Chapter 10 : Operational Amplifier

 [KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat Dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

    a). Prosedur

    b). Rangkaian simulasi dan prinsip kerja

    c). Video simulasi

6. Download File

1. Pendahuluan[Back]

        Op-Amp (Operational Amplifier) merupakan salah satu komponen aktif penting dalam sistem elektronika analog. Komponen ini dirancang untuk memperkuat perbedaan tegangan antara dua terminal input-nya, yaitu inverting (−) dan non-inverting (+). Karena memiliki karakteristik impedansi input yang tinggi, impedansi output yang rendah, serta penguatan tegangan (gain) yang besar, op-amp banyak digunakan dalam berbagai aplikasi mulai dari penguat (amplifier), penjumlah (adder), integrator, filter, hingga konverter analog ke digital. Dalam praktikum ini, fokus utama adalah mempelajari tiga konfigurasi dasar op-amp yang sering digunakan, yaitu inverting amplifier, non-inverting amplifier, dan unity follower (buffer). Masing-masing konfigurasi ini akan diterapkan dalam bentuk penguat dengan penguatan tetap atau constant-gain multiplier. Tujuan dari praktikum ini adalah untuk memahami prinsip kerja tiap konfigurasi, menganalisis hubungan antara resistor eksternal dan penguatan, serta mengamati bagaimana sinyal input diproses oleh op-amp pada masing-masing rangkaian.

2. Tujuan[Back]

1. Memahami prinsip kerja Op-Amp dalam konfigurasi dasar.

2. Menganalisis dan mengimplementasikan rangkaian penguat: inverting, non-inverting, dan buffer.

3. Menghitung dan mengamati penguatan (gain) dari masing-masing konfigurasi.

4. Menerapkan konsep penguatan konstan (constant-gain) menggunakan resistor eksternal.

3. Alat dan Bahan[Back]

•  Alat :

• AC dan DC Generator

        Generator AC (Alternator) dan DC memiliki fungsi utama yang sama yaitu mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, tetapi mereka melakukannya dengan cara yang berbeda. Generator AC menghasilkan arus bolak balik, di mana arah arus berubah secara periodik karena perubahan posisi relatif antara medan magnet dan kumparan konduktor, dan biasanya digunakan dalam distribusi daya skala besar seperti di jaringan listik umum. Di sisi lain, generator DC menghasilkan arus searah, di mana arus mengalir dalam satu arah tetap, dan lebih sering digunakan dalam aplikasi yang memerlukan arus stabil, seperti perangkat elektronik stabil dan pengisian baterai. 

• Voltmeter 

        Voltmeter adalah alat pengukur yang digunakan untuk mengukur tegangan listrik atau perbedaan potensial antara dua titik dalam sebuah rangkaian listrik. Fungsinya adalah untuk memberikan nilai tegangan atau potensial listrik pada komponen atau rangkaian tertentu, sehingga memungkinkan pengguna untuk memonitor atau mengukur kekuatan listrik yang ada dalam sistem tersebut.

• Bahan : 

• Operasional Amplifier

        Operational Amplifier (Op Amp) adalah jenis amplifier elektronik yang memiliki banyak aplikasi dalam elektronika. Op Amp memiliki dua input dan satu output, di mana perbedaan tegangan antara kedua inputnya digunakan untuk mengontrol gain atau penguatan sinyal yang dikeluarkan pada outputnya. Op Amp umumnya digunakan dalam rangkaian pemrosesan sinyal, pengaturan tegangan, filter, dan banyak aplikasi lainnya dalam perangkat elektronik modern.

Karakteristik utama IC Operational Amplifier (Op Amp) :

1. Penguatan Tegangan Open-loop (Av = ∞): Secara ideal, Op Amp memiliki penguatan tegangan open-loop yang sangat besar atau bahkan tak terhingga. Ini berarti bahwa perbedaan tegangan yang sangat kecil antara input inverting dan non-inverting dapat menghasilkan perubahan tegangan output yang sangat besar.
2. Tegangan Offset Keluaran (Voo = 0): Secara ideal, Op Amp tidak menghasilkan tegangan offset pada keluaran ketika tegangan inputnya adalah nol. Ini berarti bahwa output Op Amp harus berada pada nol volt ketika tidak ada perbedaan tegangan di antara kedua inputnya.
3. Impedansi Masukan (Zin = ∞): Impedansi input yang sangat tinggi atau tak terhingga berarti bahwa Op Amp tidak menarik arus dari sumber sinyal yang dihubungkan ke inputnya. Hal ini sangat penting untuk memastikan bahwa sinyal input tidak terdistorsi.
4. Impedansi Output (Zout = 0): Impedansi output yang sangat rendah atau nol memungkinkan Op Amp untuk menggerakkan beban tanpa menyebabkan penurunan tegangan yang signifikan. Ini memastikan bahwa sinyal output tetap kuat dan tidak terpengaruh oleh beban yang terhubung.
5. Lebar Pita (BW = ∞): Idealnya, Op Amp memiliki lebar pita yang tak terhingga, yang berarti bahwa ia dapat memperkuat sinyal pada frekuensi berapa pun tanpa kehilangan gain. Dalam praktiknya, lebar pita terbatas, tetapi sering kali cukup lebar untuk banyak aplikasi.
6. Stabilitas Termal: Karakteristik ideal Op Amp tidak berubah dengan suhu. Ini berarti bahwa performa Op Amp tetap konsisten meskipun terjadi perubahan suhu di lingkungan sekitarnya, yang sangat penting untuk aplikasi yang membutuhkan keakuratan tinggi. 

Spesifikasi :

•  Resistor

        Resistor digunakan untuk mengatur aliran arus listrik, membagi tegangan, melindungi komponen dari arus berlebih, mengatur waktu dalam rangkaian RC, menyaring sinyal dalam rangkaian filter, menyesuaikan tingkat tegangan, dan mengurangi noise dalam rangkaian elektronika.

Karakteristik transistor NPN secara singkat:

1. Tiga Terminal: Memiliki tiga terminal - emitor (E), basis (B), dan kolektor (C).
2. Polarisasi: Basis harus lebih positif dari emitor untuk mengaktifkan transistor.
3. Arus Basis Kecil: Arus kecil di basis mengontrol arus lebih besar di kolektor.
4. Penguatan Arus: Memiliki penguatan arus (β atau hFE), yaitu rasio antara arus kolektor dan arus basis.
5. Saklar dan Penguat: Dapat berfungsi sebagai sakelar atau penguat sinyal.
6. Tegangan Kolektor-Emitor: Biasanya memerlukan tegangan kolektor-emitor yang cukup tinggi untuk operasi normal.

Spesifikasi :

• Dioda 

         Dioda adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk mengalirkan arus listrik hanya dalam satu arah, memberikan kemampuan untuk mengendalikan arah aliran arus dalam rangkaian. Ini membuat dioda berguna dalam berbagai aplikasi seperti penyearah arus (rectifier) untuk mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC), perlindungan terhadap tegangan balik dalam rangkaian, dan sebagai pengganda tegangan dalam rangkaian daya. Selain itu, dioda digunakan dalam rangkaian logika digital, sebagai penstabil tegangan dalam regulator tegangan, dan dalam aplikasi khusus seperti dioda Zener yang digunakan untuk pengaturan tegangan tetap.

Spesifikasi :

• Baterai 

       Baterai adalah sumber daya portabel yang menyimpan energi kimia dan mengubahnya menjadi energi listrik untuk digunakan dalam berbagai perangkat elektronik. Baterai berfungsi menyediakan daya listrik yang stabil dan berkelanjutan bagi perangkat yang tidak terhubung langsung ke sumber listrik utama, seperti ponsel, laptop, remote control, dan kendaraan listrik. Selain itu, baterai juga digunakan dalam aplikasi kritis seperti cadangan daya (UPS) untuk komputer dan sistem keamanan, serta dalam perangkat medis seperti alat pacu jantung. Dengan kemampuan untuk menyimpan dan melepaskan energi sesuai kebutuhan, baterai memainkan peran penting dalam kehidupan sehari-hari dan teknologi modern. 

• Ground

        Ground atau tanah adalah referensi potensial nol dalam sistem listrik atau elektronik. Fungsinya adalah untuk menyediakan jalur pengembalian arus listrik yang aman ke bumi atau tanah secara fisik. Ground digunakan untuk melindungi perangkat dan pengguna dari potensi bahaya listrik seperti korsleting atau lonjakan tegangan. Selain itu, ground juga digunakan sebagai referensi potensial untuk mengukur dan memastikan stabilitas sirkuit elektronik serta untuk mengurangi noise atau gangguan dalam sinyal-sinyal elektronik.

4. Dasar Teori[Back]

a. Inverting Amplifier

• Prinsip kerja: Input sinyal diberikan pada terminal inverting (−) melalui resistor input (Rin), sedangkan terminal non-inverting (+) dihubungkan ke ground.

• Rangkaian feedback: Resistor umpan balik (Rf) menghubungkan output ke input inverting (−), membentuk jalur umpan balik negatif.

• Penguatan (Gain):

  $$A_v=-\frac{Rf}{Ri\mathrm{n}}$$

  Tanda negatif menunjukkan bahwa output terbalik fasa 180° terhadap input.

• Kelebihan:

  • Linearitas baik

  • Cocok untuk sinyal AC maupun DC

• Aplikasi praktis: Digunakan untuk pembalik sinyal dengan penguatan tertentu (misalnya penguatan −2, −5, dll).

• Contoh constant-gain multiplier:
  Jika $Rf = 10k\Omega$, $Rin = 5k\Omega$, maka $A_v = -2$.
  Ini berarti sinyal input akan diperbesar dua kali dan dibalik.

b. Non-Inverting Amplifier

• Prinsip kerja: Input sinyal diberikan ke terminal non-inverting (+), sedangkan terminal inverting (−) terhubung ke titik tengah antara resistor feedback (Rf) dan resistor ke ground (Rin).

• Rangkaian feedback: Rangkaian umpan balik mengatur seberapa besar output kembali ke input inverting untuk penguatan yang stabil.

• Penguatan (Gain):

  $$A_v=1+\frac{Rf}{Ri\mathrm{n}}$$

• Karakteristik:

  • Tidak membalik fasa (output searah dengan input)

  • Impedansi input tinggi, sangat ideal untuk buffer sensor

• Aplikasi praktis: Cocok digunakan saat diperlukan penguatan tanpa pembalikan sinyal, seperti pada tahap awal pemrosesan sinyal analog.

• Contoh constant-gain multiplier:
  Jika $Rf = 10k\Omega$, $Rin = 5k\Omega$, maka $A_v = 1 + 10k/5k = 3$.

c. Unity Follower (Buffer Amplifier)

• Prinsip kerja: Input diberikan ke terminal non-inverting (+), dan output dihubungkan langsung ke terminal inverting (−).

• Penguatan (Gain):

  $$A_v=1$$

• Karakteristik:

  • Tidak membalik fasa

  • Tegangan output sama dengan input

  • Memiliki impedansi input sangat tinggi dan impedansi output sangat rendah

• Fungsi utama:

  • Tidak untuk memperkuat tegangan, tapi untuk isolasi antara dua rangkaian

  • Mencegah loading effect saat menghubungkan sensor dengan rangkaian pengolah sinyal

• Aplikasi: Digunakan sebagai buffer antar tahap, terutama ketika sinyal lemah perlu diteruskan tanpa mengalami penurunan tegangan.
  
  

5. Percobaan[Back]

    a). Prosedur[Back]

• Siapkan semua alat dan bahan yang bersangkutan, diambil dari library Proteus.
• Letakkan semua alat dan bahan sesuai dengan posisi di mana alat dan bahan terletak.
• Tepatkan posisi letaknya dengan gambar rangkaian.
• Selanjutnya, hubungkan semua alat dan bahan menjadi suatu rangkaian yang utuh.
• Lalu mencoba menjalankan rangkaian, jika tidak terjadi error, maka rangkaian bekerja.

    b). Rangkaian simulasi dan prinsip kerja[Back]

• Prinsip Kerja Rangkaian 10.34

        

Rangkaian ini menggunakan konfigurasi inverting amplifier, di mana sinyal input (Vin) diberikan ke terminal inverting (−) op-amp melalui resistor R1, sedangkan terminal non-inverting (+) dihubungkan ke ground. Sebuah resistor feedback (Rf) menghubungkan output kembali ke input inverting untuk membentuk jalur umpan balik negatif. Karena konfigurasi ini bersifat inverting, output (Vo) akan berbanding terbalik fasa dengan input. Besarnya penguatan (gain) diberikan oleh rumus:

$$$$Vo=−RfR1×Vin​

Dengan Rf = 500kΩ, R1 = 100kΩ, dan Vin = 2V, maka Vo = −10V. Ini menunjukkan bahwa sinyal output diperkuat sebesar 5 kali dan mengalami pembalikan arah (fase 180°). Rangkaian ini cocok digunakan untuk aplikasi penguat sinyal negatif dengan penguatan tetap.

• Prinsip kerja Rangkaian 10.35

 

Pada rangkaian ini, input (Vin) diberikan ke terminal non-inverting (+) op-amp, sedangkan terminal inverting (−) terhubung ke titik tengah antara resistor feedback (Rf) dan resistor ke ground (R1). Tidak seperti inverting amplifier, output dari konfigurasi ini tidak mengalami pembalikan fasa terhadap input. Penguatan (gain) dihitung dengan rumus:

$$V_o=(1+\frac{Rf}{R1})\times V_{i\mathrm{n}}$$

Dengan Rf = 500kΩ, R1 = 100kΩ, dan Vin = 2V, maka Vo = (1 + 5) × 2 = 12V. Artinya, sinyal output adalah 12V dan tetap sefasa dengan input. Konfigurasi ini ideal untuk aplikasi di mana diperlukan penguatan besar tanpa perubahan arah sinyal, seperti pada tahap penguat sensor.

• Prinsip kerja Rangkaian 10.36

                                       

Unity follower, juga dikenal sebagai buffer amplifier, merupakan konfigurasi op-amp di mana output langsung dihubungkan ke input inverting (−), sedangkan sinyal input diberikan ke terminal non-inverting (+). Dalam kondisi ini, tidak ada resistor eksternal yang mengatur penguatan, sehingga op-amp berfungsi sebagai pengikut tegangan (voltage follower). Output selalu mengikuti input secara penuh tanpa penguatan maupun pembalikan fasa, dengan rumus sederhana:

$$$$Vo=Vin​

Jika input diberikan sebesar 2V, maka output akan sama, yaitu 2V. Fungsi utama rangkaian ini adalah sebagai pemisah (isolator) antar rangkaian, menjaga sinyal tetap stabil, dan mencegah penurunan tegangan akibat beban yang berat pada input.

    c). Video simulasi[Back]

• Rangkaian 10.34

• Rangkaian 10.35

• Rangkaian 10.36

6. Download file[Back]

• Download Rangkaian FIG.10.34 klik disini
• Download Rangkaian FIG.10.35 klik disini
• Download Rangkaian FIG.10.36 klik disini
• Download Datasheet Baterai klik disini
• Download Datasheet Op Amp 741 klik disini
• Download Tambahan Datasheet op amp klik disini
• Download Datasheet Resistor klik disini
• Download Video klik disini