ELEKTONIK NLOG Pertemuan KKTEISTIK PENGUT OPESIONL Penguat perasinal (p-amp mrpk suatu penguat perlehan tinggi ikpellangsung engan umpan-balik yang itambahkan utk mengenalikan karakteristik tanggapan keseluruhan. Penguat Operasinal Dasar Sr skematis, p-amp iperlihatkan paa gambar berikut. Penguat perasinal asar Masukan p-amp al (terminal nninerting an (terminal inerting. Keluaran p-amp al i. Perlehan / psiti (nninerting an perlehan / negati (inerting. Penguat p-amp ieal mpy siat-siat:. esistansi masukan i. esistansi keluaran 0. Perlehan tegangan 4. Lebar-pita 5. 0 jika 6. Karakteristiknya tk tergantung temperatur
Paa gambar berikut iperlihatkan penguat p-amp utk rangkaian inerting asar yg menggambarkan umpan-balik tegangan shunt. Impeansi umpan baliknya al Z an Z, serta terminal ( itanahkan. Perlehan tegangan engan umpan-balik inyatakan gn: Z' Z Penguat p-amp utk rangkaian inerting asar yg menggambarkan umpan-balik tegangan shunt nalisis: Karena i, maka arus I akan melalui Z an Z. i 0 saat, shg terminal inerting sr eekti terhubung ke tanah. Dgn mk maka: s IZ' Z' IZ Z Paa praktisnya, υ, i, an 0. Utk keaaan ini maka perlehan tegangan iberikan leh: υ Y' Y' Dengan υ al perlehan tegangan rangkaian terbuka (tanpa beban, Y /Z.
P gambar berikut iperlihatkan penguat p-amp nninerting yg p asarnya al penguat umpan-balik tegangan seri gn tegangan umpan-balik. Utk I 0, aktr umpan-balik β iperleh sbg: β Z Z Z' (a Penguat perasinal nninerting (b Cara penggambaran yg lain utk sistem yg sama Jika β >> maka perlehan tegangan gn umpan-balik iperleh: Z Z' β Z Z Z' Penguat Dierensial Penguat ierensial igunakan utk memperkuat perbeaan antara ua sinyal. Perhatikan gambar berikut. Keluaran mrpk ungsi linier r υ an υ, υ (υ - υ
Dgn ua sinyal masukan υ an υ an satu sinyal keluaran υ, maka utk iamp yang ieal berlaku: υ ( υ υ Dengan al perlehan penguat ierensial. Dlm prakteknya, keluaran tk hanya ipenagruhi leh selisih (ierensial keua sinyal masukan tetapi juga ipengaruhi leh tingkat rata-rata keua sinyal yg isebut engan sinyal me umum υ (mmn me signal: υ υ υ an υ ( υ υ Cmmn-Me ejetin ati (CM Utk memperhitungkan pengaruh tingkat rata-rata keua sinyal masukan p penguat ierensial, maka keluaran akan inyatakan sbg: υ υ υ Dgn al penguatan tegangan utk masukan an al penguatan tegangan utk masukan. Sehingga: υ υ υ an υ υ υ Maka keluaran pt inyatakan kembali sbg: Dengan υ υ υ ( an ( isebut perlehan me umum an isebut perlehan me selisih. Perbaningan antara an isebut g istilah Cmmn-Me ejetin ati (CM an inyatakan: CM ρ Dan keluaran apat inyatakan juga alam bentuk: 4
Cnth υ υ υ ρ υ Sebuah penguat ierensial engan υ 50 μ an υ 50 μ. Maka υ ( υ υ 00 μ υ ( υ υ 0 Sehingga: υ 00 μ Penguat Dierensial Diganeng Emiter P gambar berikut iperlihatkan penguat selisih (ierensial iganeng emiter simetris. Penguat ierensial iganeng emiter simetris Jika S S S maka 0 an S. Jika e, I 0, an leh karena knisi simetri maka iapatkan I e I e 0. Jika I b << I maka I 5
I e an karenanya akan menyebabkan 0. Dgn mk perlehan me umum akan menjai sangat keil an CM menjai sangat besar. Perlehan me selisih iperleh gn menyamakan S - S S /, sehingga I e - I e an I 0. Dengan mk pt iperleh sbg: S h gn syarat h e <<. s e h ie Perlehan me umum pt iperleh gn menyamakan S S S. Jika e iganti gn e (perhatikan gambar b berikut, maka nilai inyatakan sbg: s h ie h e ( h e e angkaian ganti penguat ierensial utk menghitung (a an (b Dalam praktek e seringkali igantikan gn rangkaian transistr spt iperlihatkan p gambar berikut. Transistr Q bertinak sbg penekatan sumber arus knstan yg memungkinkan arus basis ari Q apat iabaikan. Menggunakan hukum Kirh arus iperleh: I BE D ( EE D 6
Dengan D al tegangan ia. BE D EE I I Penguat ierensial gn tingkat arus-knstan lm rangkaian emiter. Harga nminal S S Jika ipilih bahwa BE D Maka I EE Terlihat bahwa arus I tk bergantung paa S an S shg Q bertinak sbg penatu penguat ierensial engan besar arus yang tetap. Transknuktansi penguat ierensial g m terhaap tegangan masukan ierensial inyatakan leh: 7
g m I 4 T Dengan T T/600. Tegangan an rus Pengganti Paa pembahasan i atas, penguat perasinal ianggap seimbang sempurna (simetris. Dlm prakteknya tk mk halnya, shg iperlukan tegangan pengganti (set masukan yg iterapkan i antara ua terminal masukan utk membuat keluaran penguat menjai seimbang. Berikut bbrp etail yg igunakan utk menjelaskan kinerja p-amp. rus atu masukan (input bias urrent. Yaitu setengah jumlah ari arus-arus yg memasuki ua terminal masukan penguat yg seimbang (perhatikan gambar berikut. rus atu masukan I B B (IB I B / jika 0. rus atu masukan I B an I B an tegangan pengganti i rus pengganti masuk (input set urrent. Yaitu perbeaan antara arus masuk p terminal masukan penguat yg seimbang. rus pengganti masuk I i (I B I B. yunan arus pengganti masuk (input set urrent rit. Yaitu perbaningan antara perubahan arus pengganti masuk engan perubahan suhu atau inyatakan sbg ΔI i /ΔT. Tegangan pengganti masuk ( i. Yaitu tegangan yg hrs iterapkan i antara terminal masukan utk membuat penguat menjai seimbang. 8
yunan tegangan pengganti masuk. Yaitu perbaningan antara perubahan tegangan pengganti masuk engan perubahan suhu atau inyatakan sbg Δ i /ΔT. Tegangan pengganti keluar. Yaitu perbeaan antara tegangan p ua terminal keluaran (atau p terminal keluar an grun utk penguat satu keluaran jika ua terminal masuk ibumikan. Daerah me umum masukan (input mmn me range. Yaitu aerah sinyal masukan me umum i mana penguat masih mpy karakteristik linier. Daerah masukan ierensial (input ierential range. Yaitu sinyal-selisih maksimum yg pt iterapkan gn aman p masukan p-amp. Daerah tegangan keluaran. Yaitu ayunan keluaran maksimum yg pt iapai tanpa aat yg signiikan. Lebar pita aya penuh (ull pwer banwith. Yaitu rekuensi maksimum imana apat iperleh sinusia yg ukurannya sama gn aerah tegangan keluaran. Pwer Supply ejetin ati (PS. Yaitu perbaningan perubahan lm tegangan pengganti masuk thp perubahan tegangan sumber aya yg terkait, gn tegangan sumber aya lain ijaga tetap. Laju putaran (slew rate. Yaitu perubahan tegangan keluaran penguat engan lingkar tertutup i bawah knisi sinyal besar. Mel p-amp yg memperhitungkan tegangan pengganti an arus-arus atu iperlihatkan p gambar berikut. Mel p-amp yg memperhitungkan tegangan pengganti an arus-arus atu 9
Seringkali ibutuhkan utk menyeimbangkan tegangan pengganti (teknik penyeimbang uniersal. Ini berarti bahwa harus ipergunakan tegangan yg keil alam masukan shg tegangan keluaran menjai nl. angkaian peyeimbang tegangan-pengganti keluaran uniersal utk penguat perasinal iperlihatkan p gambar berikut (a. Inerting an b. Nninerting. angkaian peyeimbang tegangan-pengganti keluaran uniersal utk penguat perasinal (a Inerting an (b Nninerting Cnth Op-amp inerting an nn-inerting mempunyai knigurasi spt gambar berikut. Dengan memisalkan tk aa tegangan masuk, a. Carilah tegangan keluar yg iakibatkan leh arus atu masukan (I B I B I B. B b. Bagaimana pengaruh arus atu pt ihilangkan shg 0?. Dgn rangkaian baru spt p gambar b, hitung jika I B - I B I i 0. 0
B. Jika I i 0 an i 0, berapa? e. Jika I i 0 an i 0, berapa? Jika P paa (a tk terhubung grun an tegangan sinyal iterapkan paa P maka berlaku p-amp nninerting. Jika P ikeluarkan ari hubungan gn grun an sinyal iterapkan paa P maka knigurasi menggambarkan p-amp inerting. Parameter p-amp yg igunakan. Tegangan pengganti masuk i 5 m rus Pengganti masuk I i 0 n rus atu masuk I B 00 n CM 00 B PS 0 μ/ I i rit 0, n/ C i rit 5 μ/ C Laju putaran /μs Lebar pita aya penuh 50 khz 00.000 00 Ω MΩ i Penyelesaian a. Utk υ >> maka tk aa arus lm sehingga -9 6 I B B 00 x 0 x 0 0, 00 m
b. Pengaruh arus atu pt ihilangkan gn ara menambahkan resistr i antara terminal inerting an bumi spt iperlihatkan p gambar b. Jika 0 maka an al paralel an tegangan ari terminal inerting ke grun aalah I B. Karena aa tegangan nl i antara terminal masuk, maka I B harus sama engan I B atau (utk I B I B : ' 00 000 ' 90, 9 kω ' 00 Bagaimana jika I B I B?. Paa gambar b, nyatakan I B I B I i. P bagian b, jika I B I B maka 0. Misalkan I B 0 maka akan iketahui bgmn pengaruh I i. Penurunan tegangan mll I B 0. Keua terminal masukan sama ptensialnya shg tegangan paa al nl an arus paa juga nl. Maka gn mk: 9 6 I i ' 0 0 0 0 m. Jika I i 0 maka I B I B an 0. Tegangan p sama gn 0 (utk I B 0 an i munul p an mengakibatkan arus sebesar i /. rus yg sama mengalir p (krn I B 0. Maka: 6 i ' 0 ( ' i 5 55 m 5 0 e. Jika I i 0 an i 0, maka iapatkan sbg: I i ' i ' Tanggapan Frekuensi Penguat Operasinal Perlehan pen-lp p-amp mpy ungsi pinah gn banyak kutub an nilai nl p rekuensi yg lebih tinggi aripaa kutub. Kutub an nilai-nl ari (j biasanya itentukan leh pabrik alam lembaran ata (ata sheet. P gambar berikut iperlihatkan perlehan pen-lp an tanggapan ase ari p-amp μ70. Terlihat paa gambar bahwa ungsi pinah mempunyai tiga kutub yaitu MHz, 4 MHz, an 40 MHz.
Perlehan pen-lp an tanggapan ase ari p-amp μ70 P p-amp inerting gn Z, Z, an i maka s ' ' /( ' Dengan β ' M ' ' M M M β m Dan pt inyatakan kembali: β M ' Karena β M berbaning lurus gn maka biasanya igambarkan thp ase untuk analisis stabilitas penguat.
P p-amp nninerting, Dan β ' s [ /( '] Utk umpan-balik negati, perlehan menunjukkan angka nyata negati p rekuensi renah. Dari hal ini [/( ] jika pergeseran ase menapai 80 an penguat akan bersilasi. P graik perlehan pen-lp an tanggapan ase ari p-amp μ70 i atas, itemukan bahwa,5 MHz imana pergeseran ase menapai 80. Dalam hal ini besarnya 6 B. Maka: Oleh karena 0 lg[ 0lg 0lg ' 0lg ' ' ' ( /( '] 0 lg 0 6 6 Maka jika < 6 maka penguat akan bersilasi. Kmpensasi. Kmpensasi kutub minan Dengan menambahkan sebuah kutub tambahan ke lm ungsi pinah p rekuensi yg lbh renah rp kutub-kutub yang aa. tau gn kata lain engan menambahkan kutub minan yaitu kutub yg ukup keil ibaningkan semua kutub yg aa p ungsi pinah maju. Misalkan p 4
gambar perlehan pen-lp an tanggapan ase ari p-amp μ70 i atas itambahkan sebuah kutub minan, maka ungsi pinahnya akan menjai: ' j( / Dengan << MHz. Hal ini pt ilakukan gn menempatkan sebuah rangkaian C seerhana p penguat spt iperlihatkan p gambar berikut. tau pt ilakukan gn menghubungkan kapasitr C ari titik gn resistansi tinggi ke grun. Kmpensasi kutub minan Kapasitr ipilih smk rupa shg menimbulkan kutub minan alam yg ukup renah rekuensinya shg perlehan pen-lp mj kurang ari shg rangkaian mj stabil. Ukuran kapasitr itentukan leh besarnya yaitu: C π. Kmpensasi kutub-zer (ple-zer mpensatin P mete ini, ungsi pinah maju iubah gn menambahkan satu kutub atau satu nilai zer gn nilai zer p rekuensi yg lbh tinggi ari kutub. Perhatikan gambar berikut. 5
Kmpensasi ple-zer Fungsi pinah ari jaringan kmpensasi mj: / ( / ( p z j j Dengan z C π an y p C ( π Jika jaringan kmpensasi tk membebani penguat maka ungsi pinah maju menjai: / ( / ( ' p z j j. Kmpensasi maju Kmpensasi maju p umumnya iberikan gn mengubah jaringan β gn ara menabang resistansi gn sebuah kapasitr C spt iperlihatkan p gambar berikut. Penguat perasinal yg ikmpensasi maju 6
β M Dengan Z' ' j( / j( / z p z π ' C ' an ' p z Oleh karena p >> z maka isekitar nilai zer iperleh j z yaitu ungsi pinah ari jaringan kmpensasi maju. Beberapa p-amp telah ikmpensasikan sr internal leh pabriknya misalnya Fairhil μ74, Natinal Seminutr LM74, LM07, LM, an ari Mtrla MC558. Jika p-amp hrs ikmpensasikan gn menambah kapasitansi atau resistansi i luar, biasanya pabrik menyarankan jenis kmpensasi yg sebaiknya igunakan an nilai ari C an utk keperluan tsb. 7