Karakteristik, Parameter Penguat Operasional Penguat Operasional
Karakteristik, Parameter Penguat Operasional Penguat Operasional
Karakteristik, Parameter Penguat Operasional Penguat Operasional
Penguat Operasional
Op Amp atau penguat operasional merupakan suatu penguat DC dengan penguatan tinggi yang
dapat digunakan pada frekuensi dari 0 sampai 1 MHz. Op Amp adalah suatu IC yang memiliki dua
input tegangan dan satu output tegangan dimana tegangan outputnya proporsional terhadap
perbedaan tegangan antara kedua inputnya tersebut. Di dalamnya terdapat suatu rangkaian
elektronika yang terdiri atas komponen aktif dan pasif seperti transistor, resistor atau dioda.
Jika penguat operasional ditambahkan pada suatu jenis rangkaian, masukkan dan suatu jenis
rangkaian uman balik, maka dapat digunakan untuk mengerjakanberbagai operasi matematika
seperti menjumlah, mengurangi, membagi, mengali, mengintegrasi dan lain-lain. Aplikasi Op Amp
yang paling serisering dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator dan
differensiator.
Pada penguat operasional memiliki dua rangkaian feedback (umpan balik) yaitu feedback negatif
dan feedback positif. Secara umum, umpan balik positif akan menghasilkan osilasi sedangkan umpan
balik negatif menghasilkan penguatan yang dapat terukur. Penguat operasional tersusun dari
beberapa rangkaian penguat yang menggunakan transistor atu FET. Biasanya membuat penguat
dari Op Amp lebih mudah dibandingkan membuat penguat dari transistor karena tidak memerlukan
perhitungan titik kerja, bias, dan lain-lain.
Kelebihan penguat operasional (Op Amp) diantaranya sebagai berikut :
a. Impedansi input yang tinggi sehingga tidak membebani penguat sebelumnya.
b. Impedansi output yang rendah sehingga tetap stabil walau dibebani oleh rangkaian selanjutnya.
c. Lebar pita (bandwidth) yang lebar sehingga dapat dipakai pada semua jalur frekuensi audio
(woofer, middle, dan tweeter).
d. Adanya fasilitas offset null sehingga memudahkan pengaturan bias penguat agar tepat di titik
tengah sinyal.
Pada penguat diferensial di atas terdapat dua sinyal masukan (input) yaitu V 1 dan V2. Dalam
kondisi ideal, apabila kedua masukan identic (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 V 1 dan V2 maka Vid
= V1 - V2. Hal ini akan menyebabkan terjadinya perbedaan antara IB1 = IB2. Dengan begitu
harga IC1 berbeda dengan IC2, sehingga harga Vod meningkat sesuai dengan besar penguatan
transistor.
Penguatan diperbesar dengan menggunakan 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). Mode operasi
dari sebuah operasional amplifier (Op Amp) dapat diset dalam beberapa mode penguatan
sebagai berikut.
1) Mode Loop Terbuka
Pada mode loop terbuka besarnya penguatan tegangan adalah tak berhingga (), sehingga
besarnya tegangan output hamper dan bias dikatakan mendekati V CC. ekpresi matematika
pada penguat operasional mode loop terbuka adalah ∆𝑣 = ∞, sehingga tegangan output
≈ 𝑉𝐶𝐶 .
2) Mode Loop Tertutup
Pada mode loop tertutup besarnya penguatan tegangan (Av) adalah besar tetapi tidak
mencapai nilai maksimalnya dan dapat dituliskan sebagai berikut : 𝐴𝑣 < 𝑀𝑎𝑥
3) Mode Penguat Terkendali
Pada mode operasi penguatan terkendali besarnya penguatan dari operasional amplifier
(Op Amp) dapat ditentukan dari nilai resistansi feedback dan input. Sehingga nilai
penguatan tegangan (Av) pada mode operasi ini dapat dituliskan sebagai berikut:
𝑅𝑓
𝐴𝑣 = −
𝑅𝑖𝑛
𝑅𝑓
Sehingga besarnya tegangan output adalah sebagai berikut: 𝑉𝑜𝑢𝑡 = − ( ) 𝑉𝑖𝑛
𝑅𝑖𝑛
4) Mode Penguatan 1
Mode operasi penguatan 1 pada operasional amplifier (Op Amp) sering disebut buffer
(penyangga). Hal ini karena pada mode ini tidak terjadi penguatan tegangan (Av) bernilai
1. Konfigurasi ini berfungsi untuk memperkuat arus sinyal sehingga tidak drop pada saat
diberikan beban terhadap sinyal input. Besarnya tegangan output (V out) sama dengan
tegangan input (Vin) karena penguatan tegangan (Av) operasional amplifier (Op Amp)
bernilai 1.
b. Penguat Penyangga (Buffer)
Penguat penyangga (buffer), yaitu penguat penyangga sinyal output dari penguat diferensial
agar siap untuk dimasukkan ke penguat akhir Op Amp. Rangkaian buffer adalah rangkaia yang
menghasilkan tegangan output sama dengan inputnya. Dalam hal ini seperti rangkaian common
kolektor yaitu berpenguatan 1. Fungsi dari rangkaian buffer pada peralatan elektronika adalah
sebagai penyangga, dimana prinsip dasarnya adalah penguat arus tanpa terjadi penguatan
tegangan. Rangkaian buffer yang dibangun dari sebuah Op Amp, dapat dibuat dengan sangat
sederhana. Rangkaian buffer dari Op Amp menjadi sangat sederhana karena tidak diperlukan
komponen tambahan pada konfigurasi buffer non-inverting.
Rangkaian Buffer
Dengan menghubungkan jalur input inverting ke jalur output Op Amp maka rangkaian buffer
pada gambar di atas akan memberikan kemampuan mengalirkan arus secara maksimal sesuai
kemampuan maksimal Op Amp mengalirkan arus output. Dengan metode hubung singkat
antara jalur input inverting dan jalur output Op Amp maka diperoleh perhitungan matematis
sebagai berikut: 𝑉𝑜𝑢𝑡 ≈ 𝑉𝑖𝑛
𝑉𝑜𝑢𝑡
Sehingga diperoleh nilai penguatan tegangan (Av) sebagai berikut: 𝐴𝑣 = =1
𝑉𝑖𝑛
Dari persamaan di atas terlihat bahwa rangkaian Op Amp tidak memiliki fajtor penguatan
tegangan (Av = 1) atau tidak terjadi penguatan tegangan. Rangkaian buffer dengan Op Amp
seperti terlihat pada gambar di atas menghasilkan penguatan +1. Rangkaian ini sangat
menguntungkan karena dapat memperoleh suatu penguat dengan hubungan input (impedansi
input) yang sangat tinggi (1 – 1012 Ω) dan dengan hambatan output (impedansi output) sangat
rendah (10-3 – 10-1 Ω), yaitu mendekati kondisi ideal. Rangkaian buffer disebut juga rangkaian
pengikut (follower), suatu bentuk peningkatan dari penguat pengikut emitor (emitor follower).
Aplikasi rangkaian buffer baik yang dibuat dari penguat transistor maupun penguat Op Amp
pada umumnya digunakan sebagai stabiliser sinyal. Salah satu aplikasi nyata dari rangkaian
buffer adalah pada system transmisi sinyal dengan kabel (system audio outdoor).
c. Pengatur Bias
Pengatur bias, yaitu rangkaian pengatur bias dari penguat differensial dan buffer agar diperoleh
kestabilan titik nol pada output penguat akhir.
d. Penguat Akhir
Penguat akhir yaitu penguat yang merupakan bagian output dari Op Amp. Penguat akhir
biasanya menggunakan konfigurasi push-pull kelas B atau kelas AB. Rangkaian penguat akhir
pada system audio berfungsi sebagai penguat daya, maka dari itu penguat akhir disebut juga
penguat daya.
Rangkaian penguat daya terdiri dari penguat tegangan dan penguat arus. Bagian penguat akhir
pada system audio terdiri dari dua bagian yaitu sebagai berikut:
1) Pengemudi (driver), berupa rangkaian penguat tegangan dengan penguatan yang besar.
Pengaturan titik kerja penguat pada klasifikasi kelas A.
2) Penguat arus, berupa rangkaian penguat daya dengan penguatan yang tidak terlalu besar,
bahkan penguatannya mendekati satu. Agar mencapai efisiensi kerja yang besar, maka
pengaturan kerjanya padaklasifikasi kelas AB mendekati kelas B. rangkaian penguat daya
disebut kelas AB agar mencegah terjadinya cacat silang (cross over distortion).
Secara garis besar rangkaian penguat akhir dapat digambarkan sebagai berikut:
Prinsip Kerja Penguat OCL Kelas B
Rangkaian penguat OCL (Output Condensator Less) termasuk rangkaian penguat push-pull
komplementer. Transistor Q2 dan Q3 membentuk rangkaian push-pull komplementer. Sinyal
output dihasilkan lewat pertemuan elektroda emitter pada transistor penguat push-pull Q2 dan
Q3, dengan demikian penguat Q2 dan Q3 membentuk konfigurasi Common Collector yang
penguatannya mendekati satu. Output penguat akhir ini adalah tanpa kondensator output,
berarti kopling adalah langsung. Oleh karena itu disebut juga penguat DC (DC Amplifier), DC
berarti Direct Coupling artinya tegangan output harus tidak mengandung tegangan DC (Vdc
output = 0). Agar tegangan output sama dengan 0 maka syaratnya adalah sebagai berikut:
a) Transistor Q2 dan Q3 harus komplemen (NPN dan PNP).
b) Tegangan antara Collector-Emitter (VCE) Q2 dan Q3 sama besar.
c) Tegangan sumber DC =Vcc dan –Vcc harus sama besar.
Transistor Q1 mewakili kerja penguat tegangan kelas A yang mempunyai penguatan yang
besar. Pengaturan kelas dapat digambarkan dalam daerah pengaturan kerja penguat
sebagai berikut:
Pada daerah kerja kelas A semua gelombang yang diolah memerlukan arus IC. Walaupun
tidak ada sinyal pada input, penguat (transistor) sudah menghantarkan arus. Adapun pada
daerah kerja kelas B, arus diperlukan saat setengah gelombang saja. Karena saat belum
ada sinyal, belum ada aliran arus pada IC, maka sering menimbulkan cacat silang (Cross
Over Distortion). Untuk itu daerah kerjanya diubah menjadi kelas AB.
Pada kelas AB sebelum diberikan sinyal arus IC sudah mengalir saat sinyal input = 0 (nol).
Penguat kelas AB digunakan untuk menghilangkan cacat silang, gambar penguat kelas AB
ditunjukkan seperti di bawah ini:
Pada dasarnya, kondisi Op Amp ideal hanya merupakan teoritis dan hamper tidak mungkin dicapai
dalam kondisi praktis. Namun produsen perangkat Op Amp selalu berusaha untuk memproduksi Op
Amp yang mendekati kondisi idealnya ini. Oleh karena itu, sebuah Op Amp yang baik adalah Op
Amp yang memiliki karakteristik yang hamper mendekati kondisi Op Amp ideal. Ada dua aturan
penting dalam melakukan analisis rangkaian Op Amp berdasarkan karakteristik Op Amp ideal yang
disebut golden rule.
a. Aturan 1, yaitu perbedaan tegangan antara input V+ dan V- adalah nol.
[(𝑉 +) − (𝑉 −) = 0 𝑎𝑡𝑎𝑢 (𝑉 +) = (𝑉−)]
b. Aturan 2, yaitu arus pada input penguat Op Amp adalah nol.
(𝑖+ = 𝑖− = 0)
Penguat tidak membalik adalah penggunaan Op Amp sebagai penguat sinyal dimana sinyal
outputnya sefase dengan sinyal input. Penguat non-inverting amplifier merupakan
kebalikan dari penguat inverting, dimana input dimasukkan pada input non-inverting
sehingga polaritas output akan sama dengan polaritas input tetapi memiliki penguatan yang
tergantung dari besarnya Rfeedback dan Rinput.
Rumus penguatan penguat non-inverter adalah sebagai berikut:
𝑅1 + 𝑅2 𝑅2
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 ( ) 𝑎𝑡𝑎𝑢 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 (1 + )
𝑅1 𝑅1
Penguat pembalik
Penguat pembalik adalah Op amp sebagai penguat sinyal dimana sinyal outputnya berbalik
fase 180o dari sinyal input. Sebuah penguat pembalik menggunakan umpan balik negative
untuk membalik dan menguatkan sebuah tegangan. Resistor R f melewatkan sebagian
sinyal keluaran kembali ke masukkan. Karena keluaran tak sefase sebesar 180O, maka nilai
keluaran tersebut secara efektif mengurangi besar masukan. Dengan demikian akan
mengurangi bati keseluruhan dari penguat sehingga disebut umpan balik negative.
3) Penguat diferensial
Penguat diferensial
Penguat diferensial adalah penggunaan Op Amp untuk mencari selisih antara dua buah
titik tegangan yang berbeda. Penguat diferensial dalam suatu Op Amp dibuat
menggunakan kopling langsung (DC kopling) yang bertujuan untuk menghilangkan efek
yang ditimbulkan akibat penambahan atau pemasangan kapasitor bypass maupun
kapasitor kopling. Penggunaan kopling DC pada penguat diferensial bertujuan untuk
menghindari permasalahan perlambatan yang terjadi akibat pengisian muatan pada
kapasitor-kapasitor kopling (penggandeng) oleh tegangan sumber DC, dengan demikian
titik kerja DC untuk mencapai titik stabil diperlukan juga waktu tunda (time constant).
Sehingga mengakibatkan terjadinya efek kenaikan batas frekuensi bawah (f 1) karena
adanya kenaikan waktu untuk mencapai stabil (time constant) yang lebih lambat.
a) Konfigurasi Penguat Diferensial pada Op Amp
Penguat pasangan diferensial didalamnya terdiri dari dua buah transistor, sehingga
untuk mendapatkan titikkerja DC yang simetris, diperlukan dua transistor yang
mempunyai konfigurasi bentuk phisis dengan karakteristik yang sama. Adapun untuk
menghindari akibat pengaruh adanya perubahan suhu yang berbeda pada kedua
transistor tersebut, sebaiknya cara pemasangan kedua transistor adalah dibuat
sedemikian rupa agar sedapat mungkin berpasangan berhimpitan satu sama lainnya.
b) Karakteristik Penguat Diferensial pada Op Amp
Penguat diferensial pada Op Amp mempunyai karakteristik yang sama dengan penguat
tunggal emitor bersama (common emitter), maka di dalam analisis titik kerja DC
maupun analisis sinyal bolak balik pada dasarnya mengacu pada rangkaian emitor
bersama.
c) Prinsip Dasar Rangkaian Penguat Diferensial pada Op Amp
Pada dasarnya untuk mengetahui prinsip kerja rangkaian pada penguat pasangan
diferensial adalah terlebih dahulu dengan mensyaratkan dimana besarnya arus yang
mengalir pada tahanan RE adalah konstan (𝐼𝐸 = 𝐼𝐶1 + 𝐼𝐶2 ≈ 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛). Hal ini sangat
menguntungkan di dalam desain rangkaian, karena nilai tahanan R E dapat dipilih dan
ditentukan sebesar mungkin, dengan demikian memungkinkan sekali untuk
mendapatkan factor perbandingan penolakan saat kondisi sama (standar internasional
biasa menulis dengan notasi CMMR-Common Mode Rejection Ratio, sedangkan standar
DIN yang digunakan di Jerman atau negara-negara Eropa yang berbahasa Jerman
menuliskan dengan notasi G-Gleich tak tunter drucckung).
Dengan menetapkan nilai tahanan kolektor RC sama besar (𝑅𝐶1 = 𝑅𝐶2 = 𝑅𝐶 ) dan
kondisi karakteristik transistor juga sama, maka berlaku hubungan arus kolektor 𝐼𝐶1 =
𝐼𝐶2 = 0,5 ∙ 𝐼𝐸 .
4) Penguat instrumentasi
Penguat instrumentasi adalah suatu penguat untai tertutup (closed loop) dengan masukan
diferensial dan penguatannya dapat diatur tanpa mempengaruhi perbandingan penolakan
modus bersama (Common Mode Rejection Ratio). Sebuah rangkaian penguat
instrumentasi ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Komparator
2) Integrator/LPF
Integrator
Diferensiator