Modul 04: Op-Amp

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