PENGENALAN OPERATIONAL AMPLIFIER (OP-AMP) Penguat operasional atau Operational Amplifier (OP-AMP) yaitu sebuah penguat tegangan DC yang memiliki 2 masukan diferensial. OP-AMP pada dasarnya merupakan sebuah penguat diferensial dengan karakteristik ideal: 1.
Dapat dioperasikan dengan jangkauan frekuensi tak terbatas (unlimited bandwidth).
2.
Memiliki impedansi masukan tak berhingga.
3.
Memiliki impedansi keluaran nol.
Fungsi Op-Amp antara lain: 1.
Memilih suatu kawasan frekuensi tertentu dan menolak kawasan frekuensi selainnya (sebagai filter aktif).
2.
Memperkuat tegangan pada bagian inverting maupun non-inverting (sebagai voltage amplifier).
3.
Sebagai penyangga dari satu bagian rangkaian ke bagian lainnya (buffer).
4.
Memperkuat
jumlah
atau
selisih
pada
kedua
tegangan
sumber
(summing/subtracting amplifier). Simbol komponen dari OP-AMP adalah sebagaimana pada Gambar 1 berikut: Inverting Input
V+ + +
Non-Inverting Input
Output V-
-
(a)
(b)
Gambar 1. OP-AMP (a) Simbol dengan tegangan catu dan masukan (b) Simbol umum
Dari simbol dalam Gambar 1.a. terlihat bahwa OP-AMP menggunakan dua tegangan catuan yang bernilai sama (V+ dan V-) namun memiliki polaritas berkebalikan. Biasanya OP-AMP diberi catu daya dengan polaritas ganda atau bipolar dalam jangkauan 5 hingga 15 V. Catu daya tersebut secara sederhana dapat direalisasikan dalam rangkaian sebagaimana dalam Gambar 2.
+ 12 V 12 V
12 V - 12 V
Gambar 2. Catu Daya Bipolar
Tegangan masukan dalam OP-AMP terdiri dari masukan pembalik (Inverting Input) dan masukan non-pembalik (Non-Inverting Input). Jika sinyal melalui masukan non-pembalik atau positif (+) maka keluarannya akan sefase (in phase) dengan masukannya. Sehingga jika masukannya positif maka keluarannya akan positif juga. Jika sinyal melalui masukan pembalik atau negatif (-) maka keluarannya akan berkebalikan atau berbeda fase 180 (out of phase by 180). Sehingga jika masukannya positif maka keluarannya akan menjadi negatif.
+ -
+ -
(a)
(b)
Gambar 3. Tegangan Masukan (a) Non-Inverting (b) Inverting
Dari berbagai macam jenis OP-AMP yang diproduksi, tipe 741 adalah yang paling populer digunakan. Bentuk fisik dan konfigurasi pin untuk tipe ini adalah sebagaimana dalam Gambar 4 berikut ini.
(a) Gambar 4. LM741 (a) Bentuk Fisik (b) Konfigurasi Pin
(b)
Tabel 1. Konfigurasi Pin Pin no. 1
2
Fungsi Offset Nul
Keterangan Op-amp pada keadaan tidak diberikan tegangan masukan pada bagian inverting maupun non-inverting, semestinya menghasilkan tegangan keluaran nol. Offset nul adalah suatu bagian penalaan (tuning) pada Op-amp yang berfungsi untuk mengatur nilai tegangan keluaran ke posisi nol sebelum Op-amp dipergunakan.
Inverting Input
Sinyal masukan yang menyebabkan keluarannya berbeda fasa 180.
3
4 5 6 7 8
Non-Inverting Input
Sinyal masukan yang menyebabkan keluarannya tetap
VOffset Nul Output V+ NC
Tegangan positif catuan Sama dengan no. 1 di atas Tegangan keluaran Tegangan negatif catuan Not Connected.
sefase.
Beberapa Istilah/Parameter yang berhubungan dengan OP-AMP: 1.
Large Signal Voltage Gain [parameter ke-9 hal. 3, lembar data LM741] yaitu perbandingan tegangan keluaran (dengan ayunan maksimum) terhadap selisih tegangan antara dua terminal masukan yang diperlukan untuk menghasilkan keluaran. Sebagai catatan, ini adalah nilai penguatan kalang terbuka (open-loop) dari OP-AMP tanpa resistansi umpan-balik (feedback), sehingga nilai ini adalah penguatan terbesar yang mungkin.
2.
Input Offset Voltage [parameter ke-1 hal. 2, lembar data LM741] yaitu tegangan dimana kedua terminal masukan harus diatur ulang agar menghasilkan tegangan keluaran nol. Tegangan offset ini muncul karena nilai VBE yang sedikit berbeda dari dua transistor internal pada komponen OP-AMP. Pada umumnya nilai parameter ini sekitar beberapa mV.
3.
Input Voltage Range [parameter ke-8 hal. 2, lembar data LM741] yaitu tegangan positif dan negatif maksimum yang bisa diberikan pada masingmasing terminal masukan dengan tetap menjaga kondisi pembiasan yang tepat dari kedua transistor internal. Parameter ini berkaitan dengan tegangan catuan yang digunakan.
4.
Output Voltage Swing [parameter ke-10 hal. 3, lembar data LM741] adalah penyimpangan maksimum (positif dan negatif) pada tegangan keluaran tertentu untuk tegangan catu daya tertentu pula.
5.
Input Bias Current [parameter ke-6 hal. 2, lembar data LM741] yaitu arus basis searah sebenarnya yang diperlukan oleh dua transistor masukan. Biasanya nilai untuk parameter ini adalah 80 nA.
6.
Input Offset Current [parameter ke-4 hal. 2, lembar data LM741] yaitu selisih antara dua arus basis masukan. Lazimnya nilai ini lebih kecil dari besar nilai input bias current.
7.
Supply Current [parameter ke-17 hal. 3, lembar data LM741] adalah arus yang digunakan dari catu daya untuk mengoperasikan OP-AMP dengan kondisi tanpa beban dan tegangan nol di bagian keluaran.
8.
Input Resistance [parameter ke-7 hal 2, lembar data LM741] adalah resistansi efektif yang dilihat dari bagian terminal masukan dengan terminal keluaran dihubungkan ke pertanahan. Parameter ini didefinisikan untuk kondisi kalang terbuka atau tanpa umpan balik. Biasanya nilai ini berkisar beberapa Mega Ohm.
9.
Output Resistance yaitu hambatan efektif yang muncul secara seri di bagian keluaran. Lazimnya nilai ini kurang dari 50 .
10.
Common-Mode Rejection Ratio (CMRR) [parameter ke-12 hal 3, lembar data LM741], biasanya didefinisikan sebagai angka perbandingan penguatan selisih terhadap common-mode gain. Nilai parameter ini biasanya tidak lebih dari 80 dB. Common-mode gain itu sendiri adalah penguatan saat kedua tegangan masukan OP-AMP bernilai sama sehingga keluarannya secara ideal adalah nol.
11.
Power Supply Rejection Ratio (PSRR) [parameter ke-13 hal 3, lembar data LM741], yaitu perbandingan tegangan penyimpangan (offset) masukan terhadap perubahan dalam tegangan catu daya. Efek dari perubahan tegangan catu daya adalah berubahnya kondisi pembiasan, termasuk dua tegangan masukan. PSRR biasanya lebih besar dari 80 dB.
12.
Slew Rate [parameter ke-16 hal 3, lembar data LM741] adalah batasan yang diatur dari dalam OP-AMP dalam hal nilai perubahan pada tegangan keluaran dengan fungsi tangga yang memiliki amplitudo besar diberikan di bagian masukan. Biasanya ini berkisar 0,5 V/s untuk OP-AMP yang menggunakan
transistor dwi kutub atau 13 V/s untuk OP-AMP dengan transistor efek medan (FET). 13.
Gain-bandwidth product (GBP) yaitu perkalian antara penguatan kalang tertutup (closed loop) dengan lebar pita kalang tertutup, yang merupakan konstanta. Sebagai contoh, penguat dengan nilai penguatan 100 dan lebar pita 40 KHz akan menghasilkan GBP 4 MHz.
