Teori Dasar Penguat Operasional ( OP-AMP )

Teori Dasar Penguat Operasional ( OP-AMP )

 Penguat operasional (operational amplifier / op-amp) merupakan suatu jenis penguat elektronika dengan sambatan (bahasa Inggris: coupling) arus searah yang memiliki bati (faktor penguatan atau dalam bahasa Inggris: gain) sangat besar dengan dua masukan dan satu keluaran. op-amp pada umumnya tersedia dalam bentuk IC dan yang paling banyak digunakan adalah seri 741. op-amp adalah perangkat yang sangat efisien dan serba guna. Contoh penggunaan op-amp adalah untuk operasi matematika sederhana seperti penjumlahan dan pengurangan terhadap tegangan listrik hingga dikembangkan kepada penggunaan aplikatif seperti komparator dan osilator dengan distorsi rendah. Op-amp dalam bentuk rangkaian terpadu memiliki karakteristik yang mendekati karakteristik op-amp ideal tanpa perlu memperhatikan apa yang terdapat di dalamnya. Karakteristik op-amp ideal adalah:

1. Bati tegangan tidak terbatas.
2. Impedansi masukan tidak terbatas.
3. Impedansi keluaran nol.
4. Lebar pita (band width) tidak terbatas.
5. Tegangan ofset nol (keluaran akan nol jika masukan nol).

Bagian Dalam :

        Bagian dalam penguat operasional seri 741 seperti dijelaskan di dalam teks. Pada diagram skema di atas digambarkan susunan bagian dalam IC op-amp seri 741. Nomor-nomor yang terdapat di dekat terminal pada gambar menunjukkan nomor kaki terminal pada IC 741 jenis 8-pin. Pin nomor 8 tidak terhubung dengan sirkuit. Ada beberapa hal menarik tentang sirkuit internal 741. Yang pertama adalah transistor .

         masukan terhubung dengan konfigurasi pengikut emiter NPN yang keluarannya terhubung secara langsung kepada sepasang transistor PNP yang terkonfigurasi sebagai penguat basis bersama. Konfigurasi ini memisahkan masukan dan mencegah sinyal umpan balik yang mungkin memiliki efek berbahaya yang bergantung pada frekuensi. Pasangan transistor pada bagian yang diwarnai dengan warna merah pada diagram disebut cermin arus, di mana basis terhubung langsung dengan kolektor pada salah satu transistor dari tiap pasangan dan kedua transistor saling terhubung pada emiter. Penggunaan cermin arus pada sirkuit masukan, yaitu pasangan transistor Q8 dan Q9 serta pasangan Q12 danQ13 , memungkinkan masukan menerima ayunan tegangan Sedangkan cermin arus ketiga, yaitu pasangan transistor Q10 dan Q11 membentuk cermin arus yang agak berbeda dengan resistor bernilai 5 K terhubung secara seri dengan emiter membatasi arus kolektor menjadi hampir nol sehingga dapat menjadi hubungan impedansi tinggi kepada catu daya negatif dan tidak membebani sirkuit masukan.

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 V_BEsebesar 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.

Di mana:

• V₊: masukan non-pembalik
• V_-: masukan pembalik
• V_out: keluaran
• V_S+: catu daya positif
• V_S-: 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) A_VOL = ¥-

v  Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) V_OO = 0

v  Hambatan masukan (input resistance) R_I = ¥

v  Hambatan keluaran (output resistance) R_O = 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.

 2.1.1. 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 seberti yang terlihat pada gambar 2.2. Secara ideal, penguatan tegangan lingkar terbuka adalah:

Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran V_O berbeda fase 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.

 2.1.2. 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,

 2.1.3. 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.

2.1.4. 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.

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: 

  A_V = (R₁+R₂)/R₁

A_v = 1 + R₂/R₁

Sehingga :

V_O = 1+(R2/R1) V_id

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:

A_v = - R₂/R₁

Sehingga:

V₀ = - (R_2/R₁)V_id

Penguat Tegangan         

Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, pemotong (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kran listrik, dimana berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya (FET), memungkinkan pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya.

Transistor sebagai penguat, sudah bukan barang yang tabu lagi di dunia rangkaian elektronika bahwa transistor dapat kita gunakan untuk berbagai macam keperluan salah satunya sebut saja salah satu fungsinya yaitu transistor yang digunakan sebagai penguat. Nah penggunaan ini biasanya paling banyak digunakan di rangkaian rangkaian elektronika yang sifatnya masih analog misalnya saja ketika diggunakan sebagai penguat yaitu penguat arus,penguat tegangan, dan penguat daya. Fungsi komponen semikonduktor ini dapat kita temui pada rangkaian Pree-Amp Head, Pree-Amp Mic, Mixer, Echo, Tone Control, Amplifier dan lain-lain.

Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal. Tegangan atau arus yang dipasang di satu terminalnya mengatur arus yang lebih besar yang melalui 2 terminal lainnya. Transistor adalah komponen yang sangat penting dalam dunia elektronik modern. Dalam  angkaian analog, transistor digunakan dalam amplifier (penguat). Rangkaian analog melingkupi pengeras suara, sumber listrik stabil, dan penguat sinyal radio. Dalam rangkaian-rangkaiandigital, transistor digunakan sebagai saklar berkecepatan tinggi. Beberapa transistor juga dapat dirangkai sedemikian rupa sehingga berfungsi sebagai logic gate, memori, dan komponen-komponen lainnya.

Prinsip yang di pakai didalam transistor sebagai penguat yaitu arus kecil pada basis dipakai untuk mengontrol arus yang lebih besar yang diberikan ke kolektor melalui transistor tersebut. Dari sini bisa kita lihat bahwa fungsi dari transistor adalah hanya sebagai penguat ketika arus basis akan berubah. Perubahan arus kecil pada basis inilah yang dinamakan dengan perubahan besar pada arus yang mengalir dari kolektor ke emitter.

Kelebihan dari transistor penguat bukan sekedar bisa menguatkan sinyal, namun transistor ini juga dapat di pakai sebagai penguat arus, penguat daya dan penguat tegangan. Di bawah ini gambar yang biasa di pakai dalam rangkaian transistor khususnya sebagai penguat yang biasa di pakai dalam rangkaian amplifier sederhana

Pembanding Input/Output dari rangkaian Penguat  dapat dilihat pada rangkaian Berikut:

Penguat Kelas A

Penguat kelas B

Penguat kelas AB

Berdasarkan cara pemasangan ground dan pengambilan output, transistor yang  sebagai penguat  dibagi menjadi tiga bagian yaitu:

1. Penguat Common Base (grounded-base)

Penguat Common Base adalah penguat yang kaki basis transistor di groundkan, lalu input di masukkan ke emitor dan output diambil pada kaki kolektor. Penguat Common Base mempunyai karakter sebagai penguat tegangan.

Sifat atau karakter pada Penguat Common Base adalah :

• Adanya isolasi input dan output tinggi sehingga Feedback lebih kecil
• Cocok sebagai Pre-Amp karena mempunyai impedansi input tinggi yang dapat menguatkan sinyal kecil
• Dapat dipakai sebagai penguat frekuensi tinggi (biasanya terdapat pada jalur UHF dan VHF)
• Dapat dipakai sebagai buffer atau penyangga

2. Penguat Common Emitor

Penguat Common Emitor adalah penguat yang kaki emitor transistor di groundkan, lalu input di masukkan ke basis dan output diambil pada kaki kolektor . serta mempunyai karakter sebagai penguat tegangan. Pada rangkaian ini Emitor di-ground-kan/ ditanahkan, Input adalah Basis, dan output adalah Collector.

Sifat atau karakter pada Transistor sebagai Penguat Common Emitor:

• Signal output berbeda phasa 180 derajat atau berbalik phasa sebesar 180 derajat terhadap sinyal input.
• Sangat memungkinkan adanya osilasi akibat feedback atau umpan balik positif,sehingga  untuk mencegahnya sering dipasang feedback negatif.
• Sering dipakai sebagai penguat audio (frekuensi rendah) terutama pada sinyal audio
• Mempunyai stabilitas penguatan rendah karena tergantung stabilitas suhu dan bias transistor

3. Penguat Common Collector

Penguat Common Collector adalah penguat  dimana kaki kolektor transistor di groundkan / ditanahkan , lalu input di masukkan ke basis dan output diambil pada kaki emitor dan penguat ini berkarakteristik sebagai penguat arus. Rangkaian ini hampir sama dengan Common Emitor tetapi outputnya diambil dari Emitor. Input dihubungkan ke Basis dan output dihubungkan ke Emitor. Rangkaian ini disebut juga dengan Emitor Follower (Pengikut Emitor) karena tegangan output hapir sama dengan tegangan input.

Sifat atau karakter pada Transistor sebagai Penguat Common Collector:

• Signal output dan signal input satu phasa (tidak terbalik seperti Common Emitor)
• Mempunyai penguatan tegangan sama dengan 1
• Mempunyai penguatan arus tinggi (sama dengan HFE transistor)
• Karena mempunyai Impedansi input tinggi dan impedansi output rendah sehingga cocok digunakan sebagai buffer

Penguat daya merupakan suatu rangkaian yang digunakan untuk menguatkan atau memperbesar sinyal masukan. Akan tetapi, proses yang terjadi sebenarnya adalah sinyal input direplika atau di copy lalu kemudian direka kembali menjadi sebuah sinyal yang lebih besar dan tentunya lebih kuat. Penguat daya biasanya digunakan pada rangkaian elektronika sebagai penguat sinyal informasi sebelum dikirmkan, sehingga penguat daya ini sangat penting, mengingat informasi yang dikirimkan dapat langsung sampai ke tujuan tanpa ada yang terhilang di tengah jalan.

Salah satu contohnya yaitu penguat daya audio (power aplifier) yang merupakan pesawat elektronika yang memiliki fungsi sebagai penguat sinyal suara yang berasal dari tape recorder, radio, CD player, preamp mic atau sebagainya. Pada saat tertentu alat elektronika tersebut nantinya akan mengalami penurunan akibat seringa digunakan atau lainnya, penurunan tersebut dapat berupa kekuatan suara yang keluar dari perangkat tersebut. Agar pada rangkaian penguat daya kembali memiliki output besar, maka harus didorong dengan perangkat tambahan.

Gambar Skema Rangkaian Penguat Daya

Hal tersebut tentunya membutuhkan power amplifier atau penguat daya. Dengan menggunakan penguat daya 50 watt dirancang berdasarkan diagram aplikasi lembar data LM3876. Beberapa modifikasi dari rangkaian tersebut telah dibuat agar nantinya menghasilkan kinerja yang lebih baik. Untuk rangkaian penguat daya ini dibekali dengan bipolar kapasitor elektrolitik C7 yang merupakan masukan dari DC kapasitor decoupling. R4 merupakan resistansi masukan, sedangkan R2 dan R1 dari kapasitor elektrolitik bipolar C5 membentuk rangkaian umpan balik.