Keunikan lain
dalam sirkuit internal ditunjukkan dengan warna hijau, di mana kedua resistor
bias transistor terhubung sedemikian hingga tidak terlihat adanya sinyal
masukan kepada basis transistor. Bila diasumsikan tidak ada arus basis yang
mengalir pada transistor, dan nilai VBEsebesar 0,625 Volt maka
menurut hukum Ohm akan diperlukan arus sebesar 0,625 V ÷ 7,5 K ,Ω = 0,0833 mA
melalui resistor antara basis dan kolektor. Arus tersebut juga harus mengalir
melalui resistor antara basis dan emiter sehingga menimbulkan tegangan jepit
sebesar 0,0833 mA × 4,5 KΩ = 0,375 V sehingga menghasilkan total tegangan jepit
melalui dua resistor sebesar 0,625 V + 0,375 V = 1,0 V. Hal ini digunakan untuk
memberikan beda tegangan internal sebesar 1 Volt berapa pun tegangan keluaran
keseluruhan sirkuit. ragam bersama tanpa melewati rentang daerah aktif tiap
transistor dalam sirkuit.
Notasi Sirkuit
Simbol op-amp pada
gambar sirkuit listrik.
- V+: masukan
non-pembalik
- V-: masukan
pembalik
- Vout: keluaran
- VS+: catu daya
positif
- VS-: catu daya
negatif
Catu daya pada notasi op-amp seringkali tidak dicantumkan
untuk memudahkan penggambaran rangkaian.
1. Penguat Diferensial
Sebagai Dasar Penguat Operasional
Penguat diferensial adalah suatu
penguat yang bekerja dengan memperkuat sinyal yang merupakan selisih dari kedua
masukannya. Berikut ini adalah gambar skema dari penguat diferensial sederhana:
Penguat diferensial tersebut
menggunakan komponen BJT (Bipolar
Junction Transistor) yang identik / sama persis sebagai penguat. Pada
penguat diferensial terdapat dua sinyal masukan (input) yaitu V1 dan V2. Dalam kondisi ideal,
apabila kedua masukan identik (Vid = 0), maka keluaran
Vod = 0
hal ini disebabkan oleh :
IB1 = IB2
Sehingga :
IC1 = IC2
dan IE1 = IE2.
Karena itu tegangan keluaran (VC1
dan VC2) harganya sama sehingga Vod = 0.
Apabila terdapat perbedaan antara sinyal
V1 dan V2, maka :
Vid = V1 – V2.
Hal ini akan
menyebabkan terjadinya perbedaan antara IB1 dan IB2.
Dengan begitu harga IC1 berbeda dengan IC2, sehingga
harga Vod meningkat sesuai sesuai dengan besar penguatan Transistor. Untuk
memperbesar penguatan dapat digunakan dua tingkat penguat diferensial (cascade). Keluaran penguat diferensial
dihubungkan dengan masukan penguat diferensial tingkatan berikutnya. Dengan
begitu besar penguatan total (Ad) adalah hasil kali antara penguatan penguat
diferensial pertama (Vd1) dan penguatan penguat diferensial kedua
(Vd2). Dalam penerapannya, penguat diferensial lebih disukai apabila
hanya memiliki satu keluaran. Jadi yang diguankan adalah tegangan antara satu
keluaran dan bumi (ground). Untuk
dapat menghasilkan satu keluaran yang tegangannya terhadap bumi (ground) sama dengan tegangan antara dua
keluaran (Vod), maka salah satu keluaran dari penguat diferensial tingkat kedua
di hubungkan dengan suatu pengikut emitor (emitter
follower).
Untuk memperoleh
kinerja yang lebih baik, maka keluaran dari pengikut emiter dihubungkan dengan
suatu konfigurasi yang disebut dengan totem-pole.
Dengan menggunakan konfigurasi ini, maka tegangan keluaran X dapat berayun
secara positif hingga mendekati harga VCC dan dapat berayun secara negatif
hingga mendekati harga VEE.
Apabila seluruh
rangkaian telah dihubungkan, maka rengkaian tersebut sudah dapat dikatakan
sebagai penguat operasional (Operational
Amplifier (Op Amp)). Penjelasan lebih lanjut mengenai hal ini akan
dilakukan pada sub bab berikut.
2.
Penguat Operasional
Penguat
operasional (Op Amp) adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa
tingkat dan konfigurasi penguat diferensial yang telah dijelaskan di atas.
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:
2.1. 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:
v Penguatan
tegangan lingkar terbuka (open-loop
voltage gain) AVOL = ¥-
v Tegangan
ofset keluaran (output offset voltage)
VOO = 0
v Hambatan
masukan (input resistance) RI
= ¥
v Hambatan
keluaran (output resistance) RO = 0
v Lebar
pita (band width) BW = ¥
v Waktu
tanggapan (respon time) = 0 detik
v Karakteristik
tidak berubah dengan suhu
Kondisi ideal
tersebut hanya merupakan kondisi teoritis tidak mungkun 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.
Penguatan tegangan
lingkar terbuka (open loop voltage gain)
adalah penguatan diferensial Op Amp pada kondisi dimana tidak terdapat umpan
balik (feedback) yang diterapkan
padanya seberti yang terlihat pada gambar 2.2. Secara ideal, penguatan tegangan
lingkar terbuka adalah:
Tanda negatif
menandakan bahwa tegangan keluaran VO berbeda fase dengan tegangan
masukan Vid. 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 VO
jauh lebih besar daripada tegangan masukan Vid. Dalam kondisi
praktis, harga AVOL adalah antara 5000 (sekitar 74 dB) hingga 100000
(sekitar 100 dB).
Tetapi dalam
penerapannya tegangan keluaran VO tidak lebih dari tegangan catu
yang diberikan pada Op Amp. Karena itu Op Amp baik digunakan untuk menguatkan
sinyal yang amplitudonya sangat kecil.
2.1.2. Tegangan Ofset Keluaran
Tegangan ofset
keluaran (output offset voltage) VOO
adalah harga tegangan keluaran dari Op Amp terhadap tanah (ground) pada kondisi tegangan masukan Vid = 0. Secara
ideal, harga VOO = 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 VOO
biasanya berharga sedikit di atas 0 V. Apalagi apabila tidak digunakan umpan
balik maka harga VOO 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
Vid = 0, tegangan keluaran VO
juga = 0. Apabila hal ini tercapai,
2.1.3.
Hambatan Masukan
Hambatan masukan
(input resistance) Ri 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.
2.1.4.
Hambatan Keluaran
Hambatan Keluaran
(output resistance) RO
dari Op Amp adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada saat Op Amp bekerja
sebagai pembangkit sinyal. Secara ideal harga hambatan keluaran RO
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.
2.1.5.
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.
2.1.6.
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.
2.1.7.
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.
2.2.
Implementasi Penguat Operasional
Rangkaian yang akan dijelaskan dan dianalisa dalam
tulisan ini akan menggunakan penguat operasional yang bekerja sebagai
komparator dan sekaligus bekerja sebagai penguat. Berikut ini adalah
konfigurasi Op Amp yang bekerja sebagai penguat:
Gambar di atas adalah gambar sebuah
penguat non inverting. Penguat tersebut
dinamakan penguat noninverting karena masukan dari penguat tersebut adalah
masukan noninverting dari Op Amp. Sinyal keluaran penguat jenis ini sefasa
dengan sinyal keluarannya. Adapun besar penguatan dari penguat ini dapat
dihitung dengan rumus:
AV = (R1+R2)/R1
Av = 1 + R2/R1
Sehingga :
VO = 1+(R2/R1)
Vid
Selain penguat
noninverting, terdapat pula konfigurasi penguat inverting. Dari penamaannya,
maka dapat diketahui bahwa sinyal masukan dari penguat jenis ini diterapkan
pada masukan inverting dari Op Amp, yaitu masukan dengan tanda “-“.
Sinyal masukan dari pengaut inverting berbeda fasa sebesar 1800
dengan sinyal keluarannya. Jadi jiak ada masukan positif, maka keluarannya
adalah negatif. Berikut ini adalah skema dari penguat inverting:
Penguatan dari penguat di atas dapat dihitung dengan rumus:
Av = - R2/R1
Sehingga:
V0 = - (R2/R1)Vid