Penguat Operasional (Op-Amp)
Penguat operasional (Op Amp) adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial yang telah dijelaskan di atas. Penguat operasional memilki dua masukan dan satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang tinggi. Untuk dapat bekerja dengan baik, penfuat operasional memerlukan tegangan catu yang simetris yaitu tegangan yang berharga positif (+V) dan tegangan yang berharga negatif (-V) terhadap tanah (ground). Berikut ini adalah simbol dari penguat operasional:
Gambar 1. Op-Amp
1.
Penguat Operasional
Penguat
operasional (Op Amp) adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa
tingkat dan konfigurasi penguat diferensial yang telah dijelaskan di atas.
Penguat operasional memilki dua masukan dan satu keluaran serta memiliki
penguatan DC yang tinggi. Untuk dapat bekerja dengan baik, penguat operasional
memerlukan tegangan catu yang simetris yaitu tegangan yang berharga positif
(+V) dan tegangan yang berharga negatif (-V) terhadap tanah (ground). Berikut
ini adalah simbol dari penguat operasional:
2.
Karakteristik Ideal Penguat Operasional
Penguat
operasional banyak digunakan dalam berbagai aplikasi karena beberapa keunggulan
yang dimilikinya, seperti penguatan yang tinggi, impedansi m`sukan yang tinggi,
impedansi keluaran yang rendah dan lain sebagainya. Berikut ini adalah
karakteristik dari Op Amp ideal:
1.
Penguatan tegangan lingkar
terbuka (open-loop voltage gain) AVOL = ¥-
2.
Tegangan ofset keluaran (output
offset voltage) VOO = 0
3.
Hambatan masukan (input
resistance) RI = ¥
4.
Hambatan keluaran (output
resistance) RO = 0
5.
Lebar pita (band width) BW
= ¥
6.
Waktu tanggapan (respon
time) = 0 detik
7.
Karakteristik tidak
berubah dengan suhu
Kondisi
ideal tersebut hanya merupakan kondisi teoritis tidak mungkun dapat dicapai
dalam kondisi praktis. Tetapi para pembuat Op Amp berusaha untuk membuat Op Amp
yang memiliki karakteristik mendekati kondisi-kondisi di atas. Karena itu
sebuah Op Amp yang baik harus memiliki karakteristik yang mendekati kondisi
ideal. Berikut ini akan dijelaskan satu persatu tentang kondisi-kondisi ideal
dari Op Amp.
3.
Penguatan Tegangan Lingkar Terbuka
Penguatan
tegangan lingkar terbuka (open loop voltage gain) adalah penguatan diferensial
Op Amp pada kondisi dimana tidak terdapat umpan balik (feedback) yang
diterapkan padanya seberti yang terlihat pada gambar 2.2. Secara ideal,
penguatan tegangan lingkar terbuka adalah:
AVOL = Vo / Vid
= - ¥
AVOL = Vo/(V1-V2) = - ¥
Tanda
negatif menandakan bahwa tegangan keluaran VO berbeda fasa dengan tegangan
masukan Vid. Konsep tentang penguatan tegangan tak berhingga tersebut sukar
untuk divisualisasikan dan tidak mungkin untuk diwujudkan. Suatu hal yang perlu
untuk dimengerti adalah bahwa tegangan keluaran VO jauh lebih besar daripada
tegangan masukan Vid. Dalam kondisi praktis, harga AVOL adalah antara 5000
(sekitar 74 dB) hingga 100000 (sekitar 100 dB).
Tetapi
dalam penerapannya tegangan keluaran VO tidak lebih dari tegangan catu yang
diberikan pada Op Amp. Karena itu Op Amp baik digunakan untuk menguatkan sinyal
yang amplitudonya sangat kecil.
4.
Tegangan Ofset Keluaran
Tegangan
ofset keluaran (output offset voltage) VOO adalah harga tegangan keluaran dari
Op Amp terhadap tanah (ground) pada kondisi tegangan masukan Vid = 0. Secara
ideal, harga VOO = 0 V. Op Amp yang dapat memenuhi harga tersebut disebut
sebagai Op Amp dengan CMR (common mode rejection) ideal.
Tetapi
dalam kondisi praktis, akibat adanya ketidakseimbangan dan ketidakidentikan
dalam penguat diferensial dalam Op Amp tersebut, maka tegangan ofset VOO
biasanya berharga sedikit di atas 0 V. Apalagi apabila tidak digunakan umpan
balik maka harga VOO akan menjadi cukup besar untuk menimbulkan saturasi pada
keluaran. Untuk mengatasi hal ini, maka perlu diterapakan tegangan koreksi pada
Op Amp. Hal ini dilakukan agar pada saat tegangan masukan Vid = 0, tegangan keluaran VO juga = 0. Apabila
hal ini tercapai.
5.
Hambatan Masukan
Hambatan masukan
(input resistance) Ri dari Op Amp adalah besar hambatan di antara kedua masukan
Op Amp. Secara ideal hambatan masukan Op Amp adalah tak berhingga. Tetapi dalam
kondisi praktis, harga hambatan masukan Op Amp adalah antara 5 kW
hingga 20 MW, tergantung pada tipe Op Amp.
Harga ini biasanya diukur pada kondisi Op Amp tanpa umpan balik. Apabila
suatu umpan balik negatif (negative feedback) diterapkan pada Op Amp, maka
hambatan masukan Op Amp akan meningkat.
Dalam
suatu penguat, hambatan masukan yang besar adalah suatu hal yang diharapkan.
Semakin besar hambatan masukan suatu penguat, semakin baik penguat tersebut
dalam menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil. Dengan hambatan masukan
yang besar, maka sumber sinyal masukan tidak terbebani terlalu besar.
6.
Hambatan Keluaran
Hambatan
Keluaran (output resistance) RO dari Op Amp adalah besarnya hambatan dalam yang
timbul pada saat Op Amp bekerja sebagai pembangkit sinyal. Secara ideal harga
hambatan keluaran RO Op Alp adalah = 0. Apabula hal ini tercapai, maka seluruh
tegangan keluaran Op Amp akan timbul pada beban keluaran (RL), sehingga dalam
suatu penguat, hambatan keluaran yang kecil sangat diharapkan.
Dalam
kondisi praktis harga hambatan keluaran Op Amp adalah antara beberapa ohm
hingga ratusan ohm pada kondisi tanpa umpan balik. Dengan diterapkannya umpan
balik, maka harga hambatan keluaran akan menurun hingga mendekati kondisi
ideal.
7.
Lebar Pita
Lebar
pita (band width) BW dari Op Amp adalah lebar frekuensi tertentu dimana
tegangan keluaran tidak jatuh lebih dari 0,707 dari harga tegangan maksimum
pada saat amplitudo tegangan masukan konstan. Secara ideal, Op Amp memiliki
lebar pita yang tak terhingga. Tetapi dalam penerapannya, hal ini jauh dari
kenyataan.
Sebagian
besar Op Amp sebagian memiliki lebar pita hingga 1 MHz dan biasanya diterapkan
pada sinyal dengan frekuensi beberapa kiloHertz. Tetapi ada juga Op Amp yang
khusus dirancang untuk bekerja pada frekuensi beberapa MegaHertz. Op Amp jenis
ini juga harus didukung kolponen eksternal yang dapat mengkompensasi frekuensi
tinggi agar dapat bekerja dengan baik.
8.
Waktu Tanggapan
Waktu
tanggapan (respon time) dari Op Amp adalah waktu yang diperlukan oleh keluaran
untuk berubah setelah masukan berubah. Secara ideal harga waktu respon Op Amp
adalah = 0 detik, yaitu keluaran harus berubah langsung pada saat masukan
berubah.
Tetapi
dalam prakteknya, waktu tanggapan dari
Op Amp memang cepat tetapi tidak langsung berubah sesuai masukan. Waktu
tanggapan Op Amp umumnya adalah beberapa mikro detik hal ini disebut juga slew
rate. Perubahan keluaran yang hanya beberapa mikrodetik setelah perubahan
masukan tersebut umumnya disertai dengan oveshoot yaitu lonjakan yang melebihi
kondisi steady state. Tetapi pada penerapan biasa, hal ini dapat diabaikan.
Sebagai
mana diketahui, suatu bahan semikonduktor yang akan berubah karakteristiknya
apabila terjadi perubahan suhu yang cukup besar. Pada Op Amp yang ideal,
karakteristiknya tidak berubah terhadap perubahan suhu. Tetapi dalam
prakteknya, karakteristik sebuah Op Amp pada umumnya sedikit berubah, walaupun
pada penerapan biasa, perubahan tersebut dapat diabaikan.
10. Komparator
Komparator
adalah komponen elektronik yang berfungsi membandingkan dua nilai kemudian
memberikan hasilnya, mana yang lebih besar dan mana yang lebih kecil.
Komparator bisa dibuat dari konfigurasi open-loop Op Amp. Jika kedua
input pada Op Amp pada kondisi open-loop, maka Op Amp akan membandingkan kedua
saluran input tersebut. Hasil komparasi dua tegangan pada saluran masukan akan
menghasilkan tegangan saturasi positif (+Vsat) atau saturasi negatif (-Vsat).
Sebuah
rangkaian komparator pada Op Amp akan membandingkan tegangan yang masuk pada
satu saluran input dengan tegangan pada saluran input lain, yang disebut
tegangan referensi. Tegangan output berupa tegangan high atau low sesuai dengan
perbandingan Vin dan Vref. Dan berikut adalah rangkaian komparator sederhana.
Gambar 2. Komparator
Sederhana
Vref di hubungkan ke +V supply,
kemudian R1 dan R2 digunakan sebagai pembagi tegangan, sehingg nilai tegangan
yang di referensikan pada masukan + op-amp adalah sebesar :
V = [R1/(R1+R2) ] * Vsupply
Op-amp tersebut akan
membandingkan nilai tegangan pada kedua masukannya, apabila masukan (-) lebih
besar dari masukan (+) maka, keluaran op-amp akan menjadi sama dengan –
Vsupply, apabila tegangan masukan (-) lebih kecil dari masukan (+) maka
keluaran op-amp akan menjadi sama dengan + Vsupply.
Jadi dalam hal ini jika Vinput
lebih besar dari V maka keluarannya akan menjadi – Vsupply, jika sebaliknya,
Vinput lebih besar dari V maka keluarannya akan menjadi + Vsupply. Untuk op-amp
yang sesuai untuk di pakai pada rangkaian op-amp untuk komparator biasanya menggunakan
op-amp dengan tipe LM324 yang banyak di pasaran.
Secara umum prinsip kerja rangkaian
komparator adalah membandingkan
amplitudo dua buah sinyal, jika +Vin dan −Vin masing-masing menyatakan
amplitudo sinyal input tak membalik
dan input membalik, Vo dan Vsat
masing-masing menyatakan tegangan output
dan tegangan saturasi, maka prinsip dasar dari komparator adalah
+Vin ≥ −Vin maka Vo = Vsat+
+Vin < −Vin maka Vo = Vsat−
Keterangan:
+Vin = Amplitudo
sinyal input tak membalik (V)
−Vin = Amplitudo
sinyal input membalik (V)
Vsat+ = Tegangan
saturasi + (V)
Vsat− = Tegangan
saturasi - (V)
Vo = Tegangan
output (V)
Bentuk fisik IC LM 324
seperti gambar dibawah ini :
Gambar 3. Bentuk
fisik IC lm324
Fungsi Pin IC:
Pin 1 = output 1
Pin 2 = input 1 negatif
Pin 3 = input 1 positif
Pin 4 = VCC
Pin 5 = input 2 positif
Pin 6 = input 2 negatif
Pin 7 = output 2
Pin 8 = output 3
Pin 9 = input 3 negatif
Pin 10 = input 3 positif
Pin 11 = GND
Pin 12 = input 4 positif
Pin 13 = input 4 negatif
Pin 14 = output 4
B.
Alat dan Bahan
1.
IC LM 324 1 buah
2.
Soket IC 16 pin 1
buah
3.
LED 1
buah
4.
Potensiometer 100Kohm 2 buah
5.
Spacer 4
buah
6.
PCB secukupnya
7.
Feriklorit secukupnya
8.
Soket Banana 4
pasang
9.
Knop potensiometer 2 buah
10. Power Supply 2
buah
11. AVO meter 1
buah
12. Pinset 1
buah
13. Solder 1
buah
14. Jumper secukupnya
- Kesehatan dan
Keselamatan Kerja
1)
Periksalah terlebih
dahulu semua komponen
aktif maupun pasif sebelum
digunakan!
2)
Pastikan cara pemenfaatan
ferklorit sudah sesuai
3)
Saat proses pelarutan
perhatikan dan hindari hal-hal yang dianggap berbahaya dan kenakan alat
pengaman yang sesuai dengan proses pelarutan.
4)
Pastikan tegangan keluaran
catu daya sesuai yang dibutuhkan.
5)
Dalam menyusun rangkaian, perhatikan letak kaki-kaki
komponen.
6)
Sebelum catu daya dihidupkan, hubungi dosen pendamping
untuk mengecek kebenaran pemasangan rangkaian.
7)
Kalibrasi terlebih dahulu alat ukur yang akan digunakan.
8)
Dalam menggunakan meter kumparan putar, mulailah dari
batas ukur yang besar. Bila simpangan terlalu kecil dan masih di bawah batas
ukur yang lebih rendah, turunkan batas ukur.
9)
Hati-hati dalam
penggunaan peralatan praktikum!
D.
Gambar Rangkaian
Gambae 4. Rangkaian Praktikum Komparator
E.
Langkah percobaan
1.
Hubungkan konektor VCC 9 Volt pada tegangan sumber 9 Volt
2.
Hubungkan konektor GND pada ground.
3.
Sambunglah masukan V
in + pada tegangan 5 Volt
4.
Atur tegangan potensio
lalu ukur tegangan sebesar 1V pada V in
-
5.
Amati IND OUT dan ukur tegangan pada Vout
6.
Catat hasil pada tabel
hasil yang telah disediakan
7.
Kemudian atur lagi tegangan
pada potensio sesuai tabel percobaan lalu catat tegangan V out
F.
Hasil percobaan
No
|
Tegangan Vin +
|
Tegangan Vin -
|
Tegangan V out
|
Kondisi LED
|
1
|
5 Volt
|
1 Volt
|
3,55V
|
Menyala
|
2
|
5 Volt
|
2 Volt
|
3,52V
|
Menyala
|
3
|
5 Volt
|
3 Volt
|
3,51V
|
Menyala
|
4
|
5 Volt
|
4 Volt
|
3,51V
|
Mdnyala
|
5
|
5 Volt
|
5 Volt
|
3,51V
|
Menyala
|
6
|
5 Volt
|
6 Volt
|
1,5mV
|
Mati
|
7
|
5 Volt
|
7 Volt
|
1,6mV
|
Mati
|
8
|
5 Volt
|
8 Volt
|
1,7mV
|
Mati
|
9
|
5 Volt
|
9 Volt
|
1,7mV
|
Mati
|
G.
Analisis Hasil Percobaan
Dari percobaan yang telah dilakukan yaitu Op-Amp sebagai
komparator jika Vin+ lebih besar atau sama dengan Vin- maka IC LM324 atau
komparator akan menghasilkan Vout yang mendekati Vin+, dalam praktikum yang
telah dilakukan Vin+ 5 Volt dan Vout 3,55 Volt. Jadi nilai Vout stabil
mendekati Vin+ selama nilai Vin+ lebih besar atau sama dengan Vin-.
Jika nilai Vin-
lebih besar daripada Vin+ maka nilai Vout akan mendekati 0 dan sangat kecil
sekali yaitu dalam satuan milivolt. Nilai Vout pub juga selalu stabil mendekati
0 selama nilai Vin- lebih besar dari Vin+.
Jadi rangkaian
komparator adalah rangkaian yang berfungsi membandingkan tegangan inputan dari
kedua kaki inputan (Vin+ dan Vin-) dan akan menghasilkan Vout yang nilainya
stabil sesuai dengan Vinput yang dikehendaki, apakah mendekati nol atau
mendekati Vin+.
H.
Kesimpulan
Dari praktikum yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa :
1.
Vin+ ≥ Vin- maka Vout =
mendekati Vin+
2.
Vin- > dari Vin+ maka
Vout = Mendekati nol (0)
3.
Rangkaian komparator
adalah rangkaian pembanding tegangan inputan yaitu Vin+ dan Vin-
4.
Nilai Vout relatif stabil