Modul 04: Op-Amp Penguat Inverting, Non-Inverting, dan Comparator dengan Histeresis Reza Rendian Septiawan March 3, 2015 Op-amp merupakan suatu komponen elektronika aktif yang dapat menguatkan sinyal dengan tingkat penguatan yang tinggi. Op-amp banyak digunakan untuk membangun blok rangkaian yang jauh lebih kompleks. Op-amp itu sendiri merupakan sebuah komponen yang terdiri dari banyak resistor, dioda, dan transistor yang dikemas dalam satu kemasan terintegrasi. Namun kita tidak perlu membahas atau mengetahui secara detail fungsi dan cara kerja dari komponen-komponen yang berada di dalam op-amp itu sendiri, yang terpenting adalah kita mengetahui bagaimana cara kerja mendasar dari op-amp itu sendiri.
1
inverting, kaki masukan non-inverting, dan kaki keluaran. Namun karena op-amp termasuk dalam kategori komponen aktif, op-amp membutuhkan koneksi catu daya yang terdiri dari koneksi dengan tegangan positif dan negatif.
Gambar 1: Simbol dari op-amp pada rangkaian (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla).
Alat dan Komponen
1. Osiloskop 2. Multimeter
Op-amp ideal memiliki karakteristik impedansi diantara kedua kaki masukannya adalah tak hingga sehingga tak membebani rangkaian yang memberi 4. Catu daya DC sinyal masukan, memiliki penguatan loop terbuka yang besarnya tak hingga, dan memiliki impedansi 5. Kabel jumper keluaran yang sama dengan nol. Namun pada prakteknya, tak ada op-amp yang ideal. Di dunia nyata, 6. IC op-amp dan soketnya karakteristik dari op-amp ideal biasanya didekati 7. project board oleh devais op-amp yang memiliki impedansi masukan yang tinggi, penguatan tegangan yang tinggi, 8. Resistor dan kapasitor pita respon frekuensi penggunaan yang lebar, serta impedansi keluaran yang rendah, sehingga bisa diasumsikan op-amp tersebut mendekati karakteris2 Teori Singkat tik dari op-amp ideal. Beberapa op-amp yang umum berada di pasaran adalah IC LM741, OP177, 2.1 Op-amp AD8041, TL061, TL071, dan TL081. Beberapa jeDalam skema rangkaian, op-amp biasa dilam- nis IC ada yang memiliki lebih dari satu op-amp bangkan seperti tampak pada Gambar 1. Kaki- diskret dalam satu devais IC, antara lain IC TL082 kaki utama dari op-amp terdiri dari kaki masukan dan TL084 yang masing-masing memiliki 2 dan 4 3. Signal generator
1
Modul 04: Op-Amp
halaman 2
op-amp dalam satu IC.
akan menjadi mudah. Akibat penggunaan umpan balik negatif inilah op-amp dapat bekerja sebagai penguat sinyal.
2.2
Gambar 2: Contoh dari kaki keluaran IC op-amp TL082 (diambil dari datasheet TL082 oleh ST Electronics). Cara kerja op-amp secara mendasar adalah sebagai devais penguat diferensial dengan penguatan yang tak hingga. Perbedaan sinyal masukan yang sangat kecil pada kedua kaki masukan op-amp dapat membuat keluaran dari op-amp langsung tersaturasi pada rangkaian op-amp yang terbuka. Hal ini menyebabkan keluaran dari op-amp menjadi tidak linear dan tidak stabil.
Op-amp Sebagai Penguat NonInverting
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, untuk membuat op-amp sebagai rangkaian penguat membutuhkan jalur umpan balik negatif. Salah satu rangkaian penguat paling sederhana dari op-amp adalah rangkaian penguat non-inverting. Skema rangkaian penguat ini dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4: Rangkaian penguat non-inverting pada op-amp (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). Dengan memberikan sinyal masukan Vin pada kaki non-inverting dan memberikan umpan balik negatif Vf pada kaki inverting yang berasal dari sinyal keluaran Vout , maka op-amp akan stabil pada kondisi tegangan masukan di kaki inverting Gambar 3: Perbedaan masukan yang kecil pada V− sama dengan tegangan masukan di kaki nonkaki op-amp akan membuat op-amp tersaturasi inverting V+ . pada rangkaian terbuka (diambil dari buku ”FunVin = V+ = V− = Vf (1) damentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla). Namun dari rangkaian tersebut kita dapat melihat bahwa tegangan umpan balik Vf merupakan fraksi Untuk membuat keluarannya menjadi stabil, dari tegangan keluaran V out yang dilewatkan pada dibutuhkan rangkaian umpan balik negatif yang pembagi tegangan yang terdiri dari dua buah resisakan memberikan sebagian fraksi sinyal dari kaki tor R dan R , sehingga kita dapat menuliskan f i keluaran menuju kaki masukan inverting dari opamp. Dengan membuat jalur umpan balik negatif Ri Vf = Vout (2) ini akan membuat sinyal yang masuk ke kaki inRf + Ri verting menjadi sama dengan sinyal yang masuk ke kaki non-inverting. Dengan menggunakan asumsi Sehingga kita dapat menuliskan bahwa besarnya ini, maka proses analisis rangkaian pada op-amp penguatan dari rangkaian penguat non-inverting FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
Modul 04: Op-Amp
halaman 3
adalah sebagai berikut
Besarnya arus yang melewati jalur umpan balik negatif dapat dituliskan sebagai berikut
A=
2.3
Vout Rf = +1 Vin Ri
(3) If =
V− − Vout −Vout = Rf Rf
(6)
Op-amp Sebagai Penguat Invert- Sehingga didapatkan penguatan dari rangkaian penguat inverting adalah sebagai berikut ing
Konfigurasi lainnya dari op-amp sebagai penguat dengan menggunakan jalur umpan balik negatif adalah sebagai penguat inverting. Pada konfigurasi ini, sinyal masukan Vin akan diberikan pada kaki masukan inverting dari op-amp seteleh melewati hambatan Ri , sedangkan kaki masukan noninverting dihubungkan dengan ground sehingga tegangan di kaki non-inverting V+ maupun di kaki inverting V− akan sama dengan nol. Kondisi ini disebut dengan virtual ground. Seperti biasa, sinyal keluaran Vout dari kaki keluaran diumpan balik melewati hambatan Rf menuju kaki masukan inverting. Konfigurasi penguat inverting dapat dilihat pada Gambar 5. Pada rangkaian penguat
A=
Vout Rf =− Vin Ri
(7)
Akibat fasa dari sinyal keluaran yang terbalik dengan fasa sinyal masukan, maka rangkaian ini dinamakan rangkaian penguat inverting.
2.4
Op-amp Sebagai dengan Histeresis
Komparator
Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, prinsip dasar dari op-amp adalah untuk membandingkan masukan dari kedua kaki inputnya. Jika terdapat perbedaan sedikit saja antara kedua kaki masukannya, akan mengakibatkan kondisi keluaran dari opamp langsung berubah, membuat op-amp menjadi tidak stabil akibat adanya gangguan noise latar belakang. Selain itu terdapat juga beberapa kondisi yang membutuhkan op-amp sebagai komparator dengan titik batas on dan off yang berbeda. Kondisi ini membutuhkan op-amp sebagai komparator dengan histeresis antara titik nyala dan mati dari keluarannya. Untuk membuat op-amp sebagai komparator dengan histeresis, dibutuhkan jalur umpan balik positif dari kaki keluaran op-amp menuju kaki masukan non-inverting dengan sinyal Gambar 5: Rangkaian penguat inverting pada op- masukan diberikan pada kaki masukan inverting. amp (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Kaki keluaran dari op-amp dapat bernilai Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan ±V out(max) , sehingga kaki masukan non-inverting David Buchla). dapat bernilai inverting, arus yang berasal sinyal masukan yang melewati hambatan Ri adalah Ii =
Vin − V− Vin = Ri Ri
(4)
V+ =
R2 (±Vout(max) ) R1 + R2
(8)
Saat kaki keluaran bernilai +Vout(max) , maka kaki masukan non-inverting akan bernilai
R2 V+ = VU T P = (+Vout(max) ) (9) Akibat dari kondisi virtual ground dan impedansi R1 + R2 masukan yang tinggi, maka tidak ada arus yang akan masuk ke op-amp dan semua arus akan sehingga sinyal masukan pada kaki inverting harus bernilai lebih besar dari nilai tegangan tersebut unditeruskan ke rangkaian umpan balik negatif tuk dapat memicu kondisi off dari op-amp. TeganIi = If (5) gan batas ini dinamakan tegangan ambang batas FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
Modul 04: Op-Amp
halaman 4
3 3.1
Percobaan Op-amp Sebagai Penguat NonInverting
1. Susun rangkaian seperti pada Gambar 4. Gunakan catu daya ±15 V teregulasi yang telah dibuat.
Gambar 6: Rangkaian komparator dengan histeresis pada op-amp (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla).
atas (upper threshold point, UTP ). Sedangkan saat keluaran dari op-amp berada pada kondisi LOW (−Vout(max) ), maka kaki masukan non-inverting akan bernilai V− = VLT P =
R2 (−Vout(max) ) R1 + R2
(10)
sehingga sinyal masukan pada kaki inverting harus turun melewati nilai tegangan tersebut untuk dapat memicu op-amp menjadi kondisi on. Tegangan batas ini dinamakan tegangan ambang batas bawah (lower threshold point, LTP ). Akibat kondisi titik nyala dan mati dari op-amp yang berbeda, maka rangkaian ini dinamakan rangkaian komparator dengan histeresis.
2. Berikan sinyal masukan dari Signal Generator dengan rentang dari 20 Hz − 100 kHz. Amati sinyal keluaran dan masukannya. Hitung penguatannya. 3. Ulangi untuk 5 konfigurasi hambatan Ri dan Rf yang berbeda. Tampilkan kurva penguatannya dalam satu gambar.
3.2
Op-amp Sebagai Penguat Inverting
1. Susun rangkaian seperti pada Gambar 5. Gunakan catu daya ±15 V teregulasi yang telah dibuat. 2. Berikan sinyal masukan dari Signal Generator dengan rentang dari 20 Hz − 100 kHz. Amati sinyal keluaran dan masukannya. Hitung penguatannya. 3. Ulangi untuk 5 konfigurasi hambatan Ri dan Rf yang berbeda. Tampilkan kurva penguatannya dalam satu gambar.
3.3
Op-amp Sebagai Summing Amplifier
1. Susun rangkaian seperti pada Gambar 5. Gunakan catu daya ±15 V teregulasi yang telah dibuat.
Gambar 7: Respon op-amp pada rangkaian komparator histeresis terhadap sinyal masukan (diambil dari buku ”Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition” oleh Thomas L. Floyd dan David Buchla).
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
2. Berikan sinyal masukan dari Signal Generator dengan rentang dari 1 kHz − 10 kHz. Sambungkan SG dengan rangkaian pembagi tegangan. Sambungkan keluaran langsung dari SG dan keluaran dari pembagi tegangan ke rangkaian penguat inverting dengan nilai Ri yang berbeda. Amati sinyal masukan dan keluarannya. Hitung penguatannya. 3. Ulangi untuk 5 konfigurasi hambatan Ri1 dan Ri2 yang berbeda.
Modul 04: Op-Amp
4. Ulangi dengan menggunakan dua buah SG sehingga bisa divariasikan nilai frekuensinya.
3.4
Op-amp Sebagai Penguat Inverting Bertingkat
1. TL082 memiliki dua buah op-amp diskret dalam satu IC. Susun dua buah rangkaian inverting bertingkat. 2. Berikan sinyal masukan dari Signal Generator dengan rentang dari 1 kHz − 10 kHz. 3. Ulangi untuk 5 konfigurasi hambatan Ri dan Rf yang berbeda untuk masing-masing opamp.
Referensi [1] Thomas L. Floyd dan David Buchla. Fundamentals of Analog Circuits, 2nd edition. 2001. Prentice Hall.
FI-5283: Rangkaian Analog dan Digital
halaman 5
