2.3 Penguat Operasioal Penguat operasional 2.3.1 Gambaran umum
Penguat operasional Op - Amp adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial yang telah dijelaskan di atas.
Penguat operasional memilki dua masukan dan satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang tinggi. Untuk dapat bekerja dengan baik, penguat operasional
memerlukan tegangan catu yang simetris yaitu tegangan yang berharga positif +V
dan tegangan yang berharga negatif -V terhadap tanah ground.
Operational Amplifier atau di singkat Op - Amp merupakan komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi
penguat operasional popular yang paling sering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Pada bagian ini akan dipaparkan
beberapa aplikasi penguat operasional yang paling dasar, dimana rangkaian feedback umpan balik negatif memegang peranan penting. Secara umum, umpan balik positif
akan menghasilkan osilasi sedangkan umpan balik negatif menghasilkan penguatan yang dapat terukur.
Penguat operasional pada dasarnya adalah differential amplifier penguat diferensial yang memiliki dua masukan. Input masukan penguat operasional seperti
yang telah dimaklumi ada yang dinamakan input inverting dan non-inverting. Penguat operasional ideal memiliki open loop gain penguatan loop terbuka yang tak
terhingga besarnya. Ada dua aturan penting dalam melakukan analisa rangkaian penguat
operasional berdasarkan karakteristik penguat operasional ideal. Aturan ini dalam beberapa literatur dinamakan golden rule, yaitu :
Aturan 1 : Perbedaan tegangan antara input v
+
dan v
-
adalah nol v
+
-v
-
= 0 v
+
= v
-
Universitas Sumatera Utara
Aturan 2 : Arus pada input Penguat operasional adalah nol i
+
= i
-
= 0 Inilah dua aturan penting penguat operasional ideal yang digunakan untuk
menganalisa rangkaian penguat operasional.
2.3.2 Karakteristik Ideal Penguat Operasional
Penguat operasional banyak digunakan dalam berbagai aplikasi karena beberapa keunggulan yang dimilikinya, seperti penguatan yang tinggi, impedansi masukan yang
tinggi, impedansi keluaran yang rendah dan lain sebagainya. Berikut ini adalah karakteristik dari Penguat operasional ideal:
1. Penguatan tegangan lingkar terbuka
Penguatan tegangan lingkar terbuka open loop voltage gain adalah penguatan diferensial Penguat operasional pada kondisi dimana tidak terdapat umpan
balik feedback. Secara ideal, penguatan tegangan lingkar terbuka adalah:
A
VOL
=
Vo Vid
= −
∞ A
VOL
=
VoV1-V2
= −
∞
Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran V
O
berbeda fasa dengan tegangan masukan V
id
. Konsep tentang penguatan tegangan tak berhingga tersebut sukar untuk divisualisasikan dan tidak mungkin untuk diwujudkan.
Suatu hal yang perlu untuk dimengerti adalah bahwa tegangan keluaran V
O
jauh lebih besar daripada tegangan masukan V
id
. Dalam kondisi praktis, harga A
VOL
adalah antara 5000 sekitar 74 dB hingga 100000 sekitar 100 dB.Tetapi dalam penerapannya tegangan keluaran V
O
tidak lebih dari tegangan catu yang diberikan pada Penguat operasional. Karena itu Penguat
Universitas Sumatera Utara
operasional baik digunakan untuk menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil.
2. Tegangan ofset keluaran
Tegangan ofset keluaran output offset voltage V
OO
adalah harga tegangan keluaran dari Penguat operasional terhadap tanah ground pada kondisi
tegangan masukan V
id
= 0. Secara ideal, harga V
OO
= 0 V. Penguat operasional yang dapat memenuhi harga tersebut disebut sebagai Penguat operasional
dengan CMR common mode rejection ideal. Tetapi dalam kondisi praktis, akibat adanya ketidakseimbangan dan
ketidakidentikan dalam penguat diferensial dalam Penguat operasional tersebut, maka tegangan ofset V
OO
biasanya berharga sedikit di atas 0 V. Apalagi apabila tidak digunakan umpan balik maka harga V
OO
akan menjadi cukup besar untuk menimbulkan saturasi pada keluaran. Untuk mengatasi hal
ini, maka perlu diterapakan tegangan koreksi pada Penguat operasional. Hal ini dilakukan agar pada saat tegangan masukan V
id
= 0, tegangan keluaran V
O
juga = 0. 3.
Hambatan Masukan Hambatan masukan input resistance R
i
dari Penguat operasional adalah besar hambatan di antara kedua masukan Penguat operasional. Secara ideal
hambatan masukan Penguat operasional adalah tak berhingga. Tetapi dalam kondisi praktis, harga hambatan masukan Penguat operasional adalah antara 5
k Ω
hingga 20 M Ω
, tergantung pada tipe Penguat operasional. Harga ini
Universitas Sumatera Utara
biasanya diukur pada kondisi Penguat operasional tanpa umpan balik. Apabila suatu umpan balik negatif negative feedback diterapkan pada Penguat
operasional, maka hambatan masukan Penguat operasional akan meningkat. Dalam suatu penguat, hambatan masukan yang besar adalah suatu hal
yang diharapkan. Semakin besar hambatan masukan suatu penguat, semakin baik penguat tersebut dalam menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat
kecil. Dengan hambatan masukan yang besar, maka sumber sinyal masukan tidak terbebani terlalu besar.
4. Hambatan Keluaran
Hambatan Keluaran output resistance R
O
dari Penguat operasional adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada saat Penguat operasional bekerja
sebagai pembangkit sinyal. Secara ideal harga hambatan keluaran R
O
Penguat operasional adalah = 0. Apabila hal ini tercapai, maka seluruh tegangan
keluaran Penguat operasional akan timbul pada beban keluaran RL, sehingga dalam suatu penguat, hambatan keluaran yang kecil sangat diharapkan.
Dalam kondisi praktis harga hambatan keluaran Penguat operasional adalah antara beberapa ohm hingga ratusan ohm pada kondisi tanpa umpan
balik. Dengan diterapkannya umpan balik, maka harga hambatan keluaran akan menurun hingga mendekati kondisi ideal.
5. Lebar Pita
Lebar pita band width BW dari Penguat operasional adalah lebar frekuensi tertentu dimana tegangan keluaran tidak jatuh lebih dari 0,707 dari harga
tegangan maksimum pada saat amplitudo tegangan masukan konstan. Secara
Universitas Sumatera Utara
ideal, Penguat operasional memiliki lebar pita yang tak terhingga. Tetapi dalam penerapannya, hal ini jauh dari kenyataan.
Sebagian besar Penguat operasional serba guna memiliki lebar pita hingga 1 MHz dan biasanya diterapkan pada sinyal dengan frekuensi beberapa
kiloHertz. Tetapi ada juga Penguat operasional yang khusus dirancang untuk bekerja pada frekuensi beberapa MegaHertz. Penguat operasional jenis ini juga
harus didukung komponen eksternal yang dapat mengkompensasi frekuensi tinggi agar dapat bekerja dengan baik.
6. Waktu Tanggapan
Waktu tanggapan respon time dari Penguat operasional adalah waktu yang diperlukan oleh keluaran untuk berubah setelah masukan berubah. Secara ideal
harga waktu respon Penguat operasional adalah = 0 detik, yaitu keluaran harus berubah langsung pada saat masukan berubah.Tetapi dalam prakteknya, waktu
tanggapan dari Penguat operasional memang cepat tetapi tidak langsung berubah sesuai masukan. Waktu tanggapan Penguat operasional umumnya
adalah beberapa mikro detik hal ini disebut juga slew rate. Perubahan keluaran yang hanya beberapa mikrodetik setelah perubahan masukan tersebut
umumnya disertai dengan oveshoot yaitu lonjakan yang melebihi kondisi steady state. Tetapi pada penerapan biasa, hal ini dapat diabaikan.
7. Karakteristik Terhadap Suhu
Sebagai mana diketahui, suatu bahan semikonduktor yang akan berubah karakteristiknya apabila terjadi perubahan suhu yang cukup besar. Pada
Penguat operasional yang ideal, karakteristiknya tidak berubah terhadap
Universitas Sumatera Utara
perubahan suhu. Tetapi dalam prakteknya, karakteristik Penguat operasional pada umumnya sedikit berubah, walaupun pada penerapan biasa, perubahan
tersebut dapat diabaikan.
2.3.3 Penguat non-inverting
Prinsip utama rangkaian penguat non-inverting adalah seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.3 berikut ini. Seperti namanya, penguat ini memiliki masukan yang dibuat
melalui input non-inverting. Dengan demikian tegangan keluaran rangkaian ini akan satu fasa dengan tegangan inputnya.
Gambar 2.4 Rangkaian dasar penguat non-inverting
Dengan menggunakan aturan 1 dan aturan 2, kita uraikan dulu beberapa fakta yang ada, antara lain :
v
in
= v
+
v
+
= v
-
= v
in
. Dari sini ketahui tegangan jepit pada R
2
adalah v
out
– v
-
= v
out
– v
in
, atau i
out
= v
out
- v
in
R
2
. Lalu tegangan jepit pada R
1
adalah v
-
= v
in
, yang berarti arus i
R1
= v
in
R
1
. Hukum kirchoff pada titik input inverting merupakan fakta yang mengatakan bahwa :
i
out
+ i
-
= i
R1
Universitas Sumatera Utara
Aturan 2 mengatakan bahwa i
-
= 0 dan jika disubsitusi ke rumus yang sebelumnya, maka diperoleh
i
out
= i
R1
dan Jika ditulis dengan tegangan jepit masing-masing maka diperoleh v
out
– v
in
R
2
= v
in
R
1
yang kemudian dapat disederhanakan menjadi : v
out
= v
in
1 + R
2
R
1
Jika penguatan G adalah perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka didapat penguatan penguat operasional non-inverting :
2.3.4 Penguat Inverting
Rangkaian dasar penguat inverting adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.4, dimana sinyal masukannya dibuat melalui input inverting. Seperti tersirat pada
namanya, bahwa fase keluaran dari penguat inverting ini akan selalu berbalikan dengan inputnya. Pada rangkaian ini, umpan balik negatif di bangun melalui resistor
R2.
Gambar 2.5 Rangkaian dasar penguat inverting
Universitas Sumatera Utara
Input non-inverting pada rangkaian ini dihubungkan ke ground, atau v
+
= 0. Dengan mengingat dan menimbang aturan 1 lihat aturan 1, maka akan dipenuhi v
-
= v
+
= 0. Karena nilainya = 0 namun tidak terhubung langsung ke ground, input penguat
operasional v
-
pada rangkaian ini dinamakan virtual ground. Dengan fakta ini, dapat dihitung tegangan jepit pada R1 adalah v
in
– v
-
= v
in
dan tegangan jepit pada reistor R
2
adalah v
out
– v
-
= v
out
. Kemudian dengan menggunakan aturan 2, di ketahui bahwa : i
in
+ i
out
= i
-
= 0, karena arus masukan penguat operasional adalah 0. i
in
+ i
out
= v
in
R
1
+ v
out
R
2
= 0 Selanjutnya
v
out
R
2
= - v
in
R
1
atau v
out
v
in
= - R
2
R
1
Jika penguatan G didefenisikan sebagai perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka dapat ditulis
Impedansi rangkaian inverting didefenisikan sebagai impedansi input dari sinyal masukan terhadap ground. Karena input inverting - pada rangkaian ini diketahui
adalah 0 virtual ground maka impendasi rangkaian ini tentu saja adalah Z
in
= R
1
.
2.3.5 Penguat diffrensiator
Penguat Differensial bisa mengukur maupun memperkuat sinyal-sinyal kecil yang terbenam dalam sinyal-sinyal yang jauh lebih besar. Empat tahanan presisi 1 dan
penguat operasional membentuk penguat differensial, seperti terlihat pada gambar 2.2.5 terminal inputnya ada dua, input - dan +, dihubungkan dengan terminal
penguat operasional yang terdekat.
Universitas Sumatera Utara
Sumber masukan penguat differensial ada 2, yaitu E1 dan E2. Jika E2 dihubung singkat, maka E1 mendapat penguatan pembalik sebesar -mRR = -m.
Karena tegangan keluaran akibat E1 adalah -mE1. Jika E1 dihubung singkat, maka E2 akan terbagi antara R dan mR, sehingga terminal
positif dari penguat operasional menerima tegangan sebesar mendapat penguatan pembalik sebesar -mRR = -m. Karena tegangan keluaran akibat E1 adalah -
mE21+m, dengan penguatan sebesar 1+m.
Gambar 2.6 Rangkaian dasar penguat differensial
Karena itu tegangan keluaran akibat E1 adalah:
Dengan demikian jika E1 dan E2 sama-sama dimasukan, maka tegangan keluaran Vo adalah:
Dari persamaan diatas, dapat dilihat bahwa tegangan keluaran dari Penguat differensial sebanding dengan perbedaan tegangan masukan E1 dan E2. Pengali ini
adalah merupakan gain diferensial yang ditentukan oleh perbandingan tahanannya.
Universitas Sumatera Utara
2.3.6 Penguat jumlah summing amplifier
Penguat operasional sering digunakan sebagai penjumlah berbagai input sinyal. Berikut ini adalah gambar dari summing amplifier.
Gambar 2.7 Rangkaian dasar penguat jumlah summing amplifier
Rangkaian summing amplifier mempunyai penguatan tegangan sebanyak dua penguatan tegangan. Untuk penguatan tegangan 1 adalah sebagai berikut:
Untuk penguatan tegangan 2 adalah sebagai berikut:
Penguatan tegangan total dari summing amplifier adalah sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
2.4 Mikrokontroler AT89S52 2.4.1 Gambaran umum
