BAB IV OPERATIONAL AMPLIFIER PENDAHULUAN Sinyal

BAB IV
OPERATIONAL AMPLIFIER
PENDAHULUAN
Sinyal keluaran dari sebuah tranduser atau sensor sangat kecil hampir
mendekati mikro volt. tegangan keluran dari tranduser belum dapat dibaca oleh
adc atau pengolah sinyal yang lain. Agar sinyal tersebut dapat diolah oleh
pengolah sinyal, maka tegangan keluaran dari tranduser tersebut harus dinaikan
dengan penguat operasional. Penguat operasional adalah satu dari komponen
komponen terpenting dalam system instrumentasi. Penguat operasional dipakai
hamper disetiap system untuk menaikan sinyal level rendah dari tranduser ke level
cukup tinggi. Didalam system instrumentasi penguat menggunakan op-amp.
Sebuah op-amp merupakan sebuah rangkaian integrasi (IC) linier yang
mampu memberikan penguatan yang sangat besar dan dapat dioperasikan pada
interval tegangan yang cukup lebar. Op-amp mampu untuk memberi penguatan
sampai setinggi 100.000 untuk sebuah op-amp dalam keadaan rangkaian hubungterbuka sampai hanya sebesar 1 (satu) kali saat digunakan sebagai rangkaian
pengikut tegangan (voltage follower).
IC OP AMP 741
Penguat operasional (opamp) adalah suatu blok penguat yang mempunyai
dua masukan dan satu keluaran. Opamp biasa terdapat di pasaran berupa
rangkaian terpadu (integrated circuit-IC). Op Amp tersedia dalam berbagai
kemasan standard. Terdapat lebih dari 2000 jenis Op Amp dalam IC, salah satu
yang populer adalah LM741.
Gambar 1 Konfigurasi pin IC Op amp 741
IC op amp yang digunakan pada percobaan ini ditunjukkan pada Gambar
1. Rangkaian op amp ini dikemas dalam bentuk dual in-line package (DIP). DIP
memiliki tanda bulatan atau strip pada salah satu ujungnya untuk menandai arah
yang benar dari rangkaian. Pada bagian atas DIP biasanya tercetak nomor standar
IC. Perhatikan bahwa penomoran pin dilakukan berlawanan arah jarum jam,
dimulai dari bagian yang dekat dengan tanda bulatan/strip.
Pada IC ini terdapat dua pin input, dua pin power supply, satu pin output,
satu pin NC (no connection), dan dua pin offset null. Pin offset null
memungkinkan kita untuk melakukan sedikit pengaturan terhadap arus internal di
dalam IC untuk memaksa tegangan output menjadi nol ketika kedua input bernilai
nol. Pada percobaan kali ini kita tidak akan menggunakan fitur offset null.
Perhatikan bahwa tidak terdapat pin ”ground” pada op amp ini, amp menerima
referensi ground dari rangkaian dan komponen eksternal.
Meskipun pada IC yang digunakan pada eksperimen ini hanya berisi satu
buah op amp, terdapat banyak tipe IC lain yang memiliki dua atau lebih op amp
dalam suatu kemasan DIP. IC op amp memiliki kelakukan yang sangat mirip
dengan konsep op amp ideal pada analisis rangkaian. Bagaimanapun, terdapat
batasan-batasan penting yang perlu diperhatikan. Pertama, tegangan maksimum
power supply tidak boleh melebihi rating maksimum, biasanya ±18V, karena akan
merusak IC. Kedua, tegangan output dari IC op amp biasanya satu atau dua volt
lebih kecil dari tegangan power supply. Sebagai contoh, tegangan swing output
dari suatu op amp dengan tegangan supply 15 V adalah ±13V. Ketiga, arus output
dari sebagian besar op amp memiliki batas pada 30mA, yang berarti bahwa
resistansi beban yang ditambahkan pada output op amp harus cukup besar
sehingga pada tegangan output maksimum, arus output yang mengalir tidak
melebihi batas arus maksimum.
Tabel 16.1 Sifat ideal dan data yang sebenarnya dari opamp IC 741.
Parameter
Data
Tegangan offset masukan, Vio
2 mV
Arus offset masukan, Iio
20 nA
Arus panjar masukan, IB
80 nA
Nisbah penolakan modus bersama (CMRR), ρ
90 dB
Pergeseran dari Iio
1 nA/°C
Pergeseran dari Vio
Frekuensi penguatan-tunggal (unity-gain frecuency)
1 MHz
Bandwith daya- penuh
10 kHz
Penguatan diferensial lingkar terbuka, A
105 dB
Harga Ideal
Keterangan :
1. Tegangan ofset masukan (input offset voltage) Vio menyatakan seberapa
jauh v+ dan vterpisah untuk mendapatkan keluaran 0 volt.
2. Arus offset masukan (input offset current) menyatakan kemungkinan
seberapa berbeda kedua arus masukan.
3. Arus panjar masukan (input bias current) memberi ukuran besarnya arus
basis (masukan).
4. Harga CMRR menjamin bahwa output hanya tergantung pada (v+) - (v-),
walaupun v+ dan v- masing-masing berharga cukup tinggi.
Untuk menghindari keluaran yang berosilasi, maka frekuensi harus dibatasi, unity
gain frequency memberi gambaran dari data tanggapan frekuensi. Ini hanya
berlaku untuk isyarat-kecil saja karena untuk isyarat yang besar penguat
mempunyai keterbatasan nilai dv dt
o
/ sehingga keluaran bentuk-penuh hanya
dihasilkan pada frekuensi yang relative rendah.
PENGUATAN OP AMP
Operational Amplifier, sering disingkat dengan sebutan Op Amp,
merupakan komponen yang penting dan banyak digunakan dalam rangkaian
elektronik berdaya rendah (low power). Istilah operational merujuk pada
kegunaan op amp pada rangkaian elektronik yang memberikan operasi aritmetik
pada tegangan input (atau arus input) yang diberikan pada rangkaian.
Gambar xx Blok diagram op amp
Penguat operasional atau Op-Amp adalah rangkaian elektronik yang
dirancang dan dikemas secara khusus sehingga dengan menambah beberapa
komponen luar dapat dipakai untuk berbagai keperluan. Op-Amp digunakan untuk
rangkaian perhitungan analog, rangkaian pengaturan dan instrumentasi. Fungsi
Op-Amp adalah untuk melakukan operasi matematika linier (tegangan dan arus),
integrasi, dan penguatan. (Hughes, 1990 : 1).
Gambar
IC Op-Amp adalah komponen solid-state yang mampu mengindera dan
memperkuat sinyal masukan baik DC maupun AC. IC Op-Amp yang khas terdiri
dari tiga rangkaian dasar, yakni penguat diferensial impedansi masukan tinggi,
penguat tegangan penguatan tinggi, dan penguat keluaran impedansi rendah.
KARAKTERISTIK OP AMP
Op-Amp adalah piranti solid-state yang mampu mengindera dan
memperkuat sinyal, baik sinyal DC maupun sinyal AC. Op-Amp merupakan
sebagai penguat, sehingga Anda harus mempertimbangkan baik karakteristik dc
maupun ac dalam memperbaiki dan merancang rangkaian rangkaian dengan opamp. Karekteristik Op-Amp yang terpenting yaitu:
1. Impedansi masukan
Idealnya impedansi masukan op-amp adalah tak terhingga, namun dalam
kenyataannya hanya mencapai 1 MΩ atau lebih. Op-amp khusus ada yang
memiliki impedansi masukan 100MΩ. Semakin tinggi impedansi
masukan, maka semakin baik penampilan op amp tersebut. Pada frekuensi
tinggi, kapasitansi masukan op amp banyak berpengaruh. Secara umum
kapasitansi yang dapat digunakan kurang dari 2 pF pada saat terminal
masukan op amp dibumikan.
2. Impedansi Keluaran
Idealnya impedansi keluaran dari op amp adalah nol. Tetapi pada
kenyataannya impedansi keluaran op amp bervariasi anara 25 sampai
ribuan ohm.
3. Arus Bias Masukan
Secara teoritis impedansi masukan tak berhingga, sehingga tidak ada arus
masukan. Namun pada kenyataanya, aka nada sedikit arus masukan
khususnya pada orde pikoamper sampai miliamper yang dikenal dengan
sebagai arus bias masukan. Arus ini dapat mengoyahkan kestabilan opamp sehingga mempengeruhi keluaran.
4. Tegangan Offset Keluaran
Tegangan offset keluaran (tegangan kesalahan) disebabkan oleh arus bias
masukan. Bila tegangan kedua masukan ini sama besar, keluaran op amp
akan nol volt. pada kenyataannya jarang ditemukan kejadian seperti itu,
sehingga pada keluarannya aka nada sedikit tegangan. Keadaan seperti ini
dapat diatasi dengan teknik penolan offset yaitu dengan menambah arus
dan tegangan offset masukan.
5. Arus Offset Masukan
Kedua arus masukan seharusnya sama besar sehingga tegangan keluaran
nol. Pada kenyataannya itu tidak mungkin karena harus ditambah dengan
arus offset masukan untuk menjaga supaya keluaran tetap nol volt. Untuk
memperoleh keluaran nol volt, maka sebuah maukan harus menarik arus
lebih besar. Arus offset ini dapat mencapat 20mA.
6. Tegangan Offset Masukan
Op-amp memiliki tagangan keluaran yang ideal nol pada saat tegangan
kedua masukan nol. Karena penguatan op-amp yang tinggi, maka adanya
sedikit ketakseimbangan dalam rangkaian op amp akan mengakibatkan
munculnya tegangan keluaran. Untuk membuat tegangan keluaran menjadi
nol, maka masukan diberikan sedikit tegangan offset. Sehingga tegangan
keluaran dapat di nolkan kembali
7. Penolan Offset
Ada beberapa macam cara pemberian tegangan offset masukan untuk
mengenolkan kembali tegangan keluaran. Pabrik pabrik op amp telah
memasukan ini dalam gambar dan perhitungan yang terdapat dalam
lembaran data yang ada di dalam datasheet. Cara mengenolkan tegangan
keluaran dengan penolan offset terlihat pada gambar xx.
7
1
+5V
3
2
+
6
OUT PUT
4
5
LM741
100 K
1
2
3
-5V
Gambar xxx Offset nol
Prosedur urutan kerja membuat tegangan keluaran bernilai nol

Pastikan bahwa rangkaian telah dilengkapi dengan komponen yang
dibutuhkan.

Perkecil sinyal masukan sampai nol.

Hubungkan beban pada terminal keluaran.

Masukan catu DC dan tunggulah beberapa menit

Hubungkan sebuah voltmeter yang peka dan osiloskop yang dikopel
DC untuk membaca tegangan keluaran

Putarlah resistor variable sampai tegangan keluaran nol

Lepaskan komponen tambahan dan hubungkan kembali masukan
masukan sumber. Pastikan tidak menyentuh resistor pengatur tegangan
offset, karena dapat mengubah nilai dari keluaran dari op amp.
8. Pengaruh Temperatur
Perubahan temperature akan mempengaruhi semua piranti solid state dan
rangkaian elektronika. Rangkaian DC yang menggunakan op-amp
cenderung lebih rentan terhadap pengaruh temperature dibandingkan
rangkaian AC. Perubahan temperatur ini dapat menyebabkan perubahan
arus offset dan tegangan offset. Perubahan ini sering disebut dengan
geseran. Drift yang disebabkan oleh temperature akan mengganggu setiap
ketakseimbangan op amp yang telah diatur sebelumnya. Sehingga
mengakibatkan terjadi kesalahan pada keluarannya.
9. Kompensasi Frekuensi
Karena penguatan op amp sangat tinggi dan adanya pergeseran fasa antara
rangkaian internal, maka pada frekuensi tinggi tertentu sebagian sinyal
keluaran akan diumpankan kembali kedalam masukan. Tidak jarang dalam
merangkai
rangkaian
dengan
opamp
harus
menambah
kapasitor
kompensasi untuk mencegah osilasi.
10. Laju Lantingan
Laju lantingan atau slew rate adalah laju perubahan maksimum tegangan
keluaran op amp. Laju ini dinyatakan sebagai:
lajulanting 
perubahanmaksimum _ tegangankeluaran Vout

perubahanwaktu
t
Op-amp 741 memiliki laju lanting 0,5 V / s , yang berarti tegangan
keluaran maksimum dapat berubah 0,5V dalam 1 s . Kapasitansi akan
membatasi kemampuan slew rate dan keluaran akan mengalami
penundaan setelah diumpankan masukan.
11. Tanggapan Frekuensi
Frekuensi masukan akan mempengaruhi kinerja dai op amp. Penguatan
op-amp akan turun terhadap kenaikan frekuensi. Penguatan yang diberikan
oleh pabrik biasanya dinyatakan pada nol Hertz atau DC. Gambar xx
menunjukan kurva penguatan tegangan terhadap tanggapam frekuensi.
Dalam modus lup terbuka, penguatan turun dengan cepat sejalan
peningkatan frekuensi. Pada saat frekuensi dinaikan 10kali maka
penguatan turun menjadi 1/10 kalinya. Titik breakover pada op amp terjadi
pada 70,7% penguatan maksimum. Secara umum lebar jalur dinyatakan
pada titik di mana penguatan turun 70,7% dari skala maksimumnya. Op
amp sering memerlukan umpan balik yang sifatnya degenerative dalam
rangkaian rangkaian penguat.
Gambar xxx penguatan tegangan dan tanggapan frekuensi
12. Perbandingan Penolakan Modus Sekutu (CMRR)
CMRR adalah suatu sifat yang berhubungan dengan penguat deferensial.
Bila tegangan yang sama asanya di masukan kedalam masukan masukan
penguat deferensial, maka keluaran dari penguat deferensial akan
menghasilkan nilai nol. Kemampuan suatu op-amp untuk memperkuat
sinyal deferensial sambil menindas sinyal modus sekutu disebut
perbandingan penolakan modus sekutu (CMRR). Perbandingan ini
dinyatakan dalam
CMRR 
Ad
Acm
Dengan Ao adalah penguat deferensial dan Acm adalah penguatan modus
sekutu. CMRR biasanya dinyatakan dalam decibel.
13. Pembatasan Listrik
Op amp merupakan sebuah komponen elektronika yang memiliki kendala
listrik yang tidak boleh dilanggar, agar op amp dapat bekerja dengan
benar. Tegangan catu daya maksimum yang boleh digunakan oleh op amp
adalah 15 volt. Tegangan masukan op amp yang boleh diberikan di antara
terminal terminal masukan adalah tidak boleh melebihi tegangan catu daya
sebesar 15 Volt.
Tegangan masukan dan tegangan catu daya dapat menyebabkan desipasi
daya. Daya listrik akan berubah menjadi panas. Daerah temperature di
mana op amp akan bekerja adalah bekerja pada temperature 0 – 70°C
untuk piranti komersial, temperature -25 – 85°C untuk piranti industry dan
temperature -55 - 125°C.
Gambar xxx. Simbol skematis Op-Amp standar (Hughes, 1990:3)
Terminal-terminal masukan ada pada bagian atas segitiga. Masukan tak
membalik dinyatakan dengan tanda plus (+) ditunjukkan oleh nomor 1. Masukan
membalik dinyatakan dengan tanda minus (-) ditunjukkan oleh nomor 2.
Tegangan DC atau AC yang diberikan pada masukan ini akan sefasa dengan
keluaran. Terminal keluaran diperlihatkan pada bagian puncak segitiga (nomor 5).
Terminal-terminal catu dan kaki-kaki lainnya untuk kompensasi frekuensi atau
pengaturan nol diperlihatkan pada sisi atas dan sisi bawah segitiga (nomor 3 dan
4).
OP-AMP dalam praktiknya dirangkai dengan konfigurasi yang bermacammacam dan dalam kondisi “closed loop” mempunyai penguatan yang sangat
tinggi (very high) dan hanya untuk sinyal yang lebih kecil (dalam orde mikrovolt
atau lebih kecil lagi) dengan frekuensi yang sangat rendah dikuatkan secara akurat
tanpa distorsi. Dan untuk sinyal-sinyal yang sekecil ini sangat mudah terkena
noise dan tak mungkin didapatkan pada suatu laboratorium.
Disisi lain penguatan tegangannya selain besar, juga tidak konstan.
Penguatan tegangannya bervariasi dengan perubahan temperatur dan sumber daya
(sumber tegangan). Variasi dari penguatan tegangan ini relatip besar untuk kondisi
“open loop”, sehingga untuk penggunaan atau aplikasi rangkaian linear tak
mungkin. Hal ini disebabkan kebanyakan aplikasi linear outputnya proporsional
terhadap inputnya dari tipe OP-AMP yang sama.
Dengan alasan diatas maka OP-AMP kondisi “open loop” secara umum
tidak digunakan dalam aplikasi linear. Untuk mengatasi hal diatas maka dilakukan
dengan memodifikasi rangkaian dasar OP-AMP yaitu dengan tujuan mengontrol
penguatannya. Modifikasi rangkaian dasar ini adalah dengan menerapkan
penggunaan umpan balik ( “feedback” ), yaitu sinyal pada output diumpan balikkan ke input secara langsung melalui jaringan atau peralatan lain.
Berdasarkan beberapa pengertian diatas dapat disimpulkan bahwa
pembelajaran penguatan op amp disini adalah suatu usaha yang dilakukan untuk
dapat mengenal dan memahami tentang pengertian maupun aplikasi penguatan op
amp sehingga pengetahuan dan pemahaman tentang penguatan Op Amp menjadi
lebih baik.
Penguat operational amplifier mempunyai beberapa sifat karakteristik dari
op-amp. Sifat sifat dari op-amp antara lain impedansi masukan dan keluaran,
tanggapan amplitude, dan offset tegangan keluaran.