Dasar-dasar Penguat Operasional (Op-Amp)

Penguat Operasional, atau Op-amp seperti yang lebih sering disebut, adalah salah satu blok bangunan dasar Rangkaian Elektronik Analog.

Op-amp adalah perangkat linier yang memiliki semua properti yang diperlukan untuk penguatan DC yang hampir ideal dan karena itu digunakan secara luas dalam pengkondisian sinyal, penyaringan atau untuk melakukan operasi matematika seperti menambah, mengurangi, integrasi, dan diferensiasi.

Sebuah Penguat Operasional, atau Op-amp, pada dasarnya perangkat tegangan memperkuat rangkaian untuk digunakan dengan komponen umpan balik eksternal seperti Resistor dan Kapasitor antara terminal output dan input.

Komponen umpan balik ini menentukan fungsi atau “operasi” yang dihasilkan dari penguat dan berdasarkan konfigurasi umpan balik yang berbeda apakah resistif, kapasitif atau keduanya, penguat dapat melakukan berbagai operasi yang berbeda, sehingga menimbulkan namanya “Penguat Operasional atau Operational Amplifier”.

Sebuah Op-amp pada dasarnya adalah perangkat tiga terminal yang terdiri dari dua input impedansi tinggi. Salah satu input disebut Input Inverting, ditandai dengan tanda negatif atau “minus”, ( – ). Input lain disebut Input Non-inverting, ditandai dengan tanda positif atau “plus” (+).

Terminal ketiga merupakan port output Op-amp yang dapat sink dan source tegangan atau arus. Dalam Op-amp linier, sinyal output adalah faktor penguatan, yang dikenal sebagai gain penguat ( A ) dikalikan dengan nilai sinyal input dan tergantung pada sifat input dan sinyal output ini, mungkin ada empat klasifikasi yang berbeda dari gain penguat operasional.

Tegangan – Tegangan “in” dan Tegangan “out”
Arus – Arus “in” dan Arus “out”
Transkonduktansi – Tegangan “in” dan Arus “out”
Transresistansi – Arus “in” dan Tegangan “out”

Karena sebagian besar rangkaian yang berhubungan dengan Op-amp adalah penguat tegangan, kami akan membatasi tutorial di bagian ini hanya untuk penguat tegangan, (Vin dan Vout).

Sinyal tegangan output dari Op-amp adalah perbedaan antara sinyal yang diterapkan pada dua input individualnya. Dengan kata lain, sinyal output Op-amp adalah perbedaan antara dua sinyal input karena tahap input dari Op-amp sebenarnya adalah penguat diferensial seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Penguat Diferensial (Differential Amplifier)

Rangkaian di bawah ini menunjukkan bentuk umum dari penguat diferensial dengan dua input bertanda V1 dan V2. Pada kedua Transistor identik TR1 dan TR2 keduanya ini akan bias pada titik operasi yang sama dengan emitter mereka juga terhubung bersama dan kembali ke common rail, -Vee dengan cara resistor Re.

Rangkaian beroperasi dari supply ganda +Vcc dan -Vee yang memastikan supply konstan. Tegangan yang muncul pada output, Vout dari penguat adalah perbedaan antara dua sinyal input karena dua input dasar berada dalam anti-fasa satu sama lain. Jadi sebagai forward bias dari transistor, TR1 meningkat, forward bias dari transistor TR2 berkurang dan sebaliknya. Kemudian jika dua transistor sangat cocok, arus yang mengalir melalui resistor common emitter, Re akan tetap konstan.

Seperti sinyal input, sinyal output juga seimbang dan karena tegangan collector berayun ke arah yang berlawanan (anti-fase) atau dalam arah yang sama (dalam-fase) sinyal tegangan output, diambil dari antara dua collector, dengan asumsi rangkaian seimbang sempurna perbedaan nol antara dua tegangan collector. Ini dikenal sebagai Common Mode Operasi dengan common mode gain dari penguat menjadi gain output ketika inputnya nol.

Op-amp juga memiliki satu output (walaupun ada yang dengan output diferensial tambahan) dengan impedansi rendah yang dirujuk ke terminal ground bersama dan harus mengabaikan sinyal Common Mode yang ada, jika sinyal identik diterapkan pada kedua inverting dan input non-inverting tidak boleh ada perubahan pada output.

Namun, dalam kenyataanya dalam penguat selalu ada beberapa variasi dan rasio perubahan terhadap tegangan output sehubungan dengan perubahan tegangan input common mode disebut Common Mode Rejection Ratio atau CMRR.

Op-amp sendiri memiliki gain DC loop terbuka sangat tinggi dan dengan menerapkan beberapa bentuk Umpan Balik Negatif, kita dapat menghasilkan rangkaian Op-amp yang memiliki karakteristik gain sangat tepat yang hanya bergantung pada umpan balik yang digunakan.

Perhatikan bahwa istilah “Loop Terbuka” berarti bahwa tidak ada komponen umpan balik yang digunakan di sekitar Op-amp sehingga jalur atau loop umpan balik terbuka.

Sebuah Op-amp hanya merespon perbedaan antara tegangan pada dua terminal inputnya, yang umumnya dikenal sebagai “Tegangan Input Diferensial” dan bukan pada potensial bersama. Kemudian jika potensial tegangan yang sama diterapkan ke kedua terminal, output yang dihasilkan akan nol. Gain Penguat Operasional umumnya dikenal sebagai Gain Diferensial Loop Terbuka, dan diberi simbol ( A_o ).

Rangkaian Setara Penguat Operasional (Op-amp) Ideal

Parameter dan Karakteristik Op-amp Ideal

Open Loop Gain, (Avo)

Infinite (tidak terbatas) – Fungsi utama dari Op-amp adalah untuk memperkuat sinyal input dan semakin banyak gain loop terbuka semakin baik. Gain loop terbuka adalah gain dari Op-amp tanpa umpan balik (feedback) positif atau negatif dan untuk Op-amp seperti itu, gain akan menjadi tak terbatas tetapi nilai real tipikal berkisar antara sekitar 20.000 hingga 200.000.

Impedansi Input, (Z_IN)

Infinite (tidak terbatas) – Impedansi input adalah rasio tegangan input ke arus input dan diasumsikan tidak terbatas untuk mencegah arus yang mengalir dari sumber pasokan ke rangkaian input penguat ( I_IN = 0 ). Op-amp nyata memiliki arus kebocoran input dari beberapa pico-amp hingga beberapa mili-amp.

Impedansi Output, (Z_OUT)

Zero (nol) – Impedansi output dari Op-amp yang ideal diasumsikan nol bertindak sebagai sumber tegangan internal yang sempurna tanpa hambatan internal sehingga dapat memasok arus sebanyak yang diperlukan untuk beban. Resistansi internal ini secara efektif seri dengan beban sehingga mengurangi tegangan output yang tersedia untuk beban. Op-amp nyata memiliki impedansi output dalam kisaran 100-20kΩ.

Bandwidth, (BW)

Infinite (tidak terbatas) – Op-amp yang ideal memiliki respon frekuensi tak hingga dan dapat memperkuat sinyal frekuensi apa pun dari DC ke frekuensi AC tertinggi sehingga diasumsikan memiliki bandwidth tak terbatas. Dengan Op-amp nyata, bandwidth dibatasi oleh hasil Gain-Bandwidth (GB), yang sama dengan frekuensi di mana gain penguat menjadi satu.

Tegangan Offset, (V IO )

Zero (nol) – Penguat output akan menjadi nol ketika perbedaan tegangan antara input inverting dan non-inverting adalah nol, sama atau ketika kedua input di-ground. Op-amp nyata memiliki sejumlah tegangan offset output.

Dari karakteristik “ideal” di atas, kita dapat melihat bahwa resistansi input tidak terbatas, sehingga tidak ada arus yang mengalir ke terminal input (“kaidah arus”) dan tegangan offset input diferensial adalah nol (“kaidah tegangan”). Penting untuk mengingat kedua properti ini karena mereka akan membantu kita memahami cara kerja Op-amp berkaitan dengan analisis dan desain rangkaian Op-amp.

Namun, Op-amp yang nyata seperti uA741 yang umum tersedia, misalnya tidak memiliki gain atau bandwidth tak terbatas tetapi memiliki “Gain Loop Terbuka” yang khas yang didefinisikan sebagai amplifikasi output penguat tanpa ada sinyal umpan balik eksternal yang terhubung dengannya dan untuk tipikal penguat operasional sekitar 100dB di DC (nol Hz).

Gain output ini berkurang secara linear dengan frekuensi turun ke “Unity Gain” atau 1, sekitar 1MHz dan ini ditunjukkan dalam kurva respon gain loop terbuka berikut.

Kurva Respon Frekuensi Loop-Terbuka

Dari kurva respon frekuensi ini kita dapat melihat bahwa hasil gain terhadap frekuensi adalah konstan pada titik mana pun di sepanjang kurva. Frekuensi gain unity (0dB) juga menentukan gain dari penguat di setiap titik di sepanjang kurva. Konstanta ini umumnya dikenal sebagai Gain Bandwidth Product atau GBP. Karena itu:

GBP = Gain x Bandwidth = A x BW

Sebagai contoh, dari grafik di atas gain dari Op-amp pada 100kHz diberikan sebagai 20dB atau 10, maka produk bandwidth gain dihitung sebagai:

GBP = A x BW = 10 x 100.000Hz = 1.000.000.

Demikian pula, gain Op-amp pada 1 kHz = 60dB atau 1000, oleh karena itu GBP diberikan sebagai:

GBP = A x BW = 1.000 x 1.000Hz = 1.000.000. Sama!.

Tegangan Gain ( A_V ) dari Op-amp dapat ditemukan dengan menggunakan rumus berikut:

dan dalam Desibel atau ( dB ) diberikan sebagai:

Bandwidth Penguat Operasional (Op-amp)

Bandwidth Op-amp adalah rentang frekuensi di mana gain tegangan penguat di atas 70.7% atau -3dB (di mana 0dB adalah maksimum) dari nilai output maksimumnya seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Di sini kita telah menggunakan garis 40dB sebagai contoh. -3dB atau 70.7% dari titik turun Vmax dari kurva respon frekuensi diberikan sebagai 37dB. Mengambil garis melintasi sampai bersinggungan dengan kurva GBP utama memberi kita titik frekuensi tepat di atas garis 10kHz pada sekitar 12 hingga 15kHz. Kita sekarang dapat menghitung ini dengan lebih akurat karena kita sudah mengetahui GBP dari penguat, dalam kasus khusus ini 1MHz.

Contoh: Penguat Operasional (Op-amp) No.1

Memakai rumus 20 log (A), kita bisa menghitung bandwidth dari penguat operasional sebagai:

37 = 20 log (A)  karena itu, A = anti-log (37 ÷ 20) = 70.8

GBP ÷ A = Bandwidth,  karena itu, 1.000.000 ÷ 70.8 = 14.124Hz, atau 14kHz

Kemudian bandwidth dari Op-amp pada gain 40dB diberikan sebagai 14kHz seperti yang diprediksi sebelumnya dari grafik.

Contoh: Penguat Operasional (Op-amp) No.2

Jika gain dari Op-amp dikurangi setengahnya menjadi 20dB pada kurva respon frekuensi di atas, titik -3dB sekarang akan berada pada 17dB. Ini kemudian akan memberikan Op-amp gain keseluruhan 7.08, oleh karena itu A = 7.08.

Jika kita menggunakan rumus yang sama seperti di atas, gain baru ini akan memberi kita bandwidth sekitar 141.2 kHz, sepuluh kali lebih banyak daripada frekuensi yang diberikan pada titik 40dB. Oleh karena itu dapat dilihat bahwa dengan mengurangi “gain loop terbuka” keseluruhan dari Op-amp bandwidthnya meningkat dan sebaliknya.

Dengan kata lain, bandwidth Op-amp berbanding terbalik dengan gain, ( A 1/∞ BW ). Juga, titik frekuensi sudut -3dB ini umumnya dikenal sebagai “titik daya setengah”, karena daya output penguat pada setengah nilai maksimumnya seperti yang ditunjukkan:

Ringkasan Penguat Operasional (Op-amp)

Kita tahu sekarang bahwa Penguat Operasional (Op-amp) adalah penguat diferensial gain DC sangat tinggi yang menggunakan satu atau lebih jaringan umpan balik eksternal untuk mengontrol respon dan karakteristiknya. 

Kita dapat menghubungkan resistor eksternal atau kapasitor ke Op-amp dengan sejumlah cara berbeda untuk membentuk rangkaian “blok pembangun” dasar seperti, Inverting Op-amp, Non inverting Op-amp, Pengikut Tegangan, Penguat Penjumlah, Diferensial Op-amp, Integrator Op-amp, dan penguat tipe Differentiator.

Op-amp yang “ideal” atau sempurna adalah perangkat dengan karakteristik khusus tertentu seperti gain loop terbuka tanpa batas A_O, resistansi input tak terbatas R_IN, resistansi output nol R_OUT, bandwidth tak terbatas 0 hingga ∞ dan zero offset (output persis nol ketika inputnya nol).

Ada sejumlah besar IC Op-amp yang tersedia untuk memenuhi setiap aplikasi yang mungkin dari bipolar standar, presisi, kecepatan tinggi, noise rendah, tegangan tinggi, dll, baik dalam konfigurasi standar atau dengan transistor Junction FET internal.

Op-amp tersedia dalam paket IC baik Op-amp tunggal, ganda atau quad dalam satu perangkat tunggal. Yang paling umum tersedia dan digunakan dari semua Op-amp dalam kit elektronik dasar dan proyek adalah standar industri μA-741.

Dalam tutorial berikutnya tentang Penguat Operasional (Op-amp), kami akan menggunakan umpan balik negatif yang terhubung di sekitar op-amp untuk menghasilkan rangkaian penguat loop tertutup standar yang disebut rangkaian Penguat Op-amp Inverting yang akan menghasilkan sebuah sinyal output yang 180° “diluar-fasa” dengan input.

https://elektro.kamplongan.my.id/