BAB I PENDAHULUAN 1.1 Tujuan Percobaan Mempelajari karakteristik statik penguat opersional (Op Amp ) 1.2 Alat Alat Yang Digunakan Kit praktikum karakteristik opamp Voltmeter DC Sumber daya searah ( DC ) Osiloskop Kabel penghubung Generator sinyal 1.3 Dasar Teori Karakteristik penguat operasional Penguat operasional mempunyai karakteristik sebagai berikut : 1. Penguat tegangan, Av besar sekali >10 ribu V 2. Impedansi masukan Ri tingi >10 ribu Ohm 3. Impedansi keluaran Ro rendah < 250 Ohm 4. Lebar bidang/pita frekuensi DC hingga frekuensi tinggi 5. Drift terhadap temperature rendah. Rangkaian utama suatu penguat operasional adalah sebuah penguat diferensial. Penguat diferensial mempunyai dua masukan, V1 dan V2, yang disebut masukan pembalik dan masukan tak berbalik. Fasa sinyal keluaran akan berbalik 180 Derajat terhadap fasa sinyal yang diterapkan ke masukan inverting.
2 Penguat operasional hampir semuanya mempunyai satu output ( Vo ). Gambar dibawah ini memperlihatkan symbol sebuah penguat operasional ( opamp ). Gambar 1. Simbol op -amp Kelebihan penguat operasional (op amp): 1. Impedansi input yang tinggi sehingga tidak membebani penguat sebelumnya. 2. Impedansi output yang rendah sehingga tetap stabil walau dibebani oleh rangkaian selanjutnya. 3. Lebar pita (bandwidth) yang lebar sehingga dapat dipakai pada semua jalur frekuensi audio (woofer, midle, dan tweeter) 4. Adanya fasilitas offset null sehingga memudahkan pengaturan bias penguat agar tepat dititik tengah sinyal. Bagian-bagian dalam Op amp : 1. Penguat Differensial, yaitu merupakan bagian input dari Op amp. penguat differensial mempunyai dua input (input + dan input -) 2. Penguat Penyangga (Buffer), yaitu penguat penyangga sinyal output dari penguat differensial agar siap untuk dimasukkan ke penguat akhir op amp. 3. Pengatur Bias, yaitu rangkian pengatur bias dari penguat differensial dan buffer agar diperoleh kestabilan titik nol pada output penguat akhir 4. Penguat Akhir, yaitu penguat yang merupakan bagian output dari Op amp. Penguat Akhir ini biasanya menggunakan konfigurasi push-pull kelas B atau kelas AB. Karakteristik Ideal Penguat Operasional Penguat operasional banyak digunakan dalam berbagai aplikasi karena beberapa keunggulan yang dimilikinya, seperti penguatan yang tinggi, impedansi masukan
3 yang tinggi, impedansi keluaran yang rendah dan lain sebagainya. Berikut ini adalah karakteristik dari Op Amp ideal: Penguatan tegangan lingkar terbuka (open-loop voltage gain) A VOL = Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) V OO = 0 Hambatan masukan (input resistance) R I = Hambatan keluaran (output resistance) R O = 0 Lebar pita (band width) BW = Waktu tanggapan (respon time) = 0 detik Karakteristik tidak berubah dengan suhu Kondisi ideal tersebut hanya merupakan kondisi teoritis tidak mungkun dapat dicapai dalam kondisi praktis. Tetapi para pembuat Op Amp berusaha untuk membuat Op Amp yang memiliki karakteristik mendekati kondisi-kondisi di atas. Karena itu sebuah Op Amp yang baik harus memiliki karakteristik yang mendekati kondisi ideal. Berikut ini akan dijelaskan satu persatu tentang kondisikondisi ideal dari Op Amp. Rangkaian penguat non inverting Rangkaian yang akan dijelaskan dan dianalisa dalam tulisan ini akan menggunakan penguat operasional yang bekerja sebagai komparator dan sekaligus bekerja sebagai penguat. Berikut ini adalah konfigurasi Op Amp yang bekerja sebagai penguat: Gambar 2. Penguat non inverting
4 Gambar di atas adalah gambar sebuah penguat non inverting. Penguat tersebut dinamakan penguat noninverting karena masukan dari penguat tersebut adalah masukan noninverting dari Op Amp. Sinyal keluaran penguat jenis ini sefasa dengan sinyal keluarannya. Adapun besar penguatan dari penguat ini dapat dihitung dengan rumus: A V = (R1+R2)/R1 A V = 1 + R2/R1 Sehingga : V O =1+(R2/R1) V id Rangkaian penguat inverting Selain penguat noninverting, terdapat pula konfigurasi penguat inverting. Dari penamaannya, maka dapat diketahui bahwa sinyal masukan dari penguat jenis ini diterapkan pada masukan inverting dari Op Amp, yaitu masukan dengan tanda. Sinyal masukan dari pengaut inverting berbeda fasa sebesar 180 0 dengan sinyal keluarannya. Jadi jiak ada masukan positif, maka keluarannya adalah negatif. Berikut ini adalah skema dari penguat inverting: Gambar 3. Penguat inverting Penguatan dari penguat di atas dapat dihitung dengan rumus: A V = R2/R1 Sehingga: V O = (R2/R1) V id Integrator Opamp bisa juga digunakan untuk membuat rangkaian-rangkaian dengan respons frekuensi, misalnya rangkaian penapis (filter). Salah satu contohnya adalah rangkaian integrator seperti yang ditunjukkan pada gambar 3. Rangkaian dasar
5 sebuah integrator adalah rangkaian op-amp inverting, hanya saja rangkaian umpanbaliknya (feedback) bukan resistor melainkan menggunakan capasitor C. Gambar4 : integrator Mari kita coba menganalisa rangkaian ini. Prinsipnya sama dengan menganalisa rangkaian op-amp inverting. Dengan menggunakan 2 aturan op-amp (golden rule) maka pada titik inverting akan didapat hubungan matematis : i in = (v in v - )/R = v in /R, dimana v - = 0 (aturan1) i out = -C d(v out v - )/dt = -C dv out /dt; v - = 0 i in = i out ; (aturan 2) Maka jika disubtisusi, akan diperoleh persamaan : i in = i out = v in /R = -C dv out /dt, atau dengan kata lain...(3) Dari sinilah nama rangkaian ini diambil, karena secara matematis tegangan keluaran rangkaian ini merupakan fungsi integral dari tegangan input. Sesuai dengan nama penemunya, rangkaian yang demikian dinamakan juga rangkaian Miller Integral. Aplikasi yang paling populer menggunakan rangkaian integrator adalah rangkaian pembangkit sinyal segitiga dari inputnya yang berupa sinyal kotak. Dengan analisa rangkaian integral serta notasi Fourier, dimana
6 f = 1/t dan (4) penguatan integrator tersebut dapat disederhanakan dengan rumus (5) Sebenarnya rumus ini dapat diperoleh dengan cara lain, yaitu dengan mengingat rumus dasar penguatan opamp inverting G = - R 2 /R 1. Pada rangkaian integrator (gambar 3) tersebut diketahui Dengan demikian dapat diperoleh penguatan integrator tersebut seperti persamaan (5) atau agar terlihat respons frekuensinya dapat juga ditulis dengan (6) Karena respons frekuensinya yang demikian, rangkain integrator ini merupakan dasar dari low pass filter. Terlihat dari rumus tersebut secara matematis, penguatan akan semakin kecil (meredam) jika frekuensi sinyal input semakin besar. Pada prakteknya, rangkaian feedback integrator mesti diparalel dengan sebuah resistor dengan nilai misalnya 10 kali nilai R atau satu besaran tertentu yang diinginkan. Ketika inputnya berupa sinyal dc (frekuensi = 0), kapasitor akan berupa saklar terbuka. Jika tanpa resistor feedback seketika itu juga outputnya akan saturasi sebab rangkaian umpanbalik op-amp menjadi open loop (penguatan open loop opamp ideal tidak berhingga atau sangat besar). Nilai resistor feedback sebesar 10R akan selalu menjamin output offset voltage (offset tegangan keluaran) sebesar 10x sampai pada suatu frekuensi cutoff tertentu. Differensiator Kalau komponen C pada rangkaian penguat inverting di tempatkan di depan, maka akan diperoleh rangkaian differensiator seperti pada gambar 4. Dengan analisa yang sama seperti rangkaian integrator, akan diperoleh persamaan penguatannya : (7)
7 Rumus ini secara matematis menunjukkan bahwa tegangan keluaran v out pada rangkaian ini adalah differensiasi dari tegangan input v in. Contoh praktis dari hubungan matematis ini adalah jika tegangan input berupa sinyal segitiga, maka outputnya akan mengahasilkan sinyal kotak. gambar 5 : differensiator Bentuk rangkain differensiator adalah mirip dengan rangkaian inverting. Sehingga jika berangkat dari rumus penguat inverting G = -R 2 /R 1 dan pada rangkaian differensiator diketahui : maka jika besaran ini disubtitusikan akan didapat rumus penguat differensiator (8) Dari hubungan ini terlihat sistem akan meloloskan frekuensi tinggi (high pass filter), dimana besar penguatan berbanding lurus dengan frekuensi. Namun demikian, sistem seperti ini akan menguatkan noise yang umumnya berfrekuensi tinggi. Untuk praktisnya, rangkain ini dibuat dengan penguatan dc sebesar 1 (unity gain). Biasanya kapasitor diseri dengan sebuah resistor yang nilainya sama dengan R. Dengan cara ini akan diperoleh penguatan 1 (unity gain) pada nilai frekuensi cutoff tertentu.
8 4.1 Prosedur Percobaan 4.1.1 Penguat inverting 1. Buat rangkaian seperti pada gambar 3 di atas dengan R1 dan R2 yand tersedia 2. Tabelkan resistor yang diberikan dari yang kecil sampai dengan yang besar Rd 3. Hubungkan sumber daya k opamp, sebelumnya diatur dulu tegangan sesuai dengan di lembaran data, atau tanyakn ke asisten 4. Pilih R1 dan R2 diantara resistor Ra, Rb, Rc sesuai table 5. Nyalakan tegangan sumber daya 6. Ukur tegangan keluaran Vo dan catat di table pengamatan 7. Uangi harga R1 dan R2 yang berlainan sesuai table pengamatan 8. Ulangi prosedur 4 s/d 8, dengan masukan berupa sinyal sius dengan frekuensi 1000 hz dan amplitude puncak 100mV 9. Ulangi percobaan dengan IC yang berbeda 4.1.2 Penguat non inverting 1. Buat rangkaian seperti pada gambar 2 di atas 2. Buat table harga resistor yang tersedia mulai yang terkecil Ra sampai dengan yang terbesar Re 3. Pilih untuk R1, R2, dan Ra s/d Re tersebut sesuai dengan table hasil pengamatan 4. Atur tegangan sumber sesuia dengan di lembaran data atau tanyakan ke asisten 5. Pasang tegangan dc untuk Vi sebesar 100mV 6. Amati tegangan keluaran dan catat di table hasil pengamatan 7. Ulangi prosedur 3 s/d 6, dengan masukan berupa sinyal sius dengan frekuensi 1000 hz dan amplitude puncak 100mV 8. Ulangi percobaan dengan IC yang berbeda