CHAPTER 10 DAN 11 AKHIR

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

6. Problem

1. Pendahuluan (kembali)

Penguat operasional (op-amps) adalah komponen mendasar dalam elektronik modern, banyak digunakan dalam pengkondisian sinyal, pemfilteran, dan operasi matematika seperti penjumlahan, integrasi, dan diferensiasi. Penguat tegangan gain tinggi ini membentuk tulang punggung desain sirkuit analog, memungkinkan kontrol yang tepat atas pemrosesan sinyal. Bab 10 memperkenalkan prinsip-prinsip dasar op-amp, termasuk struktur internalnya, amplifikasi diferensial, dan spesifikasi utamanya. Bab 11 mengeksplorasi aplikasi praktis, seperti penjumlahan tegangan, buffering, sumber terkontrol, dan filter aktif, menunjukkan bagaimana op-amp digunakan dalam sirkuit dunia nyata.

2. Tujuan (kembali)

Memahami prinsip kerja dan karakteristik dasar op-amp.
Menganalisis konfigurasi op-amp seperti penguat inverting, non-inverting, dan pengikut tegangan.
Menerapkan op-amp dalam rangkaian penjumlah, integrator, dan filter aktif.
Mengevaluasi parameter kinerja op-amp seperti gain bandwidth product (GBP) dan common-mode rejection ratio (CMRR).

3. Alat dan Bahan (kembali)

1. Op-Amp

2. Resistor

3. Baterai

4. Ground

5. Probe

6. Voltmeter DC

4. Dasar Teori (kembali)

CHAPTER 10: BJT AMPLIFIERS

Chapter 10 membahas secara mendalam tentang penguat berbasis transistor BJT (Bipolar Junction Transistor). Bagian awal menjelaskan konsep dasar penguat, yaitu perangkat yang berfungsi meningkatkan amplitudo sinyal listrik tanpa mengubah bentuk aslinya. Parameter kunci seperti penguatan tegangan (Av), penguatan arus (Ai), dan penguatan daya (Ap) diperkenalkan sebagai ukuran kinerja penguat. Impedansi input dan output juga dijelaskan sebagai faktor penting dalam menentukan kompatibilitas dengan rangkaian lain.

Bagian selanjutnya membahas tiga konfigurasi dasar penguat BJT. Konfigurasi Common-Emitter (CE) merupakan yang paling populer karena memberikan penguatan tegangan dan arus yang tinggi, meskipun menghasilkan pembalikan fase 180 derajat. Common-Base (CB) menawarkan karakteristik unik dengan penguatan tegangan tinggi tetapi penguatan arus mendekati satu, cocok untuk aplikasi frekuensi radio. Sedangkan Common-Collector (CC), sering disebut emitter-follower, memiliki penguatan tegangan mendekati satu tetapi berguna sebagai penyangga impedansi karena impedansi inputnya yang tinggi dan output yang rendah.

Analisis penguat BJT dilakukan dalam dua tahap. Pertama, analisis DC untuk menentukan titik kerja (Q-point) yang stabil menggunakan berbagai teknik bias seperti bias tetap atau bias pembagi tegangan. Kedua, analisis AC menggunakan model sinyal kecil seperti model hybrid-π untuk menghitung parameter penguatan dan impedansi. Kapasitor kopling dan bypass memegang peranan penting dalam mengisolasi komponen DC dan memungkinkan operasi penguat AC yang optimal.

CHAPTER 11: OP-AMP APPLICATIONS

Chapter 11 berfokus pada aplikasi praktis operational amplifier (Op-Amp) dalam berbagai rangkaian elektronik. Diawali dengan penjelasan tentang karakteristik Op-Amp ideal yang memiliki penguatan open-loop tak terhingga, impedansi input tak terhingga, dan impedansi output nol. Meskipun dalam praktiknya tidak ada Op-Amp yang ideal, pemahaman konsep ideal membantu dalam merancang dan menganalisis rangkaian dasar.

Dua konfigurasi fundamental Op-Amp dibahas secara rinci. Penguat inverting, dimana sinyal output memiliki fase yang berlawanan dengan input dan penguatannya ditentukan oleh rasio resistor feedback terhadap resistor input. Penguat non-inverting mempertahankan fase yang sama antara input dan output, dengan penguatan yang selalu lebih besar dari satu. Voltage follower, kasus khusus penguat non-inverting dengan penguatan tepat satu, sangat berguna sebagai penyangga impedansi.

Aplikasi lanjutan Op-Amp mencakup berbagai fungsi pemrosesan sinyal. Rangkaian komparator digunakan untuk mengubah sinyal analog menjadi digital dengan membandingkannya terhadap tegangan referensi. Integrator dan differentiator memanfaatkan kapasitor dalam konfigurasi feedback untuk melakukan operasi matematika dasar. Filter aktif memungkinkan seleksi frekuensi dengan presisi tinggi, dimana jenis low-pass dan high-pass filter paling umum digunakan. Aplikasi praktis lainnya termasuk summing amplifier untuk penjumlahan sinyal, instrumentation amplifier untuk pengukuran presisi, serta osilator untuk membangkitkan berbagai bentuk gelombang periodik.

5. Prinsip Kerja [kembali]

Prinsip Kerja Differentiator

Differentiator adalah rangkaian berbasis operational amplifier (op-amp) yang menghasilkan output berupa turunan pertama dari sinyal input terhadap waktu. Dengan kata lain, output differentiator akan sebanding dengan laju perubahan (rate of change) dari sinyal input.

Pada rangkaian differentiator, sebuah kapasitor dipasang pada jalur input (menuju input inverting op-amp), sedangkan resistor dipasang pada jalur umpan balik (feedback) dari output ke input inverting. Input non-inverting biasanya dihubungkan ke ground.

Ketika sinyal input diberikan, arus yang mengalir melalui kapasitor sebanding dengan laju perubahan tegangan input. Karena op-amp memiliki penguatan sangat tinggi, tegangan pada kedua input (inverting dan non-inverting) akan cenderung sama (prinsip virtual ground). Akibatnya, arus yang mengalir melalui kapasitor juga harus mengalir melalui resistor feedback, sehingga menghasilkan tegangan output.

Secara matematis, hubungan antara input dan output pada differentiator diberikan oleh:

Vout=−RCdVin/dt

Artinya, output berbanding lurus dengan turunan waktu dari input, dikalikan dengan konstanta RC.

Karakteristik Output

Jika input berupa gelombang persegi, output akan berupa pulsa tajam pada setiap perubahan tepi sinyal.

Jika input berupa gelombang sinus, output akan menjadi gelombang kosinus yang terbalik fasa.

Output sangat peka terhadap perubahan cepat pada input.

Prinsip Kerja DC Offset pada Op-Amp

DC offset pada op-amp terjadi karena adanya ketidakseimbangan pada rangkaian internal, khususnya pada pasangan transistor input. Ketidakseimbangan ini menyebabkan op-amp membutuhkan tegangan DC kecil di antara kedua inputnya agar output benar-benar nol. Tegangan kecil ini disebut input offset voltage.

Secara prinsip, ketika kedua input op-amp (inverting dan non-inverting) dihubungkan ke ground (nol volt), output op-amp idealnya juga harus nol. Namun, pada op-amp nyata, karena perbedaan karakteristik komponen internal, output tetap menunjukkan tegangan DC kecil, meskipun inputnya nol. Tegangan ini adalah output offset voltage, yang berasal dari penguatan internal terhadap input offset voltage.

Akibatnya, jika op-amp digunakan untuk memperkuat sinyal DC atau sinyal dengan amplitudo kecil, DC offset ini dapat menyebabkan kesalahan pengukuran atau noise pada output. Untuk mengurangi efek DC offset, beberapa op-amp menyediakan pin khusus (offset null) yang dapat dihubungkan ke potensiometer eksternal untuk mengatur dan menyeimbangkan kembali tegangan offset secara manual.

Contoh Aplikasi/Rangkaian Differentiator Op Amp

Deteksi Tepi Sinyal (Edge Detection)
Differentiator op amp digunakan untuk mendeteksi perubahan cepat pada sinyal input, misalnya sinyal persegi. Outputnya berupa pulsa tajam pada saat perubahan naik atau turun sinyal input, berguna dalam sistem digital dan pemrosesan sinyal.
Pembentukan Gelombang Segitiga dari Gelombang Persegi
Dengan menghubungkan sinyal persegi ke input differentiator, output yang dihasilkan adalah gelombang segitiga. Ini sering digunakan dalam generator fungsi dan modulasi sinyal.
Pengukuran Kecepatan Perubahan Sinyal (Rate of Change Measurement)
Differentiator op amp dapat digunakan dalam sistem kontrol dan instrumentasi untuk mengukur laju perubahan sinyal fisik seperti tekanan, suhu, atau posisi yang diubah menjadi sinyal listrik.

Contoh Aplikasi/Rangkaian Offset Op Amp

Penguat Presisi dengan Kompensasi Offset
Dalam penguat sinyal kecil, offset op amp dapat menyebabkan kesalahan besar. Oleh karena itu, rangkaian offset nulling dengan potensiometer digunakan untuk menghilangkan tegangan offset dan meningkatkan akurasi pengukuran.
Sensor dan Sistem Pengukuran
Offset op amp dikompensasi agar sensor seperti strain gauge, termokopel, atau sensor tekanan dapat memberikan hasil pengukuran yang tepat tanpa kesalahan akibat offset.
Penguat Instrumentasi
Dalam penguat instrumentasi yang digunakan untuk aplikasi medis atau ilmiah, offset op amp diminimalkan dengan desain khusus dan kalibrasi agar sinyal yang sangat kecil dapat diperkuat tanpa distorsi akibat offset.

6. Problem [kembali]

Differentiatorop amp adalah rangkaian penguat operasional yang menghasilkan output tegangan yang proporsional dengan turunan waktu dari tegangan inputnya. Secara matematis, outputnya diberikan oleh persamaan:

dimana R adalah resistor umpan balik dan C adalah kapasitor input. Konsep utama dari rangkaian ini adalah bahwa kapasitor pada input menghasilkan arus yang sebanding dengan laju perubahan tegangan input, karena arus kapasitor iC memenuhi hubungan:

Karena input non-inverting op amp terhubung ke ground (0 V), maka titik input inverting berada pada virtual ground, sehingga arus yang mengalir melalui kapasitor sama dengan arus yang mengalir melalui resistor umpan balik. Dengan menggunakan hukum Kirchhoff pada node input inverting dan sifat ideal op amp (arus input nol), diperoleh hubungan:

atau disederhanakan menjadi:

Output ini memiliki tanda negatif yang menunjukkan adanya pergeseran fase 180° antara input dan output. Karena penguatan diferensial ini meningkat seiring frekuensi, rangkaian differentiator rentan terhadap noise dan sinyal frekuensi tinggi yang tidak diinginkan, sehingga dalam praktik sering ditambahkan resistor kecil pada input atau kapasitor pada jalur umpan balik untuk membatasi bandwidth dan meningkatkan stabilitas.

Differentiator op amp banyak digunakan dalam aplikasi seperti deteksi tepi sinyal, pemrosesan sinyal analog, pembentukan gelombang, dan sistem kontrol yang memerlukan pengukuran laju perubahan sinyal.

Offset Op Amp

Offset op amp mengacu pada fenomena tegangan offset input dan output yang muncul akibat ketidaksempurnaan internal komponen op amp, terutama transistor input. Tegangan offset input adalah tegangan kecil yang harus diterapkan pada input agar output op amp menjadi nol, meskipun input diferensial seharusnya nol. Tegangan offset ini dapat menyebabkan kesalahan pengukuran dan distorsi sinyal, terutama pada aplikasi presisi tinggi.

Penyebab utama offset adalah perbedaan karakteristik transistor input, arus bias input yang tidak seimbang, dan ketidaksempurnaan proses fabrikasi. Tegangan offset ini dapat diperhitungkan sebagai tegangan tambahan yang muncul pada input dan diterjemahkan ke output melalui penguatan op amp.

Untuk mengatasi offset, beberapa metode umum digunakan, antara lain:

Offset Nulling: Menggunakan pin offset null pada op amp dan potensiometer eksternal untuk mengatur dan menghilangkan tegangan offset.
Pemilihan Op Amp dengan Offset Rendah: Memilih op amp dengan spesifikasi offset input yang sangat kecil.
Kompensasi dan Kalibrasi: Menambahkan rangkaian kompensasi offset atau melakukan kalibrasi sistem secara berkala.

7. Soal Latihan [kembali]

Soal 1: Dasar Penguatan

Sebuah sinyal masukan sebesar 0,25 V diperkuat menggunakan constant-gain multiplier dengan penguatan 20 kali. Berapa besar tegangan output yang dihasilkan?

A. 2 V
B. 4 V
C. 5 V
D. 10 V

Jawaban: C. 5 V

Pembahasan:
$V_{out} = 20 \times 0,25 = 5 V$

Soal 2: Aplikasi Sensor

Sensor suhu menghasilkan sinyal sebesar 10 mV/°C. Untuk meningkatkan akurasi pembacaan, sinyal diperkuat dengan penguat berpenguatan tetap sebesar 100. Jika suhu terukur adalah 25°C, berapa tegangan output-nya?

A. 0,25 V
B. 2,5 V
C. 25 V
D. 250 V

Jawaban: B. 2,5 V

Pembahasan:
$V_{in} = 25 \times 10 mV = 250 mV = 0,25 V$
$V_{out} = 100 \times 0,25 = 2,5 V$

Soal 3: Batas Maksimum Output

Sebuah penguat memiliki batas output maksimum 5 V dan penguatan tetap (constant gain) sebesar 50 kali. Berapa nilai maksimum tegangan input yang bisa diberikan tanpa menyebabkan clipping?

A. 0,01 V
B. 0,05 V
C. 0,1 V
D. 0,5 V

Jawaban: C. 0,1 V

Pembahasan:
$V_{in max} = \frac{V_{out max}}{Gain} = \frac{5}{50} = 0,1 V$