Penguat Oprasional - Universitas Dian Nuswantoro …dinus.ac.id/repository/docs/ajar/op_amp_sebelum_uts.pdf ·  · 2014-10-20Pengenalan Op-Amp (Penguat Operasional ) Penguat Operasional

Penguat Oprasional FE UDINUS

KONTRAK PERKULIAHAN

Memberi Pengenalan dan Dasar Pengetahuan Tentang Berbagai Penguat dengan Karakteristiknya.

TIU :

Pembahasan mata kuliah ini meliputi penguat diferensial dan penguat oprasional yang meliputi karakteristik dan aplikasinya seperti penguat inverting dan non inverting, penjumlahan, integrator, osilator ADC, DAC dan analisa perancangan filter aktif dengan menggunakan Op-Amp.

DESKRIPSI SINGKAT

Tujuan Mata Kuliah:

• Mampu menjelaskan dan membedakan karakteristik Op-amp dengan berbagai karakteristik.

• Mampu menjelaskan aplikasi penguatan dengan Op-amp

• Mampu menerapkan Op-amp sebagai pembangkit sinyal seperti osilator, triangle generator dll

• Mampun menjelaskan tentang ADC dan DAC • Mampu menganalisa dan merancang filter aktif

Materi Elektronika Dasar 1. Pengertian OP-amp dan karakteristiknya 2. Penguat inverting dan non inverting 3. Aplikasi OpAmp 4. Op-amp pembagkit sinyal 5. ADC dan DAC 6. Filter Aktif

Ketentuan Selama Perkuliahan 1. Menjunjung tinggi nilai kejujuran 2. Mentaati peraturan akademik dan norma kehidupan

kampus (memakai baju sopan, sepatu, dll) 3. Kehadiran peserta dalam perkuliahan DIHARAPKAN

100% (ditolerir dapat tidak hadir sebanyak 3 kali dalam semester dengan keterangan yang sah)

4. Daftar hadir hanya diedarkan selama perkuliahan berlangsung, tidak diperkenankan mengisi daftar hadir setelah kuliah berakhir.

5. Peserta yang diketahui ditandatangani ataupun menandatangani absen peserta lain dianggap indisipliner dan tidak diperkenankan mengikuti ujian

Tata Cara Penilaian EVALUASI a. Evaluasi Tengah Semester : Objective Test b. Evaluasi Akhir Semester : Objective Test c. Tugas Terstruktur + Projek (pertengahan semester &

Akhir semester) : Dikerjakan secara perseorangan Berupa tugas latihan soal dan tugas paper dengan topic yang relevan Tugas dikumpulkan dalam bentuk hard copy / softcopy Peserta yang diketahui menitip tugas atau mengerjakan tugas peserta lain akan dianggap indispliner dan tidak diperkenankan mengikuti ujian

Tata Cara Penilaian Bobot Penilaian

1. UTS : 20 % 2. UAS : 30 % 3. Tugas Terstruktur : 40 % 4. Lain-lain : 10 %

Kriteria Penilaian A : > 86 B : 70 – 85 C : 60 – 79 D : 50 – 59 E : 0 – 49

Referensi 1. Milman, “ Microelectronic”, 2nd Ed., McGrawhill 2. Coughli & Driscoll, “ Oprational Amplifier & Linier Integrated circuit”, 5th Ed. 3. Prentice Hall, Franco, “ Design With Oprational Amplifiers and Analog Integrated

Circuit”, 2nd Ed., McGrawhill

Pengenalan Op-Amp (Penguat Operasional )

Penguat Operasional adalah suatu rangkaian penguatan yang lengkap dalam bentuk sebuah IC

Penguat Op-Amp memiliki sifat-sifat : • Penguatan tegangannya sangat besar • Impedansi masuknya sangat tinggi • Impedansi keluarnya rendah • Karakteristik frekuensinya lebar

Terminal / kaki Op-Amp

_

+Vc

+

_ RL

V

+V

- V

V

+

_ RL

- V/2

+ V/2 V

Cara memberi daya dengan 2 supply Cara memberi daya dengan 1 supply

Kaki 1 & 5 : offset null Kaki 2 : masukan membalik (inverting input) Kaki 3 : masukan tak membalik (non inverting input) Kaki 4 : tanah (ground) Kaki 6 : keluaran (output) Kaki 7 : catu tegangan positif Kaki 8 : tak digunakan

Op-Amp 741 mempunyai beberapa versi yang berbeda di belakang angka

741, seperti 741A, 741C, 741E, 741N. Huruf-huruf berbeda di belakang angka 741 tersebut membedakan pada penguatan tegangannya, temperature range, noise level dan karakteristik yang lainnya.

• IC Op-amp 741C Huruf C dibelakang angka 741 adalah singkatan dari

Commercial grade yaitu tipe 741 yang paling murah dan paling banyak dan umum digunakan.

• IC Op-amp 741C mempunyai penguatan tegangan loop terbuka sebesar 1000.000

dan impedansi input 2 MΩ dan impedansi output 75 Ω dan mempunyai unity-gain frequency sebesar 1 MΩ.

Catu daya

+

_ Vo=AoL.Ed

- V

+ V

Ed AoL

+

_ Vo=AoL.Ed

- V

+ V

Ed AoL

Max Vo = +Vsat Min Vo = -Vsat

Vsat=dibawah tegangan supply antara 1 sampai 2 volt

Misalkan V supply ± 15 Volt maka vsat = ±13 Volt

Terminal Output dan Input

Ed

AoL disebut penguatan atau gain terbuka karenena tidak ada umpan balik antara terminal input dan terminal output dibiarkan terbuka.

Perbedaan Tegangan masukan (Ed)

Nilai AoL sebesar 200.000 Penguatan Ed dibatasi maksimum ±65µV

Misalkan AoL=200.000, V= ±13V

𝐸𝐸 =+𝑉𝑉𝑉𝑉𝐴𝐴𝐴

=+13𝑉

200.000= 65µ

𝐸𝐸 =+𝑉𝑉𝑉𝑉𝐴𝐴𝐴

=−13𝑉

200.000= −65µ

Apabila tegangan masukan berbeda antara − 65µ𝑉 ≤ 𝐸𝐸 65µ𝑉 , Op-Amp berlaku Sebagai penguat secara linier dan berlaku Vo= Ed.AoL.

Kesimpulan

• Tegangan Output berada pada salah satu batas + Vsat atau – Vsat • Untuk mempertahankan Vo tetap berada pada batass – batas ini maka perlu dipadang

umpan balik • Karena Ed nilainya sangat kecil atau tidak mudah untuk mengukurnya maka untuk

kepentingan praktis Ed sama dengan 0

Tegangan masukan

(-)

Tegangan masukan

(+)

Ed Polaritas Ed

Vo=AoL.Ed Polaritas Vo Vo

-10µ -15µ -5µ - -10V - -1V

-10µ 15µ 25µ + 5V + 5V

-10µ -5µ 5µ + 1V + 1V

+1.000001 +1.000000 -1 - -0,2V - -0,2V

+5m 0 -5m - -1.000V - -Vsat=-13V

0 5m 5m + 1000V + +VsAT=+13V

Abdul Rahman@2004 17

Penguat Operasional Ideal

Penguat operasional ideal adalah penguat diferensial ideal.

Sifat-sifat sebuah penguat operasional ideal : • Penguatan tegangannya tak terhingga (GV = ∞); • Impedansi masuknya tak terhingga, jadi arus masuknya sama dengan nol;

• Impedansi keluarnya sama dengan nol; • Karakteristik Frekuensinya rata, dan membentang dari frekuensi nol hingga f = ∞.

Abdul Rahman@2004 18

Penguat Operasional Praktis (Tidak Ideal)

Dalam prakteknya tidak ada penguat operasional yg ideal, Namun demikian sebuah penguat operasional praktis seringkali dapat dianggap seolah-olah memiliki sifat-sifat ideal.

Non-inverting input

inverting input 0utput

+5v

-5v

2

3

6 7

4

Op-Amp

19

Inverting Op-Amp

V VRROUT IN

f= −1

+

_

+Vcc

- VEE

Tetap t

V

t

V

- VEE

Inverting untuk konfigurasi dimana masukan positip menghasikankeluaran negatip atau masukan negatip menghasilkankeluaran positip.

20

Non-Inverting Amplifier

V V RROUT IN= +

1 1

2

Non-Inverting untuk konfigurasi dimana masukan positip menghasilkankeluaranpositip.Atau masukan negatif menghasilkan keluaran negatif. Seperti halnya pada rangkaianinverting, disinipun akan ditunjukanrumus gain dari rangkaian ini.

+

_

+Vcc

- VEE

Tetap

t

V

t

V

+Vcc

21

22

Zero Crossing Detector

Rangkaan detektor dinamakan juga sebagai pembanding yaitu membandingkan suatu tegangan masukan (input) pada salah satu kaki masukan dengan satu tegangan tertentu atau dengan nol.

Hasil pembandingnya dapat menggunakan rumus Ed sehingga didapatkan tegangan keluaran(output)yang tergantung polaritas dari Ed.

Jika polaritas Ed= negatif maka Vo= +Vsat Jika polaritas Ed= Positif maka Vo= -Vsat Zero Crossing Detector • Zero crossing nol • Inverting zero crossing detector • Non inverting zero crossing detector • Inverting voltagae level detector • Non-inverting voltagae level detector

23

Duty Cycle Siklus kerja / Duty cycle merupakan perbandingan waktu on dengan

priode sinyal dikalikan dengan 100%.

offon

on

tTT+

Duty cycle =

Suatu sinyal mempunyai priode 10 m detik dan waktu on sama dengan 2 m detik Berapa waktu negatif /waktu rendahnya? Penyelesaian :

%30%100

det7310

==

=−=−=

xT

TDutyccycle

ikmTTTT

on

L

onL

Detektor Penyilang nol

Detektor Penyilang nol pembalik ( Inverting zero crossing Detector/IZCD)

Sinyal masukan masuk pada (-) op amp dan membandingkan dengan nol (+) op Amp.

Ed = (+) input – (-) input= 0 – Vi = - Vi Vi < 0 maka Vo = + Vsat Vi > 0 maka Vo = - Vsat

24

Detektor Penyilang nol

Detektor Penyilang nol tak pembalik ( non-Inverting zero crossing Detector/NIZCD)

Sinyal masukan masuk pada (+) op amp dan membandingkan dengan nol (-) op Amp.

Ed = (+) input – (-) input= Vi – 0 Vi > 0 maka Vo = + Vsat Vi < 0 maka Vo = - Vsat

25

Detektor taraf tegangan

Detektor taraf membalik (Inverting voltage level detector / IVLD)

Sinyal masukan masuk pada (-) op amp dan membandingkan dengan nol (+) op Amp.

Ed = (+) input – (-) input= Vref – vi Vi > Vref maka Vo = + Vsat Vi < Vref maka Vo = - Vsat

26

Detektor taraf tegangan

Detektor taraf membalik (Inverting voltage level detector / IVLD)

Sinyal masukan masuk pada (-) op amp dan membandingkan dengan nol (+) op Amp.

Ed = (+) input – (-) input= Vref – vi Vi > Vref maka Vo = + Vsat Vi < Vref maka Vo = - Vsat

27

Detektor taraf tegangan

Detektor taraf tak membalik (non-Inverting voltage level detector / IVLD)

Sinyal masukan masuk pada (-) op amp dan membandingkan dengan nol (+) op Amp.

Ed = (+) input – (-) input= Vi – Vref Vi < Vref maka Vo = - Vsat Vi > Vref maka Vo = + Vsat

28

29

Rangkaian tegangan Ref

𝑉𝑉𝑉𝑉 =𝑅𝑅

𝑅1 + 𝑅𝑅(+𝑉)

Misalkan + V = 12 Volt , R1 100 ohm, R2= 50 Ohm Maka Vref adalah

𝑉𝑉𝑉𝑉 =50

100 + 5012

= 4 volt

30

Latihan

Diket : ± V = 15V ; Vsat = ±13Volt a. Hit Ton, Toff dan duty cycle b. Gambarlah output tegangan Vo

31

Diket : ± V = 15V ; Vsat = ±13Volt a. Hit Ton dan duty cycle b. Gambarlah output tegangan Vo

32

Diket : ± V = 15V ; Vsat = ±13Volt a. Hit Ton dan duty cycle b. Gambarlah output tegangan Vo

33

Diket : ± V = 12V ; Vsat = ±10Volt a. Hit Ton dan duty cycle b. Gambarlah output tegangan Vo

Penguat Pembalik (Inverting Amplifier) Karene arus yg masuk keterminal op Amp = 0 Maka I melewat Rf sehingga timbul tegangan pada Rf yaitu VRf = IRf = 𝑉𝑉

𝑅𝑉𝑅𝑉

Polaritas (-) pada Rf pada terminal keluaran Vo maka Vo = -VRf Vo = -VRf = - 𝑉𝑉

𝑅𝑉𝑅𝑉 = - 𝑅𝑅

𝑅𝑉𝑉𝑉

I

Contoh Deket : Rf = 100K, Ri = 10K, Ei = 1 Volt dan RL = 25 K. Hitung : I, Vo, AcL,IL, Lo Solusi :

I = 𝑉𝑉𝑅𝑉 = 1 V

10 K = 0,1mA

Vo = - 𝑅𝑅

𝑅𝑉𝑉𝑉 = − 100𝐾

10𝐾 (1Volt) = − 10 volt

AcL = −10

1= −10

IL = 0 −𝑉𝑉

𝑅𝑅= 0 −(−10)

25𝐾 = 0,4 mA

Io = I + IL = 0,1 + 0,4 =0,5 mA

I

Tegangan negatif sebagai masukan pada Inverting input

Deket : Rf = 250K, Ri = 10K, Ei = - 0,5 Volt dan RL = 25 K. Hitung : I, Vo, AcL,IL, Lo Solusi :

I = 𝑉𝑉𝑅𝑉 = 0,5 V

10 K = 0,05mA

Vo = - 𝑅𝑅

𝑅𝑉𝑉𝑉 = − 250𝐾

10𝐾 ( − 0,5 Volt) = 12,5 volt

AcL = − 250𝐾

10𝐾= −25

IL = 𝑉𝑉

𝑅𝑅= 12,5

25𝐾 = 0,5 mA

Io = I + IL = 0,05 + 0,5 =0,55 mA

I

Tegangan AC sebagai masukan pada Inverting input

Vi

Vo

Rangkaian Penjumlah Membalik (Inverting Adder)

Dengan 3 masukan Op Amp yaitu V1, V2, V3 Maka dapat dirumuskan Jika R1≠R2≠R3≠Rf Vo = (- 𝑅𝑅

𝑅1𝑉𝑉) + (− 𝑅𝑅

𝑅2𝑉2)+(− 𝑅𝑅

𝑅3𝑉2)

Jika R1=R2=R3=Rf Vo = - (V1+V2+V3) Jika jumlah masukannya sebanyak R dimana R1=R2=R3=R maka Vo = [ 𝑉1+𝑉2+𝑉3+𝑅𝑅

𝑅]

Vo = Vi

Rangkaian Pengikut Tegangan (Voltage Follower)

Penguat Tak Membalik (Non- Inverting Amplifier) Karene arus yg masuk keterminal op Amp = 0 maka arus I berasal dari Vo melewat Rf sehingga timbul tegangan pada Rf yaitu VRf = IRf = 𝑉𝑉

𝑅𝑉𝑅𝑉

Polaritas (+) pada Rf pada terminal keluaran Vo maka besarnya Vo merupakan penjumlahan antara tegangan Rf dengan tegangan input sehingga Vo = VRf + Vi Vo = VRf+Vi = 𝑉𝑉

𝑅𝑉𝑅𝑉 + 𝑉𝑉 = 𝑅𝑅

𝑅𝑉𝑉𝑉 + 𝑉𝑉

Vo = ( 𝑅𝑅𝑅𝑉

+ 1)𝑉𝑉 Dengan menggunakan Gain tertutup (AcL) maka

AcL= 𝑉𝑉𝑉𝑉

= 𝑅𝑅𝑅𝑉

+1

IL=𝑉𝑉𝑅𝑅

I

Rangkaian Penjumlah Tak Membalik (Non Inverting Adder)

Dengan menggunakan prinsip superposisi untuk mencari tegangan masukan pada masukan (+) Op am didapatkan Vi = ( 𝑅2

𝑅1+𝑅2)𝑉𝑉 + ( 𝑅1

𝑅1+𝑅2)𝑉2

Maka Vo = ( 𝑅𝑅

𝑅𝑉+ 1)( 𝑅2

𝑅1+𝑅2𝑉𝑉 + 𝑅1

𝑅1+𝑅2𝑉2)

AcL = [ 𝑉𝑉

𝑉𝑉]

Rangkaian Penjumlah Tak Membalik (Non Inverting Adder) N masukan

Bila jumlah masukan lebih dari dua atau N masukan dengan R sama semua kecuali Rf dan nilai Rf sama dengan Rf= (n -1) maka besarnya tengangan output Vo = (V1+V2+V3)

Rangkaian Penguat selisih

Terdiri dari penguat membalik dan penguat tak membalik yang tegangan outputnya merupakan selisih dari tegangan inputnya Vo = ( 𝑅𝑅

𝑅𝑉+ 1) + ( 𝑅1

𝑅1+𝑅2𝑉2) − 𝑅𝑅

𝑅𝑉𝑉𝑉

Jika nilai perbandingan resistor seimbang 𝑅𝑉𝑅1

= 𝑅𝑅𝑅2

𝑚𝑉𝑚𝑉 𝑉𝐴 = 𝑅𝑅𝑅𝑉

𝑉𝑅 − 𝑉1

Rangkaian pembanding

Pembanding (Komparator) merupakan rangkaian yang berfungsi sebagai pembanding sinyal input dengan tegangan refrensi. Sebelumnya rangkaian pembanding berupa open loop dengan tegangan input tidak mengalami noise.

Sifat Op Amp sebagai detektor maupun komparator, Tegangan output (Vo) didapatkan dari selisih tegangan Ed. Jika Ed positif (+) maka Vo sama dengan +Vsat dan sebaliknya. Saat nois timbul pada input (En) maka kaki inverting pada input menjadi (Vi+Vn) sehingga selisi Ed menjadi : Ed = 0 – (Vi+Vn) = - (Vin+Vn)

Detektor pembalik penyilang nol dengan histerisis (IZCD with Hysterisis)

Untuk mengatasi nois perlu dipasang feedback ke masukan positif input(positive feedback).

Outpu pada sebuah pembanding ada 2 kemungkinan: +Vsat -Vsat

Ciri pembanding adalah feedback Masukan + Op Amp

Misalkan pertama kali Op Amp diaktifkan Vo berada pada +Vsat dengan tegangan masukan + sebesar ( 𝑅2𝑅1+𝑅2

) + 𝑉𝑉𝑉𝑉. Karena tegangan feedback ini bernilai positif atau lebih besar dari tegangan feedback lainya maka dinamakan upper threshold voltage (VUT)

Jadi (VUT) = ( 𝑅2𝑅1+𝑅2

) + 𝑉𝑉𝑉𝑉 Tegangan Ed (VUT)-Vi Selama tegangan input Vi < (VUT) maka Ed sama dengan positif dan tegangan Vo = +Vsat Bila tegangan Vi naik sampai dengan lebih besar dari (VUT) maka Ed menjadi negatif dantegangan output menjadi –Vsat. Karena tegangan Vo= -Vsat maka tegangan feedback masukan menjadi 𝑅2

𝑅1+𝑅2) − 𝑉𝑉𝑉𝑉

Karena tegangan feedback nilainya negatif atau tegangan feedback < Vo maka dinamakan (VLT), jadi nilai VLT = ( 𝑅2

𝑅1+𝑅2) − 𝑉𝑉𝑉𝑉

Karena adanya batas atas dan batas bawah maka akan ada namanya histerisis (VH) yaitu perbedaan ambang atas dan ambang bawah (VH) = (VUT)- (VLT) Selain adanya histerisis ada pula tegangan tengah (center voltage)

(VCTR) yang dapat dirumuskan (VCTR)= (VUT)− (VLT) 2

VUT = 𝑅2

𝑅1+𝑅2+ 𝑉𝑉𝑉𝑉

VLT = ( 𝑅2𝑅1+𝑅2

) − 𝑉𝑉𝑉𝑉

Detektor tak membalik penyilang nol dengan histerisis (NIZCD with Hysterisis)

Rangkaian detektor pengyilang nol tak membalik yang bersifat open loop jika mendapatkan noise maka akan mengalami kesalahan pada Vo disekitar crossing

Detektor tak membalik penyilang nol dengan histerisis (NIZCD with Hysterisis)

Apabila R dan feedback sama dengan m.R maka besarnya VUT = −𝑉𝑉𝑉𝑉

𝑚

VLT = (+𝑉𝑉𝑉𝑉𝑚

) (VH) = (VUT)- (VLT)

(VCTR)= (VUT)− (VLT) 2

Detektor pembalik taraf tegangan dengan histerisis (Inverting Voltage Level Detector with Hysterisis)

Apabila tegangan pembanding tidak nol tp suatu tegangan refrensi (Vref) maka tegangan ambang batasnya merupakan akibat dari dua sumber tegangan yaitu suber tegangan Vo dengan referensi sehingga didapatkan persamaan VUT = 𝑅.𝑅

𝑅+𝑅.𝑅𝑉𝑉𝑉𝑉 + 𝑅

𝑅+𝑅.𝑅 +𝑉𝑉𝑉𝑉= 𝑅

1+𝑅𝑉𝑉𝑉𝑉 +𝑉𝑉𝑉𝑉

1+𝑅

VLT = 𝑅.𝑅𝑅+𝑅.𝑅

𝑉𝑉𝑉𝑉 + 𝑅𝑅+𝑅.𝑅

+ 𝑉𝑉𝑉𝑉= 𝑅1+𝑅

𝑉𝑉𝑉𝑉 −𝑉𝑉𝑉𝑉1+𝑅

Detector jendela (windows detector)

Detektor jendela adalah rangkaian konparator dimana hubungan tegangan input dan tegangan output membentuk suatu jendela. Jika input dibawah VLT atau diatas VLT maka Vo = 0 Jika input diantara VLT dan VLT maka Vo = +Vsat

Detektor Tak membalik taraf tegangan dengan histerisis (Non-Inverting Voltage Level Detector with Hysterisis) Apabila tegangan pembanding tidak nol tetapi suatu tegangan refrensi (Vref) maka tegangan ambang batasnya merupakan akibat dari dua sumber tegangan yaitu suber tegangan Vo dengan referensi sehingga didapatkan persamaan VUT = 1 + 1

𝑚𝑉𝑉𝑉𝑉 − −𝑉𝑉𝑉𝑉

𝑚

VLT = 1 + 1𝑚

𝑉𝑉𝑉𝑉 − −𝑉𝑉𝑉𝑉𝑚

TERIMA KASIH