Penguat operasional
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0b/Op-amps.jpg/300px-Op-amps.jpg)
Penguat operasional (bahasa Inggris: operational amplifier) atau yang biasa disebut op-amp merupakan suatu jenis penguat elektronika dengan sambatan arus searah yang memiliki bati (faktor penguatan) sangat besar dengan dua masukan dan satu keluaran. [1][2] Penguat operasional pada umumnya tersedia dalam bentuk sirkuit terpadu dan yang paling banyak digunakan adalah seri 741. [1]
Penguat operasional adalah perangkat yang sangat efisien dan serba guna.[3] Contoh penggunaan penguat operasional adalah untuk operasi matematika sederhana seperti penjumlahan dan pengurangan terhadap tegangan listrik hingga dikembangkan kepada penggunaan aplikatif seperti komparator dan osilator dengan distorsi rendah.[3]
Penguat operasional dalam bentuk rangkaian terpadu memiliki karakteristik yang mendekati karakteristik penguat operasional ideal tanpa perlu memperhatikan apa yang terdapat di dalamnya.[1] Karakteristik penguat operasional ideal adalah:[1]
- Bati tegangan tidak terbatas.[1]
- Impedansi masukan tidak terbatas.[1]
- Impedansi keluaran nol.[1]
- Lebar pita tidak terbatas.[1]
- Tegangan ofset nol (keluaran akan nol jika masukan nol).[1]
Sejarah
Awal dari penguat operasional adalah tahun 1940an, saat di mana sirkuit elektronika dasar dibangun menggunakan tabung vakum untuk melakukan operasi matematika seperti penjumlahan, pengurangan, perkalian, pembagian, integral, dan turunan.[4] Penguat operasional yang tersedia secara komersial untuk pertama kalinya adalah K2-W yang diproduksi oleh Philbrick Researches, Inc. dari Boston antara tahun 1952 hingga awal 1970an.[4][5] Penguat operasional tersebut harus dijalankan pada tegangan +/- 300 V dan memiliki berat 85 g dan berukuran 3,8 cm x 5,4 cm x 10,4 cm dan dijual seharga US$22.[4]
Saat ini penguat operasional tersedia dalam bentuk sirkuit terpadu dan tidak lagi menggunakan tabung vakum, melainkan menggunakan transistor.[4] Dalam suatu sirkuit terpadu penguat operasional umumnya terdapat lebih dari 25 transistor beserta resistor dan kapasitor yang diperlukan hanya dalam satu cip silikon.[4] Hasilnya, penguat operasional modern hanya membutuhkan tegangan listrik +/- 18 V, bahkan beberapa jenis seperti LM324 dapat berjalan pada tegangan hanya +/- 1,5 V.[4][6] Penguat operasional KA741 dari Fairchild Semiconductor yang banyak digunakan bahkan hanya berukuran 5,7mm x 4,9mm x 1,8mm dan tersedia di pasaran dengan harga hanya Rp.3.500 (US$0,37).[4][7]
Istilah-istilah
Dalam lembar spesifikasi penguat operasional, dapat ditemukan banyak istilah-istilah yang berkaitan dengan kerja penguat operasional.[8] Beberapa istilah dan definisinya antara lain:
- : Lebar pita bati satuan (bahasa Inggris: unity gain bandwidth) adalah rentang frekuensi di mana bati penguatan tegangan simpal terbuka bernilai lebih dari satu.[8]
- : Nisbah penolakan ragam bersama (bahasa Inggris: Common-mode rejection ratio) adalah nisbah atau perbandingan nilai penguatan dari selisih tegangan listrik dalam penguatan ragam bersama (bahasa Inggris: common-mode).[8] Nilai ini diukur dengan cara menentukan nisbah perubahan pada tegangan listrik masukan ragam bersama terhadap perubahan yang dihasilkannya pada tegangan ofset.[8]
- : Darab lebar-pita bati (bahasa Inggris: gain bandwidth product) adalah nilai hasil perkalian antara nilai penguatan tegangan simpal terbuka dan frekuensi sinyal saat pengukuran tersebut.[8]
- : Impedansi masukan ragam bersama, yaitu hasil penjumlahan paralel impedansi terhadap sinyal kecil di antara tiap terminal masukan dengan bumi.[8]
- : Impedansi keluaran, yaitu Impedansi terhadap sinyal kecil di antara terminal keluaran dengan bumi.[8]
Notasi Sirkuit
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/97/Op-amp_symbol.svg/200px-Op-amp_symbol.svg.png)
Simbol penguat operasional pada rangkaian seperti pada gambar di samping, di mana: [9]
- : masukan non-pembalik
- : masukan pembalik
- : keluaran
- : catu daya positif
- : catu daya negatif
Catu daya pada notasi penguat operasional seringkali tidak dicantumkan untuk memudahkan penggambaran rangkaian.[4]
Aplikasi sirkuit
Terdapat banyak sekali penggunaan dari penguat operasional dalam berbagai jenis sirkuit listrik.[4] Di bawah ini dipaparkan beberapa penggunaan umum dari penguat operasional dalam contoh sirkuit:
Komparator (Pembanding)
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/0d/Op-Amp_Comparator.svg/220px-Op-Amp_Comparator.svg.png)
Merupakan salah satu aplikasi yang memanfaatkan bati simpal terbuka (bahasa Inggris: open-loop gain) penguat operasional yang sangat besar.[4] Ada jenis penguat operasional khusus yang memang difungsikan semata-mata untuk penggunaan ini dan agak berbeda dari penguat operasional lainnya dan umum disebut juga dengan komparator (bahasa Inggris: comparator).[4]
Komparator membandingkan dua tegangan listrik dan mengubah keluarannya untuk menunjukkan tegangan mana yang lebih tinggi.[4]
di mana adalah tegangan catu daya dan penguat operasional beroperasi di antara dan .)
Penguat pembalik
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/41/Op-Amp_Inverting_Amplifier.svg/300px-Op-Amp_Inverting_Amplifier.svg.png)
Sebuah penguat pembalik menggunakan umpan balik negatif untuk membalik dan menguatkan sebuah tegangan.[10] Resistor Rf melewatkan sebagian sinyal keluaran kembali ke masukan.[10] Karena keluaran taksefase sebesar 180°, maka nilai keluaran tersebut secara efektif mengurangi besar masukan.[10] Ini mengurangi bati keseluruhan dari penguat dan disebut dengan umpan balik negatif.[10]
Di mana,
- (karena adalah bumi maya)
- Sebuah resistor dengan nilai , ditempatkan di antara masukan non-pembalik dan bumi. Walaupun tidak dibutuhkan, hal ini mengurangi galat karena arus bias masukan.[11]
Bati dari penguat ditentukan dari rasio antara Rf dan Rin, yaitu:[10]
Tanda negatif menunjukkan bahwa keluaran adalah pembalikan dari masukan. [10] Contohnya jika Rf adalah 10.000 Ω dan Rin adalah 1.000 Ω, maka nilai bati adalah -10000Ω/1000Ω, yaitu -10. [10]
Penguat non-pembalik
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/44/Op-Amp_Non-Inverting_Amplifier.svg/300px-Op-Amp_Non-Inverting_Amplifier.svg.png)
Rumus penguatan penguat non-pembalik adalah sebagai berikut:[12]
atau dengan kata lain:
Dengan demikian, penguat non-pembalik memiliki bati minimum bernilai 1. Karena tegangan sinyal masukan terhubung langsung dengan masukan pada penguat operasional maka impedansi masukan bernilai .
Penguat diferensial
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a2/Op-Amp_Differential_Amplifier.svg/300px-Op-Amp_Differential_Amplifier.svg.png)
Penguat diferensial digunakan untuk mencari selisih dari dua tegangan yang telah dikalikan dengan konstanta tertentu yang ditentukan oleh nilai resistansi yaitu sebesar untuk dan .[12] Penguat jenis ini berbeda dengan diferensiator.[12] Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut:[12]
Sedangkan untuk dan maka bati diferensial adalah:[12]
Penguat penjumlah
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/3e/Op-Amp_Summing_Amplifier.svg/300px-Op-Amp_Summing_Amplifier.svg.png)
Penguat penjumlah menjumlahkan beberapa tegangan masukan, dengan persamaan sebagai berikut:[12]
- Saat , dan saling bebas maka:
- Saat , maka:
- Keluaran adalah terbalik.
- Impedansi masukan dari masukan ke-n adalah (di mana adalah bumi maya)
Integrator
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bd/Op-Amp_Integrating_Amplifier.svg/300px-Op-Amp_Integrating_Amplifier.svg.png)
Penguat ini mengintegrasikan tegangan masukan terhadap waktu, dengan persamaan:[12]
di mana adalah waktu dan adalah tegangan keluaran pada .
Sebuah integrator dapat juga dipandang sebagai tapis pelewat-tinggi dan dapat digunakan untuk rangkaian tapis aktif.[13]
Diferensiator
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5f/Op-Amp_Differentiating_Amplifier.svg/300px-Op-Amp_Differentiating_Amplifier.svg.png)
Mendiferensiasikan sinyal hasil pembalikan terhadap waktu dengan persamaan:
di mana dan adalah fungsi dari waktu.
Fungsi diferensiator adalah kebalikan dari fungsi integrator. Diferensiator dapat juga dilihat sebagai tapis pelewat-rendah dan dapat digunakan sebagai tapis aktif.[13]
Referensi
- ^ a b c d e f g h i (Inggris)Nave, Carl Rod (2006). "HyperPhysics - Operational Amplifier" (dalam bahasa Inggris). Department of Physics and Astronomy, Georgia State University. Diakses tanggal 2010-05-08.
- ^ Terjemahan istilah berdasarkan: "Glosarium". Pusat Bahasa Departemen Pendidikan Nasional. Diakses tanggal 2010-05-08.
- ^ a b (Inggris)Carter, Bruce; Brown, Thomas. "Handbook of Operational Amplifier Applications" (PDF). Texas Instruments. Diakses tanggal 2010-05-15.
- ^ a b c d e f g h i j k l (Inggris)Hayt, William; Kemmerly, Jack; Durbin, Steven (2007). Engineering Circuit Analysis (dalam bahasa Inggris) (edisi ke-7th). McGraw-Hill Higher Education. hlm. 173-205. ISBN 978-0-07-286611-7.
- ^ (Inggris)"The Philbrick Archive" (dalam bahasa Inggris). George A. Philbrick Researches (GAP/R) Archive. Diakses tanggal 2010-05-08.
- ^ (Inggris)"LM324 Low Power Quad Operational Amplifier" (dalam bahasa Inggris). National Semiconductor. Diakses tanggal 2010-05-08.
- ^ (Inggris)"KA741 Operational Amplifier" (dalam bahasa Inggris). Fairchild Semiconductor. Diakses tanggal 2010-05-08.
- ^ a b c d e f g (Inggris)karki, Jim (1998). "Understanding Operational Amplifier Specifications" (PDF). Texas Instruments. Diakses tanggal 2010-05-15.
- ^ (Inggris)"What is Operational Amplifier (op-amp)". HobbyProjects.com. Diakses tanggal 2010-05-08.
- ^ a b c d e f g (Inggris)Horn, Delton (1994). Basic Electronics Theory (edisi ke-4). McGraw-Hill Professional. hlm. 342-343.
- ^ (Inggris)Malmstadt, Howard; Enke, Enke; Crouch, Stanley (1981). Electronics and Instrumentation for Scientists (dalam bahasa Inggris). The Benjamin/Cummings Publishing Company, Inc. hlm. 118. ISBN 0-8053-6917-1.
- ^ a b c d e f g (Inggris)"Application Note 31 Op Amp Circuit Collection" (PDF) (dalam bahasa Inggris). National Semiconductor. Diakses tanggal 2010-05-08.
- ^ a b (Inggris)"Introduction to Filter". Diakses tanggal 2010-05-08.