op amp

Bab III

Operational Amplifier

Karakteristik Op-Amp

Kalau perlu mendesain sinyal level meter, histeresis pengatur suhu, osilator,

pembangkit sinyal, penguat audio, penguat mic, filter aktif semisal tapis nada bass,

mixer, konverter sinyal, integrator, differensiator, komparator dan sederet aplikasi

lainnya, selalu pilihan yang mudah adalah dengan membolak-balik data komponen yang

bernama op-amp. Komponen elektronika analog dalam kemasan IC (integrated circuits)

ini memang adalah komponen serbaguna dan dipakai pada banyak aplikasi hingga

sekarang. Hanya dengan menambah beberapa resitor dan potensiometer, dalam

sekejap (atau dua kejap) sebuah pre-amp audio kelas B sudah dapat jadi dirangkai di

atas sebuah proto-board.

3.1 Penguat diferensial

Op-amp dinamakan juga dengan penguat diferensial (differential amplifier).

Sesuai dengan istilah ini, op-amp adalah komponen IC yang memiliki 2 input tegangan

dan 1 output tegangan, dimana tegangan output-nya adalah proporsional terhadap

perbedaan tegangan antara kedua inputnya itu. Penguat diferensial seperti yang

ditunjukkan pada gambar-1 merupakan rangkaian dasar dari sebuah op-amp.

Gambar V.1 Penguat diferensial

PUSAT PENGEMBANGAN BAHAN AJAR-UMB Ismail Muchsin, ST., MT

ELETRONIKA & MOTOR LISTRIK 1

Pada rangkaian yang demikian, persamaan pada titik Vout adalah Vout = A(v1-v2)

dengan A adalah nilai penguatan dari penguat diferensial ini. Titik input v1 dikatakan

sebagai input non-iverting, sebab tegangan vout satu phase dengan v1. Sedangkan

sebaliknya titik v2 dikatakan input inverting sebab berlawanan phasa dengan tengangan

vout.

3.2 Diagram Op-amp

Op-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-2(a) berikut menunjukkan diagram dari op-amp yang terdiri dari

beberapa bagian tersebut.

Gambar V.2 (a) : Diagram blok Op-Amp

Gambar V.2 (b) : Diagram schematic simbol Op-Amp

Simbol op-amp adalah seperti pada gambar-2(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-2(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 sudah dibuat sejak tahun 1960-

an. 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. Tabel-1 menunjukkan beberapa parameter op-amp yang penting

beserta nilai idealnya dan juga contoh real dari parameter LM714.

Table V.1 Parameter op-amp yang penting

3.3 Penguatan Open-loop

Op-amp idealnya memiliki penguatan open-loop (AOL) yang tak terhingga. Namun

pada prakteknya op-amp semisal LM741 memiliki penguatan yang terhingga kira-kira

100.000 kali. Sebenarnya dengan penguatan yang sebesar ini, sistem penguatan op-

amp menjadi tidak stabil. Input diferensial yang amat kecil saja sudah dapat membuat

outputnya menjadi saturasi. Pada bab berikutnya akan dibahas bagaimana umpan balik

bisa membuat sistem penguatan op-amp menjadi stabil.

3.4 Unity-gain frequency

Op-amp ideal mestinya bisa bekerja pada frekuensi berapa saja mulai dari sinyal

dc sampai frekuensi giga Herzt. Parameter unity-gain frequency menjadi penting jika op-



amp digunakan untuk aplikasi dengan frekuensi tertentu. Parameter AOL biasanya

adalah penguatan op-amp pada sinyal DC. Response penguatan op-amp menurun

seiring dengan menaiknya frekuenci sinyal input. Op-amp LM741 misalnya memiliki

unity-gain frequency sebesar 1 MHz. Ini berarti penguatan op-amp akan menjadi 1 kali

pada frekuensi 1 MHz. Jika perlu merancang aplikasi pada frekeunsi tinggi, maka

pilihlah op-amp yang memiliki unity-gain frequency lebih tinggi.

3.5 Slew rate

Di dalam op-amp kadang ditambahkan beberapa kapasitor untuk kompensasi

dan mereduksi noise. Namun kapasitor ini menimbulkan kerugian yang menyebabkan

response op-amp terhadap sinyal input menjadi lambat. Op-amp ideal memiliki

parameter slew-rate yang tak terhingga. Sehingga jika input berupa sinyal kotak, maka

outputnya juga kotak. Tetapi karena ketidak idealan op-amp, maka sinyal output dapat

berbentuk ekponensial. Sebagai contoh praktis, op-amp LM741 memiliki slew-rate

sebesar 0.5V/us. Ini berarti perubahan output op-amp LM741 tidak bisa lebih cepat dari

0.5 volt dalam waktu 1 us.

3.6 Parameter CMRR

Ada satu parameter yang dinamakan CMRR (Commom Mode Rejection Ratio).

Parameter ini cukup penting untuk menunjukkan kinerja op-amp tersebut. Op-amp

dasarnya adalah penguat diferensial dan mestinya tegangan input yang dikuatkan

hanyalah selisih tegangan antara input v1 (non-inverting) dengan input v2 (inverting).

Karena ketidak-idealan op-amp, maka tegangan persamaan dari kedua input ini ikut

juga dikuatkan. Parameter CMRR diartikan sebagai kemampuan op-amp untuk

menekan penguatan tegangan ini (common mode) sekecil-kecilnya. CMRR

didefenisikan dengan rumus CMRR = ADM/ACM yang dinyatakan dengan satuan dB.

Contohnya op-amp dengan CMRR = 90 dB, ini artinya penguatan ADM (differential mode)

adalah kira-kira 30.000 kali dibandingkan penguatan ACM (commom mode). Kalau

CMRR-nya 30 dB, maka artinya perbandingannya kira-kira hanya 30 kali. Kalau

diaplikasikan secara real, misalkan tegangan input v1 = 5.05 volt dan tegangan v2 = 5

volt, maka dalam hal ini tegangan diferensialnya (differential mode) = 0.05 volt dan

tegangan persamaan-nya (common mode) adalah 5 volt. Pembaca dapat mengerti

dengan CMRR yang makin besar maka op-amp diharapkan akan dapat menekan

penguatan sinyal yang tidak diinginkan (common mode) sekecil-kecilnya. Jika kedua pin



input dihubung singkat dan diberi tegangan, maka output op-amp mestinya nol. Dengan

kata lain, op-amp dengan CMRR yang semakin besar akan semakin baik.

3.7 Penutup bagian ke-satu

LM714 termasuk jenis op-amp yang sering digunakan dan banyak dijumpai

dipasaran. Contoh lain misalnya TL072 dan keluarganya sering digunakan untuk

penguat audio. Tipe lain seperti LM139/239/339 adalah opamp yang sering dipakai

sebagai komparator. Di pasaran ada banyak tipe op-amp. Cara yang paling baik pada

saat mendesain aplikasi dengan op-amp adalah dengan melihat dulu karakteristik op-

amp tersebut. Saat ini banyak op-amp yang dilengkapi dengan kemampuan seperti

current sensing, current limmiter, rangkaian kompensasi temperatur dan lainnya. Ada

juga op-amp untuk aplikasi khusus seperti aplikasi frekuesi tinggi, open colector output,

high power output dan lain sebagainya. Data karakteristik op-amp yang lengkap, ya ada

di datasheet

Bab IV

Osilator Relaksasi

Telah dimaklumi, umpanbalik positif dapat menimbulkan osilasi pada keluaran

sistem loop tertutup. Pada tulisan berikut dipaparkan tipe osilator yang paling sederhana

yang dinamakan osilator relaksasi (relaxation oscillator). Osilator pembangkit gelombang

ini dibuat dengan op-amp komparator misalnya LM393.

4.1 Histeresis umpanbalik positif

Rangkaian VI.1 berikut adalah rangkaian osilator dengan satu komparator. Mari

kita analisa rangkaian ini bagian perbagian. Bagian pertama adalah rangkaian



umpanbalik (feedback) positif yang terdiri dari resistor R1 dan R2. Kedua resistor ini

tidak lain merupakan pembagi tegangan yang meng-umpanbalik-kan sebagian porsi dari

tegangan output komparator. Tengangan umpanbalik ini diumpankan kembali pada

masukan referensi positif komparator LM393. Kita sebut saja titik masukan ini titik

referensi positif atau dengan notasi +vref. Karena tegangan output komparator op-amp

bisa mecapai titik tertinggi (+Vsat) dan bisa juga ada pada titik terendah (-Vsat), maka

tegangan titik referensi ini juga akan berubah-ubah.

Jika tegangan keluaran op-amp ada pada titik tertinggi (+Vsat) maka tengangan

referensi op-amp pada saat ini adalah +vref = +BVsat. B diketahui adalah porsi

tegangan umpanbalik yaitu B = (R1/R2+R1). Kita sebut tegangan ini titik UTP (upper trip

point). Sebaliknya jika tegangan keluaran komparator ada pada titik terendah (-Vsat),

maka tegangan referensi positif pada saat ini adalah +vref = -BVsat dan kita namakan

tegangan tersebut titik LTP (lower trip point). Ini dikenal dengan histeresis.

Gambar VI.1 rangkaian osilator relaksasi dengan op-amp

4.2 Osilasi relaksasi

Bagian lain dari rangkaian gambar-1 adalah rangkaian umpanbalik negatif yang

terdiri dari resistor R dan kapasitor C. Sama halnya seperti rangkain umpanbalik positif,

tegangan referensi negatif pada bagian ini juga akan berubah-ubah tergantung dari



tegangan keluaran pada saat itu. Kita sebut saja titik referensi komparator ini -vref.

Bedanya, pada rangkaian umpanbalik negatif ada komponen C yang sangat berperan

dalam pembentukan osilasi. Tegangan -vref akan berbentuk eksponensial sesuai

dengan sifat pengisian kapasitor. Dari keadaan kapasitor C yang kosong, tegangan

akan menaik secara ekponensial. Namun pada rangkaian ini tegangan -vref tidak akan

dapat mencapai tegangan tertinggi +Vsat. Karena ketika tegangan -vref sudah

mencapai titik UTP maka keluaran komparator op-amp akan relaks menjadi -Vsat.

Demikian juga sebaliknya ketika tegangan keluaran op-amp relaks pada titik

saturasi terendah -Vsat, kapasitor C kembali kosong secara eksponensial. Tentu saja

pengosongan kapasitor C tidak akan sampai menyebabkan tegangan -vref mencapai -

Vsat. Ingat jika tegangan keluaran op-amp pada titik saturasi terendah (-Vsat), tegangan

referensi positif berubah menjadi titik LTP, sehingga ketika -vref < LTP tegangan

keluaran op-amp kembali relaks ke titik saturasi tertinggi (+Vsat). Demikian seterusnya

sehingga terbentuk osilasi pada keluaran komparator.

4.3 Frekuensi osilator

Demikian prinsip kerja osilator ini dan dinamakan osilator relaksasi sebab

tegangan keluarannya relaks pada titik saturasi tertinggi dan terendah. Berapa frekuensi

osilator yang dapat dibuat, bisa dihitung dari kecepatan pengisian dan pengosongan

kapasitor C melalui resistasi R. Pada gambar diagram waktu gambar-2, hendak

ditentukan berapa perioda T dari osilator. Karena T = 2t maka dihitung saja berapa nilai

t. Pada contoh ini t = t2-t1.



Gambar VI.2 diagram waktu frekuensi osilator

Masing-masing pada saat t2 dan t1 tengangan kapasitor adalah

Vt2 = Vsat (1-e-t2/RC) dan

Vt1 = Vsat (1 - e-t1/RC)

Perhatikan bahwa Vt2 = +BVsat dan Vt1 = -BVsat.

Dengan mengaplikasikan persamaan matematika eksponensial dari persamaan di atas

akan diperoleh :

t = t2-t1 = RC ln [( 1+B)/(1-B)]

dan

T = 2t = 2RC ln [( 1+B)/(1-B)]

Tentu frekuensi osilator dapat dihitung dengan f = 1/T. Sebagai contoh pada rangkaian

gambar 1, jika dihitung maka akan didapat T = 589 us atau f = 1.7 kHz.



Bab V

Osilator satu op-amp pembangkit gelombang sinus

Wien-bridge oscillator

Pembangkit gelombang sinus merupakan instrumen utama yang perlu ada

dalam tiap bengkel disain elektronika. Misalnya diperlukan untuk pengujian rangkaian

audio HiFi yang memerlukan sinyal sinusoidal sebagai input. Pada tulisan ini akan

dibahas fenomena osilator, bagaimana cara sinyal ini dibangkitkan dan realisasi

rangkaiannya. Ada banyak tipe-tipe osilator yang dikenal sesuai dengan nama

penemunya antara lain Amstrong, Colpitts, Hartley dan lain sebagainya. Namun pada

tulisan kali ini akan di kemukan osilator Wien-bridge yang dapat direalisasikan dengan

satu op-amp dan beberapa komponen pasif.

5.1 Bagaimana terjadi osilasi



Fenomena osilasi tercipta karena ada ketidak-stabilan pada sistem penguat

dengan umpanbalik. Untuk lebih jelas dapat dilihat pada gambar berikut, yaitu sistem

penguat A dengan umpan balik B. Biasanya sistem umpanbalik dibuat untuk mencapai

suatu keadaan stabil pada keluarannya dengan mengatur porsi penguatan umpanbalik

dengan nilai tertentu. Namun ada suatu keadaan dimana sistem menjadi tidak stabil.

Secara matematis sistem ini dimodelkan dengan rumus 1.

Gambar VII.1 : sistem penguat dengan umpanbalik

Rumus 1 model sistem penguat

Pada rumus 1, sistem menjadi tidak stabil jika 1+AB = 0 atau AB= -1. Sehingga

Vout/Vin pada rumus tersebut nilainya menjadi infinite. Keadaan ini dikenal dengan

sebutan kriteria Barkhausen. AB = -1 dapat juga ditulis dengan :

AB = 1 (F - 180o)

Inilah syarat terjadinya osilasi, jika dan hanya jika penguatan sistem keseluruhan

= 1 dan phasa sinyal tergeser (phase shift) sebesar 180o. Seperti yang sudah diketahui

pada rangkain filter pasif, satu tingkat (single pole) rangkaian RL atau RC dapat

menggeser phasa sinyal sebesar 90o. Setidak-tidaknya diperlukan rangkaian penggeser

phase 2 tingkat agar phasa sinyal tergeser 180o. Sebenarnya rangkaian LC adalah

pengeser phase 2 tingkat, namun untuk aplikasi frekuensi rendah (< 1 MHz) akan

diperlukan nilai induktansi L yang relatif besar dengan ukuran fisik yang besar juga.



Sehingga pada kali dihindari pemakaian induktor L tetapi menggunakan rangkaian

penggeser phasa RC 2 tingkat.

Gambar VII.2 rangkaian penggeser phasa RC 2 tingkat

Inilah rangkaian RC yang akan digunakan sebagai rangkaian umpanbalik pada sistem

pembangkit gelombang sinus yang hendak dibuat.

5.2 Rangkaian osilator Wien-bridge dengan satu op-amp

Osilator dinamakan demikian karena penemunya Max Wien lahir tahun 1866 di

Kaliningrad Rusia dan tinggal di Jerman adalah orang pertama yang mencetuskan ide

penggeser phasa 2 tingkat. Secara utuh bentuk rangkaian tersebut ada pada gambar

VI.3 berikut. Rangkain ini merupakan analogi dari sistem umpanbalik seperti model

gambar-1. Tentu anda sekarang dapat menunjukkan dimana penguat A dan yang mana

umpanbalik dengan penguatan B.



Gambar VII.3 rangkaian wien-bridge oscillator

Dari teori diketahui penguatan A adalah penguatan op-amp yang dibentuk oleh

rangkaian resistor Rf dan Rg yang dirangkai ke input negatif op-amp. Rumus

penguatannya adalah :

Rumus 2 penguatan op-amp

Pada rangkain gambar VII.3 diketahui Rf = 2Rg, sehingga dengan demikian

besar pengguat A = 3. Dengan hasil ini, untuk memenuhi syarat terjadinya osilasi

dimana AB = 1 maka B penguatannya harus 1/3. Karena keterbatasan ruang, pembaca

dapat menganalisa sendiri rangkaian penggeser phasa pada gambar-2 dengan

pesyaratan osilasi yaitu Vout/Vin = 1/3. Pembaca akan menemukan bahwa rangkaian

penggeser phasa tersebut akan mencapai nilai maksimum pada satu frekuensi tertentu.

Nilai maksimun ini akan tercapai jika wC = R dan diketahui w = 2pf. Selanjutnya jika

diuraikan dapat diketahui besar frekuensi ini adalah :



Rumus 3 frekuensi resonansi

Ini yang dikenal dengan sebutab frekuensi resonansi (resonant frequency). Dengan

demikian osilator wien yang dibuat akan menghasilkan gelombang sinus dengan

frekuensi resonansi tersebut.

5.3 Dimana Jembatannya

Mengapa rangkaian ini diberi embel-embel jembatan (bridge) ? Dimana

jembatannya ? Pertanyaan ini mungkin sedikit mengganggu pikiran anda yang tidak

melihat ada jembatan pada rangkaian gambar VI.3. Bagaimana kalau gambar VI.3 di

buat kembali menjadi gambar VI.4 berikut ini.

Gambar VII.4 jembatan Wien

Tentu sekarang anda sudah dapat melihat ada jembatannya bukan. Ya, rangkaian yang

berbentuk seperti dioda bridge itulah jembatannya, jembatan Wien.

5.4 Distorsi frekuensi resonansi



Dengan menggunakan rumus 3, rangkaian gambar VII.3 (atau gambar VII.4)

akan menghasilkan gelombang sinusoidal dengan frekuensi 1.59 kHz. Tetapi kalau anda

berkesempatan mencoba rangkaian ini dan mengukur hasilnya dengan osiloskop atau

frekuesi counter, ternyata frekuensi resonansinya adalah 1.65 kHz. Hal ini memang

diketahui karena adanya distorsi pada rangkaian penggeser phasa yang non-linier.

Untuk mengkompensasi distorsi tersebut, dapat digunakan rangkaian umpanbalik

nonlinear. Misalnya dengan mengganti resistor Rg dengan lampu dc 6volt 1 watt, tentu

besar resistor Rf juga harus disesuaikan agar tetap nilainya lebih kurang 2Rg. Besar

arus yang melewati lampu tidak akan menyalakannya, tetapi cukup untuk memanaskan

filamennya. Besar resistansi lampu akan berubah-ubah karena pasan sesuai dengan

besar arus yang melewatinya. Ini yang membuat penguatan op-amp mejadi tidak liner.

Pada rangkaian pembangkit sinyal sinus jembatan Wien yang lebih profesional biasanya

kompensasi ini dibuat dengan menambahkan rangkaian AGC (automatic gain

controller).



op amp

Documents

gambar vii

ismail muchsin

differential mode

motor listrik

common mode

eletronika

gambar vi

amp