impedansi masuknya tinggi, impedansi keluarnya rendah, dan penguat tegangannya mantap. Untuk memperoleh suatu penguat lingkaran tertutup maka tinggal mengatur harga-harga dan R1 dan R2, tampak pada Gambar 5.3. Agar penguat hanya bekerja pada daerah frekwensi tertentu maka rangkaian umpan baliknya bisa berupa rangkaian resistor dan kapasitor. Gambar 5.3 Penguat AC Mode Non Inverting 2) Penguat AC Mode Inverting Rangkaian pada Gambar 5.4. adalah salah satu rangkaian Op-Amp yang paling luas digunakan. Rangkaian mi merupakan sebuah penguat yang gain untaian tertutupnya dan Vin, ke Vout ditentukan oleh harga R1 dan R2. Tegangan positif Vin diterapkan melalui tahanan masuk R1 ke masukan negatif Op-Amp. Umpan balik negatif dibuat oleh tahanan umpan balik R2. Tegangan antara masukan positif dan negatif pada dasarnya sama dengan nol, karenanya terminal masukan negatifjuga sama dengan nol. Potensial ground yang berada pada masukan negatif juga akan berharga nol. Untuk alasan ini maka masukan negatif dan Op-Amp dikatakan ada pada ground semu. Universitas Gadjah Mada 5

Gambar 5.4. Penguat AC Mode Inverting Karena ujung dan R1 yang satu ada di V in dan yang lain ada di nol volt, maka penurunan tegangan melalui R1 adalah V in dibagi R1. Seperti tampak pada Gambar 5.4. bahwa satu ujung dan R2 dihubungkan ke keluaran V Out, maka untuk memperoleh polaritas pada ingatlah ujung kiri R2 memaksa ujung kanan R2 menjadi negatif. Karenanya V out akan negatif bila V in -nya positif, dan sebaliknya V out akan positif bila V in -nya negatif. Hal inilah yang dikatakan penguat membalik (inverting). 3) Penguat Penjumlah dan Pencampur Audio Dalam penjumlah pada Gambar 5.5., semua anus masukan mengalir melalui tahanan umpan balik Ro, artinya anus yang mengalir pada Ri, tidak mempenganuhi anus yang mengalir pada Ri yang lain. Secara lebih umum dikatakan bahwa anus masukan tidak saling mempengaruhi karena masingmasing menghadapi potensial ground pada simpul penjumlah. Ini mengakibatkan tegangan V1, V2 dan V3 tidak saling mempengaruhi. Ciri ini khusus dikehendaki dalam suatu pembaur audio. Sebagai contoh misalnya V1, V2 dan V3 digantikan oleh mikrofon - mikrofon, maka tegangan AC dan tiap-tiap mikrofon akan dijumlahkan atau dibaurkan pada setiap saat. Penjumlah pembalik tiga masukan seperti tampak pada Gambar 5.5., sehingga tegangan masukan dapat dikalikan dengan suatu gain tegangan tetap dan hasilnya dijumlahkan. Sama seperti pada penjumlahan, tiap arus masukan ditentukan oleh tegangan masukan dan resistansi masukannya. Demikian pula semua arus-arus dijumlahkan bersamasama dalam Ro untuk rnembangkitkan suatu tegangan keluaran yang sama dengan Ro dikalikan jumlah arusnya, atau gain untuk tiap masukan bisa disetel sendiri-sendiri dengan memilih perbandingan yang dikehendaki antara Ro dan tiap tahanan Ri sebagai tahanan masukannya. Universitas Gadjah Mada 6

Gambar 5.5 Penguat penjumlah dan pencampur audio 4) Penguat Diferensial Penguat diferensial bisa mengukur maupun memperkuat isyarat - isyarat kecil yang terbenam dalam isyarat yang jauh lebih besar. Empat buah tahanan presisi dan sebuah Op-Amp membentuk sebuah penguat diferensial seperti yang tampak pada Gambar 5.6. Terminal masukannya ada dua yaitu V1 dan V2, dimana V1 sebagai masukan negatif dan V2 sebagai masukan positif. Tegangan keluaran dan penguat diferensator Vout sebanding dengan perbedaan tegangan yang diterapkan ke masukan negatif dan masukan positifnya, sehingga gain diferensial akan tergantung dan perbandingan tahanan-tahanannya. Gambar 5.6. Penguat Diferensial 5) Penguat Instrumentasi Penguat instrumentasi adalah salah satu dari penguat penguat yang paling bermanfaat, cermat dan serba guna yang ada pada saat ini. Penguat dibuat dari tiga buah Op-Amp dan tujuh buah tahanan, seperti yang tampak pad Gambar 5.7. Untuk menyederhanakan analisa rangkaiannya, perlu diingat bahwa penguat Universitas Gadjah Mada 7

instrumentasi sesungguhnya dibuat dengan menghubungkan sebuah penguat ke sebuah penguat diferensial dasar. Op-Amp A3 dan empat buah tahanan R yang sama membentuk sebuah penguat diferensial dengan gain sebesar 1, yang harus digandengkan hanyalah tahanan-tahanan R saja. Tahanan yang disiapkan dapat berubah-ubah untuk menyeimbangkan setiap tegangan mode bersama. Hanya ada satu tahanan ar yang digunakan untuk menyetel gain, dimana perbandingan antara ar dengan R adalah a. V1 diterapkan ke masukan negatif dan V2 dimasukkan ke masukan positif, sehingga Vout akan sebanding dengan perbedaan antara tegangantegangan masukannya. Gambar 5.7. Penguat Instrumentasi V.4.b. Rangkaian Penguat Non-Linier Penguat operasional non linier adalah sejenis rangkaian penguat yang bentuk sinyalnya berbeda dengan bentuk sinyal masukannya. 1) Komparator Kita sering membandingkan tegangan yang satu dengan yang lain untuk melihat tegangan mana yang lebih besar. Kita hanya memerlukan jawaban ya atau tidak saja, sebab sebuah pembanding (komparator) dapat menjawab pertanyaan tersebut. Sebuah komparator adalah rangkaian dengan dua tegangan masuk tak membalik dan membalik, dan satu tegangan keluaran. Bila tegangan Universitas Gadjah Mada 8

tak membalik lebih besar dan pada tegangan membalik, maka komparator menghasilkan tegangan keluaran yang tinggi, begitu pula bila sebaliknya. Rangkaian dasar Op-Amp sebagai komparator tampak pada Gambar 5.8. dimana Op-Amp dipasang tanpa tahanan umpan balik. Bila masukan membalik dihubungkan dengan ground, maka tegangan masukan akan kecil, sehingga sudah dapat membuat Op-Amp menjadi penuh. Titik perpindahan atau titik ambang dan sebuah komparator ialah harga tegangan masuk pada saat keluaran beralih keadaan misalnya dan rendah ke tinggi atau sebaliknya. Pada titik perpindahan barharga nol, karena pada saat tegangan masuk inilah keluaran berubah keadaan. Bila Vin lebih besar dan pada titik perpindahan, maka keluarannya akan tinggi pula, tapi bila Vin lebih kecil dan pada titik perpindahan maka keluarannya akan rendah. Rangkaian semacam ini sering disebut sebagai detektor melintas nol (zero crossing detector). Gambar 5.8. Komparator Komparator jenis lain adalah komparator window atau pembanding jendela, digunakan untuk membandingkan tegangan yang masuk melebihi suatu batas ambang tertentu dan mendeteksi kapan tegangan masuk ada diantara dua harga batas. Ini disebut juga sebagai detektor berujung ganda. Path rangkain ini dipasang dua buah dioda yang berfungsi untuk menyeleksi tegangan mana yang dapat masuk ke masukan Op-Amp. Bila tegangan masuk sama dengan nol, maka salah satu dioda akan mati atau off. Karena masukkan tak membalik dijepit sebesar satu tegangan, dioda yang yang dimasuki tegangan masukan tak membalik akan berharga tinggi, sedangkan masukan membalik berharga rendah dan tegangan kesalahannya negatif serta keluaran pembanding rendah. Universitas Gadjah Mada 9

2) Integrator Integrator adalah sebuah rangkaian yang menyelenggarakan operasi integrasi secara matematik, karenanya dapat menghasilkan tegangan keluaran yang sebanding dengan integrasi masukkannya. Pemakian yang umum ialah menggunakan tegangan masuk tetap untuk menghasilkan tegangan keluar berbentuk lereng. Sebuah lereng ialah tegangan yang mendaki atau menurun secara linier. Misalkan jika kita menggerakkan 741C dengan undakan tegangan, maka keluarannya dengan laju slew 0,5 volt/detik, berarti tegangan keluarannya berubah sebesar 0,5 volt setiap satu mikrodetik. Pada Gambar 5.9., digambarkan sebuah integrator yang dibangun dengan sebuah Op-Amp, sebuah tahanan dan sebuah kapasitor. Masukan yang lazim pada sebuah integrator adalah pulsa persegi, dimana Vin diterapkan pada ujung kiri tahanan R, karena adanya ground semu, arus masuk berharga tetap. Sehingga hampir semua arus ini mengalir ke kapasitor, menyebabkan muatan pada kapasitor naik secara linier. Karena adanya pembalik fasa pada Op-Amp, maka tegangan keluamya berbentuk lereng negatif. Pada ujung perioda pulsa tegangan masuk kembali ke nol, arus pengisian kapasitor berhenti. Ini menimbulkan tegangan keluar masih tetap pada tingkat negatif. 3) Diferensiator Diferensiator adalah rangkaian yang melakukan operasi secara matematik, dan menghasilkan tegangan keluar yang sebanding dengan kemiringan tegangan masuknya. Umumnya deferensiator digunakan untuk mendeteksi tepi mendahului dan tepi ketinggalan dan sebuah pulsa persegi atau menghasilkan keluaran opersegi dan masukan lereng. Universitas Gadjah Mada 10

Gambar 5.10. Differensiator Gambar 5.10. menunjukkan sebuah rangkaian deferensiator OpAmp. Perhatikanlah kemiripannya dengan integrator Op-Amp, di mana perbedaannya terletak pada tahanan dan kapasitornya yang saling berpindah tempat. Bila tegangan masuk berubah maka kapasitor diisi atau dikosongkan. Karena adanya ground semu, arus kapasitor mengalir melalui tahanan umpan balik yang menghasilkan tegangan yang setara dengan kemiringan dan tegangan masuk. 4) Pengubah Bentuk Gelombang Op-Amp dapat digunakan juga untuk merubah bentuk gelombang, diantaranya adalah merubah bentuk gelombang sinus menjadi gelombang persegi, gelombang persegi menjadi gelombang segitiga dan gelombang segitiga menjadi gelombang pulsa. i. Gelombang Sinus Menjadi Gelombang Persegi Gambar 5.11. adalah gambar pengubah bentuk gelombang sinus menjadi gelombang persegi, yang lebih dikenal sebagai pemicu schmitt. Pemicu ini selalu menghasilkan gelombang persegi terlepas dan bentuk sinyal masuknya. Dengan kata lain tegangan masukkan tidak harus berbentuk sinusoida. Selama bentuk gelombangnya periodik dan mempunyai amplitudo yang besar untuk melewati titik perpindahan, maka akan didapatkan keluaran gelombang persegi dan pemicu schmitt dengan frekwensi yang sama dengan sinyal masuknya. Universitas Gadjah Mada 11

Gambar 5.11 Pengubah Gelombang Sinus Menjadi Gelombang Persegi ii. Gelombang Persegi Menjadi Gelombang Segitiga Gelombang persegi merupakan masukkan dan sebuah integrator, karena tegangan masuknya mempunyai harga DC atau rata - rata sama dengan nol. Harga ini yang menyebabkan tegangan ofset keluaran diabaikan. Seperti tampak pada Gambar 5.11, lereng menurun selama setengah tegangan masuk yang positif dan naik selama setengah siklus tegangan masuk negatif dengan frekwensi sama dengan frekwensi masuknya. Selama tegangan masuk berbentuk gelombang segitiga yang melebihi tegangan acuan, maka keluarannya akan tinggi. Karena tegangan acuan dapat diatur maka kita dapat mengubah lebar pulsa keluaran, yang artinya dengan mengubah siklus kerja, maka kita dapat memperoleh frekwensi sinyal keluaran yang sama dengan frekwensi sinyal masukan. 5) Pembangkit Gelombang (Osilator) Pembangkit gelombang yang disebut juga osilator dengan menggunankan Op-Amp akan membangkitkan atau menciptakan sinyal keluaran meskipun tanpa adanya sinyal masukan. i. Osilator Relaksasi Perhatikan Gambar 5.12., bagaimana rangkaian ini dapat menghasilkan gelombang keluaran tanpa adanya sinyal masukkan. Misalkan keluarannya berada pada kejenuhan positif, maka kapasitor akan mengisi muatan secara eksponensial ke arah positif jenuh. Ia tidak akan pernah mencapai keadaan tersebut, karena tegangan yang melalui titik perpindahan atas, keluarannya selalu beralih ke keadaan negatif jenuh. Universitas Gadjah Mada 12

Gambar 5.13. Pembangkit Gelombang Segitiga Sekarang tegangan negatif diumpan balikkan, sehingga muatan kapasitor menjadi turun. Bila tegangan kapasitor mencapai titik perpindahan bawah, maka keluarannya beralih kembali ke keadaan positif jenuh. Ini disebabkan oleh karena adanya pengisisan dan pengosongan kapasitor secara terus menerus, sehingga bentuk gelombang yang dihasilkan akan berbentuk persegi. Rangkaian ini disebut osilator relaksasi. ii. Pembangkit Gelombang Segitiga Dengan menghubungkan secara cascade sebuah osilator relaksasi dengan sebuah integrator akan mendapatkan bentuk gelombang segitiga. Pada Gambar 5.13 diperlihatkan gelombang persegi yang dihasilkan oleh osilator relaksasi akan menggerakkan integrator untuk mengubah bentuk gelombang persegi menjadi gelombang segitiga. Gelombang persegi berayun diantara keadan positif jenuh dan negatif jenuh. Gelombang segitiga yang dihasilkan mempunyai frekwensi yang sama dengan frekwensi masukannya. Apabila keluaran integrator diumpan balikkan ke osilator relaksasi untuk menggerakkan pemicu schmitt, maka kita akan mendapatkan rangkaian yang amat menarik, di mana tahap pertama menggerakkan tahap kedua dan tahap kedua menggerakkan tahap pertama, begitu seterusnya. Universitas Gadjah Mada 13

Gambar 5.13. Pembangkit Gelombang Segitiga Ada satu pengertian dari penjelasan di atas, yaitu dengan cara bagaimana rangkaian ini mulai bekerja? Bila kita menyalakan daya, keluaran pemicu schmitt harus berada pada keadaan rendah atau tinggi. Bila keadaannya rendah maka integrator menghasilkan lereng positif, dan bila keadaannya tinggi amak integrator menghasilkan lereng negatif. Pada keadaan ini pembentuk segitiga telah dimulai dan umpan balik positif akan tetap menjaga agar rangkaian terus bekerja. Universitas Gadjah Mada 14