JURNAL FISIKA LABORATORIUM ELEKTRONIKA INSTRUMENTASI, (2013) I
1
Operational Amplifier Fajar Timur, Rahmadani Achdiyat. Jurusan Fisika, Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak— Telah dilakukan percobaan dengan judul “Operational Amplifier”, Percobaan dilakukan dengan tujuan untuk Mengetahui fungsi Op-Amp (Penguat Operational) dan penggunaanya serta untuk mempelajari dan menggunakan OpAmp Inverting dan Non-Inverting. Peralatan yang digunakan dalam percobaan kali ini antara lain IC Op – Amp LM741, Resistor 1 kOhm (Multitune resistor) & 10 KΩ, Osilokop, AVO meter, Signal generator, dan Catu daya. Percobaan Dilakukan dengan dua rangkaian yakni Inverting Op-Amp dan NonInverting Op-Amp. Berdasarkan percobaan yang telah
dilakukan, diketahui bahwa operational amplifier merupakan komponen sirkuit terintegrasi yang dapat dirangkai menjadi inverting op-amp dan non-inverting op-amp. Pada rangkaian inverting op-amp sinyal yang dihasilkan akan dikuatkan namun dengan polaritas yang berbeda dan pada rangkaian noninverting op-amp sinyal yang dihasilkan akan dikuatkan dengan polaritas sama. Pada rangkaian inverting dan non-inverting keduanya memiliki selisih antara besar tegangan keluaran (V out) hasil percobaan dan perhitungan.
ketika itu sirkuit elektronika dasar dibuat dengan menggunakan tabung vakum. Penguat operasional yang tersedia secara komersial pertama kali adalah K2-W yang diproduksi oleh Philbrick Research dari Boston sekitar tahun 1952-1970. Pada mulanya op-amp digunakan dalam rangkaian pengaturan dan instrumentasi. Fungsi utamanya adalah untuk melakukan operasi linier matematika (tegangan dan arus), integrasi, dan penguatan. Op-amp kini dapat dijumpai dalam berbagai bidang. Penerapan op-amp yang sering dijumpai adalah sebagai penguat audio, pengatur nada, osilator atau pembangkit gelombang, sensor sirkuit, dan lain-lain.[1]
Kata Kunci—Operational Amplifier (Op-Amp), Inverting Op-Amp, Non-Inverting Op-Amp.
I. PENDAHULUAN Peralatan elektronika memegang peranan penting dalam kehidupan manusia saat ini. Hampir dapat dikatakan manusia bergantung pada penggunaan peralatan elektronika dalam menjalani aktivitas sehari-hari. Salah satu komponen elektronika yang sering dijumpai dalam rangkaian elektronika adalah Operational Amplifier (OpAmp) Pada percobaan kali ini akan dipelajari berbagai hal yang terkait dengan Operational Amplifier (Op-Amp) Percobaan dilakukan dengan tujuan untuk Mengetahui fungsi Op-Amp (Penguat Operational) dan penggunaanya serta untuk mempelajari dan menggunakan Op-Amp Inverting dan NonInverting 1.1 Operational Amplifier Penguat operasional (Operational Amplifier) atau yang biasa disebut op-amp merupakan suatu komponen elektronika berupa sirkuit terintegrasi (integrated circuit) yang terdiri atas bagian differensial amplifier, common emitter amplifier dan bagian umpan balik negatif (negative feedback). Op-amp pada umumnya paling banyak digunakan adalah seri 741. Awal dari penggunaan penguat operasional adalah sekitar tahun 1940-an,
1.2 Non-Inverting Op-Amp Berikut ini adalah konfigurasi Op Amp yang bekerja sebagai penguat:
Gambar 1.1 Rangkaian penguat non inverting Gambar di atas adalah gambar sebuah penguat non inverting. Penguat tersebut dinamakan penguat noninverting karena masukan dari penguat tersebut adalah masukan noninverting dari Op Amp. Sinyal keluaran penguat jenis ini sefasa dengan sinyal keluarannya. Adapun besar penguatan dari penguat ini dapat dihitung dengan persamaan:
JURNAL FISIKA LABORATORIUM ELEKTRONIKA INSTRUMENTASI, (2013) I Av = (R1+R2)/R1............................................................... 1.1 Av = 1+R2/R1.................................................................... 1.2 Vout = V in . (R1+R2)/R1.................................................. 1.3
2
Pengulangan ini menyebabkan bentuk sinyal kontinyu sehingga dapat dipelajari. [3]
Dimana Av adalah besar penguatan (gain), R1 dan R2 adalah resistor, V out adalah tegangan keluaran dan V in adalah tegangan masukkan.[2] 1.3 Inverting Op-Amp Selain penguat noninverting, terdapat pula konfigurasi penguat inverting. Dari penamaannya, maka dapat diketahui bahwa sinyal masukan dari penguat jenis ini,diterapkan pada masukan inverting dari Op Amp, yaitu masukan dengan tanda “−“. Sinyal masukan dari pengaut inverting berbeda fasa sebesar 1800 dengan sinyal keluarannya. Jadi jika ada masukan positif, maka keluarannya adalah negatif. Berikut ini adalah skema dari penguat inverting:
Gambar 1.3 Perangkat Osiloskop Osiloskop biasanya digunakan untuk mengamati bentuk gelombang yang tepat dari sinyal listrik. Selain amplitudo sinyal, osiloskop dapat menunjukkan distorsi, waktu antara dua peristiwa (seperti lebar pulsa, periode, atau waktu naik) dan waktu relatif dari dua sinyal terkait. Semua alat ukur elektronik bekerja berdasarkan sampel data, semakin tinggi sampel data, semakin akurat peralatan elektronik tersebut. Osiloskop, pada umumnya juga mempunyai sampel data yang sangat tinggi, oleh karena itu osiloskop merupakan alat ukur elektronik yang mahal. Jika sebuah osiloskop mempunyai sampel rate 10 Ks/s (10 kilo sample/second = 10.000 data per detik), maka alat ini akan melakukan pembacaan sebanyak 10.000 kali dalam sedetik. Jika yang diukur adalah sebuah gelombang dengan frekuensi 2500Hz, maka setiap sampel akan memuat data 1/4 dari sebuah gelombang penuh yang kemudian akan ditampilkan dalam layar dengan grafik skala XY. [4]
II.METODE
Gambar 1.2 Rangkaian penguat inverting Av = R2/R1.................................................................... 1.4 Vout = V in . R2/R1....................................................... 1.5 [2] 1.3 Osiloskop Osiloskop adalah alat ukur elektronika yang berfungsi memproyeksikan bentuk sinyal listrik agar dapat dilihat dan dipelajari. Osiloskop dilengkapi dengan tabung sinar katode. Peranti pemancar elektron memproyeksikan sorotan elektron ke layar tabung sinar katode. Sorotan elektron membekas pada layar. Suatu rangkaian khusus dalam osiloskop menyebabkan sorotan bergerak berulang-ulang dari kiri ke kanan.
Peralatan yang digunakan dalam percobaan kali ini antara lain IC Op – Amp LM741, Resistor 1 kΩ (Multitune resistor) & 10 kOhm, Osilokop, AVO meter, Signal generator, Catu daya. Langkah Percobaan Inverting Amplifier Langkah pertama dalam percobaan ini adalah merangkai peralatan sesuai dengan skema kerja, setelah itu dihubungkan V+= 12 v; V- = -12 v, dan juga RF dan RS yang sebelumnya telah diukur besarnya dengan AVO meter. Setelah itu rangkaian dihubungkan dengan Generator. Langkah berikutnya adalah memasang probe Ch 1 osiloskop pada input dari sinyal generator dan probe Ch2 ke Vout. Setelah peralatan dirangkai maka dinyalakan catu daya yang merupakan sumber dari V+ dan V- lalu dinyalakan juga signal generator dengan range
JURNAL FISIKA LABORATORIUM ELEKTRONIKA INSTRUMENTASI, (2013) I frekuensi 5kHz-100 kHz . Sinyal input dan output yang tampak pada layar osiloskop lalu diamati dan data yang tertera pada layar dicatat.
Gambar 1.1 Skema Rangkaian Percobaan Inverting Amplifier Besar penguatan Av (gain) dan V out dihitung dengan persamaan berikut: Av = -RF/RS.................................................................... 2.1 Vout = V in . RF/RS........................................................ 2.2 Non-Inverting Amplifier Secara garis besar langkah percobaan ini hampir sama dengan percobaan pertmana namun dengan rangkaian yang berbeda. Adapun langkah kerjanya adalah proses pertama dalam percobaan ini adalah merangkai peralatan sesuai dengan skema kerja, setelah itu dihubungkan V+= 12 v; V- = -12 v, dan juga RF dan RS yang sebelumnya telah diukur besarnya dengan AVO meter. Setelah itu rangkaian dihubungkan dengan Generator. Langkah berikutnya adalah memasang probe Ch 1 osiloskop pada input dari sinyal generator dan probe Ch2 ke Vout. Setelah peralatan dirangkai maka dinyalakan catu daya yang merupakan sumber dari V+ dan V- lalu dinyalakan juga signal generator dengan range frekuensi 5kHz-100 kHz .
3
Sinyal input dan output yang tampak pada layar osiloskop lalu diamati dan data yang tertera pada layar dicatat.
Gambar 2.2 Skema Rangkaian Percobaan Non-Inverting Amplifier Besar penguatan Av (gain) dan V out dihitung dengan persamaan berikut: Av = 1+RF/RS.................................................................... 2.3 Vout = V in . (RS+RF)/RS.................................................. 2.4 III. HASIL DAN PEMBAHASAN Setelah dilakukan percobaan, didapatkan data sebagai berikut Tabel 1 Hasil Percobaan Inverting Amplifier
JURNAL FISIKA LABORATORIUM ELEKTRONIKA INSTRUMENTASI, (2013) I
4
terdapat selisih, besar selisih ini akan semakin mengecil apabila Freq (KHz) RF (KΩ) nilai gain semakin kecil juga. Berdasarkan fenomena ini 13.84 7.9 diketahui bahwa terdapat hubungan berbanding lurus antara 29.76 7.9 selisih nilai tegangan keluaran (V out) hasil perhitungan dan 39.68 5.9 percobaan dengan besar gain yang digunakan 49.02 4.9 Tabel 2 no Vin (Volt) 59.52 3.9 V out (Volt) Freq (KHz) RF (KOhm) Hasil Percobaan Non1 2 10 9.9 69.44 3 26 Inverting Amplifier 2 2 20 9 78.13 2 24 3 3 22 30 8 Pada percobaan kedua juga 86.21 0.9 digunakan nilai RS sebesar 1 4 3 18 40 7 9.69 10 KΩ. Percobaan ini dilakukan 5 3 16 50 6 19.69 9 dengan terlebih dulu 6 3 14 60 5 mengkalibrasi peralatan 7 3 12 70 4 osiloskop agar sinyal yang Pada percobaan ini digunakan 8 3 dihasilkan oleh rangkaian yakni 9 80 3 nilai RS sebesar 1 KΩ. V input dari Signal Generator 9 3 7 90 2 Percobaan ini dilakukan dengan dapat dibandingkan dengan 5 100 1 terlebih dulu mengkalibrasi 10 3 sinyal keluaran (V out) peralatan osiloskop agar sinyal yang dihasilkan oleh rangkaian rangkaian op-amp. Pada saat dilakukan percobaan sempat yakni V input dari Signal Generator dapat dibandingkan dengan terjadi kesalahan pada tampilan layar osiloskop, pada awalnya sinyal keluaran (V out) rangkaian op-amp. Setelah dilakukan kesalahan tampilan ini dianggap sebagai akibat dari kesalahan kalibrasi diketahui bahwa terdapat perbedaan antara V input dalam merangkai peralatan. Peralatan lalu coba dirangkai dari Signal Generator dan sinyal keluaran (V out) rangkaian op- kembali dengan bantuan asisten laboratorium, namun ternyata amp. Sinyal yang dihasilkan tampak berbeda polaritasnya dan saat dilakukan perangkaian terdapat insiden kecil dimana selain itu juga besar amplitudonya berbeda, dalam hal ini komponen op-amp terbakar. Setelah komponen op-amp diganti amplitudo menyatakan besar tegangan. Besar tegangan dengan yang baru dan peralatan sudah dirangkai kembali keluaran ternyata lebih besar dari tegangan masukkan. Hal ini ternyata tampilan sinyal pada layar osiloskop masih tidak sesuai dengan dasar teori yang menyatakan bahwa komponen sesuai dengan yang diharapkan, setelah diselidiki lebih lanjut op-amp dapat dirangkai dengan komponen lain yang akan ternyata kesalahan bukan terletak pada rangkaian namun pada menghasilkan rangkaian inverting op-amp, rangkaian inverting peralatan osiloskop. Setelah peralatan osiloskop diganti dan op-amp akan menghasilkan penguatan pada tegangan namun dilakukan kalibrasi, diketahui bahwa terdapat perbedaan antara dengan polaritas yang berbeda V input dari Signal Generator dan sinyal keluaran (V out) rangkaian op-amp. Sinyal yang dihasilkan tampak sama Data yang diperoleh dari percobaan lalu digunakan untuk polaritasnya namun besar amplitudonya berbeda, dalam hal ini menghitung besar gain dari rangkaian Inverting op-amp amplitudo menyatakan besar tegangan. Besar tegangan tersebut. Besar gain dapat dihitung melalui persamaan 2.1 dan keluaran ternyata lebih besar dari tegangan masukkan. Hal ini besar tegangan keluaran (V out) lalu dihitung dengan sesuai dengan dasar teori yang menyatakan bahwa rangkaian persamaan 2.2 non-inverting op-amp akan menghasilkan rangkaian penguat dengan polaritas yang sama. Tabel 3 Hasil perhitungan besar Gain, V out, dan selisih V out Gain V out Perhitungan selisih V out (Volt) -7.9 -27.65 6.65 -7.9 -27.65 7.65 -5.9 -20.65 3.65 -4.9 -17.15 3.15 -3.9 -13.65 2.65 -3 -10.5 1.5 -2 -7 2 -0.9 -3.15 -0.35 -10 -35 7 -9 -31.5 6.5 no 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Vin (Volt) 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5
V out (Volt) 21 20 17 14 11 9 5 3.5 28 25
Setelah dilakukan perhitungan maka hasil tegangan keluaran dari perhitungan dan percobaan lalu dianalisa. Berdasarkan analisa nilai tegangan percobaan dan perhitungan tenyata
JURNAL FISIKA LABORATORIUM ELEKTRONIKA INSTRUMENTASI, (2013) I 3 2
Gambar 3.1 Perbedaan Sinyal masukkan (input) dan sinyal keluaran (output) pada rangkaian non-inverting op-amp Data yang diperoleh dari percobaan lalu digunakan untuk menghitung besar gain dari rangkaian Inverting op-amp tersebut. Besar gain dapat dihitung melalui persamaan 2.3 dan besar tegangan keluaran (V out), dihitung dengan persamaan 2.4 Tabel 4 Hasil perhitungan besar Gain, V out, dan selisih V out Gain V out Perhitungan selisih V out (Volt) 10.9 21.8 -4.2 10 20 -4 9 27 5 8 24 6 7 21 5 6 18 4 5 15 3 4 12 3
9 6
5 2 1
Setelah dilakukan perhitungan maka hasil tegangan keluaran dari perhitungan dan percobaan lalu dianalisa. Berdasarkan analisa nilai tegangan percobaan dan perhitungan tenyata terdapat selisih, namun besar selisih ini memiliki nilai yang tidak menentu. Besar selisih ini tidak memiliki hubungan berbanding lurus sebagaimana pada percobaan dengan inverting op-amp V. KESIMPULAN Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, diketahui bahwa operational amplifier merupakan komponen sirkuit terintegrasi yang dapat dirangkai menjadi inverting op-amp dan non-inverting op-amp. Pada rangkaian inverting op-amp sinyal yang dihasilkan akan dikuatkan namun dengan polaritas yang berbeda. Pada rangkaian non-inverting op-amp sinyal yang dihasilkan akan dikuatkan dengan polaritas sama. Pada rangkaian inverting dan non-inverting keduanya memiliki selisih antara besar tegangan keluaran (V out) hasil percobaan dan perhitungan.
