Transcript 06_OpAmp_1
OPERATIONAL AMPLIFIER
Impedansi
Yi: nilai hambatan dalam rangkaian elektronika (R bukan hanya resistor saja) Misal: Sebuah accu 6 volt disusun dari 3 cell (dengan beda potensial 2 volt) yang dihubungkan secara seri dengan logam penghantar dengan hambatan dalam 10 -3 Ω, maka impedansi accu adalah: z = R 1 + R 2 + R 3 = 3*10 -3 Ω Impedansi 2 V R 1 2 V → impedansi input → impedansi output R 2 2 V R 3
OPERATIONAL AMPLIFIER
Bagaimana impedansi mempengaruhi suatu pengukuran?
illustrasi: Sebuah tranduscer dgn V Trans = 3V punya output impedansi yang besar: 5 KΩ, dihubungkan dengan alat ukur dengan input impedansi yang kecil 100 Ω, maka analisa rangkaian adalah sebagai berikut: R O A lat u k u r 5 K O h m 3 V R i 1 0 0 O h m V Ro V Ri = 3/ (5000 + 100) * 5000 = 2.94 V = 3/ (5000 + 100) * 100 = 0.059 V Berdasarkan hasil diatas, sinyal yang diterima oleh alat ukur sangat kecil (0.059 V), sehingga informasi diterima alat ukur
tidak layak
Cara untuk mengatasi permasalahan diatas adalah dengan membuat impedansi alat ukur menjadi sebesar-besarnya, untuk itu diperlukan perangkat dengan nama
buffer
OPERATIONAL AMPLIFIER
1.
2.
3.
KEGUNAAN OP AMP (2)
Voltage follower (
buffer
) Penguatan selisih (
differential amp
) Penguat penjumlah (
summing amp
)
Voltage follower (
buffer
)
Rangkaian yang menghubungkan output dengan input inverting (-) operational amplifier V IN + V O V O = A OL (V + - V_) V O = A OL (V IN V IN – V O = V O - V / A O OL ) Karena AOL ≈ tak hingga maka V O / A OL ≈ 0 V IN = V O Penguatan tegangan = 1 Sifat-sifat buffer: 1. Impedansi input sangat tinggi 2. Impedansi output sangat rendah 3. Penguatan tegangan = 1 X
OPERATIONAL AMPLIFIER
Memperbaiki pengaruh impedansi pada suatu pengukuran
output tranduscer dihubungkan dengan input buffer, sedangkan output buffer dihubungkan dengan input alat ukur Input + Indikator Z i = 1 M O hm (m isal) R O A lat ukur V Ro V Ri = 3/ (5000 + 10 6 ) * 5000 = 0.15 V = 3/ (5000 + 10 6 ) * 10 6 = 2.98 V Ilustrasi diatas menunjukkan V Ri = 2.98 V Mendekati harga output tranduscer (3 V) Sehingga dalam praktek: 5K O hm 3 V Z i 1 M O hm
Tranduscer B uffer
+
M easurem ent
Diperhatikan bahwa permasalahan diatas merupakan
voltage sensing instruments
(pengukuran tegangan), membutuhkan impedansi input yang besar, untuk current sensing instruments lain lagi, yaitu membutuhkan impedansi input yang kecil
OPERATIONAL AMPLIFIER
Penguat selisih (
differential amp
)
Pada rangkaian penguat selisih, input non-inverting nya (+) terhubung ke ground lewat R 1, mendapat sinyal input v 2 terhubung dengan v 1 lewat R. Input inverting (-) melewati R, dan terhubung dengan resistor feedback R 1
i1 v1 i1
R
v2 i2
R
vA
A
vB
B R1
-
+
R1
vo i
1 Titik A:
v A
= v
v
1
R 1 – Ri 1
v
0
R
1 Sehingga :
v A
v
1
R
v
1
R
v
0
R
1 Titik B: Dengan rumus pembagi tegangan :
v B
v
2
R R
1
R
1
OPERATIONAL AMPLIFIER
Penguat selisih (
differential amp
)
Karena :
vA = vB v
1
R
v
1
R
v
0
R
1 =
v
2
R R
1
R
1
v
1
R v
1
R
v
0
R
1
v
2
R R
1
R
1
v
1 (
R
R
1 )
R
(
v
1
v
0 )
v
2
R
1
v
1
R
v
1
R
1
v
1
R
v
0
R
v
2
R
1
v
1
R
1
v
0
R
v
2
R
1
v
0
R
v
2
R
1
v
1
R
1
v
0
R
(
v
2
v
1 )
R
1
v
0
R
1 (
v
2
R
v
1 )
v1 i1 v2 i2
R R
vA
A
vB
B R1
-
+
R1
i1 vo
Dengan rangkaian penguat selisih, didapatkan persamaan V O = R 1 /R (v 2 – v 1 ) artinya selisih dari tegangan input yang masuk OpAmp dikuatkan oleh rasio R 1 dengan R
OPERATIONAL AMPLIFIER
Penguat penjumlah (
summing amp
)
Merupakan OpAmp dengan output sama dengan jumlah tegangan input yang masuk pada terminal inverting, memiliki penguatan negatif, dan masing-masing tegangan dikuatkan dengan rasio R F /R v
i1
R1
iF
RF
v1 v2 v3 i2 i3
R2 R3 A
ii n -
+
Rd
vo
Pada titik A :
i F = i 1 + i 2 + i 3 vA
v
0
R F
R F v
0
v
1
R
1
v
1
R
1
v R
2 2
v R
2 2
v
3
R
3
v R
3 3
v o
R F
v R
1 1
v
2
R
2
v R
3 3 Jika R F Maka V O = R 1 = R = - (V 1 2 + V = R 3 2 + V 3 )
v o
R F R
1
v
1
R F R
2
v
2
R F R
3
v
3
OPERATIONAL AMPLIFIER
Penguat penjumlah (
summing amp
)
Sifat arus yang mengalir pada
summing amp
: i 1 ,i 2 , dan i 3 mengalir pada resistor feedback, sehingga tidak saling mempengaruhi. Sehingga v 1 , v 2 , dan v 3 juga tidak saling mempengaruhi.
Ciri ini dikehendaki dalam suatu
mixer
(pembaur) audio. Jika masing2 input disambung dengan mic, gitar, dan perangkat lain, maka sinyal tersebut akan dibaurkan dengan cara dijumlah. Jika R 1 , R 2 , dan R 3 digunakan resistor variable, maka volume masing2 peralatan dapat disetel, lalu dijumlahkan, sehingga suara penyanyi yang lemah dapat mengatasi suara gitar.
Penguat rerata
i1 v 1 i2 v 2 i3 v 3
R1 R2 R3 A
i i n iF
RF
-
+
Rd
v o
R F R
1
v
1
R F R
2
v
2
R F R
3
v
3
v o
Dari gambar dan persamaan: Jika R 1 , R 2 , dan R 3 = R , sedangkan R f maka persamaan akan menjadi: = R/3 ,
v o
R R
/ 3
v
1
R
/ 3
v
2
R
R R
/ 3
v
3
v o
1 3
v
1 1 3
v
2 1 3
v
3
v o
v
1
v
2 3
v
3
OPERATIONAL AMPLIFIER
Penguat rerata
Secara umum: Jika jumlah sinyal input = n , dan masing2 input dihubungkan dengan resistor pembatas seri R Ω, dan Rf = R/n Ω, maka penguatan summing amplifier:
v o
v
1
v
2
n
...
v n
…merupakan persamaan rerata
v o
i n
1
v n
Aplikasi:
OPERATIONAL AMPLIFIER
Skematik diagram IC 741
OPERATIONAL AMPLIFIER
Karakteristik IC OpAmp
Model OpAmp TL 082 LM 301 A LM 318 LM 324 LF 353 LF 356 LF 411 LM 741 LM 833 LM 1458 CA 3130 Jumlah amplifier tiap IC 2 2 1 2 1 1 4 2 1 1 1 Power supply min/max 12 / 36 10 / 36 10 / 40 3 / 32 12 / 36 10 / 36 10 / 36 10 / 36 10 / 36 6 / 36 5 / 16 Bandwith (MHz) 4 1 15 1 4 5 2 1 15 1 15 Max bias current (nA) 8 250 500 45 8 8 20 500 1050 800 0.05
Slew rate V/us 13 0.5
70 0.25
13 12 15 0.5
7 10 10 Max kuat arus keluaran (mA) 17 25 20 20 20 25 25 25 40 45 20
Max bias current = kebocoran arus pada terminal input (semakin kecil semakin baik) Impedansi input 3130 sebesar 1.5 tera Ω atau 1.5 x 10 -12 Ω Slew rate (laju ubah / laju perubahan tegangan output terhadap input) semakin besar semakin baik Jika laju ubah lebih rendah dari laju perubahan masukan maka terjadilah distorsi (kerusakan sinyal output) Output impedansi LM 741 = 75 Ω, pada power supply -15V … + 15 volt dibutuhkan beda tegangan input 75 μV untuk mendapatkan tegangan saturasi
OPERATIONAL AMPLIFIER
Voltage to current signal conversion
(
transconductans amp
)
Dalam instrumentasi, tranduscer/sensor merupakan perangkat yang berfungsi mengubah besaran fisik (suhu, RH, tekanan, gerak, dll) menjadi sinyal listrik (tegangan, kuat arus, frekuensi, dll). P engolah sinyal T randuscer A lat peraga D ig ital B esaran F isik B esaran L istrik A n alo g Macam perubahan yang terjadi pada pengolah sinyal:
tegan gan k u at aru s tegan gan frek u en si
A n g k a/tek s G erak an / jaru m
k u at aru s tegan gan frek u en si tegan gan d ll
OPERATIONAL AMPLIFIER
Voltage to current signal conversion
(
transconductans amp
)
Jika sinyal yang dikeluarkan tranduscer merupakan sinyal tegangan, maka pengolahan sinyal bisa dilakukan dengan
voltage follower
seperti didepan. Karena pengukuran untuk sinyal tegangan diperlukan impedansi input yang tinggi.
Untuk sinyal kuat arus yang murni/tidak terpengaruh oleh noise dan rugi tegangan, diperlukan impedansi input yang rendah pada alat ukur.
Jika dalam instrumentasi digunakan kuat arus sebagai sinyal olahan, maka masalah akan muncul, jika tidak diketahui resistensi yang jelas dari suatu loop maka akan mempengaruhi sinyal kuat arus keluaran tranduscer sebagai sinyal masukan alat ukur. Hal ini akan menyebabkan pengukuran tidak akurat
OPERATIONAL AMPLIFIER
Voltage to current signal conversion
(
transconductans amp
)
Contoh: perhatikan gambar Sinyal input digambarkan sbg catu daya variabel dimana: Tegangan 1 volt merupakan pengukuran pada 0% Tegangan 5 volt merupakan pengukuran pada 100% Dengan rangkaian dibawah, maka: Tegangan 1 volt akan diolah menjadi kuat arus 4 mA Tegangan 5 volt akan diolah menjadi kuat arus 20 mA Karena rangkaian diatas merupakan rangkaian feedback negatif , maka kuat arus akan bertahan pada nilai tersebut sesuai dengan tegangan input, berapapun nilai impedansi beban pada rangkaian Tugas: Buktikan bahwa pada sinyal input 1 V, kuat arus pada rangkaian adalah 4 mV dan pada sinyal input 5 V, kuat arus pada rangkaian adalah 20 mV
RALAT operational amplifier
vs
Penguatan membalik (
inverting amp
)
Pada rangkaian penguat pembalik, input non-inverting nya (+) terhubung ke ground. Sinyal masukan dihubungkan ke input inverting (-) melalui sebuah resistor R 1 dan arus
feedback
negatif dihubungkan dengan resistor feedback (R F ).
i1
R1 A
v2
+
vd ii n iF -
+
RF Rd
vo i 1 = i F + i IN
karena i IN = 0, maka
i 1 = i F
, maka
v d = 0
V S V O V OUT = (-R F /R IN ) V IN
RALAT operational amplifier
Penguatan tak membalik (
noninverting amp
)
Pada rangkaian penguat tak membalik, input non-inverting nya (+) terhubung dengan sinyal masukan. Input inverting (-) dihubungkan dengan ground melalui sebuah resistor R 1 dan arus
feedback
negatif dihubungkan dengan resistor feedback (R F ).
Dari
iF
V O = A OL (V + - V_) B V IN R1
v IN
A
+
vd -
+
RF Rd
vo
V O = A OL (V IN - V AB ) V O = A OL (V IN – [R 1 /(R 1 +R F )]V O ) V O /A OL = V IN – [R 1 /(R 1 +R F )]V O Dimana V O /A OL ≈ 0 maka: V IN = [R 1 /(R 1 +R F )] V O V O = [(R 1 +R F )/R 1 ] V IN V O = [1+ R F /R 1 ] V IN V OUT • • • Sifat: Dapat menguatkan AC / DC Impedansi input tinggi Impedansi output rendah