chapter 10 - Operational Amplifier

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Problem

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

 

1. Pendahuluan (kembali)

Operational amplifier (op-amp) adalah komponen elektronik penting yang berfungsi sebagai penguat tegangan dengan penguatan sangat tinggi. Op-amp digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi, seperti penguat sinyal, filter, osilator, komparator, dan rangkaian matematika seperti penjumlahan, pengurangan, integrasi, dan diferensiasi.
    Karakteristik ideal op-amp meliputi penguatan tegangan tak terbatas, impedansi masukan sangat besar, dan impedansi keluaran mendekati nol. Dengan keunggulan ini, op-amp menjadi komponen dasar dalam perancangan berbagai sistem elektronika analog.

    Op-amp integrator adalah salah satu aplikasi penting dari operational amplifier yang berfungsi untuk menghasilkan keluaran berupa integral dari sinyal masukan terhadap waktu. Rangkaian ini banyak digunakan dalam sistem kendali, pengolahan sinyal, dan rangkaian gelombang berbentuk linear.     Dengan menempatkan kapasitor di jalur umpan balik op-amp, integrator mampu mengubah sinyal input menjadi sinyal output yang terus terakumulasi seiring waktu. Karakteristik ini menjadikannya krusial dalam pembuatan rangkaian seperti pembangkit gelombang segitiga, filter rendah, dan detektor fase.

    Multistage op-amp circuit adalah rangkaian yang menggabungkan beberapa tahapan penguat op-amp secara berurutan untuk memperoleh penguatan lebih besar atau fungsi tertentu yang kompleks. Setiap tahap dirancang dengan karakteristik khusus, seperti penguatan, filter, atau pengolahan sinyal, sehingga menghasilkan sistem yang lebih fleksibel dan presisi.
    Penggunaan multistage op-amp umum ditemukan dalam instrumen pengukuran, sistem komunikasi, dan pengolahan sinyal analog. Dengan mengoptimalkan tiap tahapan, multistage op-amp dapat meningkatkan performa keseluruhan sistem, baik dari segi gain, bandwidth, maupun kestabilan. 

2. Tujuan (kembali)

1. Memahami prinsip dasar kerja operational amplifier (op-amp).
2. Menganalisis cara kerja op-amp integrator dan konsep integrasi sinyal.
3. Mengetahui pengaruh komponen (resistor, kapasitor) terhadap output integrator.
4. Memahami konsep dasar multistage amplifier dan manfaatnya dalam peningkatan gain.
5. Mempelajari interaksi antar tahap op-amp dalam satu rangkaian.

3. Alat dan Bahan (kembali)

Alat

• Voltage Pulse generator

 

• Voltage probe

 

Bahan

• Baterai

 

• Op-amp LM741

 

• Resistor

 

• Kapasitor

 

• Ground (koneksi ground)

4. Dasar Teori (kembali)

1. Integrator Op-Amp

Op-amp integrator adalah rangkaian penguat operasional yang menghasilkan output berupa integral dari sinyal input terhadap waktu. Rangkaian ini biasanya dibuat dengan meletakkan sebuah kapasitor pada jalur umpan balik (feedback) dari op-amp. Konfigurasi ini menyebabkan tegangan output berbanding terbalik dengan integral tegangan input.

Secara matematis, hubungan antara input dan output integrator ideal dinyatakan dengan:

$$V_{out}(t) = -\frac{1}{RC} \int V_{in}(t) dt + V_{out}(0)$$

di mana:

• $V_{out}(t)$ adalah tegangan keluaran,

• $V_{in}(t)$ adalah tegangan masukan,

• $R$ adalah resistansi input,

• $C$ adalah kapasitansi pada feedback.

Integrator op-amp banyak digunakan dalam pembuatan gelombang berbentuk linear (seperti sawtooth dan triangular wave), rangkaian filter low-pass, serta dalam sistem kontrol dan pengolahan sinyal. Namun, dalam praktiknya integrator ideal sulit dicapai karena adanya drift, offset, dan pembatasan frekuensi. Oleh karena itu, biasanya ditambahkan resistor paralel dengan kapasitor untuk mengatasi efek drift pada frekuensi rendah.

2. Multistage Op-Amp Circuit

Multistage op-amp circuit adalah rangkaian penguat operasional yang terdiri dari beberapa tahap (stage) penguatan yang disusun secara berurutan. Setiap tahap op-amp berfungsi memperkuat sinyal atau memberikan fungsi tertentu (seperti filtering, buffering, atau konversi level). Dengan menggabungkan beberapa tahap, diperoleh penguatan total yang lebih besar, atau performa rangkaian yang lebih kompleks dan sesuai kebutuhan desain.

Penguatan total dari multistage amplifier diperoleh dengan mengalikan penguatan masing-masing tahap:

$$A_{total} = A_1 \times A_2 \times A_3 \times \dots \times A_n$$

di mana $A_n$ adalah penguatan pada tahap ke-n.

Keuntungan penggunaan multistage op-amp antara lain:

• Meningkatkan total gain tanpa membebani satu tahap op-amp,

• Memungkinkan penggunaan fungsi tambahan pada setiap tahap,

• Memperbaiki impedansi input dan output.

Namun, penggunaan multistage amplifier juga memerlukan perhatian terhadap stabilitas, bandwidth, noise, dan interaksi antar tahap. Oleh karena itu, desain multistage op-amp perlu mempertimbangkan distribusi gain, kompensasi frekuensi, dan isolasi antar tahap untuk menghasilkan performa yang optimal.

5. Prinsip Kerja [kembali] 1. Prinsip Kerja Op-Amp

Operational amplifier (op-amp) adalah komponen elektronik yang berfungsi sebagai penguat tegangan dengan penguatan sangat tinggi. Prinsip kerjanya didasarkan pada penguatan perbedaan tegangan antara input non-inverting (+) dan input inverting (−). Output op-amp akan berubah sedemikian rupa sehingga menjaga tegangan input inverting mendekati sama dengan tegangan input non-inverting (konsep virtual ground dalam kondisi umpan balik negatif).

Dalam penggunaan praktis, op-amp jarang digunakan tanpa umpan balik. Dengan menambahkan jaringan umpan balik eksternal (resistor, kapasitor), op-amp dapat dikonfigurasikan menjadi penguat inverting, non-inverting, pengikut tegangan, integrator, diferensiator, komparator, dan lain-lain.

2. Prinsip Kerja Integrator Op-Amp Circuit

Pada integrator op-amp, kapasitor ditempatkan pada jalur umpan balik dari output ke input inverting, sedangkan input non-inverting dihubungkan ke ground. Ketika tegangan input diberikan ke input inverting melalui resistor, arus yang mengalir akan mengisi kapasitor. Karena arus ke input op-amp mendekati nol, seluruh arus akan mengalir ke kapasitor, menyebabkan tegangan output berubah secara berbanding terbalik terhadap waktu. Tegangan output integrator secara ideal mengikuti persamaan:

$$V_{out}(t) = -\frac{1}{RC} \int V_{in}(t) dt$$

Artinya, output adalah integral dari input dikalikan dengan faktor $-1/RC$. Semakin lama input diberikan, tegangan output akan terus berubah seiring waktu sesuai hasil integrasi. Integrator ini banyak digunakan dalam pembuatan gelombang linear, filter low-pass, dan sistem kendali.

3. Prinsip Kerja Multistage Op-Amp Circuit Multistage op-amp circuit bekerja dengan menggabungkan beberapa tahap penguat operasional secara berurutan. Output dari satu tahap menjadi input bagi tahap berikutnya. Setiap tahap memiliki fungsi tertentu, bisa sebagai penguat, buffer, filter, atau pemroses sinyal lainnya.Dengan menyusun beberapa tahap, total penguatan yang dihasilkan menjadi perkalian dari masing-masing penguatan tahap:

$$A_{total} = A_1 \times A_2 \times A_3 \times \dots$$

Setiap tahap dirancang untuk memenuhi kebutuhan gain, impedansi, dan bandwidth yang diinginkan. Prinsip kerja multistage amplifier memanfaatkan penguatan bertahap untuk memperoleh hasil lebih optimal daripada satu tahap penguatan besar, sekaligus memperbaiki karakteristik lain seperti linearitas, stabilitas, dan noise.

Multistage op-amp circuit sering digunakan dalam instrumen pengukuran presisi, sistem komunikasi, pengolahan sinyal, dan peralatan elektronik lainnya yang membutuhkan penguatan sinyal bertingkat.

6. Problem [kembali]

1.Problem pada Op-Amp Integrator Circuit

• Drift Tegangan Output (Output Drift) Karena input offset voltage atau bias current, tegangan output integrator bisa terus meningkat (drift) meskipun input di-ground. Hal ini menyebabkan output menjenuh ke supply rail (tegangan maksimum atau minimum).
  Solusi: Menambahkan resistor paralel dengan kapasitor untuk membatasi penguatan DC dan mengurangi drift.
• Keterbatasan Bandwidth Integrator hanya bekerja optimal pada frekuensi tertentu. Pada frekuensi terlalu rendah,noise atau offset lebih dominan. Solusi: Mendesain cut-off frequency dengan hati-hati atau menggunakan filter tambahan.
• Kejenuhan Output (Output Saturation) Jika input diberikan terlalu lama atau terlalu besar, output akan mencapai tegangan jenuh (+Vcc atau –Vcc) dan tidak bisa mengikuti integral lagi. Solusi: Membatasi durasi atau amplitudo sinyal input.
• Noise Dominan pada Frekuensi Rendah Integrator cenderung menguatkan komponen noise pada frekuensi rendah. Solusi: Penambahan resistor paralel (menjadi integrator praktis) untuk mengurangi gain di frekuensi rendah.

2.Problem pada Multistage Op-Amp Circuit

• Akumulasi Noise dan Offset Setiap tahap penguat menambahkan noise dan offset, sehingga semakin banyak tahap, semakin besar noise total. Solusi: Menggunakan op-amp low noise dan mendesain gain distribution secara optimal.
• Keterbatasan Bandwidth (Bandwidth Limitation) Total bandwidth multistage amplifier berkurang karena efek penguatan berantai dan hubungan gain-bandwidth product. Solusi: Memilih op-amp dengan GBW(gain-bandwidth product) lebih besar atau membatasi gain tiap tahap.
• Stabilitas dan Oscillation Semakin banyak tahap, semakin rentan terhadap osilasi atau ketidakstabilan akibat fase delay kumulatif. Solusi: Penambahan kompensasi frekuensi atau buffer antar tahap.
• Interaksi Impedansi Antar Tahap Impedansi output dari satu tahap bisa mempengaruhi impedansi input tahap berikutnya jika tidak di-buffer. Solusi: Menambahkan buffer atau memilih konfigurasi dengan impedansi sesuai.
• Distorsi Sinyal Distorsi non-linear bisa meningkat pada multistage amplifier jika tidak dirancang dengan linearitas tinggi. Solusi: Memilih op-amp dengan THD (total harmonic distortion) rendah dan mendesain dalam area linear.

7. Soal Latihan [kembali]        

Soal 1: Inverting Amplifier

Diketahui rangkaian inverting amplifier dengan:

• $R_1 = 10\ \text{k}\Omega$
  

• $R_f = 100\ \text{k}\Omega$
  

• $V_{in}=0.2\text{ V<span class="base" style="font-family: times; font-size: large;"><br></span>}$

Tanya: Hitung tegangan output $V_{out}$ dan gain penguat. Jawaban: Gunakan rumus:

$$V_{out}=-\frac{R_f}{R_1}\cdot V_{i\mathrm{n<span\; style="font-family:\; times;\; font-size:\; large;"></span>}}$$$$V_{out}=-\frac{100\text{ k}\mathrm{\Omega }}{10\text{ k}\mathrm{\Omega }}\cdot 0.2\text{ V}=-10\cdot 0.2=-2\text{ V}$$

Gain (Av):

$$A_v=-\frac{R_f}{R_1}=-10$$

Jawaban akhir:

• $V_{out} = -2\ \text{V}$
  

• Gain = -10

Soal 2: Op-Amp sebagai Comparator (Non-Inverting)

Sebuah op-amp digunakan sebagai non-inverting comparator:

• $V_{ref} = 2.5\ \text{V}$(dari pembagi tegangan)

• VCC = 5V, VEE = 0V

• Diberikan input:

  • (a) $V_{in} = 1.8\ \text{V}$
    

  • (b) $V_{in} = 3.6\ \text{V}$
    

Tanya: Berapa output $V_{out}$ untuk masing-masing input? Jawaban:

• (a) $V_{in}<V_{ref}\Rightarrow V_{out}=0\text{ V}$

• (b) $V_{in}>V_{ref}\Rightarrow V_{out}=5\text{ V}$

Soal 3: Non-Inverting Amplifier

Diketahui rangkaian non-inverting amplifier dengan:

• $V_{in} = 0.1\ \text{V}$

• $R_f = 90\ \text{k}\Omega$

• $R_g = 10\ \text{k}\Omega$

Tanya:

1. Hitung $V_{out}$

2. Jika output maksimum op-amp adalah 12 V, berapa input maksimum?

Jawaban:

1. Gain non-inverting amplifier:

$$A_v = 1 + \frac{R_f}{R_g} = 1 + \frac{90}{10} = 10$$ $$V_{out}=A_v\cdot V_{in}=10\cdot 0.1=1\text{ V}$$

2. Agar output tidak lebih dari 12 V:

$$V_{in(max)}=\frac{12}{10}=1.2\text{ V}$$

                                                                                               

8. Percobaan [kembali]

 FIG. 10.58   Op-amp integrator circuit.

FIG. 10.60  integrator circuit

FIG 10.61 

Multistage op-amp circuit

Video Simulasi:

 FIG. 10.58   Op-amp integrator circuit.

FIG. 10.60  integrator circuit

FIG 10.61 

Multistage op-amp circuit

9. Download File [kembali]

Download rangkaian FIG 10.58 disini
Download rangkaian FIG 10.60 disini
Download rangkaian FIG 10.61 disini

Download Datasheet LM741 disini Download Datasheet Resistor disini