Chapter 11: Op-Amp Applications

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

1. Pendahuluan [Kembali]

Operatinal Amplifier (Op-Amp) merupakan salah satu komponen aktif yang sangat penting dalam dunia elektronika analog. Komponen ini banyak digunakan dalam berbagai aplikasi seperti penguat sinyal, filter, pembanding (comparator), integrator, dan rangkaian pengendali otomatis. Dengan karakteristik penguatan tegangan yang sangat tinggi, impedansi input yang besar, serta inpedansi output yang rendah, Op-Amp menjadi pilihan utama dalam perancangan rangkaian analog presisi.

Seiring dengan perkembangan teknologi, analisis rangkaian Op-Amp tidak hanya dilakukan secara manual, tetapi juga menggunakan bantuan perangkat lunak komputer. Computer analysis atau analisis berbantuan komputer memungkinkan perancang untuk mensimulasikan perilaku rangkaian sebelum rangkaian tersebut dibuat secara fisik. Hal ini tidak hanya mempercepat proses perancangan, tetapi juga mengurangi kemungkinan kesalahan dan meningkatkan efisiensi kerja

2. Tujuan [Kembali]

Menganalisis Rangkaiam Op-Amplifier
Mengetahui fungsi dari komponen dengan kondisi yang berbeda beda
Mempelajari desain rangkaian dengan Op-Amplifier
Mengenali komponen yang beroperasi dalam rangkaian Op-Amplifier

3. Alat dan Bahan [Kembali]

1. Amperemeter

Amperemeter adalah alat ukur listrik yang digunakan untuk mengukur nilai arus listrik yang mengalir dalam suatu rangkaian listrik. Pengukuran arus listrik harus memutuskan rangkaian terlebih dahulu lalu dihubungkan masing-masing ke terminal-terminal amperemeter.

2. Power

Power adalah komponen yang menghasilkan tegangan yang dapat divariasikan sesuai dengan kebutuhan pada rangkaian

3. Alternator

Alternator adalah komponen yang menghasilkan tegangan dengan arus bolak balik

4. Op-Amplifier

Op-Amplifier sebagai penguat sinyal arus searah dalam rangkaian

5. Resistor

Resistor atau penghambat merupakan komponen elektronik yang memiliki dua pin dan dirancang untuk mengatur tegangan listrik dan arus listrik. Resistor mempunyai nilai resistansi (tahanan) tertentu yang dapat memproduksi tegangan listrik di antara kedua pin di mana nilai tegangan terhadap resistansi tersebut berbanding lurus dengan arus yang mengalir, berdasarkan persamaan hukum Ohm

Ukuran Watt pada Resistor

Resistor digunakan sebagai bagian dari rangkaian elektronik dan merupakan salah satu komponen yang paling sering digunakan. Resistor dapat dibuat dari bermacam-macam komponen dan film, bahkan kawat resistansi (kawat yang dibuat dari paduan resistivitas tinggi seperti nikel-kromium).

Karakteristik utama dari resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat dihantarkan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, derau listrik (noise), dan induktansi.

6. Ground

Grounding atau Pentanahan adalah sistem pentanahan yang terpasang pada suatu instalasi listrik yang bekerja untuk meniadakan beda potensial dengan mengalirkan arus sisa dari kebocoran tegangan atau arus dari sambaran petir ke bumi.

7. Multimeter (Voltmeter atau Amperemeter)

4. Dasar Teori [Kembali]

Penguat operasional (Operational Amplifier) atau yang biasa disebut dengan op-amp, merupakan penguat elektronika yang banyak digunakan untuk membuat rangkaian detektor, komparator, penguat audio, video, pembangkit sinyal, multivibrator, filter, ADC, DAC, rangkaian penggerak dan berbagai macam rangkaian analog lainnya. Op-amp pada umumnya tersedia dalam bentuk rangkaian terpadu yang memiliki karakteristik mendekati karakteristik penguat operasional ideal tanpa perlu memperhatikan apa yang terdapat di dalamnya. Ada tiga karakteristik utama op-amp ideal, yaitu;

Gain sangat besar (AOL >>). Penguatan open loop adalah sangat besar karena feedback-nya tidak ada atau RF = tak terhingga.
Impedansi input sangat besar (Zi >>). Impedansi input adalah sangat besar sehingga arus input ke rangkaian dalam op-amp sangat kecil sehingga tegangan input sepenuhnya dapat dikuatkan.
Impedansi output sangat kecil (Zo <<). Impedansi output adalah sangat kecil sehingga tegangan output stabil karena tahanan beban lebih besar yang diparalelkan dengan Zo <<. Adapun simbol op-amp adalah seperti pada gambar 1.

Gambar 1. Simbol op-amp

dimana,

V1 adalah tegangan masukan dari kaki non inverting

V2 adalah tegangan masukan dari kaki inverting

Vo adalah tegangan keluaran

sehingga:

Adapun tegangan output maksimum yang dapat dihasilkan adalah:

Tegangan output maksimum secara praktis dihasilkan sekitar 2 Volt dibawah tegangan sumber ±Vs dan disebut juga sebesar tegangan saturasi ±Vsat . Gambar 1 memperlihatkan kurva karakteristik hubungan Vi terhadap Vo untuk rangkaian op-amp dengan tegangan input dihubungkan ke kaki input non inverting (+) dan tegangan 0 Volt (di ground) ke kaki input inverting (-). Sesuai dengan nama input op-amp yaitu apabila input dimasukkan ke kaki non inverting (+) yang artinya tidak membalik maka tegangan output yang dihasilkan adalah sefasa dengan tegangan input. Seperti terlihat pada gambar 1 yaitu saat input Vi bertegangan positif maka output yang dihasilkan juga bertegangan positif dan sebaliknya.

Rangkaian Amplifier

Rangkaian op-amp Amplifier adalah penguat Input yang dimana amplifier bekerja pada karakteristik yang membentuk hubungan linear artinya semakin besar Vi maka semakin besar juga VO dan sebaliknya. Operasi amplifier menghindari output dalam kondisi saturasi karena akan membuat cacat keluaran outputnya. Ciri – ciri rangkaian amplifier yaitu ada resistor feedback negatif dari output ke input inverting op-ampnya.

- Inverting Amplifier

Sesuai dengan namanya yaitu dengan input dimasukkan ke kaki inverting (pembalik) sehingga output akan dibalik atau beda fasa sebesar 180 derajat. Dalam Analisa rangkaian amplifier disyaratkan op-amp bekerja ideal sehingga tegangan differensial (selisih tegangan di kaki non-inverting dan inverting) Ed = 0. Sehingga arus yang melewati Ri sama dengan arus yang melewati Rf karena arus yang masuk ke kaki inverting sangat kecil karena sifat op-amp dimana impendasi (Zi) inputnya sangat besar.

Rangkaian inverting amplifier

Persamaan untuk mencari Vouputnya :

Dimana :

Acl = -Rf/Ri

Vo = Acl x Vi

Vo = (-Rf/Ri) x Vi

- Inverting Adder Amplifier

Konsepnya sama seperti Inverting amplifier, namun disini ada penambahan input yang masuk ke kaki inverting op-amp. Yang dimana arus masuk sama dengan arus keluar I = I1+I2+I3 sehingga arus di Rf sama dengan jumlah arus di R1,R2, dan R3.

Dengan syarat op-amp ideal Ed=0

Rangkaian Op-Amp Inverting Adder Amplifier

Persamaan untuk mencari Voutputnya :

Vo = -Rf [V1/R1 + V2/R2 + V3/R3 + … + Vn/Rn] -> untuk input lebih dari 3 dan seterusnya.

Rangkain Non Inverting Amplifier

- Non Inverting Amplifier

Rangkaian non inverting amplifier (tidak membalik) input dimasukkan ke kaki non inverting sehingga tegangan output yang dihasilkan sefasa dengan tegangan input.

Rangkaian Non Inverting Amplifier

Dengan syarat op-amp ideal Ed = 0 maka persamaan Vouput yang didapat :

Dimana :

Acl = Rf/Ri + 1

Vo = Acl x Vi

Vo = (Rf/Ri + 1) x Vi

- Voltage Follower Atau Buffer

Rangkaian yang dimana Acl = 1

Rangkaian Voltage Follower Atau Buffer

Dengan syarat op-amp ideal dimana Ed = 0 maka Vo = Vi. Sehingga Acl = Vo/Vi = 1

Maka untuk mencari Vouputnya :

Acl = 1

Vo = Acl x Vi

Vo = 1 x Vi

Vo = Vi

5. Ringkasan[Kembali]

Op-Amp (Operational Amplifier) adalah komponen elektronika yang berfungsi sebagai penguat sinyal analog dan digunakan dalam berbagai rangkaian seperti:

Detektor, komparator, audio, video amplifier
Filter, ADC, DAC
Pembangkit sinyal, multivibrator, dan lainnya

Karakteristik Op-Amp Ideal:

Gain tak berhingga (∞)
Impedansi input tak berhingga (∞)
Impedansi output = 0

Simbol Op-Amp:

Kaki (+) → Non-Inverting Input
Kaki (-) → Inverting Input
Output → Keluaran sinyal
V+ dan V- → Tegangan suplai (biasanya tidak digambar dalam rangkaian sederhana)

Jenis Rangkaian Op-Amp

A. Inverting Amplifier

Input masuk ke kaki inverting (-)
Output terbalik 180° dari input (beda fasa)
Ada resistor feedback (Rf) dari output ke input inverting

Persamaan:

B. Inverting Adder Amplifier

Sama seperti inverting, tapi lebih dari satu input
Semua input masuk ke kaki inverting lewat resistor masing-masing

Persamaan:

C. Non-Inverting Amplifier

Input masuk ke kaki non-inverting (+)
Output sefase dengan input (tidak dibalik)

Persamaan:

D. Voltage Follower / Buffer

Input langsung ke non-inverting, dan output diumpankan balik langsung ke inverting
Tidak ada penguatan, hanya mengikuti input

Persamaan:

Vo = Vi

Example:

1. Inverting Amplifier

Sebuah rangkaian Inverting Amplifier memiliki resistor input (Ri) sebesar 2 kΩ dan resistor feedback (Rf) sebesar 10 kΩ. Jika tegangan input (Vi) = 0.5 V, maka tegangan output (Vo) adalah sebesar?

Penyelesaian:

Jawaban: -2,5 V

2. Non-Inverting Amplifier

Sebuah rangkaian Non-Inverting Amplifier menggunakan resistor Ri = 1 kΩ dan Rf = 4 kΩ. Jika tegangan input (Vi) = 2 V, maka tegangan output (Vo) adalah?

Penyelesaian:

Jawaban: 10 V

3. Warna Resistor

Sebuah resistor memiliki pita warna: Merah, Ungu, Oranye, dan Emas. Maka nilai resistansi resistor tersebut adalah?

Penyelesaian:

Merah = 2 (digit 1)

Ungu = 7 (digit 2)

Oranye = 10³ = 1.000

Emas = toleransi 5%

Nilai = 27 x 1000

Nilai = 27000

Jawaban: 27.000 Ω (dengan toleransi ±5%)

Problem 1: Inverting Amplifier

Sebuah rangkaian Inverting Amplifier menggunakan:

Resistor input $R_i = 1\,k\Omega$
Resistor feedback $R_{f} = 5 k Ω$
Tegangan input $V_i = 0.8\,V$

Hitunglah tegangan output (Vo) dari rangkaian tersebut.

Langkah Penyelesaian:

1. Gunakan rumus penguatan (gain) untuk Inverting Amplifier:

2. Hitung nilai Acl:

3. Hitung output:

Jawaban:

Tegangan output = -4 V

Problem 2: Non-Inverting Amplifier

Sebuah rangkaian Non-Inverting Amplifier dirancang dengan:

$R_{i} = 2 k Ω$
$R_{f} = 6 k Ω$
Tegangan input $V_{i} = 1.2 V$

Berapa tegangan output (Vo) yang dihasilkan rangkaian tersebut?

Langkah Penyelesaian:

1. Gunakan rumus gain Non-Inverting Amplifier:

2. Hitung Gain:

3. Hitung output:

Jawaban:

tegangan output = 4,8 V

Problem 3: Menghitung Nilai Resistor dari Warna

Sebuah resistor memiliki pita warna:

Kuning – Ungu – Merah – Coklat

Tentukan nilai resistansi dan toleransinya!

Langkah penyelesaian:

1. Identifikasi warna berdasarkan kode warna resistor:

kuning = 4 (digitnpertama)

Ungu = 7 (digit kedua)

Merah = 10² = 100 (pengali)

Coklat = toleransi 1%

2. Hitung resistansi:

3. Toleransi = ±1%

Jawaban:

Resistansi = 4,7 kΩ dengan toleransi ±1%

Soal Pilihan Ganda:

1. Sebuah rangkaian Inverting Adder Amplifier memiliki konfigurasi sebagai berikut:

V1 = 1 V
R1 = 1 kΩ
V2 = 2 V
R2 = 2 kΩ
Rf = 4 kΩ

Jika op-amp diasumsikan ideal, maka tegangan output Vo adalah:

A. –4 V
B. –3 V
C. –8 V
D. –6 V

Jawaban:

C. -8 V

Penjelasan:

Gunakan rumus:

2. Seorang teknisi merancang rangkaian op-amp di mana:

Input diberikan ke kaki non-inverting
Ada resistor $R_i$ dan $R_f$ yang membentuk feedback dari output ke input inverting
Tegangan output sefase dengan input

Jenis rangkaian apakah ini?

A. Inverting Amplifier
B. Non-Inverting Amplifier
C. Voltage Follower
D. Inverting Adder

Jawaban:

B. Non-Inverting Amplifier

Penjelasan:

Input masuk ke kaki non-inverting → artinya output tidak dibalik (sefase)
Ada feedback → penguat
Maka ini adalah Non-Inverting Amplifier

Distraktor (jebakan logis):

A. Salah karena input ke kaki inverting
C. Salah karena voltage follower tidak pakai resistor feedback
D. Salah karena adder hanya pada kaki inverting dan punya banyak input

3. Manakah dari pernyataan berikut ini yang paling tepat menggambarkan alasan mengapa arus yang masuk ke kaki input Op-Amp ideal sangat kecil?

A. Karena gain-nya besar
B. Karena output-nya nol
C. Karena impedansi input-nya sangat besar
D. Karena tegangan input-nya kecil

Jawaban:

C. Karena impedansi input-nya sangat besar

Penjelasan:

Op-amp ideal memiliki impedansi input ∞, sehingga arus yang masuk ke input ≈ 0 A
Ini memungkinkan asumsi bahwa arus ke kaki inverting ≈ 0, dan digunakan dalam analisis seperti:
$I_{in} = 0 \Rightarrow I_{Ri} = I_{Rf}$