Karakteristik Op-amp

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     ; Z_in      : impedansi input

V_- : masukan membalik                      ; Z_out     : impedansi output

V_o  : 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 (Z_in )  tak hingga, sehingga op-amp tidak menarik arus dari sumber.

3.      Impedansi output (Z_out ) 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 V_o =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 V_o = 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

           

V_o R₁ - V_i R₁ = V_x (R₁ + R₂) - V_i(R₁ + R₂)

V_o R₁ +   (R₁ + R₂) =  - V_i R₂

(R₁ A + R₁ + R₂) =  - V_i 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 V_x = V_i . Sementara itu R₁ dan R₂  membentuk pembagi tegangan sehingga berlaku:

                                                                                                    (4)

Untuk mendapatkan tegangan ofset minimum maka harus dipilih R₁//R₂ = R_i dimana R_i 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_- = V_x. Op-amp ideal tidak menarik arus dari sumber sehingga R₁ dar R₂ membentuk pembagi tegangan, den=mikian juga R₃ dan R₄. Tegangan V_x jika dihitung dari rangkaian V₁ :

           

Tegangan V_x 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 G_d

(b)   pengukuran penguatan G_c

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 (G_d) 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 (G_c) dengan membandingkan hasil pengukuran sinyal output dan sinyal input. Selanjutnya CMRR dihitung sebagai CMRR = G_d / G_c .

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 R_1.  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) + 2V

(V₁^’ - V₂^’) = V                                                                                 (7)

Karena op-amp A₃ juga tidak menarik arus dari sumber maka i₁ = i₂ , i₃ = i₄   dan V_x = V_y  , 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:

            V_o = A_D (V₂^’  - V₁^’)

            V_o = A_D V₂^’  - A_D V₁^’                                       (11)

dimana A_D 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 V_o

            V_o  = A_D (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 R_c sehingga diperoleh  V_o  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 +V_in  dan -V_in masing-masing menyatakan amplitudo sinyal input tak membalik dan input membalik, V_o dan V_sat masing-masing menyatakan tegangan output dan tegangan saturasi, maka prinsip dasar dari komparator adalah

+V_in  ³ -V_in maka V_o = V_sat+

+V_in  < -V_in  maka V_o = V_sat-

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. R_s dan R_s’ sebesar 10k s.d 100 k jika input dihubungkan pada jaringan resistip. Pada V_in  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 V_i £ V_T maka  V_o = V_sat+ sehingga  upper threshold

·         Jika V_i > V_T maka V_o = V_sat- sehingga lower threshold

Lebar hysterisis V_H = ½V_UT ½+  ½V_LT ½

Inverting zero crossing detector dengan hysterisis dan tegangan referensi

Gambar 9. Inverting zero crossing detector dengan hysterisis dan tegangan referensi

·         Jika V_i £ V_T maka  V_o = V_sat+ 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 V_i ³ V_T  maka V_o = V_sat+ , sehingga  atau  ç V_LT

Jika V_i < V_T  maka V_o = V_sat- , sehingga  atau ç V_UT

Vi

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 V_i ³ V_T  maka V_o = V_sat+ , sehingga  ç V_LT

Jika V_i < V_T  maka V_o = V_sat- , sehingga ç V_UT

One shot Multivibrator with input lock-out