Modul Praktikum Current Feedback Operational Amplifier

BAB III
PERANCANGAN
Pada bab ini berisi perancangan pedoman praktikum dan perancangan pengujian pedoman
praktikum dengan menggunakan current feedback op-amp.
3.1. Perancangan pedoman praktikum
Pada pelaksanaan tugas akir dengan judul Modul Praktikum Current Feedback
Operational Amplifier, dibuat 8 buah topik praktikum/ modul praktikum yang menggunakan
op-amp current feedback sebagai komponen utamanya, topik – topik ini diantaranya:

Topik 1: Pengukuran Karakteristik Op-amp CFA

Topik 2: Karakteristik Rangkaian Dasar Op-amp CFA (penguat membalik,
penguat tak membalik, penguat penjumlah)

Topik 3: Pembatasan Lebar Pita Pada Penguat Berbasis CFA

Topik 4: Integrator Berbasis Op-amp CFA

Topik 5: Respon Transien pada Penguat berbasis Op-amp CFA

Topik 6: Penguat Selisih dan Penguat Instrumentasi berbasis CFA

Topik 7: Tapis-Tapis Aktif Berbasis Op-amp CFA

Topik 8: Penguat Photocurrent berbasis op-amp CFA
Dengan format masing-masing topiknya adalah sebagai berikut:

Tujuan

Dasar Teori

Langkah-langkah praktikum

Hasil pengukuran

Analisis hasil praktikum

Kesimpulan

Daftar Pustaka
12
Tipe op-amp yang digunakan pada tugas akir ini adalah LT-1227 buatan dari Linear
Technology dengan konfigurasi pin-nya sebagai berikut:
Gambar 3.1. Konfigurasi pin LT-1227
3.2. Perancangan Pedoman Praktikum
Berikut perancangan masing-masing topik praktikum.
3.2.1. Pengukuran Karakteristik Op-amp CFA (Lampiran A)
Tujuan dari topik yang pertama ini adalah Menganalisis dan mempelajari
karakteristik dari op-amp current feedback meliputi transimpedans (Z) hambatan
masukan (Rin) untuk kaki inverting dan non-inverting, nilai keluaran maksimum
(Vomax), dan Slewrate (SR), sehingga dapat mengetahui cara kerja dan kelebihan
dari dari op-amp current feedback ini.
Sehingga pada topik ini dibagi menjadi 4 sub topik yaitu:

Pengukuran hambatan masukan kaki inverting dan non-inverting opamp (Rin)

pengukuran nilai Transimpedansi

Pengukuran Tegangan Keluaran Maksimum (Vomax)

Pengukuran Slewrate op-amp Current feedback (SR)
13
3.2.1.1. Pengukuran hambatan masukan kaki inverting dan non-inverting opamp
(Rin)
Untuk mencari nilai hambatan masukan pada CFA, dilakukan percobaaan
dengan rangkaian sebagai berikut.
(a)
(b)
Gambar 3.2.(a). Rangkaian pengukur hambatan masukan kaki non inverting
Gambar 3.2.(b). Rangkaian pengukur hambatan masukan kaki inverting
Gambar 3.2(a) merupakan rangkaian untuk mencari nilai hambatan masukan
pada kaki non-inverting dengan mengukur tegangan pada titik A ,sedangkan
gambar 3.2(b) merupakan rangkaian untuk mencari hambatan masukan pada
kaki inverting dengan mengukur tegangan pada titik b. Untuk pengukuran
hambatan masukan pada kaki non-inverting dilakukan pada beberapa nilai
frekuensi masukan, untuk mengetahui respon terhadap perubahan frekuensi
masukan.
Metode pencarian hambatan masukan ini mengacu pada gambar internal
CFA sebagai berikut:
Gambar 3.3. Internal CFA
14
3.2.1.2. Pengukuran nilai Transimpedansi
Percobaan untuk mencari transimpedansi ini digunakan sebuah rangkaian
penguat tak membalik dengan nilai resistor penyusun yang sama, sehingga nilai
penguatan yang diharapkan sebesar 2 kali, pada percobaan ini juga dilakukan
dengan mengubah-ubah nilai frekuensi masukan untuk mengetahui respon
frekuensi Transimpedansi (Z).
Gambar 3.4. Rangkaian pengukur transimpedansi
Setelah didapatkan nilai Vo, nilai Transimpedansi dicari dengan melakukan
perhitungan sesuai dengan persamaan 2.9.
Percobaan juga dilakukan dengan mengubah-ubah nilai R1 dan R2 menjadi
10kΩ, 100kΩ, 200kΩ.
3.2.1.3. Pengukuran Tegangan Keluaran Maksimum
Untuk pengukuran Vomax dirangkai sebuah penguat membalik dan penguat tak
membalik sebagai berikut.
Gambar 3.5. Untai penguat membalik untuk mencari Vomax
15
Gambar 3.6. Untai penguat non-inverting untuk mencari Vomax
Masing- masing rangkaian dilakukan percobaan dengan mengubah- ubah nilai
V3 (sebagai tegangan masukan) hingga sinyal keluaran Vo terjadi pemotongan
(clipping).
3.2.1.4. Pengukuran Slew rate op-amp Current Feedback
Untuk melakukan pengukuran Slew rate op-amp Current Feedback
dirangkai sebuah rangkain penguat tak membalik dengan sinyal masukan kotak
1kHz 1Vpp dan penguatan 10 kali untuk kemudian diamati nilai slewrate-nya
(SR = ∆Vo/∆t).
Gambar 3.7. Rangkaian pengukuran slew rate
3.2.2. Karakteristik Rangkaian Dasar Op-amp CFA (penguat membalik, penguat tak
membalik, penguat penjumlah. Lampiran B)
Percobaan ini bertujuan untuk mempelajari aplikasi op-amp current feedback
sebagai rangkaian dasar penguat, yaitu penguat membalik, penguat tak membalik dan
penguat penjumlah
16
3.2.2.1. Penguat Tak Membalik
Gambar 3.8. Penguat tak membalik (non-inverting)
Percobaan dilakukan dengan menyusun rangkaian seperti pada gambar 3.8,
dengan mengasumsikan penguatan yang dihasilkan sebesar tiga kali kemudian
nilai resistor penyusunnya diperbesar untuk mengetahui apakah nilai
penguatannya turun dari tiga kali, jika ada penurunan nilai penguatan kemudian
dicari nilai transimpedansi menggunakan persamaan (2.9.).
Pada percobaan ini juga dilakukan pengubahan nilai frekuensi masukan untuk
mengetahui respon frekuensi CFA sebagai penguat tak membalik.
3.2.2.2. Penguat membalik (inverting)
Gambar 3.9. Rangkaian penguat inverting
17
Percobaan dilakukan dengan menyusun rangkaian seperti pada gambar 3.9,
dengan mengasumsikan penguatan yang dihasilkan sebesar dua kali kemudian
nilai resistor penyusunnya diperbesar untuk mengetahui apakah nilai
penguatannya turun dari dua kali, jika ada penurunan nilai penguatan kemudian
dicari nilai transimpedansi menggunakan persamaan (2.15).
Pada percobaan ini juga dilakukan pengubahan nilai frekuensi masukan untuk
mengetahui respon frekuensi CFA sebagai penguat membalik.
3.2.2.3. Penguat Penjumlah (Summing Amplifier)
Gambar 3.10. Rangkaian Penguat penjumlah
Pada percobaan penguat penjumlah disusun rangkaian seperti gambar 3.10.
Dengan diberi sinyal masukan kotak 1kHz 2Vpp, percobaan dilakukan dengan
mengubah-ubah nilai resistor penyusunnya untuk kemudian dibandingkan
dengan persamaan yang berlaku pada penguat penjumlah yaitu sebagai berikut.
1
= −(
= −(
+
+
)
)
1
+
1
(3.1)
(3.2)
Dimana :

Vout
= tegangan keluaran
18

Vin1
= tegangan masukan melalui R1

Vin2
= tegangan masukan melalui R2

Z
= nilai transimpedansi
Persamaan 3.1 adalah persamaan yang digunakan jika penguatan yang
dihasilkan turun dari yang diharapkan, sedangkan persamaan 3.2 adalah
persamaan penguat penjumlah seperti pada penggunaan VFA yang berlaku pada
praktikum jika nilai resistor umpan balik (ZF) nilainya jauh lebih kecil dari nilai
Z (transimpedansi).
3.2.3. Pembatasan Lebar Pita Pada Penguat Berbasis CFA(Lampiran C)
Dengan tujuan Menganalisa kemampuan Current feedback op-amp dalam
menghasilkan lebarpita, terhadap perubahan hambatan umpan balik dan nilai
Vcc/Vee.
Pada topik yang ketiga ini, praktikum mengacu pada grafik bandwidth terhadap
tegangan supply yang terdapat pada datasheet LT-1227 yang ditunjukan pada
gambar 3.11. [3]
Gambar 3.11. Grafik Bandwidth vs tegangan supply LT-1227
Sehingga disusun sebuah rangkaian penguat non-inverting dengan penguatan 11
kali, yang kemudian diubah2 frekuensi masukannya untuk mendapatkan nilai
19
bandwidth. Percobaan juga dilakukan dengan mengubah2 resistor penyusunnya serta
nilai tegangan supply untuk membuktikan apakah nilai Gain Bandwith Product
(GBW) pada CFA konstan atau tidak. Berikut rangakaian yang dilakukan pada topik
yang ketiga.
Gambar 3.12. Untai penguat tak membalik untuk mencari bandwidth
3.2.4.
Integrator Berbasis Op-amp CFA (Lampiran D)
Percobaan ini bertujuan untuk mempelajari dan menganalisa cara kerja dari salah
satu aplikasi op-amp current feedback yaitu sebagai rangkaian integrator dan
diferensiator.
3.2.4.1. Integrator dengan CFA
Untuk percobaan integrator dengan menggunakan CFA disusun rangkaian
seperti pada gambar 3.13.
Gambar 3.13. Integrator dengan CFA
20
Dengan tegangan masukan (Vi) sinus 1Vpp kemudian diamati tegangan
keluaranya apakah sesuai dengan persamaan integrator yang ditunjukan pada
persamaan 3.3
=−
1
( ) (3.3)
Dimana :

Vout
= tegangan keluaran

Vin
= tegangan masukan

R
= nilai resistor yang dipasang pada posisi R1

C
= nilai kapasitor yang dipasang pada untai integrator
Karena kelebihan dari CFA adalah dapat bekerja pada frekuensi tinggi maka
nilai komponen penyusunnya divariasikan untuk kemudian dibandingkan
sinyal keluarannya dengan hasil perhitungan apakah sesuai atau tidak
3.2.4.2. Diferensiator dengan CFA
Untuk percobaan diferensiator dengan menggunakan CFA disusun rangkaian
seperti pada gambar 3.14.
Gambar 3.14. diferensiator dengan CFA
Dengan tegangan masukan (Vi) sinus 1Vpp kemudian diamati tegangan
keluaranya apakah sesuai dengan persamaan diferensiator yang ditunjukan
pada persamaan 3.4
21
=−
(3.4)
Dimana :

Vout
= tegangan keluaran

Vin
= tegangan masukan

R
= nilai resistor yang dipasang pada posisi R1

C
= nilai kapasitor yang dipasang pada untai integrator
Karena kelebihan dari CFA adalah dapat bekerja pada frekuensi tinggi maka
nilai komponen penyusunnya divariasikan untuk kemudian dibandingkan
sinyal keluarannya dengan hasil perhitungan matematis apakah sesuai atau
tidak.
3.2.5. Respon Transien pada Op-amp CFA (Lampiran E)
Dengan tujuan menganalisa dan mempelajari salah satu karakteristik dari op-amp
CFA yaitu kestabilan pada op-amp current feedback.
Percobaan dilakukan dengan membuat sebuah rangkaian penguat tak membalik
yang diberi sinyal masukan kotak 1kHz 15Vpp dengan penguatan sebesar 2 kali.
Seperti pada gambar 3.15.
Gambar 3.15. Rangkaian penguat tak membalik untuk mencari stabilitas CFA
22
Kemudian pada pengamatan sinyal keluaran dilakukan pengaturan time/div,
Volt/div, dan probe yang digunakan, agar sinyal keluaran menyerupai sinyal
keluaran rangkaian R L C seri dalam keadaan underdamped seperti yang ditunjukan
oleh gambar 3.16.
Gambar 3.16. Sinyal keluaran RLC seri underdamped
Sehingga didapatkan nilai maximum overshoot (Mp), peak time (tp), dan, TD.
Selain itu dilakukan juga penggantian nilai resistor penyusunnya untuk mengetahui
pengaruhnya pada sinyal keluaran.
Setelah didapatkan nilai maximum overshoot (Mp), peak time (tp), dan, TD.
Kemudian dicari nilai R L dan C untuk mendapatkan persamaan orde dua yang
berlaku pada CFA, dengan menggunakan persamaan – bersamaan berikut:
=
=
=
⍵
= maximum overshoot
(3.5)
=waktu puncak
(3.6)
= damping ratio
(3.7)
23
⍵ =
=
=
⍵ =
⍵
−
=frekuensi alamiah teredam
= damping factor
(3.9)
= frekuensi alamiah tak teredam
√
(3.8)
(3.10)
Setelah didapatkan nilai R, L dan C persamaan orde dua yang berlaku pada CFA
dicari berdasarkan analogi rangkaian RLC seri sebagai berikut:
Gambar 3.17. Rangkaian RLC seri
1
=
=
+
(
+1
1
)+
(3.11)
+1
(3.12)
3.2.6. Penguat selisih dan penguat instrumentasi berbasis op-amp CFA (Lampiran F)
Percobaan ini bertujuan mempelajari penggunaan atau aplikasi op-amp current
feedback sebagai penguat selisih dan penguat instrumentasi.
24
3.2.6.1. Penguat selisih (Differential Amplifier)
Gambar 3.18. Rangkaian Penguat selisih
Pada percobaan penguat selisih disusun rangkaian seperti gambar 21 dimana
sinyal masukan Vi1 berupa sinyal sinus 1Vpp kemudian tersambung pada sebuah
pembagi tegangan yang tersusun dari 1buah potensiometer sehingga dapat diatur
besar tegangan Vi2. Kemudian nilai tegangan keluaran dibandingkan dengan
hasil perhitungan matematis yang sesuai dengan persamaan (3.13).
=
−
2
(3.13)
1
Dimana :

Vo
= tegangan keluaran

Vi1
= tegangan masukan utama

Vi2
= tegangan masukan setelah melalui pembagi tegangan

R1
= nilai resistor pada posisi R1 (sesuai gambar)

R2
= nilai resistor pada posisi R2 (sesuai gambar)
Pada percobaaan ini juga dilakukan pengubahan nilai-nilai resistor penyusun
yang masing akan dibandingkan hasilnya dengan perhitungan matematis.
25
3.2.6.2. Penguat instrumentasi
Gambar 3.19. Rangkaian penguat instrumentasi
Pada percobaan penguat instrumentasi disusun rangkaian seperti pada gambar
3.19. Dengan Vi1 1Vpp dan Vi2 diatur menjadi setengah dari Vi1. Kemudian
diamati nilai Vo1 nilai Vo2 dan Vo, untuk kemudian dibandingkan dengan
perhitungan matematis sesuai dengan persamaan berikut:
1=
2=
=
1+
1+
2−
7
×
8
7
×
8
1
7
×
8
1 −
7
×
8
2 −
2 (3.14)
1 (3.15)
2
(3.16)
1
26
Dimana :

Vo
= tegangan keluaran akir

Vi1
= tegangan masukan utama

Vi2
= tegangan masukan setelah melalui pembagi tegangan

Vo1
= tegangan keluaran U2 pada gambar 3.19

Vo2
= tegangan keluaran U3 pada gambar 3.19
3.2.7. Tapis-Tapis Aktif Berbasis Op-amp CFA (Lampiran G)
Dengan tujuan menganalisa dan mempelajari aplikasi current feedback op-amp
sebagai suatu rangkaian tapis aktif (active filter) diantaranya yaitu lowpass filter dan
High pass filter.
Low pass fiter atau tapis lolos bawah adalah filter yang meloloskan frekuensi
masukan yang nilai frekuensinya lebih kecil dari frekuensi cut-off, jika frekuensi
masukannya lebih besar dari frekuensi cut-off maka amplitude sinyal akan mengecil,
idealnya pada hal ini sinyal masukan sama sekali tidak diloloskan. Berikut gambar
rangkaian.
Gambar 3.20. Rangkaian dan lowpass filter orde 1
Gambar rangkaian diaatas merupakan rangkaian lowpass filter orde 1 dengan
persamaan sebagai berikut.
= 1+
2
1
×
1
1+
27
(3.17)
2
1+ 1
=
(3.18)
1+
2
1+ 1
=
(3.19)
1 + ⍵c
Dimana :

Vout
= tegangan keluaran akir

Vin
= tegangan masukan

R1
= nilai resistor pada posisi R1 (sesuai gambar)

R2
= nilai resistor pada posisi R2 (sesuai gambar)

R
= nilai resistor pada posisi R (sesuai gambar)

C
= nilai resistor pada posisi c (sesuai gambar)

⍵c
= 2πfc =
High pass filter atau tapis lolos atas adalah sebuah rangkaian tapis yang
meloloskan sinyal inputan yang frekuensinya lebih tinggi daripada frekuensi
penggal, dan akan melemahkan sinyal masukan yang frekuensinya lebih kecil dari
frekuensi penggal. Berikut gambar rangkaian high pass filter dan respon
frekuensinya.
Gambar 3.21. Rangkaian high pass filter orde 1
28
Gambar rangkaian diatas merupakan rangkaian highpass filter orde 1 dengan
persamaan sebagai berikut.
=1+
2
1
1
×
1+
1
(3.20)
2
1+ 1
=
(3.21)
1
1+
2
1+ 1
=
⍵c (3.22)
1+
Dimana :

Vout
= tegangan keluaran akir

Vin
= tegangan masukan

R1
= nilai resistor pada posisi R1 (sesuai gambar)

R2
= nilai resistor pada posisi R2 (sesuai gambar)

R
= nilai resistor pada posisi R (sesuai gambar)

C
= nilai resistor pada posisi c (sesuai gambar)

⍵c
= 2πfc =
Semakin tinggi orde tapis yang digunakan, maka hasil filter yang didapatkan
semakin mendekati dengan sifat idealnya, artinya ketika frekuensi masukan sesuai
dengan frekuensi penggal (fc) amplitudo keluarannya nol. Hal ini berlaku juga untuk
highpass filter. Berikut contoh respon frekuensi tiap orde tapis pada low pass filter
dengan metode butterworth filter. [9]
29
Gambar 3.22. Respon frekuensi butterworth filter
Untuk mencari transfer fungsi yang berlaku pada tapis orde dua, digunakan
topologi voltage controlled voltage source (VCVS) atau topologi Sallen K
Key sebagai
berikut:
Gambar 3.23. VCVS (voltage controlled voltage source))
Gambar diatas merupakan rangkaian tapis orde dua dimana nilai Z1 sampai Z4
bisa berupa resistor maupun kapasitor tergantung dari rangkaian yang ingin dibuat,
apakah berupa lowpass filter atau Highpass filter.[8]
Dengan menggunakan hukum
hu
kirchoff didapatkan persamaan sebagai berikut
berikut.
−
+
−
−
30
+
= 0(3
3.23)
+
1
−
=
Karena,
+
1
1
+
+
= 0(3.24)
,dimana K adalah nilai penguatan op-amp maka
persamaan menjadi:
+
(
−
) 1
+
1
+
1
+
+
=0
1
=
−
1
+
=
−
+
(
(
) 1
+
+
+
1
) (
+
1
+
1
+
+
)
+
+1+
+
=
−
+
=
(1 − ) +
+1+
+1
1
(3.25)
(
+
)
Dimana :

Vout
= tegangan keluaran akir

Vin
= tegangan masukan

Z1, Z2, Z3, Z4 = nilai impedansi sesuai pada gambar (dapat berupa
R maupun C)

K
= nilai penguatan CFA
31
Dengan memanfaatkan persamaan 3.20 maka transfer fungsi untuk lowpass filter
maupun highpass filter dapat ditemukan dengan subtitusi masing2 nilai dari Z1
sampai Z4 yaitu sebagai berikut:
Untuk Low Pass Filter orde 2
Gambar 3.24. Rangkaian lowpass filter orde 2
Dengan subtitusi Z1=R1, Z2=R2, Z3=1/sC3, dan Z4=1/sC4, maka transfer fungsi
untuk Lowpass Filter adalah
′
( )=
1+
(
+
)+
(1 − ) +
=
+
⍵
(3.26)
+⍵
Untuk Highpass filter orde 2
Gambar 3.25. Rangkaian highpass filter orde 2
Dengan cara yang sama yaitu subtitusi nilai Z didapatkan H(s) sebagai berikut
32
( )=
+
1
+
1
+
1
(1 − ) +
1
′
=
+
⍵
(3.27)
+⍵
Pada topik ke-7 ini dilakukan percobaan untuk masing2 rangkaian filter,
dilakukan dengan mengvariasikan frekuensi masukan agar dapat mengetahui respon
frekuensi dari masing-masing filter, selain itu juga dilakukan pengubahan nilai
resistor yang mempengaruhi nilai penguatan untuk membuktikan perbedaannya
dengan penggunaan Voltage feedback amplifier.
3.2.8. Penguat Photocurrent berbasisi op-amp CFA (Lampiran H)
Dengan tujuan mempelajari dan menganalisa cara kerja dari salah satu aplikasi opamp Current Feedback sebagai sebuah penguat photocurrent.
Penguat photocurrent yang dipelajari pada percobaan kali ini memanfaatkan photodioda
sebagai komponen utamanya, dimana photodiode merupakan salah satu komponen yang
peka terhadap cahaya, resistansi pada photodiode akan berubah-ubah apabila intensitas
cahaya yang diberikan pada photodiode berubah-ubah. Pada keaadaan gelap atau tidak
ada cahaya yang masuk ke photodiode nilai resistansinya akan sangat besar sehingga
tidak ada arus yang mengalir, sebaliknya semakin besar cahaya yang jatuh pada
photodiode nilai resistansinya semakin kecil dan arus yang mengalir semakin besar.
Berikut symbol photodiode:
Gambar 3.26. Symbol photodiode
Dengan memanfaatkan sifat dan carakerja dari photodiode tersebut dibuat sebuah
rangkaian penguat yang memanfaatkan arus keluaran dari photodiode untuk dikonversi
menjadi tegangan. Rangkaian ini dikenal dengan penguat photocurrent atau penguat
transimpedansi. [10] Berikut gambar rangkaiannya:
33
Gambar 3.27. Rangkaian penguat Photocurrent
Rangkaian diatas memanfaatkan arus listrik yang dikeluarkan oleh photodiode
sebagai masukan (IP), untuk kemudian diubah menjadi tegangan.
sehingga nilai
penguatan yang berlaku pada rangkaian diatas adalah .
=
(3
3.28)
Sedangkan nilai Vout adalah
=(
=
|||
)×
1
1+1
(3
3.29)
×
(3
3.30)
,sehingga nilai A(penguatan)
(penguatan) adalah
=
1
1+1
((3.31)
Dimana :

Vout
= tegangan keluaran akir

Ip
= arus photodioda
34

Rf
= nilai resistor pada posisi Rf (sesuai gambar)

Cf
= nilai resistor pada posisi Cf (sesuai gambar)
Dipasangnya capasitor Cf pada rangkaian membuat rangkaian menjadi sebuah Low
pass filter, hal ini untuk menjaga dari terjadinya noise pada tegangan keluaran, sehingga
nilai capasitor Cf dipilih nilai yang kecil agar op-amp CFA dapat bekerja pada frekuensi
yang tinggi.
35