Chapter 10: Operational Amplifier

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Ringkasan

7. Problem & Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

 

1. Pendahuluan (kembali)

            Penguat operasional (operational amplifier atau disingkat op-amp) merupakan salah satu komponen dasar yang sangat penting dalam bidang elektronika analog. Op-amp dirancang sebagai penguat tegangan dengan tingkat penguatan yang sangat tinggi, serta memiliki karakteristik masukan impedansi tinggi dan impedansi keluaran rendah. Komponen ini pertama kali dikembangkan untuk digunakan dalam komputer analog, namun seiring waktu penggunaannya meluas ke berbagai aplikasi seperti penguat sinyal, filter aktif, pembanding (comparator), integrator, dan diferensiator.

Dengan konfigurasi rangkaian eksternal yang sederhana, op-amp mampu melakukan berbagai fungsi matematis terhadap sinyal analog, seperti penjumlahan, pengurangan, integrasi, dan diferensiasi. Fleksibilitas dan keandalannya menjadikan op-amp sebagai komponen kunci dalam desain rangkaian analog modern, baik dalam sistem pengolahan sinyal, kontrol otomatis, maupun peralatan medis dan komunikasi. Oleh karena itu, pemahaman yang baik terhadap prinsip kerja dan karakteristik op-amp sangat penting bagi siapa saja yang mempelajari atau bekerja di bidang teknik elektro dan elektronika.

2. Tujuan (kembali)

·       Memahami konsep dasar dan karakteristik ideal op-amp.

·        Menjelaskan prinsip kerja op-amp dalam berbagai konfigurasi dasar.

·       Menganalisis dan menghitung parameter penting pada rangkaian op-amp.

·       Mengembangkan kemampuan merancang rangkaian analog berbasis op-amp.

·       Mengetahui aplikasi praktis op-amp dalam bidang teknik dan industri.

3. Alat dan Bahan (kembali)

1. Alat

Voltmeter dan Ampermeter

Voltmeter adalah perangakat listrik yang berfungsi untuk menghitung tegangan dan amperemeter adalah perangkat yang berfungsi untuk menghitung arus yang mengalir di suatu rangkaian.

                           

2. Bahann

Resistor

    Resistor atau disebut juga dengan Hambatan adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi     untuk menghambat dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian elektronika. Satuan nilai            Resistor atau Hambatan adalah Ohm.

     Spesifikasi dari resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat dihantarkan.                        Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, derau listrik (noise), dan induktansi. Resistor dapat           diintegrasikan kedalam sirkuit hibrida dan papan sirkuit cetak, bahkan sirkuit terpadu. Untuk               mengetahui nilai resistansi dari suatu resistor, dapat dilihat dari tabel berikut:

• Kapasitor 

 Kapasitor adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menyimpan dan melepaskan muatan listrik dalam bentuk medan listrik.

                                                        

• Baterai

  Baterai adalah suatu bahan yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik yang dapat digunakan oleh alat-alat elektronika.

• Ground

       Ground atau pembumian adalah titik yang dianggap sebagai titik kembalinya arus listrik arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan (referensi) dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik di dalam rangkaian elektronika.

4. Dasar Teori (kembali)

10.5 Practical OP AM Sircuit (For fig. 10.41)

Op-amp dapat dihubungkan dalam sejumlah besar sirkuit untuk menyediakan berbagai operasi. Salah satunya adalah differentiator (sirkuit pembeda). Sirkuit pembeda ditunjukkan pada Gbr. 10.41 . Meski tidak seberguna sirkuit

bentuk yang dibahas di atas, pembeda memang memberikan operasi yang berguna, hubungan yang dihasilkan untuk sirkuit adalah v_o(t) = -RC 

10.6 OP-AMP SPECIFICATIONS-DC OFFSET PARAMETERS (untuk fig 10.42 dan 10.43)

Dalam teori ideal, sebuah operational amplifier (op-amp) seharusnya menghasilkan output sebesar nol volt ketika kedua terminal input-nya diberikan tegangan nol volt. Namun dalam praktiknya, op-amp nyata memiliki ketidaksempurnaan internal yang menyebabkan munculnya tegangan output meskipun tidak ada sinyal masukan. Ketidaksempurnaan ini dikenal sebagai tegangan offset dan arus offset. Tegangan offset input (input offset voltage atau V_IO

) adalah tegangan kecil yang harus diterapkan antara kedua terminal input agar output menjadi nol volt. Nilai V_IO ini biasanya tercantum dalam datasheet dan menjadi salah satu parameter penting dalam spesifikasi op-amp.

Selain tegangan offset, terdapat pula arus offset input (input offset current), yaitu selisih arus bias yang mengalir ke terminal input inverting dan non-inverting. Ketidaksamaan arus ini juga menghasilkan tegangan offset tambahan pada output. Tegangan offset output yang muncul akibat V_IO dapat dianalisis menggunakan hubungan dasar op-amp, yaitu Vo = A × Vi, di mana Vo adalah tegangan output, A adalah penguatan (gain), dan Vi adalah tegangan input efektif akibat offset. Dalam perancangan sistem analog, khususnya yang membutuhkan presisi tinggi seperti penguat sinyal lemah atau sensor, keberadaan offset ini harus diperhitungkan dengan cermat karena dapat menyebabkan kesalahan pada output yang signifikan. Oleh karena itu, pemahaman terhadap parameter offset menjadi dasar penting sebelum merancang atau menerapkan op-amp dalam berbagai aplikasi elektronik.

Rumus: V_O = AV_i = A (V_{IO –} V_O)

dengan itu, V_O=V_IO  setara dengan V_IO    

Jadi, V_O(offset) = V_IO 

5. Prinsip Kerja [kembali]

Prinsip Kerja Differentiator

Differentiator adalah rangkaian berbasis operational amplifier (op-amp) yang menghasilkan output berupa turunan pertama dari sinyal input terhadap waktu. Dengan kata lain, output differentiator akan sebanding dengan laju perubahan (rate of change) dari sinyal input.

Pada rangkaian differentiator, sebuah kapasitor dipasang pada jalur input (menuju input inverting op-amp), sedangkan resistor dipasang pada jalur umpan balik (feedback) dari output ke input inverting. Input non-inverting biasanya dihubungkan ke ground.

Ketika sinyal input diberikan, arus yang mengalir melalui kapasitor sebanding dengan laju perubahan tegangan input. Karena op-amp memiliki penguatan sangat tinggi, tegangan pada kedua input (inverting dan non-inverting) akan cenderung sama (prinsip virtual ground). Akibatnya, arus yang mengalir melalui kapasitor juga harus mengalir melalui resistor feedback, sehingga menghasilkan tegangan output.

Secara matematis, hubungan antara input dan output pada differentiator diberikan oleh:

$${\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">o</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">u</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">t</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">=</span><span\; style="background-color:\; white;">-</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">R</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">C</span>}\frac{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">d</span>}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">i</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">n</span>}}}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">d</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">t</span>}}$$

Artinya, output berbanding lurus dengan turunan waktu dari input, dikalikan dengan konstanta RC.

Karakteristik Output

• Jika input berupa gelombang persegi, output akan berupa pulsa tajam pada setiap perubahan tepi sinyal.

• Jika input berupa gelombang sinus, output akan menjadi gelombang kosinus yang terbalik fasa.

• Output sangat peka terhadap perubahan cepat pada input.

Prinsip Kerja DC Offset pada Op-Amp

DC offset pada op-amp terjadi karena adanya ketidakseimbangan pada rangkaian internal, khususnya pada pasangan transistor input. Ketidakseimbangan ini menyebabkan op-amp membutuhkan tegangan DC kecil di antara kedua inputnya agar output benar-benar nol. Tegangan kecil ini disebut input offset voltage.

Secara prinsip, ketika kedua input op-amp (inverting dan non-inverting) dihubungkan ke ground (nol volt), output op-amp idealnya juga harus nol. Namun, pada op-amp nyata, karena perbedaan karakteristik komponen internal, output tetap menunjukkan tegangan DC kecil, meskipun inputnya nol. Tegangan ini adalah output offset voltage, yang berasal dari penguatan internal terhadap input offset voltage.

Akibatnya, jika op-amp digunakan untuk memperkuat sinyal DC atau sinyal dengan amplitudo kecil, DC offset ini dapat menyebabkan kesalahan pengukuran atau noise pada output. Untuk mengurangi efek DC offset, beberapa op-amp menyediakan pin khusus (offset null) yang dapat dihubungkan ke potensiometer eksternal untuk mengatur dan menyeimbangkan kembali tegangan offset secara manual.

Example 

Contoh Aplikasi/Rangkaian Differentiator Op Amp

1. Deteksi Tepi Sinyal (Edge Detection)
   Differentiator op amp digunakan untuk mendeteksi perubahan cepat pada sinyal input, misalnya sinyal persegi. Outputnya berupa pulsa tajam pada saat perubahan naik atau turun sinyal input, berguna dalam sistem digital dan pemrosesan sinyal.

2. Pembentukan Gelombang Segitiga dari Gelombang Persegi
   Dengan menghubungkan sinyal persegi ke input differentiator, output yang dihasilkan adalah gelombang segitiga. Ini sering digunakan dalam generator fungsi dan modulasi sinyal.

3. Pengukuran Kecepatan Perubahan Sinyal (Rate of Change Measurement)
   Differentiator op amp dapat digunakan dalam sistem kontrol dan instrumentasi untuk mengukur laju perubahan sinyal fisik seperti tekanan, suhu, atau posisi yang diubah menjadi sinyal listrik.

Contoh Aplikasi/Rangkaian Offset Op Amp

1. Penguat Presisi dengan Kompensasi Offset
   Dalam penguat sinyal kecil, offset op amp dapat menyebabkan kesalahan besar. Oleh karena itu, rangkaian offset nulling dengan potensiometer digunakan untuk menghilangkan tegangan offset dan meningkatkan akurasi pengukuran.

2. Sensor dan Sistem Pengukuran
   Offset op amp dikompensasi agar sensor seperti strain gauge, termokopel, atau sensor tekanan dapat memberikan hasil pengukuran yang tepat tanpa kesalahan akibat offset.

3. Penguat Instrumentasi
   Dalam penguat instrumentasi yang digunakan untuk aplikasi medis atau ilmiah, offset op amp diminimalkan dengan desain khusus dan kalibrasi agar sinyal yang sangat kecil dapat diperkuat tanpa distorsi akibat offset.

6. Ringkasan [kembali]

Differentiator op amp adalah rangkaian penguat operasional yang menghasilkan output tegangan yang proporsional dengan turunan waktu dari tegangan inputnya. Secara matematis, outputnya diberikan oleh persamaan:

$${\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">o</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">u</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">t</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">=</span><span\; style="background-color:\; white;">-</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">R</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">C</span>}\frac{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">d</span>}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">i</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">n</span>}}}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">d</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">t</span>}}$$

di mana $R$ adalah resistor umpan balik dan $C$ adalah kapasitor input. Konsep utama dari rangkaian ini adalah bahwa kapasitor pada input menghasilkan arus yang sebanding dengan laju perubahan tegangan input, karena arus kapasitor $i_C$ memenuhi hubungan:

$${\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">i</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">C</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">=</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">C</span>}\frac{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">d</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">d</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">t</span>}}$$

Karena input non-inverting op amp terhubung ke ground (0 V), maka titik input inverting berada pada virtual ground, sehingga arus yang mengalir melalui kapasitor sama dengan arus yang mengalir melalui resistor umpan balik. Dengan menggunakan hukum Kirchhoff pada node input inverting dan sifat ideal op amp (arus input nol), diperoleh hubungan:

$$\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">C</span>}\frac{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">d</span>}<span\; style="background-color:\; white;">(</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">0</span>}<span\; style="background-color:\; white;">-</span>{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">i</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">n</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">)</span>}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">d</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">t</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">+</span>\frac{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">0</span>}<span\; style="background-color:\; white;">-</span>{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">o</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">u</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">t</span>}}}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">R</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">=</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">0</span>}$$

atau disederhanakan menjadi:

$${\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">o</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">u</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">t</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">=</span><span\; style="background-color:\; white;">-</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">R</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">C</span>}\frac{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">d</span>}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">i</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">n</span>}}}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">d</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">t</span>}}$$

Output ini memiliki tanda negatif yang menunjukkan adanya pergeseran fase 180° antara input dan output. Karena penguatan diferensial ini meningkat seiring frekuensi, rangkaian differentiator rentan terhadap noise dan sinyal frekuensi tinggi yang tidak diinginkan, sehingga dalam praktik sering ditambahkan resistor kecil pada input atau kapasitor pada jalur umpan balik untuk membatasi bandwidth dan meningkatkan stabilitas.

Differentiator op amp banyak digunakan dalam aplikasi seperti deteksi tepi sinyal, pemrosesan sinyal analog, pembentukan gelombang, dan sistem kontrol yang memerlukan pengukuran laju perubahan sinyal.

Offset Op Amp

Offset op amp mengacu pada fenomena tegangan offset input dan output yang muncul akibat ketidaksempurnaan internal komponen op amp, terutama transistor input. Tegangan offset input adalah tegangan kecil yang harus diterapkan pada input agar output op amp menjadi nol, meskipun input diferensial seharusnya nol. Tegangan offset ini dapat menyebabkan kesalahan pengukuran dan distorsi sinyal, terutama pada aplikasi presisi tinggi.

Penyebab utama offset adalah perbedaan karakteristik transistor input, arus bias input yang tidak seimbang, dan ketidaksempurnaan proses fabrikasi. Tegangan offset ini dapat diperhitungkan sebagai tegangan tambahan yang muncul pada input dan diterjemahkan ke output melalui penguatan op amp.

Untuk mengatasi offset, beberapa metode umum digunakan, antara lain:

• Offset Nulling: Menggunakan pin offset null pada op amp dan potensiometer eksternal untuk mengatur dan menghilangkan tegangan offset.

• Pemilihan Op Amp dengan Offset Rendah: Memilih op amp dengan spesifikasi offset input yang sangat kecil.

• Kompensasi dan Kalibrasi: Menambahkan rangkaian kompensasi offset atau melakukan kalibrasi sistem secara berkala.

7. Soal Latihan Dan Problem [kembali]        

Differentiator Op-Amp

    Problem

1. Sebuah differentiator op-amp menggunakan resistor 10 kΩ dan kapasitor 0,1 μF. Jika inputnya adalah 

$V_{in}(t)=3t$ volt, tentukan outputnya!

Jawaban:

$$\frac{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">d</span>}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">i</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">n</span>}}}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">d</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">t</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">=</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">3</span>}$$$${\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">o</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;"><br></span><span\; style="background-color:\; white;">u</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">t</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">=</span><span\; style="background-color:\; white;">-</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">R</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">C</span>}\frac{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">d</span>}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">i</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">n</span>}}}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">d</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">t</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">=</span><span\; style="background-color:\; white;">-</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">10</span>}<span\; style="background-color:\; white;">,</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">000</span>}<span\; style="background-color:\; white;">\times </span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">0.1</span>}<span\; style="background-color:\; white;">\times </span>{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">10</span>}}^{<span\; style="background-color:\; white;">-</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">6</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">\times </span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">3</span>}<span\; style="background-color:\; white;">=</span><span\; style="background-color:\; white;">-</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">0.003</span>}\text{<span style="background-color: white;"> V</span><span style="background-color: white;"><br></span>}$$

                                                                                                                       

8. Percobaan [kembali]

fig 10.41

fig 10.42

fig 10.43

9. Download File [kembali]

fig 10.41 (klik)

fig 10.42 (klik)

fig 10.43 (klik)

Datasheet Op-amp [disini]

Download Datasheet Op-Amp [klik disini]

Download Datasheet

Datasheet Op-amp(disini)