Rangkaian Penguat Operasional

Penguat Operasional (Op-Amp)

Penguat operasional atau yang dikenal sebagai Op-Amp merupakan suatu rangkaian terintegrasi atau IC yang memiliki fungsi sebagai penguat sinyal, dengan beberapa konfigurasi. Secara ideal Op-Amp memiliki impedansi masukan dan penguatan yang tak berhingga serta impedansi keluaran sama dengan nol. Dalam prakteknya, Op-Amp memiliki impedansi masukan dan penguatan yang besar serta impedansi keluaran yang kecil. 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). Berikut ini adalah simbol dari penguat operasional:

Sebagian besar penguat operasional mempunyai struktur sebagai berikut, yang sebagian besar terdiri dari dua tingkat: tingkat penguat differensial dan tingkat perolehan. Tingkat penguat differensial digunakan pada tingkat masukan yang dihubungkan kemasukan pembalik dengan CMRR yang tinggi. Tingkat perolehan merupakan penguat tegangan dengan perolehan tinggiuntuk mendapatkan perolehan lingkar terbuka yang tinggi. Pergeseran tingkat mengatur tegangan arus searah sehingga tegangan keluarannya mengacu kebumi. Pengaturan tingkat DC ini dibutuhkan karena tingkat penguatan dalam rangkaian terpadu dihubungkan secara langsung, karena kapasitor yang besar belum dapatdibuat dalam rangkaian terpadu.

Sifat-sifat penguat operasional yang ideal adalah sebagai berikut:

Sifat	Ideal	Praktis
· Perolehan lingkar terbuka · Lebar pita lingkar terbuka · CMRR · Resistansi masuk · Resistansi keluar · Arus masuk · Tegangan dan arus pengganti	· Tak terhingga · Tak terhingga · Tak terhingga · Tak terhingga · 0 · 0 · 0	· Sangat tinggi(>104) · Kutub dominan(10 Hz) · Tinggi(>70 dB) · Tinggi(>10 M) · Rendah(<500) · Rendah(<0,5) · Rendah(<10>)

Jenis/ Type Op-Amp

Ada banyak jenis OpAmp, namun yang umum dijual di pasaran adalah OpAmp 741.

OpAmp type 741 dijual dengan dua tampilan, yakni silinder dan DIL (Dial In Line). Yang berbentuk silinder berkaki 8 pin, sedangkan yang berbentuk DIL ada yang berkaki 8 pin, namun ada juga yang berkaki 14 pin.

Nomor pin untuk 8 kaki dan 14 kaki:
Pin 1 (3) + Pin 5 (9) untuk penyetelan 0 volt.
Pin 2 (4) untuk inverting input.
Pin 3 (5) untuk noninverting input.
Pin 4 (6) untuk ground atau tegangan negatif.
Pin 6 (10) terminal keluaran (output).
Pin 7 (11) untuk tegangan positif.
Nomor pin dalam kurung untuk DIL 14 kaki.

Bentuk kemasan
Ada 3 ( tiga ) macam bentuk kemasan IC linear yaitu

• Bentuk kemasan datar ( Flat pack )
• Bentuk kemasan logam / transistor ( Metal or transistor pack )
• Bentuk kemasan sisi gari ganda ( Dual-in-line pack )

Karakteristik Ideal Penguat Operasional

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) A_VOL = ¥-

· Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) V_OO = 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.

a) 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:

A_VOL = Vo / Vid = - ¥

A_VOL = Vo/(V1-V2) = - ¥

Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran V_O berbeda fasa dengan tegangan masukan V_id. Konsep tentang penguatan tegangan tak berhingga tersebut sukar untuk divisualisasikan dan tidak mungkin untuk diwujudkan. Suatu hal yang perlu untuk dimengerti adalah bahwa tegangan keluaran V_O jauh lebih besar daripada tegangan masukan V_id. Dalam kondisi praktis, harga A_VOL adalah antara 5000 (sekitar 74 dB) hingga 100000 (sekitar 100 dB). Tetapi dalam penerapannya tegangan keluaran V_O tidak lebih dari tegangan catu yang diberikan pada Op Amp. Karena itu Op Amp baik digunakan untuk menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil.

b) Tegangan Ofset Keluaran

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

Tetapi dalam kondisi praktis, akibat adanya ketidakseimbangan dan ketidakidentikan dalam penguat diferensial dalam Op Amp tersebut, maka tegangan ofset V_OO biasanya berharga sedikit di atas 0 V. Apalagi apabila tidak digunakan umpan balik maka harga V_OO akan menjadi cukup besar untuk menimbulkan saturasi pada keluaran. Untuk mengatasi hal ini, maka perlu diterapakan tegangan koreksi pada Op Amp. Hal ini dilakukan agar pada saat tegangan masukan V_id = 0, tegangan keluaran V_O juga = 0. Apabila hal ini tercapai,

c) Hambatan Masukan

Hambatan masukan (input resistance) R_i 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. Harga ini biasanya diukur pada kondisi Op Amp tanpa umpan balik. Apabila suatu umpan balik negatif (negative feedback) diterapkan pada Op Amp, maka hambatan masukan Op Amp akan meningkat.

Dalam suatu penguat, hambatan masukan yang besar adalah suatu hal yang diharapkan. Semakin besar hambatan masukan suatu penguat, semakin baik penguat tersebut dalam menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil. Dengan hambatan masukan yang besar, maka sumber sinyal masukan tidak terbebani terlalu besar.

d) Hambatan Keluaran

Hambatan Keluaran (output resistance) R_O dari Op Amp adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada saat Op Amp bekerja sebagai pembangkit sinyal. Secara ideal harga hambatan keluaran R_O Op Amp adalah = 0. Apabula hal ini tercapai, maka seluruh tegangan keluaran Op Amp akan timbul pada beban keluaran (RL), sehingga dalam suatu penguat, hambatan keluaran yang kecil sangat diharapkan.

Dalam kondisi praktis harga hambatan keluaran Op Amp adalah antara beberapa ohm hingga ratusan ohm pada kondisi tanpa umpan balik. Dengan diterapkannya umpan balik, maka harga hambatan keluaran akan menurun hingga mendekati kondisi ideal.

e) 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. Sebagian besar Op Amp serba guan memiliki lebar pita hingga 1 MHz dan biasanya diterapkan pada sinyal dengan frekuensi beberapa kiloHertz. Tetapi ada juga Op Amp yang khusus dirancang untuk bekerja pada frekuensi beberapa MegaHertz. Op Amp jenis ini juga harus didukung komponen eksternal yang dapat mengkompensasi frekuensi tinggi agar dapat bekerja dengan baik.

f) 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. Tetapi dalam prakteknya, waktu tanggapan dari Op Amp memang cepat tetapi tidak langsung berubah sesuai masukan. Waktu tanggapan Op Amp umumnya adalah beberapa mikro detik hal ini disebut juga slew rate. Perubahan keluaran yang hanya beberapa mikrodetik setelah perubahan masukan tersebut umumnya disertai dengan oveshoot yaitu lonjakan yang melebihi kondisi steady state. Tetapi pada penerapan biasa, hal ini dapat diabaikan.

g) 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.

Penerapan Op-Amp

Beberapa penerapan Op-Amp diantaranya adalah penguat inverting, penguat noninverting, penguat penjumlah dan penguat selisih.

Penguat Inverting

Rangkaian untuk penguat inverting adalah seperti yang ditunjukan Gambar 2. Penguat ini memiliki ciri khusus yaitu sinyal keluaran memiliki beda fasa sebesar 180^o. Rangkaian pada Gambar 2, menggunakan sumber tegangan simetri yaitu +V_CC, -V_CC dan ground. Jika rangkaian tersebut (dapat juga diterapkan untuk konfigurasi yang lain) menggunakan catuan tunggal yaitu +V_CC dan ground.

Gambar 2. Penguat inverting.

Penguatan rangkaian penguat inverting adalah berdasar pada persamaan berikut:

Penguat Non Inverting

Penguat noninverting memiliki ciri khusus yaitu sinyal output adalah sefasa dengan sinyal masukan. Rangkaian ini ditunjukan oleh Gambar 4.

Penguatan dari rangkaian penguat jenis ini adalah berdasar pada persamaan berikut:

Gambar 4. Rangkaian penguat non inverting

Penguat Penjumlah

Penguat penjumlah memiliki ciri khusus yaitu sinyal keluaran merupakan hasil penguatan dari penjumlahan sinyal masukannya. Pada bagian ini dicontohkan penguat penjumlah berdasarkan rangkaian penguat inverting. Sehingga sinyal keluaran adalah berbeda fasa sebesar 180^o. Rangkaian ini ditunjukkan oleh Gambar 5.

Penguatan dari rangkaian ini dihitung menggunakan persamaan berikut:

Vout = (-Vin1(R5 R1))-(-Vin2((R5 R3)))

Gambar 4. Rangkaian Penguat penjumlah

Penguat Selisih

Rangkaian ini berfungsi untuk memperkuat sinyal selisih antara masukan satu dan dua. Rangkaian ini dapat dilihat pada Gambar 6.

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

dengan catatan,

R₁=R₃, R₂=R₄

Gambar 6. Rangkaian penguat selisih.

soall

1. Si X berdiri di samping sumber buni yang frekuensinya 676 Hz. Sebuah sumber bunyi lain dengan frekuensi 676 Hz menekati X dengan kecepatan 2 m/s. Bila kecepatan merambat bunyi di udara adalah 340 m/s, maka si X akan mendengar layangan dengan frekuensi …

1. 0
2. 2 Hz
3. 4 Hz
4. 6Hz
5. 8 Hz

2. Pada bunyi terjadi peristiwa … karena bunyi merupakan gelombang …

1. polarisasi, longitudinal
2. polarisasi, transversal
3. interferensi, longitudinal
4. interferensi, transversal
5. difraksi, transversal

3. Taraf intensitas bunyi pada suatu jendela terbuka yang luasnya 1 m² adalah 60 dB. Jika harga ambang bunyi 10^-12 watt/cm², maka daya akustik yang masuk melalui jendela tersebut adalah …

1. 10^-2 watt
2. 10^-4 watt
3. 10^-10 watt
4. 10^-12 watt
5. 10^-16 watt.

4. Sebuah garpu tala yang diam bergetar dengan frekuensi 384 Hz. Garpu tala lain bergetar dengan frekuensi 380 Hz dibawa seorang anak yang berlari menjauhi garpu tala pertama. Kecepatan rambat bunyi di udara = 320 m/s. Jika anak itu tidak mendengar layangan, berarti kepatan anak itu …

1. 3,20 m/s
2. 3,33 m/s
3. 5,20 m/s
4. 2,33 m/s
5. 4,23 m/s

5. Supaya nada dasar dari pipa organa terbuka sama dengan nada dasar ipa organa tertutup, makapanjang pipa organa tertutup … kali organa terbuka

a. 2 kali

b. ¼ kali

c. 1 kali

d. ½ kali

e. 4 kali

PEMBAHASAN

1. Dik: f_S1 = 676 Hz

f_S2 = 676 Hz

v_S = 2 m/s

v = 340 m/s

Dit: f …?

JWB

f = |f₂-f₁| = |680-676|

= 4 Hz (Jawaban C)

2. Pada gelomnang bunyi trjadai peristiwa interferensi antara selombang yang sefase dan berbeda fase. Dan gelombang bunyi merupakan gelombang longitudinal, bukan transversal.

(Jawaban C)

3. Dik: TI = 60 dB

A = 1 m²

I_o = 10^-12 watt/cm²

Dit: P … ?

JWB

TI = 10 log

60 = 10 log

6 = log I + 12

Log I = -6 I = 10^-6 watt/cm² = 10^-2 watt/m²

(Jawaban A)

4. Dik: f₁ = 384 Hz

f₂ = 380 Hz

v = 320 m/s

f= 0

Dit: v_p …?

Jwb

f= 0 maka f₁= f₂

(Jawaban B)

5. Dik: f_o tertutup = f_o terbuka

Dit : l₁ = … l₂

Jwb

Untuk pipa organa tertutup

Untuk pipa organ terbuka

l₂ = 2 l₁

l₁ = ½ l₂

maka panjang pipa organa tertutup = ½ panjang pipa organa terbuka