Modul Praktikum Current Feedback Operational Amplifier

BAB II
Dasar Teori
Pada bab ini berisi dasar teori dari current feedback op-amp yang menjelaskan perbedaanperbedaannya dengan voltage feedback op-amp.
2.1. Current Feedback Operational Amplifier
Op-amp current feedback memiliki bentuk fisik maupun simbol yang sama seperti opamp voltage feedback yang biasa digunakan, op-amp ini tetap memiliki 2 masukan yaitu
input inverting dan non-inverting serta memiliki 1 buat keluaran. Namun cara kerja dari opamp current feedback (CFA) ini jauh berbeda dari op-amp voltage feedback (VFA).
Secara garis besar cara kerja dari CFA adalah dengan memanfaatkan arus yang mengalir
pada kedua inputan sedangkan VFA memanfaatkan perbedaan tegangan pada kedua
inputan [1] sehingga sangat jauh berbeda cara kerjanya.
Berikut adalah simbol atau model dari CFA (Op-amp current feedback) yang dapat
menjelaskan secara garis besar dari cara kerja CFA.
Gambar 2.1. Model CFA [2]
Cara kerja dari op-amp current feedback ditunjukan oleh gambar 2.1, dimana input noninverting dari CFA terhubung pada masukan sebuah buffer dengan penguatan GB, sehingga
memiliki impedansi yang sangat tinggi yang hampir sama dengan transistor bipolar pada
input non-inverting VFA.[4]
Input inverting terhubung pada output buffer, sehingga impedansi pada input inverting
sama dengan impedansi pada output buffer yakni ZB,dimana ZB biasanya bernilai kurang
dari 50 . Nilai bati buffer input, GB hampir mendekati 1.[4]
4
Buffer output menghasilkan impedansi output yang rendah untuk penguat, dan nilai bati
output ini juga hampir mendekati 1. Impedansi output dari buffer output dapat diabaikan
dalam melakukan perhitungan.[4]
Parameter Z yakni transimpedansi pada CFA memiliki kesamaan fungsi sebagai bati
pada VFA, yaitu menjadi parameter yang berpengaruh pada performa CFA. Biasanya nilai
transimpedansi sangat tinggi berkisar pada jangka M .[4]
2.2. Karakteristik Operational Amplifier
Karakteristik Op-amp menjelaskan kinerja dari op-amp tersebut adapun parameterparameternya adalah sebagai berikut:
2.2.1. Penguatan tegangan open loop
Penguatan tegangan open loop (Aol) adalah penguatan dari Op-Amp ketika tidak
terdapat feedback pada Op-Amp tersebut. Jika pada VFA ditentukan dengan
perhitungan sebagai berikut.
Gambar 2.2. untai internal VFA
=
=
V
V
V
V −V
Berbeda dengan CFA, karena pada op-amp ini memanfaatkan arus yang mengalir
pada kedua inputan sehingga didapatkan persamaan penguatan open-loop sebagai
berikut.
5
Gambar 2.3. untai internal CFA
= I×Z
Dimana I adalah arus yang mengalir diantara kedua input dan Z adalah nilai
transimpedansi pada op-amp.
2.2.2. Hambatan masukan
Hambatan masukan pada VFA idealnya adalah bernilai tak terhingga namun
berbeda dengan CFA, karena pada CFA ini tidak menggunakan penguat differensial
pada masukannya melainkan menggunakan buffer yang inputnya tersambung pada
input non-inverting sehingga nilai hambatan masukan pada kaki non-inverting
nilainya cukup besar sedangkan pada kaki inverting nilai hambatan dalamnya kecil.
2.2.3. Bandwidth
Lebar pita (bandwidth) dari Op-amp adalah lebar frekuensi dimana nilai bati
bernilai 0,707 dari bati maksimum. Secara ideal, Op-amp memiliki lebar pita yang
tak terhingga. Namun secara praktikal nilainya terbatas.
Dengan mengetahui nilai bandwidth maka dapat diketahui pula nilai GBP (Gain
Bandwidth Product) yaitu nilai perkalian antara nilai penguatan dengan frekuensi
ketika tegangan keluarannya 0,707 kali dari tegangan keluaran maksimal. [5]
6
Op-amp current feedback dicancang agar dapat bekerja pada frekuensi yang lebih
tinggi dibanding dengan VFA sehingga memiliki nilai bandwidth yang lebih besar,
ini merupakan salah satu keunggulan dari CFA. [1]
2.2.4. Slew rate
Adalah laju maksimum perubahan tegangan keluaran terhadap waktu baik saat
pulsa naik maupun turun (saat terjadi perubahan input). Secara ideal nilai slew rate
pada sebuah Op-amp adalah tak berhingga, artinya ketika terjadi perubahan tegangan
input, tegangan outputnya langsung berubah sesuai dengan nilai penguatan dalam
waktu 0 detik. [5]
Nilai slew rate pada CFA umumnya lebih baik daripada VFA dimana tegangan
output yang dihasilkan lebih cepat berubah sesuai dengan nilai penguatan.
2.2.5. Transimpedansi (Z)
Transimpedansi (Z) terbentuk dari hambatan (R) yang diparallel dengan kapasitor
(C) yang ditunjukan dengan gambar dibawah ini:
Gambar 2.4. Rangkaian penyusun Transimpedansi (Z)
Sehingga nilai Z sesuai dengan persamaan sebagai berikut:
1
1
=
=
=
1
1
+
1
+ ⍵ (2.2)
1
1
(2.1)
(2.3)
+ ⍵
Sehingga:
7
1
| |=
1
+ (2
(2.4)
)
Dari persamaan 2.4 dapat disimpulkan bahwa nilai Transimpedansi dipengaruhi
frekuensi masukan dimana semakin besar Frekuensi masukan maka nilai
Transimpedansi semakin kecil. [6]
2.3. Current feedback op-amp sebagai penguat non-inverting
Untuk rangkaian penguat tak membalik atau penguat non inverting betuk
rangkaiannya sama seperti penguat non-inverting pada umumnya dimana pada rangkaian
ini terdapat feedback negatif dan input tegangan diberikan pada kaki non-inverting op-amp
current feedback, namun persamaan yang berlaku berbeda dengan op-amp voltage
feedback.
Gambar 2.5. Penguat non-inverting dengan CFA [4]
Dengan mengasumsikan nilai penguatan buffer yang bekerja pada internal CFA adalah
sebesar 1 kali, maka nilai penguatan ini dapat diabaikan dalam pencarian persamaan yang
8
berlaku pada gambar 2.5 Sehingga persamaan yang berlaku pada penggunaan CFA sebagai
penguat non-inverting adalah sebagai berikut:
=
=
(2.5)
−
−
=
−
(2.6)
(2.7)
Dengan menggabungkan persamaan (2.5),(2.6) dan(2.7) didapatkan persamaan:
1+
+1
||
=
(2.8)
1+
+1
||
Karena nilai impedansi output pada buffer input (
) mendekati nol maka persamaan
(2.8) dapat disederhanakan lagi menjadi:
1+
1+
=
=
1+
(2.9)
1+
Karena nilai transimpedansi yang sangat besar (Z) maka
pada perhitungan dapat
didekati dengan:
=1+
(2.10)
Jika dilihat dari persamaan (2.10) sama dengan penguat non-inverting dengan
menggunakan VFA namun pada penggunaan CFA ini perlu diperhatikan nilai dari
karena jika nilainya mendekati nilai transimpedansi maka dapat mempengaruhi nilai
penguatan sesuai dengan persamaan (2.9).[4]
2.4. Current feedback op-amp sebagai penguat inveting
Rangkaian penguat membalik pada op-amp current feedback juga sama seperti
membuat penguat membalik dengan op-amp voltage feedback, hanya saja persamaan yang
berlaku pada penguat membalik menggunakan CFA ini yang berbeda
9
Gambar 2.6. Penguat inverting dengan menggunakan CFA[4]
Dengan mengasumsikan nilai penguatan buffer yang bekerja pada internal CFA adalah
sebesar 1 kali, maka nilai penguatan ini dapat diabaikan dalam pencarian persamaan yang
berlaku pada gambar 3. Sehingga persamaan yang berlaku pada penggunaan CFA sebagai
penguat non-inverting adalah sebagai berikut:
−
+
=
−
(2.11)
= − (2.12)
=
(2.13)
Dengan menggabungkan persamaan (2.11),(2.12),dan (2.13) maka didapatkan
persamaan:
⎛
= −⎜
⎜
⎝
Karena nilai
+1
||
1+
||
+1
⎞
(2.14)
⎟
⎟
⎠
mendekati nol maka persamaan (2.14) dapat di sederhanakan lagi
menjadi:
10
1
=−
1
+
1
(2.15)
Karena nilai transimpedansi Z yang sangat besar sehingga pada perhitungan dapat
didekati:
=−
(2.16)
Dilihat dari persamaan (2.16) persamaanya sama dengan penggunaan VFA sebagai
penguat membalik namun, nilai ZF harus diperhatikan karena jika nilainya terlalu besar dan
hampir mendekati nilai Z, maka persamaan yang berlaku pada penggunaan CFA sebagai
penguat inverting adalah persamaan (2.15)
11