modul vi-andi

5/13/2018 MODUL VI-andi - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/modul-vi-andi 1/11

MODUL VI

PENGUAT INSTRUMENTASI

I. PENDAHULUAN

Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup (closed loop) dengan masukan

diferensial, dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi nisbah penolakan modus

bersama (Common Mode Rejection Ratio - CMRR). Fungsi utama penguat instrumentasi

adalah untuk memperkuat tegangan yang tepat berasal dari suatu sensor atau tranducer

secara akurat.

II. TUJUAN PRAKTIKUM

- Mengetahui tentang rangkaian penguat instrumentasi

- Memahami bagian ± bagian rangkaian penguat instrumentasi

- Menganalisa penurunan rumus rangkaian instrumentasi

III. ALAT DAN KOMPONEN

1. 1 set osiloskop dan probe

2. Multimeter

3. 2 Set function generator

4. Kabel jumper secukupnya

5. 2 Set power suplly Variabel DC (+ -)

6. Potensiometer (10K) 4 buah

7. IC Op-Amp (LM741)

IV. TEORI DASAR

Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup (closed loop) dengan masukan

diferensial, dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi nisbah penolakan modus

bersama (Common Mode Rejection Ratio - CMRR). Fungsi utama penguat instrumentasi

adalah untuk memperkuat tegangan yang tepat berasal dari suatu sensor atau tranducer

secara akurat.Rangkaian ekuivalen penguat instrumentasi adalah sebagai berikut.



Gambar VI.1: rangkaian ekuivalen suatu penguat instrumentasi

Keterangan :

Besaran R icm adalah hambatan atau impedansi masukan difeensial. e0,0 adalah tegangan

keluaran tanpa beban (terbuka) dan R 0 adalah hambatan atau impedansi keluaran. Karena

penguat instrumentasi adalah penguat loop terbuka. Maka tak perlu dipasang rangkaian

umpanbalik untuk menggunakannya seperti halnya penguat operasional (op-amp).Penguat

instrumentasi yang bermutu tinggi dibuat dalam bentuk hybrid yaitu campuran IC dan

komponen diskrit.Satu contoh penguat instrumentasi adalah penguat Burr-Brown

3620.Spesifikasi penguat ini adalah sebagai berikut:

Drift rendah : 25 µv/oc

Bising rendah : 1 µVpp

CMRR tinggi : 100 dB

Impedansi masukan tinggi : 300 M (diferensial) dan 1G CM (common mode)

Kisaran penguatan : 1 hingga 10.000

Penguat instrumentasi dapat dibuat dengan menggunakan op-amp. Mutu penguat ini

bergantung pada mutu op-amp yang digunakan yang menyangkut offset masukan,

impedansi masukan, drift pada tegangan keluaran, CMRR, PSRR dan sebagainya.

Disamping itu CMRR dan ketepatan penguatan op-amp amat bergantung kepada presisi



dari komponen pasif yang digunakan.Marilah kita bahas 2 rangkaian penguat instrumentasi

menggunakan op-amp.

Rangkaian yang lazim digunakan orang untuk membuat penguat instrumentasi dengan op-

amp adalah sepertigambar IV.2.

Gambar VI.2 suatu penguat instrumentasi

Kita dapat bagi rangkaian di atas menjadi dua bagian yaitu bagian 1 terdiri dari OA1 dan

OA2, dan bagian 2 terdiri dari OA3. Marilah kita bahas bagian II lebih bagian kitalu kiskan

lagi pada gambar berikut.

Gambar VI.3 rangkaian penguat diferensial menggunakan op-amp



Oleh karena hambatan masukan diferensial dari op-amp amat tinggi maka dapat dianggap

I1 = 14 = 0 sehingga:

Ia = Ia¶ danI b = I b¶

Dengan menggunakan hukum Kirchoff kita peroleh :

ea ± V o = (R2 + R6 ) I a

eb ± 0 = (R5 + R7 ) I b

selanjutnya kita gunakan suatu sifat op-amp yang lain yaitu bahwa masukan inverting dan

non inverting ada dalam keadaan hubung singkat virtual oleh sebab ini:

V o = -I a R6 + I 6 R7

Dari ketiga persamaan ini kita peroleh :

V o= -I a R6 + I 6 R7 V o =

eb ± (ea - V o )

V o = ( 1+

)(

eb ±

ea )

Agar tegangan Vo sebanding dengan selisih tegangan isyarat masukan maka harus dibuat

agar :

=

atau

=

Sebaiknya digunakan R 5=R 2 dan R 7=R 6 maka:

V o = ( 1+

)(

eb-ea )

V o=-

(ea-eb)

Jadi, Av,dif =

= -

Penguatan common mode dapat kita peroleh bila kita gunakan

eb = ea = eCM ««««««««««««««««««««««««..(1)



Gambar VI.4 Rangkaian penguat diferensial dengan menggunakan common mode.

Persamaan menjadi

V o = ( 1+

)(

±

)eCM ««««««««««««««««««(2)

Seperti telah digunakan di atas jika digunakan R7=R6 dan R5=R2 kita peroleh penguat

diferensial akan tetapi dalam prakteknya tidak mungkin membuat dua hambatan tepatsama.

Resistor yang dijual ditoko mempunyai toleransi minimum 1%.

Misalkan

±

= ¨<< 1

Maka V o = ( 1+

)¨eCM

Av,CM =

=( 1 +

)¨

Dari persamaan di atas kita peroleh common mode Rejection ratio.

CMRR=

=

(

)

CMRR= (

)

Tampak bila ¨ = 1% = 0.01 dan R 2 = R 6 maka CMRR = 60 = 30 dB

Jadi agar diperoleh CMRR yang tinggi diperlukan komponen dengan presisi yang tinggi

pula.

Marilah kita kembali kepada gambar VI.2 dan kita lukiskan bagian I



Gambar VI.5 bagian I rangkaian pada gambar VI.2

Oleh karena masukan inverting dan non inverting pada op-amp ada pada keadaan

hubung singkat virtual, maka tegangan pada titik A = ea dan pada titik B = e b,

disamping itu karena hambatan masukan diferensial pada op-amp mempunyai harga

sana besar maka arus I1 = I2 = 0 akibatnya:

V PQ = V P ± V Q = I (R1 + R3 + R4 )

Akan tetapi V A ± V b = ea ± eb = IR3

Sehingga I =

Sehingga V = ( 1 +

)(ea ± eb )

Persamaan eb = ea = eCM maka VPQ = 0 sehingga Av,CM= 0, yang berarti bahwa pada

rangkaian gambar IV.2 penurunan CMRR disebabkan oleh bagian II saja. Ini berarti

bahwa dipandang dari segi CMRR hanya R 2, R 6, R 5dan R 7 yang harus mempunyai

nilai yang presisi.

Penguatan dari seluruh rangkaian gambar IV.2 dapat diperoleh dengan

menggabungkan persamaan 1 dan 2 yaiu :

Av,dif = ( 1 +

)(

)



Suatu contoh rangkaian instrumentasi ditunjukan pada gambar IV.6 yang digunakan adalah

tipe CA 3140 yaitu CMOS-input op-amp dengan Zin(CM)=1012, CMRR=90dB, unity gain

bandwith 7,5 MHz dan PSRR = 90dB. IC CA 3240 adalah dua CA 3140 yaitu dalam satu

IC ada dua op-amp seperi CA 3140.

Gambar VI.6 penguat diferensial presisi

Spesifikasi penguat diatas adalah respon frekuensi (-3 dB) dc hingga 1 Mhz; slew rate

= 1,5 V/us, CMRR = 86 dB.Penguatan = 35-60 dB.

Suatu rangkaian penguat instrumentasi lain ditunjukkan padagambar VI.7



Gambar IV.7 suatu rangkaian penguat instrumentasi

Rangkaian diatas digunakan penguat instrumentasi buatan Burr Brown yaitu BB 3627,

suatu penguat insrumentasi dengan drift amat rendah. Keuntungan dibandingkan dengan

rangkaian pertama adalah hanya diperlukan dua op-amp dan empat buat resistor. R5 tak

perlu dipasang bila diinginkan penguatan tegangan sama besar. (1+

)

Kita gunakan dua sifat op-amp yaitu bahwa masukan invering dan non inverting ada dalam

keadaan hubung singkat virtual, dan bahwa hambatan diferensial antara kedua masukan ini

amat besar.Sehingga arus yang masuk dapat diabaikan. Dari gambar IV.7 kita peroleh

Io = I1+I2

Io =(Eo- Ea)/ R 4

I1= (Ea - E b)(1+

) / R 3

I2 =(Ea ± E b)/ R 5

Dari hubungan ± hubungan di atas kita dapatkan :

Eo= Ea (1+

+

) ± E b (

+

+

)

Bila dibuat agar R 2R 4 = R 1R 3 yaitu dengan memilih R 2 = R 3dan R 4 = R 5 maka



Eo= (1+

+

) (Ea-E b)

Io = I1+I2

I2 =(Ea ± E b)/ R 5

I3 =

± I2

Ec ± Ea = R 2(

-

)

Ec = Ea +

+

-

= Ea (1 +

+

) -

I1 =

=

(E b (1 +

) ± Ea (1+

+

))

Io = I1+I2

=

(E b (1 +

) ± Ea (1+

+

)) +

Vo ± E b = R 4Io

=

[E b (1 +

) ± Ea (1+

+

)] +

(E b - Ea)

= E b +

E b (1 +

) ± Ea

(1+

+

) +

(E b - Ea)

= E b (1+

+

+

) ± Ea (1+

+

+

+

)

(1+

+

+

+

+

+

) = 1

R 4 = R 1R 2 = R 3

= (E b - Ea)(1+

+

-

)

= (E b - Ea)(1+

+

-2

)

= (E b - Ea)(100 + 2

)

Atau Av,dif = (1+

+

) bila R 2 R 4 tidak tepat sama dengan R 1R 3, sehingga dapat

dituliskan

= 1 + ¨

Dengan ¨ << 1 maka untuk isyara Ea = E b = ECM



Eo = ( ) ECM

Kita peroleh Common Mode Rejection yaitu :

CMMR =

¨

Tampak bahwa R 5 tidak mempengaruhi AV,CM sehingga dapat digunakan untuk mengatur

penguatan tanpa mengubah CMRR.

V. PROSEDUR PRAKTIKUM

A. Rangkaian penguat differensial menggunakan op-amp

1. Rangkaliah sebuah rangkaian sesuai dengan gambar VI.3

2. Berikan VA = 5V, VB = 0 V(ground), dan frekuensi 1Khz-10Khz. Ubah nilai

potensiometer pada R2, R5, R6, dan R7 sesuai dengan di jurnal

3. Berikan VCC = + 20 V, VDD = -20 V

4. Isi data-data yang diperlukan di jurnal

5. Gambarkan bentuk sinyal input dan sinyal output pada jurnal

6. Tentukan nilai penguatannya

B. Rangkaian penguat differensial menggunakan common mode

1. Rangkaliah sebuah rangkaian sesuai dengan gambar VI.4

2. Berikan VCM = 5 V, dan frekuensi 1Khz-10Khz

3. Ubah nilai potensiometer pada R2, R5, R6, dan R7 sesuai dengan di jurnal

4. Ukur tegangan di V0



7. Tentukan nilai penguatannya CMMR-nya



C. Rangkaian Penguat Instrumentasi

1. Rangkailah sebuah rangkaian sesuai dengan gambar VI.5

2. Berikan VA = 5V , VB = 10V, dan frekuensi 1Khz-10Khz

3. Tentukan nilai R2, R5, R6, dan R7 sesuai dengan di jurnal



6. Tentukan nilai penguatan instrumentasinya

modul vi-andi

Documents