Penguat Operasional (Op-amp, Operational Amplifier)

TG3001 Instrumentasi Geofisika Lanjut Dr. Ir. Warsa

Penguat Operasional

(Op-amp, Operational Amplifier)

Kelompok Keahlian Geofisika Terapan & Eksplorasi Program Studi Teknik Geofisika – FTTM

Institut Teknologi Bandung

▪ Penguat diferensial (selisih) dengan 2 input dan 1 output yang memiliki penguatan tegangan yang sangat tinggi, yaitu dalam orde 10⁵.

▪ Op-amp ini digunakan untuk membentuk fungsi-fungsi linier yang

bermacam-macam atau dapat juga digunakan untuk operasi-operasi non linier, dan seringkali disebut sebagai rangkaian terpadu linier dasar atau lebih persisnya analog.

Pendahuluan

+

-

R₀

+

-

V₀ R_L

+

-

1

2 V₁

Av > 0 A_vV_i R_i

V_i

Skema dasar Op-amp

▪ Model rangkaian ekivalen op-amp:

▪ Bagian output terdiri dari sumber tegangan-terkontrol (voltage-controlled source) dgn resistansi output Ro. Resistansi input resistance Ri adalah resistansi ekivalen (setara) Thevenin dilihat dari

terminal input, sedangkan resistansi output Ro is resistansi adalah resistansi ekivalen (setara) Thevenin dilihat dari output. The differential input voltage vd is given by

V₂

Skema dasar Op-amp

▪ Memiliki sebuah masukan diferensial dengan tegangan V₁ dan V₂, yang diberikan secara berturut-turut terminal bukan pembalik (non inverting) dan terminal pembalik (inverting).

▪ Penguatan antara V₀ dan V₁ positif (tidak membalik, non inverting)

▪ Penguatan antara V₀ dan V₂ negatif (membalik, inverting).

▪ Terminal-terminal luar di samping power supply ( ±Vcc) adalah dua input v_i1 dan v_i2 serta terminal keluran v_out.

V₁

V₂

V₀ +V_CC

-V_CC

Beberapa Jenis IC Op Amp Packages

Dual-in-Line package (DIP)

Metal Can Package

OFFSET NULL

OFFSET NULL

Op Amp Pin-out Dual-in-Line Package (DIP)

Op Amp Pin-outs Metal Can

Skema dasar Op-amp: Sifat ideal

Sifat-sifat dari sebuah penguat operasional ideal adalah

▪ Resistansi masukan R_i = .

▪ Resistansi keluaran R₀ = 0.

▪ Perolehan/Penguatan Tegangan A_v = .

▪ Lebar pita = .

▪ V₀ = 0 kalau V₁ = V₂ tidak tergantung pada besarnya V₁.

▪ Karakteristiknya tidak tergantung temperatur / suhu.

2

4 7

6

3

Op Amp stages with pin-outs of IC741

Karakteristik

Parameter Ideal LM741 LF347 LM318

Open-loop Gain (A_OL) ∞ 2 . 10⁵ 10⁵ 2 . 10⁵ Input Resistance (R_in) ∞ Ω 2 M Ω 10¹² Ω 3 M Ω Output Resistance (R_o) 0 Ω 75 Ω 75 Ω 75 Ω Gain Bandwidth Product ∞ Hz 1 MHz 4 MHz 15 MHz

CMRR ∞ 90 dB 100 dB 100 dB

2 2 +

−

=

−

− +

= +

CC sat

CC sat

V V

V V

Keluaran

▪ Tegangan output tak kan pernah melampaui V_CC.

▪ Keluaran hanya sampai ke tegangan saturasi yaitu 1 atau 2V dibawah

V_CC.

▪ Berfungsi sebagai komparator

▪ Tegangan output adalah +Vsat jika tegangan input non-inverting lebih tinggi dari tegangan input inverting

▪ Demikian juga, tegangan output adalah –Vsat jika tegangan input non-inverting lebih rendah dari tegangan input inverting

Operasi Loop Terbuka

sat o

sat o

V v

v v

V v

v v

−

=





+

=





− +

− +

V v_ref 12 0.5

3 . 1 30

3 .

1  

= +

▪ Salah satu karakteristik Op-amp adalah tegangan input (antar

terminal input) yang sangat kecil. Dan resistansi input yang sangat besar menyebabkan tidak adanya arus yang mengalir, sehingga

Loop Tertutup

0 0





i i

i v

▪ Kedua persamaan (vi=0 dan ii=0) mengasumsikan bahwa kedua

terminal input seolah-olah terhubung langsung (virtual short), yang mana baik tegangan maupun arus sangat2 mendekati nol

▪ Karena adanya virtual short, maka kaki inverting seolah-olah terhubung ke ground (virtual ground).

▪ Catatan bahwa meski kaki non-inverting tak terhubung langsung ke ground, dalam arti ada resistor diantaranya, namun tak ada arus

mengalir melewati resistor tersebut. Sehingga tegangan resistor adalah nol. Maka kaki inverting tetap saja pada kondisi virtual ground.

Virtual Short Virtual Ground

S i s

F o i

R v i v

R v i v

= −

= −

1 2

i_i=0, maka i₂=i₁ . Dan v_i=0

Penguat Membalik (Inverting)

S F V

S F s

o

R A R

R R v

v

−

=

−

=

Penguat Membalik (Inverting)

▪ Input resistance

▪ Karena terminal inverting dalam kondisi virtual ground, maka input resistance yg terlihat dari sumber (vs) adalah Rs.

▪ Output resistance

▪ Output resistance rangkaian yg terlihat dari beban adalah mendekati nol

▪ Bandwidth:

▪ Gain-Bandwidth Product (GBW) Op-amp, disebut juga satuan (unity) gain bandwidth, diberikan di dalam data sheets. Sebagai contoh Op-amp 741adalah 1 MHz, maka bandwidth op-amp dapat dihitung dengan rumus

AV

BW = GBW

Penguat Tak Membalik (non-inverting)

▪ Here, in the above circuit, we connect an

external resistance R₁ and feedback resistance R_f at inverting input. Now, by applying Kirchhoff Current Law, we get,

▪

Let us assume the input voltage applied to the non inverting terminal is v_i.

▪ Now, if we assume that the op amp in the circuit is ideal op amp, then,

▪ Input resistance

▪ Ri ≈ ∞

▪ Output resistance

▪ Ro ≈ 0

▪ Bandwidth:

Penguat Tak Membalik

AV

BW = GBW

Soal 1

▪ Sebuah rangkaian Op-amp pembalik (inverting) memiliki nilai-nilai yaitu: tahanan feed back = 330 kΩ; tahanan input

= 1 kΩ; dan tegangan input = 17 mV. Hitung berapa

penguatan tegangan (Av), tegangan output (Vout) dan

berapa tegangan catu daya (Vcc) pada rangkaian tersebut?

Soal 2

▪ Diketahui rangkaian Op-amp seperti pada gambar di bawah ini, jika tegangan catu daya sebesar +15V dan -15V, sedangkan R_F = 470 KΩ, R₁ = 4,3K, R₂ = R₃ = 33 KΩ dan V_i = 8 mV. Hitung berapakah harga penguatan tegangan Av dan tegangan output V₀ ?

Penguat Satuan (Unity Gain/Buffer)

Penguat Penjumlah

Penguat Penjumlah Tak Membalik

Penguat Pengurang

▪ Misal sumber arus menghasilkan 10 mA dan R_F= 100 kohm, tegangan voltage adalah -1 V

▪ Karena resistansi output op-amp mendekati nol, tegangan output dengan ataupun tanpa beban adalah hampir sama

▪ Karena tegangan output v_o dikontrol dari sumber arus i_s rangkaian ini disebut dengan sumber tegangan terkendali arus.

Current-to-Voltage Converter

Integrator

Practical Integrator

Differensiator

▪ Sebagaimana ditunjukkan dari namanya, komparator secara harfiah berarti membandingkan, dalam hal ini adalah membandingkan dua macam tegangan pada kedua masukannya

Comparator (Pembanding)

▪ Berfungsi sebagai komparator

▪ Tegangan output adalah +Vsat jika tegangan input non-inverting lebih tinggi dari tegangan input inverting

▪ Demikian juga, tegangan output adalah –Vsat jika tegangan input non-inverting lebih rendah dari tegangan input inverting

Operasi Loop Terbuka

sat o

sat o

V v

v v

V v

v v

−

=





+

=





− +

− +

Comparator

V v_ref 12 0.5

3 . 1 30

3 .

1  

= +

▪ Dari gambar tersebut terlihat dimana Vref ditempatkan pada masukan inverting yang merupakan titik perpindahan terhadap

tegangan masukan non inverting, bilamana tegangan masukan (Vin) sedikit lebih besar daripada Vref, maka keluarannya akan menjadi tinggi, dan sebaliknya bilamana Vin lebih kecil dibandingkan

dengan Vref, maka keluarannya akan menjadi rendah. Tegangan acuan yang diterapkan pada masukan pembalik berharga positif atau sama dengan

R Vcc R

Vref R

2 1

1

= +

Comparator

Driver

v_in R Y G

0.5V OFF OFF ON

1.5V OFF ON OFF

2.5V ON OFF OFF

Schmitt Trigger

v_in v_out

▪ Pemicu Schmitt (Schmitt trigger) adalah piranti yang mengubah

isyarat masukan bentuk gelombang sembarang menjadi gelombang kotak pada isyarat keluarannya. Gelombang kotak sangat

dibutuhkan dalam sistem digital karena mempunyai waktu bangkit yang cepat (sisi naik dan turunnya sangat tajam).

▪ Selain itu piranti ini juga dapat menghilangkan isyarat-isyarat yang dapat mengganggu (noise) kerja suatu sistem digital.

Schmitt Trigger

▪ The operational amplifier (op amp), originally designed to perform arithmetic operations, is the basis of many electronic circuits.

▪ It is basically a differential amplifier, with properties such as a very high open loop gain, very high impedance, and very low output impedance.

▪ Most of op amps have positive and negative power supply inputs, and an output lead.

Summary

1. What is an op amp ?

2. List of four special-purpose op amps ?

3. What are the properties of an ideal amplifier?

4. What is the gain bandwith product ?

5. What is an inverting amplifier ? A non inverting amplifier?

6. An op amp has supply voltages of ±9 volts. What is the maximum output normally avalilable?

Questions

▪ Turunkan nilai V0 sebagai fungsi V_a dan V_b.

Soal

▪ Diketahui Vsat untuk LM741 ± 14 V untuk tegangan sumber Vs ± 15 V. Jika Vi1 = 3 V dan Vi2 = 4 V, Ri1 = Ri2 = Ro2 = 1 K Ohm. Tentukan berapa nilai Vo ? berapakah

▪ Carr, J.J.1993. Electronic Devices. McGraw-Hill.

▪ http://elektronika-dasar.web.id/

▪ http://teknikelektronika.com/

References