MODUL 08 Penguat Operasional (Operational Amplifier)

P R O G R A M S T U D I F I S I K A F M I P A I T B LABORATORIUM ELEKTRONIKA DAN INSTRUMENTASI MODUL 08 Penguat Operasional (Operational Amplifier) 1 TUJUAN Memahami prinsip kerja Operational Amplifier. Memahami aplikasi Operational Amplifier sebagai penguat inverting. Memahami aplikasi Operational Amplifier sebagai penguat non-inverting. Memahami aplikasi Operational Amplifier sebagai integrator. Memahami aplikasi Operational Amplifier sebagai penguat differensiator. Memahami aplikasi Operational Amplifier sebagai komparator. 2 PERSIAPAN Datasheet Operational Amplifier (Op-Amp) dengan tipe LM-741 (dibawa saat praktikum). Golden Rules Op-Amp. Rangkaian penguat inverting dan non-inverting menggunakan op-amp. Rangkaian integrator dan differensiator menggunakan op-amp. Rangkaian komparator menggunakan op-amp. Histerisis 3 PERALATAN PRAKTIKUM Osiloskop Signal Generator Catu daya (2 sumber) Multimeter Resistor Kapasitor Op-Amp LM-741 Project Board Kabel Jumper 4 DASAR TEORI Penguat Operasional atau Operational Amplifier (biasa dikenal dengan Op-Amp) merupakan sebuah komponen elektronika yang tersusun dari resistor, diode, dan transistor. Penyususn dari Op- Amp tersebut disusun dalam sebuah rangkaian yang terintegrasi atau yang biasa dikenal dengan Integrated Circuit (IC). Op-Amp dalam aplikasinya biasa digunakan sebagai penguat. Pada rangkaian, Op-Amp biasa dilambangkan seperti pada gambar 1. Pada gambar 1 dapat dilihat bahwa terdapat dua buah input, yaitu input inverting dan noninverting. Pada gambar 1 tersebut, terdapat pula dua sumber masukan sebagai sumber daya dari Op-Amp tersebut, yaitu tegangan positif (+Vcc) dan tegangan negative (-Vee). Gambar 1. Lambang Op-Amp pada rangkaian [1] Untuk dapat memahami sistem kerja dari Op-Amp, maka perlu diketahui terlebih dahulu beberapa sifat-sifat Op-Amp ideal, yaitu 1. Penguat lingkar terbuka (AVOL) tak berhingga. 2. Hambatan keluaran lingkar terbuka (Ro,ol) nol. 3. Hambatan masukan lingkar terbuka (Ri,ol) tak berhingga. 4. Lebar pita (bandwidth) tak berhingga atau f tak berhingga. 5. Common Mode Rejection Ratio (CMRR) tak berhingga. M O D U L P R A K T I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R 1

Op-Amp yang digunakan pada praktikum ini, yaitu Op-Amp dengan tipe LM-741. Pada tabel 1 dapat dilihat perbandingan antara Op-Amp ideal dengan LM-741. Tabel 1. Perbandingan Op-Amp ideal dengan LM-741 Op-Amp LM-741 mempunyai 8 kaki yang mana masing-masing kaki mempunyai fungsi masingmasing. Gambar 2. Kaki-kaki Op-Amp LM-741 [1] Penjelasan kaki Op-Amp LM-741, yaitu 1. Kaki 1 : Offset Null. Kaki ini berfungsi untuk mengontrol offset tegangan untuk meminimalkan kebocoran, karena Op-Amp berjenis differensial. 2. Kaki 2 : Inverting Input. Kaki ini berfungsi sebagai masukan pada Op-Amp. Sifat keluaran dari masukan melalui kaki ini, yaitu fasa sinyal keluaran akan berlawanan dengan sinyal masukan. 3. Kaki 3 : Non-Inverting Input. Kaki ini berfungsi sebagai masukan pada Op-Amp. Sifat keluaran dari masukan melalui kaki ini, yaitu fasa sinyal keluaran akan berfasa sama dengan sinyal masukan. 4. Kaki 4 : V negatif. Kaki ini berfungsi sebagai sumber daya tegangan negatif pada Op-Amp agar dapat bekerja. 5. Kaki 5 : Offset Null. Fungsi kaki ini sama dengan kaki 1. 6. Kaki 6 : Output. Kaki ini berfungsi sebagai keluaran dari Op-Amp. 7. Kaki 7 : V positif. Kaki ini berfungsi sebagai sumber daya tegangan positif. 8. Kaki 8 : Not Connected. Kaki ini befungsi pelengkap kemasan standar komponen 8-pin. Kaki ini tidak terhubung ke manapun pada rangakaian. Pada praktikum kali ini akan dilakukan beberapa percobaan rangkaian penguat, differensiator, integrator, dan komparator. Penjelasan rangkaian tersebut akan dibahas pada bagian berikut. 1. Penguat Inverting Penguat ini menggunakan kaki inverting sebagai masukan dari rangkaian. Sifat keluaran dari penguat ini, yaitu berlawanan fasa dengan masukan dan dikuatkan. Rangkaian dari penguat inverting dapat dilihat pada gambar 3. M O D U L P R A K T I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R 2

Persamaan penguatan dari rangkaian tersebut, yaitu V out = R f R 1 V in (1) Gambar 3. Rangkaian penguat inverting [1] 2. Penguat Non-Inverting Penguat ini menggunakan kaki non-inverting sebagai masukan dari rangkaian. Sifat keluaran dari rangkaian ini berbanding terbalik dengan rangkaian penguat inverting, yaitu keluaran sama fasa dengan masukan dan dikuatkan. Rangkaian penguat non-inverting dapat dilihat pada gambar 4. Persamaan penguatan dari rangkaian tersebut, yaitu V out = ( R f R 1 + 1) V in (2) 3. Integrator Rangkaian integrator memiliki keluaran yang sama dengan keluaran rangkaian tapis lolos rendah. Keluaran dari rangkaian ini merupakan integral dari masukan. Rangkaian integrator dapat dilihat pada gambar 5. Persamaan keluaran dari rangkaian tersebut, yaitu Gambar 4. Rangkaian penguat non-inverting [1] V out = 1 R in C V in dt 0 t (3) Gambar 5. Rangkaian integrator [2] 4. Differensiator Rangkaian differensiator memiliki keluaran yang sama dengan keluaran rangkaian tapis lolos tinggi. Keluaran dari rangkaian ini merupakan differensial dari masukan. Rangkaian differensiator dapat dilihat pada gambar 6. M O D U L P R A K T I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R 3

Persamaan keluaran dari rangkaian tersebut, yaitu V out = R f C dv in dt (4) Gambar 6. Rangkaian differensiator [3] 5. Komparator Rangkaian komparator merupakan aplikasi Op-Amp yang mana rangkaian tersebut berada dalam keadaan loop terbuka dan tidak linear. Keluaran dari rangkaian ini tidak berbanding lurus dengan masukan. Keluaran berupa +Vcc/-Vcc atau High/Low. Prinsip dasar rangkaian ini, yaitu membandingkan nilai masukan pada inverting dan non-inverting. Jika kaki non-inverting dianggap sebagai referensi, maka nilai keluaran bergantung pada masukan kaki inverting. Rangkaian komparator pada gambar 6 merupakan komparator dengan histerisis. Komparator dengan histerisis bertujuan untuk meminimalkan efek noise yang terjadi. Gambar 7. Rangkaian komparator [4] 5 TUGAS PENDAHULUAN 1. Apa yang dimaksud dengan Operational Amplifier? 2. Gambarkan lambang Op-Amp pada rangkaian dan jelaskan fungsi dari kaki-kaki pada lambang tersebut! 3. Apakah Op-Amp termasuk penguat differensial? Jelaskan! 4. Apa sifat dari keluaran jika masukan pada kaki inverting dan non-inverting? 5. Turunkan persamaan penguatan pada penguat inverting dan non-inverting! 6. Apakah rangkaian differensiator dan integrator bisa digolongkan sebagai rangkaian tapis? Jelaskan! 7. Buatlah kurva fungsi transfer yang histerisis dari rangkaian komparator pada gambar 6! 6 LANGKAH PERCOBAAN 1. Rangkaian penguat inverting a. Buat rangkaian seperti pada gambar 3. b. Sumber daya masukan pada +Vcc dan Vee, yaitu +12V dan -12V. c. Hubungkan kaki masukan dan keluaran rangkaian pada osiloskop untuk melihat sinyal masukan dan keluaran. d. Beri tegangan masukan yang berupa sinusoidal melalui signal generator. e. Ukur tegangan masukan dan keluaran menggunakan multimeter. f. Amati pula perbedaan tegangan masukan dan keluaran pada osiloskop. g. Variasikan tegangan masukan dan catat data tegangan masukan dan keluaran. Gambar pada osiloskop juga diambil. h. Plot tegangan keluaran terhadap tegangan masukan. Lakukan regresi linear untuk mendapatkan besar penguatan. 2. Rangkaian penguat non-inverting a. Buat rangkaian seperti pada gambar 4. b. Sumber daya masukan pada +Vcc dan Vee, yaitu +12V dan -12V. M O D U L P R A K T I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R 4

c. Hubungkan kaki masukan dan keluaran rangkaian pada osiloskop untuk melihat sinyal masukan dan keluaran. d. Beri tegangan masukan yang berupa sinusoidal melalui signal generator. e. Ukur tegangan masukan dan keluaran menggunakan multimeter. f. Amati pula perbedaan tegangan masukan dan keluaran pada osiloskop. g. Variasikan tegangan masukan dan catat data tegangan masukan dan keluaran. Gambar pada osiloskop juga diambil. h. Plot tegangan keluaran terhadap tegangan masukan. Lakukan regresi linear untuk mendapatkan besar penguatan. 3. Rangkaian integrator a. Buat rangkaian seperti pada gambar 5. b. Sumber daya masukan pada +Vcc dan Vee, yaitu +12V dan -12V. c. Hubungkan kaki masukan dan keluaran rangkaian pada osiloskop untuk melihat sinyal masukan dan keluaran. d. Beri tegangan masukan yang berupa sinyal kotak melalui signal generator. e. Amati bentuk sinyal masukan dan keluaran pada osiloskop. f. Variasikan frekuensi masukan melalu signal generator. Variasikan frekuensi di bawah, di atas, dan pada frekuensi potong. g. Ambil gambar masukan dan keluaran pada osiloskop. 4. Rangkaian differensiator a. Buat rangkaian seperti pada gambar 6. b. Sumber daya masukan pada +Vcc dan Vee, yaitu +12V dan -12V. c. Hubungkan kaki masukan dan keluaran rangkaian pada osiloskop untuk melihat sinyal masukan dan keluaran. d. Beri tegangan masukan yang berupa sinyal kotak melalui signal generator. e. Amati bentuk sinyal masukan dan keluaran pada osiloskop. f. Variasikan frekuensi masukan melalu signal generator. Variasikan frekuensi di bawah, di atas, dan pada frekuensi potong. g. Ambil gambar masukan dan keluaran pada osiloskop. 5. Rangkaian komparator a. Buat rangkaian seperti pada gambar 7. b. Sumber daya masukan pada +Vcc dan Vee, yaitu +12V dan -12V. c. Berikan nilai tegangan referensi (Vref) sebesar 5V. d. Berikan masukan sinusoidal. e. Amati dan ambil gambar sinyal keluaran pada osiloskop. 7 TUGAS LAPORAN 1. Jelaskan bagaimana proses penguatan pada rangkaian inverting dan non-inverting (dijelaskan dengan analisis aliran arus dan tegangan pada Op-Amp). 2. Apakah terdapat perbedaan besar penguatan hasil dari perhitungan menggunakan persamaan (1) dan (2)? Jelaskan! 3. Analisis hasil sinyal masukan dan keluaran pada osiloskop pada penguat inverting dan noninverting. 4. Apakah pengaruh sumber daya Op-Amp terhadap hasil penguatan inverting dan noninverting? (misal: sumber daya Op-Amp diberi sumber daya +5V dan -5V). 5. Analisis hasil sinyal masukan dan keluaran pada osiloskop pada rangkaian integrator dan differensiator. 6. Analisis sinyal keluaran pada osiloskop beserta tegangan keluaran ketika frekuensi masukan dibawah, diatas, dan pada frekuensi potong. 7. Turunkan persamaan (3) dan (4) (penurunan dilampirkan pada lampiran). 8. Jelaskan bagaiaman prinsip kerja rangkaian komparator. 9. Analisis sinyal masukan dan keluaran pada rangkaian komparator. 10. Apa yang dimaksud histerisis pada rangkaian komparator. M O D U L P R A K T I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R 5

8 REFERENSI [1] Malvino, Albert.2007.Electronic Principles.McGrawHill:New York [2] http://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_6.html [3] http://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_7.html [4] http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1272458 M O D U L P R A K T I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R 6

LOG AKTIVITAS Nama : NIM : Shift : Percobaan Penguat Inverting Data tegangan masukan dan keluaran No Tegangan masukan (V) Tegangan keluaran (V) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Gambar Sinyal Masukan dan Keluaran Osiloskop Penguat Inverting M O D U L P R A K T I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R 7

Percobaan Penguat non-inverting Data tegangan masukan dan keluaran No Tegangan masukan (V) Tegangan keluaran (V) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Gambar Sinyal Masukan dan Keluaran Osiloskop Penguat non-inverting M O D U L P R A K T I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R 8

Percobaan Integrator Data tegangan masukan dan keluaran pada frekuensi tertentu pada rangkaian Integrator Frekuensi Potong = Hz No Frekuensi Masukan (Hz) Tegangan Masukan (V) Tegangan Keluaran (V) 1 2 3 Gambar Sinyal Masukan dan Keluaran Osiloskop Rangkaian Integrator Percobaan Differensiator Data tegangan masukan dan keluaran pada frekuensi tertentu pada rangkaian Differensiator Frekuensi Potong = Hz No Frekuensi Masukan (Hz) Tegangan Masukan (V) Tegangan Keluaran (V) 1 2 3 Gambar Sinyal Masukan dan Keluaran Osiloskop Rangkaian Differensiator M O D U L P R A K T I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R 9

Percobaan Komparator Gambar Sinyal Masukan dan Keluaran Osiloskop Rangkaian Komparator M O D U L P R A K T I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R 10

Kurva tegangan terhadap arus dioda M O D U L P R A K T I K U M E L E K T R O N I K A D A S A R 11