BAB V RANGKAIAN OP AMP DASAR 5.1. PENGUAT INVERTING
advertisement
BAB V RANGKAIAN OP AMP DASAR 5.1. PENGUAT INVERTING Keluaran sensor dan tranduser pada umumnya mempunyai tegangan yang sangat kecil hingga mikro volt, sehingga diperlukan penguat dengan impedansi masukan rendah. Rangkaian penguat inverting merupakan rangkaian penguat pembalik dengan impedansi masukan sangat rendah. Rangkaian penguat inverting akan menerima arus atau tegangan dari tranduser sangat kecil dan akan membangkitkan arus atau tegangan yang lebih besar. Rangkaian dasar penguat inverting adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 1, dimana sinyal masukannya dibuat melalui input inverting. Rangkaian ini adalah pengubah dari arus menjadi tegangan dan digerakkan oleh sumber tegangan dan bukan sumber arus. Tahanan sumber R1, bagian umpan baliknya berubah dan beberapa sifat umpan balik juga berubah. Gambar Rangkaian penguat pembalik Input non-inverting pada rangkaian ini dihubungkan ke ground, atau v + = 0. Karena v+ dan v- nilainya = 0 namun tidak terhubung langsung ke ground, input op-amp v- pada rangkaian ini dinamakan virtual ground. Dengan fakta ini, dapat dihitung arus pada hambatan resistor R1 dan arus pada hambatan resistor R2 adalah I out I in 0 Vout R2 Vin 0 R1 (1) (2) Arus yang masuk dalam op-amp adalah nol, i_ 0 makab I in I out i_ 0 (3) Masukan persamaan 1 dan 2 ke persamaan 3 Vin 0 0 Vout R1 R2 (4) Selanjutnya Vin V out R1 R2 Vout R2 xVin R1 Jika penguatan G didefenisikan sebagai perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka dapat ditulis G Vout R2 Vin R1 (4) Impedansi rangkaian inverting didefenisikan sebagai impedansi input dari sinyal masukan terhadap ground. Karena input inverting (-) pada rangkaian ini diketahui adalah 0 (virtual ground) maka impendasi rangkaian ini tentu saja adalah Zin = R1. Contoh soal 1. Sebuah penguat pembalik seperti pada gambar xxx memiliki hambatan R1 sebesar 100Ω dan R2 sebesar 1KΩ. Penguat pembalik tersebut di beri input sebesar 1000µVolt. Hitung berapa besarnya penguat dan tegangan output? Jawab A R2 1K 10 R1 100 Vout A Vin 10 1000Volt 10nVolt 2. Sebuah penguat pembalik seperti pada gambar xxx memiliki hambatan R1 sebesar 100Ω. Penguat pembalik tersebut di beri input sebesar 100m Volt. Tegangan keluaran dari penguat yang diinginkan 0,2 Volt. Hitung berapa besarnya penguat dan hambatan R2? Jawab A Vout 0,2Volt A 100nVolt Vin A 2000 R 2 A ( R1) R 2 2000 (100) R2 200k 5.2. PENGUAT NON INVERTING Banyak rangkaian elektronika yang memerlukan penguatan tegangan atau arus yang tinggi tanpa terjadi pembalikan (inversion) isyarat. Peguat op-amp takmembalik (noninverting op-amp) didesain untuk keperluan ini. Rangkain ini dapat digunakan untuk memperkuat isyarat AC maupun DC dengan keluaran yang tetap sefase dengan masukan. Impedansi masukan dari rangkaian ini berharga sangat tinggi dengan nilai sekitar 100 M. Dengan isyarat masukan dikenakan pada terminal masukan noninverting, besarnya penguatan tegangan tergantung pada harga in R dan F R yang dipasang. Isyarat keluaran penguat ini diambil dari resistor L R (biasanya berharga sekitar 35-50 ). Penguat non inverting ini memiliki masukan yang dibuat melalui input noninverting. Dengan demikian tegangan keluaran rangkaian ini akan satu fasa dengan tegangan inputnya. Untuk menganalisa rangkaian penguat op-amp non inverting, caranya sama seperti menganalisa rangkaian inverting. gambar 2 : penguat non-inverter Dengan menggunakan analisa konsep bumi semu: vin = v+ v+ = v- = vin Dari sini ketahui arus pada hambatan R2 dan arus pada hambatan R1 adalah iR1 = vin/R1 iout = (vout-vin)/R2 Hukum kirchkof pada titik input inverting merupakan fakta yang mengatakan bahwa : iout + i(-) = iR1 Arus yang masuk dalam op-amp adalah nol, i_ 0 maka iout = iR1 (vout – vin)/R2 = vin/R1 yang kemudian dapat disederhanakan menjadi : vout = vin (1 + R2/R1) Jika penguatan G adalah perbandingan tegangan keluaran terhadap tegangan masukan, maka didapat penguatan op-amp non-inverting : … (2) Impendasi untuk rangkaian Op-amp non inverting adalah impedansi dari input non-inverting op-amp tersebut. Dari datasheet, LM741 diketahui memiliki impedansi input Zin = 108 to 1012 Ohm. Contoh Soal Sebuah penguat tak-membalik dengan menggunakan dengan konfigurasi seperti terlihat pada gambar 16.2 menggunakan resistor 5.3. PENGIKUT TEGANGAN Pengikut tegangan biasanya didefinisikan sebagai rangkaian dengan penguatan satu. Diantara masukan dan keluaran terdapat isolasi impedansi. Keluaran dari op amp terhubung pada masukan inverting dan tegangan masukan dihubungkan pada masukan non inverting. Hambatan umpan balik sama dengan nol sehingga besarnya penguatan adalah A Rf Rin 1 0 1 Rin 1 Dengan masukan non inverting, rangkaian ini memiliki impedansi masukan yang amat tinggi serta impedansi keluaran yang amat rendah. Keuntungan ini menjadi sangat ideal untuk penyangga. Gambar xxx Gambar penyangga positif Penyangga negative sering diperlukan dalam pemakaian khusus. Rangkaian penyangga fase terbalik ditunjukan pada Gambar xxx. Karena Rin sama dengan Rf maka rumus penguatan sebagai berikut: A Rf Rin 1 0 1 Rin 1 Kelemahan dari rangkaian ini adalah amat berkurangnya impedansi masukan. 5.4. PENGUAT PENJUMLAH TEGANGAN Dengan menggunakan rangkaian penguat membalik dasar dan menambahkan resistor masukan lainnya, kita dapat membuat penguat penjumlah membalik atau penjumlah analog, seperti tampak pada Gambar 2.13. Tegangan keluaran dibalikkan dan nilainya sama dengan penjumlahan aljabar dari masing-masing perkalian tegangan masukan dengan hasil bagi resistor masukan dengan. resistor umpan balik yang bersesuaian, atau dapat dinyatakan sebagai : Suku RF/RN (VN) dalam rumus di atas menyatakan bahwa dalam rangkaian tersebut mungkin terdapat lebih dari dua masukan. Bila semua resistor luar sama nilainya (RF = R, = R2 = ... = RN), keluaran dengan mudah dapat dihitung sebagai penjumlahan aIjabar dari masingmasing tegangan masukan, atau VOut = - (VI + V2 + - - - + VN) Tabel tegangan masukan&eluaran menunjukkan hasil dari macam-macam tegangan masukan. Ingatlah bahwa polaritas keluaran merupakan kebalikan dari polaritas hasil penjumlahan aljabar. Dalam rangkaian ini, bumi semu yang pernah dijelaskan sebelumnya merupakan titik penjumlahan arus. Konsep titik penjumlahan dapat dipahami dengan menganalisis arus dalam penguat penjumlab seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.14. Karena titik penjumlaban adalah bumi semu, maka tegangan pada titik ini kurang lebih selalu sama dengan tegangan masukan tak membalik (= 0 V). Penguat penjumlah tegangan: (a) diagram skematik; (b) tabel tegangan masukan/keluaran. Dengan kedua masukan positif, arus dari setiap resistor akan mengalir searah. Untuk kasus dalam Gambar 2.14a, I1 = 0,1 mA dan I2 = 0,2 mA. Karena itu, kelu,aran harus menuju -3 V supaya IF benilai 0,3 mA. Bila sebuah Masukan positif dan sebuah lainnya negatif, seperti tampak dalam Gambar 2.14b, maka sebuah arus masukan (0,3 mA) akan menuju titik penjumlahan dan sebuah lainnya (0,2 mA) akan keluar dari titik penjumlahan. Karena jumlah arus yang masuk harus sama dengan jumlah arus yang keluar dari titik itu, maka arus 0,1 mA harus keluar dari titik penjumlahan melalui RF. Tegangan keluaran harus menuju +1 V untuk memberikan arus yang dibutuhkan. Bila kedua masukan negatif, seperti iampak dalam Gambar 2.14c, maka kedua arus masukan menuju titik penjumlahan (0,1 mA dan 0,2 mA). Arus yang mengalir lewat RF harus sama dengan penjumlahan kedua arus ini (0,3 mA). jadi, sekali lagi keluaran harus menuju +3 V untuk mewujudkannya. 5.5. PENGUAT SELISIH TEGANGAN Penamaan penguat operasional memang cocok karena penguat ini dapat digunakan untuk operasi matematika. Pada eksperimen sebelumnya telah kita lihat bagaimana opamp berfungsi sebagai penguat atau secara matematika sebagai pengali. Pada bagian ini akan kita pelajari op-amp sebagai operasi matematika penjumlah dan pengurang. Untuk operasi penjumlah, masukan tak membalik dari op-amp dihubungkan dengan tanah sedangkan tegangan masukan yang akan dijumlah diumpankan pada masukan membalik. Pada operasi pengurangan atau penguat diferensial, dengan mengumpankan isyarat pada masukan tak-membalik dan membalik akan didapat selisih keduanya. Penguat ini serupa dengan pembanding, kedua masukan dipakai untuk merasakan tegangan di antara mereka, namun rangkaian menggunakan modus lup tertutup, sehingga tegangan keluaran dapat diperkirakan dan dikendalikan besarnya. Bila semua resistor luar sama besarnya, maka penguat ini berfungsi sebagai rangkaian matematik analog dan dikenal sebagai pengurang tegangan, seperti tampak dalam Gambar 2.17a. Tegangan keluaran merupakan kebalikan selisih tegangan di antara kedua masukan dan nilainya dihitung menurut rumus Sebagaimana pembanding, polaritas tegangan kelfiaran akan positif bila tegangan pada masukan membalik lebih negatif daripada tegangan pada masukan tak membalik (seperti dibuktikan dalam rumus), dan sebaliknya. Tabel tegangan masukan/keluaran dalam Gambar 2.17b memperlihatkan polaritas yang tepat dan selisih aljabar tegangan keluaran untuk macam-macam tegangan masukan 5.6. PENGUAT INTEGRATOR Rangkaian op-amp untuk fungsi integrasi termasuk rangkaian yang penting. Rangkaian integrator banyak digunakan dalam “komputer analog” sebagai alat bantu untuk menyelesaikan persamaan integral. Rangkaian ini dapat dibuat dengan menempatkan kapasitor pada masukan membalik dan keluaran dan masukan tak-membalik ditanahkan. Rangkaian integrator op-amp ini juga berasal dari rangkaian inverting dengan tahanan umpan baliknya diganti dengan kapasitor. Proses perhitungannya sebagai berikut: B F i = I + i 1 , B I diabaikan karena sangat kecil nilainya sehingga : F i @ i 1 . Arus pada kapasitor adalah yang sama dengan iF , sehingga karena v1 = v2 @ 0, karena penguatan A terlalu besar, sehingga Sehingga persamaannya menjadi : Batas frekuensi yang dilalui oleh capasitor dalam rangkaian integrator adalah Biasanya rangkaian untuk aplikasi ada penambahan tahanan yang diparalel dengan kapasitor dengan dinama RF. Seperti pada gambar 2.29 rangkaian integrator yang belum di tambah tahanan yang diparalel dengan kapasitor. Nilai ROM adalah antara nol sampai dengan R1. 5.7. PENGUAT DEFERENSIATOR Rangkaian differensiator adalah rangkaian aplikasi dari rumusan matematika yang dapat dimainkan (dipengaruhi) dari kerja kapasitor. Rangkaian nya seperti pada gambar 2.25 dengan rangkaian sederhana dari differensiator. Untuk mendapatkan rumus differensiator, urutannya adalah sebagai bagai berikut : C B F i = i + i dan selama nilai = 0 B i maka C F i = i selisih dari inverting input dan noninverting input (v1 dan v2) adalah nol dan penguatan tegangannya sangat besar, maka didapat persamaan pengisian kapasitor sebagai berikut : menjadi atau Rangkaian Differensiator Op-amp. Pada rangkaian aplikasi rangkaian differensiator op-amp ini ada sedikit perubahan yaitu penambahan tahanan dan kapasitor yang fungsinya untuk menfilter sinyal masukan. Seperti tampak pada gambar 2.26 adalah rangkaian differensiator yang dimaksud. Dengan demikian maka ada batasan input dari frekuensi yang masuk, batasan tersebut adalah sedangkan nilai frekuensi yang diakibatkan oleh RF dan C1 adalah sebagai berikut : Bila sinyal input melebihi frekuensi fa maka hasil output akan sama dengan hasil input, alias fungsi rangkaian tersebut tidak lagi differensiator lagi tapi sebagai pelewat biasa. Sedangkan untuk gambar 2.26 biasanya digunakan untuk rangkaian aplikasi yang di integrasikan dengan rangkaian lain. Syarat perhitungan nilai nilai R1, C1, RF, CF adalah sesuai dengan syarat sebagai berikut : Contoh perhitungan rangkaian differensial Differensiator op-amp dari rangkaian seperti gambar 2.25 dengan nilai C 1mF 1 = dan R = KW F 1 . Sumber tegangan ±15Volt > Awal sinyal adalah 0 Volt. Tentukan tegangan output a. Vin = 1 Volt (sinyal dc) saat 10 detik. b. Vin = 20 Volt (sinyal dc) saat 1 detik saat Jawab: Gambar sinyal outputnya : Gambar 2.27 Output dari rangkaian differensiator Op-amp dengan input sinyal dc Gambar sinyal output untuk differensiator op-amp dari sinyal sinus dan segiempat adalah seperti pada gambar 2.28. Gambar 2.28 Sinyal output rangkaian differensiator Op-amp Untuk menentukan nilai CF dan RF pada differensiator op-amp ini ditentukan dari fa dan fb dengan hubungan sebagai berikut : fb = 20 fa Contoh soal : Rancang differensiator op-amp dengan input bervariasi antara 10 Hz sampai 1KHz dengan Vin = 1 sin w t. Volt (peak to peak) a. Tenrukan nilai nilai R1,C1, RF, dan CF b. Tentukan bentuk sinyal vo Penyelesaian : a. Karena input berkisar 10 sampai 1 KHz, maka di ambil frekuensi tertingginya. Jadi fa = 1 KHz dan rumusnya : dan ditentukan C1 =0.1 m F , sehingga : Bila fb = 20 fa , maka fb = 20 KHz (disesuaikan nilai tahanan yang ada). , maka nilai Selama nilai R1.C1 = RF.CF ,maka nilai CF adalah : (nilai disesuaikan dengan nilai kapasitor yang ada) Nilai ROM = R1||RF @ 78 W (digunakan 82W) b. Bentuk sinyal vo adalah 5.8. PENGUAT INSTRUMENTASI Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup (closed loop) dengan masukan difrensial, dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi nisbah penolakan modul bersama (common mode rejection ratio – CMRR). Fungsi utama penguat instrumentasi adalah untuk memperkuat tegangan yang tepat berasal dari sensor atau transduser secara akurat. Rangkaian equivalen penguat instrumentasi adalah seperti gambar xxx Besaran RicM adalah hambatan atau impedansi masukan deferensial. e0 adalah tegangan keluaran tanpa beban (terbuka) dan R0 adalah hambatan atau impedansi keluaran. Karena penguat instrumentasi adalah loop terbuka, maka perlu dipasang rangkaian umpan balik untuk menggunakan seperti halnya penguat operasional. Penguat instrumentasi yang bermutu tinggi dibuat dalam bentuk hybrid yaitu campuran ic dan komponen diskrit. Penguatan instrumentasi dapat dibuat dengan menggunakan op amp. Mutu dari penguat instrumentasi ini tergentung dari mutu op-amp yang digunakan yang menyangkut ini offset masukan, impedansi masukan, drift pada tegengan keluaran, CMRR, PSRR, dan lain sebagainya. Disamping itu CMRR dan ketepatan penguat op-amp amat tergantung kepada presisi dari komponen pasif yang digunakan. Sekarang kita anakn membahas dua rangkaian penguat instrumentasi menggunakan op-amp. Rangkaian yang digunakan untuk membuat instrumentasi dengan op amp seperti Gambar xxx. Gambar xxx suatu penguat instrumentasi Kita dapat bagi rangkaian diatas menjadi dua bagian pertama terdiri dari IC OPAMP OA1 dan IC OP-AMP OA2 dan bagian kedua terdiri dari IC OP-AMP OA3. Sekarang kita akan membahas bagian kedua terlebih dahulu. Rangkaian bagian kedua dapat di lihat pada Gambar xxx Gambar rangkaian penguat deferensial Karena impedansi masukan difrensial dari op-amp sangat tinggi maka dapat dianggap I1=I4=0 sehingga Ia = Ia’ dan Ib =Ib’ Dengan menggunakan hokum kirchoff kita peroleh ea-Vo=(R2+R6)Ia eb-0=(R5+R7)Ib Selanjutnya kita menggunakan dari sifat op yang lain yaitu bahwa masukan inverting dan non inverting ada dalam keadaan hubung sikat virtual maka: Vo=-IaR6+IbR7 Dari ketiga persamaan kita dapatkan: Agar tegangan Vo sebanding dengan selisih tegangan isyarat masukan maka harus dibuat agar: Sebaiknya digunakan R5=R2 dan R7=R6 Jadi Penguatan common mode dapat kita peroleh bila menggunakan seperti Gambar xxx Persamaan menjadi Seperti telah digunakan diatas jika digunakan R7=R6 dan R5=R2 kita peroleh penguat diferensial. Dalam prakteknya tidak akan membuat hambatan sama karena resistor tersebut mempunyai toleransi minimum 1% Misalnya Maka Dari persamaan diatas kita peroleh common mode Rejection ratio Tampak bila ∆=1%=0.01 dan R2=R6 maka CMRR=60=30db Jadi agar diperoleh CMRR yang tinggi diperlukan komponen dengan presisi yang tinggi pula. Gambar rangkaian pertama penguat instrumentasi Oleh karena masukan inverting dan non inverting pada op-amp dalam keadaan hubung singkat maka tegangan pada titik A = ea dan pada titik B =eb. Hambatan masukan diferensial sangat besar maka arus I1=I2=0 akibatnya: akan tetapi sehingga sehingga ea=eb=ecm maka persamaan xx menyatakan bahwa bila sehingga yang berarti bahwa pada rangkaian Gambar xx terjadi penurunan dari segi CMRR disebabkan oleh bagian II saja. Ini berarti bahwa dipandang dari segi CMRR hanya R2,R6,R5 dan R7 yang harus mempunyai nilai presisi. Penguatan dari seluruh rangkaian gambar xxx dapat diperoleh dengan menggabungkan persamaan xx dan xx yaitu: Suatu contoh rangkaian instrumentasi pada gambar xxx yang digunakan adalah tipe CA3140 yaitu CMOS input op amp dengan Zin(CM)=1012, CMRR=90db, unity gain bandwith 7,5 MHz dan PSRR = 90db. Gambar xxx penguat deferensial presisi Spesifikasi penguat diatas adalah respon frekuensi (-3dB) dc hingga 1 Mhz; slew rate = 1,5V/µs, CMRR=86dB. Penguatan = 35-60dB.
