Operational Amplifier (Op-Amp) by UmarSidik1

VIEWS: 13 PAGES: 27

Umar Sidik, CV. Electronusa Mechanical Engineering, 2013

More Info
									                       OPERATIONAL AMPLIFIER
                                 (OP-AMP)


11.1 Pendahuluan




           (a)                                                      (c)
                                      (b)
   Gambar 11.1. Berbagai macam penguat operasional (operational amplifier).


    Pada dasarnya penguat operasional (operational amplifier) atau yang disebut
juga dengan op-amp seperti yang terlihat pada gambar 11.1 di atas ini merupakan
sebuah komponen elektronika yang dikemas secara terpadu (integrated circuit),
tentu hal tersebut berbeda dengan sebuah transistor maupun dioda yang dikemas
secara individu (diskrit). Penguat operasional (operational amplifier) tersebut
tersusun dari beberapa transistor hingga membentuk sebuah rangkaian fungsional.
    Pada prinsipnya penguat-penguat operasional (operational amplifier)
digunakan untuk melakukan operasi-operasi aritmatika seperti penambahan
(adding), pengurangan (substraction), integarasi (integration) dan diferensiasi
(differentiation) saat awal ditemukannya. Pada saat awal ditemukannya tersebut,
penguat-penguat operasional (operational amplifier) tersusun atas tabung-tabung
hampa (vacuum tube) yang bekerja dengan tegangan tinggi, namun saat ini
penguat operasional merupakan rangkaian terpadu linear (linear integrated
circuit) yang menggunakan tegangan dc (direct current).
    Pada    dasarnya    penguat-penguat     operasional   (operational    amplifier)
merupakan pengembangan dari penguat-penguat differensial yang digunakan
untuk membandingkan 2 (dua) buah sinyal masukan (input). Hasil pengembangan




                                      227
tersebut memungkinkan sebuah penguat operasional memiliki impedansi masukan
(input impedance) yang tinggi, arus masukan (input current) yang rendah dan
impedansi keluaran (output impedance) yang rendah.


11.1.1 Simbol
                                                 Pada       umumnya          penguat
                                            operasional    (operational    amplifier)
                                            disimbolkan seperti yang terlihat pada
                                            gambar 11.2 di samping ini.
Gambar 11.2. simbol penguat
operasional (operational amplifier).


11.1.2 Konstruksi
     Pada prinsipnya sebuah penguat operasional (operational amplifier) tersusun
atas 3 (tiga) jenis rangkaian penguat (amplifier circuit), yaitu seperti yang terlihat
pada gambar 11.3 di bawah ini:
1.   Penguat diferensial (differential amplifier).
2.   Penguat tegangan (voltage amplifier).
3.   Penguat neraca (push-pull amplifier).




Gambar 11.3. Struktur dasar sebuah penguat operasional (operational amplifier).


     Pada dasarnya penguat diferensial (differential amplifier) yang terdapat pada
sebuah penguat operasional merupakan tingkat masukan (input stage) bagi
penguat operasional tersebut. Penguat diferensial pada penguat operasional
tersebut akan memberikan penguatan pada perbedaan tegangan di antara 2 (dua)
masukan penguat operasional. Keluaran dari penguat diferensial tersebut akan




                                                                                  228
menjadi masukan bagi penguat tegangan (voltage amplifier) untuk mendapatkan
penguatan tambahan (additional gain) yang akhirnya akan dikeluarkan oleh
penguat neraca kelas B (push-pull amplifier) sebagai keluaran dari penguat
operasional. Penguat tegangan (voltage amplifier) tersebut dapat berjumlah lebih
dari 1 (satu) tingkat penguat tegangan (voltage amplifier stage) pada beberapa
penguat operasional. Penguat diferensial, begitu namanya disebut karena
kemampuannya yang dapat menguatkan perbedaan dari 2 (dua) sinyal masukan
(input signal) yang diberikan kepadanya dan bila tidak terdapat perbedaan di
antara kedua sinyal tersebut maka keluaran dari penguat diferensial tersebut akan
bernilai 0 (nol).
     Pada prinsipnya penguat diferensial (differential amplifier) memiliki 3 (tiga)
cara pengoperasian berdasarkan jenis sinyal-sinyal masukannya, yaitu:
1.   Pengoperasian meruncing (single-ended).
2.   Pengoperasian diferensial (differential).
3.   Pengoperasian bersama (common).




                    (a)                                      (b)
Gambar 11.4. (a). Rangkaian dasar penguat diferensial (differential amplifier).
                (b). Simbol penguat diferensial.


     Pada prinsipnya penguat diferensial (differential amplifier) seperti yang
terlihat pada gambar 11.4 di atas ini tersusun dari transistor-transistor ( Q1 dan




                                                                               229
Q2 ) dan resistor-resistor kolektor ( RC1 dan RC 2 ) yang dihubungkan secara hati-
hati hingga memiliki karakteristik-karakteristik yang sama. Transistor-transistor
pada penguat diferensial tersebut, yaitu Q1 dan Q2 , secara bersama-sama
menggunakan sebuah tahanan emiter (single emitter resistor) yang disimbolkan
dengan RE . Pada saat kedua basis pada transistor-transistor tersebut ( Q1 dan Q2 )
dihubungkan ke ground, maka tegangan emiter pada kedua transistor tersebut ( Q1
dan Q2 ) akan bernilai       0,7 volt , hal tersebut terjadi akibat tegangan yang
melintasi kedua persambungan basis-emiter (base-emitter junction) adalah sama.
Tegangan emiter yang sama pada Q1 dan Q2 tersebut menyebabkan nilai arus
pada kedua transistor ( Q1 dan Q2 ) adalah sama ( I E1 = I E 2 ) dan nilai arus emiter
pada kedua transistor bernilai setengah dari arus yang melewati RE karena RE
digunakan secara bersama-sama oleh kedua trasnsistor. Pada saat kondisi tersebut,
nilai arus pada kedua kolektor dari transistor-transistor tersebut ( Q1 dan Q2 )
adalah sama dan nilainya mendekati nilai arus emiter sehingga menyebabkan
tidak adanya perbedaan (zero difference) di antara tegangan masukan (kedua basis
bernilai 0).
     Pada skenario selanjutnya basis pada Q1 dilepaskan dari ground dan
kemudian dihubungkan ke sebuah tegangan positif yang kecil, maka Q1 akan

menghantarkan lebih banyak arus listrik. Kondisi Q1 yang menghantarkan lebih
banyak arus listrik tersebut disebabkan oleh tegangan emiter yang sedikit
meningkat, namun peningkatan tegangan emiter yang sedikit tersebut tidak
menyebabkan kenaikan yang signifikan pada arus total yang melewati tahanan
emiter ( RE ). Pada saat kondisi tersebut, nilai arus emiter pada Q1 ( I E1 ) lebih
besar dari arus emiter pada Q2 ( I E 2 ). Nilai arus emiter yang lebih besar pada Q1
tersebut menyebabkan tegangan kolektor pada Q1 menurun dan tegangan kolektor
pada Q2 meningkat. Menurun dan meningkatnya tegangan pada kedua transistor
tersebut ( Q1 dan Q2 ) menyebabkan terjadinya perbedaan pada tegangan masukan
(input voltage), yaitu bernilai 0 volt dan sedikit bernilai positif untuk yang




                                                                                  230
lainnya.
     Pada skenario lainnya basis pada Q1 ditempatkan kembali ke ground dan
basis pada Q2 dihubungkan dengan tegangan positif yang kecil. Q2 yang telah
dihubungkan dengan tegangan positif yang kecil tersebut akan menyebabkan Q2
akan menghantarkan sedikit arus listrik. Kondisi Q2 yang menghantarkan sedikit
arus listrik tersebut menyebabkan nilai tegangan kolektor pada Q1 akan
meningkat dan nilai tegangan kolektor pada Q2 menurun.
     Pada dasarnya sebuah penguat operasional (operational amplifier) memiliki
3 (tiga) karakteristik utama, yaitu:
1.   Sebuah penguat operasional (operational amplifier) memiliki sebuah
     penguatan tegangan terbuka yang sangat tinggi (high open-loop voltage
     gain) yang disimbolkan dengan Ao . Nilai penguatan tegangan terbuka

     tersebut umumnya berkisar 10 5 untuk tegangan dc (direct current) dan
     tegangan ac (alternating current) berfrekuensi rendah, namun nilai tersebut
     akan menurun sesuai dengan peningkatan frekuensi.
2.   Sebuah penguat operasional (operational amplifier) memiliki impedansi
     masukan yang tinggi (high input impedance). Nilai impedansi masukan
     tersebut berkisar antara 10 6     hingga 1012   .
3.   Sebuah penguat operasional (operational amplifier) memiliki impedansi
     keluaran yang rendah (very low output impedance). Nilai impedansi
     keluaran tersebut berkisar 100        . Nilai impedansi keluaran yang tinggi
     tersebut menyebabkan penguat operasional dapat memindahkan tegangan
     keluaran (output voltage) secara efisien kepada rangkaian beban yang lebih
     besar beberapa kilo Ohm dari penguat operasional.


11.2 Rangkaian Dasar Op-Amp
     Pada prinsipnya terdapat 2 (dua) rangkaian dasar dari penguat operasional
yang sebaiknya diketahui, yaitu:
1.   Rangkaian penguat membalik (inverting op-amp).




                                                                             231
2.     Rangkaian penguat tak membalik (non-inverting op-amp).


11.2.1 Penguat Membalik (Inverting Op-Amp)
      Perhatikan rangkaian penguat operasional (operational amplifier) yang
dihubungkan sebagai penguat membalik (inverting amplifier) pada gambar 11.5 di
bawah ini. Pada rangkaian penguat membalik tersebut sinyal masukan diberikan
melalui sebuah resistor masukan Ri        yang dihubungkan secara seri terhadap

masukan membalik (inverting input) yang disimbolkan dengan               . Sinyal
keluaran penguat operasional pada rangkaian penguat membalik (inverting
amplifier) tersebut diumpan-balikan (feedback) melalui R f ke masukan yang

sama. Pada rangkaian penguat membalik tersebut masukan non-pembalik (non-
inverting input) dihubungkan ke ground.
                                               Pada prinsipnya sebuah penguat
                                          operasional   (operational    amplifier)
                                          ideal memiliki impedansi masukan
                                          yang sangat besar hingga dinyatakan
                                          sebagai   impedansi     masukan     tak-
                                          terhingga (infinite input impedance).
     Gambar 11.5. Rangkaian penguat
     membalik (inverting amplifier).


Kondisi penguat operasional yang memiliki impedansi masukan tak-terhingga
tersebut menyebabkan tidak adanya arus yang melewati masukan membalik
(inverting input) pada penguat operasional. Keadaan tak berarus pada masukan
membalik tersebut membuat tegangan jatuh di antara masukan membalik dan
masukan tak-membalik bernilai 0 volt . Kondisi tersebut menunjukan bahwa
tegangan pada masukan membalik adalah bernilai 0 volt karena kondisi masukan
tak membalik (non-inverting inputs) yang dihubungkan ke ground. Kondisi
masukan membalik (inverting input) yang memiliki tegangan 0 volt tersebut
dinyatakan sebagai ground semu (virtual ground) seperti yang terlihat pada



                                                                              232
gambar 11.6 dan 11.7 di bawah ini, pada masukan membalik tidak terdapat arus
sehingga arus yang melalui Rid dan R f adalah sama I in               If .




  Gambar 11.6. Ground semu (virtual           Gambar 11.7. Aliran arus pada penguat
    ground) pada penguat membalik                    membalik (inverting amplifier).
           (inverting amplifier).


     Pada kondisi tersebut tegangan yang melintasi Ri adalah sama dengan Vin .

Samanya tegangan yang melintasi Ri terhadap Vin tersebut disebabkan oleh
terhubungnya resistor ke ground semu (virtual ground) pada masukan membalik
(inverting input) penguat operasional. Hal tersebut dapat ditulis secara matematis
menjadi:
                                              Vin
                                       I in
                                              Rin

     Sedangkan nilai I f juga dipengaruhi oleh ground semu (virtual ground),

yaitu:
                                              Vout
                                      If
                                              Rf

     Namun karena I f adalah sama dengan I in             If   I in     maka persamaan di

atas dapat disubstitusikan menjadi:


                                       Vout    Vin
                                       Rf      Ri




                                                                                       233
                                   Vout    Rf
                                   Vin     Ri

     Perbandingan antara Vout dan Vin tersebut merupakan penguatan keseluruhan
dari penguat membalik (inverting amplifier) dan dapat ditulis secara matematis
menjadi:
                                           Rf
                                  Acl
                                           Ri
     Persamaan di atas menunjukan bahwa penguatan tegangan tertutup (closed-
loop voltage gain) dari penguat membalik merupakan perbandingan antara
tahanan umpan-balik (feedback resistance, R f ) terhadap tahanan masukan (input

resistance, Ri ).


11.2.2 Penguat Tak Membalik (Non-Inverting Op-Amp)
                                                 Perhatikan   rangkaian     penguat
                                          operasional    (operational     amplifier)
                                          yang     dihubungkan   sebagai     sebuah
                                          penguat tak-membalik (non-inverting
                                          amplifier) pada gambar 11.8 di samping
                                          ini.
 Gambar 11.8. Rangkaian penguat tak
  membalik (non-inverting amplifier).


     Pada rangkaian penguat tak-membalik (non-inverting amplifier) tersebut
sinyal masukan diberikan ke masukan tak-membalik (non-inverting input)
kemudian keluarannya diberikan kembali ke masukan membalik (inverting input)
melalui rangkaian umpan balik (feedback circuit) yang terbentuk oleh resistor
masukan Ri dan resistor umpan-balik R f . Resistor masukan Ri dan resistor

umpan-balik     Rf   tersebut membentuk sebuah rangkaian pembagi tegangan

(voltage divider) yang mengurangi tegangan keluaran Vout dan menghubungkan
tegangan keluaran yang telah berkurang tersebut ke masukan membalik (inverting



                                                                                234
input). Tegangan keluaran Vout              yang dihubungkan ke masukan membalik
tersebut dinyatakan sebagai tegangan umpan-balik (feedback voltage) dan dapat
ditulis secara matematis menjadi:

                                                   Rin
                                 Vf                             Vout
                                             Rin         Rf

     Pada prinsipnya yang menjadi masukan diferensial bagi penguat operasional
pada hubungan ini adalah perbedaan antara tegangan masukan Vin dan tegangan

umpan-balik V f seperti yang terlihat pada gambar 11.9 di bawah ini.

                                                     Tegangan               diferensial   (differential
                                                     voltage)            tersebut    dikuatkan    oleh
                                                     penguatan tegangan terbuka (open-loop
                                                     voltage gain) dari penguat operasional
                                                     tersebut dan disimbolkan dengan Aol .
                                                     Tegangan yang telah dikuatkan tersebut
  Gambar 11.9. Tegangan diferensial                  merupakan tegangan keluaran (output
   pada penguat tak-membalik (non-                   voltage) yang ditulis secara matematis
         inverting amplifier).                       sebagai berikut:
                                                     Vout         Aol Vin    Vf

     Pada dasarnya pada hubungan ini terjadi suatu pelemahan dari rangkaian
umpan-balik yang dapat ditulis secara matematis sebagai berikut:
                                                     Rin
                                        B
                                               Rin         Rf

     Kemudian substitusikan BVout dan V f pada persamaan Vout tersebut

sehingga menjadi:
                                 Vout       Aol Vin           BVout

                             Vout           AolVin       Aol BVout

                             Vout       Aol BVout               AolVin

                                 Vout 1 Aol B                 AolVin




                                                                                                  235
     Dari persamaan tersebut dapat diketahui besarnya penguatan tegangan
keseluruhan (overall voltage gain) dari rangkaian yaitu perbandingan antara
tegangan keluaran Vout dan tegangan masukan Vin yang dapat ditulis secara
matematis menjadi:
                                        Vout          Aol
                                        Vin         1 Aol B

     Pada umumnya nilai Aol B memiliki nilai yang lebih besar daripada 1 (satu)
sehingga persamaan di atas dapat disederhanakan menjadi:
                                       Vout         Aol        1
                                       Vin         Aol B       B
     Kemudian substitusikan nilai pelemahan dari rangkaian umpan-balik ke
dalam persamaan di atas sehingga menjadi:
                                                 Vout      1       Rin         Rf
                        Aol non   inverting
                                                 Vin       B             Rin
     Oleh karena itu,
                                                               Rf
                                  Aol non     inverting    1
                                                               Rin


11.3 Aplikasi Op-Amp
     Pada prinsipnya penguat operasional (operational amplifier) banyak
digunakan pada aplikasi-aplikasi yang membutuhkan kemampuan untuk
melakukan penguatan sinyal (amplifying), integrasi (integration), diferensiasi
(differentiation) dan kemampuan penguat operasional lainnya. Berikut ini adalah
beberapa aplikasi dari penguat operasional.


11.3.1 Rangkaian Pengintegrasi (Integrator)
     Perhatikan gambar 11.10 di bawah ini. Gambar tersebut merupakan sebuah
rangkaian pengintegrasi (integrator). Pada rangkaian pengintegrasi tersebut
memiliki sebuah elemen umpan-balik (feedback element) yaitu sebuah kapasitor
yang membentuk sebuah rangkaian RC dengan resistor masukan (input resistor),




                                                                                    236
                                                      namun pada umumnya sebagian
                                               besar resistor digunakan secara paralel
                                               dengan kapasitor untuk membatasi
                                               penguatan (gain).




          Gambar 11.10. Rangkaian
       pengintegrasi (integrator).


     Pada prinsipnya cara kerja rangkaian pengintegrasi (integrator) dapat
diketahui dengan baik bila kita memahami cara kerja sebuah kapasitor mengisi
muatan (charges). Sebuah kapasitor memiliki muatan                 Q   yang besarnya
proporsional terhadap arus muatan (charging current, I C ) dan waktu t . Secara
matematis hubungan tersebut dapat dinyatakan sebagai:
                                      Q        ICt
     Sedangkan berdasarkan tegangan, hubungan tersebut menjadi:
                                      Q    CVC
     Dari kedua hubungan tersebut dapat diperoleh nilai tegangan kapasitor
berdasarkan hubungan antara arus kapasitor I C , nilai kapasitor C dan waktu

 t , yaitu:

                                               IC
                                     VC           t
                                               C
     Perhatikan persamaan tersebut. Hubungan pada persamaan tersebut
membentuk sebuah persamaan untuk sebuah garis lurus (straight line), yaitu
sebuah garis lurus yang bermula pada titik nol dengan nilai kemiringan yang tetap
                                      IC
(constant slope) berdasarkan nilai             . Hubungan tersebut dapat disesuaikan
                                           C
dengan sebuah persamaan garis lurus yaitu y                mx b , di mana y       VC ,

     IC
m             , x   t dan b   0.
          C




                                                                                  237
     Pada prinsipnya nilai tegangan pada suatu kapasitor tidak bersifat linear
tetapi bersifat eksponensial. Sifat eksponensial tersebut disebabkan karena arus
muatan (charging current) secara berkelanjutan menurun sesuai pada saat
kapasitor tersebut mengisi (charges) dan hal tersebut menyebabkan nilai muatan
(rate of change) dari tegangan menurun secara berkelanjutan. Pada rangkaian
pengintegrasi (integrator), rangkaian RC dan penguat operasional tersebut
membuat muatan kapasitor menjadi konstan. Nilai muatan yang konstan tersebut
menghasilkan sebuah tegangan yang linear, tentu sangat berbeda dengan muatan
pada kapasitor yang sebenarnya merupakan tegangan yang bersifat eksponensial.
     Perhatikan gambar 11.11 di bawah ini.
                                                   Pada   gambar       tersebut    terlihat
                                             bahwa masukan membalik (inverting
                                             input)   pada     penguat       operasional
                                             merupakan       sebuah      ground      semu
                                             (virtual ground). Masukan membalik
                                             yang menjadi ground semu tersebut
                                             menyebabkan      nilai     tegangan     yang
    Gambar 11.11. Aliran arus pada           melintasi Rin adalah sama dengan nilai
 rangkaian pengintegrasi (integrator).       Vin . Hubungan tersebut menghasilkan
                                             sebuah persamaan untuk arus masukan
                                             (input current), yaitu:
                                             Vin
                                      I in
                                             Ri

     Nilai I in tersebut selalu bernilai konstan bila nilai Vin juga konstan dan
masukan membalik (inverting input) selalu berkondisi ground semu (virtual
ground). Nilai I in dan Vin yang konstan tersebut akan menjaga nilai tegangan

yang melintasi Ri bernilai konstan.




                                                                                      238
                                                Pada          prinsipnya      di     dalam
                                           konfigurasi tersebut nilai impedansi
                                           masukan penguat operasional adalah
                                           bernilai     sangat       tinggi        sehingga
                                           menyebabkan arus yang mengalir pada
                                           masukan membalik tersebut sangat
                                           kecil bahkan dapat diabaikan. Nilai arus
                                           yang kecil pada masukan membalik
 Gambar 11.12. Arus mengalir ke Rin
                                           (inverting input) tersebut menyebabkan
                 dan C .
                                           semua       arus       masukan          melewati
                                           kapasitor seperti yang terlihat pada
                                           gambar 11.12 di samping ini dan secara
                                           matematis ditulis menjadi
                                                 IC    I in

     Pada prinsipnya seperti yang sudah dijelaskan bahwa nilai I in adalah konstan

maka nilai I C juga bernilai konstan. Nilai I C yang konstan tersebut akan mengisi
kapasitor secara linear sehingga menghasilkan sebuah tegangan lurus yang
melintasi C . Polaritas positif     pada kapasitor tersebut ditetapkan pada 0 volt
oleh ground semu (virtual ground) penguat operasional, sedangkan pada polaritas
negatif       kapasitor yaitu tegangan keluaran (output voltage) dari penguat
operasional tersebut secara linear akan menurun dari titik nol seperti saat kapasitor
mengisi dan dapat dilihat pada gambar 11.13 di bawah ini. Tegangan keluaran
tersebut merupakan sebuah tegangan yang memiliki kemiringan negatif (negative
ramp) yang diakibatkan oleh masukan positif yang konstan (constant positive
input).




                                                                                       239
Gambar 11.13. Tegangan keluaran (output voltage) pada rangkaian pengintegrasi
 (integrator) bila tegangan masukannya (input voltage) berupa tegangan persegi
                                        yang konstan.


     Pada prinsipnya bila sebuah tegangan masukan positif (positive input
voltage) yang berbentuk anak tangga atau pulsa (step or pulse) diberikan pada
rangkaian pengintegrasi (integrator) tersebut, maka rangkaian pengintegrasi akan
mengeluarkan sebuah tegangan dengan kemiringan pada tegangan tersebut yang
menurun hingga penguat operasional menjadi jenuh (saturation) pada tingkat
negatif maksimumnya seperti yang terlihat pada gambar 11.14 di bawah ini.
                                                                                   IC
     Kemiringan pada tegangan keluaran tersebut diatur oleh hubungan                        ,
                                                                                        C
                         Vin
namun karena I C                     maka tingkat muatan atau kemiringan tegangan
                               Rin

                                        Vout
keluaran pengintegrasi adalah                       . Secara matematis hubungan tersebut
                                                t
dapat ditulis menjadi:
                                         Vout         Vin
                                          t           Rin C
     Pada umumnya rangkaian pengintegrasi (integrator) secara khusus berguna
pada osilator-osilator gelombang segitiga (triangular-wave oscillator) seperti
terlihat pada gambar 11.14 di bawah ini.




                                                                                    240
Gambar 11.14. Persamaan antara tegangan masukan (input voltage) dan tegangan
       keluaran (output voltage) pada rangkaian pengintegrasi (integrator).


11.3.2 Rangkaian Diferensiator (Differentiator)
                                                    Perhatikan        gambar       11.15      di
                                             samping         ini.       Gambar          tersebut
                                             merupakan               sebuah        rangkaian
                                             diferensiator          (differentiator).      Pada
                                             rangkaian diferensiator tersebut terlihat
                                             bahwa      penempatan            kapasitor     dan

Gambar 11.15. Rangkaian diferensiator        resistor adalah berbeda dari rangkaian

            (differentiator).                pengintegrasi            (integrator).        Pada
                                             konfigurasi tersebut kapasitor menjadi
                                             elemen     masukan           (input      element),
                                             sedangkan resistor menjadi
komponen umpan-balik (feedback element). Rangkaian diferensiator tersebut akan
menghasilkan sebuah keluaran (output) yang berbanding lurus (proportional)
terhadap tingkat muatan tegangan masukan (input voltage).
      Perhatikan gambar 11.16 dan 11.17 di bawah ini. Pada gambar tersebut
terlihat sebuah tegangan gergaji positif (positive sawtooth) menjadi masukan bagi
rangkaian diferensiator. Pada hubungan tersebut semua arus masukan I in akan

menjadi arus kapasitor          IC   sehingga I C    I in , sedangkan tegangan yang

melintasi kapasitor VC tersebut adalah sama besarnya dengan tegangan masukan

Vin    sehingga VC     Vin , hal tersebut disebabkan oleh masukan membalik




                                                                                            241
(inverting input) yang telah menjadi ground semu (virtual ground). Hubungan
tersebut dapat ditulis secara matematis menjadi:
                                          IC
                                   VC        t
                                          C

                                         VC
                                   IC       C
                                          t
                                                 Pada     prinsipnya     arus     pada
                                          masukan membalik (inverting input)
                                          adalah sangat kecil sehingga dapat
                                          diabaikan,      dengan     begitu     hampir
                                          seluruh arus kapasitor       IC     mengalir

                                          pada resistor     IR     sehingga I R     IC .
                                          Arus     pada    kapasitor    dan     resistor
   Gambar 11.16. Aliran arus pada
                                          tersebut adalah bernilai konstan karena
    sebuah rangkaian diferensiator
                                          kemiringan        tegangan          kapasitor
            (differentiator).
                                          (capacitor voltage) yang konstan. Arus
                                          yang konstan tersebut




 Gambar 11.17. Sebuah rangkaian diferensiator (differentiator) dengan masukan
                   berupa tegangan gergaji (sawtooth voltage).


menghasilkan tegangan keluaran yang konstan dan nilai tegangan keluaran adalah




                                                                                   242
sama nilainya terhadap tegangan yang melintasi R f . Secara matematis hubungan

tersebut dapat ditulis menjadi:
                                  Vout    IRRf   IC R f

                                            VC
                                   Vout        Rf C
                                             t
     Pada prinsipnya tegangan keluaran tersebut akan bernilai negatif ketika
masukannya berupa tegangan gergaji positif (positive sawtooth) dan akan bernilai
positif ketika masukannya berupa tegangan gergaji negatif (negative sawtooth)
seperti yang terlihat pada gambar 11.18 di bawah ini. Saat kemiringan positif
terjadi pada masukan maka kapasitor berkondisi mengisi (charging) dari sumber
masukan dan saat itu juga sebuah arus konstan akan melalui resistor umpan-balik
(feedback resistor). Saat kemiringan negatif terjadi pada masukan maka arus
mengalir dengan arah yang berlawanan karena kapasitor berkondisi melepaskan
muatan (discharging). Nilai kemiringan pada masukan tersebut ditentukan oleh
           VC
hubungan            , bila kemiringan tersebut meningkat maka nilai Vout juga akan
                t
meningkat dan bila kemiringan menurun nilai Vout juga akan menurun.




 Gambar 11.18. Bentuk gelombang masukan (input) dan keluaran (output) pada
                     sebuah rangkaian diferensiator (differentiator).




                                                                              243
11.3.3 Pembanding (Comparator)
     Pada dasarnya penguat operasional (operational amplifier) umum digunakan
sebagai komparator untuk membandingkan (compare) amplitudo suatu tegangan
dengan amplitudo tegangan lainnya. Pada rangkaian komparator tersebut penguat
operasional digunakan pada konfigurasi terbuka (open-loop configuration) dengan
tegangan masukan (input voltage) pada satu terminal masukan dan sebuah
tegangan referensi (reference voltage) pada terminal masukan lainnya.
     Pada prinsipnya sebuah rangkaian komparator merupakan sebuah contoh dari
rangkaian penguat operasional (operational amplifier) yang membandingkan 2
(dua) tegangan masukan serta menghasilkan sebuah keluaran dari salah satu
keadaan, yaitu lebih besar (greater) atau lebih kecil (less) terhadap hubungan dari
masukan-masukan tersebut.
                                                     Perhatikan gambar rangkaian pada
                                              gambar 11.19 di samping ini. Gambar
                                              rangkaian tersebut merupakan sebuah
                                              pendeteksi    tingkat   nol    (zero-level
                                              detector), yaitu suatu aplikasi rangkaian
                                              yang     mengimplementasikan       sebuah

 Gambar 11.19. Rangkaian pendeteksi           penguat      operasional      (operational

   tingkat nol (zero-level detector).         amplifier) sebagai sebuah komparator
                                              untuk menentukan ketika sebuah tegan-

gan masukan melebihi sebuah tingkat tertentu (certain level). Pada rangkaian
pendeteksi tingkat nol (zero-level detector) tersebut masukan membalik (-)
dihubungkan ke ground untuk menghasilkan sebuah tingkat nol dan tegangan
sinyal masukan (voltage signal input) dihubungkan ke masukan tak-membalik (+).
Pada hubungan tersebut sebuah perbedaan yang sangat kecil di antara 2 (dua)
masukan akan menyebabkan tegangan keluaran (output voltage) bergerak menuju
batasnya, hal tersebut disebabkan oleh tingginya nilai penguatan tegangan terbuka
(open-loop voltage gain). Sebuah penguat operasional yang memiliki penguatan
tegangan terbuka sebesar 100.000        Aol    100.000     akan menyebabkan sebuah




                                                                                    244
perbedaan tegangan sebesar 0,35 mV di antara masukan-masukan tersebut
menghasilkan     sebuah     tegangan    keluaran       (output     voltage)        sebesar
 0,35 mV 100.000      35Volt     sehingga    menyebabkan         penguat    operasional
berkondisi jenuh (saturation).
     Perhatikan gambar 11.20 di bawah ini. Gambar tersebut menunjukan hasil
dari tegangan masukan (input voltage) sinusoidal yang diberikan ke masukan tak-
membalik (non-inverting input, +) dari pendeteksi tingkat nol (zero-level
detector). Pada pendeteksi tingkat nol tersebut terlihat bahwa ketika gelombang
sinus bernilai positif keluarannya adalah tingkat positif maksimumnya, sedangkan
ketika gelombang sinus bergerak ke titik 0 maka penguat dikendalikan ke keadaan
yang terbalik dan keluaran mejadi tingkat negatif maksimumnya. Rangkaian
pendeteksi tingkat nol tersebut dapat digunakan sebagai sebuah rangkaian kwadrat
untuk menghasilkan gelombang persegi (square wave) dari sebuah gelombang
sinus (sine wave).
                                                Pada       prinsipnya            rangkaian
                                            pendeteksi     tingkat         nol       dapat
                                            dikonfigurasikan      untuk     mendeteksi
                                            tegangan positif dan tegangan negatif.
                                            Konfigurasi tersebut dilakukan dengan
                                            menghubungkan          sebuah          sumber
                                            tegangan     referensi      tetap       (fixed
                                            reference voltage source) ke masukan
                                            membalik (inverting input, -) seperti
                                            yang terlihat pada gambar 11.21 di
                                            bawah ini. Tegangan referensi pada
Gambar 11.20. Tegangan keluaran pada konfigurasi tersebut dapat dikendalikan
  pendeteksi tingkat nol (zero-level dengan menggunakan sebuah pembagi
               detector).                   tegangan (divider voltage) dan dapat
                                            dinyatakan secara matematis menjadi:




                                                                                      245
                                                                  R2
                                                     VREF                   V
                                                             R1        R2

                                                 Pada persamaan di atas                V
                                          merupakan tegangan catu daya (supply
                                          voltage) dc pada penguat operasional.
                                          Pada       konfigurasi         tersebut     juga
                                          digunakan sebuah dioda zener yang
                                          berfungsi untuk mengatur tegangan
                                          referensi VRED     VZ . Dioda zener pada
 Gambar 11.21. Rangkaian pendeteksi
                                          rangkaian tersebut akan menghasilkan
 tegangan positif dan negatif (negative
                                          keluaran       pada          tingkat      negatif
         and positive detector).
                                          maksimum bila tegangan masukan
                                          Vin lebih rendah daripada tegangan

referensi Vin   V REF , sedangkan untuk tegangan masukan yang melebihi

tegangan referensi Vin    V REF maka dioda zener akan membuat keluaran tersebut
bergerak ke tegangan positif maksimumnya seperti yang terlihat pada gambar
11.22 dan 11.23 di bawah ini.




                                                 Gambar 11.22.(b). Rangkaian
     Gambar 11.22.(a). Rangkaian
                                              pendeteksi tegangan positif dan
pendeteksi tegangan positif dan negatif
                                           negative menggunakan sebuah dioda
   menggunakan pembagi tegangan
                                                             zener.
            (voltage divider).




                                                                                       246
                                               Pada prinsipya keadaan dinamis
                                        sering     menyebabkan        kita      untuk
                                        menganalisa        lebih   lanjut      sebuah
                                        aplikasi rangkaian elektronika. Pada
                                        keadaan dinamis tersebut sering terjadi
                                        sebuah fluktuasi tegangan yang tidak
                                        diinginkan pada saluran masukan dan
                                        sering disebut sebagai derau atau noise.
                                        Tegangan derau tersebut menjadi beban
Gambar 11.23. Tegangan keluaran pada pada tegangan masukan (input voltage)
rangkaian pendeteksi tegangan positif   seperti yang terlihat pada gambar 11.24
dan negatif yang menggunakan zener.     di bawah ini. Tegangan derau tersebut
                                        dapat menyebabkan sebuah kompator
                                        secara tidak teratur merubah kondisi
                                        keluarannya.


                                               Perhatikan gambar 11.25 di bawah
                                        ini. Pada gambar tersebut terlihat
                                        sebuah         tegangan             sinusoidal
                                        berfrekuensi rendah yang diberikan ke
                                        masukan tak-membalik (non-inverting,
                                        +) pada sebuah penguat operasional.
                                        Tegangan sinusoidal yang diberikan ke
                                        masukan tak-membalik tersebut akan
Gambar 11.24. Tegangan derau (noise)
                                        menggambarkan         efek-efek      potensial
  pada sebuah sinyal masukan (input
                                        dari tegangan derau (noise voltage)
              signal).
                                        pada      sebuah      komparator         yang




                                                                                  247
                                           digunakan sebagai sebuah pendeteksi
                                           tingkat nol (zero-level detector). Pada
                                           saat gelombang sinusoidal mendekati 0
                                           terjadi    fluktuasi-fluktuasi        derau
                                           sehingga menyebabkan masukan total
                                           berubah ke atas dan ke bawah 0 untuk
                                           beberapa kali, tentu hal tersebut akan
                                           menghasilkan sebuah tegangan yang
                                           tidak menentu. Tegangan masukan
                                           yang tidak menentu tersebut akan
                                           menyebabkan tegangan keluaran juga
                                           menjadi    tidak      menentu     sehingga
  Gambar 11.25. Efek potensial dari        komparator          penguat     operasional
    tegangan derau (noise) terhadap        berganti     dari     kondisi   negatifnya
  tegangan keluaran (output voltage).      menjadi    kondisi       positifnya   serta
                                           sebaliknya. Tegangan keluaran yang ti-
ak stabil tersebut terjadi ketika tegangan masukan tidak menentu di sekitar
tegangan referensi.
     Pada prinsipnya keadaan tegangan masukan yang tidak menentu pada sebuah
komparator tersebut dapat diselesaikan dengan cara merancang komparator yang
kurang sensitif terhadap derau (noise). Kondisi komparator yang kurang sensitif
terhadap derau tersebut dapat dibuat dengan menggunakan teknik umpan-balik
positif (positive feedback) dan dinyatakan sebagai hysteresis.
     Pada dasarnya hysteresis menunjukan bahwa pada komparator terdapat
sebuah tingkat referensi yang lebih tinggi ketika tegangan masukan bergerak dari
sebuah nilai yang lebih rendah (lower) menuju nilai yang lebih tinggi (higher) dan
ketika komparator bergerak dari nilai yang lebih tinggi menuju sebuah nilai yang
lebih rendah seperti sebuah thermostat rumah tangga yang umum digunakan.
Konfigurasi komparator dengan hysteresis tersebut dilakukan dengan membuat 2
(dua) tingkat referensi yaitu sebuah tingkat referensi sebagai titik pemicu atas
(upper trigger point) dan sebuah tingkat referensi sebagai titik pemicu bawah



                                                                                  248
(lower trigger point). 2 (dua) tingkat referensi tersebut membentuk sebuah
susunan umpan-balik positif (positive feedback arrangement) seperti yang terlihat
pada gambar 11.26 di bawah ini. Pada konfigurasi tersebut masukan tak-
membalik (non-inverting input, +) dihubungkan ke sebuah tahanan pembagi
tegangan yaitu sebuah bagian dari tegangan keluaran yang diumpan-balikan ke
masukan, sedangkan sinyal masukan diberikan ke masukan membalik (inverting
input).
                                                Pada prinsipnya bila tegangan
                                         keluaran pada komparator tersebut
                                         adalah          bernilai        positif   maksimum
                                              Vout max     maka tegangan umpan-balik

                                         ke      masukan            tak-membalik            (non-
                                         inverting input) adalah tegangan titik
     Gambar 11.26.(a). Rangkaian         pemicu atas           VUTP           dan dinyatakan
     komparator dengan hysteresis.       secara matematis sebagai berikut:
                                                                    R2
                                                   VUTP                        Vout max
                                                              R1         R2

                                                Namun ketika Vin melebihi VUTP
                                         maka tegangan keluaran akan bernilai
                                         negatif maksimum                      Vout max      dan

                                         tegangan umpan-balik ke masukan tak-
                                         membalik adalah tegangan titik pemicu
                                         bawah       VLTP       dan dinyatakan secara
                                         matematis sebagai berikut:
                                                                   R2
                                                   VLTP                       Vout max
                                                              R1        R2
                                                Pada            umumnya                   sebuah
 Gambar 11.26.(b). Tegangan keluaran     komparator dengan hysteresis dikenal
    dari sebuah komparator dengan        sebagai          sebuah          pemicu          Schmitt
              hysteresis.



                                                                                             249
                                             (Schmitt trigger). Secara matematis
                                             hysteresis didefinisikan oleh perbedaan
                                             dari 2 (dua) tingkat pemicu (trigger
                                             levels), yaitu:
                                                         V HYS    VUTP     V LTP


11.3.4 Pengikut Tegangan (voltage follower)
                                                    Pada dasarnya pengikut tegangan
                                             atau yang disebut juga dengan voltage
                                             follower      merupakan         salah      satu
                                             rangkaian aplikasi penguat operasional
                                             (operational        amplifier).        Pengikut
                                             tegangan tersebut diperoleh melalui

  Gambar 11.27. Rangkaian pengikut           konfigurasi       penguat      tak-membalik.

     tegangan (voltage follower).            Pada     konfigurasi        tersebut     semua
                                             tegangan keluaran diumpan-balikan ke
masukan membalik (inverting input, -) oleh sebuah hubungan langsung (straight
connection) seperti yang terlihat pada gambar 11.27 di samping ini.
Pada gambar 11.27 tersebut terlihat bahwa hubungan umpan-balik langsung
memiliki sebuah penguatan tegangan (voltage gain) sebesar 1 (satu) dan itu
artinya pada konfigurasi tersebut tidak terdapat penguatan tegangan. Secara
matematis peguatan tegangan tertutup (closed-loop voltage gain) dari pengikut
tegangan adalah:
                                    Vcl VF     1

     Tegangan keluaran (output voltage) yang dihubungkan ke masukan
membalik (inverting input) tersebut mengkonfigurasikan sinyal masukan untuk
diberikan di antara masukan tak-membalik (non-inverting input) dan ground,
namun karena adanya ground semu (virtual ground) maka tegangan pada
masukan membalik adalah sama terhadap tegangan pada masukan tak-membalik.
Secara matematis hubungan tersebut adalah:




                                                                                        250
                                    Eo   Es .
     Pada prinsipnya terdapat sebuah keistimewaan dari konfigurasi pengikut
tegangan (voltage follower) tersebut, yaitu rangkaian pengikut tegangan memiliki
nilai impedansi masukan yang sangat tinggi, namun nilai impedansi keluarannya
sangat rendah. Keistimewaan yang terdapat pada pengikut tegangan tersebut
menyebabkan rangkaian pengikut tegangan sangat sesuai digunakan sebagai
penahan penguatan (gain buffer) pada antar-muka (interfacing) antara sebuah
sumber berimpedansi tinggi (high-impedance source) terhadap sebuah beban
berimpedansi rendah (low-impedance load).


11.3.5 Analogue to Digital Converter (ADC)
     Pada prinsipnya perubahan sinyal-sinyal analog menjadi sinyal-sinyal digital
merupakan suatu proses yang sangat dibutuhkan pada sebuah antar-muka
(interfacing) untuk sebuah sistem analog linear (linear analog system) yang harus
menyediakan masukan sinyal digital dari sinyal analog ke sebuah sistem digital
(digital system). Perubahan sinyal-sinyal analog menjadi sinyal-sinyal digital
tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan banyak metode, salah satunya
seperti metode keserempakan (simultaneous).
     Pada metode keserempakan (simultaneous) tersebut perubahan sinyal-sinyal
analog menjadi sinyal-sinyal digital dilakukan dengan menggunakan komparator-
komparator      paralel.   Komparator-komparator      paralel   tersebut    akan
membandingkan sinyal masukan analog (analog signal) dengan tegangan
referensi bervariasi (various reference voltage) yang dihasilkan oleh sebuah
pembagi tegangan (voltage divider). Ketika sinyal masukan analog tersebut
melebihi tegangan referensi (reference voltage) untuk sebuah komparator yang
tersedia maka komparator tersebut akan mengeluarkan sinyal keluaran tingkat
tinggi (high level).
     Perhatikan gambar 11.30 di bawah ini. Pada gambar tersebut terlihat sebuah
pengubah (converter) sinyal analog ke sinyal digital atau yang disebut dengan
ADC. Gambar tersebut merupakan sebuah ADC yang akan menghasilkan bilan-




                                                                             251
      Gambar 11.30. Sebuah ADC dengan metode simultan (simultaneous).


gan biner 3 (tiga) digit pada terminal keluarannya. Nilai ketiga digit bilangan
biner tersebut menunjukan nilai-nilai dari tegangan masukan analog (analog input
voltage) pada ADC. Gambar tersebut menunjukan bahwa ADC membutuhkan 7
(tujuh) buah komparator. Jumlah komparator untuk setiap ADC umumnya
ditentukan oleh 2 n 1 , di mana nilai n tersebut menunjukan jumlah digit dari
bilangan biner yang akan dihasilkan. Pada ADC yang dibuat dengan
menggunakan metode simultan (simultaneous) tersebut pengubahan (conversion)




                                                                            252
dari sinyal analog menjadi sinyal digital akan mengalami kekurangan akibat
komparator yang selalu membutuhkan sebuah bilangan yang terukur, namun
keuntungan dari metode simultan adalah metode ini menyediakan waktu
pengubahan yang cepat karena proses pengubahan (conversion) semua sinyal
analog dilakukan secara bersamaan (simultaneous).
     Pada ADC tersebut terlihat bahwa tegangan referensi (reference voltage)
untuk setiap komparator diatur oleh serangkaian resistor pembagi tegangan
(voltage divider) dan tegangan referensi (reference voltage, VREF ). Terminal
keluaran dari setiap komparator tersebut dihubungkan ke terminal masukan (input
terminal) sebuah enkoder utama (priority encoder). Enkoder utama (priority
encoder) pada rangkaian tersebut merupakan sebuah alat digital yang akan
menghasilkan sejumlah bilangan biner pada terminal keluarannya dan nilai
keluarannya tersebut menunjukan nilai masukan dari sinyal analog. Encoder
tersebut mencuplik (samples) sinyal masukan yang telah diubah menjadi bilangan
biner oleh komparator dan sejumlah bilangan biner 3 (tiga) digit yang sesuai
(proportional) terhadap nilai sinyal masukan analog-nya akan ditampilkan pada
terminal keluaran enkoder.
     Pada prinsipnya tingkat pencuplikan (sampling rate) yang dilakukan oleh
ADC akan menentukan akurasi keluaran bilangan biner-nya terhadap perubahan
sinyal masukan (changing input signal). Dibutukan tingkat pencuplikan yang
lebih banyak pada satuan waktu yang diberikan untuk menghasilkan bentuk
digital yang memiliki akurasi yang baik.




                                                                           253

								
To top