Operational
Amplifier (Op-Amp)
Operational
Amplifier adalah penguat linier yang biasanya dikemas di dalam
suatu IC
(Integrated Circuit). Satu IC bisa berisi satu atau empat Op-Amp
biasanya.
Operational amplifier merupakan penguat analog yang cukup baik
karena
memiliki karakteristik sebagai berikut:
1.
Memiliki gain open loop yang sangat tinggi : A = 100.000
2.
Tahanan input yang sangat tinggi : Rin> 1 M_
3.
Tahanan output yang sangat rendah : Rout = 50 – 70 ohm
Karakteristik
ini memudahkan perancangan misalnya kita dapat membuat
penguat
dengan gain open loop yang tinggi dan stabil antara 1 sampai 1000
atau
lebih. Sedangkan keuntungan dari tahanan input yang sangat tinggi
adalah
Op-Amp menyita arus yang sangat kecil sehingga tidak membebani
rangkaian
yang dihubungkan ke input Op-Amp. Sedangkan tahanan output
yang
besar berarti Op-Amp dapat menggerakan beban tanpa terbebani.
Tapi
Op-amp adalah penguat sinyal bukan penguat daya sehingga tidak dapat
langsung
dihubungkan ke beban dengan arus yang besar seperti loudspeaker
atau motor secara langsung.
Gambar
3.1.
Gambar
3.1. memperlihatkan simbol dari Op-amp yang terdiri dari dua
tegangan
input (V1 dan V2) serta satu tegangan output (Vout). Selain itu
diperlihatkan
juga dua daya masukan (Vsupply). Pada Op-amp tidak ada
32
ground.
Tegangan output dapat berkisar sampai 80% dari tegangan input.
Hampir
semua Op-Amp adalah penguat diffrensial artinya keluaranya
merupakan
perkalian dari selisih tegangan input seperti yang dituliskan pada
persamaan
di bawah ini
Vout = A
(V2 – V1)
A adalah
gain open loop
V1 =
inverting input
V2 = non
inverting input
Gain open
loop adalah gain (penguat) dari Op-Amp sebelum dihubungkan
dengan
rangkaian tambahan besarnya sekitar 100.000 atau lebih. Sedangkan
non
inverting input adalah tegangan input yang sefasa dengan keluaran. Jika
non
inverting input positif maka keluaran akan menjadi positif. Sebaliknya
terjadi
pada inverting input. Tetapi secara serempak input dari Op-Amp hanya
satu
tegangan yaitu selisih dari V1-V2 pada persamaan tadi.
Bisa juga
memang kalau kita ingin memasang satu input saja pada Op-Amp,
misalanya
bila kita menginginkan output dari Op-Amp sefasa dengan input
maka kita
dapat menghubungkan Input non inverting dengan tegangan input
(Vin) dan
input non inverting dengan ground (Gambar 3.2a). Jika ingin
outputnya
berlawanan fasa yaitu saat input negatif maka outputnya positif
maka dapat dilakukan cara
pada gambar 3.2 b
Gambar
3.2 Input tunggal
Banyak
jenis Op-Amp yang ada dipasaran misalnya jenis general purpose,
wide-bandwidth,
low noise dan high frequency. Tapi untuk pengaturan
biasanya
penguat sinyal cukup menggunakan Op-Amp 741 (MC741) seperti
yang
diperlihatkan pada datasheet di gambar 3.3. Disamping pin untuk
tegangan
input dan tegangan output terdapat juga dua pin yang disebut offset
null,
kegunaan dari offset nul ini adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar
3.3
adalah untuk mengatur tegangan output naik atau turun agar bisa
menghilangkan
tegangan offset DC. Tegangan offset DC adalah tegangan kecil
DC yang
terjadi pada tegangan output saat selisih tegangan input nol.
Seharusnya
tegangan output juga nol, maka offset null ini digunakan untuk
menolkan
tegangan output.
Kalau
melihat datasheet pada gambar 3.3. tertulis gain voltage adalah 50-200
V/mV. Ini
berarti bila input yang masuk 1 mV maka keluaran dari Op-Amp
sebesar
50V atau sebesar penguatan 50.000. Op-Amp 741 merupakan Op-
Amp versi
lama yang masih dipakai di laboratorium, sekarang ini sudah
banyak
tipe-tipe lain yang lebih canggih dan lebih baru misalnya LF355,
LM308,
LF411. LF411 memiliki tegangan input yang sangat tinggi dan tanpa
tegangan offset. Hampir
semua pengkondisi sinyal dapat dibuat dari Op-Amp.
Voltage
Follower (Pengikut Tegangan)
Rangkaian
Voltage Follower berguna untuk meningkat arus tanpa mengubah
tegangannya.
Digunakan untuk mengubah sinyal berimpedansi tinggi (mudah
terbebani)
menjadi sinyal berimpedansi rendah (sukar terbebani) yang kokoh
(robust). Gain tegangannya
1.
Gambar
3.4. Voltage Follower
Rin
adalah tahananan yang sangat besar dan Rout adalah tahananan yang
sangat
kecil. Kembali ke persamaan awal saat Vout sama dengan V1 maka
persamaan
awal menjadi :
Vout =
A(V2-Vout) sehingga bila Vout yang dicari maka persamaan menjadi
dengan V2
adalah Vin jadi Vout = Vin. Gambar 3.5a memperlihatkan sensor yang
mengalami
beban turun saat dihubungkan dengan pengatur (controller)
sehingga
tegangan yang diterima pengatur lebih rendah. Sedangkan Gambar
3.5c
memperlihatkan pemasangan voltage follower yang menyebabkan tidak
adanya pembebanan turun.
Gambar 3.5. Pemasangan
voltage follower untuk mencegah tegangan drop
Inverting
Amplifier (Penguat Inverting)
Penguat
inverting adalah penguat yang paling sering digunakan.
Rangkaiannya
hanya memerlukan dua tahanan yaitu Ri dan Rf. Saat tegangan
input
positif masuk hasilnya akan dikuatkan tetapi dengan fasa yang berbeda
yaitu menjadi negatif.
Gambar
3.6. Penguat Inverting
Semua
arus Iin hanya melewati Ri dan Iin besarnya sama dengan If. Dengan
hukum
kirchoff dapat dicari persamaan tegangan keluaran sebagai berikut:
Vout = -(Rf/Ri) Vin
Non
Inverting Amplifier (Penguat non inverting)
Penguat
noninverting mirip dengan penguat inverting tetapi fasa dari
tegangan
input akan sama dengan fasa tegangan output. Biasanya penguat
non inverting lebih sering
dipakai saat dihubungkan dengan pengatur.
Gambar
3.7. Penguat Non inverting
Hubungan
antara tegangan output dan tegangan input dinyatakan dengan
persamaan ini
Summing
Amplifier (Penjumlah)
Summing
Amplifier digunakan sebagai penjumlah tegangan. Summing
amplifier
dapat digunakan untuk menjumlah tegangan dari beberapa sumber
yang
memiliki arus yang berbeda. Menjumlahkan ini tidak mudah, bila kita
menghubungkan
tiga kabel biasa dengan tegangan 1 V, 2 V dan 4 Volt
Gambar
3.8.b hasilnya tidak 7 Volt karena tergantung dari kabel yang
memiliki tahanan terkecil,
mungkin antara 1 – 4 Volt
Gambar
3.8 ilustrasi penjumlahan tegangan
Gambar
3.9. Summing Amplifier
Persamaan
tegangan keluaran ditentukan sebagai berikut:
Misalkan
sebuah air conditioning akan dinyalakan jika jumlah tegangan dari
sensor
temperatur dan kelembaban (humadity) lebih dari 1 V. Tetapi air
conditioning
memiliki batas tegangan minimum 5 Volt untuk meng-on kannya
maka
dibuat rangkaian yang terdiri dari summing amplifier dan penguat
inverting
seperti gambar di bawah ini (Gambar 3.10)
Gambar
3.10 Penyalaan Air conditioning (AC) dengan bantuan summing
amplifier
dan penguat inverting
Differential
Amplifier
Differential
Amplifier merupakan amplifier yang digunakan untuk mencari
selisih
tegangan dari dua sinyal yang masuk. Persamaan tegangan outputnya
dinyatakan
sebagai berikut:
Tegangan
Output merupakan tegangan tunggal yang mengacu pada ground
biasanya
disebut single-ended-voltage
Gambar
3.11. Differential Amplifier
Instrumentation
Amplifier
Instrumentation
Amplifier adalah jenis Differential Amplifier yang pada
inputnya
dihubungkan dengan sebuah voltage follower. Kegunaan dari voltage
follower
ini adalah : (1) meningkatkan tahanan input sehingga sumber
(seperti
sensor) tidak mengalami beban turun (2) membuat kedua tahanan
input
sama (3) Penguatan tidak ditentukan oleh tahanan dari sumber
Gambar
3.12 Instrumentation Amplifier
Salah
satu contoh adalah instrumentation amplifier dari Burr-Brown PGA204
yang
gainnya dapat diatur menggunakan input digital, jenis ini disebut
programmable
gain instrumentation amplifier (Gambar 3.14)
Integrator
Amplifier dan Differentiator Amplifier
Op-Amp
dapat digunakan sebagai integrator maupun sebagai differensiator
dari
suatu bentuk gelombang. Biasanya digunakan pada pengatur analog.
Gambar
3.13. Integrator Amplifier
Gambar
3.14. Data Sheet Instrumentation Amplifier dari Burr-Brown PGA 204
Pada
integrator amplifier tegangan outputnya berupa luas dari di bawah
bentuk
gelombang dari sinyal input seperti yang ditunjukkan pada gambar
3.15.
Sedangkan sebagai differensiator amplifier, tegangan output sebanding
dengan
laju dari perubahan (kemiringan) tegangan input
Gambar
3.15 Hasil keluaran dari integrator amplifier
Gambar
3.16 Differentiator Amplifier
