Op-Amp

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