MODUL 08 OPERATIONAL AMPLIFIER 1. Tujuan Memahami op-amp sebagai penguat inverting dan non-inverting Memahami op-amp sebagai differensiator dan integrator Memahami op-amp sebagai penguat jumlah 2. Alat dan Komponen a) Osiloskop b) Pembangkit sinyal c) Catu daya d) Multimeter e) Breadboard f) Rangkaian terintegrasi (IC) operational amplifier LM358 g) Kabel jumper h) Resistor i) Kapasitor 3. Teori Dasar Operational amplifier merupakan sebuah rangkaian terintegrasi (IC) yang terdiri dari resistor, kapasitor, transistor, dan dioda (PENTING: untuk mengetahui struktur rangkaian dari op-amp yang digunakan pada praktikum ini, silakan unduh dan pelajari datasheet dari IC yang digunakan pada praktikum kali ini yaitu LM358). Pada dasarnya, rangkaian tersebut memiliki fungsi yang sama dengan penguat dengan menggunakan transistor yaitu melakukan operasi-operasi matematis yang akan menghasilkan penguatan. Namun, seluruh rangkaian tersebut telah disatukan dalam sebuah IC. Berikut ini merupakan lambang sebuah op-amp dalam rangkaian: Gambar 1. Diagram Op-Amp 358
Berdasarkan lambang tersebut, dapat dilihat bahwa ada dua macam masukan pada sebuah op-amp yaitu masukan inverting (kaki no. 2) dan non-inverting (kaki no. 3). Apabila masukan diberikan pada kaki inverting dan kaki non-inverting dihubungkan ke ground, maka sinyal keluarannya akan memiliki fasa yang berlawanan (180 o ) dengan sinyal masukan. Sedangkan apabila kaki non-inverting diberikan sinyal masukan dan kaki inverting dihubungkan ke ground, maka sinyal keluaran akan memiliki fasa yang sama dengan sinyal masukan. Untuk memahami kerja dari op-amp perlu diketahui sifat-sifat dari op-amp ideal, yaitu: 1. Penguat lingkar terbuka (A v,ol ) bernilai tak berhingga 2. Hambatan keluaran lingkar terbuka (R o,ol ) bernilai nol 3. Hambatan masukan lingkar terbuka (Ri,ol) bernilai tak berhingga 4. Lebar pita (bandwidth) nilainya tak berhingga, dengan demikian perbedaan frekuensi tidak berhingga 5. Common Mode Rejection Ratio (CMRR) bernilai tak berhingga Parameter Simbol Op-amp ideal LM358 Open loop voltage gain Aol Infinite 100000 Unity gain frequency Funity Infinite 1 MHz Input bias current Iin(bias) 0 45 na Input offset current Iin(off) 0 3 na Input offset voltage Vin(off) 0 2 mv Common Mode Rejection Ratio CMRR Infinite 85 db Gambar 2. Gambar Op-Amp LM358 Berikut ini merupakan penjelasan untuk kaki pada LM 358: Kaki 1 merupakan output 1, yang merupakan keluaran pertama dari op-amp. Sinyal keluaran pada output akan bergantung pada input mana yang digunakan.
Kaki 2 merupakan inverting input 1. Jika op-amp diberikan masukan pada kaki ini maka sinyal keluarannya akan berbalik fasa dengan sinyal masukan. Kaki 3 merupakan non-inverting input 1. Jika op-amp diberikan masukan pada kaki ini maka sinyal keluarannya akan sefasa dengan sinyal masukan. Kaki 4 merupakan ground. Kaki ini diberikan suplai tegangan ground dari power supply. Kaki 5 merupakan non-inverting input 2. Memiliki fungsi yang sama dengan Kaki 3. Kaki 6 merupakan inverting input 2. Memiliki fungsi yang sama dengan Kaki 2. Kaki 7 merupakan output 2. Memiliki fungsi yang sama dengan Kaki 1. Kaki 8 merupakan V CC. Kaki ini diberikan suplai tegangan positif. Untuk LM 358 diberikan tegangan dari -0.3V hingga +32V untuk operasi antara 5 dan 15 V DC. Dalam range tegangan ini kerja dari komponen ini pada dasarnya sama. Sebenarnya, operasi yang membuat perbedaan yang berarti adalah kemampuan untuk memberikan output yang meningkat range arus dan tegangan seiring dengan tegangan yang diberikan. Sebagai penguat, op-amp biasanya tidak digunakan secara langsung, namun dirangkai bersama komponen elektronika yang lain. Dibawah ini merupakan rangkaian-rangkaian op-amp yang biasa digunakan dalam rangkaian elektronika: 1. Rangkaian penguat inverting Gambar 3. Penguat inverting Rangkaian ini menghubungkan sinyal masukan dengan input inverting (-). Besarnya sinyal keluaran: V out = R f R i V in... (1) 2. Rangkaian penguat non-inverting
Gambar 4. Penguat non-inverting Rangkaian ini menghubungkan sinyal masukan dengan input non-inverting (+). Besarnya sinyal keluaran: V out = (1 + R 1 R 2 )V in...(2) 3. Rangkaian penguat differensiator Gambar 5. Penguat differensiator Sinyal keluaran dari differensiator ini merupakan bentuk differensial dari sinyal masukan apabila RC << T/2 dengan T merupakan periode sinyal. 4. Rangkaian penguat integrator Gambar 6. Penguat integrator
Sinyal keluaran rangkaian ini merupakan bentuk integral dari sinyal masukan jika RC >> T/2 dengan T merupakan periode sinyal. 5. Rangkaian penguat jumlah Gambar 7. Rangkaian penguat jumlah Keluaran dari rangkaian ini merupakan penjumlahan dari masukan-masukan di kaki inverting. Penguatan dari rangkaian tersebut dapat dituliskan sebagai V OUT = R3 RIN (V IN,1 + V IN,2 )...(3) 4. Tugas Pendahuluan a) Apakah yang dimaksud dengan sebuah operational amplifier, dan jelaskan prinsip kerja sebuah operational amplifier! b) Sebutkan sifat-sifat yang menyebabkan sebuah op-amp menjadi tidak ideal! c) Jelaskan apa yang dimaksud dengan tegangan offset dan apa pengaruhnya terhadap sebuah op-amp! d) Jelaskanlah perbedaan antara op-amp LM741 dan LM358! e) Turunkanlah cara memperoleh penguatan untuk rangkaian inverting dan non-inverting! f) Sebutkanlah aplikasi dari rangkaian inverting, non inverting, dan penguat jumlah! 5. Langkah Percobaan a) Op-amp sebagai penguat inverting 1. Buat rangkaian op-amp sebagai penguat inverting seperti pada Gambar 3. 2. Sebelum melakukan pengukuran dan memberikan sinyal masukan, pastikan rangkaian op-amp sudah diberi tegangan Vcc dan Vee dari power supply.
3. Beri tegangan masukan op-amp pada kaki (+) dengan ground dari signal generator dan kaki (-) dengan sumber sinyal positif (+) signal generator dan beri sumber sinyal sinusoidal. 4. Melalui rangkaian yang digunakan (rangkaian inverting), ukur respon amplitudo tegangan keluaran op-amp terhadap masukan. 5. Ukur dan catat tegangan masukan dan keluaran penguat pada rangkaian. 6. Lakukan variasi pada tegangan dengan cara merubah masukan dan mengulangi langkah 2 sampai 4. b) Op-amp sebagai penguat non-inverting 1. Buat rangkaian op-amp sebagai penguat non-inverting seperti pada Gambar 4. 2. Sebelum melakukan pengukuran dan memberikan sinyal masukan, pastikan rangkaian op-amp sudah diberi tegangan Vcc dan Vee dari power supply. 3. Beri tegangan masukan op-amp pada kaki (+) dengan sumber sinyal positif (+) dari signal generator dan kaki (-) dengan ground signal generator dan beri sumber sinyal sinusoidal. 4. Melalui rangkaian yang digunakan (rangkaian non-inverting), ukur respon amplitudo tegangan keluaran op-amp terhadap masukan. 5. Ukur dan catat tegangan masukan dan keluaran penguat pada rangkaian. 6. Lakukan variasi pada tegangan dengan cara merubah masukan dan mengulangi langkah 2 sampai 4. c) Op-amp sebagai differensiator dan integrator 1. Buat rangkaian op-amp sebagai differensiator dan integrator seperti pada Gambar 5 dan Gambar 6. 2. Sebelum melakukan pengukuran dan memberikan sinyal masukan, pastikan rangkaian op-amp sudah diberi tegangan Vcc dan Vee dari power supply. 3. Ukur terlebih dahulu nilai hambatan (R) dan kapasitor (C) yang digunakan pada rangkaian 4. Untuk rangkaian differensiator, beri masukan sinyal kotak. Untuk rangkaian integrator, beri masukan sinyal sinusoidal. 5. Amati bentuk sinyal keluarannya, ambil gambar (menggunakan kamera) bentuk sinyal masukan dan keluaran pada daerah frekuensi RC=T, RC<<T/2, dan RC>>T/2.
6. Lakukan variasi untuk 3 kali nilai R dan C yang berbeda, lalu ulangi langkah 2 sampai 4. d) Op-amp sebagai penguat jumlah 1. Buat rangkaian op-amp sebagai penguat jumlah seperti pada Gambar 7. 2. Sebelum melakukan pengukuran dan memberikan sinyal masukan, pastikan rangkaian op-amp sudah diberi tegangan Vcc sudah diberi tegangan Vcc dan Vee dari power supply. 3. Beri tegangan masukan op-amp pada kaki (+) dengan sumber sinyal positif (+) dari signal generator dan kaki (-) dengan ground signal generator dan beri sumber sinyal sinusoidal. 4. Untuk rangkaian yang digunakan (rangkaian non-inverting), ukur respon amplitudo tegangan keluaran op-amp terhadap masukan. 5. Ukur dan catat tegangan masukan dan keluaran penguat pada rangkaian. 6. Lakukan variasi pada tegangan dengan cara merubah masukan dan mengulangi langkah 2 sampai 4. 6. Tabel Percobaan a) Penguat Inverting dan Non Inverting Nilai RF =... Ohm Nilai RI =... Ohm Penguatan teori =... No Vin Vout 1 2 3 4 5 6 7 8 9... Dst (sertakan foto gambar input dan output)
b) Rangkaian Integrator dan Differensiator (bentuk gambar) No Sinyal masukan Sinyal keluaran c) Penguat Jumlah Nilai RF =... Ohm Nilai RI =... Ohm Penguatan teori =... No V1 V2 Vout 1 2 3 4 5 7. Tugas Laporan a) Gambarkan tanggapan amplitudo penguat inverting dan penguat non-inverting dari hasil percobaan yang diperoleh menggunakan Microsoft Excel dan tentukan penguatannya. (Sumbu-x = tegangan input, Sumbu-y = tegangan output). Bandingkan penguatan yang diperoleh dari hasil percobaan dengan penguatan secara perhitungan. b) Gambarkan sinyal masukan dan sinyal keluaran pada rangkaian differensiator dan integrator dan analisis hasil yang diperoleh. c) Analisis keluaran untuk percobaan op-amp sebagai penguat jumlah. d) Analisis apa yang terjadi apabila sebuah op-amp berada di luar frekuensi kerjanya. Mengapa terjadi demikian? e) Apakah pada rangkaian yang Anda buat terdapat sinyal keluaran yang terpotong? Jelaskan mengapa rangkaian tersebut memiliki sinyal terpotong!
8. Referensi [1]Alexander, C.K. & Sadiku, M.N.O. Fundamentals of Electronic Circuit. USA: Wiley. [2]Jung, Walt. Op-Amp Applications Handbook. USA: Howard & Co: Inc. [3] www.circuitstoday.com [4]www.electronics-tutorials.ws Revised By I Gede Putu Agastya Eka Wiraputra (10210034) Oktober 2014