Laporan Praktikum Elektronika 1 Modul Praktikum [Karakteristik OP-AMP] Nama NPM Rekan Kerja Kelompok Hari Tanggal Modul Ke : Maya Apriliani Nillasari : 1406529286 : Gilbert R S :5 : Kamis : 5 November 2015 :5 Ko-PJ Muhammad Azzam Asisten Lab. Laboratorium Elektronika – Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia Depok 2015 Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 1 MODUL 5 KARAKTERISTIK OP-AMP A. TUJUAN 1. Mencari arus bias input 2. Mengukur dan mengnolkan tegangan offset input 3. Mengukur CMRR 4. Mengamati efek pemberian daya pada bandwidth B. PENDAHULUAN Pada kenyataannya dipasaran sulit sekali didapatkan op-amp yang ideal. Untuk rangkaian instrumentasi yang membutuhkan penguatan yang stabil dan mendekati nilai pada teori harus dilakukan kompensasi sehingga didapatkaan performance yang mendekati keadaan yang ideal. Op Amp Operational amplifier (OpAmp) merupakan komponen IC (komponen terpadu) dimana rangkaian dalam komponen terpadu ini mengandung beberapa transistor, resistor, dioda, dan capacitor yang dibuat dalam satu wadah (paket) dan hanya terminal yang perlu saja yang dihubungkan keluar. Amplifier (penguat) adalah komponen yang dapat merubah suatu sinyal dari suatu level tertentu ke suatu sinyal dengan level yang berbeda, dimana sinyal tersebut bisa berupa sinyal tegangan atau sinyal arus. Komponen OpAmp yang paling dikenal adalah OpAmp 741, dan semua OpAmp prinsip kerjanya sama seperti pada OpAmp 741. Kemasan komponen OpAmp tersedia dalam 3 bentuk paket yaitu paket jalur ganda ( DIL package), paket bundar (TO package), dan paket lempengan (Flat package). Operational amplifier merupakan salah satu komponen analog yang sering digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp yang paling sering digunakan adalah rangkaian inverter, non-inverter, intregator dan differensiator. Pada op-amp memiliki 2 rangkaian feedback (umpan balik) yaitu feedback negative. Feedback negative pada op-amp memegang peranan penting. Sedangkan umpan balik positif akan memberikan osilasi dan umpan balik negative akan memberikan penguatan yang dapat diukur. Op-amp memiliki 2 masukan. Input op-amp ada 2 macam yaitu input inverting dan non-inverting. OpModul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 2 amp ideal memiliki open loop gain yang tak terhingga besarnya. Contohnya adalah op-amp 741 yang memiliki tipikal open loop gain sebesar 104-105. Penguatan yang sebesar ini membuat op-amp tidak stabil dan penguatannya menjadi tidak terukur. Dalam hal ini, peran umpan balik negative diperlukan sehingga op-amp dapat dirangkai menjadi aplikasi dengan niklai penguatan yan terukur. Karakteristik Op-AMP Pada dasarnya op-amp merupakan sebuah differensial amplifier yang memiliki 2 input masukan yaitu inverting dan non inverting. Rangkaian dasar tersebut dapat dilihat melalui gambar 1 berikut ini : Pada rangkaian diatas dapat diketahui bahwa tegangan output (Vout) adalah Vout=A(V1V2) dengan A adalah penguatan dari penguat differensial. Titik input V1 dikatakan sebagai input non inverting karena tegangan output satu fawse dengan V1. Sedangkan titik V2 dikatakan input inverting karena dengan berlawanan fase dengan tegangan output. Karakteristik ideal dari op-amp adalah sebagai berikut : Memiliki gain yang tinggi Memiliki bandwidth yang lebar Impedansi input besar Impedansi output kecil Bersifat stabil Konsumsi daya rendah Noise yang rendah Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 3 Tetapi pada prakteknya, ada beberapa karakteristik lain dari Op-amp : Arus bias input (Input bias current). Pada prakteknya akan ada aliran arus yang mengalir ke dalam kedua input opamp. Arus ini adalah arus bias mundur transistor. Arus bias input didefinisikan sebagai: I bias = (I1 + I2 ) / 2 Arus Offset input (Input offset current). Arus offset input merupakan perbedaan arus bias input dari kedua terminal input I os = │ I1 – I2│ Tegangan offset input ( Input offset voltage). Bila V1 dan V2 berada pada tegangan yang sama, tegangan output idealnya harus nol, karena Vo = Ad ( V2 – V1). Tetapi pada prakteknya akan ada tegangan pada output. Tegangan offset input didefinisikan sebagai perbedaan tegangan yang harus disupplaykan pada kedua terminal input agar tegangan output sama dengan nol. Differensial voltage gain ( Ad ). Merupakan gain bila perbedaan sinyal tegangan input disupplaykan pada kedua terminal input. Common mode voltage gain ( Ac ). Merupakan gain bila suatu sinyal input yang sama disupplaykan pada kedua termi nal input opamp. Common mode rejection ratio ( CMRR ). Merupakan perbandingan antara Ad dan Ac dalam satuan dB. CMRR = Ad / Ac. Supply voltage rejection ratio ( SVRR ). SVRR = Perubahan dalam tegangan supplay. Perubahan dalam tegangan offset input Slew Rate. Merupakan ukuran waktu yang dibutuhkan untuk mensaklarkan output dari minimum tegangan negatip ke maximum tegangan positip. SR = ∆V / ∆T. Full power bandwidth ( f FPBW ). f FPBW merupakan frekwensi terbesar dari tegangan sinus penuh yang dapat di outputkan opamp tanpa terjadinya efek slew rate. Jika output,Vo = Vom sin (2πft), maka gradinnya: dVo/ dt = 2πf Vom cos (2πft). Gradien akan maximum bila cos (2πft) = 1. Maka │ dVo/ dt │= 2πf Vom, dimana f adalah f FPBW. Jadi SR = 2π f FPBW Vom. Dan f FPBW = SR / (2π Vom). Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 4 Arus Bias Input Arus bias input adalah arus DC yang diperlukan oleh input amplifier untuk mendapatkan titik operasi awal dan merupakan nilai rata-rata dari dua arus input. Arus bias input didefinisikan sebagai berikut : Ibias = (I1+I2)/2 Tegangan Offset Input Tegangan offset adalah tegangan yang terjadi akibat tidak samanya transistor Q1 dan Q2 pada differential amplifier yang merupakan bagian dari op-amp. Tegangan offset merupakan tegangan DC yang timbul pada output meskipun di input tidak ada sinyal atau input di groundkan. Hal tersebut bisa terjadi karena tidak samanya arus kolektor pada Q1 dan Q2. Contohnya IC1 < IC2 yang diakibatkan dari perbedaan tegangan pada basisnya (Vbe1>Vbe2). Hal ini menimbulkan tegangan DC pada output dimana Vout=Ic2.Rc-Ic1.Rc. tegangan DC eror ini disebut sebagai tegangan offset. Untuk menghindari tegangan offset pada output, pada salah satu input ditambahkan tegangan DC yaitu Vos= Vbe1-Vbe2 yangmenyebabkan Vout=0. Tambahan tegangan pada salah satu input untuk menghilangkan terjadinya tegangan offset pada output disebut dengan tegangan offset input (=Vos). Nilai tipikal tegangan offset input dari suatu Op-Amp kira kira 2 mV. Pada setiap komponen Op-AMP selalu diberikan komponensial sebagai tegangan offset input yang dapat diatur dan untuk menghasilkan tegangan offset pada output=0. Tegangan offset input akan berubah sesuai dengan perubahan temperature yang terjadi pada op-amp. Nilai tipikal untuk perubahan tegangan offset input disebabkan oleh temperature yaitu sekitar 5mV/oC – 50uV/oC. Tegangan offset input menyatakan seberapa jauh v+ dan vterpisah untuk mendapatkan keluaran 0 volt. Tegangan offset yang disebabkan oleh arus offset input dinyatakan sebagai berikut : Vos = I1.Rin – I2.R2 = (I1 – I2) Rin = Ios.Rin Sehingga tegangan output error akan menjadi : Vout(Error) = Av.Ios.Rin. Perubahan arus offset yang disebabkan oleh temperature akan mengakibatkan perubahan pada tegangan output error. Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 5 CMRR Parameter CMRR (Commom Mode Rejection Ratio) pada sebuah Op-Amp merupakan salah satu parameter yang penting dan menentukan kualitas dari penguat operasional (OpAmp) tersebut. Dimana semakin tinggi nilai parameter CMRR (Commom Mode Rejection Ratio) ini maka Op-Amp memiliki respon frekuensi yang semakin baik. Parameter CMRR ini cukup penting untuk menunjukkan kinerja op-amp tersebut. Op-amp dasarnya adalah penguat diferensial dan mestinya tegangan input yang dikuatkan hanyalah selisih tegangan antara input v1 (non-inverting) dengan input v2 (inverting). Karena ketidak-idealan op-amp, maka tegangan persamaan dari kedua input ini ikut juga dikuatkan. Parameter CMRR diartikan sebagai kemampuan op-amp untuk menekan penguatan tegangan ini (common mode) sekecil kecilnya. CMRR didefenisikan dengan rumus CMRR = ADM/ACM yang dinyatakan dengan satuan dB. Contoh penerapan CMRR adalah sebagai berikut : op-amp dengan CMRR = 90 dB, ini artinya penguatan ADM (differential mode) adalah kira-kira 30.000 kali dibandingkan penguatan ACM (commom mode). Kalau CMRR-nya 30 dB, maka artinya perbandingannya kira-kira hanya 30 kali. Kalau diaplikasikan secara real, misalkan tegangan input v1 = 5.05 volt dan tegangan v2 = 5 volt, maka dalam hal ini tegangan diferensialnya (differential mode) = 0.05 volt dan tegangan persamaan-nya (common mode) adalah 5 volt. CMRR yang makin besar maka op-amp diharapkan akan dapat menekan penguatan sinyal yang tidak diinginkan (common mode) sekecil-kecilnya. Jika kedua pin input Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 6 dihubung singkat dan diberi tegangan, maka output op-amp mestinya nol. Dengan kata lain, op-amp dengan CMRR yang semakin besar akan semakin baik. Formula CMRR Dalam desibel (dB) LM714 termasuk jenis op-amp yang sering digunakan dan banyak dijumpai dipasaran. Contoh lain misalnya TL072 dan keluarganya sering digunakan untuk penguat audio. Tipe lain seperti LM139/239/339 adalah opamp yang sering dipakai sebagai komparator. Di pasaran ada banyak tipe op-amp. Cara yang paling baik pada saat mendesain aplikasi dengan op-amp adalah dengan melihat dulu karakteristik opamp tersebut. Saat ini banyak op-amp yang dilengkapi dengan kemampuan seperti current sensing, current limmiter, rangkaian kompensasi temperatur dan lainnya. Ada juga op-amp untuk aplikasi khusus seperti aplikasi frekuesi tinggi, open colector output, high power output dan lain sebagainya. Untuk 741C CMRR-nya adalah sebesar 90 dB pada frekuensi rendah. Pada sinyal yang sama, satu sinyal adalah sinyal yang diinginkan dan yang lain adalah sinyal common mode, sinyal yang diinginkan akan lebih besar 909 dB pada keluarannya daripada sinyal commonmode. Jika menggunakan angka, ini berarti bahwa sinyal yang diinginkan kira-kira akan lebih besar 30.000 kali daripada sinyal common-mode. Pada frekuensi yang lebih tinggi, efek reaktif menurunkan CMRR, seperti yang diperlihatkan pada gambar 7.2. Perhatikan bahwa besar CMRR kira-kira 75 dB pada 1 kHz, 56 dB pada 10 kHz, dan seterusnya Efek Pemberian Daya pada Bandwidth Lebar bidang frekuensi yang menentukan ukuran bandwidth dari suatu respon frekuensi dibatasi oleh f1 (atau fL) untuk frekuensi rendah dan f2 (atau fH) untuk frekuensi tinggi. Istilah f1 dan f2 ini biasanya disebut dengan frekuensi corner, cutoff, break, atau half power (setengah daya). Nilai penguatan pada titik f1 dan f2 ini adalah sebesar 0.707 Avmid. Faktor sebesar 0.707 ini dipilih karena pada titik ini daya keluaran menjadi setengah dari daya keluaran pada frekuensi menengah. Daya output pada frekuensi menengah, (POmid) : Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 7 Meng-nol-kan op-amp 741 Kompensasi dan peng-nol-an op-amp 741 Sebuah penguat diferensial memiliki bias dan offset input yang menghasilkan kesalahan output saat tidak ada sinyal masukan. Adanya arus bias input karena pada sebuah penguat operasional yang terintegrasi nilai βdc dari tiap transistor sedikit berbeda yang berarti arus basis sedikit berbeda Adanya tegangan offset karena hambatan pada tiap kolektor yang mungkin berbeda sehingga adanya tegangan kesalahan dan adanya tegangan offset. Pada banyak aplikasi, kesalahan output sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Tetapi jika kesalahanoutput ini tidak dapat diabaikan, seorang perancang dapat menguranginya dengan menggunakan resistor-resistor basis yang sama. Ini akan menghilangkan masalah arus bias, tetapi tidak untuk arus atau tegangan offset. Inilah sebabnya mengapa paling baik menghilangkan kesalahan output dengan menggunakan rangkaian pe-nol-an (nulling) yang terdapat pada lembar data. Kapasitor kompensasi dalam 741C melakukan fungsi yang sangat penting. Ia mencegah osilasi yang dapat menginterferensi dengan sinyal yang diinginkan. Tetapi terdapat suatu Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 8 kerugian. Kapasitor kompensasi perlu diisi dan dibuang muatannya. Ini menciptakan batas kecepatan untuk seberapa cepat keluaran penguat operasional dapat berubah. Anggap tegangan masukan penguat operasional adalah tegangan anak tangga positif, transisi tiba-tiba dalam tegangan dari satu tingkat dc ke tingkat dc yang lebih tinggi. Jika penguat operasional tersebut sempurna, kita akan memperoleh respons ideal. Sebaliknya, keluaran adalah bentuk gelombang eksponensial positif seperti yang ditunjukkan. Ini terjadi karena kapasitor kompensasi harus diisi sebelum tegangan keluaran dapat berubah ke tingkat yang lebih tinggi. Kemiringan awal bentuk gelombang eksponensial ini disebut slew rate, disimbolkan SR. Definisi slew rate adalah: SR = vout t C. ALAT DAN KOMPONEN YANG DIGUNAKAN 1. Sumber tegangan 15V 2. Osiloskop 3. Multimeter 4. Generattor fungsi 5. Op-amp 741 6. Resistor (100 Ω, 1K, 10K, 100K, 200K, dan 1 M) dan variabel resistor (5K) 7. Kapasitor (1uF dan 10uF) D. PROSEDUR PERCOBAAN I. ARUS BIAS INPUT 1. Menyusun rangkaian seperti pada gambar 11.1 VCC 15V R1 V1 1 Vpk 1kHz 0° 200kΩ 7 1 5 U2 3 6 R2 200kΩ 2 4 741 R3 10kΩ VEE -15V Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 9 2. Mengatur Osiloskop pada coupling DC dan tegangan rendah diukur dalam orde mV 3. Mencatat tegangan pada kaki input inverting dan nonoinverting serta tegangan output 4. Mematikan Power ke op-amp dan mengganti dengan op-amp lain 5. Mengulangi langkah 1 sampai 3 6. Menghitung arus input pada kaki-kaki op-amp (dengan hukum ohm) dan harga ratarata dari arus input tersebut disebut sebagai arus input bias II. MENGUKUR CMRR 1. Menyusun rangkaian seperti gambar 11.2 R3 100kΩ VCC R1 5V 100kΩ 7 1 5 U2 3 V1 6 2 0.5 Vpk 1kHz 0° 4 R2 741 R5 100kΩ VEE 100kΩ -5V R4 100kΩ 2. Memberi sinyal input seberas 1Vpp dengan frekuensi 1KHz 3. Mencatat tegangan pada kaki output Vout 4. Mematikan Power ke op-amp dan mengganti dengan op-amp lain 5. Mengulangi langkah 1 sampai 4 III. TEGANGAN OFFSET INPUT 1. Menyusun rangkaian seperti gambar 11.3 VCC R5 VCC 15V 50 % R1 15V 100Ω 7 V1 3 2 Vpk 1kHz 0° 2 1 Key = A 5kΩ U2 5 6 4 741 R4 1kΩ VEE R2 -15V R3 100Ω 100kΩ Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 10 2. Mencatat tegangan pada kaki output Vout 3. Menghitung Vindengan perubahan Vin= -Vout/100.000, tegangan tersebut adalah tegangan offset input 4. Memberikan variabel resistor pada kaki 1 dan 5 untuk menghilangkan tegangan offset input 5. Mengatur variabel resistor agar tegangan output = 0 V 6. Mematikan Power ke op-amp dan mengganti dengan op-amp yang lain 7. Mengulangi langkah 1 sampai 5 IV. SLEW RATE 1. Menyusun rangkaian seperti pada gambar 11.4 VCC 15V 7 1 U2 5 3 6 2 4 741 VEE R2 V1 12 V 1kΩ R3 10kΩ -15V R1 10kΩ 2. Mencatat pada tegangan kaki output Vout 3. Menghitung Vin dengan persamaan Vin = -Vout/100.000, tegangan tersebut dinamakan tegangan offset input 4. Mematikan power ke op-amp dan ganti dengan op-amp yang lain 5. Mengulangi langkah 1 sampai 5 Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 11 V. BANDWIDTH 1. Menyusun rangkaian seperti pada gambar 11.4 VCC XSC1 1V 7 1 U2 5 Ext Trig + 3 _ 6 2 + 4 741 VEE V1 R2 1 Vpk 1kΩ 1kHz 0° B A _ + _ R3 10kΩ -1V R1 10kΩ 2. Memberi sinyal sinusoidal dengan frekuensi I KHz dan tegangan 1 Vpp 3. Memperbesar frekuensi secara perlahan sehingga gelombang mulai berbentuk segitiga. Frekuensi tersebut adalah bandwidth op-amp tersebut. Mencatat frekuensi tersebut 4. Mematikan power ke op-amp dan mengganti dengan op-amp yang lain 5. Mengulangi langkah 1 s.d 4 E. TUGAS PENDAHULUAN 6. Apa yang dimaksud dengan : Arus bias input Tegangan offset Slew rate CMRR Arus bias input adalah arus DC yang diperlukan oleh input amplifier untuk mendapatkan titik operasi awal dan merupakan nilai rata-rata dari dua arus input, karena dalam sebuah penguat operasional nilai βdc sedikit berbeda dari tiap transistor sehingga arus bias pun sedikit berbeda. Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 12 Tegangan Offset adalah tegangan yang terjadi akibat tidak samanya transistor Q1 dan Q2 pada differential amplifier yang merupakan bagian dari op-amp. Tegangan offset merupakan tegangan DC yang timbul pada output meskipun di input tidak ada sinyal atau input di groundkan. Hal tersebut bisa terjadi karena tidak samanya arus kolektor pada Q1 dan Q2. Tegangan offset juga merupakan tegangan yang timbul pada keluaran saat nilai inputannya nol. Tegangan ini digunakan untuk menentukan suhu terendah yang bisa dibaca alat ukur ini.Tegangan yang harus diterapkan dalam terminal input untuk menggerakkan output ke nol adalah tegangan offset input. Slew Rate adalah perubahan pada tegangan keluaran dibagi dengan perubahan pada waktu. Slew rate mewakili respons tercepat yang dimiliki penguat operasional. CMRR adalah kemampuan op-amp untuk menekan penguatan tegangan ini (common mode) sekecil-kecilnya.CMRR ditentukan sebagai perolehan tegangan dibagi dengan perolehan tegangan mode bersama CMRR tinggi berarti bahwa penguat memperkuat sinyal yang diinginkan dan diskriminasi melawan sinyal mode bersama. CMRR juga merupakan salah satu parameter yang penting dan menentukan kualitas dari penguat operasional (Op-Amp), dimana semakin tinggi nilai parameter CMRR (Commom Mode Rejection Ratio) ini maka Op-Amp memiliki respon frekuensi yang semakin baik. Parameter CMRR ini cukup penting untuk menunjukkan kinerja op-amp tersebut. 7. Apa yang menimbulkan arus bias input dan tegangan offset pada sebuah op-amp? Arus bias input ditimbulkan karena perubahan tegangan input diferensial. Arus bias input dan tegangan offset input yang akan menyebabkan tegangan keluaran error (tanpa tegangan input yang dimasukan). Sedangkan tegangan offset terjadi karena tidak samanya transistor Q1 dan Q2 pada differential amplifier yang merupakan bagian dari op-amp dank arena hambatan pada tiap kolektor yang Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 13 mungkin berbeda sehingga timbul adanya tegangan kesalahan dan tegangan offset. 8. Berapa nilai arus bias input, tegangan offset, slew rate, dan CMRR dari data spesifikasi op-amp 741? Arus bias masukan : 80 nA Tegangan offset : 2 mV CMRR : 90 dB Slew rate : 0.5 V/μs Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 14 Simulasi XSC1 VCC U1 + 0.011 15V V R1 7 1 5 Ext Trig + U2 _ 200kΩ DC 10MOhm V1 B A 3 + _ + _ 6 1 Vpk 1kHz 0° U4 2 R2 4 200kΩ 741 R3 10kΩ VEE + 14.114 V DC 10MOhm -15V U3 + 0.013 V DC 10MOhm Gambar 11.1 Rangkaian untuk mengukur arus bias input Hasil Gelombang gambar 11.1 Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 15 XSC1 R3 100kΩ VCC R1 Ext Trig + 5V _ B A 100kΩ 7 1 5 + U2 _ + _ 3 V1 741 R5 100kΩ VEE 100kΩ U1 DC 10MOhm + R4 -5V V - 4 R2 3.889m 0.5 Vpk 1kHz 0° 6 2 100kΩ Gambar 11.2 Rangkaian mengukur CMRR Hasil Gelombang gambar 11.2 Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 16 XSC1 VCC R5 VCC 15V 50 % R1 15V 100Ω 7 V1 3 2 Vpk 1kHz 0° 2 1 Key = A 5kΩ _ B A U2 5 Ext Trig + + _ + _ 741 R4 1kΩ VEE R2 -15V R3 100Ω 100kΩ U1 DC 10MOhm V 4 1.030 + 6 Gambar 11.3 Rangkaian Mengukur Tegangan Offset Input Hasil Gelombang Gambar 11.3 Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 17 XSC1 VCC Ext Trig + 15V 7 1 _ U2 5 B A + _ + _ 3 6 VEE R2 V1 12 V 1kΩ R3 10kΩ -15V R1 U1 DC 10MOhm 14.114 741 + 4 V - 2 10kΩ Gambar 11.4 Rangkaian Mengukur Slew Rate Hasil Gelombang Gambar 11.4 Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 18 VCC XSC1 1V 7 1 U2 5 Ext Trig + 3 _ 6 + 4 741 VEE V1 R2 1 Vpk 1kΩ 1kHz 0° B A 2 _ + _ R3 10kΩ -1V R1 10kΩ Gambar 11.4 Pada Bandwidth Modul 5 (Praktikum Elektronika 1)- Maya Apriliani N 19
