Embed Size (px)
Citation preview
1
BAB 15 PENGUAT OPERASIONAL
Komponen individual seperti 2N3904 BJT dan 2N5459 FET diklasifikasikan
sebagai komponen diskrit. Suatu komponen diskrit bercirikan tiap selubung hanya
terdiri satu komponen. Contohnya ketika membeli 2N3904, komponen ini adalah
komponen tunggal yang ditempatkan didalam selubungnya.
Selama bertahun-tahun akhirnya teknologi pembuatan telah dibuat dapat
memproduksi seluruh sirkuit hanya dalam satu buah material konduktor. Jenis
dari rangkaian ini adalah rangkaian yang ditempatkan dalam satu pembungkus,
hal ini yang disebut dengan integrated circuit atau IC. IC pada rangkaian
sederhananya terdiri dari beberapa komponen aktif/pasif, sedangkan pada
rangkaian kompleks IC terdiri dari ratusan komponen aktif/pasif dari ribuan
komponen.
Keuntungan dari IC yaitu berhubungan dengan seluruh operasi didalamnya
dan harga pembuatannya yang murah. Operasi rangkaian yang menggunakan
ratusan komponen diskret dapat ditangani hanya dengan satu buah IC. Hal ini
membuat rangkaian mudah dirancang dan mudah ditangani bila ada masalah pada
rangkaian. Selain itu harga IC lebih murah dibanding harga komponen diskrit. Hal
ini membuat biaya pembuatan sistem elektronik menjadi lebih murah.
Dalam buku ini tidak akan mungkin untuk membahas seluruh tipe IC yang
ada. Dengan pembelajaran elektronika yang lebih lanjut lagi akan dikenalkan tipe
IC yang lebih banyak lagi. Dalam buku ini hanya akan berkonsentrasi dalam
penggunaan IC linier, penguat operasional (op-amp). Disini akan didiskusikan
prinsip kerja dan aplikasi sederhana dari penggunaan op-amp, termasuk
troubleshoot penguat operasional.
15.1 GAMBARAN PENGUAT OPERASIONAL
Penguat operasional (op-amp) adalah penguat dc dengan gain tinggi yang
memiliki masukan impedansi yang tinggi dan keluaran impedansi yang rendah.
2
Rangkaian internal 741, simbol skematis, dan pin diagram 741 ditunjukkan dalam
Gambar 15.1.
Perhatikan gambar rangkaian! Bagaimana cara troubleshoot rangkaian
tersebut? Untungnya rangkaian 741 semuanya berisi komponen tunggal. Karena
semuanya berisi komponen tunggal maka yang harus diperhatikan adalah
hubungan masukan dan keluaran serta karakteristik dari komponen. Rangkaian
internal 741 tidak dapat diperbaiki, sehingga kompleksitas 741 tidak menjadi
masalah.
Terdapat dua sinyal input pada penguat operasional, yaitu membalik
(inverting) dan tak membalik (non inverting). Biasanya masukan dari penguat
(amplifier ) akan dimasukan ke salah satu jenis input tadi. Sedangkan yang
lainnya digunakan untuk mengontrol karakteristik operasi komponen. Pin input
mana yang akan digunakan sebagai input aktif bergantung terhadap penggunaan
op-amp tersebut.
Komponen diskret adalah komponen yang ditempatkan dalam selubung
individual, dimana dalam satu pembungkus terdapat satu komponen.
Integrated Circuit (IC) adalah komponen tunggal yang terdiri dari
beberapa komponen aktif dan komponen pasif, semua komponen tersebut
dibangun dalam sebuah silikon.
Operatinal Amplifier (op-amp) adalah high-gain dc amplifier yang
memiliki impedansi input yang tinggi dan memiliki impedansi output yang
rendah.
3
Gambar 15.1. Op-amp A 741. (Sumber : Fairchild, divisi National
Semiconductor)
Gambar 15.1 (a) Diagram skematik 741
Gambar 15.1 (b) Simbol rangkaian 741
Gambar 15.1 (c) Tampak atas chip 741 di dalam 8-pin-dual-in-line
Penguat operasional memiliki dua masukan input tegangan, yang
dilambangkan dengan +V dan –V. Dua masukan ini akan terhubung ke dua jalur,
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 15.2. Cara pertama yaitu memiliki nilai +V
4
dan -V yang diatur pada tegangan yang sama dengan polaritas berkebalikan,
seperti yang ditunjukkan pada Gambar 15.2a. Cara lain nya adalah menyediakan
supply tegangan tunggal untuk satu pin supply, sedangkan yang lain di-ground-
kan. Hubungan ini ditunjukkan pada Gambar 15.2b dan c. Jenis kabel yang
digunakan dari dari kedua pin tersebut bergantung pada aplikasi yang akan
digunakan. Pin offset null (Gambar 15.1) akan dibahas pada bagian terakhir bab
ini.
Gambar 15.2 Tegangan Masukan Op-amp
Pengenalan IC
Ratusan jenis op-amp diproduksi oleh berbagai macam pabrik. Banyak op-amp
yang dapat diidentifikasi dengan menggunakan seven-character code ID.
Contohnya ditunjukkan pada gambar 15.3. Prefix digunakan untuk
mengidentifikasi manufaktur tertentu. Daftar dari jenis prefix yang paling banyak
digunakan ditampilkan pada Tabel 15.1. Kode designator melambangkan dua
hal, yaitu :
1. Tiga digit nomor melambangkan tipe op-amp
2. Huruf terakhir melambangkan jangkauan suhu operasi.
Contoh dari penggunaan kode suhu yang sering digunakan ditunjukkan pada
Tabel 15.2. Kode designator digunakan tidak hanya untuk menentukan tipe op-
amp, namun juga digunakan untuk untuk menentukan op-amp mana yang dapat
digantikan oleh yang lainnya. Poin ini akan dibahas lebih lanjut pada bagian
troubleshoot rangkaian op-amp. Suffix dalam code ID melambangkan tipe
5
selubung luar op-amp yang digunakan. Kode suffix yang paling banyak digunakan
ditunjukkan pada Tabel 15.3.
Gambar 15.3 Kode ID Op-Amp
Tabel 15.1 Prefix Manufaktur
Tabel 15.2 Kode Temperatur
Tabel 15.3 Kode Suffix
Designator Code adalah kode IC yang menunjukkan jenis dari rangkaian dan suhu
operasi rangkaian tersebut.
6
Selubung Penguat Operasional
Op-amp tersedia dalam selubung dual-in-line (DIP), metal cans, dan surface-
mount package (SMPs). Selubung DIP dan selubung metal cans diilustrasikan
pada Gambar 15.4. Metal cans (tipe TO-5) tersedia dalam 8,10, atau 12 lead. DIP
pada op-amp biasanya memiliki 8 atau 14 pin seperti yang ditunjukkan pada
gambar. Dari tiga jenis selubung yang digunakan tadi, DIP paling banyak
digunakan.
Gambar 15.4 Selubung op-amp (sumber : Prentice Hall)
Perlu diingat bahwa jenis dari selubung sangat penting dalam memilih penguat
operasional mana yang akan diganti.
7
15.2 GAMBARAN OPERASI PENGUAT OPERASIONAL
Input dari op-amp adalah penguat diferensial. Penguat diferensial membedakan
antara input dan . Hal ini dapat dilihat pada Gambar 15.5. Perlu diingat
bahwa penguat melihat input sebagai perbedaan tegangan diantara dua input
tegangan. Rumusnya sebagai berikut :
(15.1)
Dimana = perbedaan tegangan yang akan dikuatkan
= tegangan yang dimasukan ke dalam input pembalik (inverting)
= tegangan yang dimasukan ke dalam input tak membalik (noniverting)
Penting untuk mengingat bahwa op-amp menguatkan perbedaan terminal
tegangan input.
Keluaran dari amplifier yang dihasilkan bergantung terhadap beberapa
faktor, yaitu :
1. Gain dari amplifier.
2. Hubungan polaritas antara dan .
3. Nilai dari tegangan masukan, +V dan –V.
faktor-faktor tersebut akan dibahas lebih jelas lagi pada bagian selanjutnya.
Gain Penguat Operasional
Nilai maksimum gain op-amp dilihat dari gain open-loop, AOL. Nilai dari AOL
pada umumnya lebih besar dari 10,000. Contohnya op-amp Fairchild µA741
memiliki gain open-loop 200,000.
Penguat Diferensial adalah rangkaian yang menguatkan perbedaan tegangan
antara dua input tegangan.
8
Gambar 15.5
Gambar 15.6 Feedback path Op-Amp
Dikatakan open-loop bila rangkaian tidak memiliki feedback path dari
output ke input op-amp. Feedback path adalah hubungan yang digunakan untuk
mengumpan bagian sinyal output untuk kembali lagi ke sinyal input. Rangkaian
op-amp biasanya terdiri dari satu feedback path atau lebih. Dalam Gambar 15.6,
rangkaian terdiri dari Rf yang merupakan feedback path. Ketika bagian dari sinyal
output dikembalikan ke sinyal input, seluruh nilai gain dari op-amp menjadi
berkurang. Dalam beberapa jenis rangkaian akan ditunjukkan bagaimana
menentukan gain dari tiap rangkaian. Sementara itu yang perlu diingat adalah:
1. Gain maksimum yang dihasilkan oleh op-amp adalah AOL (biasanya
10,000 atau lebih besar)
2. Nilai gain op-amp yang sebenarnya akan berkurang ketika feedback path
negatif ditambahkan diantara input dan output
Nilai gain op-amp yang tinggi adalah keuntungan dari op-amp bila
dibandingkan transistor BJT dan FET. Nilai dari Av mendekati 200,000 sangat
tidak mungkin dimiliki oleh komponen diskrit.
9
Polaritas Input/Output
Hubungan polaritas antara dan akan ditentukan apabila tegangan output op-
amp bergerak ke arah +V atau –V. Jika lebih negatif dari maka tegangan
output op-amp akan bergerak menuju +V. Hal ini digambarkan pada Gambar
15.7a. Jika lebih positif dari maka tegangan output op-amp akan bergerak
menuju –V. Hal ini digambarkan pada Gambar 15.7b. Perlu diperhatikan
hubungan antara polaritas tegangan output dengan input dalam simbol skematik.
Pada Gambar 15.7a simbol polaritas dan sesuai dengan tanda polaritas pada
simbol skematik, dan output nya positif. Pada Gambar 15.7b tanda polaritas untuk
dan tidak sesuai dengan tanda polaritas pada simbol skematik, dan output nya
negatif. Sehingga dapat disimpulkan bahwa hubungan polaritas input/output op-
amp :
Ketika tegangan input sesuai dengan tanda polaritas dalam simbol
skematik, tegangan output nya positif. Ketika tidak sesuai maka output nya
negatif.
Hal ini digambarkan lebih jelas lagi pada Gambar 15.8
Gambar 15.7 Polaritas input Op-Amp
Gain Tegangan loop-terbuka, AOL : Gain maksimum yang dimungkinkan dari
sebuah Op-Amp
10
Gambar 15.8 Hubungan Polaritas Input/Output
Perlu diingat bahwa polaritas output ditentukan oleh hubungan polaritas
antara dan , bukan dengan polaritas yang terhubung ke ground. Contohnya
terdapat pada rangkaian (a) dan (c) pada Gambar 15.8. Dalam kasus ini lebih
negatif (polaritas tegangan sesuai dengan simbol polaritas), dan output nya
adalah positif. Tidak masalah nilai input postif atau negatif, yang dilihat hanya
negatif terhadap . Jika dilihat dalam rangkaian (b) dan (d), nilai lebih positif
terhdap (polaritas tegangan tidak cocok dengan simbol polaritas), sehingga
output nya negatif. Sekali lagi dan menentukan polaritas output.
Sekarang kita liat pada rangkaian (e). Pada rangkaian ini input
noninverting (+) di ground. Ketika lebih positif daripada ground, polaritas
tegangan tidak sesuai dengan simbol, maka output nya negatif. Ketika nilai
Inverting input adalah input op-amp yang menghasilkan beda fase 180 ketika
digunakan sebagai sinyal input
Noniverting input adalah input op-amp yang tidak menghasilkan
pergeseran/beda fase pada tegangan output ketika digunakan sebagai sinyal input.
11
lebih positif dari ground , polaritas tegangan sesuai dengan simbol, maka output
nya positif. Pada rangkaian ini beda fase yang terjadi antara input dan output op-
amp adalah 180. Oleh karena itu syarat noniverting diterapkan. Jika kita
menerapkan nalar yang sama pada rangkaian (f), maka akan terlihat kenapa input
dikatakan sebagai noninverting.
Terdapat cara lain yang dapat digunakan untuk menentukan polaritas
tegangan output dari tegangan input yang diberkan. Dapat diingat pada persamaan
(15.1) dapat diketahui nilai perbedaan tegangan input adalah :
Ketika hasil dari persamaan diatas positif, maka output op-amp akan bernilai
positif. Ketika hasil dari persamaan diatas negatif, maka output nya akan bernilai
negatif. Hal ini digambarkan pada Contoh 15.1.
CONTOH 15.1
Tentukan polaritas tegangan output rangkaian (a) dan (b) pada Gambar 15.8
menggunakan persamaan (15.1).
Solusi: Untuk rangkaian (a)
Karena bernilai positif maka output op-amp akan bernilai positif. Untuk
rangkaian (b),
12
Karena bernilai negatif maka output op-amp akan bernilai negatif.
SOAL LATIHAN 15.1
Dengan menggunakan persamaan (15.1), tentukan nilai polaritas tegangan output
untuk rangkaian (c) dan (d) pada Gambar 15.8
Jika dibandingkan, polaritas yang didapatkan dengan persamaan diatas. Hasil
yang didapat pada contoh 15.1 sama seperti yang diterapkan pada persamaan 15.1.
Dalam menentukan polaritas menggunakan analisis kecocokan antara
polaritas tegangan dengan tanda polaritas pada simbol skematik (metode
observasi) memang lebih sulit bila dibandingkan dengan menggunakan persamaan
15.1. Menentukan polaritas dengan persamaan 15.1 terasa lebih mudah. Alasan
mengapa digunakan dua metode dalam menentukan polaritas yaitu karena tiap
metode lebih mudah digunakan dalam keadaan tertentu yang berbeda. Ketika
menganalisa diagram skematik rangkaian op-amp, maka akan lebih mudah
menganalisis dengan menggunakan analisis matematis (persamaan 15.1). Ketika
akan men-troubleshooting rangkaian op-amp menggunakan osiloskop maka akan
lebih mudah menganalisis menggunakan metode observasi. Metode ini lebih
mudah digunakan karena kita tidak perlu mencari besarnya nilai tegangan yang
tepat. Kita hanya cukup menentukan hubungan polaritas pada input, lalu kita
dapat mengobservasi polaritas tegangan outputnya.
Dari poin diatas kita dapat dengan mudah menyelesaikan persoalan tanpa
perlu memperhitungkan efek dari nilai output +V dan –V pada op-amp. Seperti
yang telah dijelaskan sebelumnya, masukan pin dapat diatur menjadi nilai yang
berbeda-beda. Sekarang akan dilihat efek dari +V dan –V pada tegangan output
op-amp.
13
Tegangan Masukan
Tegangan masukan (+V dan –V) menentukan limit swing tegangan output. Gain
atau kekuatan sinyal input, serta output yang tidak dapat mencapai nilai kurang
dari +V atau –V tidak menjadi masalah. Contohnya dengan menghitung rangkaian
yang ditunjukkan pada Gambar 15.9. Rangkaian (a) memiliki tegangan masukan
15 V. Dengan menganggap output dapat membuat transisi penuh antara +V dan
–V, output tidak menjadi lebih positif dari +15 V atau lebih negatif dari -15 V.
Untuk rangkaian (b), nilai output akan dibatasi hingga +5 V pada transisi postif
dan -5 V transisi negatif. Output pada rangkaian (c) akan membatasi pada +10 V
dan ground, sementara itu output pada rangkaian (d) akan membatasi pada ground
dan -10V.
Gambar 15.9 Tegangan Masukan Op-Amp
Dalam praktik nya tegangan puncak output tidak akan mencapai +V atau –
V. Alasannya yaitu karena jatuh tegangan yang terjadi antara komponen tegangan
output pada rangkaian op-amp. (seperti yang dijelaskan pada Gambar 15.a).
Limit sesungguhnya pada Vout bergantung pada op-amp yang digunakan
dan nilai resistansi bebannya. Untuk contohnya dapat dilihat pada daftar
spesifikasi op-amp µA741 dibawah ini :
14
Untuk op-amp ini, dengan sumber tegangan 15 V, output nya akan
dibatasi menjadi 14 V jika nilai resistornya 10 kΩ atau lebih, dan outputnya
menjadi 13 V jika nilai resistornya antara 2 sampai 10 kΩ. Perlu diingat bahwa
14 V menampilkan tegangan puncak (peak to peak) 28 V dan 13 V
menampilkan tegangan puncak 26 V.
Apa yang akan terjadi jika nilai resistansi beban kurang dari 2 kΩ? Daftar
spesifikasi dari µA741 terdiri dari grafik yang menunjukkan tegangan output
maksimum sebagai fungsi dari resistansi beban. Grafik ini ditunjukkan pada
Gambar 15.10. Perlu diingat bahwa tegangan outputnya adalah tegangan puncak.
Dari kurva tersebut juga didapatkan tegangan masukan sebesar 15 V. Tegangan
output maksimum yang diberikan resistansi beban dapat ditentukan dengan
mencari besarnya nilai hambatan tersebut pada sumbu x dan menentukan nilai
yang sesuai dari tegangan output maksimum. Contohnya, resistansi beban 200 Ω
akan membatasi tegangan output puncak menjadi 10 V atau 5 V.
Sekarang yang menjadi pertanyaan adalah bagaimana caranya menentukan
maksimum swing output ketika sumber tegangan diatur menjadi lebih dari 15
V?
Gambar 15.10 Tegangan output sebagai fungsi resistansi beban
15
Gambar 15.11 Tegangan output sebagai fungsi tegangan masukan
Grafik dari swing tegangan output dengan tegangan input µA741 ditunjukkan
pada Gambar 15.11. Seperti yang dapat dilihat dari gambar tersebut, tegangan
output maksimum bertambah seiring bertambahnya nilai tegangan input. Biasanya
tabel berikut dapat digunakan dalam pemakaian 741 :
Contohnya, dengan menghitung rangkaian pada Gambar 15.12. Tegangan
masukan sebesar 10 V dan terdapat ground. Jika nilai RL adalah 10 kΩ atau lebih,
maka maksimum swing output bernilai dari +9 V hingga +1 V. Jika resistansi
beban bernilai antara 2 sampai 10 kΩ, maka swing tegangan output bernilai dari
+8 hingga +2 V.
Putting It All Together
Kita telah menghitung faktor dari gain hubungan polaritas V2-V1, resistansi beban,
dan tegangan masukan pada operasi op-amp. Pada bagian ini akan dibahas
contoh-contoh dari faktor-faktor tersebut. Pada tiap contoh, nilai gain diasumsikan
menjadi nilai yang paling mudah. Pada bab selanjutnya akan ditunjukkan
bagaimana caranya menentukan nilai gain dari tiap rangkaian
16
Gambar 15.12
CONTOH 15.2
Gambar 15.13
Tentukan nilai tegangan puncak output pada rangkaian yang ditunjukkan Gambar
15.3. Tentukan juga nilai output maksimum pada op-amp. Diasumsikan nilai gain
150.
Solusi : Karena input noninverting di-ground-kan, nilai dari adalah 0 V.
Perbedaan tegangannya sebagai berikut
Dengan mengubah tegangan puncak input dari 50 m Vpk menjadi 100 m Vpp,
tegangan pucak output dihitung sebagai berikut
17
m Vpp)
Vpp
Karena resistansi bebannya sebesar 10Ω, dapat ditentukan nilai maksimum output
puncak yang mungkin menggunakan petunjuk yang digunakan pada 741 yang
telah dibahas sebelumnya. Oleh karena itu, nilai puncak maksimum positif dan
negatif sebagai berikut
(maksimum)
dan
(maksimum)
LATIHAN SOAL 15.2
Rangkaian op-amp memiliki nilai sebagai berikut: = 12 V, = -12 V,
20 m Vpk, V (ground), dan 140 V. Tentukan nilai rangkaian
CONTOH 15.3
Tentukan nilai maksimum untuk rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar
15.14. Asumsikan nilai gain amplifier sebesar 200.
18
Gambar 15.4
Solusi: Langkah pertama yang digunakan untuk menentukan nilai maksimal
tegangan output yang mungkin. Resistansi beban sebesar 2 hingga 10 kΩ, nilai
puncak output dapat dihitung sebagai berikut,
(maksimum)
dan
(maksimum)
Nilai maksimum dari tegangan output puncak akan dibedakan menjadi dua nilai, 8
V. Dengan membagi nilai ini dengan gain maka nilai puncak yang
diperbolehkan sebagai berikut :
mVPP
LATIHAN SOAL 15.3
19
Tentukan nilai maksimum tegangan input puncak yang diperbolehkan untuk
amplifier yang digambarkan pada Latihan Soal 15-2. Asumsikan nilai resistansi
beban sebesar 20 kΩ
CONTOH 15.4
Tentukan nilai maksimum output puncak pada rangkaian gambar 15.15. Tentukan
juga nilai maksimum . Asumsikan jika nilai gain amplifier sebesar 121
Gambar 15.15
Solusi : Karena resistansi beban kurang dari 2 kΩ, maka pastikan dulu jika swing
tegangan output tidak dibatasi oleh beban. Lihatlah grafik pada Gambar 15.10.
Maksimum swing tegangan output yang mungkin dengan besar beban 1.5 kΩ
yaitu sebesar 26 Vpp, atau ± 13 Vpk. Karena tegangan masukan dibawah nilai ini,
maka dapat diasumsikan beban tidak akan memberikan efek terhadap swing
tegangan output. Dengan demikian dapat ditentukan nilai output maksimal
menggunakan aturan untuk beban dibawah 10 kΩ.
(maksimum)
dan
(maksimum)
20
Dan nilai maksimum Vpp sebesar 4 V. Dengan menggunakan nilai ini, nilai
maksimum input Vpp dihitung sebagai berikut
mVPP
LATIHAN SOAL 15.4
Tentukan nilai tegangan input puncak yang mungkin pada amplifier yang
digambarkan pada Latihan Soal 15.2. Asumsikan resistansi beban pada rangkaian
sebesar 1 kΩ. Gunakan kurva yang terdapat pada Gambar 15.10 untuk
menentukan efek dari resistansi beban pada limit tegangan output op-amp.
Secara kebetulan, pada rangkaian Gambar 15.15 input dimasukkan ke
terminal noninverting, sementara itu rangkaian pada Gamabr 15.13 dan 15.14
memiliki input yang dimasukkan ke terminal inverting. Perbedaan utama pada
rangkaian yang terdapat pada Gambar 15.15 dan dua rangkaiannya lagi yaitu tidak
adanya beda fase tegangan dari input terhadap output. Rangkaian pada Gambar
15.13 dan Gambar 15.14 keduanya memiliki beda fase tegangan sebesar 180° dari
input terhadap output.
Poin lain yang didapat yaitu konfigurasi rangkaian ditunjukkan pada
Gambar 15.13 dan 15.14 adalah jenis op-amp common-emitter. Rangkaian ini
memiliki komponen lebih sedikit jika dibandingkan dengan penguat bias pembagi
tegangan. Hal ini adalah salah satu keuntungan lain menggunakan rangkaian op-
amp dibanding rangkaian komponen diskrit. Rangkaian op-amp hanya
membutuhkan komponen eksternal untuk mengerjakan operasi yang diinginkan.
21
15.3 PENGUAT DIFERENSIAL DAN SPESIFIKASI OP-AMP
Dioda, BJT, dan FET semuanya memiliki parameter dan karakteristik yang
mempengaruhi cara kerjanya. Pada op-amp tidak terdapat pengecualian. Oleh
karena itu parameter dan karakteristik pada op-amp tidak perlu diperhatikan lagi,
sehingga dapat dipelajari konsep dasar cara kerja op-amp tanpa mempelajari detail
dari op-amp.
Untuk memahami beberapa karakteristik op-amp, diperlukan untuk
memahami operasi dari rangkaian input. Rangkaian input ini dikendalikan oleh
input inverting dan noninverting, yang disebut penguat diferensial. Pada bagian
ini akan diperlihatkan operasi dari penguat diferensial dan selanjutnya akan
dipelajari karakteristik op-amp yang paling umum digunakan.
Penguat Diferensial Dasar
Penguat diferensial adalah rangkaian yang menerima dua input dan
menghasilkan output yang sesuai dengan perbedaan nilai inputnya. Penguat
diferensial dasar ditunjukkan pada Gambar 15.16. Perlu diingat bahwa input yang
masuk ke Q2 dinamakan noniverting input (NI), dan input yang masuk ke Q1
dinamakan inverting input (I).
Idelanya, Q1 dan Q2 memiliki karakteristik yang hampir sama. Karena
keduanya merupakan silikon tunggal. Transistor pada gambar rangkaian tersebut
juga memiliki karakteristik yang sama. Pada rangkaian tersebut kedua hambatan
pada emitter bernilai sama. Sementara itu kedua input di-ground-kan. Seperti yang
ditunjukkan Gambar 15.16 :
(15.2)
Penguat Diferensial adalah rangkaian input pada op-amp yang
dikendalikan oleh input inverting dan noninverting. Rangkaian ini menghasilkan
output yang sesuai dengan perbedaan inputnya.
22
Gambar 15.16 Rangkaian Dasar Penguat Diferensial
Catatan : Ground yang terhubung pada gambar diatas tidak ada hubungannya dengan
pembahasan kali ini, Basis pada transistor bisa terhubung atau tidak terhubung ke ground.
Karena kedua arus emitter melawati RE,
(15.3)
dimana
(15.4)
Dengan mengasumsikan arus basis diabaikan,
dan
Ketika kedua arus kolektor dan kedua hambatan kolektor bernilai sama, maka
23
(15.5)
dan karena , maka tegangan output dari penguat diferensial juga 0 V
.
Sekarang perhatikan hal yang terjadi jika memasukkan sinyal ke dalam
input inverting yang ditunjukkan pada gambar 15.17a. Ketika input berubah
menjadi positif, arus yang melewati Q1 bertambah. Dengan menganggap nilai
konstan, pertambahan menyebabkan berkurang. Pertambahan
menyebabkan jatuh tegangan yang menyebabkan bertambah dan
berkurang. Disaat yang sama, pengurangan pada menyebabkan jatuh tegangan
pada sehingga menurun, dan bertambah. Dengan menganggap sinyal
output (Vout ) diambil dari output 1 (dengan output 2 sebagai referensi), maka
dapat ditentukan pergantian output menjadi negatif seperti yang ditunjukkan pada
gambar.
Gambar 15.17 (a) Inverting Input. (b) Noninverting input
Ketika input pada Gambar 15.17a menjadi negatif, berkurang dan
bertambah. Pada kejadian ini arus menyebabkan bertambah dan
berkurang. Perubahan ini menyebabkan nilai Vout bertambah, seperti yang
24
ditunjukkan pada gambar. Oleh karena itu beda fase antara tegangan output dan
tegangan input sebesar 180°.
Pada gambar 15.17b, input positif menyebabkan bertambah dan
berkurang . Seperti yang telah ditunjukkan sebelumnya, perubahan ini
menyebabkan nilai output 1 yang dihasilkan menjadi positif. Negatif input yang
masuk menyebabkan berkurang dan bertambah. Perubahan ini
menyebabkan output 1 berubah menjadi negatif. Oleh karena itu, tegangan input
dan output pada kasus ini menjadi sefase.
Mode Operasi
Berikut ini merupakan 3 model dasar untuk penguat diferensial :
1. Single-ended mode. Penguat diferensial beroperasi dengan Single-ended
mode yaitu ketika sinyal aktif dimasukkan hanya ke dalam satu input,
seperti yang ditunjukkan Gambar 15.17. Sinyal inaktif dihubung secara
langsung ke ground melalui resistor. Berdasarkan dari jenis input yang
aktif, penguat diklasifikasikan menjadi inverting amplifier (Gambar
15.17b) dan noninverting amplifier (Gambar 15.17b).
2. Differential mode. Untuk operasi diferensial, dua sinyal aktif dimasukkan
ke penguat. Besarnya nilai dan polaritas output melambangkan hubungan
antara dua input, yang digambarkan pada bab sebelumnya.
3. Common-mode operation terjadi ketika dua sinyal yang dimasukkan ke
penguat diferensial memiliki amplitudo, frekuensi, dan fase yang sama.
Pada jenis ini, ketika diukur antara output 1 dan output 2 , nilai output nya
bernilai nol. Output pada Q1 dan Q2 akan mebatalkan aksi inverting Q1 dan
aksi noniverting Q2. Keuntungan dari output jenis ini yaitu tidak ada noise
atau sinyal yang tidak diinginkan yang mucul pada input penguat dan
output penguat. Sinyal yang tidak diinginkan pada output penguat akan
menyebabkan distorsi. (Hal ini akan dibahas lebih mendalam lagi pada
bagian ini.)
25
Gambar 15.18
Gambar 15.19 Menambahkan sebuah tegangan input offset
Tegangan Offset Output
Walaupun berbagai transistor yang terdapat pada penguat diferensial
hampir sama, namun ada beberapa perbedaan pada karakteristiknya. Salah satunya
adalah perbedaan yang ditemukan pada nilai yang terdapat pada dua transistor
tersebut. Ketika , ketidakseimbangan tersebut menyebabkan penguat
diferensial menghasilkan tegangan offset output. Kondisi ini digambarkan pada
Gambar 15.18. Perlu diingat jika input op-amp di-ground-kan, maka output nya
merupakan tegangan yang terukur. Tegangan ini mengakibatkan
ketidakseimbangan pada penguat diferensial, yang menyebabkan tidak ada
transistor yang menyalurkan arus.
Terdapat beberapa metode yang dapat digunakan untuk menghilangkan
tegangan offset output. Salah satunya yaitu dengan cara memasukkan tegangan
offset input, , diantara terminal input op-amp, seperti yang ditunjukkan Gambar
26
15.19. Nilai dari akan menghilangkan nilai dari tegangan offset output seperti
pada persamaan berikut :
(15.6)
Cara lain yang digunakan untuk menghilangkan tegangan offset output
yaitu dengan menghubungkan pin offset null op-amp seperti yang ditunjukkan
pada Gambar 15.20. Ketika off null digunakan, daya dimasukkan pada rangkaian
dan potensiometer akan bertambah untuk menghilangkan offset output.
Gambar 15.1 menunjukkan bahwa pin offset null terhubung (secara tidak
langsung) ke input penguat diferensial. Ketika penambahan tersebut sesuai,
rangkaian offset null akan membetulkan ketidakseimbangan pada penguat
diferensial yang menyebabkan output op-amp bernilai 0 V. Seperti yang akan
dibahas selanjutnya, pin offset null jarang digunakan. Dalam beberapa aplikasi
operasi kritis pada op-amp tidak diperlukan. Dalam aplikasi lain, terdapat
berbagai macam cara yang dapat digunakan untuk menghilangkan tegangan offset
output.
Gambar 15.20 Hubungan offset null pada op-amp 741
Tegangan Offset Output : Tegangan yang mungkin muncul pada output sebuah
Op-Amp; disebabkan oleh ketidakseimbangan dalam penguat diferensial
Tegangan Offset Input : Tegangan yang diberikan di antara input terminal untuk
menghilangkan tegangan offset output
27
Arus Offset Input
Ketika tegangan offset output pada op-amp dihilangkan (seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 15.19 atau 15.20), terdapat perbedaan yang sangat tipis
antara arus ke noniverting input dan arus ke inverting input dan .
Perbedaan ini disebut arus offset input, yang disebabkan ketidakcocokan antara
nilai beta transistor pada op-amp. Perlu diingat bahwa tidak ada cara untuk
memprediksi mana arus input yang akan lebih besar ketika tegangan offset output
dihilangkan.
Arus Input Bias
Input yang masuk ke op-amp memerlukan beberapa arus yang dibiaskan
untuk BJT pada penguat diferensial. Nilai average quiescent untuk arus dc biasing
digambarkan oleh sinyal input dari op-amp yang disebut rating arus input bias.
Untuk µA741, rating nya berkisar antara 80 nA (rata-rata) hingga 500 nA
(maksimum). Hal ini berarti sinyal input op-amp digambarkan antara 80 nA
hingga 500 nA dari rangkaian luar ketika tidak ada sinyal aktif yang dimasukkan
ke dalam perangkat.
Faktanya kedua transistor pada penguat diferensial memerlukan arus input
biasing sesuai aturan berikut : Op-amp tidak akan menghasilkan output yang
diinginkan jika kedua input nya terbuka. Contohnya yaitu pada rangkaian Gambar
15.21. Input noniverting seperti yang ditunjukkan pada gambar, antara op-amp
dan ground terbuka. Rangkaian yang terbuka ini tidak mengizinkan arus biasing
dc yang dibutuhkan beroperasi pada penguat diferensial. (Transistor yang
berhubungan dengan inverting input akan bekerja, namun tidak berasosiasi
dengan noninverting input). Karena penguat diferensial tidak akan bekerja, maka
seluruh rangkaian op-amp juga tidak akan bekerja. Oleh karena itu jalur arus input
bias harus tersedia untuk kedua input op-amp.
28
Common-Mode Rejection Ratio (CMMR)
Sinyal common-mode identik dengan sinyal yang muncul secara serentak
pada dua input op-amp. Contohnya yaitu dua sinyal common-mode yang
ditunjukkan pada Gambar 15.22.
Gambar 15.21 Input yang terbuka membuat op-amp tidak bekerja
Gambar 15.22 Sinyal Common-mode
Jika dua sinyal terjadi disaat yang bersamaan dan memiliki amplitudo
yang sama, op-amp yang baik tidak akan menanggapi sinyal tersebut. Ingatlah
bahwa op-amp dirancang untuk merespon dua sinyal input yang berbeda. Jika
tidak terdapat perbedaan pada dua sinyal input yang masuk, maka op-amp tidak
akan menghasilkan output.
Arus offset input adalah perbedaan kecil pada arus input yang disebabkan
perbedaan pada rating beta transistor.
Arus input bias adalah Nilai rata-rata quiescent dari arus dc biasing yang
terlihat pada sinyal input op-amp
29
Ukuran kemampuan op-amp untuk mengabaikan sinyal common-mode
disebut common-mode rejection ratio (CMRR). Secara teknis CMRR
merupakan rasio dari differential-mode gain terhadap common-mode gain.
Contohnya, mari mengasumsikan jika op-amp pada Gambar 15.22 memeiliki
differential-mode tegangan 1500. Selain itu diasumsikan juga op-amp memiliki
gain common-mode 0,01. Rasio common-mode rejection dari op-amp akan
ditentukan sebagai berikut :
CMRR = 1500 : 0,01
= 150,000 :1
Angka ini menunjukkan bahwa gain menyediakan perbedaan antara input
sebesar 150,000 kali sebesar gain yang dihasilkan pada kedua sinyal common-
mode.
Kemampuan op-amp untuk menolak sinyal common-mode merupakan hal
yang penting. Sinyal common-mode biasanya disebut sebagai sinyal yang tidak
diinginkan, yang disebabkan oleh gangguan luar. Contohnya yaitu sinyal RF yang
diambil oleh input op-amp akan dianggap sebagai sinyal yang tidak diinginkan.
Common-mode rejection ratio yang dihasilkan oleh op-amp biasanya
dalam satuan decibels atau dB. Contohnya, op-amp µA741 memiliki rasio
common-mode rejection 70 dB. Ini berarti sinyal diferensial input akan memiliki
gain paling kecil sebesar 3163 kali sebesar gain pada sinyal common-mode.
Common-mode signals : Sinyal identik yang muncul secara terus-menerus pada
kedua input Op-Amp
Common-mode rejection ratio (CMRR) : Perbandingan antara gain diferensial dan
gain common-mode
Sinyal common-mode terkadang dianggap sebagai sinyal yang tidak diinginkan
30
Rasio Power Supply Rejection
Rasio power supply rejection adalah rating yang menunjukkan seberapa
banyak output dari op-amp yang akan berubah ketika tegangan masukan berubah.
µA741 memilki power supply rejection maksimum sebesar 150 µV/V. Hal in
berarti tegangan dc output dari op-amp akan diubah tidak lebih besar dari 150 µV
ketika tegangan power supply berubah sebesar 1 V. Jika tegangan masukan op-
amp berubah sebesar 3 V, maka tegangan dc output akan berubah tidak lebih
besar dari 3 x 150 µV = 450 µV.
Arus Output Short-Circuit
Bagian dalam op-amp dilindungi dari arus yang berlebihan akibat hubung
singkat. Rating arus output short-circuit dari op-amp yaitu sebesar nilai arus
output maksimum ketika beban dihubung singkat. Untuk µA741 ratingnya sebesar
25 mA. Oleh karena itu pada beban 0 , arus output dari op-amp tidak akan lebih
dari 25 mA. Ingatlah bahwa proteksi hubung singkat (short circuit) dilakukan oleh
R9 dan R10 (seperti yang ditunjukkan pada Gambar 15.1) pada op-amp 741.
Rating hubung singkat membantu untuk menjelaskan kenapa tegangan
output dari op-amp turun ketika resistansi beban berkurang. Contohnya seperti
rangkaian pada Gambar 15.23. Resistansi beban sebesar 50 Ω. Anggaplah op-amp
memiliki arus output maksimum 25 mA, maka nilai maksimum tegangan pada
beban sebagai berikut :
Rasio Power Supply Rejection : Rasio perubahan tegangan output dan perubahan
tegangan input
Arus Output Short-Circuit : Arus output maksimum dari sebuah Op-Amp
31
Dapat diketahui bahwa hasilnya kurang dari masukan V yang
membatasi tegangan output. Kapan saja digunakan resistansi beban yang nilainya
kurang dari resistansi output op-amp, nilai dari arus hubung singkat akan
menurunkan nilai tegangan output maksimum.
Gambar 15.23
Slew Rate
Slew rate pada op-amp merupakan suatu ukuran seberapa cepat tegangan
output dapat berubah terhadap tegangan input. Slew rate pada µA741 sebesar 0,5
V/µs. Hal ini berarti output dari op-amp dapat berubah sebesar 0,5 V tiap
detiknya. Karena frekuesi berhubungan dengan waktu, maka slew rate dapat
digunakan untuk menentukan nilai frekuensi kerja maksimum op-amp.
(15.7)
Slew rate adalah seberapa cepat tegangan output op-amp dapat berubah.
Lab Reference : slew rate op-amp dihitung pada Latihan 33.
32
CONTOH 15.5
Tentukan frekuensi maksimum operasi rangkaian pada Gambar 15.24
Gambar 15.24
Solusi : Nilai tegangan output puncak untuk rangkaian ini yaitu sekitar 8 V.
Dengan menggunakan nilai ini sebagai pada persamaan (15.7), frekuensi
maksimum operasi pada amplifier dihitung sebagai berikut
LATIHAN SOAL 15.5
Op-amp dengan slew rate 0.4 V/µs memiliki output 10 Vpk. Tentukan frekuensi
maksimum operasi untuk komponen tersebut.
33
CONTOH 15.6
Amplifier pada Gambar 15.24 digunakan untuk menguatkan sinyal input terhadap
tegangan puncak output 100 mV. Berapakah frekuensi maksimum operasinya?
Solusi : Dengan menggunakan 100 mV sebagai tegangan puncak output,
dihitung seperti berikut
LATIHAN SOAL 15.6
Nilai tegangan puncak output op-amp pada Latihan Soal 15.5 dikurangi menjadi 2
Vpk. Tentukan frekuensi maksimum operasinya.
Contoh 15.5 dan 15.6 memperlihatkan bagaimana op-amp dapat bekerja
pada frekuensi yang lebih tinggi ketika menggunakan sinyal yang kecil dibanding
menggunakan sinyal yang besar.
Efek dari kerja op-amp ketika beroperasi pada nilai diatas dapat
dilihat pada Gambar 15.25. Gambar ini menunjukkan distorsi yang disebabkan
sinyal output op-amp. Dalam kedua kasus tersebut terlihat bahwa input berubah
pada rate yang lebih tinggi dari nilai yang bisa ditangani op-amp. Ketika hal ini
terjadi, output dari op-amp berubah lebih lambat dibandingkan input op-amp, dan
hasilnya yaitu munculnya distorsi. Distorsi dapat dihilangkan dengan cara
34
mengurangi frekuensi input dengan menggunakan op-amp yang memiliki
kapatibilitas frekuensi yang lebih tinggi. Distorsi dapat dihilangkan dengan cara
mengurangi besar tegangan puncak pada output op-amp. Jika nilai gain dikurangi,
maka tegangan puncak pada output juga berkurang. Seperti yang ditunjukkan
Gambar 15.6, pengurangan nilai tegangan puncak output mengakibatkan nilai
frekuensi kerja op-amp lebih tinggi.
Resistansi Input/Output
Seperti yang telah dibahas sebelumnya, op-amp biasanya memiliki
resistansi input yang tinggi dan resistansi output yang rendah. Masing-masing
nilai untuk µA741 sebesar 2 MΩ dan 75 Ω. Resistansi input yang tinggi dan
resistansi output yang rendah pada op-amp hampir sama dengan karakteristik
tegangan ideal amplifier, yaitu resistansi input yang tak terhingga dan resistansi
output yang bernilai nol.
Gambar 15.25. Distorsi slew-rate
35
Gambar 15.26 Kurva performa op-amp µA741
(Sumber : Fairchild, divisi National Semiconductor)
36
Putting It All Together
Telah ditunjukkan beberapa karakteristik operasi op-amp pada bagian ini.
Sekarang akan dibahas bagaimana hal-hal tersebut berhubungan satu sama
lainnya. Seperti yang terlihat pada Gambar 15.26. Karakteristik dasar op-amp
tidak bergantung satu sama lainnya. Table 15.4 diperoleh berdasarkan Gambar
15.26. Seperti yang terbaca pada penjelasan tiap karakteristik, menunjuk kembali
ke grafik untuk memverifikasi komponen. Grafik memberikan acuan yang
diberikan pada tanda kurung setelah kalimat.
Kalimat berikut akan menjelaskan sebab dan akibat pada grafik 741 :
1. Tegangan masukan bertambah, maka :
Gain tegangan open-loop bertambah
Kemungkinan swing tegangan output bertambah
Konsumsi komponen daya berubah
Variasi arus offset input sangat sedikit
2. Frekuensi bertambah, maka :
Mengurangi swing tegangan output (f>10 kHz)
Mengurangi gain tegangan open-loop
Mengurangi resistansi input (f>10 kHz)
Menambah resistansi output (f>100 kHz)
3. Ambient temperature bertambah, maka :
Arus bias input berkurang
Resistansi input bertambah
Output arus hubung singkat berkurang
Sebab dan akibat diatas dapat menjadi acuan ketika akan merancang
rangkaian di lab atau akan men-troubleshooting op-amp.
37
Tabel 15.4 Karakteristik Op-amp
Gambar 15.27 Daftar Spesifikasi µA741
(Sumber : Fairchild, divisi National Semiconductor)
38
Karakteristik Op-Amp yang Lain
Gambar 15.27 menunjukkan karakteristik dari µA741. Seperti yang dapat
dilihat spesifikasi, tiap baris diatas berisi tentang karakteristik yang telah dibahas
sebelumnya. Sekarang akan dibahas empat karakteristik tambahan yang terdapat
pada daftar diatas.
Tegangan input menandakan nilai maksimum yang dapat diterima op-amp
tanpa merusak komponen dalam penguat diferensial. Nilai minimum µA741
adalah 12 V. Jika kedua input dikendalikan diluar nilai ini, maka penguat
menjadi rusak.
Nilai gain tegangan yang besar adalah nilai gain tegangan pada op-amp.
Nilai dari AOL untuk µA741 biasanya sekitar 200,000. Hal ini sesuai dengan
kalimat sebelumnya bahwa op-amp memiliki kapabilitas gain tegangan yang
sangat tinggi.
Arus masukan menandakan arus quiescent yang terlihat pada supply daya.
Ketika µA741 tidak memiliki sinyal input, maka supply daya maksimalnya
sebesar 2,8 mA dari +V dan –V.
Konsumsi daya menandakan jumlah daya yang hilang ketika quiescent
state. Rating daya yang hilang µA741 memiliki nilai maksimum 85 mW.
Terdapat dua rating yang belum tercakup, yaitu bandwidth dan respon
transien. Bandwidth telah dibahas pada Bab 14. Respon transien akan dibahas
39
pada Bab 19. Pada bagian selanjutnya akan dibahas dua rangkaian operasi dasar
op-amp, yaitu penguat inverting dan penguat noninverting.
15.4 PENGUAT INVERTING
Dari banyak contoh yang telah dibahas, kita menggunakan rangkaian op-
amp yang menggunakan satu input resistor (Ri) dan satu resistor feedback (Rf).
Amplifier ini merupakan rangkaian dasar amplifier, dimana op-amp ekuivalen
dengan rangkaian common-emitter dan common-source. Operasi dari inverting
amplifier ditunjukkan pada gambar 15.28.
Gambar 15.28 Operasi Amplifier Inverting
Amplifier inverting : Rangkaian Op-Amp yang menghasilkan sinyal yang
memiliki beda fase 180˚
Lab Reference : Operasi dari penguat inverting ditunjukkan pada Latihan 29
40
Kunci dari operasi penguat inverting terletak pada perbedaan input nya.
Input ini ditunjukkan pada Gambar 15.28. Dengan menganggap dua transistor
bersesuaian, maka nilai dan akan bernilai hampir sama. dan akan
berbeda beberapa milivolt saja.
Sekarang mari mengidealkan rangkaian diferensial. Disini akan
diasumsikan dan bernilai sama. Sekarang lihatlah pada Gambar 15.28. Jika
tegangan antara dua input bernilai sama, dan noniverting input di ground, maka
noniverting input juga di ground. Virtual ground ini disebabkan nilai dan
yang hampir sama besarnya, dan noninverting input yang di ground.
Dengan input op-amp pada virtual ground, maka total tegangan input akan
ditentukan melalui Ri. Total tegangan output dapat ditentukan melalui Rf.
Hubungan ini ditunjukkan oleh Gambar 15.28b.
Ketika muncul pada resistor feedback maka nilainya dapat ditentukan
sebagai berikut : (15.8)
Karena muncul pada resistor input, nilainya dapat ditentukan sebagai berikut :
(15.9)
Karena op-amp memiliki impedansi input yang sangat tinggi, op-amp memiliki
arus input yang bernilai hampir nol (seperti yang ditunjukkan Gambar 15.28c).
Oleh karena itu , dan persamaan 15.8 dapat ditulis sebagai berikut :
(15.10)
Gain tegangan (Av) dari perbandingan tegangan output dan tegangan input,
dengan rumus :
41
Karena dan , maka persamaan diatas dapat ditulis :
atau
(15.11)
Untuk penguat inverting, untuk menentukan gain dapat diperoleh hanya
dengan cara membagi nilai dengan nilai . Pada Bab sebelumnya dibahas
darimana asal nilai gain didapatkan. Pada tiap kasus, nilai dari kurang lebih
sama dengan nilai .
Catatan : Nilai dari untuk inverting amplifier biasanya ditulis sebagai
nilai negatif untuk menandakan pergeseran fase 180˚
Lab Reference: Hubungan nilai resistor dengan nilai gain tegangan yang
ditunjukkan pada Latihan 29
Open-loop voltage gain adalah gain op-amp yang tidak memiliki
feedback path
Closed-loop voltage gain ) adalah gain op-amp yang memiliki
feedback path, nilainya selalu lebih rendah dari
Pertimbangan praktik : Gain dari inverting amplifier ditentukan dari rasio
terhadap . Nilai lebih diinginkan karena akan menghasilkan gain tegangan
yang tinggi. Namun dengan menurunkan nilai dapat menurunkan nilai
impedans input. Oleh karena itu, menaikkan nilai gain tegangan biasanya dengan
cara menaikkan nilai .
42
Sekarang akan dibahas rangkaian dasar op-amp. Gain tegangan open-loop
pada op-amp adalah gain yang diukur ketika tidak ada feedback path
(hubungan fisik) antara output dan input rangkaian. Ketika terdapat feedback path,
seperti hubungan pada penguat inverting, mengakibatkan timbulnya gain
tegangan closed-loop, .
Impedansi Input Amplifier
Ketika op-amp memiliki nilai impedansi input yang sangat tinggi, maka
penguat inverting tidak memilikinya. Alasannya dapat dilihat pada Gambar 15.28.
Pada gambar ini ditunjukkan sumber tegangan menganggap resistansi input (
menuju virtual ground. Oleh karena itu, impedansi input amplifier dapat
ditentukan sebagai berikut :
(15.12)
Nilai dari selalu lebih kecil dari impedansi input op-amp. Oleh karena
itu, seluruh impedansi input dari penguat inverting juga akan bernilai lebih rendah
dari impedansi input op-amp.
Impedansi Output Amplifier
Perhatikanlah rangkaian pada Gambar 15.29, terlihat bahwa impedansi
output inverting amplifier merupakan rangkaian paralel dari dan impedansi
output op-amp itu sendiri. Karena nilai lebih besar dari , maka impedansi
output diasumsikan sama dengan nilai rating op-amp.
43
Gambar 15.29
Penguat CMRR
Pada bagian terakhir ini, common-mode rejection ratio (CMRR) dari op-
amp ditetapkan sebagai rasio diferensial gain terhadap common-mode gain
( ). Ketika diferensial gain pada inverting amplifier ( ) jauh lebih kecil dari
diferensial gain op-amp ), CMRR dikatakan sebagai rasio dari closed-loop
gain terhadap common-mode gain. Dengan rumus,
(15.13)
dimana closed-loop gain pada inverting amplifier
common-mode gain pada op-amp
Common-mode gain (ACM) adalah gain pada penguat diferensial yang
menghasilkan sinyal common-mode
Pertimbangan praktik : Kebanyakan dari op-amp tidak menyediakan nilai
dari gain common-mode (ACM). Rata-rata hanya menyediakan daftar nilai dari
AOL dan CMRR. Dalam kasus ini nilai dari ACM dapat dihitung dengan cara
Jika CMRR dalam besaran desibel (dB), maka harus diubah dulu menjadi
standar numerik sebelum menggunakan persamaan diatas. Untuk mengubah
CMRR ke bentuk standar digunakan
44
Walaupun CMRR dari inverting amplifier akan bernilai lebih rendah dari
op-amp tersebut, namun dalam beberapa kasus nilai CMRR amplifier akan lebih
tinggi daripada nilai CMRR pada op-amp. Hal ini digambarkan pada contoh
selanjutnya.
Analisis Penguat Inverting
Analisis yang lengkap dari penguat inverting meliputi penentuan nilai dari
, , , , . Analisis yang lengkap mengenai penguat inverting
digambarkan pada Contoh 15.7.
CONTOH 15.7
Tunjukkan analisis yang lengkap dari rangkaian pada Gambar 15.30
Solusi : Pertama, gain tegangan rangkaian terbuka ( pada rangkaian dihitung
sebagai berikut
Impedansi input pada rangkaian dihitung sebagi berikut
Gambar 15.30
45
Impedansi output rangkaian lebih rendah dari impedansi output op-amp, 80 Ω
(maksimum)
Nilai CMRR dihitung sebagai berikut
Untuk menghitung frekuensi operasi dari inverting amplifier maka perlu
ditentukan nilai tegangan puncak output nya. Dengan nilai VPP dan
, tegangan puncak output sebagai berikut
Oleh karena itu tegangan puncak output sebesar 5 Vpk, dan frekuensi maksimum
operasi dihitung sebagai berikut
46
LATIHAN SOAL 15.7
Sebuah op-amp memiliki parameter sebagai berikut: ,
, MΩ, MΩ dan slew rate V/µs. Op-amp
digunakan dalam sebuah inverting amplifier dengan tegangan masukan ± 12 Vdc
dan mVpp, kΩ, dan kΩ. Tunjukkan analisis lengkap
untuk rangkaian tersebut.
Konfigurasi Penguat Inverting yang Lainnya
Pada bagian ini kita telah membahas penguat inverting yang paling
sederhana. Ketika menghitung gain, impedansi input, dan impedansi output maka
akan memvariasikan konfigurasi yang berbeda, sedangkan perhitungan dan
tidak. Berbagai macam penguat inverting memiliki pergeseran fase
tegangan input 180° terhadap output.
15.5 PENGUAT NONINVERTING
Penguat noninverting biasanya mempunyai karakteristik yang sama
dengan penguat inverting, kecuali dalam dua hal berikut :
1. Penguat noninverting memiliki impedansi input rangkaian yang lebih
besar
2. Penguat noninverting tidak menghasilkan pergeseran fase tegangan input
180° terhadap output. Oleh karena itu, sinyal input dan outputnya sefase.
Rangkaian dasar penguat noninverting ditunjukkan pada Gambar 15.31.
Perlu diingat bahwa input dimasukkan ke input noninverting op-amp, dan
resistansi input dimasukkan ke ground.
Karena sinyal input dimasukkan ke terminal noninverting, gain pada
rangkaian ini harus dihitung dengan cara yang berbeda. Anggaplah dan
47
arus yang melewati dan bernilai sama. Karena dan , maka
hubungannya sebagai berikut :
(15.14)
Gambar 15.31 Noniverting Amplifier
Perlu diingat bahwa hal ini berbeda dengan hubungan pada penguat inverting
dengan ground input (+) yang menyebutkan bahwa . ditentukan
melalui dan dapat ditentukan sebagai berikut :
Penguat noninverting yaitu rangkaian op-amp tanpa adanya beda fase
Lab Reference : Operasi dari penguat noninverting ditunjukkan pada
Latihan 30
Karena tegangan yang melewati sama dengan perbedaan antara dan
dan , maka arus yang melewati resistor sebagai berikut :
48
(15.15)
dan
Sekarang dapat digunakan persamaan berikut untuk menentukan
atau
(15.16)
dimana adalah gain tegangan closed-loop pada amplifier. Oleh karena itu,
gain penguat noninverting akan selalu bernilai lebih besar 1 dari gain penguat
inverting. Misal penguat inverting memiliki gain 150, maka penguat noninverting
akan memiliki gain 151.
Impedansi Input dan Output Penguat
Karena sinyal input dimasukkan secara langsung menuju op-amp, penguat
noninverting memiliki impedansi input yang sangat tinggi. Dalam kenyataan,
kehadiran jaringan feedback menyebabkan impedansi input amplifier lebih besar
dari biasanya.
49
Impedansi output dari penguat noninverting hampir sama dengan
impedansi output yang terjadi dengan penguat inverting.
Gain impedansi input yang besar dan impedansi output yang sangat rendah
pada penguat noninverting membuat rangkaian tersebut cocok untuk menjadi
buffer. Buffer (seperti emitter follower dan source follower) dapat disebut sebagai
rangkaian yang dapat digunakan untuk mencocokan sumber impedansi yang
tinggi terhadap impedansi beban yang rendah. Penguat noninverting juga dapat
menjadi rangkaian buffer, perbedaan utamanya yaitu penguat noninverting dasar
mampu memiliki nilai gain yang tinggi, sementara itu emitter follower dan source
follower (buffer) memiliki nilai gain yang kurang dari 1.
Analisis Penguat Noninverting
Analisis yang lengkap dari penguat noninverting hampir sama dengan
penguat inverting. Nilai dari , , dan didapatkan dengan
persamaan yang sama seperti persamaan yang digunakan pada penguat inverting.
Nilai dari dan dihitung menggunakan persamaan yang telah ditunjukkan
pada bagian ini. Analisis yang lebih lengkap dari penguat noninverting
digambarkan pada Contoh 15.8
CONTOH 15.8
Tunjukkan analisis lengkap untuk noninverting amplifier pada Gambar 15.32
Gambar 15.32
50
Solusi : Gain tegangan rangkaian tertutup ( pada rangkaian dihitung sebagai
berikut
Impedansi input rangkaian minimal 1 MΩ dan impedansi output dari rangkaian
sekitar 80 Ω
Nilai CMRR dihitung sebagai berikut
Untuk menentukan nilai dari maka perlu ditentukan nilai tegangan puncak
output amplifier. Tegangan puncak output dihitung sebagai berikut
Tegangan puncak output akan menjadi setengah dari nilai ini, 5,5 Vpk. Dengan
menggunakan nilai ini dan slew rate yang ditunjukkan pada gambar, nilai dari
dihitung sebagai berikut
51
LATIHAN SOAL 15.8
Rangkaian yang terdapat pada Latihan Soal 15.7 dibuat menjadi noninverting
amplifier. Tunjukkan analisis lengkapnya.
Nilai rangkaian dan parameter op-amp yang digunakan pada Contoh 15.7
sama dengan persamaan yang digunakan pada Contoh 15.8. Hasil yang didapat
pada dua contoh tadi dirangkum sebagai berikut :
Seperti yang dapat dilihat dari tabel diatas, penguat noninverting memiliki
nilai impedansi input, , dan yang sedikit lebih besar. Sedangkan
penguat inverting memiliki frekuensi operasi yang sedikit lebih besar. Hal ini
diakibatkan oleh perbandingan tegangan puncak output penguat noninverting.
Gambar 15.33 merangkum tentang operasi penguat inverting dan penguat
noninverting.
Voltage Follower
Jika dan dihilangkan pada penguat noninverting, maka akan terdapat
voltage follower. Rangkaian ini yaitu rangkaian op-amp yang emitter follower
52
dan source follower nya ekuivalen, seperti yang ditunjukkan Gambar 15.34.
Karakteristik emitter follower dan source follower sebagai berikut :
1. Nilai tinggi dan nilai rendah
2. bernilai sekitar 1
3. Sinyal input dan output sefase
Karakteristik 1 dan 3 dilakukan dengan menggunakan konfigurasi
rangkaian penguat noninverting. Gain tegangan untuk voltage follower dihitung
sebagai berikut : (asumsikan )
Voltage Follower : Ekivalen dari Op-Amp dari emitter follower dan source
follower
53
Gambar 15.33
Nilai dari , , dan pada voltage follower dihitung dengan
menggunakan persamaan yang sama yaitu persamaan yang digunakan pada
penguat noninverting. Karena pada voltage follower , maka nilai CMRR
:
(15.17)
Seperti yang telah ditunjukkan pada contoh 15.9, voltage follower adalah
rangkaian op-amp yang paling mudah untuk dianalisis.
Lab Reference : Operasi dari voltage follower ditunjukkan pada Latihan 31
54
Gambar 15.34 Voltage Follower
CONTOH 15.9
Tunjukkan analisis lengkap untuk voltage follower pada Gambar 15.35.
Gambar 15.35
Solusi : Untuk voltage follower,
Nilai dari dan yaitu 1 MΩ dan 80 Ω. Nilai CMRR rangkaian dihitung
sebagai berikut
55
Karena nilai , . Oleh karena itu tegangan ouput puncak yaitu
setengah dari 6 Vpp, atau 3 Vpk. dihitung sebagai berikut
LATIHAN SOAL 15.9
Op-amp pada Latihan Soal 15.7 digunakan sebagai voltage follower dengan
tegangan masukan ± 14 V dan Vpp input nya sebesar 12 Vpp. Tunjukkan analisis
lengkapnya.
Seperti yang terlihat pada contoh diatas, voltage follower memiliki nilai
dan yang lebih rendah dan frekuensi maksimum operasi yang lebih
besar bila dibandingkan penguat inverting pada umumnya.
15.6 Trouble Shooting Rangkaian Dasar Op-Amp
Dari sudut pandang teknisi, rangkaian Op-Amp adalah mimpi yang
menjadi nyata. Rangkaian dasar Op-Amp hanya memiliki tiga atau empat
komponen yang bisa menjadi cacat, dan tiap kecacatan memiliki gejala yang
berbeda. Sebagai contoh, gunakan rangkaian yang terlihat pada gambar 15.36.
56
Jika resistor beban, sinyal input, dan suplai tegangan semua dianggap dalam
keadaan yang baik, maka hanya ada empat komponen yang dapat menyebabkan
kecacatan: , , , dan Op-Amp itu sendiri.
Gambar 15.36
Mari kita lihat apa yang terjadi jika salah satu resistor rusak.
terbuka
Saat resistor umpan-balik terbuka, seluruh loop umpan-balik akan secara
efektif dihilangkan dari rangkaian. Ini menyebabkan gain amplifier meningkat
dari menuju ke gain tegangan dari loop terbuka, . Sekarang perhatikan
apa yang akan terjadi pada rangkaian pada gambar 15.36. Nilai pada
rangkaian tersebut adalah 300. Nilai untuk adalah 200000. Dengan
gain meningkat menuju , maka output akan mencoba untuk mencapai angka
V, yang mana mustahil untuk dicapai. Hasil kerja dari rangkaian dapat
dilihat pada gambar 15.37.
Gambar 15.37a memperlihatkan output yang normal dari rangkaian pada
gambar 15.36. Seperti yang dapat kita lihat, sinyal yang sangat baik, sinyal sinus
yang tidak terpotong. Gelombang yang dapat dilihat pada gambar 15.37b adalah
hasil dari yang terbuka. Gain dari amplifier menjadi sangat besar sehingga
57
gelombang output terpotong pada kedua sisi baik pada sisi positif maupun negatif.
Gelombang output macam ini adalah biasa untuk loop umpan-balik terbuka.
Gambar 15.37 Efek dari terbuka pada output amplifier inverting
terbuka
Kecacatan ini adalah salah satu yang menarik. Anda akan berpikir bahwa
yang terbuka jelas akan memblokir sinyal input, sehingga outputnya akan
menjadi 0 V. Meskipun begitu, mungkin bukan ini masalahnya. Mari kita lihat
rangkaian yang anda miliki saat terbuka. Rangkaian ini dapat dilihat pada
gambar 15.38.
Gambar 15.38
Referensi Lab : Kesalahan-kesalahan pada amplifier inverting dan non-inverting
didemonstrasikan pada Latihan 29 dan 30
58
Sekarang kita akan menganggap bahwa untuk sesaat output pada rangkaian ini
setara dengan +V pada saat terbuka. Berikut hal yang dapat terjadi:
1. Sebuah sinyal positif akan diumpan-balik ke input inverting dari output
melewati .
2. Input inverting positif akan menyebabkan output pada amplifier menjadi
negative menuju –V
3. Sebuah sinyal negatif akan diumpan-balik ke input inverting dari output.
4. Karena input inverting menjadi negatif, output menjadi positif kembali. Ini
membuat amplifier kembali menuju langkah 1.
Proses ini terulang terus-menerus, menyebabkan amplifier menghasilkan sinyal
output ac tanpa ada sinyal input. Sinyal ini akan bernilai milivolt yang itupun
sangat rendah. Tidak disangka, memang ada rangkaian yang didesain untuk
bekerja dengan gaya kerja seperti yang dideskripsikan diatas. Rangkaian tersebut,
disebut osilator, dibahas pada Bab 18.
terbuka
Jika terbuka, output pada Op-Amp akan diseimbangkan dari
keadaan normalnya oleh jumlah tegangan offset nya dikalikan gain loop tertutup
dari rangkaian tersebut, . Satu hasil yang mungkin terjadi karena
terbuka dapat dilihat di dalam foto pada gambar 15.39.
Op-Amp diseimbangkan di arah positif atau negatif tergantung pada
rangkaian itu sendiri. Ingat, jika output menuju keadaan dc yang berada diatas
atau dibawah nilai output yang wajar saat tidak ada input sinyal, berarti
mungkin dalam keadaan terbuka atau butuh untuk disesuaikan.
59
Apa yang terjadi jika keadaan Op-Amp buruk?
Jawaban dari pertanyaan ini tergantung pada apa yang salah/rusak pada
Op-Amp. Jika anda melihat kembali ke gambar 15.1, anda akan melihat bahwa
ada banyak komponen di dalam sebuah Op-Amp yang bisa saja rusak.
Cara paling baik untuk menentukan bahwa sebuah Op-Amp itu cacat
adalah memastikan bahwa seluruh komponennya dalam keadaan baik. Jika
seluruh resistor di dalam amplifier dalam keadaan baik dan seluruh suplai
tegangan sesuai apa yang seharusnya, dan amplifier masih tidak dapat bekerja,
berarti Op-Amp adalah inti dari permasalahannya dan harus segera diganti.
Substitusi Komponen : Op-Amp yang paling umum tersedia di hampir seluruh
toko elektronik yang ada. Jika sebuah Op-Amp cacat, maka dengan mudah dapat
diganti dengan ekivalennya dari pabrik manapun. Op-Amp ekivalen akan
memiliki selubung, kode desain, dan kode suffix yang sama.
Gambar 15.39 Efek dari
resistor offset terbuka pada
output amplifier inverting
Gambar 15.40
60
Bekerja menggunakan IC
IC sering dipasang dalam rangkaian dengan menggunakan socket IC,
seperti yang ditunjukkan pada gambar 15.40. Socket ini digunakan untuk
mempermudah anda melepas dan mengganti IC.
Saat digunakan socket IC, sebuah masalah dapat muncul. Terkadang pada
sebuah IC dapat muncul lapisan karat di kaki-kakinya. Jika pengkaratan ini sudah
cukup parah, pengkaratan ini dapat menyebabkan rangkaian memiliki output yang
tidak menentu. Rangkaian mungkin bekerja pada satu menit awal tapi tidak pada
menit berikutnya. Saat hal ini terjadi, lepas IC dari socketnya dan bersihkan kaki-
kaki IC dan socketnya dengan pembersih khusus. Hal ini akan menyelesaikan
masalah.
Satu poin lagi: Saat anda mengganti IC, pastikan bahwa anda
memasangnya pada rangkaian dengan benar. Anda dapat dengan sangat mudah
memasang IC secara terbalik jika anda tidak memperhatikan ketentuannya. Jika
anda memasang IC pada socket secara terbalik dan mengalirkan daya pada
rangkaian, sudah pasti anda harus mengganti IC dengan yang baru.
15.7 Tanggapan Frekuensi pada Op-Amp
Anda sudah diperkenalkan dengan beberapa perhitungan mengenai
frekuensi yang berhubungan dengan Op-Amp. Kita lihat kembali, beberapa hal
berikut adalah poin-poin utama yang berhubungan dengan tanggapan frekuensi
pada Op-Amp:
1. Slew rate dari sebuah Op-Amp adalah pengukuran dari seberapa cepat
tegangan output dapat berubah, diukur dalam volt per mikrodetik (V/ ).
2. Nilai maksimum frekuensi operasi sebuah Op-Amp adalah
61
3. Jika nilai maksimum frekuensi output dari sebuah Op-Amp sudah
terlampaui, hasilnya adalah gelombang output yang terdistorsi.
4. Meningkatkan frekuensi operasi dari sebuah Op-Amp melebihi poin
tertentu akan menyebabkan:
a. Mengurangi nilai maksimum tegangan swing
b. Mengurangi gain tegangan loop-terbuka
Pada bagian ini akan dilihat dengan lebih seksama bagaimana frekuensi
mempengaruhi kerja sebuah Op-Amp.
Frekuensi versus Gain
Gain dari sebuah Op-Amp akan terus stabil dari 0 Hz hingga mencapai
frekuensi cutoff atas . Kemudian gain akan turun menuju ke rating standar
20dB/decade. Karakteristik operasi direpresentasikan oleh Bode Plot pada gambar
15.41. Op-Amp adalah amplifier dc, maka Op-Amp akan menunjukkan nilai
tengah gain tegangan pada 0 Hz. Frekuensi operasi meningkat dimulai dari 0 Hz,
dan akan sampai di titik dimana gain nya akan mulai drop. Drop dalam gain ini
dikarenakan oleh nilai kapasitans internal.
Seperti semua rangkaian lainnya, adalah frekuensi cutoff atas untuk Op-
Amp. Saat frekuensi ini tercapai, gain dari Op-Amp ini akan mengalami drop
sebanyak 3 dB. Karena frekuensi akan terus meningkat, gain dari Op-Amp ini
juga akan terus mengalami drop dengan rating 20 dB/dekade. Jadi, meningkatkan
frekuensi operasi berarti menurunkan gain pada komponen.
Jangan lupa: Bode plot tidak selalu menunjukkan penurunan 3dB pada .
62
Ada cara lain untuk meilhat hubungan antara frekuensi dan gain; yaitu,
menurunkan gain dari sebuah Op-Amp akan meningkatkan frekuensi operasi
maksimal. Hal ini dapat terlihat jelas pada Bode Plot pada gambar 15.42. Plot ini
merepresentasikan karakteristik dari Op-Amp .
Gain tegangan maksimum pada Bode Plot terlihat sebanding dengan gain
tegangan loop-terbuka dari komponen, .
Gambar 15.41 Tanggapan frekuensi pada Op-Amp
Gambar 15.42
63
Untuk Op-Amp ini, bernilai tepat 106 dB (200000). Jika ingin
dioperasikan sehingga sama dengan nilai maksimum yang
dimungkinkan, frekuensi operasi dibatasi hingga 10 Hz. Jika melebihi angka ini,
Gain maksimum dari Op-Amp ini akan drop lebih dari 3 dB, dan alat tersebut
akan dianggap sudah melebihi frekuensi cutoff.
Sekarang, bagaimana jika digunakan feedback path sehingga gain loop-
tertutup pada amplifier bernilai 63 dB? Berapa frekuensi operasi maksimum
sekarang? Gambar 15.42 menunjukkan bahwa nilai = 63 dB memiliki nilai
yang bersesuaian = 1 kHz. Dengan kata lain, dengan menurunkan gain dari
amplifier, nilai ditingkatkan, begitu juga bandwidth dari alat tersebut. Jika terus
diturunkan hingga mencapai angka 43 dB, meningkat hingga 10 kHz,
begitu juga bandwidth dari amplifier tersebut. Faktanya, setiap kali terjadi
penurunan nilai sebesar 20 dB, bandwith dari amplifier meningkat satu
dekade. Pada akhirnya, sebuah titik tercapai saat nilai = 0 dB (unity).
Frekuensi yang bersesuaian dengan nilai ini disebut . Untuk Op-Amp
, bernilai sebesar 1 MHz, seperti yang dapat dilihat pada gambar
15.42.
Berdasarkan pada fakta bahwa gain dan bandwidth berbanding terbalik,
dapat dibuat pernyataan sebagai berikut:
1. Makin tinggi gain sebuah Op-Amp, maka makin sempit bandwidthnya.
2. Makin rendah gain sebuah Op-Amp, maka makin lebar bandwidthnya.
Gain–bandwidth product adalah nilai konstan yang besarnya sama dengan
frekuensi unity gain pada op-amp. Hasil dari dan bandwidth nilainya akan
sama dengan nilai konstan tersebut
64
Jadi, Op-Amp memiliki sesuatu yang disebut dengan pertukaran gain-bandwith.
Jika diinginkan bandwidth yang lebar, Op-Amp harus disetting untuk gain yang
lebih rendah. Jika diinginkan gain yang tinggi, Op-Amp harus disetting untuk
bandwidth yang lebih sempit.
Gain-Bandwidth Product
Kegunaan pada Op-Amp yang telah diberikan di atas disebut gain-
bandwidth product. Gain-bandwidth product dapat digunakan untuk menemukan:
1. Nilai maksimum untuk nilai yang diberikan
2. Nilai untuk nilai yang diberikan
Sebagai contoh, dicari nilai saat = 45 dB atau dicari nilai yang
memungkinkan untuk nilai sebesar 200 kHz. Gain-bandwidth product dapat
digunakan untuk menyelesaikan kedua masalah tersebut.
Gain-bandwith product selalu sama dengan nilai untuk Op-Amp.
Rumusnya:
(15.18)
Pada semua frekuensi, hasil perkalian dari dan harus sama dengan
dari Op-Amp. Sebagai contoh, kembali pada gambar 15.42. Terlihat = 1
MHz untuk Op-Amp . Pada 10 Hz,
Pada 100 Hz,
65
Pada 1 kHz,
dan seterusnya. Dengan menyusun kembali persamaan (15.18), dapat digunakan
rumus:
(15.19)
dan
(15.20)
CONTOH 15.10
Op-Amp LM318 memiliki gain-bandwidth product sebesar 15 MHz. Tentukan
bandwidth dari Op-Amp tersebut saat = 500, dan nilai maksimum
tercapai saat = 200 kHz.
Solusi: Saat = 500, nilai ditentukan dengan
66
Karena Op-Amp memiliki kemampuan untuk menjadi amplifier dc , maka
Saat = 200 kHz, nilai maksimum ditentukan dengan
SOAL LATIHAN 15.10
Sebuah Op-Amp memiliki gain-bandwidth product sebesar 25 MHz. Berapa besar
bandwidth dari alat saat = 200?
Hal terbaik dari penggunaan gain-bandwidth product adalah dimungkinkannya
penyelesaian untuk berbagai macam permasalahan gain-bandwidth tanpa harus
menggunakan Bode Plot.
CONTOH 15.11
Dibuat sebuah amplifier dengan besar = 500 dan BW = 80 kHz. Bisakah Op-
Amp digunakan?
67
Solusi : Op-Amp memiliki = 1 MHz. Sedangkan, hasil dari
harus kurang dari atau sama dengan nilai ini. Dengan kata lain, jika
lebih besar dari , maka Op-Amp tidak dapat digunakan. Dalam kasus ini,
Karena nilai ini lebih besar dari rating Op-Amp , maka Op-
Amp tidak dapat digunakan.
SOAL LATIHAN 15.11
Dibuat sebuah amplifier dengan besar = 52 dB dan BW = 10 kHz. Tersedia
sebuah Op-Amp dengan gain-bandwidth product sebesar 5 MHz. Tentukan
apakah Op-Amp tersebut dapat digunakan atau tidak.
Kapasitans Internal Op-Amp
Jika dilihat kembali ke diagram internal sebuah Op-Amp (Gambar
15.1), terlihat bahwa rangkaian memiliki sebuah kapasitor kompensasi internal,
. Kapasitor ini digunakan untuk meningkatkan tanggapan frekuensi internal
dari alat, membatasi frekuensi operasi tinggi pada komponen.
Saat frekuensi meningkat, reaktans pada menurun. Dengan penurunan
reaktans ini, kapasitor semakin bertindak seperti short circuit. Akhirnya, sebuah
titik tercapai pada saat sirkuit internal Op-Amp terhubung singkat, secara efektif
68
menurunkan gain dari amplifier menuju unity. Frekuensi ini tidak lain disebut
dengan dari alat.
Menentukan nilai
Nilai dari sebuah Op-Amp dapat ditentukan dengan banyak cara.
Beberapa dokumen spesifikasi Op-Amp memberikan list rating . Beberapa
yang lain hanya memberikan list rating bandwidth. Sebagai contoh, dokumen
spesifikasi untuk Op-Amp (Gambar 15.27) memberikan list rating
bandwidth sebesar 1 MHz. Untuk alat ini, 1 MHz adalah .
Jika kurva operasi dari sebuah Op-Amp tersedia, maka kurva gain
tegangan dan frekuensi operasi dapat digunakan untuk menentukan nilai .
Sebagai contoh, lihat pada kurva untuk Op-Amp seperti yang dapat dilihat
pada Gambar 15.43. Dengan mengambil sembarang nilai frekuensi dan
mengalikannya dengan nilai gain tegangan, akan didapatkan nilai . Dari
kurva pada gambar 15.43, dapat dihitung nilai
Nilai f = 100 kHz dan = 10 didapatkan dari kurva.
Gambar 15.43
69
Nilai dari sebuah Op-Amp dapat dicari dengan menggunakan
prosedur berikut:
1. Set sebuah inverting amplifier dengan gain loop-tertutup sebesar 100.
(digunakan angka ini karena mudah dibuat dengan nilai resistor = 100
kΩ dan = 1kΩ)
2. Berikan input sinyal pada amplifier dan tingkatkan frekuensi operasi
hingga tercapai; yaitu, pada saat output tegangan puncak ke puncak
mengalami drop hingga 0,707 dikalikan nilai tengahnya.
3. Ambil nilai yang sudah dicari dan masukkan dalam perhitungan:
Perhitungan ini hanyalah bentuk lain dari perhitungan (15.18) yang
mengasumsikan gain tegangan = 100.
Satu Poin Akhir
Seperti yang dapat dilihat, perhitungan bandwidth untuk Op-Amp lebih
mudah ketimbang perhitungan untuk amplifier BJT maupun FET. Ini adalah salah
satu keunggulan yang dimiliki rangkaian Op-Amp ketimbang amplifier-amplifier
diskret.
15.8 Umpan-Balik Negatif
Seperti yang sudah diketahui, umpan-balik adalah keadaan yang
mendeskripsikan suatu proses untuk menyediakan jalur sinyal dari output kembali
ke input. Sebagai contoh, lihat rangkaian Op-Amp pada Gambar 15.44. Resistor
umpan-balik ( ) yang digunakan pada setiap amplifier seperti yang terlihat pada
70
gambar menyediakan jalur sinyal dari output kembali ke input. Efek yang dimiliki
umpan-balik terhadap operasi pada rangkaian tergantung pada beberapa faktor,
seperti yang akan dibahas pada bagian ini.
Gambar 15.44
Feedback negatif adalah sinyal feedback yang memiliki beda fase 180° dengan
sinyal input.
Feedback positif adalah sinyal feedback yang sefase dengan sinyal input.
Osilator adalah rangkaian yang dapat mengkonversi dc ke ac
71
Umpan-Balik Negatif Versus Positif
Umpan-balik secara umum diklasifikasikan sebagai umpan-balik negatif
atau umpan-balik positif. Umpan-balik negatif memberikan sinyal umpan-balik
yang berbeda fase 180˚ dengan sinyal inputnya. Salah satu cara untuk
mendapatkan umpan-balik negative diilustrasikan pada Gambar 15.45a. Pada
rangkaian yang sudah diperlihatkan, amplifier memberikan tegangan yang
berbeda fase 180˚, tetapi jaringan umpan-balik tidak. Hasilnya adalah total
tegangan berbeda fase di sekitar loop sebesar 180˚, dan sinyal umpan-balik
berbeda fase dengan sinyal input. Hasil yang sama dapat dicapai dengan
menggunakan amplifier dengan beda fase 0˚ dan jaringan feedback dengan beda
fase 180˚, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 15.45b.
Umpan-balik positif memberikan sinyal umpan-balik yang berfase sama
dengan input rangkaian. Salah satu cara untuk mendapatkan umpan-balik positif
direpresentasikan pada Gambar 15.46a. Dalam kasus ini, masing-masing amplifier
dan jaringan umpan-balik memberikan tegangan berbeda fase 180˚ pada loop. Hal
ini menghasilkan total tegangan berbeda fase 360˚ (atau 0˚), dan sinyal umpan-
balik berfase sama dengan input rangkaian. Hasil yang sama dapat dicapai dengan
menggunakan konfigurasi rangkaian seperti pada gambar 15.46b. Dalam semua
kasus, umpan-balik dan sinyal input berfase sama.
Umpan-balik positif digunakan dalam amplifier khusus yang disebut
sebagai osilator. Osilator adalah sebuah rangkaian yang mengkonversikan sinyal
dc menjadi output sinus (atau menjadi bentuk output yang lain). Pengoperasian
dan pengaplikasian osilator akan dibahas pada Bab 18. Dalam bagian ini, akan
dikonsentrasikan pada efek umpan-balik negatif terhadap operasi amplifier.
72
Gambar 15.45 Langkah mendapatkan Umpan-balik Negatif
Tegangan versus Arus Umpan-balik
Umpan-balik negatif dapat dibagi menjadi 2 jenis: tegangan umpan-balik
dan arus umpan-balik. Kedua konfigurasi umpan-balik ini dapat direpresentasikan
seperti yang dapat dilihat pada Gambar 15.47. Saat tegangan umpan-balik
digunakan, input dari jaringan umpan-balik di-paralel-kan dengan beban.
Sehingga, input dari jaringan umpan-balik sama dengan tegangan output dari
amplifier. Output dari jaringan umpan-balik adalah tegangan yang sudah direduksi
yang berbeda fase 180° dengan tegangan input dari amplifier.
Saat arus umpan-balik digunakan, input ke jaringan umpan-balik di-seri-
kan dengan beban, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 15.47b. Seperti yang
dapat dilihat, sebagian dari sumber arus menembus amplifier melewati jaringan
umpan-balik. Sehingga, input arus amplifier direduksi.
73
Mengapa digunakan dua jenis umpan-balik negatif yang berbeda? Seperti
yang dapat dilihat pada tabel, efek dari tegangan umpan-balik negatif secara
signifikan berbeda dengan arus umpan-balik negatif.
Gambar 15.46 Langkah mendapatkan Umpan-balik positif
Dari kedua jenis umpan-balik negatif, tegangan umpan-balik negatif
adalah yang paling sering digunakan. Untuk alasan ini, bagian ini akan membahas
dengan lengkap umpan-balik jenis ini. Setiap kali ada pembahasan mengenai
umpan-balik negatif, berarti sebenarnya yang dibahas adalah tegangan umpan-
balik negatif. Efek dari arus umpan-balik negatif akan dibahas seperlunya pada
bagian akhir.
74
Operasi Amplifier Inverting
Resistor umpan-balik ( ) dalam inverting amplifier membentuk jaringan
umpan-balik negatif. Ketika jaringan umpan-balik negatif ini terhubung ke sebuah
Op-Amp, terjadi penurunan gain tegangan dan peningkatan pada operating
bandwidth. Poin ini diilustrasikan pada Gambar 15.48.
Gambar 15.48a menunjukkan sebuah inverting amplifier tanpa jalur
umpan-balik. Tanpa jalur umpan-balik, gain tegangan dari rangkaian sama dengan
gain tegangan loop-terbuka ( ) dari Op-Amp. Dalam kasus ini, = =
200000. Dengan rating sebesar 3 MHz, bandwidth dari rangkaian dapat
dihitung dengan
Gambar 15.47 Tegangan versus arus umpan-balik
75
Gambar 15.48
Pada saat jalur umpan-balik negatif ditambahkan ke Op-Amp (seperti yang dapat
dilihat pada Gambar 15.48b), gain tegangan dan bandwidth dari rangkaian dapat
dihitung dengan
76
Gambar 15.49
Seperti yang dapat dilihat, penambahan jalur umpan-balik negatif memiliki akibat:
Penurunan gain tegangan
Peningkatan bandwidth
77
Perubahan ini secara lebih lanjut diilustrasikan dalam Gambar 15.48c. Seperti
yang dapat dilihat, kurva tanggapan frekuensi untuk rangkaian pada gambar
15.48b menunjukkan bahwa rangkaian memiliki gain tegangan yang lebih rendah
dan bandwidth yang lebih lebar dibandingkan dengan rangkaian pada gambar
15.48a. Hal ini selalu terjadi jika umpan-balik negatif digunakan.
Operasi Amplifier Non-Inverting
Dalam hal gain tegangan dan bandwidth, umpan-balik negatif memiliki
efek yang sama untuk operasi pada amplifier non-inverting maupun pada
amplifier inverting. Hal ini diilustrasikan dengan rangkaian, kalkulasi, dan kurva
tanggapan frekuensi seperti yang dapat dilihat pada Gambar 15.49.
Analisis Matematis
Sekarang setelah diperlihatkan bagaimana umpan-balik negatif
mempengaruhi gain tegangan dan operating bandwidth dari sebuah Op-Amp,
berikutnya adalah analisis matematis-nya. Untuk bahasan ini, akan ditunjukkan
rangkaian seperti yang dapat dilihat pada Gambar 15.50.
Pertama, dianggap amplifier umpan-balik sebagai pasangan nilai
gain. Amplifier itu sendiri diperlihatkan sebagai gain tegangan, didefinisikan
dengan
78
Gambar 15.50
(15.21)
dimana = selisih tegangan pada input inverting dan non-inverting dari sebuah
Op-Amp
Disini adalah parameter Op-Amp dan tidak harus sama dengan keseluruhan
gain dari amplifier umpan-balik.
Jaringan umpan-balik direpresentasikan sebagai atenuasi, α. Catat bahwa
huruf romawi α sering digunakan untuk merepresentasikan drop tegangan
dan/atau daya. Penggunaan α disini tidak sama dengan rasio arus kolektor-emitor
yang dibahas pada awal bagian.
Faktor atenuasi dari jaringan umpan-balik didapatkan dari
(15.22)
Catat bahwa nilai akan selalu kurang dari . Untuk alasan ini, selalu
bernilai kurang dari 1.
79
Seperti pada amplifier lainnya, gain efektif dari amplifier umpan-balik
didapatkan dari
(15.23)
Dalam apendiks D, digunakan persamaan (15.21),(15.22), dan (15.23) untuk
menghasilkan persamaan berikut
(15.24)
Dimana = gain efektif dari amplifier tegangan umpan-balik
= gain tegangan loop-terbuka dari amplifier (gain tegangan yang
dimana amplifier akan menunjukkan tanda pada saat tidak ada jalur umpan-balik
tersedia)
Catat bahwa persamaan (15.24) diaplikasikan pada amplifier umpan-balik diskret
begitu juga pada Op-Amp. Untuk amplifier inverting (atau non-inverting),
persamaan (15.24) sering ditulis
(15.25)
Faktor atenuasi adalah rasio tegangan feedback terhadap tegangan output.
Nilai selalu kurang dari 1.
Faktor feedback adalah nilai yang digunakan untuk menghitung
impedans pada feedback amplifier.
80
Seperti yang dapat dilihat, nilai yang terlihat di dalam penyebut pada
persamaan (15.25), , muncul di hampir seluruh amplifier umpan-balik
yang diberikan. Untuk mempermudah, nilai ini akan disebut sebagai faktor
umpan-balik untuk amplifier yang diberikan. Dalam kebanyakan kasus, gain dari
rangkaian dan nilai impedans (begitu juga frekuensi cutoff dan bandwidth)
berubah dari nilai loop-terbuka dikarenakan oleh faktor umpan-balik pada
rangkaian. Dengan kata lain, faktor di mana sebuah kenaikan atau penurunan
karakteristik rangkaian sama dengan faktor umpan balik dari rangkaian. Contoh
15.12 mendemonstrasikan efek dari faktor umpan-balik pada gain tegangan dari
sebuah amplifier inverting.
CONTOH 15.12
Sebuah amplifier inverting pada Gambar 15.51 menggunakan Op-Amp dengan
rating . Dianggap rangkaian ini memiliki nilai = 0.005,
tentukan nilai .
Solusi : Menggunakan nilai dan yang tersedia, gain tegangan loop-
terbuka ditentukan dengan
Gambar 15.51
81
SOAL LATIHAN 15.12
Sebuah amplifier seperti pada Gambar 15.51 memiliki nilai = 200000 dan
= 0,01. Tentukan nilai untuk rangkaian tersebut.
Nilai (dalam persamaan 15.24) selalu lebih besar dari 1. Untuk
alasan ini, dapat dikira-kira gain tegangan loop-tertutup dari amplifier umpan-
balik dengan
(15.26)
Atau
(15.27)
untuk amplifier inverting (atau non-inverting).
Persamaan (15.27) penting karena persamaan itu menunjukkan bagaimana
kita bisa menghitung nilai untuk sebuah amplifier inverting atau non-inverting.
Pertama, nilai ditemukan dengan persamaan yang disediakan di awal Bab.
Kemudian nilai didapatkan dengan
(15.28)
Begitu nilai dari sudah diketahui, dapat dihitung faktor umpan-balik untuk
rangkaian. Faktor umpan-balik kemudian digunakan dalam perhitungan impedansi
rangkaian, seperti yang diperlihatkan pada akhir bagian ini. Contoh 15.13
mendemonstrasikan prosedur untuk menghitung nilai dari faktor umpan-balik
untuk amplifier non-inverting.
82
CONTOH 15.13
Hitung nilai faktor umpan-balik dari amplifier non-inverting yang dapat dilihat
pada Gambar 15.52
Solusi : Menggunakan hubungan seperti yang sudah dijelaskan pada awal
bab, gain tegangan loop-tertutup ditentukan dengan
Gambar 15.52
Kemudian, menggunakan nilai = 150000 dan = 81, faktor atenuasi ( )
pada rangkaian ditentukan dengan
Terakhir, faktor umpan-balik dari rangkaian ditentukan dengan
83
SOAL LATIHAN 15.13
Sebuah amplifier inverting memiliki nilai : = 220 dan = 2 . Op-Amp
pada rangkaian memiliki rating = 180000. Hitung faktor umpan-balik pada
rangkaian.
Efek dari Umpan-Balik Negatif pada Nilai Impedansi Rangkaian
Nilai input dan output impedans untuk amplifier inverting dan non-
inverting dihitung seperti yang dapat dilihat pada Gambar 15.53. Untuk amplifier
inverting, adanya virtual ground pada input inverting menyebabkan impedansi
input amplifier menjadi tepat sama dengan nilai dari resistor input ( ). Poin ini
sudah dibahas pada awal bab.
Untuk amplifier non-inverting, adanya sinyal umpan-balik pada input
inverting mereduksi input beda tegangan ( ), dan juga jumlah arus yang dapat
diserap dari sumber. Karena
84
Gambar 15.53
Maka reduksi pada arus sumber menyebabkan peningkatan efektif dalam
impedansi input amplifier. Besarnya peningkatan impedansi input sama dengan
faktor umpan-balik dari rangkaian. Pada rumus,
(15.29)
Dimana = impedansi input ke amplifier non-inverting
= impedansi input dari Op-Amp
Seperti yang diperlihatkan contoh di bawah, impedansi input ke amplifier non-
inverting lebih besar secara signifikan ketimbang impedansi input dari Op-Amp.
CONTOH 15.14
Kembali pada amplifier non-inverting pada Gambar 15.53b. Anggaplah Op-Amp
memiliki rating = 5 M dan = 180000. Jika = 1.2 dan = 180
, berapakah nilai impedansi input amplifier?
Solusi : Pertama dicari nilai faktor atenuasi. Menggunakan metode yang
dijabarkan pada awal bab, ditentukan nilai gain tegangan loop-tertutup sebesar
151. Kemudian,
Kemudian, menggunakan = 0.0066, nilai faktor umpan-balik ditentukan
dengan
85
Kemudian, impedansi input amplifier ditemukan dengan
SOAL LATIHAN 15.14
Sebuah Op-Amp memiliki rating: = 2 M dan = 200000. Op-Amp
tersebut digunakan dalam sebuah amplifier non-inverting dengan nilai = 220
dan = 1 . Hitung nilai impedansi input amplifier.
Seperti yang dapat dilihat, penambahan pada jaringan umpan-balik
menyebabkan amplifier non-inverting menjadi memiliki impedansi input yang
sangat tinggi. Ini adalah keuntungan karena impedansi input amplifier hampir
tidak memiliki beban dalam rangkaian sumbernya.
Umpan-balik negatif tidak hanya meningkatkan impedansi input dari Op-
Amp, namun juga mengurangi impedans output dari Op-Amp. Besarnya
yang tereduksi juga ditentukan oleh faktor umpan-balik pada rangkaian. Pada
rumus,
(15.30)
Dimana = impedans output pada amplifier
= impedans output dari Op-Amp
86
Contoh di bawah mendemonstrasikan efek dari umpan-balik negatif pada
impedans output dari amplifier non-inverting.
CONTOH 15.15
Kembali pada contoh 15.14. Jika Op-Amp memiliki rating = 80 ,
berapakah nilai output impedans amplifier?
Solusi : Pada contoh 15.14, nilai faktor umpan-balik memiliki nilai 1189.
Menggunakan nilai ini dan output impedans rated pada Op-Amp, output impedans
dari amplifier non-inverting ditentukan dengan
SOAL LATIHAN 15.15
Kembali pada latihan 15.14. Jika Op-Amp memiliki rating = 75 ,
berapakah nilai output impedans pada amplifier?
Seperti yang dapat dilihat, jaringan umpan-balik sangat mengurangi impedans
output efektif dari sebuah Op-Amp. Ini juga salah satu keuntungan dari
penggunaan umpan-balik negatif. Dengan impedans output yang lebih rendah,
rangkaian menjadi lebih cocok untuk bekerja dengan beban berimpedans rendah.
Jika kembali pada Gambar 15.53, terlihat bahwa penggunaan dari umpan-balik
negatif memiliki efek yang sama pada amplifier inverting sama seperti amplifier
non-inverting.
