06-rangkaian penguat berbasis op-amp

PSEA 6-Penguat Berbasis Op-Amp

MODUL-6

RANGKAIAN PENGUAT BERBASIS OP-AMP

Tujuan:

Setelah mengikuti perkuliahan dengan pokok bahasan ini, mahasiswa akan dapat merancang dan melakukan analisis rangkaian penguat sinyal kecil (small signal amplifier, SSA) berbasis piranti Operational Amplifier (Op-Amp).

Materi:1. Karakteristik Op-Amp Ideal2. Rangkaian Op-Amp Dasar3. Rangkaian Penguat Lanjut4. Karakteristik Op-Amp Sebenarnya

6.1 KARAKTERISTIK OPERATIONAL AMPLIFIER

Sebuah Penguat Operasional (Operational Amplifier, disingkat Op-Amp) pada dasarnya adalah piranti tiga terminal yang terdiri atas dua terminal input impedansi tinggi yang disebut sebagai Inverting Input (ditandai dengan V-) dan Non-inverting Input (ditandai dengan V+). Dan terminal satunya adalah Output. Rangkaian Op-Amp ideal diberikan pada gambar 6.1.

Gambar 6.1: Rangkaian Ekivalen Ideal Op-Amp

Karakteristik sebuah Op-Amp ideal adalah sebagai berikut:

Nama Parameter Simbol Nilai Ideal Nilai Riel

Arus Masukan IIN 0 rendah (<0,5 μ A)

Tegangan Offset Masukan VOS 0 rendah (<10 mV,0,2 μ A)

Impedansi Masukan ZIN tinggi (>10 M Ω)

Impedansi Keluaran ZOUT 0 rendah (<500 Ω)

Gain (Penguatan) a sangat tinggi (>104)

Bandwidth (lebar pita frekuensi) fBW

CMRR CMRR Tinggi (>70 dB)

Modul-6 Hal-1


Ada dua aturan dasar dalam desain menggunakan Op-Amp, yaitu:

Aturan arus: tidak ada arus mengalir diantara dua terminal masukan (inverting, V- dan non inverting, V+).

Aturan tegangan: tidak ada beda tegangan antara V- dan V+, atau V-=V+. (V-

selalu mengukuti tegangan di V+).

6.2 RANGKAIAN OP-AMP DASAR

Inverting Amplifier

Gambar 6.2: Konfigurasi Inverting Amplifier

Untuk analisis rangkaian ini, kita ikuti aturan dasarnya, yaitu:

Tegangan V2=V1; dalam hal ini V1 dinamakan sebagai bumi semu (Virtual Earth).

Tidak ada arus yang mengalir dari V2 ke V1 dan sebaliknya.

I in=I F

V in−V 2R in

=V 2−V outRF

V in−0Rin

=0−V outRF

V inRin

=−V outRF

V out=−RFRinV in

Impedansi input rangkaian inverting amplifier adalah:

Modul-6 Hal-2


Zin=V inI in

=R in

Non-inverting Amplifier

Gambar 6.3: Konfigurasi Non-Inverting Amplifier

Analisis untuk rangkaian ini sama dengan analisis untuk rangkaian non-inverting:

I in=I F

0−V 1R in

=V 1−V outRF

Sekarang nilai V 1=V 2=V in

, sehingga

0−V inRin

=V in−V outRF

−RFV inR in

=V in−V out

V out=(RFR in+1)V inImpedansi input rangkaian non-inverting amplifier adalah sama dengan impedansi input dari Op-Amp (karena Vin langsung terhubung dengan terminal non-inverting op-amp).

Buffer Amplifier (Unity Gain Buffer, Voltage Follower)

Modul-6 Hal-3


Gambar 6.4: Konfigurasi Buffer

Rangkaian ini merupakan rangkaian non-inverting dengan kondisi Rf=0, dan Rin=∞. Sehingga Vout rangkaian ini dapat diturunkan dari rangkaian non-inverting untuk kondisi tersebut, yakni:

V out=(RFR in+1)V inV out=( 0∞+1)V in=V inKeuntungan menggunakan rangkaian ini adalah impedansi input rangkaian

sangat tinggi, yaitu impedansi input internal Op-Omp dikalikan dengan penguatan dalam kondisi open loop. Dan juga impedansi output yang sangat rendah yaitu sama dengan impedansi output Op-Amp.

Dari beberapa macam penguatan di atas dapat kita buat resum tentang besarnya penguatan adalah seprti dinyatakan pada gambar 6.5

Gambar 6.5: Resume Gain Sebuah Rangkaian Amplifier

6.3 RANGKAIAN PENGUAT LANJUT

Summing Amplifier

Rangkaian Summing Amplifier diberikan paga gambar 6.6. Menurut KCL, besarnya arus pada input inverting dapat dihitung, dimana:

Modul-6 Hal-4


Gambar 6.6: Rangkaian Summing Amplifier

I in=I F

I 1+ I 2+ I 3=I F

dengan cara yang sama dengan analisis yang telah dilakukan pada inverting amplifier, maka:

(V 1−V−

R1 )+(V 2−V−

R2 )+(V 3−V−

R3 )=V−−V outRF

karena V−=0

maka:

(V 1R1 )+(V 2R2 )+(V 3R3 )=−V outRF

V out=−(RFR1 V 1+RFR2V 2+

RFR3V 3)

Untuk R1=R2=R3=Rin

maka

V out=−RFRin

(V 1+V 2+V 3 )

atau jika V 1=V 2=V 3=V in

maka

V out=−(RFR1 +RFR2

+RFR3 )V in=−( 1R1+

1R2

+ 1R3 )RFV in

Differential Amplifier

Modul-6 Hal-5


Gambar 6.7: Rangkaian Defferential Amplifier

Rangkaian Differential Amplifier sangat penting sebagai rangkaian dasar penjumlah maupun pengurang. Rangkaian defferential amplifier (penguat selisih) diberikan pada gambar 6.7. Analisis rangkaian ini dapat dilakukan sebagai berikut:

Aturan yang tetap berlaku adalah:

I in=I F I 1=I F

V−=V + V a=V b

Selanjutnya nilai Vb dapat ditentukan melalui:

V b=R4

R2+R4V 2

Sehingga:

V 1−( R4V 2R2+R4 )R1

=( R4V 2R2+R4 )−V out

R3

R3V 1−(R3R4V 2R2+R4 )=( R1R4V 2R2+R4 )−R1V out

R1V out=(R1R4V 2R2+R4 )+(R3R4V 2R2+R4 )−R3V 1

R1V out=(R1R4V 2+R3R4V 2R2+R4 )−R3V 1

Sehingga didapatkan:

Modul-6 Hal-6


V out=(R1R4V 2+R3R4V 2(R2+R4 )R1 )− R3R1 V 1

V out=(R1+R3R2+R4 )(R4R1 )V 2−

R3R1V 1

Untuk R1=R2 dan R3=R4

maka

V out=(R1+R3R1+R3 )(R3R1 )V 2−

R3R1V 1

V out=(R3R1 )(V 2−V 1 )

Dan jika Untuk R1=R2 = R3=R4

maka

V out=(V 2−V 1 )

Instrumentation Amplifier

Instrumentation Amplifier (penguat instrumentasi) adalah rangkaian yang sangat penting dalam pengkondisian sinyal analog. Sebuah Instrumentation Amplifier adalah high gain differential amplifiers dengan high input impedance dan sebuah single ended output, dan umunya digunakan untuk menguatkan sinyal diferensial yang sangat kecil, misalnya dari strain gauge atau thermocouple. Rangkaian Instrumentation Amplifiers diberikan pada gambar 6.x di bawah ini.

Modul-6 Hal-7


Gambar 6.8: Rangkaian Instrumentation Amplifier

Analisis rangkaian di atas dapat dilakukan sebagai berikut:

Bagian belakang rangkaian tersebut adalah defferential amplifier, sehingga output rangkaian dapat dinyatakan dalam:

V out=(R4R3 )(V b−V a )

Sedangkan

V b=( R20,5R1

+1)V 2=( 2R2R1 +1)V 2

V a=( R20,5R1

+1)V 1=( 2R2R1 +1)V 1

Sehingga

V out=(R4R3 )(2R2R1

+1)(V 2−V 1 )

Integrator Amplifier

Rangkaian penting lainnya dalam pengkondisi sinal adalah integrator atau integrator amplifier. Sesuai dengan namanya, rangkaian ini menintegrasikan sinyal input yang masuk di terminal inverting. Rangkaian integrator dapat dilihat pada gambar 6.9

Modul-6 Hal-8


Gambar 6.9: Rangkaian Integrator Amplifier

Analisis rangkaian ini adalah sebagai berikut:

I in=I F

disini besarnya IF adalah:

IF=IC ( t)=Cd (V−−V out )

dt=−C d

dtV out

Sehingga

V inRin

=−C ddtV out

ddtV out=−

V inCRin

V out=− 1CRin

∫0

t

V in .dt

Gambar 6.10 merupakan hubungan sinyal input dan sinyal output dalam integrator di atas. Dalam gambar tersebut waktu kurva naik adalah RC, sehingga dinamakan sebagai kontanta waktu RC. Landai-tegaknya kurva ditentukan oleh konstanta waktu ini. Untuk masukan gelombang kotak, maka keluaranya merupakan gelombang segitiga. Namun demikian pengturan konstanta waktu RC berperan penting dalam pembentukan gelombang ini.

Dalam pemakaian praktis, rangkaian integrator seperti pada gambar 6.9 tidak dapat diterapkan karena ketika kapasitor sudah jenuh (saturated) dia tidak dapat membuang muatannya. Sebagai gantinya rangkaian tersebut dimodifikasi seperti terlihat pada gambar 6.11. Keuntungan rangkaian yang baru ini dapat digunakan juga sebagai pengatur Gain (penguatan).

Modul-6 Hal-9


Gambar 6.10: Hubungan sinyal inpu-output pada rangkaian integrator

Gambar 6.11: Rangkaian integrator praktis

Differentiator Amplifier

Rangkaian ini merupakan kebalikan dari rangkaian integrator. Rangkaian defferentiator diberikan pada gambar 6.12.

Gambar 6.12: Rangkaian Differentiator Amplifier

Analisis rangkaian ini adalah sebagai berikut:

Modul-6 Hal-10


I in=I F

disini besarnya IF adalah:

I in=IC (t )=CdV indt

Sehingga

CddtV in=−

V outRF

V out=−RFCddtV in

Gambar 6.13: Bentuk gelombang Differentiator

6.4 KARAKTERISTIK OP-AMP SEBENARNYA

Sampai saat ini, analisis rangkaian yang telah dilakukan adalah dengan pendekatan Op-Amp ideal. Misalnya impedansi masukan yang tinggi, impedansi output yang rendah, gain tegangan tinggi dan bandwidth yang lebar. Sedangkan pada kenyataannya kondisi tersebut tidak mungkin dapat dicapai. Piranti Op-amp yang sebenarnya, mempunyai beberapa keterbatasan, khususnya dalam hal:

Input Bias Current Input Offset Voltage Bandwidth Rise time dan Slew Rate

Input Bias Current

Sampai sekarang kita telah diasumsikan bahwa, untuk op-amp yang ideal tidak ada arus yang masuk ke op-amp, artinya impedansi input op-amp tak hingga. Padahal

Modul-6 Hal-11


kenyataannya sebuah op-amp memiliki bias arus yang kecil, pada masing-masing terminalnya. Perhatikan bahwa bias arus masukan sangat kecil, biasanya dalam kisaran nA sampai dengan pA. Perlu diingat bahwa arus bias diperlukan untuk berfungsinya transistor yang membentuk tahap masukan dalam rangkaian op-amp. Sebagai contoh, marilah kita analisi rangkaian inverting amplifier dengan memperhatikan arus bias masukan (IB).

Gambar 6.14: Rangkaian Inverting dengan IB tidak sama dengan nol

Pada rangkaian ini V+ di ground-kan sehingga V+=0.

V−=V +=0

Menurut KCL

I 1=I F+ IB

0−V−

R1=V−−V outRF

+ IB

0R1

=−V outRF

+ IB

V out=RF IB

Dari sini tampak bahwa walaupun IB sangat kecil, namun jika RF sangat besar akan diperoleh Vout yang juga signifikan. Untuk mengatasi masalah ini, dalam desain umumnya dipasang R kompensasi, sehingga rangkaian di atas dimodifikasi menjadi gambar 6.15.

Modul-6 Hal-12


Gambar 6.15: Bentuk Rangkaian Inverting termodifikasi

Analisis kembali rangkaian ini memberikan:

V +=−RIB=−(R1 // RF )IB

V−=V +=−(R1 // RF )I B

Menurut KCL

0−V−

R1=V−−V outRF

+ IB

V outRF

=V−( 1R1+1RF )+ IB

V outRF

=V−( 1R1+1RF )+ IB

V outRF

=−(R1 // RF) IB( 1R1 // RF )+ IB

V out=−IB+ IB=0

Sekarang V out=0

Input Offset Voltage

Walaupun koreksi resistor untuk mengatasi arus bias IB telah diterapkan, namun tegangan output Op-amp tetap tidak bisa nol untuk kondisi input sama dengan nol. Masalah ini dapat diatasi dengan cara memberi tegangan (bisa positif atau negatif) pada terminal masukan op-amp yang bersesuaian. Tegangan ini dinamakan sebagai input offset voltage (tegangan offset input). Metode ini dinamakan sebagai offset-null. Beberapa Op-amp telah menyediakan terminal untuk memberikan tegangan offset masukan, seperti terlihat pada gambar di bawah ini.

Modul-6 Hal-13


Gambar 6.16: Cara melakukan offset null

Bandwidth

Kebanyakan piranti elektronik hanya bekerja pada jangkauan atau range frekuensi tertentu, yang disebut sebagai lebar pita frekuensi atau bandwidth. Bandwidth rangkaian Op-Amp tergantung pada gain loop tertutupnya. Batasan bandwidth ini ditentukan oleh “gain-bandwidth product (GBW)”. GBW didefinisikan sebagai perkalian gain loop tertutup dengan BW, atau:

GBW=ACL x BW

Dalam rangkaian Op-Amp, GBW adalah konstan, artinya jika ACL membesar maka BW mengecil dan sebaliknya.

Rise time dan Slew Rate

Rise time (TR) adalah ukuran seberapa cepat Op-Amp merespon input transien. Dalam suatu rangkaian Op-Amp, Rise Time berbanding terbalik dengan BW nya, dan diberikan oleh persamaan:

RT=0 ,35BW

Parameter penting lainnya yang ada hubungannya dengan fekuensi adalah Slew Rate, yang didefinisikan sebagai maksimum rate dimana tegangan output op-amp dapat berubah sebagai fungsi waktu. Slew Rate umumnya dinyatakan dalam volt per micro-second (V/µs).

Modul-6 Hal-14


Gambar 6.17: Slew-Rate pada Op-Amp

Common Mode (CM) dan CM Rejection Ratio (CMRR)

Common Mode of Operation, yakni kondisi yang terjadi ketika V- sama dengan V+, dimana untuk kondisi ini sebuah Op-Amp ideal mempunyai Vout=0. Namun tidak demikian halnya pada kenyataannya.

Gambar 6.18: Kondisi Common Mode (CM)

Jika kedua masukan Op-Amp (terminal inverting dan non-inverting) diberi tegangan yang sama, maka dikatakan Op-Amp dalam konfigurasi Common Mode (CM). Dalam kondisi ini, maka tegangan outputnya seharusnya adalah nol. Namun karena ketidaksempurnaan Op-Amp, maka tegangan output ini tidak dapat nol. Jika pada konfigurasi ini tegangan masukan-nya adalah VCM dan tegangan keluarannya adalah VOCM, maka gain common-mode didefinisikan sebagai:

ACM=VOCMV CM

Istilah lain dalam definisi ini adalah Comon-Mode Rejection Ratio (CMRR), yaitu rasio antara gain deferensial (AD) dengan gain common-mode (ACM).

CMRR=ADACM

Karena ACM sangat kecil, maka CMRR umumnya nilainya sangat besar, sehingga biasanya dinyatakan dalam desibel (dB), yakni:

CMRR ( dB)=20 logADACM

Umumnya nilai CMRR sekitar 100 dB.

Modul-6 Hal-15

06-rangkaian penguat berbasis op-amp

Documents