Penguat operasional

Revisi sejak 15 Mei 2010 05.48 oleh 81Christoforus (bicara | kontrib) (Istilah-istilah: karki -> Karki)

Penguat operasional (bahasa Inggris: operational amplifier) atau yang biasa disebut op-amp merupakan suatu jenis penguat elektronika dengan sambatan arus searah yang memiliki bati (faktor penguatan) sangat besar dengan dua masukan dan satu keluaran. [1][2] Penguat operasional pada umumnya tersedia dalam bentuk sirkuit terpadu dan yang paling banyak digunakan adalah seri 741. [1]

Berbagai jenis sirkuit terpadu penguat operasional dalam konfigurasi 8-pin.

Penguat operasional adalah perangkat yang sangat efisien dan serba guna.[3] Contoh penggunaan penguat operasional adalah untuk operasi matematika sederhana seperti penjumlahan dan pengurangan terhadap tegangan listrik hingga dikembangkan kepada penggunaan aplikatif seperti komparator dan osilator dengan distorsi rendah.[3]

Penguat operasional dalam bentuk rangkaian terpadu memiliki karakteristik yang mendekati karakteristik penguat operasional ideal tanpa perlu memperhatikan apa yang terdapat di dalamnya.[1] Karakteristik penguat operasional ideal adalah:[1]

  1. Bati tegangan tidak terbatas.[1]
  2. Impedansi masukan tidak terbatas.[1]
  3. Impedansi keluaran nol.[1]
  4. Lebar pita tidak terbatas.[1]
  5. Tegangan ofset nol (keluaran akan nol jika masukan nol).[1]

Sejarah

Awal dari penguat operasional adalah tahun 1940an, saat di mana sirkuit elektronika dasar dibangun menggunakan tabung vakum untuk melakukan operasi matematika seperti penjumlahan, pengurangan, perkalian, pembagian, integral, dan turunan.[4] 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 1970an.[4][5] 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.[4]

Saat ini penguat operasional tersedia dalam bentuk sirkuit terpadu dan tidak lagi menggunakan tabung vakum, melainkan menggunakan transistor.[4] Dalam suatu sirkuit terpadu penguat operasional umumnya terdapat lebih dari 25 transistor beserta resistor dan kapasitor yang diperlukan hanya dalam satu cip silikon.[4] Hasilnya, penguat operasional modern hanya membutuhkan tegangan listrik +/- 18 V, bahkan beberapa jenis seperti LM324 dapat berjalan pada tegangan hanya +/- 1,5 V.[4][6] Penguat operasional KA741 dari Fairchild Semiconductor yang banyak digunakan bahkan hanya berukuran 5,7mm x 4,9mm x 1,8mm dan tersedia di pasaran dengan harga hanya Rp.3.500 (US$0,37).[4][7]

Istilah-istilah

Dalam lembar spesifikasi penguat operasional, dapat ditemukan banyak istilah-istilah yang berkaitan dengan kerja penguat operasional.[8] Beberapa istilah dan definisinya antara lain:

  •  : 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.[8]
  •  : Margin bati, adalah timbalbalikan dari nilai penguatan tegangan simpal terbuka pada frekuensi terendah di mana ingsut fase simpal terbuka sedemikian rupa sehingga keluaran sefase dengan masukan pembalik.[8]
  •  : Penguatan tegangan sinyal besar, yaitu nisbah dari ayunan tegangan puncak ke puncak keluaran terhadap besar perubahan tegangan masukan yang dibutuhkan.[8]
  •  : Lebar pita bati satuan (bahasa Inggris: unity gain bandwidth) adalah rentang frekuensi di mana bati penguatan tegangan simpal terbuka bernilai lebih dari satu.[8]
  •  : Kapasitansi masukan, yaitu nilai kapasitansi di antara dua terminal masukan dengan salah satu masukan dibumikan.[8]
  •  : 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).[8] Nilai ini diukur dengan cara menentukan nisbah perubahan pada tegangan listrik masukan ragam bersama terhadap perubahan yang dihasilkannya pada tegangan ofset.[8]
  •  : 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.[8]
  •  : Impedansi masukan ragam bersama, yaitu hasil penjumlahan paralel impedansi terhadap sinyal kecil di antara tiap terminal masukan dengan bumi.[8]
  •  : Impedansi keluaran, yaitu Impedansi terhadap sinyal kecil di antara terminal keluaran dengan bumi.[8]

Notasi Sirkuit

 
Simbol penguat operasional pada gambar sirkuit listrik.

Simbol penguat operasional pada rangkaian seperti pada gambar di samping, di mana: [9]

  •  : masukan non-pembalik
  •  : masukan pembalik
  •  : keluaran
  •  : catu daya positif
  •  : catu daya negatif

Catu daya pada notasi penguat operasional seringkali tidak dicantumkan untuk memudahkan penggambaran rangkaian.[4]

Aplikasi sirkuit

Terdapat banyak sekali penggunaan dari penguat operasional dalam berbagai jenis sirkuit listrik.[4] Di bawah ini dipaparkan beberapa penggunaan umum dari penguat operasional dalam contoh sirkuit:

Komparator (Pembanding)

 
Komparator

Merupakan salah satu aplikasi yang memanfaatkan bati simpal terbuka (bahasa Inggris: open-loop gain) penguat operasional yang sangat besar.[4] Ada jenis penguat operasional khusus yang memang difungsikan semata-mata untuk penggunaan ini dan agak berbeda dari penguat operasional lainnya dan umum disebut juga dengan komparator (bahasa Inggris: comparator).[4]

Komparator membandingkan dua tegangan listrik dan mengubah keluarannya untuk menunjukkan tegangan mana yang lebih tinggi.[4]

  •  

di mana   adalah tegangan catu daya dan penguat operasional beroperasi di antara   dan  .)

Penguat pembalik

 
Penguat pembalik

Sebuah penguat pembalik menggunakan umpan balik negatif untuk membalik dan menguatkan sebuah tegangan.[10] Resistor Rf melewatkan sebagian sinyal keluaran kembali ke masukan.[10] Karena keluaran taksefase sebesar 180°, maka nilai keluaran tersebut secara efektif mengurangi besar masukan.[10] Ini mengurangi bati keseluruhan dari penguat dan disebut dengan umpan balik negatif.[10]

 

Di mana,

  •   (karena   adalah bumi maya)
  • Sebuah resistor dengan nilai  , ditempatkan di antara masukan non-pembalik dan bumi. Walaupun tidak dibutuhkan, hal ini mengurangi galat karena arus bias masukan.[11]

Bati dari penguat ditentukan dari rasio antara Rf dan Rin, yaitu:[10]

 

Tanda negatif menunjukkan bahwa keluaran adalah pembalikan dari masukan. [10] Contohnya jika Rf adalah 10.000 Ω dan Rin adalah 1.000 Ω, maka nilai bati adalah -10000Ω/1000Ω, yaitu -10. [10]

Penguat non-pembalik

 
Penguat non-pembalik.

Rumus penguatan penguat non-pembalik adalah sebagai berikut:[12]

 

atau dengan kata lain:

 

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  .

Penguat diferensial

 
Penguat diferensial

Penguat diferensial digunakan untuk mencari selisih dari dua tegangan yang telah dikalikan dengan konstanta tertentu yang ditentukan oleh nilai resistansi yaitu sebesar   untuk   dan  .[12] Penguat jenis ini berbeda dengan diferensiator.[12] Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut:[12]

 

Sedangkan untuk   dan   maka bati diferensial adalah:[12]

 

Penguat penjumlah

 
Penguat penjumlah.

Penguat penjumlah menjumlahkan beberapa tegangan masukan, dengan persamaan sebagai berikut:[12]

 
  • Saat  , dan   saling bebas maka:
 
  • Saat  , maka:
 
  • Keluaran adalah terbalik.
  • Impedansi masukan dari masukan ke-n adalah   (di mana   adalah bumi maya)

Integrator

 
Integrator

Penguat ini mengintegrasikan tegangan masukan terhadap waktu, dengan persamaan:[12]

 

di mana   adalah waktu dan   adalah tegangan keluaran pada  .

Sebuah integrator dapat juga dipandang sebagai tapis pelewat-tinggi dan dapat digunakan untuk rangkaian tapis aktif.[13]

Diferensiator

 
Diferensiator.

Mendiferensiasikan sinyal hasil pembalikan terhadap waktu dengan persamaan:

 

di mana   dan   adalah fungsi dari waktu.

Fungsi diferensiator adalah kebalikan dari fungsi integrator. Diferensiator dapat juga dilihat sebagai tapis pelewat-rendah dan dapat digunakan sebagai tapis aktif.[13]

Referensi

  1. ^ a b c d e f g h i (Inggris)Nave, Carl Rod (2006). "HyperPhysics - Operational Amplifier" (dalam bahasa Inggris). Department of Physics and Astronomy, Georgia State University. Diakses tanggal 2010-05-08. 
  2. ^ Terjemahan istilah berdasarkan: "Glosarium". Pusat Bahasa Departemen Pendidikan Nasional. Diakses tanggal 2010-05-08. 
  3. ^ a b (Inggris)Carter, Bruce; Brown, Thomas. "Handbook of Operational Amplifier Applications" (PDF). Texas Instruments. Diakses tanggal 2010-05-15. 
  4. ^ a b c d e f g h i j k l (Inggris)Hayt, William; Kemmerly, Jack; Durbin, Steven (2007). Engineering Circuit Analysis (dalam bahasa Inggris) (edisi ke-7th). McGraw-Hill Higher Education. hlm. 173-205. ISBN 978-0-07-286611-7. 
  5. ^ (Inggris)"The Philbrick Archive" (dalam bahasa Inggris). George A. Philbrick Researches (GAP/R) Archive. Diakses tanggal 2010-05-08. 
  6. ^ (Inggris)"LM324 Low Power Quad Operational Amplifier" (dalam bahasa Inggris). National Semiconductor. Diakses tanggal 2010-05-08. 
  7. ^ (Inggris)"KA741 Operational Amplifier" (dalam bahasa Inggris). Fairchild Semiconductor. Diakses tanggal 2010-05-08. 
  8. ^ a b c d e f g h i j k (Inggris)Karki, Jim (1998). "Understanding Operational Amplifier Specifications" (PDF). Texas Instruments. Diakses tanggal 2010-05-15. 
  9. ^ (Inggris)"What is Operational Amplifier (op-amp)". HobbyProjects.com. Diakses tanggal 2010-05-08. 
  10. ^ a b c d e f g (Inggris)Horn, Delton (1994). Basic Electronics Theory (edisi ke-4). McGraw-Hill Professional. hlm. 342-343. 
  11. ^ (Inggris)Malmstadt, Howard; Enke, Enke; Crouch, Stanley (1981). Electronics and Instrumentation for Scientists (dalam bahasa Inggris). The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc. hlm. 118. ISBN 0-8053-6917-1. 
  12. ^ a b c d e f g (Inggris)"Application Note 31 Op Amp Circuit Collection" (PDF) (dalam bahasa Inggris). National Semiconductor. Diakses tanggal 2010-05-08. 
  13. ^ a b (Inggris)"Introduction to Filter". Diakses tanggal 2010-05-08. 

Templat:Link FA