ELEKTRONIKA DASAR

Penguat Oprasional
FE UDINUS
KONTRAK PERKULIAHAN
TIU :
Memberi Pengenalan dan Dasar Pengetahuan
Tentang
Berbagai
Penguat
dengan
Karakteristiknya.
DESKRIPSI SINGKAT
Pembahasan mata kuliah ini meliputi penguat diferensial dan
penguat oprasional yang meliputi karakteristik dan aplikasinya
seperti penguat inverting dan non inverting, penjumlahan,
integrator, osilator ADC, DAC dan analisa perancangan filter
aktif dengan menggunakan Op-Amp.
Tujuan Mata Kuliah:
• Mampu menjelaskan dan membedakan karakteristik
Op-amp dengan berbagai karakteristik.
• Mampu menjelaskan aplikasi penguatan dengan Opamp
• Mampu menerapkan Op-amp sebagai pembangkit
sinyal seperti osilator, triangle generator dll
• Mampun menjelaskan tentang ADC dan DAC
• Mampu menganalisa dan merancang filter aktif
Materi Elektronika Dasar
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Pengertian OP-amp dan karakteristiknya
Penguat inverting dan non inverting
Aplikasi OpAmp
Op-amp pembagkit sinyal
ADC dan DAC
Filter Aktif
Ketentuan Selama Perkuliahan
1.
2.
3.
4.
5.
Menjunjung tinggi nilai kejujuran
Mentaati peraturan akademik dan norma kehidupan
kampus (memakai baju sopan, sepatu, dll)
Kehadiran peserta dalam perkuliahan DIHARAPKAN
100% (ditolerir dapat tidak hadir sebanyak 3 kali
dalam semester dengan keterangan yang sah)
Daftar hadir hanya diedarkan selama perkuliahan
berlangsung, tidak diperkenankan mengisi daftar hadir
setelah kuliah berakhir.
Peserta yang diketahui ditandatangani ataupun
menandatangani absen peserta lain dianggap
indisipliner dan tidak diperkenankan mengikuti ujian
Tata Cara Penilaian
EVALUASI
a. Evaluasi Tengah Semester
: Objective Test
b. Evaluasi Akhir Semester
: Objective Test
c. Tugas Terstruktur + Projek (pertengahan semester &
Akhir semester)
:
Dikerjakan secara perseorangan
Berupa tugas latihan soal dan tugas paper dengan
topic yang relevan
Tugas dikumpulkan dalam bentuk hard copy / softcopy
Peserta yang diketahui menitip tugas atau
mengerjakan tugas peserta lain akan dianggap
indispliner dan tidak diperkenankan mengikuti ujian
Tata Cara Penilaian
 Bobot Penilaian
UTS
2. UAS
3. Tugas Terstruktur
4. Lain-lain
1.
 Kriteria Penilaian
A : > 86
B : 70 – 85
C : 60 – 79
D : 50 – 59
E : 0 – 49
:
:
:
:
20 %
30 %
40 %
10 %
Referensi
1. Milman, “ Microelectronic”, 2nd Ed., McGrawhill
2. Coughli & Driscoll, “ Oprational Amplifier & Linier Integrated circuit”, 5th Ed.
3. Prentice Hall, Franco, “ Design With Oprational Amplifiers and Analog Integrated
Circuit”, 2nd Ed., McGrawhill
Pengenalan Op-Amp (Penguat Operasional )
Penguat
Operasional
adalah
suatu
rangkaian penguatan yang lengkap dalam
bentuk sebuah IC
Penguat Op-Amp memiliki sifat-sifat :
• Penguatan tegangannya sangat besar
• Impedansi masuknya sangat tinggi
• Impedansi keluarnya rendah
• Karakteristik frekuensinya lebar
Terminal / kaki Op-Amp
+ V/2
+V
_
RL
_
V
+
RL
V
+
-V
V
- V/2
Cara memberi daya dengan 2 supply
Cara memberi daya dengan 1 supply
Kaki 1 & 5 : offset null
Kaki 2
: masukan membalik (inverting input)
Kaki 3
: masukan tak membalik (non inverting input)
Kaki 4
: tanah (ground)
Kaki 6
: keluaran (output)
Kaki 7
: catu tegangan positif
Kaki 8
: tak digunakan
+Vc
_
Op-Amp 741
mempunyai beberapa versi yang berbeda di belakang angka
741, seperti 741A, 741C, 741E, 741N. Huruf-huruf berbeda di
belakang angka 741 tersebut membedakan pada penguatan
tegangannya, temperature range, noise level dan karakteristik
yang lainnya.
• IC Op-amp 741C
Huruf C dibelakang angka 741 adalah singkatan dari
Commercial grade yaitu tipe 741 yang paling murah dan paling
banyak dan umum digunakan.
• IC Op-amp 741C
mempunyai penguatan tegangan loop terbuka sebesar 1000.000
dan impedansi input 2 MΩ dan impedansi output 75 Ω dan
mempunyai unity-gain frequency sebesar 1 MΩ.
Catu daya
Terminal Output dan Input
+V
_
Ed
Vo=AoL.Ed
AoL
+
Max Vo = +Vsat
Min Vo = -Vsat
-V
Vsat=dibawah tegangan supply
antara 1 sampai 2 volt
Ed
+V
_
Ed
+
Vo=AoL.Ed
AoL
-V
AoL disebut penguatan atau gain terbuka karenena tidak ada umpan
balik antara terminal input dan terminal output dibiarkan terbuka.
Misalkan V supply ± 15 Volt maka vsat = ±13 Volt
Perbedaan Tegangan masukan (Ed)
Nilai AoL sebesar 200.000
Penguatan Ed dibatasi maksimum ±65µV
Misalkan AoL=200.000, V= ±13V
𝐸𝐸 =
+𝑉𝑉𝑉𝑉
+13𝑉
=
= 65µ
𝐴𝐴𝐴
200.000
+𝑉𝑉𝑉𝑉
−13𝑉
𝐸𝐸 =
=
= −65µ
𝐴𝐴𝐴
200.000
Apabila tegangan masukan berbeda antara − 65µ𝑉 ≤ 𝐸𝐸 65µ𝑉 , Op-Amp berlaku
Sebagai penguat secara linier dan berlaku Vo= Ed.AoL.
Kesimpulan
• Tegangan Output berada pada salah satu batas + Vsat atau – Vsat
• Untuk mempertahankan Vo tetap berada pada batass – batas ini maka perlu dipadang
umpan balik
• Karena Ed nilainya sangat kecil atau tidak mudah untuk mengukurnya maka untuk
kepentingan praktis Ed sama dengan 0
Tegangan
masukan
(-)
Tegangan
masukan
(+)
Ed
Pola
ritas
Ed
Vo=AoL.Ed
Polaritas Vo
Vo
-10µ
-15µ
-5µ
-
-10V
-
-1V
-10µ
15µ
25µ
+
5V
+
5V
-10µ
-5µ
5µ
+
1V
+
1V
+1.000001
+1.000000
-1
-
-0,2V
-
-0,2V
+5m
0
-5m
-
-1.000V
-
-Vsat=-13V
0
5m
5m
+
1000V
+
+VsAT=+13V
Penguat Operasional Ideal
Penguat operasional ideal adalah penguat
diferensial ideal.
Sifat-sifat sebuah penguat operasional ideal :
• Penguatan tegangannya tak terhingga (GV = ∞);
• Impedansi masuknya tak terhingga, jadi arus
masuknya sama dengan nol;
• Impedansi keluarnya sama dengan nol;
• Karakteristik
Frekuensinya
rata,
dan
membentang dari frekuensi nol hingga f = ∞.
17
Abdul Rahman@2004
Penguat Operasional Praktis
(Tidak Ideal)
Dalam prakteknya tidak ada penguat
operasional yg ideal, Namun demikian
sebuah penguat operasional praktis
seringkali dapat dianggap seolah-olah
memiliki sifat-sifat ideal.
18
Abdul Rahman@2004
Op-Amp
+5v
Non-inverting input
2
7
6
inverting input
3
4
-5v
19
0utput
Inverting Op-Amp
Inverting untuk konfigurasi
dimana masukan positip
menghasikankeluaran negatip
atau
masukan negatip
menghasilkankeluaran positip.
+Vcc
V
V
VOUT = −V IN
_
t
- VEE
+
Tetap
t
- VEE
20
Rf
R1
Non-Inverting Amplifier
Non-Inverting untuk konfigurasi
dimana masukan positip
menghasilkankeluaranpositip.Atau
masukan negatif menghasilkan
keluaran negatif. Seperti halnya pada
rangkaianinverting,
disinipun akan ditunjukanrumus gain
dari rangkaian ini.
+Vcc
V
Tetap

R
VOUT = V IN 1 + 1 
 R2 
_
+Vcc
V
+
t
t
- VEE
21
Zero Crossing Detector
Rangkaan detektor dinamakan juga sebagai pembanding yaitu
membandingkan suatu tegangan masukan (input) pada salah satu
kaki masukan dengan satu tegangan tertentu atau dengan nol.
Hasil pembandingnya dapat menggunakan rumus Ed sehingga
didapatkan tegangan keluaran(output)yang tergantung polaritas dari
Ed.
Jika polaritas Ed= negatif maka Vo= +Vsat
Jika polaritas Ed= Positif maka Vo= -Vsat
Zero Crossing Detector
• Zero crossing nol
• Inverting zero crossing detector
• Non inverting zero crossing detector
• Inverting voltagae level detector
• Non-inverting voltagae level detector
22
Duty Cycle
Siklus kerja / Duty cycle merupakan perbandingan waktu on dengan
priode sinyal dikalikan dengan 100%.
Duty cycle =
Ton
Ton + toff
Suatu sinyal mempunyai priode 10 m detik dan waktu on sama
dengan 2 m detik
Berapa waktu negatif /waktu rendahnya?
Penyelesaian :
TL = T − Ton
TL = 10 − 3 = 7 m det ik
Ton
Dutyccycle =
x100% = 30%
T
23
Detektor Penyilang nol
Detektor Penyilang nol pembalik ( Inverting zero crossing
Detector/IZCD)
Sinyal masukan masuk pada (-) op amp dan membandingkan
dengan nol (+) op Amp.
Ed = (+) input – (-) input= 0 – Vi = - Vi
Vi < 0 maka Vo = + Vsat
Vi > 0 maka Vo = - Vsat
24
Detektor Penyilang nol
Detektor Penyilang nol tak pembalik ( non-Inverting zero
crossing Detector/NIZCD)
Sinyal masukan masuk pada (+) op amp dan membandingkan
dengan nol (-) op Amp.
Ed = (+) input – (-) input= Vi – 0
Vi > 0 maka Vo = + Vsat
Vi < 0 maka Vo = - Vsat
25
Detektor taraf tegangan
Detektor taraf membalik (Inverting voltage level detector /
IVLD)
Sinyal masukan masuk pada (-) op amp dan membandingkan dengan
nol (+) op Amp.
Ed = (+) input – (-) input= Vref – vi
Vi > Vref maka Vo = + Vsat
Vi < Vref maka Vo = - Vsat
26
Detektor taraf tegangan
Detektor taraf membalik (Inverting voltage level detector /
IVLD)
Sinyal masukan masuk pada (-) op amp dan membandingkan dengan
nol (+) op Amp.
Ed = (+) input – (-) input= Vref – vi
Vi > Vref maka Vo = + Vsat
Vi < Vref maka Vo = - Vsat
27
Detektor taraf tegangan
Detektor taraf tak membalik (non-Inverting voltage level
detector / IVLD)
Sinyal masukan masuk pada (-) op amp dan membandingkan dengan
nol (+) op Amp.
Ed = (+) input – (-) input= Vi – Vref
Vi < Vref maka Vo = - Vsat
Vi > Vref maka Vo = + Vsat
28
Rangkaian tegangan Ref
𝑅𝑅
𝑉𝑉𝑉𝑉 =
(+𝑉)
𝑅𝑅 + 𝑅𝑅
Misalkan
+ V = 12 Volt ,
R1 100 ohm,
R2= 50 Ohm
Maka Vref adalah
50
𝑉𝑉𝑉𝑉 =
12
100 + 50
= 4 volt
29
Latihan
Diket : ± V = 15V ; Vsat = ±13Volt
a. Hit Ton, Toff dan duty cycle
b. Gambarlah output tegangan Vo
30
Diket : ± V = 15V ; Vsat = ±13Volt
a. Hit Ton dan duty cycle
b. Gambarlah output tegangan Vo
31
Diket : ± V = 15V ; Vsat = ±13Volt
a. Hit Ton dan duty cycle
b. Gambarlah output tegangan Vo
32
Diket : ± V = 12V ; Vsat = ±10Volt
a. Hit Ton dan duty cycle
b. Gambarlah output tegangan Vo
33
Penguat Pembalik (Inverting Amplifier)
I
Karene arus yg masuk keterminal op Amp = 0
Maka I melewat Rf sehingga timbul tegangan pada
Rf yaitu
𝑉𝑉
VRf = IRf = 𝑅𝑅
𝑅𝑅
Polaritas (-) pada Rf pada terminal keluaran Vo maka
Vo = -VRf
Vo = -VRf = -
𝑉𝑉
𝑅𝑅
𝑅𝑅
= - 𝑅𝑅
𝑉𝑉
𝑅𝑅
Contoh
I
Deket : Rf = 100K, Ri = 10K, Ei = 1 Volt dan RL =
25 K.
Hitung : I, Vo, AcL,IL, Lo
Solusi :
I=
𝑉𝑉
𝑅𝑅
Vo = -
AcL =
IL =
=
1V
10 K
𝑅𝑅
𝑉𝑉
𝑅𝑅
−10
1
0 −𝑉𝑉
𝑅𝑅
= 0,1mA
=−
100𝐾
10𝐾
= −10
=
0 −(−10)
25𝐾
(1Volt) = − 10 volt
= 0,4 mA
Io = I + IL = 0,1 + 0,4 =0,5 mA
Tegangan negatif sebagai masukan pada Inverting input
I
Deket : Rf = 250K, Ri = 10K, Ei = - 0,5 Volt dan RL
= 25 K.
Hitung : I, Vo, AcL,IL, Lo
Solusi :
I=
𝑉𝑉
𝑅𝑅
Vo = -
=
𝑅𝑅
𝑉𝑉
𝑅𝑅
AcL = −
IL =
0,5 V
10 K
𝑉𝑉
𝑅𝑅
=
= 0,05mA
=−
250𝐾
10𝐾
12,5
25𝐾
250𝐾
10𝐾
( − 0,5 Volt) = 12,5 volt
= −25
= 0,5 mA
Io = I + IL = 0,05 + 0,5 =0,55 mA
Tegangan AC sebagai masukan pada Inverting input
Vi
Vo
Rangkaian Penjumlah Membalik (Inverting Adder)
Dengan 3 masukan Op Amp yaitu V1, V2, V3
Maka dapat dirumuskan
Jika R1≠R2≠R3≠Rf
Vo = (-
𝑅𝑅
𝑉𝑉)
𝑅1
+ (−
Jika R1=R2=R3=Rf
Rangkaian Pengikut
Tegangan (Voltage Follower)
Vo = - (V1+V2+V3)
Jika jumlah masukannya sebanyak R dimana
R1=R2=R3=R maka
Vo = [
Vo = Vi
𝑅𝑅
𝑅𝑅
𝑉2)+(−
𝑉2)
𝑅2
𝑅3
𝑉𝑉+𝑉𝑉+𝑉𝑉+𝑅𝑅
]
𝑛
Penguat Tak Membalik (Non- Inverting Amplifier)
I
Karene arus yg masuk keterminal op Amp = 0 maka
arus I berasal dari Vo melewat Rf sehingga timbul
tegangan pada Rf yaitu
𝑉𝑉
VRf = IRf = 𝑅𝑅
𝑅𝑅
Polaritas (+) pada Rf pada terminal keluaran Vo maka
besarnya Vo merupakan penjumlahan antara tegangan Rf
dengan tegangan input sehingga Vo = VRf + Vi
Vo = VRf+Vi =
𝑅𝑅
𝑉𝑉
𝑅𝑅
𝑅𝑅
+ 𝑉𝑉
=
𝑅𝑅
𝑉𝑉
𝑅𝑅
+ 𝑉𝑉
Vo = ( + 1)𝑉𝑉
𝑅𝑅
Dengan menggunakan Gain tertutup (AcL) maka
AcL=
𝑉𝑉
𝑅𝐿
IL=
𝑉𝑜
𝑉𝑖
=
𝑅𝑅
+1
𝑅𝑅
Rangkaian Penjumlah Tak Membalik (Non Inverting Adder)
Dengan menggunakan prinsip superposisi untuk
mencari tegangan masukan pada masukan (+)
Op am didapatkan
𝑅2
𝑅1
Vi = (
)𝑉𝑉 + (
)𝑉2
𝑅1+𝑅𝑅
𝑅𝑅+𝑅2
Maka
𝑅𝑓
𝑅𝑅
𝑅𝑅
Vo = ( + 1)(
𝑉𝑉 +
𝑉2)
𝑅𝑖
AcL = [
𝑉𝑉
]
𝑉𝑉
𝑅𝑅+𝑅𝑅
𝑅1+𝑅𝑅
Rangkaian Penjumlah Tak Membalik (Non Inverting Adder) N masukan
Bila jumlah masukan lebih dari dua atau N masukan dengan R
sama semua kecuali Rf dan nilai Rf sama dengan Rf= (n -1)
maka besarnya tengangan output
Vo = (V1+V2+V3)
Rangkaian Penguat selisih
Terdiri dari penguat membalik dan penguat tak membalik yang tegangan
outputnya merupakan selisih dari tegangan inputnya
Vo = (
𝑅𝑓
𝑅𝑖
+ 1) + (
𝑅𝑅
𝑉2)
𝑅𝑅+𝑅𝑅
−
𝑅𝑓
𝑉𝑖
𝑅𝑖
Jika nilai perbandingan resistor seimbang
𝑅𝑖 𝑅𝑅
=
𝑅1 𝑅2
𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑉𝑉 =
𝑅𝑅
𝑅𝑅
𝑉𝑉 − 𝑉𝑉
Rangkaian pembanding
Pembanding (Komparator) merupakan rangkaian yang
berfungsi sebagai pembanding sinyal input dengan tegangan
refrensi.
Sebelumnya rangkaian pembanding berupa open loop dengan
tegangan input tidak mengalami noise.
Sifat Op Amp sebagai detektor maupun komparator, Tegangan
output (Vo) didapatkan dari selisih tegangan Ed.
Jika Ed positif (+) maka Vo sama dengan +Vsat dan sebaliknya.
Saat nois timbul pada input (En) maka kaki inverting pada input
menjadi (Vi+Vn) sehingga selisi Ed menjadi :
Ed = 0 – (Vi+Vn)
= - (Vin+Vn)
Detektor pembalik penyilang nol dengan histerisis
(IZCD with Hysterisis)
Untuk mengatasi nois perlu dipasang feedback ke masukan positif
input(positive feedback).
Outpu pada sebuah pembanding
ada 2 kemungkinan:
+Vsat
-Vsat
Ciri pembanding adalah feedback
Masukan + Op Amp
Misalkan pertama kali Op Amp diaktifkan Vo berada
pada +Vsat dengan tegangan masukan + sebesar
𝑅𝑅
(
) + 𝑉𝑉𝑉𝑉.
𝑅𝑅+𝑅𝑅
Karena tegangan feedback ini bernilai positif atau lebih
besar dari tegangan feedback lainya maka dinamakan
upper threshold voltage (VUT)
Jadi (VUT) = (
𝑅𝑅
)
𝑅𝑅+𝑅𝑅
+ 𝑉𝑉𝑉𝑉
Tegangan Ed (VUT)-Vi
Selama tegangan input Vi < (VUT) maka Ed sama dengan positif
dan tegangan Vo = +Vsat
Bila tegangan Vi naik sampai dengan lebih besar dari (VUT) maka
Ed menjadi negatif dantegangan output menjadi –Vsat.
Karena tegangan Vo= -Vsat maka tegangan feedback masukan
𝑅𝑅
menjadi
) − 𝑉𝑉𝑉𝑉
𝑅𝑅+𝑅𝑅
Karena tegangan feedback nilainya negatif atau tegangan
feedback < Vo maka dinamakan (VLT), jadi nilai
𝑅𝑅
VLT = (
) − 𝑉𝑉𝑉𝑉
𝑅𝑅+𝑅𝑅
Karena adanya batas atas dan batas bawah maka akan ada
namanya histerisis (VH) yaitu perbedaan ambang atas dan ambang
bawah (VH) = (VUT)- (VLT)
Selain adanya histerisis ada pula tegangan tengah (center voltage)
(VUT)− (VLT)
(VCTR) yang dapat dirumuskan (VCTR)=
VUT =
VLT =
𝑅𝑅
𝑅𝑅+𝑅𝑅
𝑅𝑅
(
)
𝑅𝑅+𝑅𝑅
+ 𝑉𝑉𝑉𝑉
− 𝑉𝑉𝑉𝑉
2
Detektor tak membalik penyilang nol dengan
histerisis (NIZCD with Hysterisis)
Rangkaian detektor pengyilang nol tak membalik yang bersifat
open loop jika mendapatkan noise maka akan mengalami
kesalahan pada Vo disekitar crossing
Detektor tak membalik penyilang nol dengan
histerisis (NIZCD with Hysterisis)
Apabila R dan feedback sama dengan m.R maka besarnya
−𝑉𝑉𝑉𝑉
VUT =
VLT =
𝑚
+𝑉𝑉𝑉𝑉
(
)
𝑚
(VH) = (VUT)- (VLT)
(VCTR)=
(VUT)− (VLT)
2
Detektor pembalik taraf tegangan dengan histerisis
(Inverting Voltage Level Detector with Hysterisis)
Apabila tegangan pembanding tidak nol tp suatu tegangan refrensi
(Vref) maka tegangan ambang batasnya merupakan akibat dari
dua sumber tegangan yaitu suber tegangan Vo dengan referensi
sehingga didapatkan persamaan
𝑛.𝑅
𝑅
𝑛
+𝑉𝑉𝑉𝑉
VUT =
𝑉𝑉𝑉𝑉 +
+𝑉𝑠𝑠𝑠=
𝑉𝑉𝑉𝑉
VLT =
𝑅+𝑛.𝑅
𝑛.𝑅
𝑅+𝑛.𝑅
𝑉𝑉𝑉𝑉 +
𝑅+𝑛.𝑅
𝑅
𝑅+𝑛.𝑅
+
1+𝑛
𝑛
𝑉𝑉𝑉𝑉=
𝑉𝑉𝑉𝑉
1+𝑛
1+𝑛
−𝑉𝑉𝑉𝑉
1+𝑛
Detector jendela (windows detector)
Detektor jendela adalah rangkaian konparator dimana hubungan
tegangan input dan tegangan output membentuk suatu jendela.
Jika input dibawah VLT atau diatas VLT maka Vo = 0
Jika input diantara VLT dan VLT maka Vo = +Vsat
Detektor Tak membalik taraf tegangan dengan
histerisis (Non-Inverting Voltage Level Detector with
Hysterisis)
Apabila tegangan pembanding tidak nol tetapi suatu tegangan
refrensi (Vref) maka tegangan ambang batasnya merupakan akibat
dari dua sumber tegangan yaitu suber tegangan Vo dengan
referensi sehingga didapatkan persamaan
1
−𝑉𝑉𝑉𝑉
VUT = 1 +
𝑉𝑉𝑉𝑉 −
VLT = 1 +
𝑚
1
𝑚
𝑉𝑉𝑉𝑉 −
𝑚
−𝑉𝑉𝑉𝑉
𝑚
TERIMA KASIH