Chapter 10

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Problem

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

 

1. Pendahuluan (kembali)

Penguat operasional (operational amplifier atau disingkat op-amp) merupakan salah satu komponen dasar yang sangat penting dalam bidang elektronika analog. Op-amp dirancang sebagai penguat tegangan dengan tingkat penguatan yang sangat tinggi, serta memiliki karakteristik masukan impedansi tinggi dan impedansi keluaran rendah. Komponen ini pertama kali dikembangkan untuk digunakan dalam komputer analog, namun seiring waktu penggunaannya meluas ke berbagai aplikasi seperti penguat sinyal, filter aktif, pembanding (comparator), integrator, dan diferensiator.

Dengan konfigurasi rangkaian eksternal yang sederhana, op-amp mampu melakukan berbagai fungsi matematis terhadap sinyal analog, seperti penjumlahan, pengurangan, integrasi, dan diferensiasi. Fleksibilitas dan keandalannya menjadikan op-amp sebagai komponen kunci dalam desain rangkaian analog modern, baik dalam sistem pengolahan sinyal, kontrol otomatis, maupun peralatan medis dan komunikasi. Oleh karena itu, pemahaman yang baik terhadap prinsip kerja dan karakteristik op-amp sangat penting bagi siapa saja yang mempelajari atau bekerja di bidang teknik elektro dan elektronika.            

2. Tujuan (kembali)

·       Memahami konsep dasar dan karakteristik ideal op-amp.

·       Menjelaskan prinsip kerja op-amp dalam berbagai konfigurasi dasar.

·       Menganalisis dan menghitung parameter penting pada rangkaian op-amp.

·       Mengembangkan kemampuan merancang rangkaian analog berbasis op-amp.

·       Mengetahui aplikasi praktis op-amp dalam bidang teknik dan industri.

3. Alat dan Bahan (kembali)

1. Alat

Voltmeter dan Ampermeter

Voltmeter adalah perangakat listrik yang berfungsi untuk menghitung tegangan dan amperemeter adalah perangkat yang berfungsi untuk menghitung arus yang mengalir di suatu rangkaian.

 

2. Bahan

·       Resistor

Resistor atau disebut juga dengan Hambatan adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menghambat dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian elektronika. Satuan nilai Resistor atau Hambatan adalah Ohm.

 

Spesifikasi dari resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat dihantarkan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, derau listrik (noise), dan induktansi. Resistor dapat diintegrasikan kedalam sirkuit hibrida dan papan sirkuit cetak, bahkan sirkuit terpadu. Untuk mengetahui nilai resistansi dari suatu resistor, dapat dilihat dari tabel berikut:

 

·       Kapasitor 

 Kapasitor adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menyimpan dan melepaskan muatan listrik dalam bentuk medan listrik.

 

·       Baterai

  Baterai adalah suatu bahan yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik yang dapat digunakan oleh alat-alat elektronika.

 

·       Ground

       Ground atau pembumian adalah titik yang dianggap sebagai titik kembalinya arus listrik arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan (referensi) dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik di dalam rangkaian elektronika.

 

4. Dasar Teori (kembali)

10.5 Practical OP - AMP Sircuit (For fig. 10.41)

Op-amp dapat dihubungkan dalam sejumlah besar sirkuit untuk menyediakan berbagai operasi. Salah satunya adalah differentiator (sirkuit pembeda). Sirkuit pembeda ditunjukkan pada Gbr. 10.41. Meski tidak seberguna sirkuit, bentuk yang dibahas di atas, pembeda memang memberikan operasi yang berguna, hubungan yang dihasilkan untuk sirkuit adalah

Vo(t) = -RC  

10.6 OP-AMP SPECIFICATIONS-DC OFFSET PARAMETERS (For fig 10.42 dan 10.43)

Dalam teori ideal, sebuah operational amplifier (op-amp) seharusnya menghasilkan output sebesar nol volt ketika kedua terminal input-nya diberikan tegangan nol volt. Namun dalam praktiknya, op-amp nyata memiliki ketidaksempurnaan internal yang menyebabkan munculnya tegangan output meskipun tidak ada sinyal masukan. Ketidaksempurnaan ini dikenal sebagai tegangan offset dan arus offset. Tegangan offset input (input offset voltage atau V_IO) adalah tegangan kecil yang harus diterapkan antara kedua terminal input agar output menjadi nol volt. Nilai VIO ini biasanya tercantum dalam datasheet dan menjadi salah satu parameter penting dalam spesifikasi op-amp.

Selain tegangan offset, terdapat pula arus offset input (input offset current), yaitu selisih arus bias yang mengalir ke terminal input inverting dan non-inverting. Ketidaksamaan arus ini juga menghasilkan tegangan offset tambahan pada output. Tegangan offset output yang muncul akibat VIO dapat dianalisis menggunakan hubungan dasar op-amp, yaitu Vo = A × Vi, di mana Vo adalah tegangan output, A adalah penguatan (gain), dan Vi adalah tegangan input efektif akibat offset. Dalam perancangan sistem analog, khususnya yang membutuhkan presisi tinggi seperti penguat sinyal lemah atau sensor, keberadaan offset ini harus diperhitungkan dengan cermat karena dapat menyebabkan kesalahan pada output yang signifikan. Oleh karena itu, pemahaman terhadap parameter offset menjadi dasar penting sebelum merancang atau menerapkan op-amp dalam berbagai aplikasi elektronik.

Rumus: V_O = AV_i = A (V_IO – V_O )

dengan itu, V_O = V_IO  setara dengan V_IO 

Jadi, V_O (offset) = V_IO 

 

5. Prinsip Kerja (kembali)

Prinsip Kerja Differentiator

Differentiator adalah rangkaian berbasis operational amplifier (op-amp) yang menghasilkan output berupa turunan pertama dari sinyal input terhadap waktu. Dengan kata lain, output differentiator akan sebanding dengan laju perubahan (rate of change) dari sinyal input.

Pada rangkaian differentiator, sebuah kapasitor dipasang pada jalur input (menuju input inverting op-amp), sedangkan resistor dipasang pada jalur umpan balik (feedback) dari output ke input inverting. Input non-inverting biasanya dihubungkan ke ground.

Ketika sinyal input diberikan, arus yang mengalir melalui kapasitor sebanding dengan laju perubahan tegangan input. Karena op-amp memiliki penguatan sangat tinggi, tegangan pada kedua input(inverting dan non-inverting) akan cenderung sama (prinsip virtual ground). Akibatnya, arus yang mengalir melalui kapasitor juga harus mengalir melalui resistor feedback, sehingga menghasilkan tegangan output.

Secara matematis, hubungan antara input dan output pada differentiator diberikan oleh:

Artinya, output berbanding lurus dengan turunan waktu dari input, dikalikan dengan konstanta RC.

Karakteristik Output:

·    Jika input berupa gelombang persegi, output akan berupa pulsa tajam pada setiap perubahan tepi sinyal.

·    Jika input berupa gelombang sinus, output akan menjadi gelombang kosinus yang terbalik fasa.

·      Output sangat peka terhadap perubahan cepat pada input.

Prinsip Kerja DC Offset pada Op-Amp

DC offset pada op-amp terjadi karena adanya ketidakseimbangan pada rangkaian internal, khususnya pada pasangan transistor input. Ketidakseimbangan ini menyebabkan op-amp membutuhkan tegangan DC kecil di antara kedua inputnya agar output benar-benar nol. Tegangan kecil ini disebut input offset voltage.

Secara prinsip, ketika kedua input op-amp (inverting dan non-inverting) dihubungkan ke ground (nol volt), output op-amp idealnya juga harus nol. Namun, pada op-amp nyata, karena perbedaan karakteristik komponen internal, output tetap menunjukkan tegangan DC kecil, meskipun inputnya nol. Tegangan ini adalah output offset voltage, yang berasal dari penguatan internal terhadap input offset voltage.

Akibatnya, jika op-amp digunakan untuk memperkuat sinyal DC atau sinyal dengan amplitudo kecil, DC offset ini dapat menyebabkan kesalahan pengukuran atau noise pada output. Untuk mengurangi efek DC offset, beberapa op-amp menyediakan pin khusus (offset null) yang dapat dihubungkan ke potensiometer eksternal untuk mengatur dan menyeimbangkan kembali tegangan offset secara manual.

6. Problem (kembali)

Differentiator Op-Amp

1. Output Mengalami Osilasi pada Frekuensi Tinggi

Penyebab: Tidak ada pembatas gain pada frekuensi tinggi; desain rangkaian kurang stabil.

Solusi: Gunakan filter low-pass tambahan atau optimalkan nilai resistor dan kapasitor. 

2.  Output Tidak Akurat untuk Sinyal Lambat

Penyebab: Nilai resistor dan kapasitor tidak sesuai dengan rentang frekuensi sinyal input.

Solusi: Sesuaikan nilai komponen agar respons rangkaian sesuai dengan karakteristik sinyal yang diolah.

3. Output Terpengaruh oleh Interferensi Lingkungan

Penyebab: Tata letak PCB buruk atau tidak ada shielding, sehingga mudah terkena interferensi elektromagnetik.

Solusi: Perbaiki tata letak PCB dan gunakan shielding pada rangkaian.

DC Offset pada Op-Amp

1. Output Offset Membesar Setelah Lama Digunakan

Penyebab: Penuaan komponen internal op-amp menyebabkan perubahan karakteristik offset.

Solusi: Ganti op-amp secara berkala atau gunakan op-amp dengan kualitas dan umur pakai tinggi.

 2. Distorsi pada Penguat Audio

Penyebab: DC offset menyebabkan speaker bergerak dari posisi netral.

Solusi:

·     Tambahkan kapasitor kopling pada output penguat audio.

·      Pilih op-amp dengan offset rendah untuk aplikasi audio.

3. Output Tidak Konsisten antara Satu Op-Amp dengan Lainnya

Penyebab: Variasi input offset voltage antar unit op-amp.

Solusi: Lakukan kalibrasi pada setiap unit atau pilih op-amp dengan toleransi offset voltage yang ketat.

7. Soal Latihan (kembali)

Differentiator Op-Amp

    Soal Uraian

1. Sebuah differentiator op-amp menggunakan resistor 10 kΩ dan kapasitor 0,1 μF. Jika inputnya adalah  𝑉𝑖𝑛 (t)=3t volt, tentukan outputnya!

Jawaban:

2. Jika pada rangkaian differentiator digunakan R = 47 kΩ dan C = 0,01 μF, dan diberikan input gelombang persegi dengan perubahan tegangan 4 V dalam waktu 2 ms, berapa besar tegangan output pada saat perubahan tepi?

Jawaban:

3. Sebuah differentiator dirancang dengan output maksimum ±5 V. Jika kapasitor yang digunakan 0,02 μF dan sinyal input berubah dengan laju maksimum 1000 V/s, berapa nilai resistor maksimum yang dapat digunakan?

Jawaban:

Soal Pilihan Ganda

1.  Output differentiator op-amp untuk input gelombang persegi adalah...

    A. Gelombang sinus

    B. Gelombang segitiga

    C. Pulsa tajam pada perubahan tepi

    D. Gelombang DC

Jawaban: C

Penjelasan: Output differentiator untuk gelombang persegi adalah pulsa tajam pada setiap perubahan tepi (rising/falling edge).

2.  Jika kapasitor pada differentiator diperbesar, maka...

    A. Output menjadi lebih kecil

    B. Output menjadi lebih besar

    C. Output tidak berubah

    D. Output menjadi nol

Jawaban: B

Penjelasan: Output sebanding dengan nilai kapasitor, sehingga jika kapasitor diperbesar, output juga membesar.

3. Salah satu cara menstabilkan differentiator pada frekuensi tinggi adalah...

    A. Menambahkan resistor seri pada input

    B. Mengurangi nilai resistor feedback

    C. Menghilangkan kapasitor input

    D. Menambah sumber tegangan

Jawaban: A

Penjelasan: Resistor seri pada input membatasi penguatan pada frekuensi tinggi sehingga rangkaian lebih stabil.

DC Offset Op-Amp

    Soal Uraian

1. Sebuah op-amp memiliki input offset voltage 1 mV dan penguatan tertutup (closed-loop gain) 150. Hitung tegangan offset pada output!

Jawaban:

2. Jika sebuah op-amp dengan input offset voltage 0,5 mV digunakan dalam rangkaian penguat dengan gain 500, berapa output offset voltage-nya? Jika output offset maksimum yang diizinkan hanya 100 mV, apakah op-amp ini memenuhi syarat?

Jawaban:

Tidak memenuhi syarat karena melebihi 100 mV.

3. Sebuah sistem penguat menggunakan dua tahap op-amp, masing-masing dengan input offset voltage 0,8 mV dan gain 50 per tahap. Hitung total output offset voltage pada output akhir.

Jawaban:

Tahap 1:

Tahap 2:

Total output offset (asumsi offset tiap tahap ikut diperkuat oleh tahap berikutnya):

Soal Pilihan Ganda

1. Jika output op-amp menunjukkan tegangan DC saat kedua input di-ground-kan, maka kemungkinan besar...

    A. Ada input offset voltage

    B. Kapasitor input rusak

    C. Resistor feedback terlalu kecil

    D. Op-amp tidak diberi catu daya

Jawaban: A

Penjelasan: Output DC pada kondisi input nol biasanya disebabkan oleh input offset voltage.

2. Salah satu solusi praktis untuk menghilangkan DC offset pada output op-amp pada aplikasi audio adalah...

    A. Menambah kapasitor kopling pada output

    B. Mengurangi nilai resistor input

    C. Mengganti catu daya

    D. Menambah induktor pada feedback

Jawaban: A

Penjelasan: Kapasitor kopling memblokir komponen DC sehingga hanya sinyal AC yang diteruskan ke output.

3. Input offset voltage yang besar dapat menyebabkan...

    A. Output selalu nol

    B. Output menjadi tidak stabil

    C. Output menunjukkan tegangan DC meski input nol

    D. Output berubah menjadi AC

Jawaban: C

Penjelasan: Input offset voltage yang besar menyebabkan output menunjukkan tegangan DC meski inputnya nol.                                                                                                                                 

8. Percobaan (kembali)

Fig. 10.41

Fig. 10.42

Fig. 10.43

9. Download File [kembali]

Fig. 10.41(disini)

Fig. 10.42(disini)

Fig. 10.43(disini)

Datasheet Op-amp(disini)