6.Operational Amplifier Full

8/18/2019 6.Operational Amplifier Full

1/32


2/32

Operasional Amplifier memiliki◦ Dua input terminal :

Inverting input (-)

Non-inverting input (+)

◦ Satu Out put terminal

◦ Dua terminal supply dc voltage


3/32

Memiliki infinite input impedance (Zin = ∞)sehingga tidak menggunakan power daridriving source

I+ = I- = 0 Memiliki infinite voltage gain (Av = ∞) dan

infinite bandwidth.

V+ = V- Memiliki zero output impedance (Zout = 0)

Peak to peak output voltage sedikitlebih rendah dari dua supply voltage.

Output current dibatasi oleh hambatandalam seperti power dissipation.

High voltage gain, high inputimpedance, low output impedance danwide bandwidth.


4/32

Pada dasarnya Op-Amp terdiri dari dua tingkat

differential amplifier (diff-amp) atau lebih. Differential amplifier (diff-amp) merupakan dasar

operasi suatu Op-Amp.


5/32

Single differential amplifier operation.

Pertama, bila kedua terminal inputdihubungkan ke ground (0 V).

Tegangan emitter VE = – 0.7 V.

Dengan asumsi kedua transistor adalah

identik, maka dua arus dc emitteradalah sama .

Bila kedua arus emitter melewati RE,maka

21 E E I I

221

E R E E I I I

Dimana

E

EE E R

R

V V I

E


6/32

Karena IC ≅ IE , maka

Karena arus collector (I C ) dan

resistor collector (R C ) adalahsama , maka

221

E R

C C

I I I

1121 C C CC C C R I V V V


7/32

Kedua, bila input terminal 1 diberitegangan bias positif +VB , inputterminal 2 dihubungkan denganground (0 V)

Tegangan bias positip +VB padabase Q 1 memperbesar I C1 dan

menaikkan tegangan emitter V E . Akibatnya : tegangan bias maju

(foward bias) V BE dari Q 2 berkurang, karena terminal baseQ 2 terhubung dengan ground (0V).Demikian pula dengan I C2 akanturun.

Naiknya I C1 akan menurunkan V C1,turunnya I C2 akan menaikkan V C2


8/32

Ketiga, bila input terminal 2 diberitegangan bias positif +V B , inputterminal 1 dihubungkan denganground (0 V)

Tegangan bias positip +V B pada Q 2memperbesar I C2 dan menaikkan

tegangan emitter V E . Akibatnya : tegangan bias maju

(foward bias) V BE dari Q 1berkurang, karena terminal baseQ 1 terhubung dengan ground (0V).Selanjutnya I C1 akan turun.

Naiknya I C2 akan menurunkan V C2 ,

turunnya I C1 akan menaikkan V C1


9/32

Single-Ended Input mode

Terminal input 2 dihubungkan ground, terminal input 1 dihubungkan dengan tegangansinyal.

1. Tegangan Sinyal dihubungkan keterminal input 1, Vin1

2. Tegangan sinyal yang diperbesar(amplified) dan berlawanan (inversed)akan dihasilkan pada output 1, Vout1

3. Tegangan Sinyal sama fasa diemmiter , Ve.Selama Q 1 dan Q 2 terhubungkanpada emitter, Ve menjadi input untukQ 2 yang berfungsi sebagai commonbase amplifier.

4. Tegangan emitter Ve di perbesar(amplified ) oleh Q 2 menjadi

noninverted output 2, Vout2


10/32

Single-Ended Input mode

Terminal input 1 dihubungkan dengan ground, terminal input 2 dihubungkan dengantegangan sinyal.

1. Tegangan Sinyal dihubungkan keterminal input 2, Vin2

2. Tegangan sinyal yang diperbesar(amplified) dan berlawanan (inversed)akan dihasilkan pada output 2, Vout2

3. Tegangan Sinyal sama fasa di

emmiter , Ve.Selama Q 1 dan Q 2 terhubungkanpada emitter, Ve menjadi input untukQ 1 yang berfungsi sebagai commonbase amplifier.

4. Tegangan emitter Ve di perbesar(amplified ) oleh Q 1 menjadinoninverted output 1, Vout1


11/32

Differential Input

Dua sinyal input dengan polaritiy yang berlawanan dihubungkan pada terminal input. Operasi ini disebut juga dengan

double ended

Masing masing input akan mempengaruhi sinyal output.


12/32

Common-Mode Input

Dua sinyal input dengan polarityyang sama dihubungkan padaterminal input.

Sinyal output salingmenghilangkan sehinggamenghasilkan tegangan yangmendekati nol

Operasi ini disebut common-mode rejection.

Digunakan untuk menghidarisinyal yang tak diinginkan (noise– common-mode signals).

Kemampuan amplifier untukmereject common-mode signal

Dintunjukkan dalam bentukparameter yang disebutcommon-mode rejection ratio

CMRR)


13/32

Kondisi Ideal : Sebuah diff-amp memberikan gain yang sangat tinggi untuk sinyal yang

diperlukan (single ended atau differential), dan zerro gain untuk common-modesignal.

Kondisi Praktis :

Sebuah diff-amp memiliki common-mode gain yang sangat kecil, dan differentialvoltage gain yang tinggi.

Lebih tinggi differential gain dibandingkan dengan common-mode gain, makalebih baik performansi dari sebuah diff-amp dalam mereject common-modesignals.

Parameter yang menggambarkan kemampuan diff-amp dalam mereject common-mode signal yang tidak diharapkan adalah common-mode rejection ratio CMRR)yaitu

ratio diff gain

Av(d) , terhadap common mode gain, Acm .

cm

d v

A

ACMRR

)(

cm

d v

A

ACMRR

)(log20


14/32

Gambar berikut menunjukkan simpleOp-Amp yang dibangun dari dua tingkatdifferential amplifier dan satu buahemitter follower.

Output dari diff-amp pada tingkatpertama menjadi input untuk diff-amppada tingkat ke-dua.

Output tingkat kedua akan mendorong

emitter follower untuk menghasilkanoutput dengan impedansi yang relativerendah.

Kedua tingkat diff-amp secarabersamaan menghasilkan voltage gainyang tinggi dan CMRR yang tinggi.


15/32

Input offset voltage Input offset voltage drift with temperature

Input bias current

Input impedance

Input offset current

Output impedance Common-mode range

Open-loop voltage gain

Common-mode rejection ratio

Slew Rate

Frequency respon


16/32

Op-amp ideal tidak menghasilkantegangan (zero volts out) bila tidakada tegangan masuk (zero volts in).

Kenyataanya


17/32

Negative feedback biasa digunakan untuk menstabilkan gain dan meningkatkanfrequency response.

Open loop gain yang sangat tinggi dappat membuat situasi menjadi tidak stabil karenanoise voltage yang kecil pada input dapat diperbesar sedemikian sehingga pembesaranterjadi bergeser dari daerah linearnya, sementara itu oscilasi yang tidak diinginkandapat terjadi.

Negative feedback diambil dari output dan digunakan kembali pada input dengan fasa

yang berlawanan dengan sinyal inputnya sendiri. Negative feedback ini berguna untuk mereduksi gain.


18/32

out

f i

i f V

R R RV

1. Tegangan input (Vin)dihubungkan ke terminal

noninverting input (+).

2. Tegangan output (Vout) digunakan

sebagai umpan balik yang dihubungkan

ke terminal inverting input (-) melalui

rangkaian yang tersusun atas Ri dan Rf ,

menjadi negative feedback.

3. Ri dan Rf membentuk rangkaianvoltage-devider yang mereduksi

tegangan output (Vout ) menjadi

tegangan feedback (Vf ) yang

terhubung ke terminal inverting input

(-).

Tegangan feedback :

4. Perbedaan antara tegangan

input (Vin ) dan tegangan

feedback (Vf ) selanjutnya

merupakan differential input

untuk op-amp.

Tegangan differensialselanjutnya diperkuat oleh open

loop gain (Aol) menghasilkan

tegangan output (Vout) sebesar :

f inol out V V AV

Close loop gain dari non inverting(NI) amplifier adalah :

i

f

in

out NI cl

R

R

V

V V 1)(


19/32

Bila :

Maka

Bila Total Voltage Gain merupakan rasioantara Vout dan Vin. Maka :

Nilai Aol B jauh lebih besar dari 1, maka :

Bila closed-loop gain dari noninverting(NI) amplifier adalah :

maka,

B R R

R

f i

i

inol ol ou t

inol ou t ol ou t

ou t ol inol ou t

ou t inol ou t

V A B AV

V A BV AV

BV AV AV

BV V AV

1

B A

A

V

V

ol

ol

in

out

1

B A

A

V

V

ol

ol

in

ou t

in

out NI cl

V

V A )(

i

f

in

out NI cl

R

R

BV

V A 1

1)(

• Close-loop gain Acl(NI ) dari noninverting amplifieradalah berbanding terbalik terhadap B.

• Close-loop gain Acl(NI ) tidak selamanya bergantungpada open-loop gain Aol , khususnya pada kondisi Aol B

>> 1.• Close-loop gain dapat diatur melalui pemilihan Ri

dan Rf.


20/32

Konfigurasi voltage-follower merupakankasus khusus dari noninverting amplifier,dimana tegangan output menjadi feedbackyang dihubungkan langsung ke terminalinverting input (-).

Feedback tanpa melalui rangkaianvoltage-divider menyebabkan voltage gainop-amp mendekati 1.

Close loop gain dari voltage follower (VF)adalah

Karakteristik yang penting dari voltage-follower adalah input impedance yang

sangat tinggi dan output impedance yangsangat rendah.

Cocok untuk menjadi buffer amplifier yangmedekati ideal yang menghubungkan nsumber dengan high-impedance dandengan beban low-impedance.

1)( in

out VF cl

V

V V


21/32

Sinyal input (Vin)dihubungkan ke terminalinverting input (-) melaluiRi secara seri.

Sementara sinyalfeedback dari output(Vout) dihubungkan pulapada terminal invertinginput (-) melalui Rf .

Terminal noninvertinginput (+) dihubungkan

dengan ground.


22/32

Digunakan asumsi kharakteristikideal untuk memudahkan analisis.

Konsep infinite input impedancemengasumsikan zero current padaterminal inverting input (-).

No voltage drop antara invertingdan noninverting input terminal

Artinya, voltage pada inverting

terminal (-) adalah zero karenainput terminal lainnya (+)terhubung dengan ground.

Zero voltage pada inverting inputterminal (-) disebut sebagai virtualground.


23/32

Bila pada inverting input (-) tidakterdapat arus, maka :

Karena asumsi virtual ground (Ii=0),

maka tegangan pada Ri sama denganVin , sehingga :

Karena asumsi virtual ground makategangan pada Rf sama dengan –Vout,sehingga :

Karena If = Iin, maka :

Overall gain dari inverting (I) amplifier :

f in I I

i

inin

R

V I

f

ou t f

R

V I

i

f

in

out

i

in

f

ou t

R

R

V

V

R

V

R

V

i

f

I cl R

R A )(

• Close-loop gain Acl(I ) dari inverting amplifieradalah berbandingan antara feedback resistanceRf dan resistance Ri.

• Close-loop gain Acl(I ) tidak bergantung pada internal

open-loop gain Aol .• Sehingga negative feedback menstabilkan voltage

gain.• Tanda negatif menandakan inversi


24/32

Dua tegangan, VIN1 dan VIN2 dihubungkan ke inverting inputterminal (-) menghasilkan arus I1dan I2.

Virtual ground Inverting input (-)adalah/mendekati nol (0).

Arus total (IT) merupakan jumlah dariI1dan I2 akan melalui Rf

Karena VOUT = - ITRf , maka :

Jika R 1 = R 2 = R f =R

f

IN IN f OUT R

R

V

R

V R I I V

2

2

1

121

21

21 IN IN

IN IN OUT V V R

R

V

R

V V

INn IN IN IN OUT V V V V V 321


25/32

Bila V 2 dihubungkan ke ground, maka :

Bila V 1 dihubungkan ke ground, maka:

V OUT merupakan penjumlahan V OUT1 danV OUT2 maka :

Bila R A = R B , maka:

Bila R f = R 1, maka:

1

11 1 R

R

R R

RV V

f

B A

BOUT

1

22 1 R

R

R R

RV V

f

B A

AOUT

B A

A B f

OUT OUT OUT R R

V RV R

R

RV V V 21

1

21 1

21 21

1

V V

R

RV

f

OUT

21 V V V OUT


26/32

Dua input tegangan di hubungkanmasing-masing ke inverting inputterminal (-) dan ke noninverting input

terminal (+)

Bila V 2 dihubungkan ke ground, maka :

Bila V 1 dihubungkan ke ground, maka:

V OUT merupakan penjumlahan V OUT1 danV OUT2 maka :

Bila R f = R 1, maka:

1

1

1 V R

RV

f

OUT

2

1

2 1 V R

RV

f

OUT

1

1

2

1

2

1

1

1

21

1

1

V R

RV R

RV

V R

RV

R

RV V V

f f

OUT

f f

OUT OUT OUT

122 V V V OUT


27/32

Muatan elektron Q, pada kapasitorproposional dengan arus charging danwaktu charging.

Muatan elektron juga beranding lurusdengan kapasitansi C dan tegangan

kapasotir VC.

Dengan demikian :

Persamaan tsb. merupakan persamangaris lurus dengan gradien (IC/C)

t I Q C

C V C Q

t C

I V C C


28/32

Bila sebuah pulse generator

dihubungkan ke input RC integrator,capasitor akan charge dan dischargesebagai respon dari pemberianpulse.

Bila input berubah dari level rendahke level tinggi, maka kapasitor akanterisi (charging).

Bila input berubah dari level tinggike level rendah, maka kapasitorakan discharging ke posisi awal.

Kapositor mengalami charging dandischarging mengikuti kurvaexponensial.

Laju charging dan dischargingbergantung pada RC time constant.

Output sebuah RC integrator adalahtegangan kapasitor.


29/32

Pada rangkaian RC sederhana, tegangankapasitor berubah tidak linear karena aruscharging terus menurun selama prosescharging dan menyebabkan laju

perubahan tegangan kapasitor terusmenurun.

Pada op-amp yang dihubungkan denganrangkaian RC, arus charging padakapasitor adalah konstant sehinggategangan berubah mendekati linear (tidakeksponensial).

Karena Inverting input terminal (-)merupakan virtual ground (0V), makategangan pada Ri adalah Vin , Sehinggaarus input adalah :

Bila Vin konstant dan Iin juga konstanserta tingginga input impedance, makasemua arus mengalir melewati kapasitorsehingga :

i

inin

R

V I

inC I I


30/32

TEGANGAN KAPASITOR

Karena Iin konstant, IC konstan pula.

IC yang konstant akan mencharge kapasitor secaralinear dan menghasilkan tegangan kapasitor yang

linear pula. Karena kutub positif kapasitor terhubung dengan

virtual ground, maka kutub positif kapasitor akantetap 0V.

Tegangan pada sisi negatip kapasitor secara linearturun dari 0V saat kapasitor dicharge.

Tegangan ini disebut negatif ramp.

TEGANGAN OUTPUT

Tegangan output (Vout) sama dengan tegangankapasitor pada sisi negatip.

Bila tegangan input dalam bentuk step atau pulsediberikan sebagai input, tegangan output akanturun secara linear hingga op-amp mencapai titik jenuh pada titik negatip maksimum.

RATE OF CHANGE OF THE OUTPUT.

Laju perubahan tegangan output ditentukan olehperbandingan IC/C. Karena IC = Vin/Ri. Maka lajuperubahan atau slope tegangan output integratoradalah :

C R

V

t

Vout

i

in


31/32

Pada Op-Amp differentiator , kapasitormenjadi bagian dari elemen input.

Differentiator menghasilkan output yangproposional terhadap laju perubahantegangan input.

CARA KERJA DIFFERENTIATOR

Tegangan positip ramp di berikan sebagaiinput.

Pada kasus ini IC= Iin dan tegangan padakapasitor (VC) setiap saat sama dengantegangan input (Vin), karena ada virtualground pada inverting input (-).

Selama arus dari inverting input dapatdiabaikan, maka IR = IC. Kedua aruskonstan karena slope tegangan kapasitor(VC/t) juga konstan. Tegangan output punkonstan dan sama dengan tegangan padaRf , karena satu sisi dari resistor feedbackselalu nol.

C t

V I t

C

I V C C C C

C Rt

V R I R I V f

C f C f Rout


32/32

Output menjadi negatip bilainput merupakan positip ram,dan positip bila inputmerupakan negatip ram.

Selama input dalam keadaanslope positip, kapasitormengalami charging dari inputdan arus pada resistorfeedback mengalir dari kananke kiri (pd gambar).

Saat input mengalami negatipslope, arus pada feedbackresistor mengalir berlawananarah karena kapasitormengalami discharging.

6.Operational Amplifier Full

Documents