BAB V RANGKAIAN OP AMP DASAR 5.1. PENGUAT INVERTING

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  1000Volt  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.