ELEKTRONIKA TERINTEGRASI · 2019-05-03 · TUGAS 20% Ujian Tengah Semeter (UTS) dan atau Ujian Akhir Semester (UAS) 60%. Komponen pasif •Resistor •Kapasitor •Induktor Komponen

ELEKTRONIKA TERINTEGRASI

OLEH:

MUH. SAINAL ABIDIN

Garis-garis Besar Mata Kuliah :

1. Teori dasar op amp

2. Rangkaian Inverting

3. Rangkaian Non Inverting

4. Rangkaian Penguat Differensial

5. Rangkaian Inverting dan Non Inverting Adder

6. Rangkaian Integrator

7. Rangkaian Defferensiator

8. Rangkaian Oscilator R

9. angkaian Penyearah Setengah Gelombang dan Gelombang Penuh

Sinyal

10. Rangkaian Komparator

Kehadiran

5%

Partisipasi

15%

TUGAS

20%

Ujian Tengah

Semeter

(UTS) dan atau

Ujian Akhir

Semester (UAS) 60%

Komponen pasif

• Resistor

• Kapasitor

• Induktor

Komponen aktif

• Transistor

• Integrated Circuit

Jenis-jenis IC

• Mikrokontoler

• Driver motor

• Gerbang logika

• Timer

• Op-Amp (Operasional Amplifier)

Operasional amplifier (Op-Amp)

Operasional Amplifier (Op-Amp) merupakan rangkaian terpadu (IC)

linier yang hampir setiap hari terlibat dalam pemakaian peralatan

elektronik yang semakin bertambah di berbagai bidang seperti bidang

komunikasi audio dan radio, teknologi pengendalian pabrik, teknologi

otomotif hingga teknologi kedokteran yang yang dikenal dengan nama

instrumentasi medis.

Simbol Op-Amp

V+ = Input Non-Inverting (tidak membalik)

V- = Input Inverting (membalik)

Vout = Tegangan Keluaran (Vo)

Vs+ = Tegangan +

Vs- = Tegangan minus/GND

Karakteristik Operasional Amplifier

Secara teoritis Op-Amp adalah penguat yang mempunyai sifat-sifat atau karakteristik

seperti penguat ideal. Tentunya apabila kita menyebutkan sebuah penguat ideal, maka

komponen mi harus mempunyai karakteristik sebagai berikut :

1. Faktor penguat Av (open loop gain) tak terhingga artinya jika ada perubahan sedikit saja pada

bagian input-nya maka akan menghasilkan perubahan yang sangat besar pada output-nya.

2. Impedansi input tak terhingga artinya input-nya tidak akan menarik daya dan tingkat

sebelumnya, sehiigga yang diperlukan hanya perubahan tegangan saja.

3. Impedansi pada bagian output-nya sangat rendah atau nol, artinya tegangan output-nya akan

tetap walaupun impedansi beban hampir nol.

4. Lebar band width tidak terhingga artinya penguat dan DC sama frekwensi tak terhingga tetap

sama.

5. Rise time sama dengan nol, artinya waktu yang dibutuhkan untuk mencapai harga puncak pada

sinyal output akan sama dengan pada sinyal input.

Aplikasi Penggunaan Operasional Amplifier

Jenis aplikasi dan Op-Amp di antaranya adalah penguat AC, penjumlah dan pencampur audio,

penguat diferensial dan instrumentasi, filter aktif, komparator, integrator, diferensiator, pengubahbentuk gelombang dan pembangkit gelombang (osilator).

Penguat inverting (Membalik)

Penguat ini memiliki ciri khusus yaitu sinyalkeluaran memiliki beda fasa sebesar 180o.Pada rangkaian penguat yang ideal memilikisyarat bahwa tegangan masukan sama dengan0 dan impedansi masukan tak terhingga.

( )

( )

( )

dimana 0, :

1

02

03

in f inverting

inverting

in f

out out outf

f f f

in in inin

in in in

i i i

i maka

i i

v v v vi

R R R

v v v vi

R R R

−

−

+ =

=

− =

− −= = =

− −= = =

out in

f in

f

out in

in

v v

R R

Rv v

R

= −

= −

Sinyal Output Dan Sinyal Input Inverting Amplifier

Penguat Non-inverting (Tidak Membalik)Op-Amp Non-InvertingAmplifier adalah rangkaian Op-

Amp yang bekerja sebagai penguat-

tegangan pada tegangan-input-

positif (V+). Pada rangkaian ini

hasil penguatan yang ada di

tegangan-output Op-Amp akan

sefase (0°) dari tegangan-input-nya,

atau dengan kata lain, jika input

berupa tegangan positif, maka

output akan berupa tegangan

positif pula, dan begitupun pada

tegangan input negatif.

Golden Rules pada Op-Amp basic juga menyatakan bahwa tidak ada arus yang

mengalir ke atau dari tegangan-input Op-Amp.

( ) ( )1 2

2 1

2 1 2

2

1

2

1

0

1

R R

out in in

out in in

out in in

out in

i i

v v v

R R

v v v

R R R

Rv v v

R

Rv v

R

=

− −=

= +

= +

= +

Sinyal Output Dan Sinyal Input Non-Inverting Amplifier

Rangkaian penjumlah dan pengurang

Rangkaian penjumlah (Adder) Pada operasi adder/penjumlah

sinyal secara inverting, sinyal input

(V1, V2, V3) diberikan ke line

input penguat inverting berturut-

turut melalui R1, R2, R3. Besarnya

penjumlahan sinyal input tersebut

bernilai negatif karena penguat

operasional dioperasikan pada

mode membalik (inverting).

Penjumlah membalik

Besarnya penguatan tegangan (Av) tiap sinyal input mengikuti nilai perbandingan Rf

dan Resistor input masing-masing (R1, R2, R3). Masing-masing tegangan output

(Vout) dari penguatan masing-masing sinyal input tersebut secara matematis dapat

dituliskan sebagai berikut:

1 2 31 2 3

1 2 3

; ;f f f

out out out

R R Rv v v v v v

R R R

= − = − = −

1 2 3

1 2 3

f f f

out

R R Rv v v v

R R R

= − + +

Besarnya tegangan output (Vout) dari rangkaian adder/penjumlah inverting diatas

dapat dirumuskan sebagai berikut.

Penjumlah tidak membalik

Pada rangkaian penjumlah non-

inverting diatas sinyal input (V1,

V2, V3) diberikan ke jalur input

melalui resitor input masing-

masing (R1, R2, R3). Besarnya

penguatan tegangan (Av) pada

rangkaian penguat penjumlah

non-inverting diatas diatur oleh

Resistor feedback (Rf) dan

resistor inverting (Ri)

1

1 2 3

1 2 3 1 2 3 1 2 3

1 2 3

1

1 ; 1

13

f f

v out in

i

f f f

in in in in

f

out

R RA v v

R R

R R Rv v v v

R R R R R R R R R

R v v vv

R

= + = +

= + +

+ + + + + +

+ + = +

Sehingga dapat dirumuskan sebagai berikut:

Rangkaian adder/penjumlah non-inverting ini jarang digunakan dalam aplikasi rangkaian elektronika,

karena nilai outputnya adalah hasil kali rata-rata tegangan input dengan faktor penguatan (Av) sehingga

nilai penjumlahan tegangan merupakan hasil rata-rata sinyal input dan penguatan tegangan belum sesuai

dengan kaidah penjumlahan.

Rangkaian pengurang

Rangkaian penguat pengurang merupakan rangkaian yang di gunakan untuk

mencari selisih dari dua tegangan yang telah di kalikan dengan konstanta tertentu

yang di tentukan oleh nilai resistansi yaitu sebesar Rf/R1, untuk R1=R2 dan Rf= R3

Rangkaian ini sebetulnya

merupakan gabungan dari

rangkaian penguat inverting dan

rangkaian penguat non inverting.

• Kondisi pertama : Saat V1 off dan V2 on

Pada kondisi tersebut besarnya Vin atau

tegangan input adalah sama dengan Vb, yaitu:

32

3 2

11

1

311 2

1 3 2

1 31 2

1 3 2

;

b

a O a b

f

O

f

f

O

RV V

R R

RV V V V

R R

RRV V

R R R R

R R RV V

R R R

=

+

= =+

=

+ +

+ = +

• Kondisi kedua : Saat V1= ON dan V2= OFF

Pada rangkaian tersebut besar arus

If = I1, sehingga:

1 2

1

21

1

21

1

2 1

1

00

a a O

f

O

f

O

f

f

O

V V V V

R R

VV

R R

VV

R R

RV V

R

− −=

−−=

−=

= −

( )

1 2

1 32 1

1 3 2 1

3 1 2

2 1

1

: , , :

out O O

f f

out

f

f

out

V V V

R R RRV V V

R R R R

jika R R dan R R maka

RV V V

R

= +

+ = + − +

= =

= −

1. Rangkaian Integrator

2. Rangkaian Differensiator

3. Rangkaian Oscilator

4. Rangkaian penyearah setengah gelombang dan gelombang penuh sinyal

5. Rangkaian komparator

Materi yang di bahas

Rangkaian Buffer

Dengan metode hubung singkat antara jalur input

inverting dan jalur output operasional amplifier

(op-amp) maka diperoleh perhitungan matematis

sebagai berikut.

out inV V

Sehingga diperoleh nilai penguatan tegangan (Av)

sebagai berikut:

1outv

in

VA

V= =

Rangkaian Integrator

Rangkaian Integrator, dapat dibangun dengan menggunakan dua buah

komponen pasif, yaitu resistor dan kapasitor yang dihubungkan secara

seri. Fungsi dari rangkaian integrator adalah sebagai pengubah tegangan

kotak menjadi tegangan segitiga, atau dapat juga digunakan sebagai

rangkaian filter lolos bawah-LPF-low pass filter.

Seperti namanya, para Op-amp Integrator adalah rangkaian penguat

operasional yang melakukan operasi matematika dari Integrasi , yaitu kita

dapat menyebabkan output untuk menanggapi perubahan tegangan input

dari waktu ke waktu, sebagai integrator op-amp menghasilkan tegangan

output yang sebanding dengan integral dari tegangan input .

Suatu rangkaian integrator akan menambah secara terus menerus suatu besaran

yang diukur selama satu periode waktu. Bentuk gelombang keluarannya sebanding

dengan interval waktu dari sinyal masukan. Rangkaian integrator ditunjukan

seperti gambar berikut:

➢ Rangkaian Op-amp sebagai Integrator

KCL:

: 0 ; ;dq q

KVL V i Vdt C

= = =

( )

( )

( )

dimana 0, :

1

02

03

in f inverting

inverting

in f

out out outf

f f f

in in inin

in in in

i i i

i maka

i i

v v v vi

R R R

v v v vi

R R R

−

−

+ =

=

− =

− −= = =

− −= = =

out in

f in

f

out in

in

v v

R R

Rv v

R

= −

= −

Rangkaian Differensiator

Rangkaian Diferensiator, dapat dibangun dengan menukar posisi

kapasitor dan resistor. Fungsi dari rangkaian diferensiator adalah untuk

mengubah tegangan segitiga menjadi tegangan persegi (kotak), atau

dapat juga digunakan sebagai rangkaian filter lolos atas-HPF-high passfilter.

➢ Rangkaian Op-amp sebagai Diffrensiator

Apabila pada rangkaian integrator kedudukan kapasitor dengan resistor saling

dipertukarkan, terbentuklah rangkaian diferensiator seperti gambar di bawah:

Penyaring (Filter)

Sebuah penyaring adalah suatu rangkaian yang membentuk kesatuan

jaringan yang fungsi dan tujuannya tidak lain adalah untuk melewatkan

isyarat-isyarat elektris pada daerah lebar pita frekuensi tertentu dan

meredam semua frekuensi yang berada diluar daerah lebar pita yang tidak

diinginkan. Rangkaian penyaring banyak digunakan di dalam suatuaplikasi yang sangat luas.

Umumnya filter aktif digolongkan menjadi :

1. Low Pass Filter (LPF)

2. High Pass Filter (HPF)

3. Band Pass Filter (BPF)

4. Band Reject Filter (BRF)

Daerah frekuensi dimana isyarat dapat diloloskan disebut pita lolos (pass

band) dan daerah frekuensi dimana isyarat ditolak disebut pita henti (stop

band). Filter dengan pita lolos pada frekeunsi rendah disebut filter lolos

rendah, sedangkan untuk pita lolos pada frekuensi tinggi disebut filter lolos

tinggi. Kita dapat juga mendesain filter dengan pita henti pada frekuensi rendah

dan pada frekuensi tinggi.

➢ Spektrum penyaring lulus bawah (low pass filter-LPF) dan penyaring lulus atas(high pass filter-HPF).

1

1f

f

RA

R= +

Penguatan pass band dari filter

Cut off frekuensi tinggi dari filter

1

2Cf

RC=

Sudut fasa pada LPF

1tanc

f

f

− = −

➢ Low Pass Filter (LPF)

fc

Contoh soal:

Rancanglah LPF dengan cut off 1KHz dan penguatan passband = 2

Frekuensi cut off

1

2Cf

RC=

Penguatan

1

1f

f

RA

R= +

➢ High Pass Filter (LPF)

1

1f

f

RA

R= +

Penguatan pass band dari filter

Cut off frekuensi tinggi dari filter

1

2Cf

RC=

Sudut fasa pada LPF

1tanc

f

f

− = −

➢ Band Pass Filter (LPF)

Pada BPF ini ada 2 macam rangkaian yaitu BPF bidang lebar dan BPF bidang

sempit. Untuk membedakan kedua rangkaian ini adalah dilihat dari nilai figure of

merit (FOM) atau Faktor kualitas (Q).

Bila Q < 10, maka digolongkan BPF bidang lebar.

Bila Q > 10, maka digolongkan BPF bidang sempit.

c

H L

fQ

f f=

−

Band Pass Filter Bidang Lebar

Syarat BPF bidang lebar adalah Q < 10, biasanya didapat dari 2 rangkaian filter

HPF dan LPF yang mereka saling di seri dengan urutan tertentu dan frekuensi cut

off harus tertentu.

➢ Band Reject Filter (BRF) BRF bidang lebar adalah terdiri dari rangkaian HPF dan LPF yang dimasukkan

ke rangkaian penjumlah. Sedang BRF bidang sempit adalah terkenal dengan

rangkaian Notch Filter yaitu menolak frekuensi tertentu.

RANGKAIAN KOMPARATOR

1. Rangkaian pembanding 1 op-amp tanpa jendela

2. Rangkaian pembanding 1 op-amp dengan jendela

3. Rangkaian pembanding 2 op-amp dengan jendela input proses output luar

4. Rangkaian pembanding 2 op-amp dengan jendela input proses output dalam

1. Rangkaian pembanding 1 op-amp tanpa jendela

Artinya rangkaian komparator/pembanding yang langsung dibandingkan.

Seperti pada gambar berikut ini adalah komparator biasa dan hasilnya langsung

dibandingkan dengan referensinya.

2. Rangkaian pembanding 1 op-amp dengan jendela

3. Rangkaian pembanding 2 op-amp dengan jendela input proses output luar

4. Rangkaian pembanding 2 op-amp dengan jendela input proses output dalam

RANGKAIAN PENYEARAH

VAC VDC

➢Rangkaian penyearah setengah gelombang (1 dioda)

Tegangan setengah gelombang menghasilkan arus beban satuarah, artinya arus mengalir hanya pada satu arah, tegangansetengan gelombang tersebut merupakan tegangan DC yangbergerak naik sampai nilai max dan turun sampai nol dan tetap nolselama siklus setengan negatif

Setengah Gelombang Ideal : Vp(out) = Vp(in)

Nilai tegangan puncak input

2

tegangan rata-rata DC pada penyearah setengah gelombang:

0,318

Efisiensi:

=

Frekuensi output:

PRMS

PDC P

DC DC DC

DC RMS RMS

out in

VV

VV V

P V I

P V I

f f

=

= =

=

=

➢Rangkaian penyearah gelombang penuh

❖2 dioda

❖4 diode (jembatan dioda)

Nilai tegangan puncak input

2

Tegangan rata-rata DC pada penyearah setengah gelombang:

20,636

Efisiensi:

=

Frekuensi output:

2

PRMS

PDC P

DC DC DC

DC RMS RMS

out in

VV

VV V

P V I

P V I

f f

=

= =

=

=

Rangkaian Osilator

Pengertian Osilator dan Prinsip Kerjanya – Osilator (Oscillator)

adalah suatu rangkaian elektronika yang menghasilkan sejumlah getaran

atau sinyal listrik secara periodik dengan amplitudo yang konstan.

Gelombang sinyal yang dihasilkan ada yang berbentuk Gelombang Sinus

(Sinusoide Wave), Gelombang Kotak (Square Wave) dan

Gelombang Gigi Gergaji (Saw Tooth Wave). Pada dasarnya sinyal arus

searah atau DC dari pencatu daya (power supply) dikonversikan oleh

Rangkaian Osilator menjadi sinyal arus bolak-balik atau AC sehingga

menghasilkan sinyal listrik yang periodik dengan amplitudo konstan.

Tiga istilah yang berkaitan erat dengan rangkaian Osilator adalah “Periodik”,

“Amplitudo” dan “Frekuensi”. Berikut ini adalah pengertian dari ketiga istilah

penting tersebut.

➢ Periodik adalah waktu yang dibutuhkan untuk menempuh 1 kali getaran atau

waktu yang dibutuhkan pada 1 siklus gelombang bolak-balik, biasanya

dilambangkan dengan t dengan satuan detik (second).

➢ Amplitudo adalah simpangan terjauh yang diukur dari titik keseimbangan dalam

suatu getaran.

➢ Frekuensi adalah sejumlah getaran yang dihasilkan selama 1 detik, satuan

frekuensi adalah Hertz.

Penggolongan Oscilator

Penggolongan Osilator biasanya dilakukan berdasarkan Karakteristik Frekuensi

keluaran yang dihasilkannya. Berikut dibawah ini adalah Penggolongan Osilator

berdasarkan Frekuensi keluaran.

❑Osilator Frekuensi Rendah (Low Frequency Oscilator), yaitu Osilator yang dapat

membangkitkan frekuensi rendah dibawah 20Hz.

❑Osilator Audio (Audio Oscilator), yaitu Osilator yang dapat membangkitkan

frekuensi Audio diantara 16Hz hingga 20kHz.

❑Osilator Frequency Radio (Radio Oscilator), yaitu Osilator yang dapat

membangkitkan Frekuensi Radio diantara 100kHz hingga 100GHz.

Banyak sistem elektronik menggunakan rangkaian yang mengubah energy DC

menjadi berbagai bentuk AC yang bermanfaat. Osilator, generator lonceng

elektronika termasuk dalam rangkaian ini. Osilator juga digunakan untuk

menghasilkan isyrat horizontal dan vertical untuk mengotrol berkas elektron pada

pesawat TV.

Kita dapat mengelompokkan osilator berdasarkan metode pengoperasiannya

menjadi 2 kelompok, yaitu osilator balikan dan osilator relaksasi.

VACVDC

➢Osilator Balikan (FeedBack Oscillator)

❖Dasar-dasar Osilator

Frekuensi osilator balikan biasanya

ditentukan dengan menggunakan

rangkaian inductor-kapasitor (LC).

Rangkaian LC sering disebut sebagai

“Rangkaian Tangki”, karena

kemampuannya menapung tegangan AC

pada “Frekuesni Resosnansi”.

Perhatikan bagaimana omplitudo gelombang mengalami penurunan

yang biasa disebut sebagai gelombang sinus teredam (damped sine

wave). Dalam hal ini, rangkaian telah terjadi kehilangan energi yang

diubah dalam bentuk panas.

Osilasi rangkaian tangkai dapat dibuat secara kontinu jika kita menambahkan

energi secara periodik dalam rangkaian. Energi ini akan digunakan untuk

mengganti energi panas yang hilang. Gambar 17.5-b menunjukkan gelombang

kontinu (continuous wave-CW) pada rangkaian tangki yang secara periodik

ditambahkan energy pada rangkaian.

❖ Osilator Relaksasi

Osilator ralaksasi utamanya digunakan sebagai pembangkit gelombang

sinusosidal. Gelombang gigi gergaji, gelombang kotak dan variasi bentuk

gelombang tak beraturan termasuk dalam kelas ini. Pada dasarnya pada osilator ini

tergantung pada proses pengosongan-pengisian jaringan kapasitor-resistor.

Proses pengisian dan pengosongan kapasitor pada rangkaian seri RC telah kita

bahas sebelumnya pada bagian sebelumnya. Pengisian dan pengosongan kapasitor

akan mengikuti fungsi eksponensial dengan konstanta waktu yang tergantung pada

harga RC.