Operational Amplifier

FUNGSI DAN KARAKTERISTIK PENGUAT OPERASIONAL (OP AMP)

Penguat operasional atau op-amp adalah rangkaian elektronik yang dirancang dan dikemas secara khusus sehingga dengan menambahkan komponen luar sedikit saja dapat dipakai untuk berbagal keperluan. Hingga kini, op-amp yang dibuat dan komponen-komponen diskrit dan dikemas dalam rangkaian tersebut masih dirasakan begitu mahal oleh para insinyur atau teknisi yang pernah menggunakannya. Namun, kini dengan teknologi rangkaian terpadu (IC) yang telah ditingkatkan, op-amp dalam bentuk kemasan IC menjadi jauh lebih murah dan amat luas pemakaiannya.

Pada mulanya op-amp digunakan untuk rangkaian perhitungan analog, rangkaian pengaturan dan instrumentasi. Fungsi utamanya adalah untuk melakukan operasi linier matematika (tegangan dan arus), integrasi dan penguatan.

Kini op-amp dapat dijumpai di mana saja, dálam berbagai bidang: reproduksi suara, sistem komunikasi, sistem pengolahan digital, elektronik komersial, dan, aneka macam perangkat hobyist.

Dalam konfigurasinya kita akan menemukan op-amp dengan masukan dan keluaran tunggal, masukan dan keluaran diferensial, atau masukan diferensial dan keluaran tunggal. Konfigurasi terakhir ini banyak digunakan dalam industri elektronika.

Konflgurasi ini juga akan dipakai sebagai kerangka landasan dalam modul ini. Setiap orang yang terlibat dalam elektronika mau tak mau harus memahami kegunaan op-amp, mengetahui karakteristiknya, mampu mengenali konfigurasi dasar rangkaian op-amp dan mampu bekerjasama dengannya.

APAKAH OP-AMP ITU?

Op-amp IC adalah peranti solid-state yang mampu mengindera dan memperkuat sinyal masukan baik DC maupun AC.

Op-amp IC yang khas terdiri atas tiga rangkaian dasar, yakni penguat diferensial impedansi masukan tinggi, penguat tegangan penguatan tinggi, dan penguat keluaran impedansi rendah (biasanya pengikut emiter push-pull).

Penguat Diferensial Sebagai Dasar Penguat Operasional

Penguat diferensial adalah suatu penguat yang bekerja dengan memperkuat sinyal yang merupakan selisih dari kedua masukannya. Berikut ini adalah gambar skema dari penguat diferensial sederhana:

Penguat diferensial tersebut menggunakan komponen BJT (Bipolar Junction Transistor) yang identik / sama persis sebagai penguat. Pada penguat diferensial terdapat dua sinyal masukan (input) yaitu V1 dan V2. Dalam kondisi ideal, apabila kedua masukan identik (Vid = 0), maka keluaran Vod = 0. Hal ini disebabkan karena IB1 = IB2 sehingga IC1 = IC2 dan IE1 = IE2. Karena itu tegangan keluaran (VC1 dan VC2) harganya sama sehingga Vod = 0.

Apabila terdapat perbedaan antara sinyal V1 dan V2, maka Vid = V1 – V2. Hal ini akan menyebabkan terjadinya perbedaan antara IB1 dan IB2. Dengan begitu harga IC1 berbeda dengan IC2, sehingga harga Vod meningkat sesuai sesuai dengan besar penguatan Transistor.

Untuk memperbesar penguatan dapat digunakan dua tingkat penguat diferensial (cascade). Keluaran penguat diferensial dihubungkan dengan masukan penguat diferensial tingkatan berikutnya. Dengan begitu besar penguatan total (Ad) adalah hasil kali antara penguatan penguat diferensial pertama (Vd1) dan penguatan penguat diferensial kedua (Vd2).

Dalam penerapannya, penguat diferensial lebih disukai apabila hanya memiliki satu keluaran. Jadi yang diguankan adalah tegangan antara satu keluaran dan bumi (ground). Untuk dapat menghasilkan satu keluaran yang tegangannya terhadap bumi (ground) sama dengan tegangan antara dua keluaran (Vod), maka salah satu keluaran dari penguat diferensial tingkat kedua di hubungkan dengan suatu pengikut emitor (emitter follower).

Untuk memperoleh kinerja yang lebih baik, maka keluaran dari pengikut emiter dihubungkan dengan suatu konfigurasi yang disebut dengan totem-pole. Dengan menggunakan konfigurasi ini, maka tegangan keluaran X dapat berayun secara positif hingga mendekati harga VCC dan dapat berayun secara negatif hingga mendekati harga VEE.

Apabila seluruh rangkaian telah dihubungkan, maka rengkaian tersebut sudah dapat dikatakan sebagai penguat operasional (Operational Amplifier (Op Amp)). Penjelasan lebih lanjut mengenai hal ini akan dilakukan pada sub bab berikut.

Perhatikan, lazimnya op-amp, memerlukan catu positif dan catu negatif. Karena catunya demikian, tegangan keluarannya dapat berayun positif atau negatif terhadap bumi.

Karakteristik op-amp yang terpenting adalah:

Impedansi masukan amat tinggi, sehingga arus masukan praktis dapat diabaikan.

Penguatan lup terbuka - amat tinggi.

Impedansi keluaran amat rendah, sehingga keluaran penguat tidak terpengaruh oleh pembebanan.

Berikut ini adalah karakteristik dari Op Amp ideal:

¨ Penguatan tegangan lingkar terbuka (open-loop voltage gain) AVOL = ~

¨ Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) VOO = 0

¨ Hambatan masukan (input resistance) RI = ~

¨ Hambatan keluaran (output resistance) RO = 0

¨ Lebar pita (band width) BW = ~

¨ Waktu tanggapan (respon time) = 0 detik

¨ Karakteristik tidak berubah dengan suhu

Kondisi ideal tersebut hanya merupakan kondisi teoritis tidak mungkin dapat dicapai dalam kondisi praktis. Tetapi para pembuat Op Amp berusaha untuk membuat Op Amp yang memiliki karakteristik mendekati kondisi-kondisi di atas. Karena itu sebuah Op Amp yang baik harus memiliki karakteristik yang mendekati kondisi ideal.

Simbol op-amp standar /dinyatakan dengan sebuah segitiga, seperti tampak pada Gambar diatas. Terminal-terminal masukan ada pada bagian atas segitiga. Masukan  membalik dinyatakan dengan tanda minus (-). Tegangan DC atau AC yang dikenakan pada masukan ini akan digeser fasanya 180 derajat pada keluaran.

Masukan tak membalik dinyatakan dengan tanda plus (+). Tegangan DC atau AC yang diberikan pada masukan ini akan sefasa dengan, keluaran. Terminal keluaran diperlihatkan pada bagian puncak segitiga.

Terminal-terminal catu dan kaki-kaki lainnya untuk kompensasi frekuensi atau pengaturan nol diperlihatkan pada sisi atas dan sisi bawah segitiga. Kaki-kaki ini tidak selalu diperlihatkan dalam diagram skematis, tapi secara implisit sudah dinyatakan.

Hubungan daya mudah dipahami, hubungan-hubungan kaki lainnya belum tentu. terpakai semuanya.

Tipe op-amp atau nomor produk berada di tengah-tengah segitiga. Rangkaian umum yang bukan menunjukkan op-amp khusus memiliki simbol-simbol A1, A2, dan seterusnya, atau OP-1, OP-2, dan seterusnya.

Meskipun kita dapat menggunakan op-amp tanpa mengetahui secara tepat apa yang terjadi di dalamnya, tetapi akan lebih baik bila karakteristik kerjanya kita pahami dengan mempelajari rangkaian internalnya.

Gambar diatas  menunjukkan diagram skematis IC op-amp 741 yang populer. Op-amp lainnya tak berbeda. Resistor dan kapasitor diusahakan sedikit mungkin dalam perancangan IC ini dan kalau mungkin digunakan transistor.

Kapasitor kopling tidak dipakai di sini sehingga rangkaian dapat memperkuat sinyal DC sebagaimana sinyal AC. Kapasitor 30 pF yang diperlihatkan akan memberikan kompensasi frekuensi internal, kelak akan dibicarakan pula dalam bab ini.

Op-amp pada dasarnya terdiri atas tiga tahapan: penguat diferensial impedansi masukan tinggi, penguat tegangan berpenguatan tinggi dengan penggeser level (sehingga keluaran dapat berayun positif atau negatio, dan penguat keluaran impedansi rendah.

FUNGSI OP-AMP

Mode loop terbuka 

Idealnya, penguatan op-amp adalah tak berhingga, namun kenyataannya penguatan op-amp hanya mencapai kurang lebih 200.000 dalam modus lup terbuka. Dalam keadaan demikian tidak ada umpan balik dari keluaran menuju masukan dan penguatan tegangan (Av) maksimum, sebagaimana diperlihatkan dalam Gambar dibawah ini.

Dalam rangkaian praktisnya, adanya perbedaan tegangan sedikit saja pada masukan-masukannya akan menyebabkan tegangan keluaran berayun menuju level maksimum catu.

Tegangan maksimum keluaran kurang lebih 90 % tegangan catu, karena. ada jatuh tegangan internal pada op-amp. (Lihat Gambar skematik dari op amp 741 diatasdan perhatikan komponen Q14, R9, R10, dan Q20). 

Keluaran dikatakan berada dalani keadaan saturasi (jenuh), dan dapat dinyatakan (salah satu) sebagai + Vsat atau -Vsat. Sebagai contoh, rangkaian op-amp dalam modus lup terbuka dengan catu ( 15 V akan menghasilkan ayunan keluaran antara -13,5 V sampai +13,5 V. 

Dengan tipe rangkaian seperti ini op-amp amat tidak stabil, keluaran akan 0 V untuk selisih masukan 0 V juga,tapi bila ada sedikit beda tegangan pada masukannya, maka keluaran akan berada pada salah satu dari kedua level tegangan di atas. 

Modus lup terbuka terutama dijumpai pada rangkaian pembanding tegangan dan rangkaian detektor level.

Mode loop tertutup 

Keserbagunaan op-amp dibuktikan dalam penerapannya pada berbagai tipe rangkaian dalam modus lup tertutup, seperti diperlihatkan dalam Gambar dibawah ini.

Komponen luar digunakan untuk memberikan umpan balik keluaran pada masukan membalik. Umpan balik akan menstabilkan rangkaian pada umumnya dan menurunkan derau. 

Penguatan tegangan (Av) akan lebih kecil daripada (<) penguatan maksimum.dalam modus lup terbuka.

Mode penguatan terkontrol 

Penguatan lup tertutup harus dapat dikendalikan pada satu nilai tertentu dalam rangkaian praktis. Dengan  menambahkan sebuah resistor Rin pada masukan membalik seperti pada dibawah ini, penguatan op-amp dapat diatur. 

Perbandingan resistansi RF terhaadap Rin menentukan penguatan tegangan rangkaian dan besarya dapat dihitung dengan rumus :

             Rf

Av = ————

            Rin

tanda minus menunjukkan bahwa op-amp merupakan. Konfigurasi membalik tanda ini diabaikan dalam perhitungan misalkan Rin = 10 k( dan RF = 100 k( tegangan masukan 0,01 V akan menghasilkan tegangan keluaran 0,1 V. Bila R ini diubah menjadi 1 k( maka A, bertambah menjadi 100. Kini tegangan masukan sebesar 0,01 V akan menghasilkan tegangan keluaran 1V.

Mode penguatan satu

Bila RF dan Rin sama besar, maka Av sama dengan 1, atau penguatannya satu. Hubungan langsung dari keluaran menuju masukan juga menghasilkan penguatan satu, seperti terlihat pada Gambar dibawah ini.

Dalam konfigurasi tak membalik ini, tegangan keluaran. sama dengan tegangan masukan dan Av, sama dengan + 1.

Berbagai tipe penguatan ini akan digunakan dalam rangkaian rangkaian dasar selanjutnya dalam artikel  ini untuk lebih memperjelas Anda akan fungsi-fungsi op-amp.

Salah satu fungsi yang penting untuk diingat adalah hubungan polaritas masukan terhadap keluaran. Tegasnya, dikatakan bahwa bila masukan membalik lebih positif dibandingkan dengan masukan tak membalik, maka keluaran akan negatif. Demikian pula, jika masukan membalik lebih negatif dibandingkan dengan masukan tak membalik, maka keluaran akan positif. Gambar di bawah ini menunjukkan fungsi yang penting ini, dengan .masukan tak membalik dibumikan atau nol volt.

Konsep Dasar Rangkaian Listrik

Kelistrikan adalah sifat benda yang muncul dari adanya muatan listrik. Listrik, dapat juga diartikan sebagai berikut:

·         Listrik adalah kondisi dari partikel subatomik tertentu, seperti elektron dan proton, yang menyebabkan penarikan dan penolakan gaya di antaranya.

·         Listrik adalah sumber energi yang disalurkan melalui kabel. Arus listrik timbul karena muatan listrik mengalir dari saluran positif ke saluran negatif.

Bersama dengan magnetisme, listrik membentuk interaksi fundamental yang dikenal sebagaielektromagnetisme. Listrik memungkinkan terjadinya banyak fenomena fisika yang dikenal luas, seperti petir,medan listrik, dan arus listrik. Listrik digunakan dengan luas di dalam aplikasi-aplikasi industri seperti elektronikdan tenaga listrik.

Arus Listrik

Jika elektron bergerak, lepas bebas dari pengaruh inti atom, serta terdapat suatu aliran (net flow), aliran ini dikenal sebagai arus listrik. Ini dapat dibayangkan sebagai serombongan domba yang bergerak bersama-sama ke utara namun tanpa diikuti oleh penggembalanya. Muatan listrik dapat diukur secara langsung menggunakanelektrometer. Arus listrik dapat diukur secara langsung menggunakan galvanometer.

Apa yang dikenal dengan “listrik statis” bukanlah aliran elektron sama sekali. Ini lebih tepat disebut sebagai sebuah “muatan statik”, mengacu pada sebuah benda yang memiliki lebih banyak atau lebih sedikit elektron daripada yang dibutuhkan untuk mengimbangi muatan positif sang inti. Jika terdapat kelebihan elektron, maka benda tadi dikatakan sebagai “bermuatan negatif”. Jika terdapat kekurangan elektron dibanding proton, benda tersebut dikatakan “bermuatan positif”. Jika jumlah elektron dan proton adalah sama, benda tersebut dikatakan “netral”.

Muatan listrik

Muatan listrik Q, adalah muatan dasar yang dimiliki suatu benda. Satuan Q adalah coulomb, yang merupakan 6.24 x 10¹⁸ muatan dasar. Q adalah sifat dasar yang dimiliki oleh materi baik itu berupa proton (muatan positif) maupun elektron (muatan negatif). Muatan listrik total suatu atom atau materi ini bisa positif, jika atomnya kekurangan elektron. Sementara atom yang kelebihan elektron akan bermuatan negatif. Besarnya muatan tergantung dari kelebihan atau kekurangan elektron ini, oleh karena itu muatan materi/atom merupakan kelipatan dari satuan Q dasar. Dalam atom yang netral, jumlah proton akan sama dengan jumlah elektron yang mengelilinginya (membentuk muatan total yang netral atau tak bermuatan).



Arus, Tegangan, Hambatan dan Daya

1. Arus

Arus listrik atau dalam versi bahasa inggris sering disebut electric current  dapat didefinisikan sebagaijumlah muatan listrik yang mengalir tiap satuan waktu. Biasanya arus memiliki satuan  A (Ampere) atau dalam rumus terkadang ditulis I. Arus listrik merupakan gerakan kelompok partikel bermuatan listrik dalam arah tertentu.  Arah arus listrik yang mengalir dalam suatu konduktor adalah dari potensial tinggi ke potensial rendah (berlawanan arah dengan gerak elektron). Satu ampere sama dengan 1 couloumb dari electron melewati satu titik pada satu detik. Pada kasus ini, besarnya energi listrik yang bergerak melewati conductor (penghantar).

Muatan listrik bisa mengalir melalui kabel atau penghantar listrik lainnya. Pada zaman dulu, Arus konvensional didefinisikan sebagai aliran muatan positif, sekalipun kita sekarang tahu bahwa arus listrik itu dihasilkan dari aliran elektron yang bermuatan negatif ke arah yang sebaliknya.

2. Tegangan

Tegangan listrik (Voltage) adalah perbedaan potensi listrik antara dua titik dalam rangkaian listrik. Tegangan dinyatakan dalam satuan volt (V). Besaran ini mengukur energi potensial sebuah medan listrik untuk menyebabkan aliran listrik dalam sebuah konduktor listrik. Tergantung pada perbedaan potensi listrik satu tegangan listrik dapat dikatakan sebagai ekstra rendah, rendah, tinggi atau ekstra tinggi.

Tenaga (the force) yang mendorong electron agar bisa mengalir dalam sebauh rangkaian dinamakan tegangan. Tegangan adalah sebenarnya nilai dari potensial energi antara dua titik. Pada sebuah rangkaian, besar energi potensial yang ada untuk menggerakkan electron pada titik satu dengan titik yang lainnya merupakan jumlah tegangan.

3. Hambatan

Hambatan listrik adalah perbandingan antara tegangan listrik dari suatu komponen elektronik (misalnya resistor) dengan arus listrik yang melewatinya. Hambatan dinyatakan dalam satuan ohm. Elektron bebas cenderung bergerak melewati konduktor dengan beberapa derajat pergesekan, atau bergerak berlawanan. Gerak berlawanan ini yang biasanya disebut dengan hambatan. Besarnya arus didalam rangkaian adalah jumlah dari energi yang ada untuk mendorong elektron, dan juga jumlah dari hambatan dalam sebuah rangkaian untuk menghambat lajunya arus.

4. Daya

Daya listrik didefinisikan sebagai laju hantaran energi listrik dalam rangkaian listrik. Satuandaya listrik adalah watt. Daya listrik, seperti daya mekanik, dilambangkan oleh huruf P dalam persamaan listrik. Pada rangkaian arus DC, daya listrik sesaat dihitung menggunakan hukum joule. Daya listrik mengalir di manapun medan listrik dan magnet berada di tempat yang sama.

Komponen Aktif dan Komponen Pasif

Komponen aktif dan komponen pasif adalah dua jenis komponen elektronika yang selalu ada dalam setiap rangkaian elektronika.

Komponen aktif ialah jenis komponen elektronika yang memerlukan arus listrik agar dapat bekerja dalam rangkaian elektronika yang dapat menguatkan dan menyearahkan sinyal listrik, serta dapat mengubah energi dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Contoh komponen aktif adalah:

1. Transistor: merupakan komponen elektronika dengan 3 elektrode yang berfungsi sebagai penguat atau saklar. Jika sebagai penguat maka transistor dapat menguatkan sinyal listrik. Dalam hal ini inputnya dimasukkan ke titik B dan outputnya diambil dari titik A.
2. Diode: adalah komponen elektronika dengan dua elektrode, yang dapat dipakai untuk menyearahkan sinyal listrik, sehingga termasuk komponen aktif.
3. LED (light emitting diode): Jika dihubungkan dengan sumber tegangan listrik maka LED tersebut akan menyala. Jadi, LED termasuk komponen aktif karena dapat mengubah suatu bentuk energi (listrik) menjadi bentuk lainnya (cahaya).

Komponen pasif adalah jenis komponen elektronika yang bekerja tanpa memerlukan arus listrik sehingga tidak bisa menguatkan dan menyearahkan sinyal listrik serta tidak dapat mengubah suatu energi ke bentuk lainnya.

Contoh komponen pasif adalah:

1. Resistor: adalah komponen elektronika yang berfungsi membatasi atau menghambat arus listrik. Karena tidak dapat menguatkan sinyal maka resistor termasuk komponen pasif.
2. Kapasitor: adalah merupakan komponen elektronika yang berfungsi untuk menyimpan medan listrik, dapat juga berfungsi untuk memblokir arus DC dan meneruskan arus AC. Karena tidak dapat menguatkan, menyearahkan dan mengubah suatu energi ke bentuk lainnya, maka kapasitor termasuk komponen pasif.
3. Induktor: adalah termasuk komponen pasif karena tidak dapat menguatkan dan menyearahkan sinyal maupun mengubah suatu energi ke bentuk lainnya. Bagi arus DC induktor bersifat mengalirkannya tetapi bagi arus AC induktor bersifat menghambat.

Kedua jenis komponen ini hampir selalu digunakan bersama-sama, kecuali dalam rangkaian-rangkaian pasif yang hanya memakai komponen-komponen pasif saja misalnya: rangkaian baxandall pasif, rangkaian tapis pasif dan sebagainya. Sedangkan komponen IC (Integrated Circuit) adalah gabungan dari komponen aktif dan komponen pasif yang disusun menjadi sebuah rangkaian elektronika dan kemudian diperkecil ukuran fisiknya.