Penguat Oprasional FE UDINUS
KONTRAK PERKULIAHAN TIU : Memberi Pengenalan dan Dasar Pengetahuan Tentang Berbagai Penguat dengan Karakteristiknya.
DESKRIPSI SINGKAT Pembahasan mata kuliah ini meliputi penguat diferensial dan penguat oprasional yang meliputi karakteristik dan aplikasinya seperti penguat inverting dan non inverting, penjumlahan, integrator, osilator ADC, DAC dan analisa perancangan filter aktif dengan menggunakan Op-Amp.
Tujuan Mata Kuliah: • Mampu menjelaskan dan membedakan karakteristik Op-amp dengan berbagai karakteristik. • Mampu menjelaskan aplikasi penguatan dengan Opamp • Mampu menerapkan Op-amp sebagai pembangkit sinyal seperti osilator, triangle generator dll • Mampun menjelaskan tentang ADC dan DAC • Mampu menganalisa dan merancang filter aktif
Materi Elektronika Dasar 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Pengertian OP-amp dan karakteristiknya Penguat inverting dan non inverting Aplikasi OpAmp Op-amp pembagkit sinyal ADC dan DAC Filter Aktif
Ketentuan Selama Perkuliahan 1. 2. 3.
4.
5.
Menjunjung tinggi nilai kejujuran Mentaati peraturan akademik dan norma kehidupan kampus (memakai baju sopan, sepatu, dll) Kehadiran peserta dalam perkuliahan DIHARAPKAN 100% (ditolerir dapat tidak hadir sebanyak 3 kali dalam semester dengan keterangan yang sah) Daftar hadir hanya diedarkan selama perkuliahan berlangsung, tidak diperkenankan mengisi daftar hadir setelah kuliah berakhir. Peserta yang diketahui ditandatangani ataupun menandatangani absen peserta lain dianggap indisipliner dan tidak diperkenankan mengikuti ujian
Tata Cara Penilaian EVALUASI a. Evaluasi Tengah Semester : Objective Test b. Evaluasi Akhir Semester : Objective Test c. Tugas Terstruktur + Projek (pertengahan semester & Akhir semester) : Dikerjakan secara perseorangan Berupa tugas latihan soal dan tugas paper dengan topic yang relevan Tugas dikumpulkan dalam bentuk hard copy / softcopy Peserta yang diketahui menitip tugas atau mengerjakan tugas peserta lain akan dianggap indispliner dan tidak diperkenankan mengikuti ujian
Tata Cara Penilaian Bobot Penilaian
UTS 2. UAS 3. Tugas Terstruktur 4. Lain-lain
1.
Kriteria Penilaian A : > 86 B : 70 – 85 C : 60 – 79 D : 50 – 59 E : 0 – 49
: : : :
20 % 30 % 40 % 10 %
Referensi 1. Milman, “ Microelectronic”, 2nd Ed., McGrawhill 2. Coughli & Driscoll, “ Oprational Amplifier & Linier Integrated circuit”, 5th Ed. 3. Prentice Hall, Franco, “ Design With Oprational Amplifiers and Analog Integrated Circuit”, 2nd Ed., McGrawhill
Pengenalan Op-Amp (Penguat Operasional )
Penguat Operasional adalah suatu rangkaian penguatan yang lengkap dalam bentuk sebuah IC Penguat Op-Amp memiliki sifat-sifat : • Penguatan tegangannya sangat besar • Impedansi masuknya sangat tinggi • Impedansi keluarnya rendah • Karakteristik frekuensinya lebar
Terminal / kaki Op-Amp + V/2
+V _
RL
_
V
+
RL
V
+ -V
V
- V/2
Cara memberi daya dengan 2 supply
Cara memberi daya dengan 1 supply
Kaki 1 & 5 : offset null Kaki 2 : masukan membalik (inverting input) Kaki 3 : masukan tak membalik (non inverting input) Kaki 4 : tanah (ground) Kaki 6 : keluaran (output) Kaki 7 : catu tegangan positif Kaki 8 : tak digunakan
+Vc _
Op-Amp 741 mempunyai beberapa versi yang berbeda di belakang angka 741, seperti 741A, 741C, 741E, 741N. Huruf-huruf berbeda di belakang angka 741 tersebut membedakan pada penguatan tegangannya, temperature range, noise level dan karakteristik yang lainnya. • IC Op-amp 741C Huruf C dibelakang angka 741 adalah singkatan dari Commercial grade yaitu tipe 741 yang paling murah dan paling banyak dan umum digunakan. • IC Op-amp 741C mempunyai penguatan tegangan loop terbuka sebesar 1000.000 dan impedansi input 2 MΩ dan impedansi output 75 Ω dan mempunyai unity-gain frequency sebesar 1 MΩ.
Catu daya
Terminal Output dan Input +V _ Ed
Vo=AoL.Ed AoL
+
Max Vo = +Vsat Min Vo = -Vsat
-V Vsat=dibawah tegangan supply antara 1 sampai 2 volt
Ed +V _ Ed +
Vo=AoL.Ed AoL -V
AoL disebut penguatan atau gain terbuka karenena tidak ada umpan balik antara terminal input dan terminal output dibiarkan terbuka. Misalkan V supply ± 15 Volt maka vsat = ±13 Volt
Perbedaan Tegangan masukan (Ed) Nilai AoL sebesar 200.000 Penguatan Ed dibatasi maksimum ±65µV Misalkan AoL=200.000, V= ±13V 𝐸𝐸 =
+𝑉𝑉𝑉𝑉 +13𝑉 = = 65µ 𝐴𝐴𝐴 200.000
+𝑉𝑉𝑉𝑉 −13𝑉 𝐸𝐸 = = = −65µ 𝐴𝐴𝐴 200.000
Apabila tegangan masukan berbeda antara − 65µ𝑉 ≤ 𝐸𝐸 65µ𝑉 , Op-Amp berlaku Sebagai penguat secara linier dan berlaku Vo= Ed.AoL.
Kesimpulan • Tegangan Output berada pada salah satu batas + Vsat atau – Vsat • Untuk mempertahankan Vo tetap berada pada batass – batas ini maka perlu dipadang umpan balik • Karena Ed nilainya sangat kecil atau tidak mudah untuk mengukurnya maka untuk kepentingan praktis Ed sama dengan 0 Tegangan masukan (-)
Tegangan masukan (+)
Ed
Pola ritas Ed
Vo=AoL.Ed
Polaritas Vo
Vo
-10µ
-15µ
-5µ
-
-10V
-
-1V
-10µ
15µ
25µ
+
5V
+
5V
-10µ
-5µ
5µ
+
1V
+
1V
+1.000001
+1.000000
-1
-
-0,2V
-
-0,2V
+5m
0
-5m
-
-1.000V
-
-Vsat=-13V
0
5m
5m
+
1000V
+
+VsAT=+13V
Penguat Operasional Ideal Penguat operasional ideal adalah penguat diferensial ideal. Sifat-sifat sebuah penguat operasional ideal : • Penguatan tegangannya tak terhingga (GV = ∞); • Impedansi masuknya tak terhingga, jadi arus masuknya sama dengan nol; • Impedansi keluarnya sama dengan nol; • Karakteristik Frekuensinya rata, dan membentang dari frekuensi nol hingga f = ∞. 17
Abdul Rahman@2004
Penguat Operasional Praktis (Tidak Ideal) Dalam prakteknya tidak ada penguat operasional yg ideal, Namun demikian sebuah penguat operasional praktis seringkali dapat dianggap seolah-olah memiliki sifat-sifat ideal.
18
Abdul Rahman@2004
Op-Amp +5v Non-inverting input 2 7 6 inverting input
3
4 -5v
19
0utput
Inverting Op-Amp Inverting untuk konfigurasi dimana masukan positip menghasikankeluaran negatip atau masukan negatip menghasilkankeluaran positip. +Vcc V
V
VOUT = −V IN
_ t
- VEE
+ Tetap
t - VEE
20
Rf R1
Non-Inverting Amplifier Non-Inverting untuk konfigurasi dimana masukan positip menghasilkankeluaranpositip.Atau masukan negatif menghasilkan keluaran negatif. Seperti halnya pada rangkaianinverting, disinipun akan ditunjukanrumus gain dari rangkaian ini. +Vcc V Tetap
R VOUT = V IN 1 + 1 R2
_ +Vcc
V +
t
t - VEE 21
Zero Crossing Detector Rangkaan detektor dinamakan juga sebagai pembanding yaitu membandingkan suatu tegangan masukan (input) pada salah satu kaki masukan dengan satu tegangan tertentu atau dengan nol. Hasil pembandingnya dapat menggunakan rumus Ed sehingga didapatkan tegangan keluaran(output)yang tergantung polaritas dari Ed. Jika polaritas Ed= negatif maka Vo= +Vsat Jika polaritas Ed= Positif maka Vo= -Vsat Zero Crossing Detector • Zero crossing nol • Inverting zero crossing detector • Non inverting zero crossing detector • Inverting voltagae level detector • Non-inverting voltagae level detector 22
Duty Cycle Siklus kerja / Duty cycle merupakan perbandingan waktu on dengan priode sinyal dikalikan dengan 100%. Duty cycle =
Ton Ton + toff
Suatu sinyal mempunyai priode 10 m detik dan waktu on sama dengan 2 m detik Berapa waktu negatif /waktu rendahnya? Penyelesaian : TL = T − Ton TL = 10 − 3 = 7 m det ik Ton Dutyccycle = x100% = 30% T 23
Detektor Penyilang nol Detektor Penyilang nol pembalik ( Inverting zero crossing Detector/IZCD) Sinyal masukan masuk pada (-) op amp dan membandingkan dengan nol (+) op Amp. Ed = (+) input – (-) input= 0 – Vi = - Vi Vi < 0 maka Vo = + Vsat Vi > 0 maka Vo = - Vsat
24
Detektor Penyilang nol Detektor Penyilang nol tak pembalik ( non-Inverting zero crossing Detector/NIZCD) Sinyal masukan masuk pada (+) op amp dan membandingkan dengan nol (-) op Amp. Ed = (+) input – (-) input= Vi – 0 Vi > 0 maka Vo = + Vsat Vi < 0 maka Vo = - Vsat
25
Detektor taraf tegangan Detektor taraf membalik (Inverting voltage level detector / IVLD) Sinyal masukan masuk pada (-) op amp dan membandingkan dengan nol (+) op Amp. Ed = (+) input – (-) input= Vref – vi Vi > Vref maka Vo = + Vsat Vi < Vref maka Vo = - Vsat
26
Detektor taraf tegangan Detektor taraf membalik (Inverting voltage level detector / IVLD) Sinyal masukan masuk pada (-) op amp dan membandingkan dengan nol (+) op Amp. Ed = (+) input – (-) input= Vref – vi Vi > Vref maka Vo = + Vsat Vi < Vref maka Vo = - Vsat
27
Detektor taraf tegangan Detektor taraf tak membalik (non-Inverting voltage level detector / IVLD) Sinyal masukan masuk pada (-) op amp dan membandingkan dengan nol (+) op Amp. Ed = (+) input – (-) input= Vi – Vref Vi < Vref maka Vo = - Vsat Vi > Vref maka Vo = + Vsat
28
Rangkaian tegangan Ref 𝑅𝑅 𝑉𝑉𝑉𝑉 = (+𝑉) 𝑅𝑅 + 𝑅𝑅
Misalkan + V = 12 Volt , R1 100 ohm, R2= 50 Ohm Maka Vref adalah
50 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 12 100 + 50 = 4 volt 29
Latihan
Diket : ± V = 15V ; Vsat = ±13Volt a. Hit Ton, Toff dan duty cycle b. Gambarlah output tegangan Vo
30
Diket : ± V = 15V ; Vsat = ±13Volt a. Hit Ton dan duty cycle b. Gambarlah output tegangan Vo
31
Diket : ± V = 15V ; Vsat = ±13Volt a. Hit Ton dan duty cycle b. Gambarlah output tegangan Vo
32
Diket : ± V = 12V ; Vsat = ±10Volt a. Hit Ton dan duty cycle b. Gambarlah output tegangan Vo
33
Penguat Pembalik (Inverting Amplifier) I
Karene arus yg masuk keterminal op Amp = 0 Maka I melewat Rf sehingga timbul tegangan pada Rf yaitu 𝑉𝑉 VRf = IRf = 𝑅𝑅 𝑅𝑅
Polaritas (-) pada Rf pada terminal keluaran Vo maka Vo = -VRf Vo = -VRf = -
𝑉𝑉 𝑅𝑅 𝑅𝑅
= - 𝑅𝑅 𝑉𝑉 𝑅𝑅
Contoh I
Deket : Rf = 100K, Ri = 10K, Ei = 1 Volt dan RL = 25 K. Hitung : I, Vo, AcL,IL, Lo Solusi : I=
𝑉𝑉 𝑅𝑅
Vo = -
AcL = IL =
=
1V 10 K
𝑅𝑅 𝑉𝑉 𝑅𝑅 −10 1
0 −𝑉𝑉 𝑅𝑅
= 0,1mA
=−
100𝐾 10𝐾
= −10
=
0 −(−10) 25𝐾
(1Volt) = − 10 volt
= 0,4 mA
Io = I + IL = 0,1 + 0,4 =0,5 mA
Tegangan negatif sebagai masukan pada Inverting input
I
Deket : Rf = 250K, Ri = 10K, Ei = - 0,5 Volt dan RL = 25 K. Hitung : I, Vo, AcL,IL, Lo Solusi : I=
𝑉𝑉 𝑅𝑅
Vo = -
=
𝑅𝑅 𝑉𝑉 𝑅𝑅
AcL = − IL =
0,5 V 10 K
𝑉𝑉 𝑅𝑅
=
= 0,05mA
=−
250𝐾 10𝐾 12,5 25𝐾
250𝐾 10𝐾
( − 0,5 Volt) = 12,5 volt
= −25
= 0,5 mA
Io = I + IL = 0,05 + 0,5 =0,55 mA
Tegangan AC sebagai masukan pada Inverting input
Vi
Vo
Rangkaian Penjumlah Membalik (Inverting Adder) Dengan 3 masukan Op Amp yaitu V1, V2, V3 Maka dapat dirumuskan Jika R1≠R2≠R3≠Rf Vo = (-
𝑅𝑅 𝑉𝑉) 𝑅1
+ (−
Jika R1=R2=R3=Rf
Rangkaian Pengikut Tegangan (Voltage Follower)
Vo = - (V1+V2+V3) Jika jumlah masukannya sebanyak R dimana R1=R2=R3=R maka Vo = [
Vo = Vi
𝑅𝑅 𝑅𝑅 𝑉2)+(− 𝑉2) 𝑅2 𝑅3
𝑉𝑉+𝑉𝑉+𝑉𝑉+𝑅𝑅 ] 𝑛
Penguat Tak Membalik (Non- Inverting Amplifier) I
Karene arus yg masuk keterminal op Amp = 0 maka arus I berasal dari Vo melewat Rf sehingga timbul tegangan pada Rf yaitu 𝑉𝑉 VRf = IRf = 𝑅𝑅 𝑅𝑅
Polaritas (+) pada Rf pada terminal keluaran Vo maka besarnya Vo merupakan penjumlahan antara tegangan Rf dengan tegangan input sehingga Vo = VRf + Vi Vo = VRf+Vi = 𝑅𝑅
𝑉𝑉 𝑅𝑅 𝑅𝑅
+ 𝑉𝑉
=
𝑅𝑅 𝑉𝑉 𝑅𝑅
+ 𝑉𝑉
Vo = ( + 1)𝑉𝑉 𝑅𝑅 Dengan menggunakan Gain tertutup (AcL) maka AcL= 𝑉𝑉 𝑅𝐿
IL=
𝑉𝑜 𝑉𝑖
=
𝑅𝑅 +1 𝑅𝑅
Rangkaian Penjumlah Tak Membalik (Non Inverting Adder) Dengan menggunakan prinsip superposisi untuk mencari tegangan masukan pada masukan (+) Op am didapatkan 𝑅2
𝑅1
Vi = ( )𝑉𝑉 + ( )𝑉2 𝑅1+𝑅𝑅 𝑅𝑅+𝑅2 Maka 𝑅𝑓 𝑅𝑅 𝑅𝑅 Vo = ( + 1)( 𝑉𝑉 + 𝑉2) 𝑅𝑖
AcL = [
𝑉𝑉 ] 𝑉𝑉
𝑅𝑅+𝑅𝑅
𝑅1+𝑅𝑅
Rangkaian Penjumlah Tak Membalik (Non Inverting Adder) N masukan
Bila jumlah masukan lebih dari dua atau N masukan dengan R sama semua kecuali Rf dan nilai Rf sama dengan Rf= (n -1) maka besarnya tengangan output Vo = (V1+V2+V3)
Rangkaian Penguat selisih
Terdiri dari penguat membalik dan penguat tak membalik yang tegangan outputnya merupakan selisih dari tegangan inputnya Vo = (
𝑅𝑓 𝑅𝑖
+ 1) + (
𝑅𝑅 𝑉2) 𝑅𝑅+𝑅𝑅
−
𝑅𝑓 𝑉𝑖 𝑅𝑖
Jika nilai perbandingan resistor seimbang
𝑅𝑖 𝑅𝑅 = 𝑅1 𝑅2
𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑉𝑉 =
𝑅𝑅 𝑅𝑅
𝑉𝑉 − 𝑉𝑉
Rangkaian pembanding Pembanding (Komparator) merupakan rangkaian yang berfungsi sebagai pembanding sinyal input dengan tegangan refrensi. Sebelumnya rangkaian pembanding berupa open loop dengan tegangan input tidak mengalami noise.
Sifat Op Amp sebagai detektor maupun komparator, Tegangan output (Vo) didapatkan dari selisih tegangan Ed. Jika Ed positif (+) maka Vo sama dengan +Vsat dan sebaliknya. Saat nois timbul pada input (En) maka kaki inverting pada input menjadi (Vi+Vn) sehingga selisi Ed menjadi : Ed = 0 – (Vi+Vn) = - (Vin+Vn)
Detektor pembalik penyilang nol dengan histerisis (IZCD with Hysterisis) Untuk mengatasi nois perlu dipasang feedback ke masukan positif input(positive feedback).
Outpu pada sebuah pembanding ada 2 kemungkinan: +Vsat -Vsat Ciri pembanding adalah feedback Masukan + Op Amp
Misalkan pertama kali Op Amp diaktifkan Vo berada pada +Vsat dengan tegangan masukan + sebesar 𝑅𝑅 ( ) + 𝑉𝑉𝑉𝑉. 𝑅𝑅+𝑅𝑅 Karena tegangan feedback ini bernilai positif atau lebih besar dari tegangan feedback lainya maka dinamakan upper threshold voltage (VUT)
Jadi (VUT) = (
𝑅𝑅 ) 𝑅𝑅+𝑅𝑅
+ 𝑉𝑉𝑉𝑉
Tegangan Ed (VUT)-Vi
Selama tegangan input Vi < (VUT) maka Ed sama dengan positif dan tegangan Vo = +Vsat Bila tegangan Vi naik sampai dengan lebih besar dari (VUT) maka Ed menjadi negatif dantegangan output menjadi –Vsat. Karena tegangan Vo= -Vsat maka tegangan feedback masukan 𝑅𝑅 menjadi ) − 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑅𝑅+𝑅𝑅
Karena tegangan feedback nilainya negatif atau tegangan feedback < Vo maka dinamakan (VLT), jadi nilai 𝑅𝑅 VLT = ( ) − 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑅𝑅+𝑅𝑅
Karena adanya batas atas dan batas bawah maka akan ada namanya histerisis (VH) yaitu perbedaan ambang atas dan ambang bawah (VH) = (VUT)- (VLT) Selain adanya histerisis ada pula tegangan tengah (center voltage) (VUT)− (VLT) (VCTR) yang dapat dirumuskan (VCTR)= VUT = VLT =
𝑅𝑅 𝑅𝑅+𝑅𝑅 𝑅𝑅 ( ) 𝑅𝑅+𝑅𝑅
+ 𝑉𝑉𝑉𝑉
− 𝑉𝑉𝑉𝑉
2
Detektor tak membalik penyilang nol dengan histerisis (NIZCD with Hysterisis) Rangkaian detektor pengyilang nol tak membalik yang bersifat open loop jika mendapatkan noise maka akan mengalami kesalahan pada Vo disekitar crossing
Detektor tak membalik penyilang nol dengan histerisis (NIZCD with Hysterisis) Apabila R dan feedback sama dengan m.R maka besarnya −𝑉𝑉𝑉𝑉 VUT = VLT =
𝑚 +𝑉𝑉𝑉𝑉 ( ) 𝑚
(VH) = (VUT)- (VLT) (VCTR)=
(VUT)− (VLT) 2
Detektor pembalik taraf tegangan dengan histerisis (Inverting Voltage Level Detector with Hysterisis) Apabila tegangan pembanding tidak nol tp suatu tegangan refrensi (Vref) maka tegangan ambang batasnya merupakan akibat dari dua sumber tegangan yaitu suber tegangan Vo dengan referensi sehingga didapatkan persamaan 𝑛.𝑅 𝑅 𝑛 +𝑉𝑉𝑉𝑉 VUT = 𝑉𝑉𝑉𝑉 + +𝑉𝑠𝑠𝑠= 𝑉𝑉𝑉𝑉 VLT =
𝑅+𝑛.𝑅 𝑛.𝑅 𝑅+𝑛.𝑅
𝑉𝑉𝑉𝑉 +
𝑅+𝑛.𝑅 𝑅 𝑅+𝑛.𝑅
+
1+𝑛 𝑛 𝑉𝑉𝑉𝑉= 𝑉𝑉𝑉𝑉 1+𝑛
1+𝑛 −𝑉𝑉𝑉𝑉 1+𝑛
Detector jendela (windows detector) Detektor jendela adalah rangkaian konparator dimana hubungan tegangan input dan tegangan output membentuk suatu jendela. Jika input dibawah VLT atau diatas VLT maka Vo = 0 Jika input diantara VLT dan VLT maka Vo = +Vsat
Detektor Tak membalik taraf tegangan dengan histerisis (Non-Inverting Voltage Level Detector with Hysterisis) Apabila tegangan pembanding tidak nol tetapi suatu tegangan refrensi (Vref) maka tegangan ambang batasnya merupakan akibat dari dua sumber tegangan yaitu suber tegangan Vo dengan referensi sehingga didapatkan persamaan 1 −𝑉𝑉𝑉𝑉 VUT = 1 + 𝑉𝑉𝑉𝑉 − VLT = 1 +
𝑚 1 𝑚
𝑉𝑉𝑉𝑉 −
𝑚 −𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑚
TERIMA KASIH
