PENGUAT OPERASIONAL DASAR

BAB 1 Pendahuluan Latar Belakang Penguat operasional adalah komponen yang paling dasar dalam sistem analog. Penguat operasional sering dikenal juga dengan sebutan Op-Amp (Operational Amplifier). Sebagai contoh dengan menghubungkan dua resistor eksternal, kita dapat mengatur perolehan tegangan dan bandwith penguat operasional sesuai dengan keperluan kita. Lebih jauh lagi, dengan komponen eksternal lainnya, kita dapat membangun koverter bentuk gelombang, osilator, filter aktif, dan rangkaian menarik lainnya. Penguat operasional merupakan penguat masuk diferensial berperolehan tinggi gandeng langsung. Istilah penguat operasional ini pertama kali digunakan untuk penguat dc (arus searah) yang membentuk operasi matematika seperti penjumlahan, pengurangan, integrasidan diferensiasi. Penguat operasional yang ideal memiliki perolehan tegangan tak terhingga, frekuensi perolehan-satu yang tak terhingga, impedansi masukan tak terhingga, dan CMRR tak terhingga. Ia juga memiliki resistansi keluaran nol, arus bias nol, dan offset nol. Semua ini adalah apa yang akan dibuat pabrik jika mereka mampu. Apa yang sebenarnya yang dapat mereka buat adalah peranti yang mendekati nilai ideal. Pada praktikum ini akan diketahui beberapa sifat dasar dan karakteristik dari penguat operasional (op-amp) yang ideal, kemudian mengetahui dan menganalisis berbagai aplikasi dari pemakaian op-amp itu sendiri, sehingga dapat diperhitungkan gain (tegangan) output yang dihasilkan oleh op-amp saat berada pada tiga keadaan, yaitu penguat pembalik, penguat non pembalik dan penguat CMRR. Tujuan Untuk mengetahui karakteristik dan sifat penguat operasional Untuk mengetahui prinsip kerja dari IC Op-Amp 741 Untuk mengetahui aplikasi penguat operasional dasar BAB 2 Tinjauan Pustaka Bab ini memperkenalkan satu keluarga rangkaian-terpadu-analog yang serbaguna. Blok-blok gain. Amplifier operasional ini menawarkan karekteristik-karekteristik yang mendekati ideal (yaitu gain tegangan yang praktis mencapai nilai tak-hingga dan resistansi input yang dikopkling dengan resistansi output yang rendah dan bandwidth yang lebar). Komponen-komponen eksternal ditambahkan ke amplifier operasional untuk mendefenisikan fungsi amplifier tersebut di dalam suatu rangkaian. Dengan menambahkan duah buah resistor, kita dapat membuat sebuah amplifier yang memiliki gain yang sangat akurat. Sebagai alternatif, hanya dengan sebuah resistor dan sebuah kapasitor kita dapat membuat sebuah rangkaian integrator aktif. Bab ini memperkenalkan konsep-konsp dasar amplifier dan menguraikan penggunaannya dalam aplikasi-aplikasi rangkaian praktis. Amplifier operasional memiliki dua kaki sambungan input dan satu sambungan output. Tifak terdapat sambungan langsung ke common. Lebih jauh, untuk menyederhanakan rangkain kita tidak harus selalu menampilkan kaki-kaki sambungan ke sumber, sering kali akan lebih jelas untuk tidak menyertakannya pada gambar rangkaian. Sebagian besar (namun tidak semua) amplifier operasional membutuhkan sumber simetris (biasanya ±5 V hingga ±15 V). Hal ini memungkinkan tegangan output untuk berayun kea rah positif (di atas 0 V) dan ke arah negatif (di bawah 0 V). Gambar 2.1 memperlihatkan bagaimana sambungan – sambungan sumber akan tampak jika kita hendak menyertakannya. Perhatikan bahwa kita biasanya memiliki dua sumber terpisah; sebuah sumber positif dan sebuah sumber negatif yang sama besarnya, walaupun berlawanan. Sambungan bersama (common connection) dari kedua sumber ini (yaitu jalur 0 V) berperan sebagai jalur bersama (common rail) pada rangkaian kita. Tegangan input dan output biasanya diukur relatif terhadap jalur ini. Gambar 2.1 Amplifier operasional dengan kaki – kaki sambungan 2.1 Tegangan offset input Sebuah amplifier operasional yang ideal akan memberikan tegangan output nol ketika tegangan sebesar 0 V diberikan kepada inputnya. Dalam prakteknya, karena ketidaksempurnaan keseimbangan internal, sejumlah kecil tegangan dapat dapat muncul pada output. Tegangan yang yang harus diberikan secara diferensial kepada input amplifier operasional untuk mendapatkan tegangan output yang tepat nol dikenal sebagai tegangan offset input. Tegangan offset dapat diminimalkan dengan menerapkan umpan-balik yang relatif besar atau dengan menggunakan fasilitas offset null yang disediakan oleh sejumlah amplifier operasional. Nilai yang tipikal dari tegangan offset input berkisar antara 1 mV hingga 15 mV. Jika kopling a.c., dan bukannya d.c., digunakan, tegangan offset bukan merupakan suatu masalah dan dapat diabaikan. Tegangan offset input adalah tegangan yang ketika diberikan kepada input menghasilkan tegangan output yang tepat nol. Demikian pula, arus offset input adalah arus yang ketika diberikan kepada input, menghasilkan tegangan output yang besarnya tepat nol. Perhatikan bahwa, karena keseimbangan yang tidak sempurna dan gain internal yang sangat tinggi, tegangan output dalam jumlah yang kecil dapat muncul walaupun tidak terdapat input apapun. Offset dapat diminimalkan dengan menerapkan umpan-balik negatif dalam jumlah yang besar atau dengan menggunakan fasilitas offset null yang disediakan oleh sejumlah amplifier operasional. 2.2 Bandwidth daya penuh Bandwidth daya penuh merupakan ekuivalen dari frekuensi dimana tegangan output puncak maksimum yang belum terdistorsi jatuh hingga mencapai 0,707 kali nilai frekuensi rendahnya (d.c.) (tegangan input sinusoidal tetap konstan). Bandwidth daya penuh yang tipikal berkisar antara 10 KHz hingga lebih dari 1 MHz untk beberapa perangkat berkecepatan-tinggi. 2.3 Slew rate Slew-rate adalah kecepatan perubahan dari tegangan output, ketika tegangan input gelombang persegi diberikan. Slew-rate diukur dalam V/s (atau V/µs) dan nilai tipikalnya berkisar antara 0,2 V/µs hingga lebih dari 20 V/µs. Slew-rate memberikan pembatasan pada rangkaian dimana pulsa – pulsa dengan amplitude besar, dan bukannya sinyal – sinyal sinusoidal beramplitudo kecil, akan lebih sering dijumpai. Slew-rate dari sebuah amplifier operasional adalah kecepatan perubahan tegangan output sebagai tanggapan terhadap input step-function sempurna. Maka: Slew-rate = …………………………………….(2.1) Dimana dVout merupakan perubahan pada tegangan output (V) dan dt adalah internal waktu yang berkaitan (s). 2.4 Karakteristik amplifier operasional Setelah mendefinisikan terminologi – terminologi yang digunakan pada amplifier operasional sekarang kita akan membahas karakteristik dari sebuah amplifier operasional ‘ideal’. Karakteristik yang diinginkan dari sebuah amplifier operasional dirangkumkan berikut ini: Gain tegangan loop-terbuka harus sangat tinggi (idealnya tidak terhingga). Resistansi input harus sangat tinggi (idealnya tidak terhingga). Resistansi output harus sangat rendah (idealnya nol). Bandwidth daya-penuh harus selebar mungkin. Slew-rate harus sebesar mungkin. Offset input harus sekecil mungkin. Rasio penolakan mode-bersama harus sebesar mungkin. Karakteristik dari amplifier operasional IC modern sudah sangat mendekati karakteristik dari amplifier operasional ‘ideal’. (Mike Tooley, 2003) Merujuk kepada pembahasan awal kita tentang amplifier, pembahasannya ialah tentang Gain, impedansi input dan output merupakan parameter – parameter penting. Amplifier yang sempurna haruslah memiliki impedansi input yang tak terhingga, maka dari itu beberapa sinyal harus dimasukkan ke input tersebut tanpa hambatan. Dengan gain yang tinggi dari op-amp tersebut, perjalanan dan fungsi dari rangkaian ditentukan secara keseluruhan dengan komponen – komponen balikannya dan itu muncul secara bebas dari karakteristik amplifier. Keunggulan terpenting lainnya dari op-amp ialah memiliki offset yang sangat kecil pada inputnya, ketika sebuah balikan tersambung antara input dan outputnya dibentuk, inputnya berada pada ground dan outputnya kembali pada kondisi awal. (James Diefenderfer, 1972) Meskipun beberapa penguat operasional berdaya tinggi tersedia di pasaran, kebanyakan penguat operasional yang ada adalah piranti berdaya rendah dengan rating daya maksimum kurang dari satu watt. Beberapa penguat operasional dioptimisasikan untuk bandwidthnya, yang lain untuk offset masukannya yang rendah, yang lain untuk derau rendahnya, dan sebagainya. Inilah mengapa penguat operasional yang tersedia di pasaran memiliki jenis yang sangat banyak. Anda dapat menemukan sebuah penguat operasional untuk hampir semua aplikasi analog. Penguat operasional adalah komponen yang paling dasar dalam sistem analog. Sebagai contoh, dengan menghubungkan dua resistor eksternal, kita dapat mengatur perolehan tegangan dan bandwidth penguat operasional. (Albert P.Mlavino, 2004) BAB 3 Metodologi Percobaan 3. 1 Komponen dan Peralatan Komponen Resistor (10KΩ, 100KΩ, 1MΩ) Fungsi: sebagai hambatan tegangan pada rangkaian IC LM 741 Fungsi: sebagai penguat tegangan pada rangkaian Peralatan Op-Amp Trainer : CPE-EO2200-12 Fungsi: untuk merangkai percobaan dan menghitung outputnya Multimeter digital (2 buah) Fungsi: untuk mengukur tegangan masuk (Vin) dan tegangan keluaran (Vout) PSA Adjust Fungsi: sebagai sumber tegangan DC yang bisa diatur tegangannya Breedboard Fungsi: sebagai tempat untuk merangkai rangkaian sementara Jumper Fungsi: sebagai penghubung komponen atau rangkaian Multimeter Fungsi: untuk mengetahui tegangan input dan output yang dihasilkan Penjepit buaya Fungsi: untuk menghubungkan antar peralatan Signal Generator Fungsi: untuk membangkitkan signal Prosedur Percobaan Penguat Pembalik Dipersiapkan peralatan dan komponen Dirangkai rangkaian sesuai skema rangkaian Untuk R1 = 100KΩ dan R2=1MΩ Untuk R1 = 1MΩ dan R2 = 100KΩ Untuk R1 = 100KΩ dan R2 = 100KΩ Dihidupkan CPE-EO2200-12 Dihubungkan Power Input ke Power Supply Ditentukan tegangan sebesar 5 Volt sebagai tegangan masukan Dihubungkan output ke multimeter digital Diukur besar tegangan keluaran Dicatat hasil outputnya Dimatikan peralatan setelah diukur penguat outputnya Diulangi percobaan 2-9 Dimatikan peralatan yang digunakan dan disusun kembali Penguat Non Pembalik Dipersiapkan peralatan dan komponen Dirangkai rangkaian sesuai skema rangkaian Untuk R1 = 100KΩ, R2 = 1MΩ dan R3=10KΩ Untuk R1 = 1MΩ, R2 = 100KΩ dan R3=100KΩ Untuk R1 = 100KΩ, R2 = 100KΩ dan R3=100KΩ Dihidupkan CPE-EO2200-12 Dihubungkan Power Input ke Power Supply Ditentukan tegangan sebesar 5 Volt sebagai tegangan masukan Dihubungkan output ke multimeter digital Diukur besar tegangan keluaran Dicatat hasil outputnya Dimatikan peralatan setelah diukur penguat outputnya Diulangi percobaan 2-9 Dimatikan peralatan yang digunakan dan disusun kembali CMRR Dipersiapkan peralatan dan komponen Dirangkai rangkaian sesuai skema rangkaian Untuk R1 = 10KΩ, R2 = 100KΩ, R3=10KΩ dan R4=10KΩ Untuk R1 = 10KΩ, R2 = 10KΩ, R3=10KΩ dan R4=10KΩ Untuk R1 = 100KΩ, R2 = 100KΩ, R3=100KΩ danR4=10KΩ Dihidupkan CPE-EO2200-12 Dihubungkan Power Input ke Power Supply Ditentukan tegangan sebesar 5 Volt sebagai tegangan masukan Dihubungkan output ke multimeter digital Diukur besar tegangan keluaran Dicatat hasil outputnya Dimatikan peralatan setelah diukur penguat outputnya Diulangi percobaan 2-9 Dimatikan peralatan yang digunakan dan disusun kembali 3.3 Skema Rangkaian 3.3.1 Penguat Pembalik 3.3.2 Penguat Non Pembalik 3.3.3 CMRR BAB 4 Hasil dan Pembahasan Data Percobaan Penguat Pembalik NO. R1 (Ω) R2 (Ω) Vin (V) Vout (V) 1. 100 K 1 M 5 38,3 m 2. 1 M 100 K 5 3,9 m 3. 100 K 100 K 5 3,8 m Penguat Non Pembalik NO. R1 (Ω) R2 (Ω) R3 (Ω) Vin (V) Vout (V) 1. 100 K 1 M 10 K 5 33,4 m 2. 1 M 100 K 100 K 5 1,1 m 3. 100 K 100 K 100 K 5 5 m CMRR NO. R1 (Ω) R2 (Ω) R3 (Ω) R4 (Ω) Vin (V) Vout (V) 1. 10 K 100 K 10 K 10 K 5 0,52 m 2. 10 K 10 K 10 K 10 K 5 0,1 m 3. 100 K 100 K 100 K 10 K 5 0,38 m Medan, 8 April 2014 Asisten, Praktikan, (Misael S Rumahorbo) (Marta Masniary Nainggolan) 4.2 Analisa Data 1. Penguat Pembalik a. Menentukan gain loop tertutup b. Menentukan tegangan input offset 2. Penguat Non Pembalik a. IB1 = IB1a = IB1b = IB1c = b. IB2 = IB2a = IB2b = IB2c = 3. Menentukan CMRR a. Diff gain = 10 = 1 = 1 b. Common mode gain c. CMRR = 120 dB = 69,89 dB =89,53 dB Gambar Percobaan BAB 5 Kesimpulan Dan Saran 5.1 Kesimpulan Sifat dasar dan karakteristik penguat operasional. Karakteristik dari Amplifier Operasional adalah sebagai berikut: a. Gain tegangan loop-terbuka harus sangat tinggi (idealnya tidak terhingga). b. Resistansi input harus sangat tinggi (idealnya tak terhingga). c. Resistansi output harus sangat rendah (idealnya nol). d. Bandwitch daya-penuh harus selebar mungkin. e. Slew rate harus sebesar mungkin. f. Offset input harus sekecil mungkin. g. Rasio penolakan mode-bersama harus sebesar mungkin. Sifat dasarnya penguat operasional adalah dapat di lihat dari grafik berikut ; kemiringan (A) Tegangan output vo tergantung pada selisih tegangan input vd = v+ - v-. Dengan mengabaikan efek kapasitif, fungsi transfernya diperlihatkan pada gambar tersebut. Dalam daerah linier vo= A vd dimana keuntungan loop terbuka A, umumnya sangat tinggi. Vo menjadi jenuh pada nilai ekstrim dari +Vcc dan - Vcc melampaui daerah linier. Gambar itu menunjukkan model rangkaian op amp dalam daerah linier dalam sambungan suplai daya dihilangkan untuk penyederhanaan. Dalam praktiknya, Ri bernilai besar, Ro bernilai kecil, dan A berkisar dari 105 sampai juta. Model dalam gambar 2.1 akan sah selama outputnya tetap bernilai antara +Vcc dan - Vcc. Vcc umumnya bernilai antara 5 sampai 18 volt. Prinsip kerja dari IC Op-Amp 741 adalah : Penguat amplifier, dimana didalam amplifier tersebuat terdapat sebuah penguat operasional yang terdiri dari transistor dan resistor. Sebagai penguat sinyal keluaran atau meningkatkan daya sinyal output. Mempunyai 2 buah massukkan dan 2 buah keluaran. Menguatkan tegangan sebesar 2 kali dari tegangan masukan. Menghasilkan beberapa penguat operasional, seperti penguat inverting, non-inverting, differensiator dan regulator. Aplikasi dari penguat operasional dasar adalah: Berfungsi sebagai penguat dalam rangkaian alarm kebakaran Berfungsi dalam peralatan bell Bermanfaat dalam peralatan sound system Sebagai penguat dalam speaker Sebagai penguat dalam rangkaian elektronika dalam Tep Recorder. Saran Sebaiknya praktikan selanjutnya memahami terlebih dahulu teori praktikum agar terjadi pemahaman yang sesuai antara teori dengan praktik Sebaiknya praktikan selanjutnya mengetahui prosedur percobaan Sebaiknya praktikan selanjutnya mengetahui cara merangkai komponen Untuk praktikan selanjutnya sebaiknya mengetahui karakteristik OP-AMP. DAFTAR PUSTAKA Diefenderfer, J. 1972. PRINCIPLES OF ELECTRONIC INSTRUMENTATION. Japan : W.B Saunders Company Pages 308 – 309 Malvino, A.P. 2004. PRINSIP – PRINSIP ELEKTRONIKA. Edisi Pertama. Jilid 2. Jakarta: Salemba Teknika Halaman 102 Tooley, M. 2003. RANGKAIAN ELEKTRONIK. Edisi Kedua. Jakarta: Erlangga Halaman 141; 143-145 Medan, 8 April 2014 Asisten, Praktikan, (Misael S Rumahorbo) (Marta Masniary Nainggolan) TUGAS PERSIAPAN NAMA : Marta Masniary Nainggolan NIM : 120801034 KELOMPOK : VI/B JUDUL PERC. : Penguat Operasional Dasar ASISTEN : Misael S Rumahorbo Turunkan rumus-rumus yang ada pada setiap penguat Jawab : Penguat Pembalik Menggunakan hukum arus Kirchoff: Karena titik G digroundkan dari persamaan berikut, Maka diperoleh: Penguat Non-Pembalik ((Noninverting) Menggunakan hukum arus Kirchoff: Sehingga : Penguat Deferensial Sedangkan untuk  dan  maka diferensial adalah: Penguat Penjumlah Integrator Difrensiator Data Sheet LM 741 Jawab: Terlampir Nama : Marta Masniary Nainggolan NIM : 120801034 Nilai : 90 Judul Praktikum : Penguat Operasional Dasar RESPONSI Tuliskan yang kalian ketahui tentang OP_Amp ! Yang saya ketahui tentang Op-Amp yaitu, Tujuan percobaan ini adalah: Untuk mempelajari sifat dasar dan karakteristik penguat operasional Untuk mengaplikasikan penguat operasional dalam beberapa fungsi Untuk mengetahui prinsip kerja penguat operasional Komponen yang digunakan adalah IC 741,R,Potensiometer Peralatan yang digunakan adalah : Op-amp Trainer CPE-E02200 Sinyal Generator Osiloskop Power supply Double Polarity Multimeter OP-AMP merupakan suatu penguat diferensial dengan dua masukan dan satu keluaran yang mempunyai penguatan tegangan yang sangat tinggi, ratusan ribu. Dengan penguatan tinggi tersebut maka penguat ini dirangkai dengan rangkaian feedbpatdiaturack, balikan agar dapat diatur penguatannya. Prinsip kerja Op-Amp yaitu: memiliki dua masukan, yaitu inverting (membalik) dan noninverting (tanpa pembalik) yang menghasilkan satu keluaran dengan nilai tegangan yang sangat besar. Jika input dihubungkan dengan masukan membalik, maka pada daerah frekuensi tengah isyarat keluaran berlawanan fasa atau tanda. Dan sebaliknya, jika isyarat msukan dihubungkan dengan masukan tanpa pembalik, maka isyarat keluaran akan sefasa dan memiliki tanda yang sama.simbolnya : Tuliskan karakteristik Operasional Amplifier! Karakteristik yang diinginkan dari sebuah amplifier operasional dirangkumkan berikut ini: Gain tegangan loop-terbuka harus sangat tinggi (idealnya tidak terhingga). Resistansi input harus sangat tinggi (idealnya tidak terhingga). Resistansi output harus sangat rendah (idealnya nol). Bandwidth daya-penuh harus selebar mungkin. Slew-rate harus sebesar mungkin. Offset input harus sekecil mungkin. Rasio penolakan mode-bersama harus sebesar mungkin. Tuliskan jenis-jenis rangkaian penguat operasional! Komparator (pembanding) Penguat Pembalik Penguat non-pembalik Penguat diferensial Penguat penjumlah Integrator Diferensiator Penguat tegangan Sebuah penguat diberikan tegangan 5 volt. Jika Rin 100 KΩ. tentukan berapa besar tegangan keluaran dan Gain jika penguat dirangkai secara: Inverting (pembalik) Non inverting (penguat) Penyelesaian: Inverting Rin = 100 KΩ Rf = 10 KΩ Vin = 5 Volt Vout ……. ? Gain ……..? A = - A = - 0,1 Vout = AVin = -0,1 5 volt = -0,5 Volt Gain = Gain = Gain = -0,1 Non Inverting Vout = (1 + ) Vin Vout = (1 + ) 5 volt Vout = 1,1 Vout = 5,5 volt Gain = Gain = Gain = 1,1 Aplikasi Op-Amp : Pada filter aktif Pada pengeras suara Pada pemancar gelombang LABORATORIUM ELEKTRONIKA DASAR II