A. Karakteristik Op-amp
Op-amp adalah salah satu rangkaian terintegrasi (IC, integrated circuit) yang banyak
digunakan pada sistem instrumentasi, khususnya untuk pembuatan pengkondisi
sinyal.
Gambar 1 menunjukkan simbol Op-amp. Op-amp banyak dipilih karena:
1.
bentuknya praktis (kecil),
tidak memerlukan ruang yang banyak
2.
kehandalan tinggi
3.
mudah penggunaannya
4.
mudah diperoleh di pasaran.
Gambar 1. Penguat Operasional (Op-amp)
(a) Simbol; (b) rangkaian
pengganti Op-amp
V+ : masukan tak membalik ; Zin : impedansi input
V- : masukan membalik ;
Zout : impedansi output
Vo :
tegangan keluaran ;
A : penguatan loop terbuka
Karakteristik ideal op-amp adalah sebagai berikut:
1.
Penguatan loop terbuka tak
hingga, sehingga V+ = V-.
2.
Impedansi input (Zin
) tak hingga, sehingga op-amp tidak
menarik arus dari sumber.
3.
Impedansi output (Zout
) nol, sehingga tegangan output konstan meskipun beban berubah.
4.
Penguatan loop terbuka (A) tak
hingga.
Karakteristik real op-amp adalah sebagai berikut:
1.
Masukan V+ dan V-
menghasilkan keluaran Vo =A(V+ - V-) dimana penguatan loop terbuka A harganya terbatas dan berbanding terbalik
dengan frekuensi. Harga
perkalian A.f berkisar antara 0,1 s.d 10
MHz
2.
Impedansi masukan terbatas,
sekitar 1 MW untuk IC bipolar atau 106 MW untuk IC-fet
3.
Pada saat V+ = V-,
tegangan output tidak sama dengan nol. Tegangan ini dikenal sebagai tegangan
ofset. Tegangan ofset terjadi karena ketidakseimbangan arus dan tegangan di
dalam IC.
4.
Masukan V+ dan V- tidak
mengambil arus bias yang sama. Hal ini juga menimbulkan tegangan ofset.
5.
Arus keluaran terbatas,
berkisar antara 10mA pada tegangan Vo
= 10 Volt.
Selisih antara tegangan tak membalik (V+)
dan tegangan tak membalik (V-) disebut sebagai tegangan deferensial DV = V+ - V-. Dari
sifat ke-1 diperoleh 
dimana A
besar sekali , sehingga DV kecil sekali. Pada diode ideal DV = 0 atau V+ = V-. Tabel
1 menunjukkan parameter penting yang menunjukkan karakteristik beberapa IC yang
banyak digunakan dalam sistem instrumentasi.
Kode Produksi
|
Kelas
|
Vofs (mV)
|
DV/DT (mV/°C)
|
Ib (nA)
|
GBW (MHz)
|
Slew Rate (V/ms)
|
Min Suply (V)
|
Max Suply (V)
|
no range (Volt)
|
KETERANGAN
|
LM358
|
BJT
|
7
|
7
|
100
|
2
|
1
|
3
|
32
|
3
|
General purpose
|
LF
351
|
FET
|
7
|
10
|
0,2
|
4
|
13
|
±5
|
±18
|
±3
|
General purpose
|
LM
356
|
BJT
|
2
|
5
|
0,05
|
5
|
10
|
±5
|
±20
|
±3
|
General purpose
|
741
|
BJT
|
5
|
10
|
300
|
1
|
0,5
|
±5
|
±18
|
±3
|
Industry Standard
|
LM
308A
|
BJT
|
,05
|
5
|
10
|
1
|
1
|
±5
|
±15
|
±3
|
Low offset
|
TLC
251
|
BiFET
|
8
|
2
|
0,001
|
0,12
|
0,04/4
|
1
|
16
|
±3
|
Low power
|
LM
318
|
BJT
|
4
|
|
0,5
|
15
|
70
|
±5
|
±20
|
±3
|
Higher frequency
|
421
|
BJT
|
5
|
15
|
10
|
1
|
0,5
|
3
|
30
|
±3
|
Quad low power, high speed
|
OP
07
|
BJT
|
0,01
|
0,2
|
3
|
0,6
|
0,2
|
±3
|
±18
|
±3
|
Presicion low power
|
B. Penguat
Membalik
Gamba 2 . Op-amp sebagai penguat
Skema rangkaian penguat membalik ditunjukkan pada
gambar 2a. Dengan menggunakan pendekatan op-amp ideal maka tidak ada arus yang
masuk ke op-amp, sehingga R1 dan R2 membentuk pembagi
tegangan. Berlaku persamaan:
(1)
Definisikan parameter A sebagai penguatan loop
terbuka, dimana 
dan G
sebagai penguatan loop tertutup 
, maka dengan menyelesaikan persamaan (1) akan
diperoleh
Vo R1
- Vi
R1 = Vx (R1 + R2) - Vi(R1
+ R2)
Vo R1
+ 
(R1 + R2) = - Vi R2
(R1 A + R1 + R2)
= - Vi R2
(2)
Sedangkan R3 berfungsi untuk
meminimumkan ofset-DC,
(3)
C. Penguat Tak Membalik
Skema rangkaian penguat tak membalik ditunjukkan
pada gambar 2b.
Dengan menggunakan pendekatan op-amp ideal, maka Vx
= Vi . Sementara itu R1 dan R2 membentuk pembagi tegangan sehingga berlaku:
(4)
Untuk mendapatkan tegangan ofset minimum maka
harus dipilih R1//R2 = Ri dimana Ri
adalah resistnasi input.
Jika R2 dibuat sama dengan nol maka
diperoleh penguat tak membalik dengan penguatan satu (gambar 2c). Rangkaian
semamacm ini dikenal sebagai buffer
atau penyangga tegangan, memiliki karakteristik: (1) impedansi input sangat
tinggi, (2) impedansi output sangat rendah dan (3) penguatan loop tertutup sama
dengan satu.
D. Penguat Deferensial
Skema rangkaiana penguat deferensial ditunjukkan
pada gambar 3. Rangkaian ini berguna untuk menguatkan selisih antara dua tegangan masukan (V2
- V1).
Gambar
3. Penguat deferensial
(a)
Skema rangkaian
(b)
Simbol penguat deferensial
Dengan menggunakan pendekatan diode ideal maka V+
= V- = Vx. Op-amp ideal tidak menarik arus dari sumber sehingga R1
dar R2 membentuk pembagi tegangan, den=mikian juga R3 dan
R4. Tegangan
Vx jika dihitung dari rangkaian V1 :
Tegangan Vx jika dihutung dari
rangkaian V2 :
Solusi dari kedua persamaan di atas adalah:
(5)
Jika dipilih resistor sedemikian rupa sehingga R1
= R3 dan R2 = R4
, maka persamaan 5 menjadi
(6)
Gambar
4. Pengukuran CMRR
(a)
pengukuran penguatan Gd
(b)
pengukuran penguatan Gc
Untuk mendapatakan tegangan ofset yang minimum
maka harus dipilih resistor sedemikian rupa sehingga R1//R2
= R3//R4
CMRR (Common Mode Rejection
Ratio)
Idealnya penguat deferensial hanya menguatkan
selisih antara kedua sinyal input (V2 - V1) atau ‘deferent-mode
signal’. Namun pada umumnya penguat deferensial juga menguatkan ‘common-mode signal’ yaitu sinyal rata-rata dari kedua input (V1
+ V2)/2. CMRR didefinisikan perbandingan antara penguatan
tegangan sinyal deferent-mode
terhadap penguatan tegangan sinyal common-mode.
Penguat yang baik mensyaratkan CMRR yang sangat tinggi. Untuk memperbaiki CMRR
penguat deferensial dapat dilakukan dengan menambah penguat non inverting
dengan penguatan satu (G = 1) pada masing-masing input penguat diferensial,
sehingga terbentuk penguat instrumentasi (Gambar 5).
Pengukuran CMRR secara sederhana dapat ditunjukkan
pada gambar 4. Pertama berikan sinyal input kepada input tak membalik,
sedangkan input membalik digroundkan (Gambar 4a). Hitung penguatan
derefent-mode (Gd) dengan membandingkan hasil pengukuran sinyal
output dan sinyal input. Langkah kedua berikan sinyal input bersama-bersama
kepada kedua input penguat deferensial (Gambar 4b). Hitung penguatan Common-mode
(Gc) dengan membandingkan hasil pengukuran sinyal output dan sinyal
input. Selanjutnya CMRR dihitung sebagai CMRR = Gd / Gc .
E. Penguat Instrumentasi
Penguat instrumentasi disusun atas tiga buah
op-amp seperti ditunjukkan pada gambar 4.
Op-amp A1 dan A2 bertindak sebagai buffer dan A3 sebagai penguat
deferensial. Dengan menggunakan pendekatan diode ideal dimana tegangan kaki
membalik V- sama dengan tegangan kaki tak membalik (V+) maka tegangan pada
R1 merupakan selisih antara V1 dan V2,
dinyatakan dengan V = V1 - V2
. Sementara itu arus yang mengalir pada R1 : 
. Karena op-amp ideal tidak menarik arus dari
sumber maka arus pada R2 sama dengan arus pada R1. Tegangan output masing-masing buffer dapat dinyatakan dengan:
V1’
= V1 + i.R2 = V1
+ 
V2’
= V2 - i.R2 = V2 -
Output kedua buffer ini merupakan input bagi
penguat deferensial A3:
(V1’
- V2’)
= V1 + - V2 +
= (V1 - V2)
+ 2
V
(V1’
- V2’)
= 
V (7)
Karena op-amp A3 juga tidak menarik
arus dari sumber maka i1 = i2 , i3 = i4 dan Vx = Vy , maka
(8)
Gambar
4. Penguat instrumen-tasi
Dari persamaan i3 = i4 dapat
diturunkan persamaan:
(9)
Substitusikan (9) ke (8), diperoleh
(10)
Hubungan input-ouput pada penguat deferensial A3 dapat juga dinyatakan dengan:
Vo = AD
(V2’ - V1’)
Vo = AD V2’ - AD V1’
(11)
dimana AD menyatakan penguatan dari
penguat deferensial A3. Dengan membandingkan persamaan (10) dan
(11), maka syarat perlu agar kedua persamaan tersebut mempunyai solusi adalah
Solusi persamaan tersebut adalah
(12)
Pembahasan di atas menunjukkan adanya persyaratan
yang harus dipenuhi dalam rangkaian penguat instrumentasi bahwa perbandingan
resistansi R4/R3
dan R6/R5 harus sama.
Selanjutnya dari persamaan (7) dan (11) dapat
dicari solusi untuk Vo
Vo = AD (V2’ - V1’)
Gambar 6.
Optimasi CMRR pada penguat instrumentasi
Karakteristik penguat instrumentasi dapat dijelaskan
sebagai berikut:
1.
Impedansi input sangat tinggi.
2.
CMRR tinggi.
3.
Penguatan sangat besar dan
presisi.
Konfihurasi dua buah penguat tak membalik pada
bagian input dengan sebuah resistor umpan balik bersama (R1) selain
memberikan impedansi input sangat tinggi juga menyebabkan rangkaian ini
mempunyai CMRR yang cukup besar. Optimasi CMRR dapat dilakukan dengan
menambahkan sebuah resistor variabel Rc (Gambar 6). Tunning dapat dilakukan dengan memberikan input bersama seperti
gambar 6, atur Rc sehingga diperoleh
Vo yang sekecil
mungkin.
F. Komparator
Salah satu
aplikasi dari Op-amp yang sangat luas penggunaannya dalam instrumentasi adalah
komparator. Rangkaian ini berguna untuk 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 ³ -Vin maka Vo = Vsat+
+Vin < -Vin maka Vo = Vsat-
Beberapa tipe
komparator yang banyak dijual di pasaran antara lain
LM 311 : single cheap voltage comparator
LM 319 : high speed dual comparator
LM 339 : low power low offset voltage quad comparator
Rangkaian dasar komparator dengan catu tegangan tungggal
ditunjukkan pada gambar 1a, rangkaian yang lebih lengkap (gambar 1b)
menggunakan catu tegangan ganda dan rangkaian balance untuk memperbaiki unjuk kerja terutama jika bekerja dengan
input frequensi rendah. Rs
dan Rs’ sebesar 10k s.d 100 k jika input dihubungkan pada jaringan
resistip. Pada Vin tertentu
perlu dipasang C1 antara 100 pF s.d 1000 pF untuk mendapatkan output
yang lebih baik. Trimpot 5k befungsi sebagai umpan balik positip, jika tidak
dipasang maka pin 5 dan 6 harus dihubung singkat.
Gambar 7 Rangkaian komparator
(a)
komparator dengan supply tegangan tunggal
(b)
komparator dengan rangkaian balance
Komparator Sebagai ‘inverting zero crossing detector’ dengan hysterisis
Gambar 8 Inverting zero crossing detector dengan
hysterisis
Yang membedakan
rangkaian komparator dan rangkaian penguat adalah bahwa pada rangkaian
komparator menggunakan umpan balik positip, sedangkan pada rangkaian penguat
menggunakan umpan balik negatip.
Besarnya tegangan threshold
. Jadi
·
Jika
Vi £ VT
maka Vo = Vsat+
sehingga upper threshold 
·
Jika V
i > V
T maka V
o
= V
sat- sehingga lower threshold
Lebar hysterisis VH = ½VUT ½+ ½VLT ½
Inverting zero crossing detector dengan hysterisis dan tegangan referensi
Gambar 9. Inverting zero crossing detector dengan
hysterisis dan
tegangan referensi
·
Jika
Vi £ VT
maka Vo = Vsat+
sehingga upper threshold 
·
Jika V
i > V
T maka V
o
= V
sat- sehingga lower threshold
Non Inverting Zero Crossing Detector Dengan Hysteris
Gambar 10 Non Inverting zero crossing detector dengan
hysterisis
Dengan
menggunakan pendekatan op-amp ideal maka berlaku
Jika Vi
³ VT maka Vo = Vsat+ ,
sehingga 
atau 
ç VLT
Jika Vi
< VT maka Vo =
Vsat- ,
sehingga 
atau 
ç VUT
Non Inverting Zero
Crossing Detector Dengan Hysteris dan Tegangan Referensi
Gambar 11 Non Inverting zero crossing detector dengan
hysterisis an tegangan ofset
Dengan
menggunakan pendekatan op-amp ideal maka berlaku
Jika Vi
³ VT maka Vo = Vsat+ ,
sehingga 
ç VLT
Jika Vi
< VT maka Vo =
Vsat- ,
sehingga 
ç VUT
One shot Multivibrator with input lock-out
Seseorang
pedagang ikan memulai berjualan di pasar dipagi hari. Agar dapat menarik
pembeli ia memasang papan pengumuman bertuliskan "HARI INI DI SINI DIJUAL
IKAN SEGAR"
