10.5 Practical Op-Amp Circuit

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

6. Problem

1. Pendahuluan (kembali)

Op-Amp (Operational Amplifier) merupakan salah satu komponen aktif yang sangat vital dalam dunia elektronika, khususnya dalam sistem analog. Komponen ini memiliki berbagai fungsi, antara lain sebagai penguat sinyal, penjumlah, pengurang, integrator, diferensiator, dan komparator. Tujuan dari percobaan ini adalah untuk memahami karakteristik dasar Op-Amp dalam konfigurasi non-inverting, inverting, serta rangkaian penjumlahan sinyal.

Melalui simulasi yang dilakukan menggunakan software Proteus, kita dapat mengamati bentuk gelombang sinyal masukan dan keluaran pada setiap konfigurasi rangkaian. Dengan cara ini, diharapkan mahasiswa dapat mengenali fungsi serta karakteristik dari masing-masing konfigurasi rangkaian yang menggunakan Op-Amp.

2. Tujuan (kembali)

1.Menganalisis dan memahami cara kerja rangkaian Op-Amp konfigurasi inverting amplifier (penguat membalik).

2.Menganalisis konfigurasi non-inverting amplifier (penguat tidak membalik).

3.Menganalisis konfigurasi summing amplifier (penguat penjumlah).

4.Mengamati bentuk gelombang input dan output pada masing-masing konfigurasi melalui osiloskop.

5.Menentukan perbedaan fasa dan penguatan dari masing-masing konfigurasi.

3. Alat dan Bahan (kembali)

A. Op-amp

B. Resistor

Resistor atau disebut juga dengan Hambatan adalah komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk menghambat dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian elektronika. Satuan nilai Resistor atau Hambatan adalah Ohm.

Spesifikasi dari resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat dihantarkan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, derau listrik (noise), dan induktansi. Resistor dapat diintegrasikan kedalam sirkuit hibrida dan papan sirkuit cetak, bahkan sirkuit terpadu. Untuk mengetahui nilai resistansi dari suatu resistor, dapat dilihat dari tabel berikut:

Terdapat bebrapa cara untuk menghitung nilai resistansi suatu resistor yaitu :

C. Kapasitor

Kapasitor adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk menyimpan dan melepaskan energi listrik dalam bentuk muatan. Dalam berbagai jenis rangkaian, kapasitor memiliki peran penting, seperti menyaring sinyal untuk menghilangkan noise atau komponen frekuensi tertentu, serta memblokir arus searah (DC) sambil meneruskan arus bolak-balik (AC), yang sering digunakan dalam proses kopling sinyal antar tahap rangkaian.

D. Power supply

Power supply (catu daya) adalah perangkat atau sistem yang menyediakan energi listrik ke beban listrik. Fungsi utamanya adalah untuk mengubah energi listrik dari satu bentuk (biasanya dari sumber utama seperti listrik PLN) menjadi bentuk lain yang sesuai dengan kebutuhan perangkat yang akan dioperasikan.

E. Ground

Ground adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.

4. Dasar Teori (kembali)

1. Operational Amplifier (Op-Amp)

Op-Amp adalah penguat tegangan berpenguatan tinggi dengan dua input (inverting dan non-inverting) dan satu output. Sifat dasar Op-Amp ideal meliputi:

Penguatan terbuka (open-loop gain) sangat tinggi
Impedansi input sangat tinggi
Impedansi output sangat rendah
Respon linier terhadap sinyal input

2. Summing Amplifier

Konfigurasi ini memungkinkan beberapa sinyal input dijumlahkan pada satu output. Semua sinyal masuk ke terminal inverting melalui resistor masing-masing, sedangkan non-inverting di-ground-kan. Rumus output untuk dua input

V_{1}

dan

V_{2}

adalah:

Rangkaian ini juga menghasilkan output yang berfasa terbalik terhadap total sinyal input.

Rangkaian summing-integrator adalah kombinasi dari dua fungsi utama op-amp, yaitu penjumlah (summing amplifier) dan pengintegrasi (integrator). Secara umum, rangkaian ini berfungsi untuk menjumlahkan beberapa sinyal input sekaligus dan menghasilkan output berupa integral dari hasil penjumlahan tersebut terhadap waktu. Rangkaian ini menggunakan konfigurasi inverting op-amp, di mana beberapa sinyal input diberikan ke terminal inverting melalui resistor masing-masing, sementara terminal non-inverting dihubungkan ke ground.

3. Operasi Integrator dengan Step Input

Dalam konfigurasi ini, op-amp berfungsi untuk mengintegrasikan sinyal input terhadap waktu. Ketika diberikan input step sebesar +1V, arus mengalir melalui resistor ke terminal inverting, dan karena adanya umpan balik negatif melalui kapasitor

C 1

, op-amp menghasilkan output yang merupakan integral dari sinyal input. Karena input adalah konstan (step), maka hasil integrasinya adalah sinyal ramp, yaitu tegangan yang naik atau turun secara linear terhadap waktu. Dalam kasus ini, output menurun secara linear karena sifat pembalikan fasa dari integrator inverting.

5. Prinsip Kerja [kembali]

Prinsip Kerja Operational Amplifier (Op-Amp):

Operational Amplifier (Op-Amp) adalah komponen elektronik analog yang berfungsi sebagai penguat sinyal dengan penguatan (gain) yang sangat tinggi. Prinsip kerjanya didasarkan pada perbedaan tegangan antara dua input-nya.

Op-Amp bekerja berdasarkan rumus:

$V_{out} = A \times (V_{+} - V_{-})$

Artinya:

Jika tegangan pada input (+) lebih besar dari input (−), maka output akan positif.
Jika tegangan pada input (−) lebih besar dari input (+), maka output akan negatif.
Jika kedua input sama besar, maka output = 0 (tidak ada tegangan keluar).
Nilai A (gain) sangat besar → jadi selisih kecil antara input bisa menghasilkan output besar.

Untuk mengontrol agar output tidak terlalu besar (karena gain-nya sangat tinggi), Op-Amp biasanya diberi umpan balik negatif (negative feedback) dari output kembali ke input (-). Fungsi feedback ini yaitu, untuk Menstabilkan output, Menyesuaikan perbedaan input agar sangat kecil (mendekati nol) dan Membuat Op-Amp bekerja lebih akurat dan terkontrol.

6. Problem [kembali]

1. Saturasi Output

Masalah: Output Op-Amp menjadi terlalu besar dan melebihi batas tegangan suplai, sehingga “terjepit” (clipped) pada tegangan maksimum atau minimum (biasanya ±Vcc).
Penyebab: Gain terlalu besar atau input terlalu tinggi.
Solusi: Gunakan feedback (umpan balik negatif) untuk mengontrol gain dan stabilisasi output.

2. Offset Voltage

Masalah: Walau kedua input (V+ dan V−) seimbang (nol), output tetap menghasilkan tegangan kecil.
Penyebab: Perbedaan kecil pada input karena ketidaksempurnaan internal Op-Amp.
Solusi: Gunakan kapasitor offset atau offset nulling pin (jika tersedia) untuk mengoreksi.

3. Slew Rate Limitation

Masalah: Op-Amp tidak bisa mengikuti perubahan sinyal input yang sangat cepat (terutama sinyal frekuensi tinggi).
Penyebab: Slew rate terbatas → batas maksimum kecepatan perubahan tegangan output.
Solusi: Pilih Op-Amp dengan slew rate yang lebih tinggi jika bekerja dengan sinyal cepat/frekuensi tinggi.

4. Noise (Gangguan Sinyal)

Masalah: Muncul sinyal liar atau gangguan pada output.
Penyebab: Lingkungan berisik (EMI), kualitas power supply rendah, atau desain PCB tidak baik.
Solusi: Gunakan filter, desain ground yang baik, atau gunakan Op-Amp low-noise.

5. CMRR Rendah (Common Mode Rejection Ratio)

Masalah: Op-Amp gagal memblokir sinyal yang sama di kedua input, padahal seharusnya hanya memperkuat perbedaannya.
Penyebab: CMRR rendah.
Solusi: Gunakan Op-Amp dengan CMRR tinggi, terutama untuk sinyal diferensial kecil.

6. Impedansi Beban Tidak Sesuai

Masalah: Output Op-Amp tidak mampu menggerakkan beban berat (misalnya speaker langsung).
Penyebab: Op-Amp bukan dirancang untuk arus besar atau beban rendah.
Solusi: Tambahkan buffer (misalnya transistor atau op-amp follower) sebelum beban berat.

7. Kesalahan Pemasangan Umpan Balik (Feedback)

Masalah: Rangkaian jadi tidak stabil atau osilasi (bergetar terus menerus).
Penyebab: Feedback salah arah (umpan balik positif bukan negatif).
Solusi: Pastikan feedback masuk ke input inverting (−) agar stabil.

7. Soal Latihan [kembali]

1. ) Diketahui rangkaian summing inverting amplifier dengan:

$V_{i n 1} = 0.2 V ;$ $R_{1} =33 k Ω$
$V_{i n 2} =- 0.5 V ;$ $R_{2} =22 k Ω$
$V_{i n 3} = 0.8 V ;$ $R_{3} =12 k Ω$
$R_{f} =33 0 k Ω$

Pertanyaan: Hitung tegangan output $V_{o u t !}$

Jawab:

Gunakan rumus umum summing inverting amplifier:

$V_{o u t} = - R_{f} (\frac{V_{i n 1}}{R_{1}} + \frac{V_{i n 2}}{R_{2}} + \frac{V_{i n 3}}{R_{3}})$

a. Hitung tiap komponen arus:

\frac{V_{i n 1}}{R_{1}} = \frac{0.2}{33} \approx 0.00606

\frac{V_{i n 2}}{R_{2}} = \frac{- 0.5}{22} \approx - 0.02273

\frac{V_{i n 3}}{R_{3}} = \frac{0.8}{12} \approx 0.06667

b. Jumlahkan semuanya:

(\frac{V_{i n 1}}{R_{1}} + \frac{V_{i n 2}}{R_{2}} + \frac{V_{i n 3}}{R_{3}}) \approx 0.00606 - 0.02273 + 0.06667 = 0.05

c. Kalikan dengan Rf :

V_{o u t} = - 330 \times 0.05 = - 16.5 V

2.) Sebuah rangkaian integrator menggunakan op-amp ideal dengan resistor sebesar 1 MΩ dan kapasitor 1 μF. Rangkaian tersebut diberi masukan berupa tegangan step konstan sebesar +2 volt. Hitunglah tegangan output dari rangkaian tersebut setelah 3 detik beroperasi.

Jawab :

Rumus integrator:

V_{o u t} (t) = - \frac{1}{R C} \int V_{i n} (t) d t

Karena $V_{i n} (t) = 2 V$ , maka:

V_{o u t} (t) = - \frac{1}{1 \times 10^{6} \cdot 1 \times 10^{- 6}} \cdot \int 2 d t = - 1 \cdot 2 t = - 2 t

Maka pada $t = 3$ detik:

V_{o u t} (3) = - 2 \cdot 3 = - 6 V

3.) Sebuah rangkaian summing integrator diberi tiga masukan step DC: input pertama sebesar 2 volt melalui resistor 200 kΩ, input kedua sebesar 1 volt melalui resistor 100 kΩ, dan input ketiga sebesar 0,5 volt melalui resistor 1 MΩ. Jika kapasitor yang digunakan sebesar 1 μF dan op-amp dianggap ideal, tentukan berapa tegangan output yang dihasilkan setelah 2 detik.

Jawab :

Gunakan rumus:

$V_{o} (t) = - (\frac{1}{R_{1} C} \int V_{1} (t) d t + \frac{1}{R_{2} C} \int V_{2} (t) d t + \frac{1}{R_{3} C} \int V_{3} (t) d t)$