RANGKAIAN OP-AMP DASAR

Mengulas prinsip-prinsip yang terkandung dalam rangkaian op-amp dasar. Bila Anda telah menguasai prinsip ini, berarti Anda telah membangun landasan yang kokoh dalam menggunakan dan menguji rangkaian-rangkaian op-amp yang lebih ruwet.

Kita akan mulai dengan rangkaian pembanding tegangan sederhana yang menggunakan penguatan lup terbuka dari op-amp. Konfigurasi rangkaian ini akan menunjukkan kepada Anda bagaimana. menggunakan kedua masukan - secara aktif. Selanjutnya akan diperlihatkan bagaimana pembanding diterapkan dalam penginderaan AC dan pendeteksian level tegangan.

Informasi yang terinci akan diberikan, mengenai bagaimana membuat penguatan. dengan op-amp dan bagaiman resistor ekstemal dapat mempengaruhi penguatan rangkaian.

Anda juga akan memahami bagaimana op-amp memberikanpenguatan dalam konfigurasi rangkaian membalik dan tak membalik. Rumus-rumus siap pakai akan sangat membantu Anda dalam merakit rangkaian sehingga. memberikan hasil sesuai yang diharapkan.

Rangkaian-rangkaian khusus seperti penguat penjumlah dan penguat selisih disajikan untuk menunjukkan kepada Anda bahwa op-amp memang serbaguna.

Op-amp 741 yang populer diperlihatkan dalam hampir setiap ilustrasi agar Anda tidak keliru merakit rangkaian-rangkaian yang ada dalam buku ini.

PEMBANDING TEGANGAN

Pembanding tegangan akan menandingkan tegangan sebuah masukan dengan tegangan. masukan lainnya. Gambar 2.1 menunjukkan pembanding tegangan sederhana. Dalam konfigurasi vang paling sederhana, modus lup terbuka, adanya sedikit perbedaan tegangan di antara. kedua masukan akan mengayunkan op-amp ke dalam saturasi. Arah saturasi keluaran ditentukan oleh polaritas sinyal masukan. Bila tegangan masukar. membalik lebih positif dibandingkan tegangan masukan tak membalik, keluaran. berayun menuju saturasi negatif (-V_sat. Sebaliknya, bila tegangan masukan membalik lebih negatif dibandingkan tegangan masukan tak membalik, keluaran akan berayun menuju saturasi positif (+V_sat) . Dari tabel dalam Gambar 2.1 dapat dilihat bahwa dengan +1 V pada masukan membalik dan +2 V pada masukan membalik, maka masukan pertama lebih negatif dibandingkan. Masukan kedua, Karena itu keluaran akan menuju saturasi positif. Bila tegangan masukan tersebut dibalik (+ 2 V pada masukan - dan + 1 V pada masukan +), atau masukan membalik lebih positif 1 V terhadap masukan tak membalik, maka keluaran akan menuju saturasi negatif. Bila polaritas dan amplitudo kedua masukan sama, keluaran akan nol. Tegangan negatif yang diberikan pada masukan mengakibatkan bal yang sama pada keluaran op-amp seperti yang diperlihatkan dalam tabel.

Ingatlah bahwa hubungan polaritas masukan membalik terhadap masukan tak membalik menyebabkan keluaran berbeda fasa 180^o.

Gambar 2-1

Pembanding tegangan:

(a) diagram skematik

(b) tabel tegangan masukan/keluaran.

Gambar 2-2

Pembanding penginderaan gelombang sinus pada masukan membalik:

(a) diagram skematik; (b) hubungan tegangan masukan/keluaran.

Penginderaan Gelombang Sinus pada Masukan Membalik

Pembanding dapat dipabi untuk mendeteksi  perubahan tegangan pada sebuah masukan asalkan masukan lain ditahan sebagai acuan tetap. Dalam Gambar 2.2, masukan membalik digunakan untuk  mengindera gelombang sinus.

Sumber sinyal diberikan pada masukan membalik. Karena impedansi masukan op-amp dianggap tak berhingga, maka resistor R1 berperan sebagai beban sumber sinyal, akibatnya rangkaian bekerja lebih efektif masukkan tak membalik dibumikan melalui resistor R2. Resistor ini dipakai  untuk menyeimbangkan. masukan untuk setiap arus offset masukan yang mungkin timbul.

Masukan tak membalik ditahan pada tegangan acuan (0 V). Selama perubahan positif sinyal masukan, keluaran akan -Vsat. Ketika sinyal berubah dari nol menuju negatif, keluaran berbalik menuju +Vsat. Perhatikan bahwa keluaran berbeda fasa 180' terhadap masukan.

Penginderaan Gelambang Sinus pada Masukan Tak Membalik

Kita dapat menempatkan sumber sinyal pada masukan tak membalik serperti dalam Gambar 2.3. Kini masukan membalik ditahan sebagai acuan (0 V). Selama perubahan positip sinyal masukan, keluaran akan +Vsat.

Dan ketika terjadi perubahan sinyal dari nol menuju negatif, keluaran akan berayun ke -Vsat. Dengan konfigurasi rangkaian demikian, keluaran akan sefasa terhadap masukannya.

Kedua rangkaian di atas adakalanya disebut detektor nol. Setiap kali sinyal melintasi titik nol, keluaran akan diayunkan ke arah polaritas yang berlawanan. Dengan rangkaian ini pula dapat diperlihatkan bagaimana gelombang sinus dipersegikan

Gambar 2-3

Pembanding penginderaan gelombang sinus pada masukan tak membalik:

(a) diagram skematik;

(b) hubungan tegangan masukan/keluaran.

Deteksi Beda Fasa

Pembanding dapat digunakan untuk mendeksi beda fasa dua sinyal dari frekuensi yang sama, seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.4. Bila kedua sinyal berlawanan fasa, maka pada masukan akan muncul tegangan diferensial, dan kelua-n akan ± V,,t.'Bila'Vj-Iebih positif daripada V2, keluaran akan - V,., dan sebaliknya. Bila kedua sinyal sefasa, keluaran akan nol (efek dari penolakan modus sekutu).

Gambar 2-4

Pembanding penginderaan gelombang sinus berlawanan fasa pada kedua masukan:

 (a) diagram skematik(b) hubungan tegangan masukan/keluaran.

Detektor Level Tegangan Positif

Selain tegangan nol, level tegangan positif juga bisa dideteksi oleh pembanding sebagaimana diperlihatkan dalam Gambar 2.5. Detektor tegangan positif menggunakan masukan membalik sebagai pengindera perubahan tegangan, sementara jaringan pembagi tegangan resistif menempatkan tegangan acuan (V_ref) pada masukan tak membalik. Pembagi resistif dihubungkan di antara catu + V dan bumi. Tegangan acuan ditentukan melalui rumus perbandingan

Vref =  

Dengan memasukkan nilai-nilai R2, R3, dan + V k e dalam ru-mus di atas, kita dapatkan

Vref     =

Masukan tak membalik akan +2,8 V terhadap bumi. Selama perubahan tegangan masukan membalik kurang dari (negatif terhadap) +2,8 V, keluaran akan +Vsat (= - 8 V). Keadaan ini menunjukkan bahwa pembanding telah mendeteksi level +2,8 V. Bila tegangan masukan membalik turun di bawah +2,8 V, keluaran akan kembali pada + Vsat.

Gambar 2-5

Detektor level tegangan positif. (a) diagram skematik; (b) hubungan tegangan masukan/keluaran.

Detektor Level Tegangan Negatif

Detektor level tegangan negatif dapat dibuat dengan menempatkan pembagi resistif di antara catu     -V dan bumi, seperti tampak pada Gambar 2.6. Dalam hal ini, Vref -2,8 V terhadap bumi. Bila perubahan tegangan pada masukan membalik melampaui Vref, keluaran akan - Vsatt. Sebaliknya ketika terjadi deteksi, keluaran akan meloncat ke + Vsat

Detektor level tegangan dapat dirancang dengan masukan tak membalik sebagai pengindera dan masukan membalik sebagai acuan. Tegangan keluaran akan berayun dal~ arah berlawanan terhadap detektor yang telah dibicarakan sebelumnya.

                                    (a)                                                                                (b)

Gambar 2-6

Detektor level tegangan negatifi.

(a) diagram skematik, 

(b)hubungan tegangan masukan/ke.luaran

Gambar 2-7

Penentuan pembagi tegangan resistif untuk VREF- 1. V--b-

Penentuan Pembagi Tegangan Resistif

Salah satu cara menentukan pembagi tegangan resistif untuk tegangan acuan diperlihatkan dalam Gambar 2.7. Terlebih dulu Vref Anda tentukan, yakni tegangan jatuh V₂ yang melintasi resistor R₂. Tegangan V₁, diperoleh dengan mengurangkan V₂ dari V_sumber Resistor R₂ adalah resistor masukan op-amp, biasanya sama dengan resistor masukan lainnya. Karena Vref telah ditentukan sebelumnya dengan. memilih R2 dan V1, dapat kita cari, maka tinggal R, yang perlu kita hitung.

Bila tegangan jatuh dan resistansi sebanding, maka :

selanjutnya dengan menyusun kembali rumus ini diperoleh

Penguat Membalik

Sebuah penguat menerima arus atau tegangan keeil pada masukannya dan menjangkitkan arus atau tegangan yang lebih besar pada keluarannya. Penguat op-amp memiliki penguatan (gain) yang relatif linier, keluarannya dikendalikan sebagai fungsi daripada masukan. Penguat membalik op-amp dasar diperlihatkan dalam Gambar 2.8.

Dalam Bab I kita telah diperkenalkan dengan konsep modus lup tertutup dari op-amp. Di situ telah dikemukakan bahwa penguatan op-amp dapat dikendalikan oleh jaringan pembagi resistif  luar dalam modus lup tertutup.

Penyusunan lup tertutup demikian ini disebut umpan balik negatif (degeneratif). Tegangan dengan fasa yang berlawanan pada keluaran dibalikkan lagi pada masukan membalik, sehingga cenderung melawan tegangan masukan aslinya. Tegangan umpan balik amat mengurangi pengaruh tegangan masukan dan tetap mempertahankan masukan membalik dekat-dekat pada 0 V. Tentu saja tegangan. umpan balik tidak begitu saja dapat menghapuskan tpgangan. masukan, karena. itu berarti menghilangkan umpan balik itu sendiri. Dengan perkataan lain, dalam rangkaian ini tidak terjadi perubahan mencolok. Tapi, hanya ada sedikit perubahan, katakanlab dalam ordo beberapa milivolt pada masukan membalik. Perubahan ini diperkuat oleb penguatan op-amp yang amat tinggi untuk menjangkitkan perubahan tegangan pada keluaran.

                                                (a)                                                                                (b)

Gambar 2-8 Penguat membalik: (a) diagram skematik; (b) Tabel tegangan DC.

Penguatan tegangan rangkaian ditentukan menurut

Av =

sementara faktor penguatan dalam modus lup tertutup untuk penguat membalik dinyatakan dalam

Av =

Tegangan keluaran diperoleh dengan jalan mengalikan tegangan masukan yang diketahui dengan faktor penguatan, atau.

Vout = - (Av x Vin) atau

Tanda minus diabaikan dalam perhitungan dan hanya menunjukkan bahwa keluaran berlawanan fasa terhadap masukannya.

Sebagai contoh, lihat Gambar 2.8, penguatan adalah :

-Av = -

dan keluaran adalah   Vout = Av x Vin = -10 x 0,2 Vpp = -2 Vpp

Dalam Gambar 2.8 diperlihatkan pula tabel tegangan DC contoh. tegangan masukan diperkuat dengan faktor penguatan 10, tegangan keluaran menunjukkan efek penguatan ini dengan polaritas yang tepat untuk penguat membalik. Rangkaian penguat membalik sederhana ini adalah awalan yang baik sebelum Idta menuju penguat AC dan DC yang lebih khusus yang akan dibicarakan dalam, bab-bab selanjutnya.

Analisis lebih jauh tentang rangkaian ini memungkinkan kita memahami bagaimana sesungguhnya jaringan perbandingan resistif (Rin dan RF) mempengaruhi penguatan lup tertutup. Dari Gambar 2.9 dapat dilihat bahwa + 1 V pada masukan akan menyebabkan mangalirnya arus 0,1 mA, arus ini diperoleh dari :

Iin =

Karena impedansi masukan op-amp dianggap besar sekali atau. malahan tak berhingga, maka praktis tak ada arus yang bisa mengalir ke dalam atau ke luar terminal masukan. Karena itu I_in. harus melewati RF dan ini diperlihatkan oleh I_F (arus umpan balik). Karena Rin dan RF seri, maka I_in = I_F. Tapi, karena RF 10 kali lebih besar daripada Rin dan arus Iin = IF maka mestinya tegangan jatuh pada RF 10 kali lebih besar. Rangkaian intemal op-amp disetel untuk

Gambar 2-9

Aliran arus pada rangkaian penguat membalik.

memenuhi hal itu, keluaran akan berayun pada -10 V (perhatikan bahwa polaritas-polaritasnya memastikan bahwa arus mengalir dalam arah yang sama). Karena tak ada arus yang dapat melintas ke dalam atau ke, luar terminal masukan membalik, sedangkan Rin dan RF masing-masing membagikan jatuh tegangan di antara Vin dan Vout, maka tegangan pada titik penghubung kedua resistor ini adalah 0 V. Titik ini biasanya disebut sebagai bumi semu. Tegangan keluaran (Vout) adalah tegangan yang melintasi RF dan IF dapat dibuktikan melalui rumus

IF =

Bila Iin = IF maka :

Dengan menyusun kembali persamaan ini, diperoleh :

Selanjutnya Anda ingat bahwa penguatan tegangan setiap tabapan penguat membalik dapat dinyatakan sebagai :

Av =   

Karena itu,

Av =   

Faktor penguatan tahapan penguat membalik op-amp adalah perbandingan resistor-resistor luar RF dan Rin.

Arus beban IL mengalir ke luar menuju bumi dan besarnya ditentukan oleh resistor beban RL melalui hubungan

IL =

Dengan demikian arus total yang dicatu oleh op-amp dapat dinyatakan sebagai :

I_out= IF + IL

Bila polaritas Vin dibalik (dibuat negatif), V,,ut menjadi positif dan arus akan mengalir ke dalam op-amp.

Bumi Semu

Konsep bumi semu akan lebih mudah dipahami dengan melihat Gambar 2.10a. Dua baterai yang diserikan 20 V besarnya dan resistansi rangkaian total 20 kW besamya. Karena itu, arus dalam rangkaian 1 mA. Sesuai dengan hukum Ohm (E = IR), setiap resistor mendapatkan tegangan 10 V. Penjumlahan jatuh tegangan kedua resistor tersebut sama dengan tegangan total. Titik A akan 0 V terhadap bumi, tapi masih terisolasi dari bumi. Keadaan serupa akan terjadi pada resistor-resistor dan tegangan-tegangan lain yang sebanding, seperti diperlihatkan dalam Gambar 2.10b.

Rangkaian ini dapat dipersamakan dengan rangkaian penguat membalik op-amp yang diperlihatkan dalam Gambar 2. 10c. Vin yang tetap akan menyebabkan op-amp menyetel Vout tepat sesuai dengan perbandingan RF dan Rin. jadi, masukan membalik cenderung dikemudikan menuju tegangan yang sama seperti masukan tak membalik yang dibumikan. harus diingat bahwa hubung singkat antara- titik A dengan bumi dari jaringan resistor yang diperlihatkan dalam Gambar 2.10a dan 2.10b kecil pengaruhnya, sebaliknya hubung singkat antara masukan-masukan op-amp dari Gambar 2. 10c akan menentukan rangkaian, karena op-am menjangkitkan tegangan keluaran Vout.

Gambar 2-10

Contoh bumi semu: (a) tegangan dan resistor sama; (b) tegangan dan resistor tidak sama;

(c) rangkaian op- amp.

Impedansi Masukan

Sebagaimana telah disebutkan, impedansi masukan op-amp Amat tinggi. Tapi, impedansi masukan penguat membalik ditentukan oleh Rin, Karena itu impedansi dalam Gambar 2.8 sama dengan         10 KW