pengenalan operational amplifier (op-amp)

PENGENALAN
OPERATIONAL AMPLIFIER
(OP-AMP)
Penguat operasional atau Operational Amplifier (OP-AMP) yaitu sebuah
penguat tegangan DC yang memiliki 2 masukan diferensial. OP-AMP pada dasarnya
merupakan sebuah penguat diferensial dengan karakteristik ideal:
1.
Dapat dioperasikan dengan jangkauan frekuensi tak terbatas (unlimited
bandwidth).
2.
Memiliki impedansi masukan tak berhingga.
3.
Memiliki impedansi keluaran nol.
Fungsi Op-Amp antara lain:
1.
Memilih suatu kawasan frekuensi tertentu dan menolak kawasan frekuensi
selainnya (sebagai filter aktif).
2.
Memperkuat tegangan pada bagian inverting maupun non-inverting (sebagai
voltage amplifier).
3.
Sebagai penyangga dari satu bagian rangkaian ke bagian lainnya (buffer).
4.
Memperkuat
jumlah
atau
selisih
pada
kedua
tegangan
sumber
(summing/subtracting amplifier).
Simbol komponen dari OP-AMP adalah sebagaimana pada Gambar 1 berikut:
Inverting
Input
V+
+
+
Non-Inverting
Input
Output
V-
-
(a)
(b)
Gambar 1. OP-AMP (a) Simbol dengan tegangan catu dan masukan (b) Simbol umum
Dari simbol dalam Gambar 1.a. terlihat bahwa OP-AMP menggunakan dua tegangan
catuan yang bernilai sama (V+ dan V-) namun memiliki polaritas berkebalikan.
Biasanya OP-AMP diberi catu daya dengan polaritas ganda atau bipolar dalam
jangkauan  5 hingga  15 V. Catu daya tersebut secara sederhana dapat
direalisasikan dalam rangkaian sebagaimana dalam Gambar 2.
+ 12 V
12 V
12 V
- 12 V
Gambar 2. Catu Daya Bipolar
Tegangan masukan dalam OP-AMP terdiri dari masukan pembalik (Inverting Input)
dan masukan non-pembalik (Non-Inverting Input).
Jika sinyal melalui masukan non-pembalik atau positif (+) maka keluarannya akan
sefase (in phase) dengan masukannya. Sehingga jika masukannya positif maka
keluarannya akan positif juga.
Jika sinyal melalui masukan pembalik atau negatif (-) maka keluarannya akan
berkebalikan atau berbeda fase 180 (out of phase by 180). Sehingga jika
masukannya positif maka keluarannya akan menjadi negatif.
+
-
+
-
(a)
(b)
Gambar 3. Tegangan Masukan (a) Non-Inverting (b) Inverting
Dari berbagai macam jenis OP-AMP yang diproduksi, tipe 741 adalah yang paling
populer digunakan. Bentuk fisik dan konfigurasi pin untuk tipe ini adalah
sebagaimana dalam Gambar 4 berikut ini.
(a)
Gambar 4. LM741 (a) Bentuk Fisik (b) Konfigurasi Pin
(b)
Tabel 1. Konfigurasi Pin
Pin no.
1
2
Fungsi
Offset Nul
Keterangan
Op-amp pada keadaan tidak diberikan tegangan masukan pada
bagian
inverting
maupun
non-inverting,
semestinya
menghasilkan tegangan keluaran nol. Offset nul adalah suatu
bagian penalaan (tuning) pada Op-amp yang berfungsi untuk
mengatur nilai tegangan keluaran ke posisi nol sebelum Op-amp
dipergunakan.
Inverting Input
Sinyal masukan yang menyebabkan keluarannya berbeda
fasa 180.
3
4
5
6
7
8
Non-Inverting
Input
Sinyal masukan yang menyebabkan keluarannya tetap
VOffset Nul
Output
V+
NC
Tegangan positif catuan
Sama dengan no. 1 di atas
Tegangan keluaran
Tegangan negatif catuan
Not Connected.
sefase.
Beberapa Istilah/Parameter yang berhubungan dengan OP-AMP:
1.
Large Signal Voltage Gain [parameter ke-9 hal. 3, lembar data LM741] yaitu
perbandingan tegangan keluaran (dengan ayunan maksimum) terhadap selisih
tegangan antara dua terminal masukan yang diperlukan untuk menghasilkan
keluaran. Sebagai catatan, ini adalah nilai penguatan kalang terbuka (open-loop)
dari OP-AMP tanpa resistansi umpan-balik (feedback), sehingga nilai ini adalah
penguatan terbesar yang mungkin.
2.
Input Offset Voltage [parameter ke-1 hal. 2, lembar data LM741] yaitu tegangan
dimana kedua terminal masukan harus diatur ulang agar menghasilkan tegangan
keluaran nol. Tegangan offset ini muncul karena nilai VBE yang sedikit berbeda
dari dua transistor internal pada komponen OP-AMP. Pada umumnya nilai
parameter ini sekitar beberapa mV.
3.
Input Voltage Range [parameter ke-8 hal. 2, lembar data LM741] yaitu
tegangan positif dan negatif maksimum yang bisa diberikan pada masingmasing terminal masukan dengan tetap menjaga kondisi pembiasan yang tepat
dari kedua transistor internal. Parameter ini berkaitan dengan tegangan catuan
yang digunakan.
4.
Output Voltage Swing [parameter ke-10 hal. 3, lembar data LM741] adalah
penyimpangan maksimum (positif dan negatif) pada tegangan keluaran tertentu
untuk tegangan catu daya tertentu pula.
5.
Input Bias Current [parameter ke-6 hal. 2, lembar data LM741] yaitu arus basis
searah sebenarnya yang diperlukan oleh dua transistor masukan. Biasanya nilai
untuk parameter ini adalah 80 nA.
6.
Input Offset Current [parameter ke-4 hal. 2, lembar data LM741] yaitu selisih
antara dua arus basis masukan. Lazimnya nilai ini lebih kecil dari besar nilai
input bias current.
7.
Supply Current [parameter ke-17 hal. 3, lembar data LM741] adalah arus yang
digunakan dari catu daya untuk mengoperasikan OP-AMP dengan kondisi tanpa
beban dan tegangan nol di bagian keluaran.
8.
Input Resistance [parameter ke-7 hal 2, lembar data LM741] adalah resistansi
efektif yang dilihat dari bagian terminal masukan dengan terminal keluaran
dihubungkan ke pertanahan. Parameter ini didefinisikan untuk kondisi kalang
terbuka atau tanpa umpan balik. Biasanya nilai ini berkisar beberapa Mega
Ohm.
9.
Output Resistance yaitu hambatan efektif yang muncul secara seri di bagian
keluaran. Lazimnya nilai ini kurang dari 50 .
10.
Common-Mode Rejection Ratio (CMRR) [parameter ke-12 hal 3, lembar data
LM741], biasanya didefinisikan sebagai angka perbandingan penguatan selisih
terhadap common-mode gain. Nilai parameter ini biasanya tidak lebih dari 80
dB. Common-mode gain itu sendiri adalah penguatan saat kedua tegangan
masukan OP-AMP bernilai sama sehingga keluarannya secara ideal adalah nol.
11.
Power Supply Rejection Ratio (PSRR) [parameter ke-13 hal 3, lembar data
LM741], yaitu perbandingan tegangan penyimpangan (offset) masukan terhadap
perubahan dalam tegangan catu daya. Efek dari perubahan tegangan catu daya
adalah berubahnya kondisi pembiasan, termasuk dua tegangan masukan. PSRR
biasanya lebih besar dari 80 dB.
12.
Slew Rate [parameter ke-16 hal 3, lembar data LM741] adalah batasan yang
diatur dari dalam OP-AMP dalam hal nilai perubahan pada tegangan keluaran
dengan fungsi tangga yang memiliki amplitudo besar diberikan di bagian
masukan. Biasanya ini berkisar 0,5 V/s untuk OP-AMP yang menggunakan
transistor dwi kutub atau 13 V/s untuk OP-AMP dengan transistor efek medan
(FET).
13.
Gain-bandwidth product (GBP) yaitu perkalian antara penguatan kalang tertutup
(closed loop) dengan lebar pita kalang tertutup, yang merupakan konstanta.
Sebagai contoh, penguat dengan nilai penguatan 100 dan lebar pita 40 KHz
akan menghasilkan GBP 4 MHz.