KARAKTERISTIK DAN RANGKAIAN DASAR OP-AMP

MAKALAH

KARAKTERISTIK DAN RANGKAIAN DASAR

OP-AMP

Untuk memenuhi tugas pada mata kuliah

ELEKTRONIKA DASAR

DOSEN PEMBIMBING :

ARPENAS, S.Pd, M.Pd

DISUSUN OLEH :

ELVA RIDIANTI

1410253765005

SEKOLAH TINGGI KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN (STKIP) MUHAMMADIYAH WILAYAH JAMBI DI SUNGAI PENUH

TAHUN AKADEMIK 2015/2016

 

KATA PENGANTAR

Segala puji bagi Tuhan  Yang Maha Esa atas limpahan rahmat yang telah diberikan kepada kita semua termasuk kepada diri penyusun, sehinga penyusun dapat mengelesaikan makalah tepat pada waktu yang telah di tentukan. Salawat serta salam tidak kita kirimkan kepada Sang Revolusioner sejati Nabiullah Muhammad SAW, karna atas perjuangan Biliaulah Islam bisa berdiri tegak seperti yang kita rasakan pada sa’at sekarang ini.

Dalam menyusun makalah ini, penyusun menyadari bahwa didalamnya terdapat hal-hal yang kurang memuaskan bagi para pembaca yang budiman, maka melalui kesempatan ini penyusun memohon maaf yang setulusnya kepada para pembaca yang budiman jika tedapat hal-hal yang kurang berkenang dalam isi malakah ini. Serta kritikan yang besifat membangun demi kesempurnaan dalam penyusunan makalah selanjutnya.

Akhiru kalam penyusun mengucapkan Billahi Taufik Wal Hidayah Wassalamu Alaikum Warrahmatullahi Wabarakatu.

                                                                                                UjungPasir,05februari2016

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ........................................................................................... DAFTAR ISI ........................................................................................................  BAB I PENDHULUAN ........................................................................................  A.  LATAR BELAKANG .............................................................................................  B.  RUMUSAN MASALAH .........................................................................................  C.  TUJUAN PENULISAN ..........................................................................................  BAB II PEMBAHASAN ......................................................................................  A.  PENGERTIAN OP-AMP ........................................................................................  B.  KARAKTERISTIK OP-AMP .................................................................................  C.  RANGKAIAN DASAR OP-AMP ...........................................................................  BAB III PENUTUP ..............................................................................................  A.   KESIMPULAN......................................................................................................... B.    SARAN .................................................................................................................. DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................

1 2 3 3 3 3 4 4 4 7 13 13 13 14

BAB I

PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANG

Penguat operasional (op amp) adalah suatu blok penguat yang mempunyai dua masukan dan satu keluaran. Penguat operasional (Op-Amp) dikemas dalam suatu rangkaian terpadu (integrated circuit-IC). Salah satu tipe operasional amplifier (Op-Amp) yang populer adalah LM741.

B. RUMUSAN MASALAH

1. Apa itu Penguat Operasional (OP-AMP)?

2. Bagaimana Karakteristik dari OP-AMP?

3. Bagaimana Rangkaian Dasar dari OP-AMP ?

C. TUJUAN PENULISAN

Adapun tujuan dari makalah ini yaitu; supaya mahasiswa mengetahui solusi daripada rumusan masalah di atas, dan dapat mengaplikasikannya.

BAB II

PEMBAHASAN

A.   PENGERTIAN OP-AMP

 Penguat operasional (bahasa Inggris: operational amplifier) atau yang biasa disebut op-amp merupakan suatu jenis penguat elektronika dengan Hambatan (bahasa Inggris: coupling) arus searah yang memiliki bati (faktor penguatan atau dalam bahasa Inggris: gain) sangat besar dengan dua masukan dan satu keluaran. Penguat operasional pada umumnya tersedia dalam bentuk sirkuit terpadu dan yang paling banyak digunakan adalah seri 741.

Penguat operasional adalah perangkat yang sangat efisien dan serba guna. Contoh penggunaan penguat operasional adalah untuk operasi matematika sederhana seperti penjumlahan dan pengurangan terhadap tegangan listrik hingga dikembangkan kepada penggunaan aplikatif seperti komparator dan osilator dengan distorsi rendah.

Penguat operasional dalam bentuk rangkaian terpadu memiliki karakteristik yang mendekati karakteristik penguat operasional ideal tanpa perlu memperhatikan apa yang terdapat di dalamnya.

B. KARAKTERISTIK OP/AMP

Karakteristik penguat operasional ideal adalah :

1)      Penguatan tegangan lingkar terbuka (open-loop voltage gain) A_VOL = -¥

2)      Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) V_OO = 0

3)      Hambatan / Impedansi  masukan (input resistance) R_I = ¥

4)      Hambatan / Impedansi keluaran (output resistance) R_O = 0

5)      Lebar pita (band width) BW = ¥

6)      Waktu tanggapan (respon time) = 0 detik

7)      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. Berikut ini akan dijelaskan satu persatu tentang kondisi-kondisi ideal dari Op Amp.

1.     Penguatan Tegangan Lingkar Terbuka

Penguatan tegangan lingkar terbuka (open loop voltage gain) adalah penguatan diferensial Op Amp pada kondisi dimana tidak terdapat umpan balik (feedback) yang diterapkan padanya seberti yang terlihat pada gambar 2.2. Secara ideal, penguatan tegangan lingkar terbuka adalah:

                                A_VOL        =  Vo / Vid      = -¥

                                A_VOL        =  Vo/(V1-v2) = -¥

Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran V_O berbeda fasa dengan tegangan masukan V_id. Konsep tentang penguatan tegangan tak berhingga tersebut sukar untuk divisualisasikan dan tidak mungkin untuk diwujudkan. Suatu hal yang perlu untuk dimengerti adalah bahwa tegangan keluaran V_O jauh lebih besar daripada tegangan masukan V_id. Dalam kondisi praktis, harga A_VOL adalah antara 5000 (sekitar 74 dB) hingga 100000 (sekitar 100 dB).

Tetapi dalam penerapannya tegangan keluaran V_O tidak lebih dari tegangan catu yang diberikan pada Op Amp. Karena itu Op Amp baik digunakan untuk menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil.

2.     Tegangan Ofset Keluaran

Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) V_OO adalah harga tegangan keluaran dari Op Amp terhadap tanah (ground) pada kondisi tegangan masukan V_id = 0. Secara ideal, harga V_OO = 0 V. Op Amp yang dapat memenuhi harga tersebut disebut sebagai Op Amp dengan CMR (common mode rejection) ideal.

Tetapi dalam kondisi praktis, akibat adanya ketidakseimbangan dan ketidakidentikan dalam penguat diferensial dalam Op Amp tersebut, maka tegangan ofset V_OO biasanya berharga sedikit di atas 0 V. Apalagi apabila tidak digunakan umpan balik maka harga V_OO akan menjadi cukup besar untuk menimbulkan saturasi pada keluaran. Untuk mengatasi hal ini, maka perlu diterapakan tegangan koreksi pada Op Amp. Hal ini dilakukan agar pada saat tegangan masukan V_id  = 0, tegangan keluaran V_O juga = 0.

3.     Hambatan Masukan

Hambatan masukan (input resistance) R_i dari Op Amp adalah besar hambatan di antara kedua masukan Op Amp. Secara ideal hambatan masukan Op Amp adalah tak berhingga. Tetapi dalam kondisi praktis, harga hambatan masukan Op Amp adalah antara 5 kW hingga 20 MW, tergantung pada tipe Op Amp.  Harga ini biasanya diukur pada kondisi Op Amp tanpa umpan balik. Apabila suatu umpan balik negatif (negative feedback) diterapkan pada Op Amp, maka hambatan masukan Op Amp akan meningkat.

Dalam suatu penguat, hambatan masukan yang besar adalah suatu hal yang diharapkan. Semakin besar hambatan masukan suatu penguat, semakin baik penguat tersebut dalam menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil. Dengan hambatan masukan yang besar, maka sumber sinyal masukan tidak terbebani terlalu besar.

4.     Hambatan Keluaran

Hambatan Keluaran (output resistance) R_O dari Op Amp adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada saat Op Amp bekerja sebagai pembangkit sinyal. Secara ideal harga hambatan keluaran R_O Op Amp adalah = 0. Apabula hal ini tercapai, maka seluruh tegangan keluaran Op Amp akan timbul pada beban keluaran (RL), sehingga dalam suatu penguat, hambatan keluaran yang kecil sangat diharapkan.

Dalam kondisi praktis harga hambatan keluaran Op Amp adalah antara beberapa ohm hingga ratusan ohm pada kondisi tanpa umpan balik. Dengan diterapkannya umpan balik, maka harga hambatan keluaran akan menurun hingga mendekati kondisi ideal.

5.      Lebar Pita

Lebar pita (band width) BW dari Op Amp adalah lebar frekuensi tertentu dimana tegangan keluaran tidak jatuh lebih dari 0,707 dari harga tegangan maksimum pada saat amplitudo tegangan masukan konstan. Secara ideal, Op Amp memiliki lebar pita yang tak terhingga. Tetapi dalam penerapannya, hal ini jauh dari kenyataan.

Sebagian besar Op Amp serba guan memiliki lebar pita hingga 1 MHz dan biasanya diterapkan pada sinyal dengan frekuensi beberapa kiloHertz. Tetapi ada juga Op Amp yang khusus dirancang untuk bekerja pada frekuensi beberapa MegaHertz. Op Amp jenis ini juga harus didukung komponen eksternal yang dapat mengkompensasi frekuensi tinggi agar dapat bekerja dengan baik.

6.      Waktu Tanggapan

Waktu tanggapan (respon time) dari Op Amp adalah waktu yang diperlukan oleh keluaran untuk berubah setelah masukan berubah. Secara ideal harga waktu respon Op Amp adalah = 0 detik, yaitu keluaran harus berubah langsung pada saat masukan berubah.

Tetapi dalam  prakteknya, waktu tanggapan dari Op Amp memang cepat tetapi tidak langsung berubah sesuai masukan. Waktu tanggapan Op Amp umumnya adalah beberapa mikro detik hal ini disebut juga slew rate. Perubahan keluaran yang hanya beberapa mikrodetik setelah perubahan masukan tersebut umumnya disertai dengan oveshoot yaitu lonjakan yang melebihi kondisi steady state. Tetapi pada penerapan biasa, hal ini dapat diabaikan.

7.      Karakteristik Terhadap Suhu

Sebagai mana diketahui, suatu bahan semikonduktor yang akan berubah karakteristiknya apabila terjadi perubahan suhu yang cukup besar. Pada Op Amp yang ideal, karakteristiknya tidak berubah terhadap perubahan suhu. Tetapi dalam prakteknya, karakteristik sebuah Op Amp pada umumnya sedikit berubah, walaupun pada penerapan biasa, perubahan tersebut dapat diabaikan.

C. RANGKAIAN DASAR OP/AMP

.    Aplikasi Penguat Operasional   :

1.      Pembanding (Comparator)

Comparator adalah penggunaan op amp sebagai pembanding antara tegangan yang masuk pada input (+) dan input (-).

Jika input (+) lebih tinggi dari input (-) maka op amp akan mengeluarkan tegangan positif dan jika input (-) lebih tinggi dari input (+) maka op amp akan mengeluarkan tegangan negatif. Dengan demikian op amp dapat dipakai untuk membandingkan dua buah tegangan yang berbeda. 

Komparator membandingkan dua tegangan listrik dan mengubah keluarannya untuk menunjukkan tegangan mana yang lebih tinggi.

di mana Vs adalah tegangan catu daya dan penguat operasional beroperasi di antara + Vs dan − Vs.)

2.      Penguat Pembalik (Inverting) 

               

Penguat pembalik adalah penggunanan op amp sebagai penguat sinyal dimana sinyal outputnya berbalik fasa 180 derajat dari sinyal input. 

ditempatkan di antara masukan non-pembalik dan bumi. Walaupun tidak dibutuhkan, hal ini mengurangi galat karena arus bias masukan.

Bati dari penguat ditentukan dari rasio antara Rf dan Rin, yaitu: 

Tanda negatif menunjukkan bahwa keluaran adalah pembalikan dari masukan.

3.      Penguat tidak membalik (Non Inverting)

Penguat Tak-Membalik (Non-Inverting Amplifier) merupakan penguat sinyal dengan karakteristik dasar sinyal output yang dikuatkan memiliki fasa yang sama dengan sinyal input. Penguat tak-membalik (non-inverting amplifier) dapat dibangun menggunakan penguat operasional, karena penguat operasional memang didesain untuk penguat sinyal baik membalik ataupun tak membalik. Rangkain penguat tak-membalik ini dapat digunakan untuk memperkuat isyarat AC maupun DC dengan keluaran yang tetap sefase dengan sinyal inputnya. Impedansi masukan dari rangkaian penguat tak-membalik (non-inverting amplifier) berharga sangat tinggi dengan nilai impedansi sekitar 100 MOhm.

Rangkaian diatas merupakan salah satu contoh penguat tak-membalik menggunakan sumber tegangan DC simetris. Dengan sinyal input yang diberikan pada terminal input non-inverting, maka besarnya penguatan tegangan rangkaian penguat tak membalik diatas tergantung pada harga Rin dan Rf yang dipasang. Besarnya penguatan tegangan output dari rangkaian penguat tak membalik diatas dapat dituliskan dalam persamaan matematis sebagai berikut:

Apabila besarnya nilai resistor Rf dan Rin rangkaian penguat tak membalik diatas sama-sama 10KOhm makabesarnya penguatan tegangan dari rangkaian penguat diatas dapat dihitung secara matematis sebagai berikut:

4.      Penguat Differensial

                

Penguat diferensial digunakan untuk mencari selisih dari dua tegangan yang telah dikalikan dengan konstanta tertentu yang ditentukan oleh nilai resistansi yaitu sebesar  R_f/R₁ untuk R₁ = R₂ dan R_f = R_g. Penguat jenis ini berbeda dengan diferensiator. Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut: 

5.      Differensiator

Kalau komponen C pada rangkaian penguat inverting di tempatkan di depan, maka akan diperoleh rangkaian differensiator. Dengan analisa yang sama seperti rangkaian integrator, akan diperoleh persamaan penguatannya :

V_out = -RC dv_in/dt ...(7)

Rumus ini secara matematis menunjukkan bahwa tegangan keluaran v_out pada rangkaian ini adalah differensiasi dari tegangan input v_in. Contoh praktis dari hubungan matematis ini adalah  jika tegangan input berupa sinyal segitiga, maka outputnya akan mengahasilkan sinyal kotak.

Bentuk rangkain differensiator adalah mirip dengan rangkaian inverting. Sehingga jika berangkat dari rumus penguat inverting G = -R₂/R₁ dan pada rangkaian differensiator diketahui R₂ = R dan R₁ = Z_c = 1/ωC maka jika besaran ini disubtitusikan akan didapat rumus penguat differensiator

G(ω) = -ωRC  …(8)

Dari hubungan ini terlihat sistem akan meloloskan frekuensi tinggi (high pass filter), dimana besar penguatan berbanding lurus dengan frekuensi. Namun demikian, sistem seperti ini akan menguatkan noise yang umumnya berfrekuensi tinggi. Untuk praktisnya, rangkain ini dibuat dengan penguatan dc sebesar 1 (unity gain). Biasanya kapasitor diseri dengan sebuah resistor yang nilainya sama dengan R. Dengan cara ini akan diperoleh penguatan 1 (unity gain) pada nilai frekuensi cutoff tertentu. 

Mendiferensiasikan sinyal hasil pembalikan terhadap waktu dengan persamaan: 

di mana Vin dan Vout adalah fungsi dari waktu. Pada dasarnya diferensiator dapat juga dibangun dari integrator dengan cara mengganti kapasitor dengan induktor, namun tidak dilakukan karena harga induktor yang mahal dan bentuknya yang besar. Differensiator dapat juga dilihat sebagai tapis pelewat-rendah dan dapat digunakan sebagai tapis aktif.

Contoh Soal Menghitung Rangkaian Op-Amp Pembalik

Contoh soal

1. Sebuah rangkaian op-amp pembalik seperti gambar di bawah memiliki nilai-nilai yaitu: tahanan feed back = 330 kΩ; tahanan input = 1 kΩ; dan tegangan input = 17 mV. Hitung berapa perolehan tegangan (Av), tegangan output (Vout) dan tegangan catu daya (Vcc) pada rangkaian tersebut?

Penyelesaian:
Diketahui:

Rf = 330 kΩ = 330.000 Ω

Rin = 1 kΩ = 1.000 Ω

Vin = 17 mV = 0,017 V

Av = − Rf ÷ Rin = − 330.000 ÷ 1.000 = − 330
Vout = Av × Vin = − 330 × 0,017 V = − 5,61 V

Apabila input yang diberikan adalah +17 mV, maka output yang dihasilkan adalah − 5,61 V. Hal ini mengasumsikan bahwa tegangan catu daya (Vcc) yang digunakan memungkinkan output bergerak mencapai nilai itu. Sebuah catu daya ±6V terlalu kecil untuk itu, oleh karenanya membutuhkan catu daya dengan rating tegangan setidaknya ±8V (atau sekitar ±150% × Vout), untuk menguatkan tegangan input sebesar 17 mV.

Sehingga diperoleh Av = − 330; Vout = − 5,61 V; Vcc = ±8 V.

2. Rangkaian seperti gambar contoh soal 1, diketahui: Rin = 4k7Ω; Rf = 220 kΩ; dan Vin = 50 mV. Hitung Av, Vout dan Vcc.

Penyelesaian:
Av = − Rf ÷ Rin = − 220.000 ÷ 4.700 = − 46,8
Vout = Av × Vin = − 46,8 × 0,050 V = − 2,34 V
Vcc = ±150% × Vout = ±150% × −2,34 V = ±3,51 V

maka didapatkan Av = − 46,8; Vout = −2,34 V; Vcc = ±3,51 V.

BAB III

KESIMPULAN

Kesimpulan  :

1.   Operational Amplifier atau yang biasa disingkat Op-Amp adalah salah satu komponen analog yang sering digunakan dalam berbagai aplikasi elektronika.

2.   Aplikasi Ap-Omp yang sering digunakan adalah aplikasi rangkaian inverter, non-inverter, diferensiator, dan integrator.

3.   Pada dasarnya Op-amp adalah sebuah Differntial Amplifier yang memiliki 2 input masukan yaitu input inverting (V-) dan input non-inverting (V+).

4.     Beberapa penggunaan umum dari penguat operasional dalam contoh sirkuit:

                                    a.      Komparator (pembanding)

                                    b.      Penguat pembalik

                                    c.      Penguat non-pembalik

                                    d.      Diferensial

Saran    :

Kami menyadari bahwa makalah yang kami buat ini masih jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu, kritik dan saran dari rekan-rekan atau teman-teman sangat kami harapkan demi kesempurnaan makalah ini. Sekian dan terima kasih.

DAFTAR PUSTAKA

Sutrisno,1987,Elektronika Teori dasar dan Penerapannya Jilid 2.ITB: Bandung

Tim Elektronika Lanjutan,2010,Elektronika lanjutan.Unimed:Medan

Woolard, Barry G, 1988, Elektronika Praktis.Pradnya Pramita:Jakarta

http://id.wikipedia.org/wiki/elektronika_lanjutan