Penguat operasional: Perbedaan antara revisi
Konten dihapus Konten ditambahkan
Rescuing 2 sources and tagging 0 as dead.) #IABot (v2.0.9.2 |
|||
| (97 revisi perantara oleh 36 pengguna tidak ditampilkan) | |||
Baris 1:
[[Berkas:Op-amps.jpg|jmpl| 300px | Berbagai jenis [[sirkuit terpadu]] penguat operasional dalam konfigurasi 8-pin. ]]
'''Penguat operasional''' ([[bahasa Inggris]]: '''''operational amplifier''''') atau yang biasa disebut '''op-amp''' merupakan suatu jenis penguat [[elektronika]] dengan [[sambatan]] (bahasa Inggris: '''''coupling''''') [[arus searah]] yang memiliki bati (''faktor penguatan'' atau dalam bahasa Inggris: '''''gain''''') sangat besar dengan dua masukan dan satu keluaran.<ref name="hyperphysics">{{en}} {{cite web | title=HyperPhysics - Operational Amplifier | first=Carl Rod | last= Nave | publisher=Department of Physics and Astronomy, Georgia State University | url=http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electronic/opamp.html | year=2006 | language=Inggris | accessdate=2010-05-08}}</ref><ref name="glosarium">Terjemahan istilah berdasarkan: {{cite web | title=Glosarium | url=http://pusatbahasa.diknas.go.id/glosarium/index.php | publisher=Pusat Bahasa Departemen Pendidikan Nasional | accessdate=2010-05-08 | archive-date=2010-04-13 | archive-url=https://web.archive.org/web/20100413025407/http://pusatbahasa.diknas.go.id/glosarium/index.php | dead-url=yes }}</ref> Penguat operasional pada umumnya tersedia dalam bentuk [[sirkuit terpadu]] dan yang paling banyak digunakan adalah seri [[741]].<ref name="hyperphysics"/>
Penguat operasional adalah perangkat yang sangat efisien dan serba guna.<ref name="ti-handbook">{{en}} {{cite web | title=Handbook of Operational Amplifier Applications | url = http://focus.ti.com/lit/an/sboa092a/sboa092a.pdf | publisher=Texas Instruments | last1=Carter | first1=Bruce | last2=Brown | first2=Thomas | filetype=pdf | accessdate=2010-05-15}}</ref> Contoh penggunaan penguat operasional adalah untuk operasi matematika sederhana seperti [[penjumlahan]] dan [[pengurangan]] terhadap [[tegangan listrik]] hingga dikembangkan kepada penggunaan aplikatif seperti [[Penguat operasional#Komparator (Pembanding)|komparator]] dan [[osilator]] dengan distorsi rendah.<ref name="ti-handbook"/>
Penguat operasional dalam bentuk rangkaian terpadu memiliki karakteristik yang mendekati karakteristik penguat operasional ideal tanpa perlu memperhatikan apa yang terdapat di dalamnya.<ref name="hyperphysics"/> Karakteristik penguat operasional ideal adalah:<ref name="hyperphysics"/>
# Bati [[tegangan listrik
# [[Impedansi]] masukan tidak terbatas.<ref name="hyperphysics"/>
# Impedansi keluaran nol.<ref name="hyperphysics"/>
# [[Lebar pita]] tidak terbatas.<ref name="hyperphysics"/>
# Tegangan
== Sejarah ==
Awal dari penggunaan penguat operasional adalah tahun [[1940]]-an,
::"''As an amplifier so connected can perform the mathematical operations of arithmetic and calculus on the voltages applied to its inputs, it is hereafter termed an '''operational amplifier'''.''" (Ragazzini, et.al, 1947)<ref name="Ragazzini"/> (dalam [[bahasa Indonesia]]: "Oleh karena penguat dapat dihubungkan untuk melakukan operasi matematika dan kalkulus terhadap tegangan yang dikenakan terhadap masukannya, maka digunakan istilah '''penguat operasional'''.")<ref name="Ragazzini"/>
Penguat operasional yang tersedia secara komersial untuk pertama kalinya adalah K2-W yang diproduksi oleh ''Philbrick Researches, Inc.'' dari [[Boston]] antara tahun [[1952]] hingga awal [[1970]]-an.<ref name="Philbrick">{{en}} {{cite web | title=The Philbrick Archive | url=http://www.philbrickarchive.org/ | publisher= George A. Philbrick Researches (GAP/R) Archive | accessdate=2010-05-08 | language=Inggris}}</ref><ref name="Hayt"/> Penguat operasional tersebut harus dijalankan pada tegangan +/- 300 V dan memiliki berat 85 g dan berukuran 3,8 cm x 5,4 cm x 10,4 cm dan dijual seharga US$22.<ref name="Hayt"/>
Saat ini penguat operasional tersedia dalam bentuk [[sirkuit terpadu]] dan tidak lagi menggunakan tabung vakum, melainkan menggunakan [[transistor]].<ref name="Hayt"/> Dalam suatu sirkuit terpadu penguat operasional umumnya terdapat lebih dari 25 transistor beserta [[resistor]] dan [[kapasitor]] yang diperlukan hanya dalam satu cip [[silikon]].<ref name="Hayt"/> Hasilnya, penguat operasional modern hanya membutuhkan tegangan listrik +/- 18 V, bahkan beberapa jenis seperti LM324 dapat berjalan pada tegangan hanya +/- 1,5 V.<ref name="Hayt"/><ref name="LM324 National">{{en}} {{cite web | title=LM324 Low Power Quad Operational Amplifier | url=http://www.national.com/mpf/LM/LM324.html | publisher=National Semiconductor | language=Inggris | accessdate=2010-05-08 | archive-date=2010-05-11 | archive-url=https://web.archive.org/web/20100511083750/http://www.national.com/mpf/LM/LM324.html | dead-url=yes }}</ref> Penguat operasional KA741 dari ''Fairchild Semiconductor'' yang banyak digunakan bahkan hanya berukuran 5,7 mm x 4,9 mm x 1,8 mm dan tersedia di pasaran dengan harga hanya Rp3.500 (US$0,37).<ref name="Hayt"/><ref name="KA714 Fairchild">{{en}} {{cite web | title=KA741 Operational Amplifier | url=http://www.fairchildsemi.com/pf/KA/KA741.html | publisher=Fairchild Semiconductor | language=Inggris | accessdate=2010-05-08}}</ref>
== Bagian dalam ==
[[Berkas:OpAmpTransistorLevel Colored Labeled ID.svg|jmpl|450px|Bagian dalam penguat operasional seri 741 seperti dijelaskan di dalam teks.]]
Pada diagram skema di samping digambarkan susunan bagian dalam [[sirkuit terintegrasi]] penguat operasional seri 741.<ref name="hookey">{{en}} {{cite web | title=Inside the 741 Op-Amp | url=http://www.play-hookey.com/analog/inside_741.html | first=Ken | last=Bigelow | year=2009 | accessdate=2010-05-15 | publisher=www.play-hookey.com | language=Inggris | archive-date=2010-11-30 | archive-url=https://web.archive.org/web/20101130091644/http://www.play-hookey.com/analog/inside_741.html | dead-url=yes }}</ref> Nomor-nomor yang terdapat di dekat terminal pada gambar menunjukkan nomor kaki terminal pada sirkuit terintegrasi 741 jenis 8-pin.<ref name="hookey"/> Pin nomor 8 tidak terhubung dengan sirkuit.<ref name="hookey"/>
Ada beberapa hal menarik tentang sirkuit internal 741.<ref name="hookey"/> Yang pertama adalah [[transistor]] masukan terhubung dengan konfigurasi [[Tunggal kolektor|pengikut emiter]] NPN yang keluarannya terhubung secara langsung kepada sepasang transistor PNP yang terkonfigurasi sebagai penguat [[tunggal basis|basis bersama]].<ref name="hookey"/> Konfigurasi ini memisahkan masukan dan mencegah sinyal [[umpan balik]] yang mungkin memiliki efek berbahaya yang bergantung pada [[frekuensi]].<ref name="hookey"/>
Pasangan transistor pada bagian yang diwarnai dengan warna merah pada diagram disebut ''cermin [[arus listrik|arus]]'', di mana basis terhubung langsung dengan kolektor pada salah satu transistor dari tiap pasangan dan kedua transistor saling terhubung pada emiter.<ref name="hookey"/> Penggunaan cermin arus pada sirkuit masukan, yaitu pasangan transistor <math>Q8</math> dan <math>Q9</math> serta pasangan <math>Q12</math> dan <math> Q13 </math>, memungkinkan masukan menerima ayunan [[tegangan listrik|tegangan]] ragam bersama tanpa melewati rentang daerah aktif tiap transistor dalam sirkuit.<ref name="hookey"/> Sedangkan cermin arus ketiga, yaitu pasangan transistor <math>Q10</math> dan <math>Q11</math> membentuk cermin arus yang agak berbeda dengan [[resistor]] bernilai 5 K<math>\Omega</math> terhubung secara seri dengan emiter membatasi arus kolektor menjadi hampir nol sehingga dapat menjadi hubungan [[impedansi]] tinggi kepada [[catu daya]] negatif dan tidak membebani sirkuit masukan.<ref name="hookey"/>
Keunikan lain dalam sirkuit internal ditunjukkan dengan warna hijau, di mana kedua resistor bias transistor terhubung sedemikian hingga tidak terlihat adanya sinyal masukan kepada basis transistor.<ref name="hookey"/> Bila diasumsikan tidak ada arus basis yang mengalir pada transistor, dan nilai <math>V_{BE}</math> sebesar 0,625 Volt maka menurut [[hukum Ohm]] akan diperlukan arus sebesar 0,625 V ÷ 7,5 K<math>\Omega</math> = 0,0833 mA melalui resistor antara basis dan kolektor.<ref name="hookey"/> Arus tersebut juga harus mengalir melalui resistor antara basis dan emiter sehingga menimbulkan tegangan jepit sebesar 0,0833 mA × 4,5 K<math>\Omega</math> = 0,375 V sehingga menghasilkan total tegangan jepit melalui dua resistor sebesar 0,625 V + 0,375 V = 1,0 V.<ref name="hookey"/> Hal ini digunakan untuk memberikan beda tegangan internal sebesar 1 Volt berapa pun tegangan keluaran keseluruhan sirkuit.<ref name="hookey"/>
== Istilah-istilah ==
[[Berkas:741 op-amp in TO-5 metal can package close-up.jpg|jmpl| 150px | [[Sirkuit terintegrasi]] penguat operasional seri 741 dalam kemasan logam.]]
Dalam lembar spesifikasi penguat operasional, dapat ditemukan banyak istilah-istilah yang berkaitan dengan kerja penguat operasional.<ref name="ti-spec">{{en}} {{cite web | title=Understanding Operational Amplifier Specifications | url=http://focus.ti.com/lit/an/sloa011/sloa011.pdf | publisher=Texas Instruments | last=Karki | first=Jim | year=1998 | accessdate=2010-05-15}}</ref> Beberapa istilah dan definisinya antara lain:
* <math>\phi_m</math>: Margin fase, yaitu nilai absolut dari ingsut atau pergeseran fase simpal terbuka di antara terminal keluaran dan masukan pembalik pada [[frekuensi]] di mana modulus penguatan simpal terbuka adalah satu.<ref name="ti-spec"/>
* <math>A_m</math>: Margin bati, adalah timbalbalikan dari nilai penguatan [[tegangan listrik|tegangan]] simpal terbuka pada frekuensi terendah di mana ingsut fase simpal terbuka sedemikian rupa sehingga keluaran sefase dengan masukan pembalik.<ref name="ti-spec"/>
* <math>A_v</math>: Penguatan tegangan sinyal besar, yaitu nisbah dari ayunan tegangan puncak ke puncak keluaran terhadap besar perubahan tegangan masukan yang dibutuhkan.<ref name="ti-spec"/>
* <math>B1</math>: Lebar pita bati satuan ([[bahasa Inggris]]: ''unity gain bandwidth'') adalah rentang frekuensi di mana bati penguatan tegangan simpal terbuka bernilai lebih dari satu.<ref name="ti-spec"/>
* <math>C_i</math>: [[Kapasitansi]] masukan, yaitu nilai kapasitansi di antara dua terminal masukan dengan salah satu masukan dibumikan.<ref name="ti-spec"/>
* <math>CMRR</math>: [[Nisbah penolakan ragam bersama]] (bahasa Inggris: ''common-mode rejection ratio'') adalah nisbah atau perbandingan nilai penguatan dari selisih tegangan listrik dalam penguatan ragam bersama (bahasa Inggris: ''common-mode'').<ref name="ti-spec"/> Nilai ini diukur dengan cara menentukan nisbah perubahan pada tegangan listrik masukan ragam bersama terhadap perubahan yang dihasilkannya pada tegangan ofset.<ref name="ti-spec"/>
* <math>GBW</math>: Darab lebar-pita bati (bahasa Inggris: ''gain bandwidth product'') adalah nilai hasil perkalian antara nilai penguatan tegangan simpal terbuka dan frekuensi sinyal saat pengukuran tersebut.<ref name="ti-spec"/>
* <math>Z_{ic}</math>: [[Impedansi]] masukan ragam bersama, yaitu hasil penjumlahan paralel impedansi terhadap sinyal kecil di antara tiap terminal masukan dengan bumi.<ref name="ti-spec"/>
* <math>Z_o</math>: Impedansi keluaran, yaitu Impedansi terhadap sinyal kecil di antara terminal keluaran dengan bumi.<ref name="ti-spec"/>
== Notasi Sirkuit ==
[[Berkas:
Simbol penguat operasional pada rangkaian seperti pada gambar di samping, di mana:
* <math>V_{\!+}</math>: masukan non-pembalik
* <math>V_{\!-}</math>: masukan pembalik
Baris 31 ⟶ 58:
* <math>V_{\text{S}\!-}</math>: catu daya negatif
Catu daya pada notasi penguat operasional
== Aplikasi
Terdapat banyak sekali penggunaan dari penguat operasional dalam berbagai jenis sirkuit listrik.<ref name="Hayt"/> Di bawah ini dipaparkan beberapa penggunaan umum dari penguat operasional dalam contoh sirkuit:
=== Komparator (
[[
Merupakan salah satu aplikasi yang memanfaatkan
Komparator membandingkan dua [[tegangan listrik]] dan mengubah keluarannya untuk menunjukkan tegangan mana yang lebih tinggi.<ref name="Hayt"/>
* <math> V_{\text{out}} = \left\{\begin{matrix} V_{\text{S+}} & V_1 > V_2 \\ V_{\text{S-}} & V_1 < V_2 \end{matrix}\right.
di mana <math>V_{\text{s}}</math> adalah tegangan catu daya dan penguat operasional beroperasi di antara <math>+V_{\text{s}}</math> dan <math>-V_{\text{s}}</math>.)
=== Penguat pembalik ===
[[Berkas:Op-Amp Inverting Amplifier.svg|300px|jmpl|Penguat pembalik.]]
Sebuah penguat pembalik menggunakan [[umpan balik]] negatif untuk membalik dan menguatkan sebuah tegangan.<ref name="Horn">{{en}} {{cite book|title=Basic Electronics Theory|first=Delton|last=Horn|edition= 4|publisher=McGraw-Hill Professional|year=1994|page=342-343}}</ref> Resistor R<sub>f</sub> melewatkan sebagian sinyal keluaran kembali ke masukan.<ref name="Horn"/> Karena keluaran taksefase sebesar 180°, maka nilai keluaran tersebut secara efektif mengurangi besar masukan.<ref name="Horn"/> Ini mengurangi bati keseluruhan dari penguat dan disebut dengan umpan balik negatif.<ref name="Horn"/>
:<math> V_{\text{out}} = -\frac{R_{\text{f}}}{R_{\text{in}}} V_{\text{in}}\!\ </math>
Di mana,
* <math>Z_{\text{in}} = R_{\text{in}}\ </math> (karena <math>V_{-}\ </math> adalah [[bumi maya]] (bahasa Inggris: '''''virtual ground''''')
* Sebuah resistor dengan nilai <math>R_{\text{f}} \| R_{\text{in}} \triangleq R_{\text{f}} R_{\text{in}} / (R_{\text{f}} + R_{\text{in}}) </math>, ditempatkan di antara masukan non-pembalik dan bumi. Walaupun tidak dibutuhkan, hal ini mengurangi galat karena arus bias masukan.<ref name="Malmstadt">{{en}} {{cite book|last1=Malmstadt|first1=Howard|last2=Enke|first2=Enke|last3=Crouch|first3=Stanley|title=Electronics and Instrumentation for Scientists|url=https://archive.org/details/electronicsinstr0000malm|publisher=The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc.|year=1981|isbn=0-8053-6917-1|page=[https://archive.org/details/electronicsinstr0000malm/page/118 118]|language=Inggris}}</ref>
Bati dari penguat ditentukan dari rasio antara R<sub>f</sub> dan R<sub>in</sub>, yaitu:<ref name="Horn"/>
:<math>A = -\frac{R_f}{R_{in}}</math>
Tanda negatif menunjukkan bahwa keluaran adalah pembalikan dari masukan.<ref name="Horn"/> Contohnya jika R<sub>f</sub> adalah 10.000 Ω dan R<sub>in</sub> adalah 1.000 Ω, maka nilai bati adalah -10.000Ω / 1.000Ω, yaitu -10.<ref name="Horn"/>
=== Penguat non-pembalik ===
[[Berkas:Op-Amp Non-Inverting Amplifier.svg|300px|jmpl| Penguat non-pembalik.]]
Rumus penguatan penguat non-pembalik adalah sebagai berikut:<ref name="National AN-31">{{en}} {{cite web | title=Application Note 31 Op Amp Circuit Collection | url=http://www.national.com/an/AN/AN-31.pdf | filetype=pdf | publisher=National Semiconductor | language=Inggris | accessdate=2010-05-08 | archive-date=2000-09-01 | archive-url=https://web.archive.org/web/20000901080854/http://www.national.com/an/AN/AN-31.pdf | dead-url=yes }}</ref>
:<math>V_{\text{out}} = V_{\text{in}} \left( \frac{R_1 + R_2}{R_1} \right)\,</math>
atau dengan kata lain:
:<math>V_{\text{out}} = V_{\text{in}} \left( 1 + \frac{R_2}{R_1} \right)\,</math>
Dengan demikian, penguat non-pembalik memiliki bati minimum bernilai 1. Karena tegangan sinyal masukan terhubung langsung dengan masukan pada penguat operasional maka impedansi masukan bernilai <math>Z_{\text{in}} \approx \infin</math>.
=== Penguat diferensial ===
[[Berkas:Op-Amp Differential Amplifier.svg|jmpl|300px|ka|Penguat diferensial.]]
Penguat diferensial digunakan untuk mencari [[pengurangan|selisih]] dari dua [[tegangan listrik|tegangan]] yang telah di[[perkalian|kalikan]] dengan [[konstanta]] tertentu yang ditentukan oleh nilai [[resistansi]] yaitu sebesar <math>\frac{ R_{\text{f}} }{ R_1 }\ </math> untuk <math>R_1 = R_2\ </math> dan <math>R_{\text{f}} = R_{\text{g}}\ </math>.<ref name="National AN-31"/> Penguat jenis ini berbeda dengan [[Penguat operasional#Diferensiator|diferensiator]].<ref name="National AN-31"/> Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut:<ref name="National AN-31"/>
:<math> V_{\text{out}} = \frac{ \left( R_{\text{f}} + R_1 \right) R_{\text{g}} }{\left( R_{\text{g}} + R_2 \right) R_1} V_2 - \frac{R_{\text{f}}}{R_1} V_1 </math>
Sedangkan untuk <math>R_1 = R_2</math> dan <math>R_{\text{f}} = R_{\text{g}}</math> maka bati diferensial adalah:<ref name="National AN-31"/>
:<math>V_{\text{out}} = \frac{ R_{\text{f}} }{ R_1 } (V_{\text{2}} - V_{\text{1}})\,</math>
=== Penguat penjumlah ===
[[Berkas:Op-Amp Summing Amplifier.svg|jmpl|300px|Penguat penjumlah.]]
Penguat penjumlah menjumlahkan beberapa tegangan masukan, dengan persamaan sebagai berikut:<ref name="National AN-31"/>
:<math> V_{\text{out}} = -R_{\text{f}} \left( \frac{V_1}{R_1} + \frac{V_2}{R_2} + \cdots + \frac{V_n}{R_n} \right) </math>
* Saat <math>R_1 = R_2 = \cdots = R_n</math>, dan <math>R_{\text{f}}</math> saling bebas maka:
:<math> V_{\text{out}} = -\frac{R_{\text{f}}}{R_1} ( V_1 + V_2 + \cdots + V_n ) \!\ </math>
* Saat <math>R_1 = R_2 = \cdots = R_n = R_{\text{f}}\ </math>, maka:
:<math> V_{\text{out}} = -( V_1 + V_2 + \cdots + V_n ) \!\ </math>
* Keluaran adalah terbalik.
* Impedansi masukan dari masukan ke-n adalah <math>Z_n = R_n \ </math> (di mana <math>V_- \ </math> adalah bumi maya)
=== Integrator ===
[[Berkas:Op-Amp Integrating Amplifier.svg|jmpl|300px|Integrator.]]
Penguat ini [[integral|mengintegrasikan]] [[tegangan listrik|tegangan]] masukan terhadap [[waktu]], dengan persamaan:<ref name="National AN-31"/>
:<math>V_{\text{out}} = -\frac{1}{RC}\int_0^t V_{\text{in}} \, \operatorname{d}t + V_{\text{mula}}\,</math>
di mana <math>t\ </math> adalah waktu dan <math>V_{\text{mula}}\ </math> adalah tegangan keluaran pada <math>t = 0\ </math>.
Sebuah integrator dapat juga dipandang sebagai [[tapis pelewat tinggi|tapis pelewat-tinggi]] dan dapat digunakan untuk rangkaian tapis aktif.<ref name="Intro Filter">{{en}} {{cite web | title=Introduction to Filter | url=http://www.swarthmore.edu/NatSci/echeeve1/Ref/FilterBkgrnd/Filters.html | accessdate=2010-05-08}}</ref>
=== Diferensiator ===
[[Berkas:Op-Amp Differentiating Amplifier.svg|jmpl|300px|Diferensiator.]]
[[Diferensial|Mendiferensiasikan]] sinyal hasil pembalikan terhadap waktu dengan persamaan:<ref name="mit-opamp2">{{en}} {{cite web | title=Fundamental Amplifier Circuits; Input/Output Impedance | url=http://ocw.mit.edu/NR/rdonlyres/38FF6DFD-7C8F-4368-B9AC-AB96036B2F5F/0/23_op_amps2.pdf | filetype=pdf | first1=Manos | last1=Chaniotakis | first2=David | last2=Cory | publisher=MIT OpenCourseWare | year=2006 | accessdate=2010-05-10}}</ref>
:<math>V_{\text{out}} = -RC \,\frac{\operatorname{d}V_{\text{in}} }{ \operatorname{d}t} \, \qquad </math>
di mana <math> V_{\text{in}}\ </math> dan <math> V_{\text{out}} \ </math> adalah fungsi dari waktu.
Pada dasarnya diferensiator dapat juga dibangun dari integrator dengan cara mengganti [[kapasitor]] dengan [[induktor]], namun tidak dilakukan karena harga induktor yang mahal dan bentuknya yang besar.<ref name="mit-opamp2"/> Diferensiator dapat juga dilihat sebagai [[tapis pelewat rendah|tapis pelewat-rendah]] dan dapat digunakan sebagai tapis aktif.<ref name="Intro Filter"/>
== Referensi ==
{{reflist}}
== Pranala luar ==
* {{en}} [http://www.national.com/analog/amplifiers/application_notes National Semiconductor Operational Amplifier Application Notes] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20100517001156/http://www.national.com/analog/amplifiers/application_notes |date=2010-05-17 }}
* {{en}} [http://focus.ti.com/lit/an/sloa064/sloa064.pdf A Differential Op-Amp Circuit Collection]
[[Kategori:Elektronika]]
| |||