Operational Amplifier (Op-Amp)

Operasional amplifier atau op-amp ini merupakan salah satu komponen analog yang popular digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp popular yang paling sering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan differensiator. Sebuah op-amp merupakan sebuah rangkaian integrasi ( IC ) linear yang mampu memberikan penguatan yang sangat besar dan dapat dioperasikan pada interval tegangan yang cukup lebar.Pada mulanya op-amp digunakan untuk rangkaian perhitungan analog, rangkaian pengaturan dan instrumentasi. Fungsi utamanya adalah untuk melakukan operasi linier matematika (tegangan dan arus), integrasi dan penguatan. Kini op-amp dapat dijumpai di mana saja, dlam berbagai bidang: reproduksi suara, sistem komunikasi, sistem pengolahan digital, elektronik komersial, dan aneka macam perangkat hobi. Dalam konfigurasinya kita akan menemukan op-amp dengan masukan dan keluaran tunggal, masukan dan keluaran diferensial, atau masukan diferensial dan keluaran tunggal.

I. Pengertian Dasar Op-AmpOp-amp IC adalah peranti solid-state yang mampu mengindera dan memperkuat sinyal masukan baik DC maupun AC. Op-amp IC yang khas terdiri atas tiga rangkaian dasar, yakni penguat diferensial impedansi masukan tinggi, penguat tegangan penguatan tinggi, dan penguat keluaran impedansi rendah (biasanya pengikut emiter push-pull). Perhatikan, lazimnya op-amp memerlukan catu positif dan catu negatif. Karena catunya demikian, tegangan keluarannya dapat berayun positif atau negatif terhadap bumi.Pada Op-Amp memiliki 2 rangkaian feedback (umpan balik) yaitu feedback negatif dan feedback positif dimana Feedback negatif pada op-amp memegang peranan penting. Secara umum, umpanbalik positif akan menghasilkan osilasi sedangkan umpan balik negatif menghasilkan penguatan yang dapat terukur. Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier (penguat diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp ada yang dinamakan input inverting dan non-inverting. Op-amp yang ideal memiliki open loop gain (penguatan loop terbuka) yang tak terhingga besarnya. Seperti misalnya op-amp LM741 yang sering digunakan oleh banyak praktisi elektronika, memiliki karakteristik tipikal open loop gain sebesar 104 ~ 105. Penguatan yang sebesar ini membuat op-amp menjadi tidak stabil, dan penguatannya menjadi tidak terukur (infinite). Disinilah peran rangkaian negative feedback (umpanbalik negatif) diperlukan, sehingga op-amp dapat dirangkai menjadi aplikasi dengan nilai penguatan yang terukur (finite).Impedasi input op-amp ideal mestinya adalah tak terhingga, sehingga mestinya arus input pada tiap masukannya adalah 0. Sebagai perbandingan praktis, op-amp LM741 memiliki impedansi input Zin = 106 Ohm. Nilai impedansi ini masih relatif sangat besar sehingga arus input op-amp LM741 mestinya sangat kecil.Ada dua aturan penting dalam melakukan analisa rangkaian op-amp berdasarkan karakteristik op-amp ideal. Aturan ini dalam beberapa literatur dinamakan golden rule, yaitu :1. Perbedaan tegangan antara input v+ dan v- adalah nol(v+ - v- = 0 atau v+ = v- )2. Arus pada input Op-amp adalah nol(i+ = i- = 0)

Ii. Karakteristik dan Parameter Dasar Op-AmpKarakteristik op-amp yang terpenting adalah:1. Impedansi masukan amat tinggi, sehingga arus masukan praktis dapat diabaikan.2. Penguatan lup terbuka - amat tinggi.3. Impedansi keluaran amat rendah, sehingga keluaran penguat tidak terpengaruh oleh pembebanan.Jika Anda paham akan karakteristik dan parameter peranti elektronik, tentunya akan lebih mudah bagi Anda untuk memahami penggunaannya dalam rangkaian. Dengan mengetahui apa-apa yang bisa diharapkan dari sebuah op-amp, Anda akan dibantu dalam merancang dan memperbaiki rangkaian yang menggunakan op-amp.Bagian ini akan menjelaskan informasi-inforimasi yang bertalian dengan karakteristik dan prameter op amp yang dipakai dalam rangkaian pada umumnya. Impedansi masukkanIdealnya impedansi masukkan op amp adalah tak terhingga, namun dalam kenyataannya hanya mencapai 1 M atau lebih, berberapa op amp khusus ada yang memiliki impedansi masukkan 100 M, semakin tinggi impendansi masukkan semakin baik penampilan op amp tersebut, pada frekuensi tinggi kapasitansi masukkan op amp banyak berpengaruh lazimnya kapasitansi ini kurang dari 2 pF, bila sebuah terminal masukkan op-amp dibumikan.

Impedansi KeluaranIdealnya impedansi keluaran adalah nol. Kenyataannya, berbeda beda untuk setiap op-amp. Impedansi keluaran bervariasi antara 25 sampai ribuan ohm. Untuk kebanyakan pemakaian, impedansi keluaran dianggap nol, sehingga op-amp akan dianggap berfungsi sebagai sumber tegangan yang mampu memberikan arus dari berbagai macam beban. Dengan impedansi masukan yang tinggi dan impedansi keluaran yang rendah op-amp akan berperan sebagai peranti penyesuai impedansi. Arus Bias MasukanSecara teoritis impedansi masukan tak berhingga besarnya, sehingga seharusnya tak ada arus masukan. Namun, akan ada sedikit arus masukan pada khususnya dalam ordo pikoampere sampai mikroampere. Harga rata-rata kedua arus ini dikenal sebagai arus bias masukan. Arus ini dapat menggoyahkan kestabilan op-amp, sehingga mempengaruhi keluaran. Pada umumnya makin rendah arus bias masukan, kian rendah pula kelabilannya. Op-amp yang menggunakan transistor efek medan (FET) pada masukan-masukannya memiliki arus bias masukan terendah. Tegangan Offset KeluaranTegangan offset keluaran (tegangan kesalahan) disebabkan oleh arus bias masukan. Bila tegangan kedua masukan sama besar, keluaran op-amp akan nol volt. Namun jarang ditemukan kejadian seperti ini, sehingga pada keluarannya akan ada sedikit tegangan. Keadaan seperti ini dapat diatasi dengan teknik penolan offset yaitu dengan menambahkan arus atau tegangan offset masukan. Arus Offset MasukanKedua arus masukan seharusnya sama besar sehingga tegangan keluarn nol. Tapi ini tidak mungkin, karena itu harus ditambahkan arus offset masukan untuk menjaga supaya keluaran tetap nol volt. Dengan perkataan lain, untuk. memperoleh keluaran nol volt, sebuah masukan mungkin menarik arui lebih besar daripada lainnya. Arus offset ini dapat mencapai 20 mA. Tegangan Offset MasukanIdealnya tegangan keluaran op-amp nol manakala tegangan kedua masukan nol. Namun, berkenaan dengan penguatan op-amp yang tinggi, adanya sedikit ketakseimbangan dalam rangkaian akan mengakibatkan munculnya tegangan keluaran. Dengan memberikan sedikit tegangan offset pada sebuah masukannya, tegangan keluaran dapat dinolkan kembali. Penolan OffsetAda bermacam-macam cara pemberian tegangan offset masukan untuk menolkan kembali tegangan keluaran. Pabrik-pabrik op-amp telah memasukkan hal ini ke dalam perhitungan dan dalam. lembaran data mereka telah diberikan rekomendasi terbaik untuk op-amp-op-amp tertentu. Pengaruh TemperaturPerubahan temperatur mempengaruhi semua peranti solid state, tak terkecuali op-amp. Rangkaian DC yang menggunakan op-amp cenderung lebih rentan terhadap pengaruh ini dibandingkan rangkaian AC. Perubahan temperatur dapat menyebabkan perubahan arus offset dan tegangan offset, inilah yang disebut geseran. Drift yang disebabkan oleh temperatur akan mengganggu setiap ketakseimbangan op-amp yang telah diatur sebelumnya, akibatnya pada keluaran akan terjadi kesalahan. Kompensasi FrekuensiKarena penguatan op-amp yang tinggi dan adanya pergeseran fasa antar rangkaian internal, maka pada frekuensi tinggi tertentu sebagian sinyal keluaran akan diumpankan kembali ke dalam masukan, sehingga terjadi osilasi. Tidak jarang orang menambahkan kapasitor kompensasi pada op-amp, entah secara internal maupun eksternal, tujuannya adalah untuk mencegah osilasi ini dengan jalan menurunkan penguatan op-amp ketika frekuensi dinaikkan. Laju LantinganLaju lantingan atau slew rate adalah laju perubahan maksimurn tegangan keluaran op-amp. Laju ini dinyatakan sebagai Op-amp 741 serba guna memiliki laju lantingan 0,5 V/s, yang berarti tegangan keluaran maksimum dapat berubah 0,5 V dalam Is. Kapasitansi membatasi kemampuan "pelantingan" ini dan keluaran akan mengalami penundaan setelah diumpankan masukan, seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 5. Lebih kerap lagi, kapasitor kompensasi frekuensi baik itu internal maupun eksternal, menyebabkan pembatasan kemampuan laju lantingan di dalam op amp.

Gambar : Penolan off set

\ Gambar : Contoh laju dan bentuk gelombangPada frekuensi-frekuensi tinggi atau pada laju perubahan sinyal yang tinggi, pembatasan-laju lantingan lebih sering terjadi. Laju lantingan adalah parameter penampilan-sinyal besar. Biasanya laju lantingan dinyatakan pada penguatan satu. Op-amp dengan laju lantingan lebih tinggi memiliki lebar-jalur yang lebih besar. Tanggapan FrekuensiPenguatan op-amp turun terhadap kenaikan frekuensi. Penguatan yang.diberikan pabrik biasanya dinyatakan pada nol Hertz atau DC. Dalam modus lup terbuka, penguatan turun amat cepat sejalan dengan peningkatan frekuensi. Bila frekuensi naik 10 kali maka penguatan turun menjadi 1/10 kalinya. Titik breakover terjadi pada 70,7% penguatan maksimum. Lazimnya lebar-jalur dinyatakan pada titik di mana penguatan turun 70,7% dari skala maksimumnya. Karena itu, lebar-jalur lup terbuka sekitar 10 Hz untuk contoh ini.Untungnya, op-amp biasanya memerlukan umpan balik yang sifatnya degeneratif dalam rangkaian-rangkaian penguat. Umpan balik inilah yang memperlebar jalur rangkaian. Untuk penguatan lup tertutup sebesar 100, lebar-jalur meningkat sampai kira-kira 100 kHz. Bila penguatan diturunkan menjadi l0, lebar-jalur akan melebar menjadi 100 kHz, Titik penguatan satu terjadi pada 1 MHz, titik ini disebut frekuensi penguatan satu. Frekuensi penguatan satu merupakan titik acuan, pada titik inilah kebanyakan op-amp dinyatakan oleh pabriknya. DerauSebagaimana rangkaian elektronika lainnya, op-amp juga peka terhadap derau. Derau luar dijangkitkan oleh peranti listrik atau berasal dari derau bawaan komponen-komponen elektronik (resistor, kapasitor, dan sebagainya) yang beroperasi dalam daerah frekuensi dari 0,01 Hz sampai beberapa MHz. Derau luar ini dapat ditindas asalkan rangkaian dirakit dengan benar. Derau internal opamp ditimbulkan oleh komponen-komponen internal, arus bias, dan juga drift. Derau-derau ini ikut diperkuat oleh op-amp, sebagaimana halnya tegangan offset dan tegangan sinyal. Penguatan derau dinyatakan dalam penguatan derau = 1 + RF/RinDerau internal dapat diperkecil dengan menggunakan resistor masukan seri dan resistor umpan bahk sekecil mungkin yang masih memenuhi persyaratan rangkaian. Pemintasan resistor umpan balik dengan sebuah kapasitor kecil (3 pF) juga akan menurunkan penguatan derau pada frekuensi-frekuensi tinggi. Perlindungan Hubung SingkatOp-amp dapat menjangkitkan arus yang membahayakan bila keluarannya terhubung singkat ke bumi, +Vc atau -Vc, dari catu, kecuali bila dilengkapi perlindungan hubung singkat. Kebanyakan tipe op-amp belakangan ini dilengkapi dengan pelindung hubung singkat semacam ini, namun tipe-tipe lama belum dilengkapi. Pembatasan ListrikSeperti peranti-peranti solid state yang lain, op-amp memiliki kendala-kendala listrik yang tak boleh dilanggar, agar mereka bekerja dengan benar dan tidak terjadi perusakan. Kendala ini biasanya disebut dengan tarif maksimum absolut. Di antaranya :a. Catu daya V (tegangan maksimum yang masih aman yang boleh dikenakan pada peranti, termasuk catu positif dan negatif).b. Disipasi daya (besarnya panas yang masih aman yang dapat dilepaskan oleh peranti untuk suatu pengoperasian yang kontinyu dalam selang waktu yang diberikan).c. Tegangan masukan diferensial (tegangan masukan dalam batas aman yang boleh diberikan di antara kedua masukan tanpa Tegangan masukan. Tegangan maksimum yang masih dapat diberikan di antara terminal-terminal masukan dan bumi. Besarnya tegangan masukan ini tak boleh melampaui tegangan catu biasanya 15 V).d. Lama hubung singkat keluaran (Selang waktu op-amp dapat bertahan terhadap, hubung singkat langsung dari terminal keluaran ke bumi atau ke terminal catu lainnya).e. Kisar temperatur pengoperasian (daerah temperatur di mana op-amp akan bekerja sesuai dengan spesifikasi yang diberikan. Peranti komersial bekerja pada 0 70oC, peranti industri bekerja pada -25 85oC, dan peranti militer bekerja pada -55 125oC).f. Kisar temperatur penyimpanan (batas-batas temperatur penyimpanan yang masih aman, lazimnya -65 150oC).g. Temperatur kaki (temperatur di mana peranti dapat bertahan dalarn selang waktu tertentu. ketika proses penyolderan kaki-kaki terminal sedang berlangsung. Tarif ini biasanya 300oC untuk selang waktu 10 - 60 detik).

III. Diagram Blok Op-ampOp-amp di dalamnya terdiri dari beberapa bagian, yang pertama adalah penguat diferensial, lalu ada tahap penguatan (gain), selanjutnya ada rangkaian penggeser level (level shifter) dan kemudian penguat akhir yang biasanya dibuat dengan penguat push-pull kelas B. Gambar (a) berikut menunjukkan diagram dari op-amp yang terdiri dari beberapa bagian tersebut.Gambar (a) : Diagram Blok Op-Amp

Gambar (b) : Diagram Schematic Simbol Op-Amp

Simbol op-amp adalah seperti pada gambar (b) dengan 2 input, non-inverting (+) dan input inverting (-). Umumnya op-amp bekerja dengan dual supply (+Vcc dan Vee) namun banyak juga op-amp dibuat dengan single supply (Vcc ground). Simbol rangkaian di dalam op-amp pada gambar (b) adalah parameter umum dari sebuah op-amp. Rin adalah resitansi input yang nilai idealnya infinit (tak terhingga). Rout adalah resistansi output dan besar resistansi idealnya 0 (nol). Sedangkan AOL adalah nilai penguatan open loop dan nilai idealnya tak terhingga.Saat ini banyak terdapat tipe-tipe op-amp dengan karakterisktik yang spesifik. Op-amp standard type 741 dalam kemasan IC DIP 8 pin. Untuk tipe yang sama, tiap pabrikan mengeluarkan seri IC dengan insial atau nama yang berbeda. Misalnya dikenal MC1741 dari motorola, LM741 buatan National Semiconductor, SN741 dari Texas Instrument dan lain sebagainya. Tergantung dari teknologi pembuatan dan desain IC-nya, karakteristik satu op-amp dapat berbeda dengan op-amp lain.

OPERATIONAL AMPLIFIER (OP-AMP)

OLEH:

NENSI TALLAMMA1212141019C

JURUSAN FISIKAFAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAMUNIVERSITAS NEGERI MAKASSAR2014