OPERATIONAL AMPLIFIER (OP AMP)

(1)

MODUL PENGAJARAN

OPERATIONAL AMPLIFIER

(OP – AMP)

UNIVERSITAS GUNADARMA

DEPOK

2020

(2)

MODUL PENGAJARAN

OPERATIONAL AMPLIFIER

(OP – AMP)

PENYUSUN:

Dr. Veronica Ernita Kristianti, ST., MT

Mariza Wijayanti, ST., MT

UNIVERSITAS GUNADARMA

DEPOK

(3)

iii

KATA PENGANTAR

Dengan memuji dan mengucap syukur kepadaTuhan Yang Maha Esa, yang telah memberikan karunia kekuatan dan kesabaran kepada Penulis. Berkat karunia ini, Penulis sampai pada langkah akhirnya, pembuatan modul pembelajaran Operational Amplifier (Op – Amp).

Modul pembelajaran Operational Amplifier (Op – Amp) merupakan modul untuk memudahkan dosen dan mahasiswa dalam mempelajari materi tentang Rangkaian Elektronika. Materi membahas tentang Operasi dasar dari Op-Amp dan aplikasi Op-Amp. Penulis mengharapkan pembaca dapat menyerap informasi secara keseluruhan dari modul ajar ini.

Penulis menyadari bahwa modul ini masih banyak kekurangan, baik penyajian ataupun kekurangtepatan dalam penjelasan. Penulis dengan senang hati akan menerima saran dan perbaikan dari pembaca.

Semoga modul pembelajaran ini mampu memberikan pengetahuan dan manfaat yang sebesar-besarnya bagi pembaca dan merangsang perbaikan lebih lanjut.

Jakarta, Maret 2020 Penulis

(4)

iv

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ...iii

DAFTAR ISI ... iv

MODUL 1 ... 1

OPERASIONAL AMPLIFIER (OP – AMP) ... 1

1. PENDAHULUAN ... 1

2. INPUT BERUJUNG TUNGGAL ... 2

3. INPUT BERUJUNG GANDA (DIFERENSIAL) ... 3

4. OUTPUT BERUJUNG GANDA ... 3

5. OPERASI COMMON MODE ... 5

6. PENOLAKAN COMMON MODE ... 6

MODUL 2 ... 7

APLIKASI OPERASIONAL AMPLIFIER 1 ... 7

1. CONSTANT-GAIN MULTIPLIER (Pengali Gain Konstan)... 7

2. AMPLIFIER BERGANDA ... 10

MODUL 3 ... 14

1. PENJUMLAHAN TEGANGAN ... 14

2. PENGURANGAN TEGANGAN ... 15

MODUL 4 ... 18

1. BUFFER TEGANGAN ... 18

2. SUMBER TERKENDALIKAN... 20

2.1 Sumber Tegangan Terkendali Tegangan ... 20

2.2 Sumber Arus Terkendali Tegangan ... 21

2.3 Sumber Tegangan Terkendali Arus ... 22

2.4 Sumber Arus Terkendali Saat Ini ... 23

(5)

1

MODUL 1

OPERASIONAL

AMPLIFIER (OP – AMP)

1. PENDAHULUAN

Penguat operasional, atau op-amp, adalah penguat diferensial dengan gain sangat tinggi impedansi masukan tinggi dan impedansi keluaran rendah. Penggunaan khas amplifier adalah untuk memberikan perubahan amplitudo tegangan (amplitudo dan polaritas), osilator, sirkuit filter, dan berbagai jenis sirkuit instrumentasi. Sebuah op-amp berisi nomor ber tahap penguat diferensial untuk mencapai gain tegangan yang sangat tinggi.

Gambar 1 menunjukkan sebuah op-amp dasar dengan dua masukan dan satu keluaran sebagaimana akan sult menggunakan tahap input penguat diferensial. Telah dijelaskan dalam pembahasan sebelumnya bahwa setiap masukan menghasilkan keluaran polaritas (atau fase) yang sama atau berlawanan, tergantung pada apakah sinyal diterapkan ke input plus (+) atau minus (-).

(6)

2

2. INPUT BERUJUNG TUNGGAL

Hasil operasi input berujung tunggal ketika sinyal input dihubungkan ke satu input dengan input lain yang terhubung ke ground. Gambar 2 menunjukkan sinyal yang terhubung untuk operasi ini. Pada Gambar 2.a, masukan diterapkan ke masukan plus (dengan minus diletakkan di tanah), yang menghasilkan keluaran yang memiliki polaritas yang sama seperti yang diterapkan diberi sinyal. Gambar 2.b menunjukkan sinyal masukan yang diterapkan pada masukan minus, keluaran kemudian berlawanan dalam fase dengan sinyal yang diterapkan.

(a)

(b)

(7)

3

3. INPUT BERUJUNG GANDA (DIFERENSIAL)

Selain menggunakan hanya satu masukan, dimungkinkan untuk menerapkan sinyal pada setiap masukan — ini menjadi operasi berujung ganda. Gambar 3.a menunjukkan input, Vd, diterapkan di antaranya dua terminal input (ingat bahwa tidak ada

input di ground), dengan penguatan output berlapis dalam fase yang diterapkan antara input plus dan minus. Gambar 3.b menunjukkan aksi yang sama yang dihasilkan ketika dua sinyal terpisah diterapkan ke masukan, perbedaan sinyal menjadi Vi1 - Vi2.

(a)

(b)

Gambar 3. Operasi Berujung Ganda (Diferensial)

4. OUTPUT BERUJUNG GANDA

Meskipun operasi yang dibahas sejauh ini memiliki satu keluaran, op-amp juga dapat dibuat dengan keluaran yang berlawanan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14.4.

(8)

4

Gambar 4. Output Berujung Ganda

Masukan diterapkan ke salah satu masukan akan menghasilkan keluaran dari kedua terminal keluaran, keluaran ini selalu berlawanan situs dalam polaritas. Gambar 5 menunjukkan masukan berujung tunggal dengan keluaran berujung ganda. Seperti yang ditunjukkan, sinyal yang diterapkan ke hasil masukan plus dalam dua keluaran yang diperkuat dari polaritas.

Gambar 5. Output Berujung Ganda dengan Input Berujung Tunggal

Gambar 6 menunjukkan operasi yang sama dengan satu keluaran yang diukur antara terminal keluaran (tidak terkait dengan ground). Sinyal keluaran perbedaan ini adalah Vo1 - Vo2. Output perbedaan juga disebut sebagai sinyal mengambang karena

(9)

5

Gambar 6. Output Berujung Ganda

Perhatikan bahwa perbedaannya input dua kali lebih besar dari Vo1 atau Vo2 karena

berlawanan polaritas dan sub-traktat menghasilkan amplitudo dua kali lipat [yaitu, 10 V - (-10 V) = 20 V]. Gambar 7 menunjukkan input diferensial, operasi output diferensial. Masukan diterapkan menjadi dua terminal input dan output diambil dari antara dua terminal output. Ini adalah operasi diferensial sepenuhnya.

Gambar 7. Operasi Input – Diferensial, Output – Diferensial

5. OPERASI COMMON MODE

Ketika sinyal input yang sama diterapkan ke kedua input, operasi mode umum kembali hasil, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8. Idealnya, kedua input diperkuat secara sama, dan sejak mereka menghasilkan sinyal polaritas yang berlawanan pada keluaran, sinyal ini dibatalkan, mengakibatkan Keluaran 0-V. Praktis, sinyal keluaran kecil akan dihasilkan.

(10)

6

Gambar 8. Operasi Common Mode

6. PENOLAKAN COMMON MODE

Fitur penting dari koneksi diferensial adalah bahwa sinyal yang berlawanan situs di input sangat diperkuat, sedangkan yang umum untuk dua input hanya sedikit diperkuat — keseluruhan operasi untuk memperkuat perbedaan sinyal sambil menolak sinyal umum di dua input. Sejak kebisingan (apapun sinyal input yang tidak diinginkan) umumnya umum untuk kedua input, koneksi diferensial tion cenderung memberikan redaman input yang tidak diinginkan ini sambil memberikan penguatan keluaran dari sinyal perbedaan yang diterapkan ke masukan. Fitur operasi ini, disebut sebagai penolakan mode umum, dibahas lebih lengkap di bagian selanjutnya.

(11)

7

MODUL 2

APLIKASI OPERASIONAL

AMPLIFIER 1

1. CONSTANT-GAIN MULTIPLIER (Pengali Gain Konstan)

Salah satu rangkaian op-amp yang paling umum adalah pengali gain konstan pembalik, yang memberikan gain atau amplifikasi yang tepat. Gambar 8 menunjukkan persambungan rangkaian standard dengan amplifier yang diberikan oleh

(1)

(12)

8

CONTOH 1

Tentukan tegangan keluaran untuk rangkaian Gambar 9 dengan masukan sinusoidal 2,5 mV.

Gambar 10 Sirkuit untuk Contoh 1

Solusi

Sirkuit pada Gambar 10 menggunakan op-amp 741 untuk memberikan amplifieran konstan atau tetap, dihitung dari Persamaan (1) menjadi

Maka Tegangan keluarannya adalah

Sebuah noninverting konstan-gain multiplier disediakan oleh rangkaian dari Gambar 11, dengan gain yang diberikan adalah

(13)

9

Gambar 11. Amplifier Non-inverting Penguatan Tetap

CONTOH 2

Hitung tegangan keluaran dari rangkaian Gambar 12 untuk masukan 120 V.

Gambar 12 Sirkuit untuk Contoh 2.

Solusi

Gain dari rangkaian op-amp dihitung menggunakan Persamaan (2) menjadi

(14)

10

2. AMPLIFIER BERGANDA

Ketika sejumlah rangkaianan rangkaian dihubungkan secara seri, amplifieran keseluruhan adalah produk dari gainrangkaian individu. Gambar 13 menunjukkan hubungan dari tiga rangkaian rangkaian. Rangkaian pertama terhubung untuk memberikan gain noninverting seperti yang diberikan oleh Persamaan (2). Dua rangkaian berikutnya memberikan gain pembalik yang diberikan oleh Persamaan (1). Gain sirkuit keseluruhan kemudian noninverting dan dihitung oleh

Gambar 13 Koneksi amplifieran konstan dengan beberapa rangkaianan.

CONTOH 3

Hitung tegangan keluaran menggunakan rangkaian Gambar 13 untuk komponen resistor nilai R f470 k, R14,3 k, R233 k, dan R3 33 k untuk masukan 80 V.

Solusi

(15)

11

CONTOH 4

Tunjukkan koneksi op-amp quad LM124 sebagai amplifier tiga rangkaian dengan amplifier dari 10, 18, dan 27. Gunakan resistor umpan balik 270-k untuk ketiga sirkuit. Apategangan keluaran akan menghasilkan masukan sebesar 150 V?

Solusi

Untuk gain 10:

Untuk gain 18:

Untuk perolehan 27:

Sirkuit yang menunjukkan koneksi pin dan semua komponen yang digunakan ada pada Gambar 14. Untuk sebuah masukan dari V 1150 µV, tegangan keluaran akan menjadi

(16)

12

Gambar 14 Sirkuit untuk Contoh 4 (menggunakan LM124)

Sejumlah rangkaianan op-amp juga dapat digunakan untuk memberikan gain terpisah, seperti ditunjukan dalam contoh berikutnya.

CONTOH 5

Tunjukkan koneksi dari tiga rangkaianan op-amp menggunakan IC LM348 untuk menghasilkan keluaran yaitu 10, 20, dan 50 kali lebih besar dari input. Gunakan resistor umpan balik R f500 k di semua rangkaianan.

Solusi

Komponen resistor untuk setiap rangkaian dihitung

(17)

13

(18)

14

MODUL 3

APLIKASI OPERASIONAL

AMPLIFIER 2

1. PENJUMLAHAN TEGANGAN

Penggunaan op-amp populer lainnya adalah sebagai amplifier penjumlah. Gambar 16 menunjukkan hubungan dengan keluaran menjadi penjumlahan dari ketiga masukan tersebut, masing-masing dikalikan dengan a gain yang berbeda. Tegangan keluarannya adalah

(3)

(19)

15

CONTOH 1

Hitung tegangan keluaran untuk rangkaian Gambar 17. Inputnya adalah V1 50 mV sin

(1000 t) dan V2 10 mV sin (3000 t).

Gambar 17. Sirkuit untuk Contoh 1

Solusi

Tegangan keluarannya adalah

2. PENGURANGAN TEGANGAN

Dua sinyal dapat dikurangi, satu dari yang lain, dengan berbagai cara. Gambar 18 menunjukkan dua rangkaian op-amp yang digunakan untuk memberikan pengurangan sinyal input. Hasilnya keluaran diberikan oleh

(20)

16

(4)

CONTOH 2

Tentukan output untuk rangkaian Gambar 18 dengan komponen Rf = 1 MΩ, R1 = 100 kΩ, R2 = 50 kΩ, dan R3 =500 kΩ.

Solusi

Tegangan keluaran dihitung menjadi

Output terlihat sebagai perbedaan dari V2 dan V1 dikalikan dengan faktor amplifier -20.

Sambungan lain untuk memberikan pengurangan dua sinyal ditunjukkan pada Gambar 19. Koneksi ini hanya menggunakan satu rangkaian op-amp untuk mengurangi dua sinyal input.Dengan menggunakan superposisi, output dapat ditampilkan menjadi

(5)

(21)

17

CONTOH 3

Tentukan tegangan keluaran untuk rangkaian Gambar 20.

Gambar 20. Sirkuit untuk Contoh 8.

Solusi

Tegangan keluaran yang dihasilkan dapat dinyatakan sebagai

Tegangan keluaran yang dihasilkan terlihat sebagai perbedaan dari dua tegangan masukan.

(22)

18

MODUL 4

APLIKASI OPERASIONAL

AMPLIFIER 3

1. BUFFER TEGANGAN

Sirkuit buffer tegangan menyediakan sarana untuk mengisolasi sinyal input dari beban menggunakan rangkaian yang memiliki amplifieran tegangan satu kali, tanpa pembalikan fasa atau polaritas, dan tindakan sebagai rangkaian ideal dengan impedansi masukan yang sangat tinggi dan impedansi keluaran yang rendah.

Gambar 21 menunjukkan op-amp yang terhubung untuk menyediakan operasi amplifier buffer ini. Tegangan keluaran ditentukan oleh

Vo = V1 (6)

Gambar 22 menunjukkan bagaimana sinyal input dapat diberikan ke dua output terpisah. gain dari koneksi ini adalah bahwa beban yang dihubungkan pada satu output tidak ada (atau kecil) berpengaruh pada keluaran lainnya. Akibatnya, output di-buffer atau diisolasi dari satu sama lain.

(23)

19

Gambar 21. Unity-gain amplifier (buffer).

Gambar 22. Penggunaan buffer amplifier untuk memberikan keluaran sinyal.

CONTOH 1

Tunjukkan koneksi 741 sebagai sirkuit amplifieran-kesatuan.

Solusi

Hubungannya ditunjukkan pada Gambar 23.

(24)

20

2. SUMBER TERKENDALIKAN

Amplifier operasional dapat digunakan untuk membentuk berbagai jenis sumber terkontrol. Sebuah tegangan input dapat digunakan untuk mengontrol tegangan atau arus keluaran, atau arus masukan dapat digunakan untuk mengontrol tegangan atau arus keluaran. Jenis koneksi ini adalah cocok untuk digunakan di berbagai sirkuit instrumentasi. Suatu bentuk dari setiap jenis yang dikendalikan sumber disediakan berikutnya.

2.1 Sumber Tegangan Terkendali Tegangan

Bentuk ideal dari sumber tegangan yang keluaran Vo dikendalikan oleh

tegangan input V1 ditunjukkan pada Gambar 24. Tegangan keluaran terlihat

tergantung pada masukan tegangan (dikalikan dengan faktor skala k ). Jenis rangkaian ini dapat dibangun dengan menggunakan op-amp sebagai ditunjukkan pada Gambar 25.

Gambar 24. Tegangan ideal-sumber tegangan terkontrol

Dua versi sirkuit ditampilkan, satu menggunakan pembalik input, input noninverting lainnya. Untuk sambungan Gambar 25a, tegangan outputnya adalah

(25)

21

Gambar 25. Sirkuit sumber tegangan yang dikontrol tegangan secara praktis sedangkan pada Gambar 25b menghasilkan

(8)

2.2 Sumber Arus Terkendali Tegangan

Bentuk ideal rangkaian yang menyediakan arus keluaran yang dikendalikan oleh tegangan masukan adalah bahwa dari Gambar 15.18. Arus keluaran tergantung pada tegangan masukan. Praktis sirkuit dapat dibangun, seperti pada Gambar. 15,19, dengan arus output melalui resistor beban R Ldikontrol oleh tegangan input V 1 . Arus melalui resistor beban R L dapat dilihat menjadi

(9)

(26)

22

Gambar 27. Tegangan praktis-sumber arus terkontrol.

2.3 Sumber Tegangan Terkendali Arus

Bentuk ideal dari sumber tegangan yang dikendalikan oleh arus input ditunjukkan pada Gambar 28 Tegangan keluaran tergantung pada arus masukan. Bentuk praktis dari sirkuit dibangun dengan menggunakan op-amp seperti yang ditunjukkan pada Gambar 15.21. Tegangan keluaran terlihat menjadi

(10)

(27)

23

Gambar 29. Bentuk praktissumber tegangan yang dikontrol arus.

2.4 Sumber Arus Terkendali Saat Ini

Bentuk ideal dari rangkaian yang memberikan arus keluaran tergantung pada arus masukan ditunjukkan pada Gambar 30. Dalam jenis rangkaian ini, arus keluaran disediakan tergantung penyok pada arus input. Bentuk praktis dari rangkaian ditunjukkan pada Gambar 31. Arus masukan I1 dapat ditampilkan untuk menghasilkan

arus keluaran Io sehingga

(11)

(28)

24

Gambar 31. Bentuk praktissumber arus yang dikendalikan saat ini.

CONTOH 2

(a) Untuk rangkaian Gambar 32a, menghitung IL.

(b) Untuk rangkaian Gambar 32b, hitung Vo.

Gambar 32. Rangkaian untuk contoh 2

Solusi

(a) Untuk sirkuit Gambar 32a, (b) Untuk sirkuit Gambar 32b,

(29)