MODUL - 04 Op Amp Yuri Yogaswara, Asri Setyaningrum 90216301 Program Studi Magister Pengajaran Fisika Institut Teknologi Bandung
[email protected]
ABSTRAK Pada percobaan praktikum Op Amp ini digunakan IC LM741 yang memiliki masukan tak membalik v+(non-inverting), masukan membalik v- (inverting) dan keluaran vo. Jika isyarat masukan dihubungkan dengan masukan membalik (v-), maka pada daerah frekuensi tengah isyarat keluaran akan “berlawanan fase” (berlawanan tanda dengan isyarat masukan). Sebaliknya, jika isyarat masukan dihubungkan dengan masukan tak membalik (v+), maka isyarat keluaran akan “sefase”. Adapun prosedur percobaan ini yaitu sebagai berikut: Pertama menyusun rangkaian penguat membalik(inverting) dengan rangkaian filter high pass filter dan low pass filter (gambar 1) kemudian menghubungkan rangkain tersebut pada signal generator, dan penguat catu daya yang telah dibuat dalam proyek RBL sebagai sumber tegangan listrik. Amati gelombang keluaran (output) dan masukannya (input) pada osiloskop dan menghitung besar tegangan masukan dan keluarannya dengan menubah nilai frekuensinya. Kedua dengan cara yang sama menyusun rangkaian penguat tidak membalik(non inverting) dengan rangkaian filter high pass filter dan low pass filter (gambar 2) kemudian menghubungkan rangkain tersebut pada signal generator, dan penguat catu daya yang telah dibuat dalam proyek RBL sebagai sumber tegangan listrik. Amati gelombang keluaran (output) dan masukannya (input) pada osiloskop dan menghitung besar tegangan masukan dan keluarannya dengan menubah nilai frekuensinya. ketiga mensimuliasikan rangkaian penguat komparator pada proteus (gambar 3) kemudian mengamati gelombang masukan dan keluarnya kemudian dianalisis lebar pita gelombangnya. Kesimpulan dalam percobaan ini yang pertama, Op-amp inverting dan non inverting dapat digunakan untuk membalik fase suatu sinyal input. Kedua, Op-amp inverting dan non inverting dapat digunakan untuk melakukan penguatan terhadap tegangan dari suatu input sinyal yang kecil sehingga didapat suatu sinyal keluaran yang besar. Ketiga, Op-Amp inverting dan non inverting ini memiliki dua rangkaian feedback (umpan balik) yaitu feedback negatif dan feedback positif dimana Feedback negatif pada op-amp memegang peranan penting.
Kata Kunci : LM741, Op Amp Inverting, Op Amp Non Inverting
A. PENDAHULUAN
Dalam kehidupan sehari hari
selain digunakan di industri, rangkain
elektronika Op Amp
juga banyak digunakan dalam berbagai peralatan rumah tangga yang kita miliki, Aplikasi rangkaian
elektronika
Op
Amp
banyak
digunakan
untuk
kepentingan
peralatan
rumah tangga dan industri. Aplikasi elektronika Op Amp pada peralatan rumah tangga dapat dilihat pada UPS (Uninterabable Power Supply), peralatan pengubah daya dari listrik DC menjadi listrik AC
(inverter),
catu
Operational Amplifier
daya
untuk
laptop,
notebook dan komputer. Op Amp atau
itu sendiri merupakan sebuah komponen yang terdiri dari banyak
resistor, dioda, dan transistor. Bagaimana cara kerja mendasar dari rangkaian Op Amp ini ?
B. TEORI DASAR
Penguat operasional (op-amp) adalah sebuah penguat instan yang bisa langsung dipakai untuk benyak aplikasi penguatan. Sebuah Op amp biasanya berupa IC (Integrated Circuit). Pengemasan Op amp dalam IC bermacam-macam, ada yang berisi satu op amp (contoh : 741), dua op amp (4558, LF356), empat op amp (contoh = LM324, TL084), dll. Penguat Operasional atau disingkat Op-amp adalah merupakan sutu penguat differensial berperolehan sangat tinggi yang terterkopel DC langsung yang dilengkapi dengan umpan. Oleh karena itu, penguat operasional lebih banyak digunakan dengan loop tertutup daripada dalam lingkar terbuka.
Gambar 1(a) Skematik Op Amp , (b)Fisik Op Amp (diambil dari http://jendeladenng abei.bl ogspot.co.i d/2013/01/operational-amplifier-op-amp.html )
Gambar 1 menunjukkan sebuah blok op-amp yang mempunyai berbagai tipe dalam bentuk IC. Dalam bentuk paket praktis IC seperti tipe 741 hanya berharga beberapa ribu rupiah.
Seperti terlihat pada gambar 1, op amp memiliki masukan tak membalik v+(non-inverting), masukan membalik v- (inverting) dan keluaran vo. Jika isyarat masukan dihubungkan dengan masukan membalik (v-), maka pada daerah frekuensi tengah isyarat keluaran akan “berlawanan fase” (berlawanan tanda dengan isyarat masukan). Sebaliknya, jika isyarat masukan dihubungkan dengan masukan tak membalik (v+), maka isyarat keluaran akan “sefase”. Sebuah opamp biasanya memerlukan catu daya ± 15 V. Dalam menggambarkan rangkaian hubungan catu daya ini biasanya dihilangkan. Beberapa sifat ideal dari Op-amp adalah sebagai berikut: a. Penguat lingkar terbuka tak berhingga atau Av, Ib = b. Hambatan keluaran lingkar terbuka adalah nol atau R0, Ib= 0 c.
Hambatan masukan lingkar terbuka tak berhingga atau Ri, Ib=
d. Lebar pita tak berhingga atau ∆f= f2 –f1 = e. Nisbah penolakan modus bersama (CMRR) Karakteristik Op-amp Keuntungan dari pemakaian penguat operasional ini adalah karakteristiknya yang mendekati ideal sehingga dalam merancang rangkaian yang menggunakan penguat ini lebih mudah dan juga kareana penguat ini bekerja pada tingkatan yang cukup dekat dengan karakteristik kerjanya secara teoritis. Karakteristik utama sebuah penguat operasional yang ideal adalah: a.
Impedansi masukan tak terhingga. Penguat yang ideal diharapkan tidak menarik arus masukan, artinya tidak ada arus yang masuk kedalam terminal 1 maupun 2 (I1 = I2 = 0).
b.
Impedansi keluaran sama dengan nol. Terminal 3 merupakan keluaran penguat operasional, idealnya diharapkan bertindak sebagai terminal keluaran sebuah sumber sumber tegangan ideal. Tegangan antara terminal 3 dengan ground akan selalu sama dengan A, dimana A adalah faktor penguatan sebuah penguat operasional.
c.
Penguatan loop terbuka tak terhingga. Apabila dioperasikan pada loop terbuka (tidak ada umpan balik dari keluaran ke masukan), maka sebuah penguat opersaional ideal mempunyai gain (penguatan) yang besarnya tak terhingga.
Aplikasi dan Rangkaian Dasar Op-amp Fungsi atau aplikasi rangkaian Op-amp yaitu: Penguat Membalik (inverting) Penguat membalik adalah penggunanan op- amp sebagai penguat sinyal dimana sinyal outputnya berbalik fasa 180 derajat dari sinyal input. Pada penguat ini dimana, masukannya melalui input membalik pada penguat operasional, dan keluarannya berlawanan fasa dengan masukan.
Gambar .2 Rangkaian Penguat Membalik/ inverting (diambil dari http://jendeladenng abei.bl ogspot.co.i d/2013/01/operational-amplifier-op-amp.html )
Untuk mencari penguatan/gain dari rangkaian amplifier inverting dengan Op Amp dapat menggunakan persamaan berikut :
Penguat tidak Membalik (Non Inverting) Penguat
non
inverting
ini
hampir
sama
dengan
rangkaian
inverting
hanya
perbedaannya adalah terletak pada tegangan inputnya dari masukan noninverting. Hasil tegangan output noninverting lebih dari satu dan selalu positif. Penguat ini dimana, masukannya melalui input tak membalik (non inverting) pada penguat operasional dan keluarannya sefasa dengan masukan.
Gambar 3 Rangkaian Penguat Tidak Membalik/Non Inverting (diambil dari http://jendeladenng abei.bl ogspot.co.i d/2013/01/operational-amplifier-op-amp.html )
Untuk mencari penguatan/gain dari rangkaian amplifier non inverting dengan Op Amp dapat menggunakan persamaan berikut :
Komparator (Pembanding) Comparator adalah penggunaan op amp sebagai pembanding antara tegangan yang masuk pada input (+) dan input (-). Jika input (+) lebih tinggi dari input (-) maka op amp akan mengeluarkan tegangan positif dan jika input (-) lebih tinggi dari input (+) maka op amp akan mengeluarkan
tegangan
negatif.
Dengan
demikian
op
amp
dapat
dipakai
membandingkan dua buah tegangan yang berbeda.
Gambar 4 Rangkaian Komparator (diambil dari http://jendeladenng abei.bl ogspot.co.i d/2013/01/operational-amplifier-op-amp.html )
Untuk mendapatkan Vout dapat menggunakan persamaan berikut :
untuk
C. METODE
Adapun prosedur percobaan ini yaitu sebagai berikut: Pertama menyusun penguat membalik(inverting) dengan rangkaian filter (gambar 5)
rangkaian
high pass filter dan low pass filter
kemudian menghubungkan rangkain tersebut pada signal generator, dan
penguat catu daya yang telah dibuat dalam proyek RBL sebagai sumber tegangan listrik. Amati gelombang keluaran (output) dan masukannya (input) pada osiloskop dan menghitung besar tegangan masukan dan keluarannya dengan menubah nilai frekuensinya. Kedua dengan cara yang sama menyusun inverting) dengan rangkaian filter
rangkaian penguat tidak membalik(non
high pass filter dan low pass filter (gambar 6) kemudian
menghubungkan rangkain tersebut pada signal generator, dan penguat catu daya yang telah dibuat dalam proyek RBL
sebagai sumber tegangan listrik. Amati gelombang
keluaran (output) dan masukannya (input) pada osiloskop dan menghitung besar tegangan masukan dan keluarannya dengan menubah nilai frekuensinya. ketiga mensimuliasikan rangkaian penguat komparator pada proteus (gambar 7) kemudian mengamati gelombang masukan dan keluarnya kemudian dianalisis lebar pita gelombangnya.
Gambar 5 : a) Rangkaian Inverting dengan LPF, b) Rangkaian Inverting dengan HPF
Gambar 6 : a) Rangkaian Non Inverting dengan LPF, b) Rangkaian Non Inverting dengan HPF
Gambar 7 : a) Rangkaian Op Amp Komparator
D. DATA DAN PEMBAHASAN 1. Rangkaian Penguat Inverting HPF Frekuensi Cut Off
HPF
Inverting
(Hz)
C
R
Ro
Rf
159 Hz
1µF
1kΩ
1kΩ
10kΩ
Data Hasil Percobaan Penguat Inverting HPF Eksperimen Vin Filter = 0,5 volt
Frekuensi (Hz)
Praktikum
Gain
Simulasi Proteus
Gain
Vout Filter
Vout Amp
Vout Filter
Vout Amp
(volt)
(volt)
(volt)
(volt)
30
0,04
0,4
10
0,03
0,17
6
40
0,06
0,6
10
0,04
0,32
8
50
0,08
0,8
10
0,05
0,47
9
100
0,12
1,2
10
0,10
1,00
10
0,5
5
10
0,39
3,91
10
500
0,5
5
10
0,46
4,67
10
1000
0,5
5
10
0,48
4,9
10
2000
0,5
5
10
0,49
4,9
10
3000
0,5
5
10
0,49
4,9
10
4000
0,5
5
10
0,49
4,9
10
200
*)
Rata rata gain
Rata rata gain
10,0
9,35
*) data untuk contoh perhitungan
Kurva Tanggapan Amplitudo 12
10 8 6
Gain
4 2 0 0
1000
2000
3000
4000
5000
Grafik 1: kurva tanggapan ampliutudo rangkaian inverting HPF hasil simulasi proteus
Dari hasil data hasil praktikum penguatan rangkaina inverting HPF bisa dianalsis bahwa besarnya penguatan rangkaina inverting HPF dibandingkan dengan secara teori adalah sama atau sesuai, yaitu memiliki penguatan 10 kali. Tetapi pada proteus hasil yang didapatkan tidak tepat 10 kali tetapi hampir mendekati yaitu
9,3 . Mungkin hal ini disebabkan karena kurang teliti dalam membaca skala pada osiloskop di simulasi proteus. Berikut contoh perhitungan penguatan rangkaian Secara Teori
hasil praktikum, yaitu
asil simulasi proteus, yaitu
Ini membuktikan bahwa data hasil praktikum sama secara teori. Pada rangakaian inverting HPF ini adanya penambahan tahanan dan kapasitor yang dimaksud adalah untuk memfilter sinyal masukan, oleh karena itu adanya batasan input dari frekuensi yang masuk dengan batas frekuensi cut off ditentukan dari nilai R dan C nya. Dari hasil analisis ternyata tampak bahwa jika frekuensi yang diberikan cukup tinggi maka menghasilkan penguatan yang sesuai dengan teori. Sehingga dapat dikatakan hasil praktikum ini ternyata sesuai keadaan karakteristik rangkaian filter lolos tinggi
Gambar 8 : contoh sinyal gelombang tegnagan output hasil praktikum rangkaian Inverting HPF
Gambar 9 : contoh sinyal gelombang tegnagan input dan output simulasi proteus rangkaian Inverting HPF
Dari gambar sinyal masukan dan keluaran nampak bahwa terdapat perbedaan fasa antara sinyal masukan dan sinyal keluaran sebesar 1800 hal ini juga sesuai dengan teori bahwa
pada penguat ini dimana, masukannya melalui input membalik pada penguat
operasional, dan keluarannya berlawanan fasa dengan masukan.
2. Rangkaian Penguat Inverting LPF
Frekuensi Cut Off
LPF
Inverting
(Hz)
C
R
Ro
Rf
159 Hz
1µF
1kΩ
20Ω
100kΩ
Data Hasil Percobaan Penguat Inverting LPF Eksperimen Vin Filter = 0,5 volt Frekuensi (Hz)
Praktikum
Gain
Simulasi Proteus
Gain
Vout Filter
Vout Amp
Vout Filter
Vout Amp
(volt)
(volt)
(volt)
(volt)
30
0,8
4,8
6,0
0,33
0,43
1,3
40
0,8
4,4
5,5
0,33
0,56
1,7
*)
50
0,8
4,4
5,5
0,32
1,06
3,3
100
0,7
4,2
6,0
0,29
1,07
3,7
200
0,5
4
8,0
0,21
1,00
4,8
500
0,3
4
13,3
0,11
0,57
5,2
1000
0,2
4
20,0
0,11
0,57
5,2
2000
0,1
4
40,0
0,02
0,10
5,0
3000
0,1
4
40,0
0,01
0,05
5,0
4000
0,1
4
40,0
0,01
0,05
5,0
Rata rata gain
18,4
Rata rata gain
4,0
*) data untuk contoh perhitungan
Kurva Tanggapan Amplitudo 6,0
5,0 4,0 3,0
Gain
2,0 1,0 0,0 0
500
1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Grafik 2: kurva tanggapan ampliutudo rangkaian inverting LPF hasil simulasi proteus
Dari hasil data hasil praktikum dan simulasi proteus
penguatan inverting LPF
bisa dianalsis bahwa besarnya penguatan bervariassi, rata rata penguatan hasil praktikum dan simulasi dibanding secara teori benda jauh. Mungkin kesalahan ini dikarenakan kesalahan paralak kesalahan membaca skala pada alat ukur atau ketelitian suatu alat ukur yang dipakai. Berikut contoh perhitungan data secara Teori, yaitu
hasil praktikum, yaitu
hasil simulasi proteus, yaitu
Kesalahan pada data hasil praktikum mungkin dikarenakan kesalahan dalam pengambilan data serta praktikum pada tapis lolos rendah ini tidak maksimal sehingga adanya ketidak sesuaian antara teori dan kesimpulan pada praktikum ini. Dari data nilai-nilai penguatan yang diperoleh dengan besarnya frekuensi yang digunakan maka dapat diketahui bahwa tinginya frekuensi yang diberikan tidak seiring dengan kecilnya keluaranya. Hal ini tidak sesuai dengan teori pada tapis/filter lolos rendah yang menyatakan bahwa
tegangan
keluaran pada
rangkaian tapis lolos rendah berubah dengan frekuensi, makin tinggi frekuensi makin kecil keluaranya. Isyarat dengan frekuensi rendah mempunyai tegangan keluaran sama dengan tegangan masukan, sedangkan isyrat frekuensi tinggi mempunyai makin
tenggangan
lemah
pelemahan. Inilah
keluaran yang diperlemah. Makin tinggi frekuensi
keluaranya. Dikatakan
isyarat dengan frekuensi tinggi mendapat
yang dimaksud sebagai tapis lolos rendah, artinya setiap
isyarat dengan frekuensi rendah
lolos dan isyarat dengan frekuensi tinggi tidak
lolos yaitu diberi pelemahan. Lengkung yang menyatakan hubungan antara perbandingan dengan isyarat keluaran dan isyarat masukan dengan frekuensi disebut tanggapan ampilitudo.
Gambar 10 : contoh sinyal gelombang tegnagan input dan output hasil praktikum rangkaian Inverting LPF
Gambar 11 : contoh sinyal gelombang tegnagan input dan output simulasi proteus rangkaian Inverting LPF
Dari gambar sinyal masukan dan keluaran nampak bahwa terdapat perbedaan fasa antara sinyal masukan dan sinyal keluaran sebesar 1800 hal ini juga sesuai dengan teori bahwa
pada penguat ini dimana, masukannya melalui input membalik pada penguat
operasional, dan keluarannya berlawanan fasa dengan masukan.
3. Rangkaian Penguat Non Inverting Frekuensi Cut Off
HPF&LPF
Non Inverting
(Hz)
C
R
Ro
Rf
159 Hz
1µF
1kΩ
2kΩ
18kΩ
Gain
LPF
Data Hasil Percobaan Simulasi Proteus Vin Filter = 0,5 volt Frekuensi (Hz)
HPF
Gain
Vout Filter
Vout Amp
Vout Filter
Vout Amp
(volt)
(volt)
(volt)
(volt)
10000
0,5
5
10
0,5
5
10
9000
0,5
5
10
0,5
5
10
8000
0,5
5
10
0,5
5
10
7000
0,5
5
10
0,5
5
10
6000
0,5
5
10
0,5
5
10
5000
0,5
5
10
0,5
5
10
4000
0,5
5
10
0,5
5
10
3000
0,5
5
10
0,5
5
10
2000
0,5
5
10
0,5
5
10
1000
0,5
5
10
0,5
5
10
500
0,5
5
10
0,5
5
10
200
0,4
4
10
0,4
4
10
100
0,4
4
10
0,4
4
10
50
0,1
1
10
0,1
1
10
40
0,1
1
10
0,1
1
10
30
0,1
1
10
0,1
1
10
Rata rata gain
10,0
Rata rata gain
10,0
Gambar 12 : contoh sinyal gelombang tegnagan input dan output simulasi proteus rangkaian Non Inverting LPF
Pada percobaan simulasi proetus penguatan non inverting HPF maupun LPF memiliki nilai data yang sama. Dengan besar penguatan secara teori, yaitu
Hal ini juga sama denga hasil percobaan simulasi proteus gain Vo dan Vi bisa dianalisis dari data, sebagai contoh salah satu data yaitu :
Dilihat dari bentuk sinyal masukan dan sinyal keluaran memiliki fasa yang sama. Hal ini juga sesuai dengan teori bahwa masukan melalui input tak membalik (non inverting) pada penguat operasional dan keluarannya sefasa dengan masukan. Sehingga dapat dikatakan
hasil simulasi ini ternyata sesuai keadaan karakteristik
rangkaian non inverting
4. Kenapa be ntuk gelombang tegangan keluarannya ke potong Jawaban :
Karena tegangan V.out melebihi V.saturasi sementara hasil output dari OP-AMP hanya sampai batas rating maksimal saturasi. Penyebabnya distorsi amplitudo sinyal output pada sebuah amplifier dapat berupa terpotongnya sinyal output pada sisi puncak positif maupun puncak negatif atau keduanya. Ini juga disebabkan karena V.in melebihi tegangan V.saturasi 5. Simuliasikan rangakain kompartor dengan Proteus
Gambar 13 : Rangkaian Op Amp Komparator
Gambar 14 : sinyal gelombang rangkaian Op Amp Komparator
penggunaan komparator op amp adalah sebagai pembanding antara tegangan yang masuk pada input (+) dan input (-). Jika input (+) lebih tinggi dari input (-) maka op amp akan mengeluarkan tegangan positif dan jika input (-) lebih tinggi dari input (+) maka op amp akan mengeluarkan tegangan negatif. Dengan demikian op amp dapat dipakai untuk membandingkan dua buah tegangan yang berbeda. Dapat dilihat dari sinyal masukan dan keluaran memiliki fasa yang berlawanan tetapi lebar pita atau bandwithnya sama. Kenapa pada rangkaian penguatan komparator harus adanya RL sebagai tahanan pada power supply nilai RL ini akan berpengaruh pada kinerja power supply, kalau RL nya kecil maka power supply akan panas.
E. KESIMPULAN
1. Op-amp inverting dan non inverting dapat digunakan untuk membalik fase suatu sinyal input. 2. Op-amp inverting dan non inverting
dapat digunakan untuk melakukan penguatan
terhadap tegangan dari suatu input sinyal yang kecil sehingga didapat suatu sinyal keluaran yang besar.
3. Op-Amp inverting dan non inverting ini memiliki dua rangkaian feedback (umpan balik) yaitu feedback negatif dan feedback positif dimana Feedback negatif pada op-amp memegang peranan penting.
F. DAFTAR PUSTAKA 1. Sutrisno. 1987. Elektronika Teori dan Penerapannya Jilid 2. ITB: Bandung. 2. Septiawan, Reza Rendian. 2016. Modul 04 Op-Amp Penguat Inverting, NonInverting, dan Comparator dengan Histeresis. ITB: Bandung 3. http://elektronika-dasar.web.id/operasional-amplifier-op-amp- ic- lm741/ (diakses tanggal 25 Febuari 2017, pada pukul 17. 59 WIB)
Lampiran Dokumentasi
