Rangkaian Penguat Operasional

Percobaan 3: Rangkaian Penguat

Operasional

1. Tujuan

1. Dapat menyusun rangkaian pada breadboard. 2. Memahami penggunaan operational amplifier.

3. Dapat menggunakan rangkaian-rangkaian standar operational amplifier pada komputasi analog sederhana.

2. Persiapan

Pelajari keseluruhan petunjuk praktikum untuk modul op amp ini. Tugas pendahuluan pada modul ini adalah menyusun lima buah rangkaian menggunakan IC op amp 741 pada breadboard. Untuk mendukung pengerjaan tugas pendahuluan ini, siswa diharapkan telah membaca “Petunjuk Umum Penggunaan BreadBoard” dan Appendix berjudul “Rating Komponen”.

Peralatan dan perlengkapan yang akan digunakan, seperti breadboard, IC, dan kabel penghubung, akan disediakan dari lab dan dapat diambil di Laboratorium Dasar sehari sebelum praktikum dimulai. Buat rangkaian di rumah dan bawa rangkaian ini pada saat praktikum sebagai tugas pendahuluan sekaligus bahan praktikum.

Pengenalan Op Amp

Operational Amplifier, sering disingkat dengan sebutan Op Amp, merupakan komponen yang penting dan banyak digunakan dalam rangkaian elektronik berdaya rendah (low power). Istilah operational merujuk pada kegunaan op amp pada rangkaian elektronik yang memberikan operasi aritmetik pada tegangan input (atau arus input) yang diberikan pada rangkaian.

Op amp digambarkan secara skematik seperti pada Gambar 3-1. Gambar tersebut menunjukkan dua input, output, dan koneksi catu daya pada op amp. Simbol”-” menunjukkan inverting input dan ”+” menunjukkan non-inverting input. Koneksi ke catu daya pada op amp tidak selalu digambarkan dalam diagram, namun harus dimasukkan pada rangkaian yang sebenarnya.

Gambar 3-1 Simbol penguat operasional

IC Op Amp 741

Gambar 3-2 Konfigurasi pin IC Op amp 741

IC op amp yang digunakan pada percobaan ini ditunjukkan pada Gambar 3-2. Rangkaian op amp ini dikemas dalam bentuk dual in-line package (DIP). DIP memiliki tanda bulatan atau strip pada salah satu ujungnya untuk menandai arah yang benar dari rangkaian. Pada bagian atas DIP biasanya tercetak nomor standar IC. Perhatikan bahwa penomoran pin dilakukan berla-wanan arah jarum jam, dimulai dari bagian yang dekat dengan tanda bulatan/strip. Pada IC ini terdapat dua pin input, dua pin power supply, satu pin output, satu pin NC (no connection), dan dua pin offset null. Pin offset null memungkinkan kita untuk melakukan sedikit pengaturan terhadap arus internal di dalam IC untuk memaksa tegangan output menjadi nol ketika kedua input bernilai nol. Pada percobaan kali ini kita tidak akan menggunakan fitur offset null. Perhatikan bahwa tidak terdapat pin ”ground” pada op amp ini, amp menerima referensi ground dari rangkaian dan komponen eksternal.

Meskipun pada IC yang digunakan pada eksperimen ini hanya berisi satu buah op amp, terdapat banyak tipe IC lain yang memiliki dua atau lebih op amp dalam suatu kemasan DIP. IC op amp memiliki kelakukan yang sangat mirip dengan konsep op amp ideal pada analisis rangkaian. Bagaimanapun, terdapat batasan-batasan penting yang perlu diperhatikan. Pertama, tegangan maksimum power supply tidak boleh melebihi rating maksimum, biasanya ±18V, karena akan merusak IC. Kedua, tegangan output dari IC op amp biasanya satu atau dua volt lebih kecil dari tegangan power supply. Sebagai contoh, tegangan swing output dari suatu op amp dengan tegangan supply 15 V adalah ±13V. Ketiga, arus output dari sebagian besar

Percobaan 3: Rangkaian Penguat Operasional 39

op amp memiliki batas pada 30mA, yang berarti bahwa resistansi beban yang ditambahkan pada output op amp harus cukup besar sehingga pada tegangan output maksimum, arus output yang mengalir tidak melebihi batas arus maksimum.

Rangkaian Standar Op Amp

Berikut ini merupakan beberapa rangkaian standar op amp. Untuk penurunan persamaannya dapat merujuk ke buku teks kuliah. Jika ingin mendesain rangkaian sederhana, pilihlah resistor dalam range sekitar 1 k sampai 200 k.

V_out = V_in

Gambar Error! No text of specified style in document.3-3 Rangkaian penyangga (voltage follower)

V_out = -(R₂/R₁)V_in

Gambar 3-4 Penguat Inverting

Vout = (1+R2/R1)Vin

V_out = (R₂/R₁)(V_in,₂-V_in,₁)

Gambar 3-6 Penguat Selisih

3. Alat dan Komponen yang Digunakan

1. Power Supply DC (2 buah) 2. Generator Sinyal (1 buah) 3. Osiloskop (1 buah) 4. Kabel BNC – probe jepit (2 buah) 5. Kabel BNC – BNC (1 buah) 6. Kabel 4mm – 4mm (max. 5 buah) 7. Kabel 4mm – jepit buaya (max. 5 buah) 8. Multimeter Digital (2 buah) 9. Breadboard (1 buah) 10. Kabel jumper (1 meter) 11. IC Op Amp 741 (7 buah) 12. Kapasitor 1 nF (1 buah) 13. Resistor 1 k (6 buah) 14. Resistor 1,1 k (2 buah) 15. Resistor 2,2 k (7 buah) 16. Resistor 3,3 k (4 buah)

Percobaan 3: Rangkaian Penguat Operasional 41

4. Tugas Pendahuluan

1. Rangkai keempat rangkaian seperti pada Gambar 3-7 – 3-10 di atas breadboard, bawa pada saat praktikum.

1k ohm 1k ohm - 12 V + 12 V 2,2k ohm 2,2k ohm 2,2k ohm 3,3k ohm - 12 V 3,3k ohm Vo Vin A B C D

Gambar 3-7 Rangkaian percobaan penguat non-inverting

2,2k ohm - 12 V + 12 V 1,1k ohm 2,2k ohm - 12 V 3,3k ohm Vo 1k ohm B A Vin

Vin1 2,2k ohm - 12 V + 12 V 2,2k ohm Vo 1k ohm 1k ohm Vin2 1,1k ohm 3,3k ohm B A

Gambar 3-9 Rangkaian percoban penguat penjumlah

- 12 V + 12 V Vo Rs = 1k ohm Vs CF = 1nF

Gambar 3-10 Rangkaian percobaan integrator

2. Desain dan susunlah suatu rangkaian yang menghasilkan hubungan keluaran dan masukan sebagai berikut

Kombinasi 1, v_O v_A 



^tv_Bdt 0 2 , 2 Kombinasi 2,  



t B A O v v dt v 0 7 , 4 5 , 1 Kombinasi 3, v_O  v_A 



^tv_Bdt 0 2 , 2 2 Kombinasi 4,  



t B A O v v dt v 0 7 , 4 2 , 1

Percobaan 3: Rangkaian Penguat Operasional 43

Dengan V_a dan V_b adalah input tegangan, dan nilai kombinasi (x) memenuhi persamaan berikut.

x = ((3 digit terakhir NIM salah satu anggota kelompok) mod 4) + 1 Misalkan untuk NIM 128, gunakan Kombinasi 1.

Petunjuk: Pastikan untuk menggunakan orde resistor yang tepat (k) sesuai dengan rating daya pada resistor. Kelebihan daya pada resistor dapat menyebabkan resistor dan op amp mengalami kerusakan. Jika ini terjadi maka dapat menyebabkan pengurangan nilai.

3. Turunkan persamaan differensial rangkaian Gambar 3-11 berikut dengan frekuensi osilasinya.

4. Pada Buku Catatan Laboratorium, buatlah tabel untuk data menurut perhitungan dan hasil pengukuran. Hasil pengukuran akan diisi pada saat praktikum

5. Percobaan

Memulai Percobaan

1. Sebelum memulai percobaan, isi dan tanda tangani lembar penggunaan meja yang tertempel pada masing-masing meja praktikum. Catat juga nomor meja dan Kit Praktikum yang digunakan dalam Buku Catatan Laboratorium.

2. Pada percobaan ini akan digunakan tegangan catu + 12 V dan -12 V untuk rangkaian op amp. Pastikan tegangan catu OFF ketika menyusun rangkaian. Setelah rangkaian telah dicek (yakin bahwa tidak terdapat kesalahan perangkaian) baru berikan tegangan. Koneksi tegangan yang tidak tepat akan merusak IC dan pengurangan nilai.

Rangkaian Penguat Non-Inverting

3. Perhatikan dan susun rangkaian seperti pada Gambar 3-7 4. Ukur dan catat nilai aktual resistor 1 k.

5. Sambungkan VP ke titik A, catat nilai Vin dan Vo. 6. Sambungkan V_P ke titik B, catat nilai V_in dan V_o. 7. Sambungkan V_P ke titik C, catat nilai V_in dan V_o. 8. Sambungkan V_P ke titik D, catat nilai V_in dan V_o.

9. Bagaimana hubungan antara V_out dengan V_in? Catat dan lakukan analisa pada laporan.

Rangkaian Penguat Inverting

10. Perhatikan dan susun rangkaian seperti pada Gambar 3-8. 11. Ukur dan catat nilai aktual resistor yang digunakan. 12. Sambungkan VP ke titik A, catat nilai Vin dan Vo. 13. Sambungkan V_P ke titik B, catat nilai V_in dan V_o.

14. Bagaimana hubungan antara Vout dengan Vin? Catat dan Lakukan analisa dan sampaikan hasilnya dalam laporan.

15. Selanjutnya, dengan masih terhubung ketitik B, pasang generator sinyal sebagai Vin dengan frekuensi 500 Hz. Atur keluaran generator sinyal sehingga menghasilkan output op-amp (Vout)sebesar 4 Vpp.

16. Catat besar tegangan Vin peak to peak. Pastikan setting osiloskop menggunakan DC coupling. Bagaimana hubungan antara Vout dengan Vin? Lakukan Lakukan analisa dan sampaikan hasilnya dalam laporan.

Rangkaian Summer(Penjumlah)

17. Modifikasi rangkaian pada Gambar 3-8 dengan menambahkan input lain (V_in2) dari generator sinyal, seperti pada Gambar 3-9.

18. Ukur dan catat nilai aktual resistor yang digunakan.

19. Buka sambungan dari titik C ke rangkaian. Pasang generator sinyal sebagai V_in dengan frekuensi 500Hz. Atur keluaran generator sinyal sehingga menghasilkan output op amp sebesar 4Vpp.

20. Sambungkan V_P ke titik A. Amati dengan menggunakan osiloskop dan catat nilai Vin serta Vo. Pastikan setting osiloskop menggunakan DC coupling.

21. Sambungkan V_P ke titik B, catat nilai V_in dan V_o.

22. Bagaimana hubungan antara Vout dengan Vin? Catat dan Lakukan analisa dan sampaikan hasilnya dalam laporan.

Rangkaian Integrator

23. Perhatikan dan susun rangkaian seperti pada Gambar 3-10.

24. Rangkai Vs dengan sinyal kotak menggunakan generator sinyal pada frekuensi 1 kHz 0,5 Vpp.

25. Amati gelombang output dengan menggunakan osiloskop. Plot kedua gelombang input dan output. Apakah hubungan antara gelombang input dan output? Lakukan analisis dan tulis dalam laporan.

Percobaan 3: Rangkaian Penguat Operasional 45

26. Lakukan langkah 23 dengan mengubah amplitudo sebesar 0.1 V_pp dan bandingkan hasilnya. Lakukan analisis tentang pengamatan anda!

Desain

27. Gunakan rangkaian yang sudah Anda persiapkan dari rumah.

28. Tunjukkan pada asisten bahwa hubungan antara V_ouput dengan V_input pada rangkaian Anda adalah benar. (Petunjuk: Gunakan tegangan input Va sekitar 0,5 V dan tegangan V_b sekitar 0,1 V_pp.)

Contoh Aplikasi persamaan differensial dengan rangkaian

Op-Amp untuk Oscillator.

29. Susunlah rangkaian pada Gambar 3-11 dibawah, di breadboard yang disediakan.

- 12 V + 12 V

B

R1 = 12kΩ CF = 1nF - 12 V + 12 V R1 = 12kΩ CF =1nF - 12 V + 12 V R3 = 12kΩ R4 = 3,9kΩ

A

C

Vout

30. Catatlah frekuensi yang dihasilkan di titik C, dan catatlah di BCL.

31. Ubahlah nilai R1 dan R2 menjadi 6,8 k. amati sinyal yang muncul di titik C. catat frekuensinya di BCL.

32. Kembalikan R1 & R2 ke nilai awal. Lalu ubahlah nilai C1 menjadi 470 pF. Amati sinyal yang muncul di titik C. catat frekuensi-nya di BCL.

33. Kembalikan C1 ke nilai awal Ubahlah nilai R4 menjadi 12 k. amati sinyal yang muncul di titik C. catat frekuensi-nya di BCL.

Mengakhiri Percobaan

34. Sebelum keluar dari ruang praktikum, rapikan meja praktikum. Bereskan kabel dan matikan osiloskop, generator sinyal, dan power supply DC. Pastikan juga multimeter analog dan multimeter digital ditinggalkan dalam keadaan mati (selektor menunjuk ke pilihan off).

35. Periksa lagi lembar penggunaan meja. Praktikan yang tidak menandatangani lembar penggunaan meja atau membereskan meja ketika praktikum berakhir akan mendapatkan potongan nilai sebesar minimal 10.

36. Pastikan asisten telah menandatangani catatan percobaan kali ini pada Buku Catatan Laboratorium anda. Catatan percobaan yang tidak ditandatangani oleh asisten tidak akan dinilai.