BAB II. PENGUAT OP AMP II.1. Pengenalan Op Amp Penguat Op Amp (Operating Amplifier) adalah chip IC yang digunakan sebagai penguat sinyal yang nilai penguatannya dapat dikontrol melalui penggunaan resistor dan komponennya. Umumnya op amp terdiri dari 2 (dua) input dan 1 output dan keluaran dari op amp adalah v o yang mempunyai persamaan sebagai berikut : v o = A(v + v ) dengan : A = penguat tegangan open loop dari amplifier v + = tegangan input tidak membalik v = tegangan input membalik Simbol dari penguat op amp sendiri adalah seperti gambar di bawah ini : Gambar 2.1. simbol op amp 7
Op amp sifatnya bekerja secara linier. Oleh karena itu op amp menyesuaikan keluaran arus sehingga perbedaan tegangan di antara 2 (dua) input (v + dan v ) mendekati 0 (nol), maka besarnya v + = v. Op amp yang sering digunakan adalah LM741. Dalam hal op amp yang ideal, pengauatn tegangan open loop menuju tak terbatas, sehingga : i i = 0 dengan i i didefinisikan sebagai arus masukan untuk input membalik maupun input tidak membalik. Berikut adalah op amp yang telah terhubung dengan beban resitif R L. Gambar 2.2. op amp dengan beban pada output Op amp LM741 mempunyai 8 kaki, adapun skema dari IC op amp LM741, dapat dilihat pada gambar di bawah ini : 8
Gambar 2.3. skema op amp LM741 Skematik diagram op amp LM741 adalah : Gambar 2.4. skematik op amp LM741 9
II.2. Karakteristik Op Amp Op amp banyak digunakan dalam berbagai aplikasikarena mempunyai bebrapa keunggulan yang dimilikinya, seperti penguatan yang tinggi, Gambar 2.5. Penguat LM741 impedansi masukan yang tinggi, impedansi keluaran yang rendah dan lain sebagainya. Berikut di bawah ini adalah karakteristik dari op amp : 1. Penguatan tegangan lingkar terbuka A vol = 2. Tegangan offset keluaran v oo = 0 3. Hambatan masukan R i = 4. Hambatan keluaran R o = 0 5. Lebar pita (BW) = 0 6. Waktu tanggapan = 0 detik 7. Karakteristiktidah berubah terhadap suhu Karakteristik di atas adalah merupakan kondisi ideal dari op amp. Berikut adalah penjelasan kondisi ideal dari op amp tersebut : Penguatan tegangan lingkar terbuka A vol Penguatan lingkar terbuka adalah penguatan diferensial op amp pada kondisi dimana tidak terdapat umpan balik yang diterapkan pada op amp tersebut. 10
A vol = v o vid = A vol = v o (v1 v 2 ) = Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran v o berbeda fase dengan tegangan masukan v id. Yang perlu difahami adalah bahwa tegangan keluaran v o jauh lebih besar dibandingan dengan tegangan masukan v id. Dalam kondisi praktis, harga A vol adalah antara 5000 (sekitar 74 db) sampai 100.000 (100 db). Op amp baik untuk menguatkan sinyal yang nilai amplitudonya rendah. Tegangan offset keluaran v oo Tegangan offset keluaran adalah harga tegangan keluaran dari op amp terhadap tanah (ground) pada kondisi tegangan masukan v id = 0. Secara ideal v oo = 0, tetapi dalam kondisi praktis (secara praktek) harga v oo biasanya sedikit lebih besar dari 0 (nol) bahkan jauh lebih besar. Hambatan masukan R i Hambatan masukan adalah besar hambatan di antara kedua masukan op amp. Secara ideal hambatan masukan op amp adalah tak berhingga, tetapi dalam kondisi praktis (secara praktek) harga hambatan masukan op amp adalah antara 5kΩ sampai 20MΩ tergantung pada tipe dari op amp. Dalam suatu penguat, hambatan masukan yang besar adalah suatu hal yang sangat diharapkan. Semakin besar nilai hambatan masukan suatu penguat, maka semakin baik penguat 11
tersebut dalam menguatkan sinyal amplitudo yang sangat kecil. Dengan hambatan masukan yang besar, maka sumber sinyal masukan tidak terbebani terlalu besar. Hambatan keluaran R o Hambatan keluaran adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada saat op amp bekerja sebagai pembagkit sinyal. Secara ideal harga hambatan keluaran R o sama dengan 0. Semakin kecil nilai hambatan keluaran, maka op amp mendekati kondisi yang ideal. Lebar pita (BW) Lebar pita adalah lebar frekuensi tertentu dimana tegangan keluaran tidak lebih besar dari 0,707 harga tegangan maksimum pada saat amplitudo tegangan masukan konstan. Secara ideal, op amp memiliki lebar pita (BW) tak berhingga, tetapi dalam penerapannya tidalk sama dengan kondisi ideal. Biasanya op amp mempunyai frekuensi kerja 1 MHz dan diterapkan pada sinyal dengan frekuensi kilohertz. Contoh : IC op amp LM741, sesuai data sheet mempunyai penguatan tegangan mendekati 100, sehingga supaya IC LM741 bekerja dengan baik, penguatan tegangan rangkaian pada penguat tidak membalik tidak boleh lebih besar dari 5 (= 100/20). IC LM741 mempunyai karakteristik slew rate, yaitu ukuran seberapa cepat suatu sinyal dapat berubah dalam format volt detik, dimana untuk IC LM741 sebesar 0,5 volt/detik. Jika sinyal masukan berupa gelombang sinusoidal dengan v pp = 1 volt, maka dibutuhkan waktu 12
1volt/(0,5 volt detik ) = 2 μdetik untuk mengubah 1 volt. Karena ada dua 1 volt yang bergantian tiap siklus, maka 4 μdetik merupakan periode tertinggi yang dapat ditolerir IC LM741 untuk sinyal v pp = 1 volt. Dengan demikian, frekuensi tertinggi yang dapat ditolerir IC LM741 dengan sinyal v pp = 1 volt adalah : f maks = 250kHz slew _rate 2 x tegang an _masukan = 0,5 volt /mikrodetik 2 x 1 volt = Waktu Tanggapan Waktu tanggapan adalah waktu yang diperlukan oleh keluaran berubah setelah masukan berubah. Secara ideal waktu tanggapan op amp sebesar 0 detik, yaitu keluaran harus berubah secara langsung pada saat masukan berubah. Tetapi secara praktis (secara penerapannya), waktu tanggapan dari op amp memang cepat, tetapi tidak langsung berubah sesuai masukan, biasanya sebesar beberapa mikrodetik, ini disebut dengan slew rate. Karakteristik terhadap Suhu Suatu bahan semikonduktor biasanya akan berubah karakteristiknya apabila terjadi perubahan suhu. Pada op amp yang ideal, perubahan suhu tidak berubah karakteristiknya. Tetapi dalam prakteknya, suhu berubah, maka karakteristik op amp tersebut juga berubah sedikit. 13
II.3. Jenis Penguat Op Amp (Integrator Operating Amplifier) Op amp ada 2 (dua) jenis masukan yaitu masukan membalik (inverting) dan masukan tidak membalik (non inverting). 1. Penguat dengan masukan membalik (inverting) Rangkaian penguat membali (inverting) adalah rangkaian op amp yang membalikkan sinyal input. Berikut rangkaian penguat membalik (inverting amplifier) : Gambar 2.6. op amp inverting Gambar 2.7. sinyal keluaran op amp inverting Untuk menganalisa rangkaian di atas, menggunakan hukum arus dari Kirchoff utuk menentukan keluaran v o dan penguatan tegangan rangkaian sebagai berikut : 14
Penguatan tegangan = v o vs Dengan memisalkan op dalam keadaan ideal dimana tidak ada arus yang mengalir pada input op amp, maka arus yang mengalir pada R 3 adalah 0 (nol). Oleh karena itu, v 3 = 0. Dari persamaan di atas, maka didapatkan v 2 = v 3 = 0, karena rangkaian op amp berperilaku secara linier (v + = v ). Maka arus yang mengalir melalui adalah : i R1 = (v 1 v 2 ) = (v s 0) = v s Dari persamaan di atas, kita tahu bahwa : i R1 = i R2 = v s i R2 = (0 v o) v o R 2 = v s R 2 = i R1 = v s v o = v s ( R 2 ) Untuk mencari penguatan tegangannya, kita harus membagi tegangan keluaran dengan tegangan masukan : Penguatan tegangan = v o v s = R 2 15
Sebagai catatan, kenapa penguatan tegangan akhir bertanda negatif, karenanya dinamakan penguatan membalik (inverting amplifier). 2. Penguatan dengan masukan tidak membalik (non inverting amplifier) Penguatan tegangan pada rangkaian op amp masukan tidak membalik adalah : 1 + R 2 Berikut ini adalah rangakain penguat tidak membalik (non inverting amplifier) : Gambar 2.8. rangkaian penguat tidak membalik Gambar 2.9. sinyal keluaran penguat tidak membalik Dari rangkain di atas, dapat di hitung v o sebagai berikut : v o = v s (1 + R 2 ) 16
Dengan penguatan tegangan adalah : v 0 v s = (1 + R 2 ) II.4. Penguat sebagai Penjumlah (Summing Amplifier) Penguat sebagai penjumlah memiliki fungsi untuk menjumlahkan beberapa level sinyal input yang masuk ke sistem op amp. Penggunaan penguat sebagai penjumlah sering kita jumpai pada rangkaian mixer untuk audio. Berikut adalah rangkaian penguat sebagai penjumlah : Gambar 2.10. rangkaian penguat sebagai penjumlah Besarnya penguatan (Gain) pada tegangan masukan adalah : masing-masing titik Penguatan = R f Ri dengan : R f adalah resistor feed back menuju input inverting 17
R i adalah resistor yang dilewati tegangan masukan menuju input inverting op amp Besarnya tegangan keluaran v out pada gambar di atas adalah : v out = R f x v 1 + R f R 2 x v 2 + + R f R n x v n Contoh soal penguat : Berapa penguatan dari rangkaian di bawah ini : (R 2 = 100kΩ, = 10kΩ) Jawab : penguat gambar di atas adalah penguat non inverting, sehingga : v 0 = 1 + R 2 = 1 + 100k = 1 + 10 = 11 x v s 10k Jadi penguatan dari rangkaian adalah 11 x 18
Soal latihan : 1. Berapa penguatan dari rangkaian di bawah ini : (R 2 = 10kΩ, = 1kΩ) 2. Berapa penguatan dari rangkaian di bawah ini : ( = 1kΩ, R 2 = 1kΩ, R 3 = 1kΩ dan v 1 = 0,1 v, ; v 2 = 0,2 v; v 3 = 0,1 v) 19
Rangkuman : Penguat Op Amp (Operating Amplifier) adalah chip IC yang digunakan sebagai penguat sinyal yang nilai penguatannya dapat dikontrol melalui penggunaan resistor dan komponennya. Jenis penguat op amp (Operating Amplifier) adalah op amp inverting, op amp non inverting dan summing amplifier. Penguatannya op amp adalah sebagai berikut : 1. Penguatan tegangan = v o v s = R 2 inverting untuk op am 2. Penguatan tegangan = v 0 v s = (1 + R 2 ) untuk op amp non inverting 3. v out = R f summing amplifier x v 1 + R f R 2 x v 2 + + R f R n x v n untuk 20