chapter 10

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

    a) Prosedur

    b) Rangkaian simulasi dan prinsip kerja

    c) Video simulasi

6. Download File

1. Pendahuluan [kembali]

         Operational Amplifier atau lebih dikenal dengan Op-Amp adalah komponen elektronika aktif yang banyak digunakan dalam berbagai rangkaian analog, seperti penguat sinyal, filter, pengubah sinyal (konversi sinyal), komparator, hingga integrator dan diferensiator. Op-Amp memiliki dua input (inverting dan non-inverting) serta satu output, dan bekerja dengan penguatan tegangan yang sangat tinggi. Dalam praktikum ini, akan dipelajari cara kerja dasar dari Op-Amp dan penerapannya dalam rangkaian penguat pembalik (inverting amplifier), penguat tidak pembalik (non-inverting), dan kemungkinan konfigurasi lainnya.    

Penguat operasional (operational amplifier atau disingkat op-amp) merupakan salah satu komponen dasar yang sangat penting dalam bidang elektronika analog. Op-amp dirancang sebagai penguat tegangan dengan tingkat penguatan yang sangat tinggi, serta memiliki karakteristik masukan impedansi tinggi dan impedansi keluaran rendah. Komponen ini pertama kali dikembangkan untuk digunakan dalam komputer analog, namun seiring waktu penggunaannya meluas ke berbagai aplikasi seperti penguat sinyal, filter aktif, pembanding (comparator), integrator, dan diferensiator.

Dengan konfigurasi rangkaian eksternal yang sederhana, op-amp mampu melakukan berbagai fungsi matematis terhadap sinyal analog, seperti penjumlahan, pengurangan, integrasi, dan diferensiasi. Fleksibilitas dan keandalannya menjadikan op-amp sebagai komponen kunci dalam desain rangkaian analog modern, baik dalam sistem pengolahan sinyal, kontrol otomatis, maupun peralatan medis dan komunikasi. Oleh karena itu, pemahaman yang baik terhadap prinsip kerja dan karakteristik op-amp sangat penting bagi siapa saja yang mempelajari atau bekerja di bidang teknik elektro dan elektronika.

2. Tujuan [kembali]

• Memahami konsep dasar dan karakteristik ideal op-amp.
• Menjelaskan prinsip kerja op-amp dalam berbagai konfigurasi dasar.
• Menganalisis dan menghitung parameter penting pada rangkaian op-amp.
• Mengembangkan kemampuan merancang rangkaian analog berbasis op-amp.
• Mengetahui aplikasi praktis op-amp dalam bidang teknik dan industri

3. Alat dan Bahan [kembali]

    A. Alat

        1. Function Generator                                                                       

                  Function Generator adalah alat uji yang berfungsi untuk membangkitkan                    berbagai macam bentuk gelombang

        2. Oscilloscope

            Oscilloscope adalah alat ukur yang berfungsi untuk memproyeksikan

        bentuk sinyal listrik agar dapat dilihat dan dipelajari

        3. VSINE

                VSINE berfungsi sebagai sumber tegangan AC.

    B. Bahan

        1. Dioda

            adalah komponen  yang terdiri dari dua kutub yang berfungsi menyearahkan arus            listrik.

                                                

        2. Resistor

                Resistor adalah komponen yang bersifat menghambat arus listrik

                                        

        3. Ground

          Ground adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak               balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian        elektronika.

    4. Baterai

            Baterai berfungsi sebagai sumber tegangan DC.

4. Dasar Teori [kembali]

            Clippers adalah jaringan yang menggunakan dioda untuk memotong sebagian dari       sinyal input tanpa mendistorsi (mengganggu)  bagian dari bentuk gelombang yang          diterapkan. ada dua kategori clippers : seri dan paralel.

    a. seri

         Rangkaian dan bentuk gelombang input Vi dan output VO seperti gambar 2.68.            Pada saat tegangan input Vi bertegangan setengah gelombang positif maka arus dari       Vi mengalir ke dioda D1, terus ke tahanan R dan kembali ke Vi, sehingga tegangan        setengah gelombang positif terbentuk di tahanan R. Dan sebaliknya pada saat                    tegangan input bertegangan setengah gelombang negatif maka dioda D1 tidak aktif            sehingga tegangan di VO = VR = 0 Volt.

Gambar 2.68 Clipper seri

b. Seri dengan DC

    Penambahan pasokan DC ke jaringan seperti pada gambar 2.69 dapat dikatakan sebagai sebagai efek pada analisis konfigurasi seri cli1. Alat

• Voltmeter 

     Voltmeter adalah alat ukur yang digunakan untuk menentukan besaran tegangan listrik atau beda potensial pada suatu elektronika atau rangkaian listrik dalam besaran tertentu. Cara pemakaiannya adalah dengan memparalelkan kaki-kaki Voltmeter dengan komponen yang akan diuji tegangannya.

                                  

• Amperemeter 

    Amperemeter adalah alat ukur listrik yang digunakan untuk mengetahui seberapa besar kuat arus listrik pada yang mengalir pada suatu rangkaian.

                               

2. Bahan

Resistor

   Resistor atau disebut juga dengan Hambatan adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menghambat dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian elektronika. Satuan nilai Resistor atau Hambatan adalah Ohm.

 

     Spesifikasi dari resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat dihantarkan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, derau listrik (noise), dan induktansi. Resistor dapat diintegrasikan kedalam sirkuit hibrida dan papan sirkuit cetak, bahkan sirkuit terpadu. Untuk mengetahui nilai resistansi dari suatu resistor, dapat dilihat dari tabel berikut:

Terdapat bebrapa cara untuk menghitung nilai resistansi suatu resistor yaitu :

• Kapasitor 

Kapasitor adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menyimpan dan melepaskan muatan listrik dalam bentuk medan listrik. Kapasitor mempunyai satuan Farad dari Michael Faraday

                                                        

• Baterai

Baterai adalah alat elektro kimia yang berfungsi untuk menyimpan tenaga listrik dalam bentuk tenaga kimia atau bisa juga untuk menyediakan dan menyuplai energi listrik. Tenaga listrik yang tersimpan akan dialirkan lagi untuk memberikan arus listrik seperti pada lampu posisi, lampu indikator, lampu rem belakang dan klakson. Kontruksi baterai terdiri dari kotak baterai yang didalamnya terdapat elektrolit asam sulfat, elektrode positif, dan elektrode negatif.

                           

• Ground

Ground atau pembumian adalah titik yang dianggap sebagai titik kembalinya arus listrik arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan (referensi) dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik di dalam rangkaian elektronika. Ground atau pertanahan adalah sistem pengamanan pada instalasi listrik dimana jika terjadi kebocoran tegangan atau arus maka listrik akan langsung mengalir ke tanah sehingga tidak menimbulkan bahaya.

4. Dasar Teori (kembali)

Op-Amp (Operational Amplifier) adalah suatu komponen elektronik aktif yang berfungsi sebagai penguat tegangan dengan penguatan sangat tinggi dan digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi rangkaian analog. Komponen ini memiliki dua input, yaitu input inverting (−) dan non-inverting (+), serta satu output. Disebut "operational" karena pada awal penggunaannya, Op-Amp digunakan dalam komputer analog untuk melakukan operasi matematika seperti penjumlahan, pengurangan, integrasi, dan diferensiasi. Op-Amp ideal memiliki beberapa karakteristik penting, seperti penguatan tegangan terbuka (open-loop gain) yang tak terhingga, impedansi input yang sangat tinggi, impedansi output yang sangat rendah, bandwidth tak terbatas, serta tegangan offset input yang nol. Meskipun Op-Amp nyata tidak sepenuhnya memenuhi sifat ideal tersebut, berbagai jenis Op-Amp seperti LM741 dan TL081 cukup mendekati karakteristik ideal untuk berbagai keperluan praktis.

Simbol Op-Amp digambarkan sebagai segitiga dengan dua terminal input dan satu output. Terminal input terdiri dari input non-inverting (V⁺) dan input inverting (V⁻), sedangkan output berada di sisi berlawanan dari segitiga tersebut. Op-Amp dapat dikonfigurasikan dalam berbagai bentuk rangkaian seperti penguat inverting, penguat non-inverting, pengikut tegangan (voltage follower), integrator, diferensiator, dan summing amplifier. Secara matematis, tegangan output Op-Amp ideal dirumuskan dengan persamaan: 

Vout​: Tegangan output Op-Amp

AOL​: Penguatan tegangan open-loop (tanpa umpan balik), nilainya sangat besar (idealnya tak hingga)

V+​: Tegangan pada input non-inverting

V−​: Tegangan pada input inverting

Namun dalam praktik, Op-Amp hampir selalu digunakan dengan umpan balik negatif, sehingga persamaan output-nya bergantung pada konfigurasi rangkaiannya. Berikut beberapa contoh persamaan untuk konfigurasi umum:

 

10.5 Practical OP AM Sircuit (For fig. 10.41)

Op-amp dapat dihubungkan dalam sejumlah besar sirkuit untuk menyediakan berbagai operasi. Salah satunya adalah differentiator (sirkuit pembeda). Sirkuit pembeda ditunjukkan pada Gambar. 10.41 . Meski tidak seberguna sirkuit bentuk yang dibahas di atas, pembeda memang memberikan operasi yang berguna, hubungan yang dihasilkan untuk sirkuit adalah vo(t) = -RCdv1(t) / dx 

10.6 OP-AMP SPECIFICATIONS-DC OFFSET PARAMETERS (For 10.42 dan 10.43)

Dalam teori ideal, sebuah operational amplifier (op-amp) seharusnya menghasilkan output sebesar nol volt ketika kedua terminal input-nya diberikan tegangan nol volt. Namun dalam praktiknya, op-amp nyata memiliki ketidaksempurnaan internal yang menyebabkan munculnya tegangan output meskipun tidak ada sinyal masukan. Ketidaksempurnaan ini dikenal sebagai tegangan offset dan arus offset. Tegangan offset input (input offset voltage atau VIO) adalah tegangan kecil yang harus diterapkan antara kedua terminal input agar output menjadi nol volt. Nilai VIO ini biasanya tercantum dalam datasheet dan menjadi salah satu parameter penting dalam spesifikasi op-amp.

Selain tegangan offset, terdapat pula arus offset input (input offset current), yaitu selisih arus bias yang mengalir ke terminal input inverting dan non-inverting. Ketidaksamaan arus ini juga menghasilkan tegangan offset tambahan pada output. Tegangan offset output yang muncul akibat VIO dapat dianalisis menggunakan hubungan dasar op-amp, yaitu Vo = A × Vi, di mana Vo adalah tegangan output, A adalah penguatan (gain), dan Vi adalah tegangan input efektif akibat offset. Dalam perancangan sistem analog, khususnya yang membutuhkan presisi tinggi seperti penguat sinyal lemah atau sensor, keberadaan offset ini harus diperhitungkan dengan cermat karena dapat menyebabkan kesalahan pada output yang signifikan. Oleh karena itu, pemahaman terhadap parameter offset menjadi dasar penting sebelum merancang atau menerapkan op-amp dalam berbagai aplikasi elektronik.

Rumus: VO = AVi = A (VIO – VO) R1/R1+R

dengan itu,  VO=VIO A/1+A(R1/R1+Rf), setara dengan VIO A/A(R1/R1+Rf)    

Jadi, VO(offset) = VIO R1+Rf/R1 

Differentiatorop amp adalah rangkaian penguat operasional yang menghasilkan output tegangan yang proporsional dengan turunan waktu dari tegangan inputnya. Secara matematis, outputnya diberikan oleh persamaan:

dimana R adalah resistor umpan balik dan C adalah kapasitor input. Konsep utama dari rangkaian ini adalah bahwa kapasitor pada input menghasilkan arus yang sebanding dengan laju perubahan tegangan input, karena arus kapasitor iC memenuhi hubungan:

Karena input non-inverting op amp terhubung ke ground (0 V), maka titik input inverting berada pada virtual ground, sehingga arus yang mengalir melalui kapasitor sama dengan arus yang mengalir melalui resistor umpan balik. Dengan menggunakan hukum Kirchhoff pada node input inverting dan sifat ideal op amp (arus input nol), diperoleh hubungan:

atau disederhanakan menjadi:

Output ini memiliki tanda negatif yang menunjukkan adanya pergeseran fase 180° antara input dan output. Karena penguatan diferensial ini meningkat seiring frekuensi, rangkaian differentiator rentan terhadap noise dan sinyal frekuensi tinggi yang tidak diinginkan, sehingga dalam praktik sering ditambahkan resistor kecil pada input atau kapasitor pada jalur umpan balik untuk membatasi bandwidth dan meningkatkan stabilitas.

Differentiator op amp banyak digunakan dalam aplikasi seperti deteksi tepi sinyal, pemrosesan sinyal analog, pembentukan gelombang, dan sistem kontrol yang memerlukan pengukuran laju perubahan sinyal.

Offset Op Amp

Offset op amp mengacu pada fenomena tegangan offset input dan output yang muncul akibat ketidaksempurnaan internal komponen op amp, terutama transistor input. Tegangan offset input adalah tegangan kecil yang harus diterapkan pada input agar output op amp menjadi nol, meskipun input diferensial seharusnya nol. Tegangan offset ini dapat menyebabkan kesalahan pengukuran dan distorsi sinyal, terutama pada aplikasi presisi tinggi.

Penyebab utama offset adalah perbedaan karakteristik transistor input, arus bias input yang tidak seimbang, dan ketidaksempurnaan proses fabrikasi. Tegangan offset ini dapat diperhitungkan sebagai tegangan tambahan yang muncul pada input dan diterjemahkan ke output melalui penguatan op amp.

Untuk mengatasi offset, beberapa metode umum digunakan, antara lain:

• Offset Nulling: Menggunakan pin offset null pada op amp dan potensiometer eksternal untuk mengatur dan menghilangkan tegangan offset.
• Pemilihan Op Amp dengan Offset Rendah: Memilih op amp dengan spesifikasi offset input yang sangat kecil.
• Kompensasi dan Kalibrasi: Menambahkan rangkaian kompensasi offset atau melakukan kalibrasi sistem secara berkala.

5. Percobaan [kembali]

A. Prosedur 

Step 1    : Buka Aplikasi Proteus 

Step 2    : Susun dan siapkan komponen 

Step 3    : Rangkai komponen

Step 4    : Mulai simulasi pada proteus 

Step 5    : Amati rangkaian yang dibuat

B. Rangkaian simulasi dan prinsip kerja

Foto Rangkaian

Figure 10.41

Figure 10.42

Figure 10.43

6. Download File [kembali]

A. Download Simulasi Rangkaian Proteus 

   

B. Download Materi Pembelajaran

    Buku Referensi [klik disini]

[menuju awal]