1. Pengguanaan Op-Amp dalam sistem digital terdapat pada rangkaian:
- Speaker aktif
- Penguat penjumlah
- Mixer audio
- Penguat selisih
- Penguat instrumentasi
- Encoder dan Decoder
Op-Amp
2. Pengguanaan Op-Amp dalam sistem analaog terdapat pada rangkaian:
- Pengubah analog ke digital ADC (Analog to Digital Converter)
- Pengubah digital ke analog DAC (Digital to Analog Converter)
- Rangkaian pembanding
- Modulator lebar pulsa
3. Karakteristik Op-Amp:
- Impedansi input sangat tinggi
- Impedansi output sangat rendah
- Penguatan tegangan tinggi mencapai 105 kali
- Tegangan catu yang diberikan adalah DC simetris
- Signal tegangan input DC maupun AC
- Arus stasioner input dalam orde miliampare
Input Op-Amp terdiri dari input membalik (inverting) dengan simbol (-) dan input non inverting (+) pada penguat inverting signal input di hubungkan dengan input inverting, maka signal output akan berlawanan fasa dengan signal inputnya, sebaliknya pada penguat non inverting signal input dihubungkan ke input non inverting maka signal output akan sefasa dengan signal input.
Arsitektur Op-Amp 741
Inverting (Penguat Pembalik)
1. Loop terbuka atau tanpa feedback
Inverting loop terbuka
2. Loop tertutup atau dengan feedback
Inverting loop tertutup
Non Inverting (Penguat Tanpa membalik)
1. Loop terbuka atau tanpa feedback
Non inverting loop terbuka
2. Loop tertutup atau dengan feedback
Non inverting loop tertutup
Prinsip Kerja Penguat Op-Amp
Pada dasarnya sebuah op-amp IC merupakan sebuah d.c coupled differensial amplifier dengan penguatan yang amat besar. Simbol di Gambar 6.106 menunjukkan tersedianya dua buah terminal masukan. Terminal pertama disebut masukan non inverting, diberi tanda + , terminal kedua adalah terminal inverting, diberi tanda -. Penguatan tegangan loop terbuka Avol adalah 100 dB (100.000 dalam perbandingan tegangan), sehingga hanya dibutuhkan suatu masukan differensial kecil untuk mendapatkan suatu perubahan masukan yang besar. Yang dimaksud dengan differensial adalah suatu sinyal yang mengakibatkan suatu beda fraksi sebesar 1 milivolt diantara dua hubunqan masukan. Sebagai contoh, jika masukan inverting adalah 0 volt dan level masukan non inverting dibuat + 0,1 mV; maka keluaran akan positif mendekati + l0V. Jika level masukan non inverting dibuat - 0,1 mV; keluarannya akan menjadi - 10 V. Dengan cara yang sama bila masukan non inverting 0 volt dan masukan inverting dibuat + 0,1 mV, keluaran akan menjadi -10 V. Amplifier memberikan tanggapan beda tegangan diantara dua masukan dan jika beda ini nol, keluarannya juga seharusnya mendekati nol. Jadi Op-amp harus disediakan tegangan suplai tegangan positif dan negatif, sehingga keluarannya dapat berayun-ayun disekitar nol.
Karakteristik transfernya diperlihatkan di gambar 5.2.b Gambar ini menunjukkan bahwa, jika (V1 - v2) positif, keluarannya juga akan positif. Keluaran ini akan jenuh jika (V1 -- V2) mencapai sekitar +0,1 mV. Begitu juga, jika (VI - V2) negatif , keluarannya akan negatif. Karakteristik ini telah digambarkan melalui nol pada titik dimana V1 = V2. Dalam praktek, selalu timbul offset, dan untuk itu perlu ditambahkan sebuah potensiometer untuk "trim out" atau menolkan (null) setiap tegangan off set ini. Hal ini akan didiskusikan belakangan. salah satu tolak ukur kualitas op-amp adalah CMRR ( Common Mode Rejection Ratio). Dimana:
CMRR = penguatan diferrensial / pengutan common mode
Keuntungan utama dari penataan diferrensial adalah jika sinyalsinyal yang polaritasnya sama diterapkan pada kedua masukan, maka sinyal-sinyal ini secara efektif akan saling menghilangkan dan hasil keluarannya akan amat kecil. Sinyal-sinyal seperti ini disebut "Common mode".
Op-amp dengan CMRR tinggi dapat dipakai untuk mengukur sinyal diferrensial kecil yang menyertai suatu sinyal common mode sebesar seperti halnya pada kasus sinyal-sinyal elektro diagram yang berasal dari dua buah elektroda-elektroda ini mempunyai amplitudo sekitar 1 mV, tetapi bagaimanapun juga kedua elektroda ini bisa mengandung sinyal common mode yang biasanya sekitar 0.1 V pada frekuensi jalur daya. Opamp dengan CMRR tinggi mendekati dan memperkuat sinyal differensial da membuang sinyal common mode.
Sedangkan penguatan loop tertutup semata-mata tergantung pada nilai-nilai komponen loop umpan balik dan karena hal ini dapat dibuat resistor-resistor dengan toleransi kecil, penguatan dari sistem penguat (amplifier) dapat diatur secara akurat. Cara penerapan umpan balik negatif ditunjukkan di gambar 6.107.a s/d d. Disini ditunjukkan empat rangkaian penting yang paling sering digunakan, sedangkan yang lainnya pengembangan dari rangkaian-rangkaian ini.
Gambar 6.106: Simbol Op-amp dan Karakteristik Perpindahannya
Gambar 6.107: Metoda-Metoda untuk Menerapkan Umpan Balik Negatif pada Suatu Op-Amp
Karakteristik-karakteristik unjuk kerja utama dari sebuah op-amp, adalah:
- Penguatan tegangan loop terbuka AVOL : penguatan differensial frekuensi rendah tanpa adanya penerapan umpan balik.
- Resistansi input Rin : resistansi yang dipasang secara langsung pada terminal-terminal masukan pada kondisi loop terbuka. Nilai untuk IC bipolar adalah 1Mohm selanjutnya untuk tingkat masukan FET mungkin lebih besar dari 1021 ohm.
- Tegangan off-set masukan : untuk masukan-masukan yang keduanya ditanahkan, idealnya keluaran dari op-amp seharusnya adalah nol. Bagaimanapun juga karena adanya sedikit ketidak tepatan tegangan bisa di rangkaian masukan, timbul tegangan off-set. Nilai dari off-set masukan differensial ini adalah sekitar 1 MV kebanyakan opamp yang modern dilengkapi dengan sarana untuk membuat off-set ini menjadi nol.
- CMRR : perbandingan antara penguat differensial dengan penguatan common mode, yaitu kemampuan penguat (amplifier) untuk membuang (reject) sinyal-sinyal common mode.
- Supply Voltage Rejection ratio : jika diterapkan suatu masukan tenaga (step) secara mendadak, pada suatu op-amp, keluarannya tidak akan mampu memberikan tanggapan secara cepat. Akan tetapi, keluarannya akan berpindah ke nilai baru pada suatu laju yang uniform (seragam). Hal ini disebut slew rate limiting, yang mempengaruhi laju maksimum dari perubahan tegangan pada keluaran peralatan tersebut. Slew rate ini bervariasi antara 1 volt/u sec (741) hingga 35 volt/sec (signetic NE 531 lihat gambar 6.108.).
- Bandwith daya penuh : frekuensi sinyal maksimum dimana dapat ditemukan ayunan keluaran tegangan penuh.
- Ayunan tegangan penuh : ayunan keluaran puncak, direfensikanterhadap nol, yang dapat ditemukan.
Gambar 6.108: Op-Amp Slew Rate Limiting
Beberapa Op-Amp yang tersedia dipasaran diberikan parameter-parameternya seperti pada tabel 6.5.
Tabel 6.5: Parameter-Parameter Op-Amp dan Karakteristiknya
Jenis 709 juga membutuhkan komponen-komponen luar untuk memberikan kompensasi frekuensi dan untuk mencegah terjadinya osilasi-osilasi yang tidak diharapkan.
Kebanyakan dari masalah-masalah ini telah dapat diatasi pada rancangan op-amp IC generasi berikutnya. Tipe 741 dan NE 531 adalah tipe yang diproteksikan terhadap hubung singkat dan disediakan kemampuan untuk membuat tegangan offset menjadi nol dan tidak mempunyai masalah latch-up.
Tanggapan frekuensi untuk op-amp 741 diperlihatkan di gambar 6.109. Dapat dilihat bahwa pada 10 kHz, penguatan loop terbuka turun menjadi 40 dB (100 sebagai suatu perbandingan tegangan) dan pada 100 kHz penguatan loop terbuka akan turun menjadi 20 dB.
Gambar 6.109:Tanggapan Frekuensi Op-Amp 741
Tipe 741 mempunyai komponen-komponen kompensasi frekuensi dalam untuk mencegah osilasi yang tidak diinginkan, dan hal ini mengakibatkan penguatan untuk menjadi turun. Jika dibutuhkan bandwidth daya yang lebih lebar, dapat dipakai motorola MC 1741S atau silicon general SG 471S mempunyai bandwidth daya penuh pada 200 kHz.
Kasus Pada Rangkaian Op-Amp
Diberikan dua kasus rangkaian dengan menggunakan Op-Amp dibawah ini:
1. Generator Gelombang Kotak (lihat gambar 6.110):
Op-Amp dapat digunakan sebagai pembangkit gelombang kotak karena memiliki nilai penguatan lingkar terbuka yang sangat tinggi dan tersedianya masukan beda (diffrerential inputs). Bila suatu catu daya digunakan pada rangkaian, dan kapasitor C belum mengalami pengisian, maka keluaran Op-Amp akan bersaturasi pada kondisi saturasi level positifnya(Vsat+). Sebagian dari tegangan keluaran ini akan diumpan kembali kemasukan non-inverting melalui R2 dan R1. Tegangan pada masukan noninverting akan menjadi:
Selama tegangan pada terminal inverting lebih kecil dari V+. Maka keluarannya akan tetap pada level saturasi positif. Akan tetapi, pengisian C melalui R akan menyebabkan kenaikan tegangan pada terminal inverting. bila tegangan tersebut menjadi lebih besar dari level tegangan pada terminal non-inverting, keluaran Op-Amp akan berubah menjadi tegangan saturasi negatif (Vsat -). Tegangan pada terminal non-inverting sekarang polaritasnya berlawanan dan menjadi:
Gambar 6.110: Generator Gelombang Kotak
Sekarang terjadi pengosongan kapasitor melalui R, hingga tegangannya turun menuju Vsat-. Pada saat tegangan kapasitor pada terminal non-inverting sama dengan tegangan pada terminal inverting, maka keluaran Op-Amp akan kembali ke level positif lagi. Hal ini akan terjadi berulang-ulang sehingga rangkaian ini akan menghasilkan gelombang kotak. RC akan menentukan frekuensi gelombang yang dihasilkan, sedangkan R1 dan R2 akan menentukan titik pensaklaran (dari Vsat+ ke Vsat- atau sebaliknya). Perubahan SW1 dan RV1 menentukan besarnya frekuensi selain dari R1 dan R2, dirumuskan sebagai berikut:
Dari hasil perhitungan dan uji coba rangkaian akan didapat frekuensifrekuensi sebagai berikut (kondisi RV1 minimum dan maksimum):
Sedangkan RV2 digunakan untuk merubah mark-to-space ratio (perbandingan besarnya pulsa positip dan periode pulsa) atau dalam digital dikenal dengan duty-cycle.
Kasus dari rangkaian diatas adalah:
- Tak terjadi osilasi pada outputnya, hanya ada tegangan saturasi positip = 8 Volt. Jawabannya: Rangkaian tak berosilasi karena R atau C nya terbuka, dan karena kondisinya saturasi + maka kaki 3 IC mendapat input besar terus, jadi ada yang terbuka Kaki RV1 menuju R1nya.
- Tak terjadi osilasi pada outputnya, hanya ada tegangan saturasi negatif = - 8Volt. Jawabannya: Sama dengan kasus pertama hanya yang terbuka sekarang Kaki tengah dari RV1, sehingga kaki 3 IC tak mendapat input sedikitpun, maka outputnya pasti negatif.
- Perubahan RV2 menyebabkan terjadinya perubahan frerkuensi yang besar dalam setiap selang, tetapi hanya terjadi perubahan yang kecil pada mark-to-space ratio. Jawabannya: RV2 seharusnya tak mempengaruhi perubahan frekuensi saat normalnya, dan kerja RV2 ini dibantu oleh D1/D2 serta R3 dan R4 saat mengisi dan mengosongka kapasitor. Karena masih berfungsi walaupun fungsinya berubah, tapi rangkaian tak ada yang terbuka. Jadi pasti ada yang hubung singkat, dan tentunya pastilah D3 atau D4 yang hubung singkat.
- Bila R2 berubah berharga besar, maka frekuensi-frekuensi akan tetap berharga besar pada setiap selang.
2. Function Generator Frekuensi Rendah:
Generator fungsi merupakan osilator yang meghasilkan secara bersamaan gelombang segitiga, kotak dan sinus (lihat gambar 6.111). Rangkaian ini menggunakan dua Op-Amp, yang menghasilkan output frekuensi rendah. IC1 dihubungkan dengan C1 sebagai integrator, dan IC1 sebagai rangkaian komparator. Jika output IC2 positif menuju output level positif saturasi. Bagian level positif akan muncul pada titik pengukuran 2 (TP2) karena merupakan pembagi tegangan yang dibangun R4 dan R5. Jika R5 bernilai 1K8 maka level pada TP2 berkisar +700mV. Karena input non-inverting IC1 dihubungkan ke ground, input inverting seharusnya juga mendekati ground. Oleh karena itu, C1 akan diisi melalui R1 dengan arus sekitar 10 ?A. output IC1 menjadi negatif seiring C1 diisi dan karena arus mengisi melalui R1 hampir konstan, nilai perubahan output IC1 adalah linear.
Gambar 6.111: Fuction Generator Frekuensi Rendah
Ketika tegangan dititik pengukuran 1 (TP1), output IC1 melebihi level yang cukup mengakibatkan pin3 IC2 menjadi dibawah nol, output IC2 akan menjadi negatif. Perhatikan bahwa IC2 mempunyai umpanbalik positif melalui R3, sehingga ketika pin 3 lebih positif daripada pin 2 maka output akan positif, tetapi ketika pin 3 lebih negatif dari pin 2 maka output akan negatif.
Karena penguatan Op-Amp 100.000 aksi perubahan menjadi sangat cepat. Level pada titik pengukuran 1 (TP1) yang memberi trigger pada komparator IC2 ditentukan oleh R3 dan R2. Karena output IC2 tegangan saturasi positif sekitar +4V, ketika TP1 sekitar --2V pin 3 akan menjadi dibawah nol dan output IC2 akan berubah negatif.
Dengan output IC2 pada --4V, TP2 juga berubah negatif menjadi-700mV. Pengisian arus untuk C1 sekarang berbalik dan TP1 menjadi positif. Ketika level pada TP1 mencapai sekitar +2V, komparator berubah lagi dan prosesnya berulang. Waktu untuk C1 untuk mengisi dari--2V menjadi +2V adalah waktu untuk setengah gelombang osilator. Untuk mendapatkan harga pendekatan pada waktu tersebut, dapat digunakan rumus:
Q = CV
Jika kapasitor diisi dengan arus konstan
Dengan C = 1uF, I = 10uA dan dV = perubahan tegangan yang terjadi pada kapasitor = 4 Volt.
Frekuensi sebenarnya dari operasi tergantung pada beberapa faktor seperti tegangan saturasi IC2, toleransi C1 dan toleransi resistor. Dengan membuat R5 preset frekuensi dapat diatur menjadi 1Hz.
Output segitiga diubah menjadi gelombang sinus dengan dioda D1, D2, D3, D4. R6 dan R7 berfungsi sebagai pembagi tegangan yang dapat mengakibatkan output melalui R7 menjadi 3 Vpp. Bagaimanapun juga dioda konduksi ketika bias maju dengan 500mV dan menghasilkan gelombang sinus dengan amplitudo 2Vpp. Ini merupakan pengubah segitiga ke sinus dan menghasilkan distorsi yang agak tinggi. R5 dapat diatur untuk mendapatkan hasil yang optimal.
Kasus rangkaian di atas adalah:
- Frekuensi dari rangkaian akan menuju tinggi kira-kira 66,5 Hz dan frekuensi tak dapat di atur. Jawabannya: Yang mengatur frekuensi adalah R5, jadi kalau sampai frekuensi tak dapat di atur olehnya maka tentunya R5 terbuka kaki tengahnya, sehingga frekuensi masih ada.
- Terjadi distorsi pada gelombang sinus positipnya, sedangkan gelombang yang lainnya normal. Jawabannya: gelombang sinus terjadi karena adanya dioda-dioda dan R6 serta R7. Karena hasilnya cacad bagian positipnya berarti pembagi tegangan ada yang tak beres, yaitu R7 nya terbuka.
- Terjadi gelombang seperti digambarkan di bawah ini pada output sinusnya, output yang lain tak masalah. Jawabannya: yang menyebabkan gelombang sinus bagian positipnya rusak pastilah dioda yang anodanya mengarah ke yang lebih positip, jadi pastilah D3 atau D4 terbuka.
Jika D1 terhubung singkat , maka output gelombang sinusakan distorsi, dan gelombangnya mendekati ½ gelombang positip saja.
Apakah Konfigurasi Op-Amp Kami Sudah Benar?
Pertanyaan ini kami angkat dari seorang member yang berkonsultasi via facebook. Sebenarnya pertanyaannya bagus, hanya saja tempatnya kurang sesuai, karena dia bertanya pada postingan yang pembahasannya 180^ berbeda dengan apa yang dia tanyakan. Perbandingannya adalah konten website vs elektro.
Baik tidak perlu panjang lebar, jadi seperti ini bunyinya:
Assalamuallaikum, salam damai mas. mas mau tanya, kalo pakai IC 741, jika salah satu pin seperti V+ atau inverting tidak terhubung ke komponen lainnya namun terhubung ke ground, rangkaian akan berfungsi atau tidak yah? terima kasih.
Jawab
V+ itu untuk supply tegangan kerjanya, jika tidak terpenuhi maka device tidak akan berfungsi / tidak akan bekerja.
Sedangkan input inverting dan non inverting itu hanya optional saja, sinyal yang ingin dikuatkan sekaligus dibalik atau tidak, jadi monggo, disesuaikan dengan keperluannya.
User [tanya]
saya buat skema rangkaian seperti ini mas, alarm sentuh menggunakan touch plat untuk menghidup dan matikan LED dan BUZZER, tapi di skema ini saya menggunakan logic input.
dan saya sudah simulasikan rangkaiannya menggunkan software livewire dan berhasil, tapi kira kira menurut pendapat mas, ketika rangkaian saya di aplikasikan di pcb akan bermasalah atau tidak yah? terutama pada ICnya?
Terima kasih untuk responnya mas.
Jawab
Bisa mas, rangkaian itu artinya Anda menggunakan fitur inverting, seperti telah saya sebutkan sebelumnya, tapi untuk speakernya itu jangan diparalel dengan vcc ya, karena bisa rusak kalau dialiri DC. Idealnya speaker dikasih buffer dulu (Elco sebagai filter pencegah DC dan Pelolos AC).
User [response]
wah ternyata bener mas ketika saya paralel speakernya dengan vcc, seketika mengeluarkan bau tidak sedap, haha terimakasih masukannya mas, semoga makin bertumpuk ilmumu mas. Aaamiin.
Mengenal Op-Amp Sebagai Filter Aktif
1). Inverting (Penguat Pembalik)
- Loop terbuka (tanpa umpan balik)
- Loop tertutup (dengan umpan balik)
2). Non-Inverting (Penguat Tanpa Membalik)
- Loop terbuka (tanpa umpan balik)
- Loop tertutup (dengan umpan balik)
3). Low Pass Filter (LPF)
4). High Pass Filter (HPF)
5). Band Pass Filter (BPF)
6). Tape Recorder
