dasar penguat operasional (OP-AMP)

dasar penguat operasional (OP-AMP)


1. Penguat Diferensial Sebagai Dasar Penguat Operasional

Penguat diferensial adalah suatu penguat yang bekerja dengan memperkuat sinyal yang merupakan selisih dari kedua masukannya.
SEJARAH PERKEMBANGAN OP-AMP
Pengembangan rangkaian terpadu IC luar telah ada sejak tahun 1960, pertama telah dikembangkan pada “ chip “ silikon tunggal. Rangkaian terpadu itu merupakan susunan antara transidtor, dioda sebagai penguat beda dan pasangna Darlington. Kemudian tahun 1963 industri semikonduktor Fairchild memperkenalkan IC OP-AMP pertama kali µA 702, yang mana merupakan pengembangan IC OP-AMP yang lain sebelumnya, dimana tegangan sumber ( Catu Daya ) dibuat tidak sama yaitu + UCC = + 12 V dan - UEE = - 6 V, dan resistor inputnya rendah sekali yaitu ( 40 KW ) dan gain tegangan ( 3600 V/V ).
IC tipe µA702 ini tidak direspon oleh industri- industri lain karena tidak universal.
Tahun 1965 Fairchild memperkenalkan IC MA709 merupakan kelanjutan sebagai tandingan dari µA702. Dengan banyak kekhususan tipe µA709 mempunyai tegangan sumber yang simetris yaitu + UCC = 15 V dan – UEE = -15 V,resistan input yang lebih tinggi ( 400 KW ) dan gain tegangan yang lebih tinggi pula (45.000 V/v). IC µA709 merupakan IC linear pertama yang cukup baik saat itu dan tidak dilupakan dalam sejarah dan merupakan generasi OP-AMP yang pertama kali. Generasi yang pertama OP-AMP dari Motorola yaitu MC1537.
Beberapa hal kekurangan OP-AMP generasi pertama yaitu :

1. Tidak adanya proteksi hubung singkat. Karena OP-AMP sangat rawan terhadap hubung singkat ke ground, maka seharusnya proteksi ini penting.


2. Suatu kemungkinan problem “ latch up “. Tegangan output dapat di “ latch up “ sampai pada beberapa harga yang karena kesalahan dari perubahan inputnya.

3. Memerlukan Jaringan frekuensi eksternal sebagai kompensasi ( dua kapasitor dan resistor ) untuk operasi yang stabil.
Selanjutnya tahun 1968 teknologi OP-AMP dikembangkan oleh Fairchild dengan IC µA741 yang telah dilengkapi proteksi hubung singkat , stabil, resistor input yang lebih tinggi ( 2 MW ), gain tegangan yang ekstrim ( 200.000 V/V ) dan kemampuan offset null ( zerro offset ). OP-AMP 741 termasuk generasi kedua dan IC yang lain juga termasuk OP-AMP generasi kedua yaitu LM101, LM307, µA748 dani MC1558 merupakan OP-AMP yang berfungsi secara umum sebagaimana LM307. Untuk tipe – tipe OP-AMP yang khusus seperti mengalami peningkatan dari segii kegunaan atau fungsinya seperti : LM318 (dengan kecepatan tinggi sekitar 15 MHZ). Lebar band kecil dengan “ slew rate “ 50 V/µS. IC µA 771 merupakan OP-AMP dengan input bias arus yang rendah yaitu 200 pA dan “ slew rate “ yang tinggi 13 V/µS. Lalu µA714 yaitu IC OP AMP yang presisi dengan noise rendah (1,3 µA/10C), offset tegangan yang rendah ( 75 µV ), offset arus yang rendah ( 2,8 nA ). Tipe IC OP-AMP lain yaitu µA791 merupakan OP-AMP sebagai
penguat daya (Power Amplifier) dengan kemampuan arus output 1A. Dan IC OP-AMP µA776 adalah OP-AMP yang multi guna bisa diprogram. Generasi – generasi yang akhir inilah yang banyak dijumpai dalam pameran – pameran untuk pemakaian – pemakaian khusus. IC linear dalam pengembangannya tidak cukup hanya disitu saja bahkan sudah dibuat blok – blok sesuai keperluan seperti untuk keperluan
konsumen (audio, radio dan TV), termasuk keperluan industri seperti (timer, regulator dan lain-lainnya). Bahkan belakangan ini dikembangkan OP-AMP dengan teknologi BI - FET dan “ laser trimming “. Karena dengan teknologi BI - FET lebar band bisa ditekan dan “ slew rate “ cepat, bersama ini pula bias arus rendah dan offset input arus rendah. Contoh tipe OP-AMP BI – FET LF351, dan LF353 dengan input bias ( 200 pA ) dan offset arus ( 100 pA ), bandwidth gain unity yang besar ( 4 MHZ ), dan “ slew rate “ yang cepat (13V/MS ) dan ditambah lagi pin kaki – kakinya sama dengan IC µA741 (yang ganda) dan IC MC1458 ). Industri Motorola melanjutkan pengembangan OP-AMP dengan teknologi “ trimming dan BI-FET “ ( disingkat TRIMFET ) untuk memperoleh kepresisian karakteristik input dengan harga yang rendah, ontoh MC34001 / MC34002 / MC34004 masing – masing adalah OP-AMP tunggal, ganda dan berjumlah empat ( guard )

JENIS OP-AMP DAN BENTUK KEMASANNYA
IC ( Integrated Circuit ) dibedakan kedalam “ Digital “ dan “ Analog “, IC Analog biasanya termasuk dari bagian IC linear. IC ini merupakan rangkaian integrasi kumpulan dari beberapa komponen aktip diskrit seperti transistor, Dioda atau FET dan lain – lainnya serta komponen pasip seperti resistor, kapasitor dan lain-lainnya. IC linar biasanya digunakan sebagai penguat, filter, pengali frekuensi ( Frequency Multiplier ) serta modulator yang biasanya memerlukan komponen dari luar agar sempurna seperti kapasitor, resistor dan lain-lainnya. Mayoritas IC linear adalah OP-AMP, yang biasanya digunakan sebagai penguat, filter aktip, integrator dan differensiator serta untuk aplikasi – aplikasi lainnya. Sedangkan OP-AMP yang untuk keperluan rangkaian khusus seperti aplikasi komparator, regulator tegangan supply dan fungsi – fungsi khusus yang lainnya termasuk penguat daya besar. Beberapa fungsi IC linear yang umum dan khusus akan diberikan lengkap beserta contohnya, termasuk kode produksi sampai ke bentuk model kemasannya.

Jenis IC linear berdasarkan fungsi dan fabrikasi
IC linear atau analog yang fungsinya umum biasanya digunakan pada rangkaian – rangkaian integrator, differensiator, penguat penjumlah ( summing amplifier ) atau yang lainnya. Contoh IC yang umum adalah LM / µA741 atau tipe 351. Disisi lain untuk IC linear yang khusus ( special ) biasanya hanya digunakan pada aplikasi-aplikasi khusus, contoh untuk tipe LM380 hanya bisa digunakan pada aplikasi penguat audio ( audio amplifier ). Tipe seri IC linear mempunyai pengertian yang berbeda sesuai
dengan fabrikasi atau pabrik pembuat IC tersebut. Di Amerika saja sekitar 30 industri memproduksi IC sebanyak 1 ( satu ) juta lebih setiap tahunnya. Masing-masing industri mempunyai kode – kode tertentu dan tanda-tanda khusus untuk penomorannya. Berikut ini diberikan tipe dan inisial serta penomoran dan kode produksi IC linear yang beredar di pasar elektronika selama ini :


Selain industri pembuat IC linear tersebut masih banyak lagi seperti Mitsubishi, Hitachi, Matsushita, Sony, Sharp, Sanyo, dan lain-lainnya. Untuk mengenal pengertian kode dan inisial ini diberi contoh 1 (satu ) IC linear yang umum diproduksi oleh beberapa industri :

* LM741 : IC OP-AMP 741 diproduksi National Semiconductor
* MC17141 : IC OP-AMP 741 diproduksi Motorola
* CA3741 : IC OP-AMP 741 diproduksi R C A
* SN52741 : IC OP-AMP 741 diproduksi Texas Instruments
* N5741 : IC OP-AMP 741 diproduksi Signetics

Dari tipe diatas dapat dijelaskan bahwa angka tiga digit terakhir masing industri IC menyatakan tipe Op-AMP yaitu 741, dan semua industri membuat dengan spesifikasi yang sama yaitu internasional. Untuk mendapatkan informasi yang banyak dan khusus biasanya pembuat IC selalu menyertakan pembuatan buku data ( data book ) sebagai referensi atau petunjuk. Beberapa IC linear mempunyai kemampuan dan kelompok yang berbeda – beda, seperti kelas A, C, E, S dan SC. Sebagai contoh IC 741,
741A, 741C, 741E, 741S dan 741SC semuanya adalah OP-AMP, namun biasanya dibedakan tentang temperatur operasi. Contoh untuk OP-AMP keperluan militer mempunyai suhu sekitar – 550C s/d. 1250C, sedangkan OPAMP komersial mempunyai range temperatur 00C s/d. 750C dan range temperatur OP-AMP industri – 400C s/d. +850C. Disisi lain untuk 741A dan 741E merupakan improvisasi dari tipe 741 dan 741C, yang masing – masing mempunyai spesifikasi yang lebih. IC 741Cdan 741E merupakan IC yang identik dengan 741 dan 741A dengan range temperatur 00C s/d. 750C, namun range temperatur 741C dan 741E sekitar – 550C s/d. 1250C. Sedangkan IC 741S dan 741SC adalah OP-AMP tipe militer dan komersial yang masing – masing dengan pengubah rate tegangan output per unit waktu lebih tinggi ( higher slew rate) dibandingkan tipe 741 dan 741C.

Bentuk kemasan Ada 3 ( tiga ) macam bentuk kemasan IC linear yaitu

1. Bentuk kemasan datar ( Flat pack )
2. Bentuk kemasan logam / transistor ( Metal or transistor pack )

3. Bentuk kemasan sisi gari ganda ( Dual-in-line pack ) Berikut ini adalah gambar skema dari penguat diferensial sederhana:

Koneksi ke catu daya pada op amp tidak selalu digambarkan dalam diagram, namun harus dimasukkan pada rangkaian yang sebenarnya.
IC OP AMP 741

Gambar 1 Konfigurasi pin IC Op amp 741
Penguat diferensial tersebut menggunakan komponen BJT (Bipolar Junction Transistor) yang identik / sama persis sebagai penguat. Pada penguat diferensial terdapat dua sinyal masukan (input) yaitu V1 dan V2. Dalam kondisi ideal, apabila kedua masukan identik (Vid = 0), maka keluaran Vod = 0. Hal ini disebabkan karena IB1 = IB2 sehingga IC1 = IC2 dan IE1 = IE2. Karena itu tegangan keluaran (VC1 dan VC2) harganya sama sehingga Vod = 0.
Apabila terdapat perbedaan antara sinyal V1 dan V2, maka Vid = V1 – V2. Hal ini akan menyebabkan terjadinya perbedaan antara IB1 dan IB2. Dengan begitu harga IC1 berbeda dengan IC2, sehingga harga Vod meningkat sesuai sesuai dengan besar penguatan Transistor.
Untuk memperbesar penguatan dapat digunakan dua tingkat penguat diferensial (cascade). Keluaran penguat diferensial dihubungkan dengan masukan penguat diferensial tingkatan berikutnya. Dengan begitu besar penguatan total (Ad) adalah hasil kali antara penguatan penguat diferensial pertama (Vd1) dan penguatan penguat diferensial kedua (Vd2).
Dalam penerapannya, penguat diferensial lebih disukai apabila hanya memiliki satu keluaran. Jadi yang diguankan adalah tegangan antara satu keluaran dan bumi (ground). Untuk dapat menghasilkan satu keluaran yang tegangannya terhadap bumi (ground) sama dengan tegangan antara dua keluaran (Vod), maka salah satu keluaran dari penguat diferensial tingkat kedua di hubungkan dengan suatu pengikut emitor (emitter follower).
Untuk memperoleh kinerja yang lebih baik, maka keluaran dari pengikut emiter dihubungkan dengan suatu konfigurasi yang disebut dengan totem-pole. Dengan menggunakan konfigurasi ini, maka tegangan keluaran X dapat berayun secara positif hingga mendekati harga VCC dan dapat berayun secara negatif hingga mendekati harga VEE.
Apabila seluruh rangkaian telah dihubungkan, maka rengkaian tersebut sudah dapat dikatakan sebagai penguat operasional (Operational Amplifier (Op Amp)). Penjelasan lebih lanjut mengenai hal ini akan dilakukan pada sub bab berikut.
2. Penguat Operasional
Penguat operasional (Op Amp) adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial yang telah dijelaskan di atas. Penguat operasional memilki dua masukan dan satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang tinggi. Untuk dapat bekerja dengan baik, penguat operasional memerlukan tegangan catu yang simetris yaitu tegangan yang berharga positif (+V) dan tegangan yang berharga negatif (-V) terhadap tanah (ground). Berikut ini adalah simbol dari penguat operasional:


2.1. Karakteristik Ideal Penguat Operasional
Penguat operasional banyak digunakan dalam berbagai aplikasi karena beberapa keunggulan yang dimilikinya, seperti penguatan yang tinggi, impedansi masukan yang tinggi, impedansi keluaran yang rendah dan lain sebagainya. Berikut ini adalah karakteristik dari Op Amp ideal:
• Penguatan tegangan lingkar terbuka (open-loop voltage gain) AVOL = 
• Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) VOO = 0
• Hambatan masukan (input resistance) RI = 
• Hambatan keluaran (output resistance) RO = 0
• Lebar pita (band width) BW = 
• Waktu tanggapan (respon time) = 0 detik
• Karakteristik tidak berubah dengan suhu
Kondisi ideal tersebut hanya merupakan kondisi teoritis tidak mungkun dapat dicapai dalam kondisi praktis. Tetapi para pembuat Op Amp berusaha untuk membuat Op Amp yang memiliki karakteristik mendekati kondisi-kondisi di atas. Karena itu sebuah Op Amp yang baik harus memiliki karakteristik yang mendekati kondisi ideal. Berikut ini akan dijelaskan satu persatu tentang kondisi-kondisi ideal dari Op Amp.
2.1.1. Penguatan Tegangan Lingkar Terbuka
Penguatan tegangan lingkar terbuka (open loop voltage gain) adalah penguatan diferensial Op Amp pada kondisi dimana tidak terdapat umpan balik (feedback) yang diterapkan padanya seberti yang terlihat pada gambar 2.2. Secara ideal, penguatan tegangan lingkar terbuka adalah:
AVOL = Vo / Vid =  
AVOL = Vo/(V1-V2) =  
Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran VO berbeda fasa dengan tegangan masukan Vid. Konsep tentang penguatan tegangan tak berhingga tersebut sukar untuk divisualisasikan dan tidak mungkin untuk diwujudkan. Suatu hal yang perlu untuk dimengerti adalah bahwa tegangan keluaran VO jauh lebih besar daripada tegangan masukan Vid. Dalam kondisi praktis, harga AVOL adalah antara 5000 (sekitar 74 dB) hingga 100000 (sekitar 100 dB).
Tetapi dalam penerapannya tegangan keluaran VO tidak lebih dari tegangan catu yang diberikan pada Op Amp. Karena itu Op Amp baik digunakan untuk menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil.
2.1.2. Tegangan Ofset Keluaran
Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) VOO adalah harga tegangan keluaran dari Op Amp terhadap tanah (ground) pada kondisi tegangan masukan Vid = 0. Secara ideal, harga VOO = 0 V. Op Amp yang dapat memenuhi harga tersebut disebut sebagai Op Amp dengan CMR (common mode rejection) ideal.
Tetapi dalam kondisi praktis, akibat adanya ketidakseimbangan dan ketidakidentikan dalam penguat diferensial dalam Op Amp tersebut, maka tegangan ofset VOO biasanya berharga sedikit di atas 0 V. Apalagi apabila tidak digunakan umpan balik maka harga VOO akan menjadi cukup besar untuk menimbulkan saturasi pada keluaran. Untuk mengatasi hal ini, maka perlu diterapakan tegangan koreksi pada Op Amp. Hal ini dilakukan agar pada saat tegangan masukan Vid = 0, tegangan keluaran VO juga = 0. Apabila hal ini tercapai,
2.1.3. Hambatan Masukan
Hambatan masukan (input resistance) Ri dari Op Amp adalah besar hambatan di antara kedua masukan Op Amp. Secara ideal hambatan masukan Op Amp adalah tak berhingga. Tetapi dalam kondisi praktis, harga hambatan masukan Op Amp adalah antara 5 k hingga 20 M, tergantung pada tipe Op Amp. Harga ini biasanya diukur pada kondisi Op Amp tanpa umpan balik. Apabila suatu umpan balik negatif (negative feedback) diterapkan pada Op Amp, maka hambatan masukan Op Amp akan meningkat.
Dalam suatu penguat, hambatan masukan yang besar adalah suatu hal yang diharapkan. Semakin besar hambatan masukan suatu penguat, semakin baik penguat tersebut dalam menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil. Dengan hambatan masukan yang besar, maka sumber sinyal masukan tidak terbebani terlalu besar.
2.1.4. Hambatan Keluaran
Hambatan Keluaran (output resistance) RO dari Op Amp adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada saat Op Amp bekerja sebagai pembangkit sinyal. Secara ideal harga hambatan keluaran RO Op Amp adalah = 0. Apabula hal ini tercapai, maka seluruh tegangan keluaran Op Amp akan timbul pada beban keluaran (RL), sehingga dalam suatu penguat, hambatan keluaran yang kecil sangat diharapkan.
Dalam kondisi praktis harga hambatan keluaran Op Amp adalah antara beberapa ohm hingga ratusan ohm pada kondisi tanpa umpan balik. Dengan diterapkannya umpan balik, maka harga hambatan keluaran akan menurun hingga mendekati kondisi ideal.
2.1.5. Lebar Pita
Lebar pita (band width) BW dari Op Amp adalah lebar frekuensi tertentu dimana tegangan keluaran tidak jatuh lebih dari 0,707 dari harga tegangan maksimum pada saat amplitudo tegangan masukan konstan. Secara ideal, Op Amp memiliki lebar pita yang tak terhingga. Tetapi dalam penerapannya, hal ini jauh dari kenyataan.
Sebagian besar Op Amp serba guan memiliki lebar pita hingga 1 MHz dan biasanya diterapkan pada sinyal dengan frekuensi beberapa kiloHertz. Tetapi ada juga Op Amp yang khusus dirancang untuk bekerja pada frekuensi beberapa MegaHertz. Op Amp jenis ini juga harus didukung komponen eksternal yang dapat mengkompensasi frekuensi tinggi agar dapat bekerja dengan baik.
2.1.6. Waktu Tanggapan
Waktu tanggapan (respon time) dari Op Amp adalah waktu yang diperlukan oleh keluaran untuk berubah setelah masukan berubah. Secara ideal harga waktu respon Op Amp adalah = 0 detik, yaitu keluaran harus berubah langsung pada saat masukan berubah.
Tetapi dalam prakteknya, waktu tanggapan dari Op Amp memang cepat tetapi tidak langsung berubah sesuai masukan. Waktu tanggapan Op Amp umumnya adalah beberapa mikro detik hal ini disebut juga slew rate. Perubahan keluaran yang hanya beberapa mikrodetik setelah perubahan masukan tersebut umumnya disertai dengan oveshoot yaitu lonjakan yang melebihi kondisi steady state. Tetapi pada penerapan biasa, hal ini dapat diabaikan.
2.1.7. Karakteristik Terhadap Suhu
Sebagai mana diketahui, suatu bahan semikonduktor yang akan berubah karakteristiknya apabila terjadi perubahan suhu yang cukup besar. Pada Op Amp yang ideal, karakteristiknya tidak berubah terhadap perubahan suhu. Tetapi dalam prakteknya, karakteristik sebuah Op Amp pada umumnya sedikit berubah, walaupun pada penerapan biasa, perubahan tersebut dapat diabaikan.
2.2. Implementasi Penguat Operasional
Rangkaian yang akan dijelaskan dan dianalisa dalam tulisan ini akan menggunakan penguat operasional yang bekerja sebagai komparator dan sekaligus bekerja sebagai penguat. Berikut ini adalah konfigurasi Op Amp yang bekerja sebagai penguat:

Gambar di atas adalah gambar sebuah penguat non inverting. Penguat tersebut dinamakan penguat noninverting karena masukan dari penguat tersebut adalah masukan noninverting dari Op Amp. Sinyal keluaran penguat jenis ini sefasa dengan sinyal keluarannya. Adapun besar penguatan dari penguat ini dapat dihitung dengan rumus:

AV = (R1+R2)/R1
AV = 1 + R2/R1
Sehingga :
VO =1+(R2/R1) Vid
Selain penguat noninverting, terdapat pula konfigurasi penguat inverting. Dari penamaannya, maka dapat diketahui bahwa sinyal masukan dari penguat jenis ini diterapkan pada masukan inverting dari Op Amp, yaitu masukan dengan tanda ““. Sinyal masukan dari pengaut inverting berbeda fasa sebesar 1800 dengan sinyal keluarannya. Jadi jiak ada masukan positif, maka keluarannya adalah negatif. Berikut ini adalah skema dari penguat inverting:

Penguatan dari penguat di atas dapat dihitung dengan rumus:

AV R2/R1
Sehingga: VO =  (R2/R1) Vid
sumber : internet (linknya lupa)