Op Amp ( Operational Amplifier )

Penguat operasional (Op Amp)

A.    Pengertian

Penguat operasional (Op Amp) didefinisikan sebagai suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial. Penguat operasional memilki dua masukan dan satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang tinggi. Untuk dapat bekerja dengan baik, penguat operasional memerlukan tegangan catu yang simetris yaitu tegangan yang berharga positif (+V) dan tegangan yang berharga negatif (-V) terhadap tanah (ground). Simbol dari penguat operasional :

B.     Karakteristik Ideal Penguat Operasional

Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier (penguat diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp ada yang dinamakan input inverting dan non-inverting. Op-amp ideal memiliki open loop gain (penguatan loop terbuka) yang tak terhingga besarnya. Seperti misalnya op-amp LM741 yang sering digunakan oleh banyak praktisi elektronika, memiliki karakteristik tipikal open loop gain sebesar 104 ~ 105. Penguat operasional banyak digunakan dalam berbagai aplikasi karena beberapa keunggulan yang dimilikinya, seperti penguatan yang tinggi, impedansi masukan yang tinggi, impedansi keluaran yang rendah dan lain sebagainya. Berikut ini adalah karakteristik dari Op Amp ideal:

·         Penguatan tegangan lingkar terbuka (open-loop voltage gain) AVOL = -¥

·         Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) VOO = 0

·         Hambatan masukan (input resistance) R_I = ¥

·         Hambatan keluaran (output resistance) R_O = 0

·         Lebar pita (band width) BW = ¥

·         Waktu tanggapan (respon time) = 0 detik

·         Karakteristik tidak berubah dengan suhu

Kondisi ideal tersebut hanya merupakan kondisi teoritis tidak mungkin dapat dicapai dalam kondisi praktis. Tetapi para pembuat Op Amp berusaha untuk membuat Op Amp yang memiliki karakteristik mendekati kondisi-kondisi di atas. Karena itu sebuah Op Amp yang baik harus memiliki karakteristik yang mendekati kondisi ideal. Berikut ini akan dijelaskan satu persatu tentang kondisi-kondisi ideal dari Op Amp.

1.      Penguatan Tegangan Lingkar Terbuka

Penguatan tegangan lingkar terbuka (open loop voltage gain) adalah penguatan diferensial Op Amp pada kondisi dimana tidak terdapat umpan balik (feedback) yang diterapkan padanya. Secara ideal, penguatan tegangan lingkar terbuka adalah:

AVOL = Vo / Vid = - ¥                     AVOL = Vo/(V1-V2) = - ¥

2.      Tegangan Ofset Keluaran

Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) VOO adalah harga tegangan keluaran dari Op Amp terhadap tanah (ground) pada kondisi tegangan masukan Vid = 0. Secara ideal, harga VOO = 0 V. Op Amp yang dapat memenuhi harga tersebut disebut sebagai Op Amp dengan CMR (common mode rejection) ideal.

3.      Hambatan Masukan

Hambatan masukan (input resistance) Ri dari Op Amp adalah besar hambatan di antara kedua masukan Op Amp. Secara ideal hambatan masukan Op Amp adalah tak berhingga. Tetapi dalam kondisi praktis, harga hambatan masukan Op Amp adalah antara 5 kW hingga 20 MW, tergantung pada tipe Op Amp.

4.      Hambatan Keluaran

Hambatan Keluaran (output resistance) RO dari Op Amp adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada saat Op Amp bekerja sebagai pembangkit sinyal. Secara ideal harga hambatan keluaran RO Op Amp adalah = 0.

5.      Lebar Pita

Lebar pita (band width) BW dari Op Amp adalah lebar frekuensi tertentu dimana tegangan keluaran tidak jatuh lebih dari 0,707 dari harga tegangan maksimum pada saat amplitudo tegangan masukan konstan. Secara ideal, Op Amp memiliki lebar pita yang tak terhingga. Tetapi dalam penerapannya, hal ini jauh dari kenyataan.

6.      Waktu Tanggapan

Waktu tanggapan (respon time) dari Op Amp adalah waktu yang diperlukan oleh keluaran untuk berubah setelah masukan berubah. Secara ideal harga waktu respon Op Amp adalah = 0 detik, yaitu keluaran harus berubah langsung pada saat masukan berubah.

7.      Karakteristik Terhadap Suhu

Sebagai mana diketahui, suatu bahan semikonduktor yang akan berubah karakteristiknya apabila terjadi perubahan suhu yang cukup besar. Pada Op Amp yang ideal, karakteristiknya tidak berubah terhadap perubahan suhu. Tetapi dalam prakteknya, karakteristik sebuah Op Amp pada umumnya sedikit berubah, walaupun pada penerapan biasa, perubahan tersebut dapat diabaikan.

C.    Diagram Blok Op Amp

Op-amp di dalamnya terdiri dari beberapa bagian, yang pertama adalah penguat diferensial, lalu ada tahap penguatan (gain), selanjutnya ada rangkaian penggeser level (level shifter) dan kemudian penguat akhir yang biasanya dibuat dengan penguat push-pull kelas B. Gambar-2(a) berikut menunjukkan diagram dari op-amp yang terdiri dari beberapa bagian tersebut.

 Gambar 2 (a) : Diagram Blok Op-Amp.

Gambar2(b):DiagramSchematicSimbolOp-Amp.

Simbol op-amp adalah seperti pada gambar 2 (b) dengan 2 input, non-inverting (+) dan input inverting (-). Umumnya op-amp bekerja dengan dual supply (+Vcc dan –Vee) namun banyak juga op-amp dibuat dengan single supply (Vcc – ground). Simbol rangkaian di dalam op-amp pada gambar 2 (b) adalah parameter umum dari sebuah op-amp. Rin adalah resitansi input yang nilai idealnya infinit (tak terhingga). Rout adalah resistansi output dan besar resistansi idealnya 0 (nol). Sedangkan AOL adalah nilai penguatan open loop dan nilai idealnya tak terhingga.

Saat ini banyak terdapat tipe-tipe op-amp dengan karakterisktik yang spesifik. Op-amp standard type 741 dalam kemasan IC DIP 8 pin. Untuk tipe yang sama, tiap pabrikan mengeluarkan seri IC dengan insial atau nama yang berbeda. Misalnya dikenal MC1741 dari motorola, LM741 buatan National Semiconductor, SN741 dari Texas Instrument dan lain sebagainya. Tergantung dari teknologi pembuatan dan desain IC-nya, karakteristik satu op-amp dapat berbeda dengan op-amp lain.

D.    Aplikasi Penguat Operasional

1.      Pembanding (Comparator)

Comparator adalah penggunaan op amp sebagai pembanding antara tegangan yang masuk pada input (+) dan input (-).

Jika input (+) lebih tinggi dari input (-) maka op amp akan mengeluarkan tegangan positif dan jika input (-) lebih tinggi dari input (+) maka op amp akan mengeluarkan tegangan negatif. Dengan demikian op amp dapat dipakai untuk membandingkan dua buah tegangan yang berbeda.

Komparator membandingkan dua tegangan listrik dan mengubah keluarannya untuk menunjukkan tegangan mana yang lebih tinggi.

di mana Vs adalah tegangan catu daya dan penguat operasional beroperasi di antara + Vs dan − Vs.)

2.      Penguat Pembalik (Inverting)

Penguat pembalik adalah penggunanan op amp sebagai penguat sinyal dimana sinyal outputnya berbalik fasa 180 derajat dari sinyal input.

dimana :

·         Z_in = R_in  karena V adalah bumi maya (virtual ground)

·         sebuah resistor dengan nilai  : 

ditempatkan di antara masukan non-pembalik dan bumi. Walaupun tidak dibutuhkan, hal ini mengurangi galat karena arus bias masukan.

Bati dari penguat ditentukan dari rasio antara Rf dan Rin, yaitu:

Tanda negatif menunjukkan bahwa keluaran adalah pembalikan dari masukan.

3.      Penguat tidak membalik (Non Inverting)

Penguat Tak-Membalik (Non-Inverting Amplifier) merupakan penguat sinyal dengan karakteristik dasar sinyal output yang dikuatkan memiliki fasa yang sama dengan sinyal input. Penguat tak-membalik (non-inverting amplifier) dapat dibangun menggunakan penguat operasional, karena penguat operasional memang didesain untuk penguat sinyal baik membalik ataupun tak membalik. Rangkain penguat tak-membalik ini dapat digunakan untuk memperkuat isyarat AC maupun DC dengan keluaran yang tetap sefase dengan sinyal inputnya. Impedansi masukan dari rangkaian penguat tak-membalik (non-inverting amplifier) berharga sangat tinggi dengan nilai impedansi sekitar 100 MOhm.

Rangkaian diatas merupakan salah satu contoh penguat tak-membalik memnggunakan sumber tegangan DC simetris. Dengan sinyal input yang diberikan pada terminal input non-inverting, maka besarnya penguatan tegangan rangkaian penguat tak membalik diatas tergantung pada harga Rin dan Rf yang dipasang. Besarnya penguatan tegangan output dari rangkaian penguat tak membalik diatas dapat dituliskan dalam persamaan matematis sebagai berikut:

Apabila besarnya nilai resistor Rf dan Rin rangkaian penguat tak membalik diatas sama-sama 10KOhm makabesarnya penguatan tegangan dari rangkaian penguat diatas dapat dihitung secara matematis sebagai berikut:

4.      Penguat Differensial

Penguat diferensial digunakan untuk mencari selisih dari dua tegangan yang telah dikalikan dengan konstanta tertentu yang ditentukan oleh nilai resistansi yaitu sebesar  R_f/R₁ untuk R₁ = R₂ dan R_f = R_g. Penguat jenis ini berbeda dengan diferensiator. Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut:

Sedangkan untuk R₁ = R₂ dan R_f = R_g maka bati diferensial adalah:

5.      Penguat Penjumlah (Summing Amplifier)

Penguat penjumlah berfungsi menjumlahkan beberapa level sinyal input yang masuk ke op-amp. Penggunanan op-amp sebagai penjumlah sering dijumpai pada rangkaian mixer audio.

Besarnya penguatan Gain pada masing-masing titik tegangan masukkan adalah:

Gain = R_f/R_in               Dimana :

R_f adalah resistor feed-back menuju input inverting.

R_in adalah resistor yang dilewati tegangan masukkan menuju input invering op-amp.

Besarnya tegangan keluaran Vout pada gambar diatas adalah:

V_out = - ((R_f/R₁) x V₁ + (R_f/R₂) x V₂ + ... + (R_f/R_n) x V_n)

6.      Penguat Selisih

Rangkaian ini berfungsi untuk memperkuat sinyal selisih antara masukan satu dan dua. Rangkaian ini dapat dilihat pada dibawah.

Gambar Rangkaian penguat selisih.

Nilai penguatan dari rangkaian di atas, dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

          Vout = (Vin₂ - Vin₁)(R₂/R₁)

dengan catatan, R₁=R₃, R₂=R₄

7.      Integrator

Opamp bisa juga digunakan untuk membuat rangkaian-rangkaian dengan respons frekuensi, misalnya rangkaian penapis (filter). Salah satu contohnya adalah rangkaian integrator. Rangkaian dasar sebuah integrator adalah rangkaian op-amp inverting, hanya saja  rangkaian umpanbaliknya (feedback) bukan resistor melainkan menggunakan capasitor C. 

 Mari kita coba menganalisa rangkaian ini. Prinsipnya sama dengan menganalisa rangkaian op-amp inverting. Dengan menggunakan 2 aturan op-amp (golden rule) maka pada titik inverting akan didapat hubungan matematis :

i_in = (v_in – v_-) / R = v_in / R, dimana v_- = 0 ... (1)

i_out = -C d(v_out – v_-) / dt = -C dv_out/d_t; v_- = 0

i_in = i_out ; ... (2)

Maka jika disubtisusi, akan diperoleh persamaan :

i_in = i_out = v_in­ / R = -C dv_out/d_t

atau dengan kata lain

V_out = -1/RC ( _t0 ∫ ^tlv_in^dt ) ... (3)

Dari sinilah nama rangkaian ini diambil, karena secara matematis tegangan keluaran rangkaian ini merupakan fungsi integral dari tegangan input. Sesuai dengan nama penemunya, rangkaian yang demikian dinamakan juga rangkaian Miller Integral. Aplikasi yang paling populer menggunakan rangkaian integrator adalah rangkaian pembangkit sinyal segitiga dari inputnya yang berupa sinyal kotak.

Dengan analisa rangkaian integral serta notasi Fourier, dimana 

f = 1/t dan ω = 2πf ... (4)

penguatan integrator tersebut dapat disederhanakan dengan rumus

G(ω) = -1/ωRC ... (5)

Sebenarnya rumus ini dapat diperoleh dengan cara lain, yaitu dengan mengingat rumus dasar penguatan opamp inverting G = -R₂/R₁. Pada rangkaian integrator tersebut diketahui R₁ = R dan R₂ = Z_c = 1/ωC Dengan demikian dapat diperoleh penguatan integrator tersebut seperti persamaan 5 atau agar terlihat respons frekuensinya dapat juga ditulis dengan

G(f) = -1/2πfRC ...(6)

Karena respons frekuensinya yang demikian, rangkain integrator ini merupakan dasar dari low pass filter. Terlihat dari rumus tersebut secara matematis, penguatan akan semakin kecil (meredam) jika frekuensi sinyal input semakin besar.

Pada prakteknya, rangkaian feedback integrator mesti diparalel dengan sebuah resistor dengan nilai misalnya 10 kali nilai R atau satu besaran tertentu yang diinginkan. Ketika inputnya berupa sinyal dc (frekuensi = 0), kapasitor akan berupa saklar terbuka. Jika tanpa resistor feedback  seketika itu juga outputnya akan saturasi sebab rangkaian umpanbalik op-amp  menjadi open loop (penguatan open loop opamp ideal tidak berhingga atau sangat besar). Nilai resistor feedback sebesar 10R akan selalu menjamin output offset voltage (offset tegangan keluaran) sebesar 10x sampai pada suatu frekuensi cutoff tertentu.

8.      Differensiator

Kalau komponen C pada rangkaian penguat inverting di tempatkan di depan, maka akan diperoleh rangkaian differensiator. Dengan analisa yang sama seperti rangkaian integrator, akan diperoleh persamaan penguatannya :

V_out = -RC dv_in/dt ...(7)

Rumus ini secara matematis menunjukkan bahwa tegangan keluaran v_out pada rangkaian ini adalah differensiasi dari tegangan input v_in. Contoh praktis dari hubungan matematis ini adalah  jika tegangan input berupa sinyal segitiga, maka outputnya akan mengahasilkan sinyal kotak.

Bentuk rangkain differensiator adalah mirip dengan rangkaian inverting. Sehingga jika berangkat dari rumus penguat inverting G = -R₂/R₁ dan pada rangkaian differensiator diketahui R₂ = R dan R₁ = Z_c = 1/ωC maka jika besaran ini disubtitusikan akan didapat rumus penguat differensiator

G(ω) = -ωRC  …(8)

Dari hubungan ini terlihat sistem akan meloloskan frekuensi tinggi (high pass filter), dimana besar penguatan berbanding lurus dengan frekuensi. Namun demikian, sistem seperti ini akan menguatkan noise yang umumnya berfrekuensi tinggi. Untuk praktisnya, rangkain ini dibuat dengan penguatan dc sebesar 1 (unity gain). Biasanya kapasitor diseri dengan sebuah resistor yang nilainya sama dengan R. Dengan cara ini akan diperoleh penguatan 1 (unity gain) pada nilai frekuensi cutoff tertentu.

Mendiferensiasikan sinyal hasil pembalikan terhadap waktu dengan persamaan:

di mana Vin dan Vout adalah fungsi dari waktu. Pada dasarnya diferensiator dapat juga dibangun dari integrator dengan cara mengganti kapasitor dengan induktor, namun tidak dilakukan karena harga induktor yang mahal dan bentuknya yang besar. Differensiator dapat juga dilihat sebagai tapis pelewat-rendah dan dapat digunakan sebagai tapis aktif.

  

E.     Referensi

 http://id.wikipedia.org/wiki/Penguat_operasional. diakses tanggal 31 Maret 2013

                  12.00

Carter, B., & Brown, T. (2001). Handbook of Operational Amplifier Applications.     Texas: Texas Instruments.

http://trensains.com/op_amp.htm. diakses tanggal 31 Maret 2013 20.00