MODUL 09 PENGUAT OPERATIONAL (OPERATIONAL AMPLIFIER) PRAKTIKUM ELEKTRONIKA TA 2017/2018 LABORATORIUM ELEKTRONIKA & INSTRUMENTASI PROGRAM STUDI FISIKA, INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Riwayat Revisi Rev. 07-06-2017 0 03-08-2017 1 16-09-2017 2
1 TUJUAN Memahami prinsip kerja Operational Amplifier Memahami cara pengenolan offset pada IC-741 Memahami berbagai aplikasi Operational Amplifier 2 PERSIAPAN Datasheet Operational Amplifier (Op-Amp) dengan tipe UA741CP dan LM358P Rangkaian penguat inverting dan non-inverting menggunakan Op-Amp Rangkaian integrator dan differensiator menggunakan Op-Amp Rangkaian komparator menggunakan Op-Amp 3 PERALATAN PRAKTIKUM Osiloskop 1 buah Signal generator 1 buah Catu daya analog 1 buah Catu daya digital 1 buah Multimeter 1 buah Resistor Secukupnya Kapasitor Secukupnya Op-Amp UA741CP dan LM358P 1 buah Kabel jumper Secukupnya 4 DASAR TEORI Operational Amplifier (Op-Amp) adalah salah satu komponen elektronika yang terdiri dari resistor, dioda, dan transistor yang membentuk sebuah IC (Integrated Circuit) linier. Prinsip kerja dari Operational Amplifier adalah differential amplifier yang mana menguatkan beda tegangan di antara dua kaki masukan. Operational Amplifier pada dasarnya digunakan sebagai penguat yang menggunakan feedback eksternal seperti resistor dan kapasitor diantara kaki output dan input. Komponen feedback ini menentukan fungsi dari penguatan dan dengan memvariasikan konfigurasi resistor, kapasitor, atau keduanya pada komponen feedback akan menghasilkan penguatan yang berbeda. Gambar 1. Lambang Op-Amp pada rangkaian [1] Rangkaian Op-Amp biasa dilambangkan seperti gambar di atas. Terminal yang terdapat pada simbol Op-Amp antara lain a. Input non-inverting b. Input inverting
c. Sumber daya positif (+VCC) d. Sumber daya negatif (-Vee) e. Output Agar dapat memahami prinsip kerja dari Op-Amp terlebih dahulu mengetahui beberapa sifat Op-Amp ideal yaitu 1. Penguat lingkar terbuka (AVO) tak hingga. 2. Hambatan keluaran lingkar terbuka (Ro,ol) nol. 3. Hambatan masukan lingkar terbuka (Ri,ol) tak hingga 4. Lebar pita (bandwith) tak hingga. 5. Common Mode Rejetion Ratio (CMRR) tak hingga. Pada praktikum ini menggunakan op-amp tipe 741 dan tipe 358. Di bawah ini merupakan gambar kaki kaki dari Op-amp tipe 741 pada umumnya Gambar 2. Kaki-kaki Op-Amp LM-741 [1] Ada jenis rangkaian yang akan diuji coba menggunakan Op-Amp yaitu rangkaian penguat, differensiator, integrator, dan komparator. Penjelasan rangkaian tersebut dapat dilihat pada bagian berikut 1. Penguat inverting Penguat ini menggunakan kaki inverting sebagai masukan dari rangkaian. Sifat keluaran dari penguat ini yaitu berlawan fasa dengan masukan dan dikuatkan. Rangkaian dari penguat inverting dapat dilihat pada gambar 3. Persamaan penguatan dari rangkaian tersebut yaitu V out = R f R 1 V in (1) Gambar 3. Rangkaian penguat inverting 2. Penguat non-inverting Penguat ini menggunakan kaki inverting sebagai masukan dari rangkaian. Sifat keluaran dari penguat ini yaitu sama fasa dengan masukan dan dikuatkan. Rangkaian dari penguat inverting dapat dilihat pada gambar 4.
Persamaan penguatan dari rangkaian tersebut yaitu V out = (1 + R f R 1 ) V in (2) Gambar 4. Rangkaian penguat non-inverting 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 penguatan dari rangkaian tersebut yaitu V out = 1 V R in C 0 in t (3) Gambar 5. Rangkaian integrator 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. Persamaan penguatan dari rangkaian tersebut yaitu V out = R f C dv in dt (4) Gambar 6. Rangkaian differensiator Rangkaian integrator dan differensiator dapat digunakan sebagai filter aktif. Pada rangkaian filter dikenal istilah frekuensi potong yang dapat dihitung dengan persamaan f c = 1 2πRC 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. (5)
Gambar 7. Rangkaian Komparator noninverting (gambar kiri) dan komparator inverting (gambar kiri) 5 TUGAS PENDAHULUAN 1. Jelaskan tentang Golden Rule pada Operational Amplifier! [5] 2. Gambarkan lambang Op-Amp pada rangkaian dan jelaskan fungsi dari kaki-kaki pada lambang tersebut! [15] 3. Apakah yang dimaksud dengan Common Mode Rejection Ratio (CMRR) dan bagaimana persamaannya? [20] 4. Apakah perbedaan dari Op-Amp tipe 741 dengan tipe 358? Gambarkan kaki-kaki LM358! [20] 5. Apa sifat dari keluaran jika tegangan masukan diberikan di kaki inverting dan noninverting? Turunkan persamaan penguatan pada penguat inverting dan non-inverting! [20] 6. Buat simulasi di Proteus untuk rangkaian berikut : a. Integrator [10] b. Differensiator [10] Sertakan gambar rangkaian pada simulasi dan sinyal input dan outputnya. 6 LANGKAH PERCOBAAN a. Pengenolan Offset Buat rangkaian inverting seperti pada gambar 3 dengan menggunakan op amp UA741CP Hubungkan terminal masukan dengan ground Berikan catu daya pada +VCC dan VEE, yaitu +12V dan -12V Hubungkan terminal keluaran dengan multimeter Catat tegangan keluaran pada terminal output Hubungkan ujung kaki potensiometer 100 kω pada kaki 1 dan 5 serta kaki tengah potensiometer ke -VEE. Atur potensiometer sampai menghasilkan tegangan keluaran mendekati nol Catat pada tegangan keluaran setelah pengaturan potensiometer. b. Rangkaian penguat inverting Gunakan rangkaian percobaan pengenolan offset
Tambahkan hambatan sesuai dengan keinginan kalian sehingga menghasilkan penguatan antara 2 6 kali. Hubungkan kaki masukan dan keluaran rangkaian pada osiloskop untuk melihat sinyal masukan dan keluaran. Beri tegangan masukan yang berupa sinusoidal melalui signal generator. Ukur tegangan keluaran menggunakan multimeter. Amati pula perbedaan tegangan masukan dan keluaran pada osiloskop. Variasikan tegangan masukan Vpp = 0 sampai 5 Volt dengan rentang 0.5 Volt. Catat data tegangan masukan dan keluar an. Ambil lima gambar osiloskop untuk dilampirkan pada laporan Plot tegangan keluaran terhadap tegangan masukan. Lakukan regresi linear untuk mendapatkan besar penguatan. c. Rangkaian penguat non-inverting Rekayasakan sinyal masukan sehingga sinyal berada pada rentang positif (dengan menggunakan rangkaian clamper). Gambar 8. Rangkaian clamper yang digunakan Buat rangkaian seperti pada gambar 4 dengan menggunakan LM358N dengan sinyal input berasal dari keluaran rangkaian clamper. Sumber daya masukan OP-Amp adalah +18V. Tambahkan hambatan sesuai dengan keinginan kalian sehingga menghasilkan penguatan antara 2 6 kali. Hubungkan kaki masukan dan keluaran rangkaian pada osiloskop untuk melihat sinyal masukan dan keluaran. Ukur tegangan keluaran menggunakan multimeter. Amati pula perbedaan tegangan masukan dan keluaran pada osiloskop. Variasikan tegangan masukan Vpp = 0 sampai 3.5 Volt dengan rentang 0.25 Volt. Catat data tegangan masukan dan keluaran. Ambil lima gambar osiloskop untuk dilampirkan pada laporan. Plot tegangan keluaran terhadap tegangan masukan. Lakukan regresi linear untuk mendapatkan besar penguatan. d. Rangkaian integrator
Buat rangkaian seperti pada gambar 5 dengan menggunakan UA741CP. Sumber daya masukan pada +Vcc dan Vee, yaitu +12V dan -12V. Hubungkan kaki masukan dan keluaran rangkaian pada osiloskop untuk melihat sinyal masukan dan keluaran. Beri tegangan masukan yang berupa sinyal kotak melalui signal generator. (Vpp = 5 Volt) Amati bentuk sinyal masukan dan keluaran pada osiloskop. Variasikan frekuensi masukan di bawah, di atas, dan pada frekuensi potong melalui signal generator. Ambil gambar masukan dan keluaran pada osiloskop. e. Rangkaian differensiator Buat rangkaian seperti pada gambar 6 dengan menggunakan UA741CP. Sumber daya masukan pada +Vcc dan Vee, yaitu +12V dan -12V. Hubungkan kaki masukan dan keluaran rangkaian pada osiloskop untuk melihat sinyal masukan dan keluaran. Beri tegangan masukan yang berupa sinyal kotak melalui signal generator. (Vpp = 5 Volt) Amati bentuk sinyal masukan dan keluaran pada osiloskop. Variasikan frekuensi masukan di bawah, di atas, dan pada frekuensi potong melalui signal generator. Ambil gambar masukan dan keluaran pada osiloskop. f. Rangkaian komparator Buat rangkaian seperti pada gambar 7 dengan menggunakan UA741CP. Sumber daya masukan pada +Vcc dan Vee, yaitu +5V dan -5V. Berikan nilai tegangan referensi (Vref) sebesar 2.5V. Berikan sinyal masukan dengan bentuk segitiga.dengan Vpp = 10 V. Amati dan ambil gambar sinyal keluaran pada osiloskop. 7 TUGAS LAPORAN 1. Mengapa pengenolan offset diperlukan pada LM741? 2. Jelaskan bagaimana proses penguatan pada rangkaian inverting dan non-inverting (dijelaskan dengan analisis aliran arus dan tegangan pada Op-Amp). 3. Bandingkan hasil pengamatan dengan hasil perhitungan! Analisis hasil sinyal keluaran pada osiloskop pada penguat inverting dan non-inverting! 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 sinyal keluaran pada osiloskop beserta tegangan keluaran ketika frekuensi masukan dibawah, diatas, dan pada frekuensi potong! 6. Jelaskan bagaimana prinsip kerja rangkaian komparator! 7. Analisis sinyal masukan dan keluaran pada rangkaian komparator pada percobaan! 8. Cak Andi memiliki sebuah perusahaan yang bergerak di bidang instrumentasi. Minggu ini beliau mendapat sebuah proyek membuat sebuah alat untuk mendeteksi level sebuah tangki tertutup. Sensor yang digunakan memiliki keluaran -10 Volt sampai 10 Volt. Cak Andi meminta membuat keluaran sensor tersebut menjadi rentang 0 2.5 Volt. Dengan menggunakan Proteus, desainlah rangkaian untuk mengubah sinyal keluaran sensor menjadi seperti yang diiginkan Cak Andi. Berikan alasan kenapa Anda memilih rangkaian tersebut (bisa dengan perhitungan matematis) dan tunjukkan tegangan masukan dan keluaran dalam sebuah tabel (rentang 1 Volt). (Hint : gunakan rangkaian penguat differensial. Dapat dilihat di web berikut : http://www.electronicstutorials.ws/opamp/opamp_5.html) 7 REFERENSI [1] Floyd, Thomas & David M. Buchla. Fundamentals Of Analog Circuit. 2 nd edition. Yuba College: Ohio. [2] Malvino, Albert.2007.Electronic Principles.McGrawHill:New York [3] http://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_1.html [4] http://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_6.html [5] http://www.electronics-tutorials.ws/opamp/opamp_7.html
7 LOG AKTIVITAS Nama : NIM : Shift : Percobaan Pengenolan Offset Data tegangan sebelum dan sesudah adjustment Sebelum adjustment (V) Setelah adjustment (V) Percobaan Penguat Inverting Data tegangan masukan dan keluaran No Tegangan input(volt) Tegangan Output (Volt) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Gambar sinyal input dan output pada penguat inverting
Percobaan Penguat non-inverting Data tegangan masukan dan keluaran No Tegangan input(volt) Tegangan Output (Volt) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Gambar sinyal input dan output pada penguat non-inverting Percobaan Integrator Data tegangan input dan output pada frekuensi tertentu pada rangkaian integrator Frekuensi potong = Hz
No Frekuensi input (Hz) Tegangan input Vpp (Volt) Tegangan output Vpp (Volt) Gambar 1 2 3 Percobaan Differensiator Data tegangan input dan output pada frekuensi tertentu pada rangkaian differensiator Frekuensi potong = Hz No Frekuensi input (Hz) Tegangan input (Volt) Tegangan output (Volt) Gambar 1 2 3 Percobaan Komparator Gambar sinyal input dan output pada rangkaian komparator non-inverting Gambar sinyal input dan output pada rangkaian komparator inverting
12