7

BAB II. PENGUAT OP AMP

II.1. Pengenalan Op Amp

Penguat Op Amp (Operating Amplifier) adalah chip IC

yang digunakan sebagai penguat sinyal yang nilai

penguatannya dapat dikontrol melalui penggunaan resistor dan

komponennya.

Umumnya op amp terdiri dari 2 (dua) input dan 1 output dan

keluaran dari op amp adalah 𝑣𝑜 yang mempunyai persamaan

sebagai berikut :

𝑣𝑜 = 𝐴(𝑣+ − 𝑣−)

dengan :

𝐴 = 𝑝𝑒𝑛𝑔𝑢𝑎𝑡 𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑜𝑝𝑒𝑛 𝑙𝑜𝑜𝑝 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑓𝑖𝑒𝑟

𝑣+ = 𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 𝑡𝑖𝑑𝑎𝑘 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑎𝑙𝑖𝑘

𝑣− = 𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 𝑚𝑒𝑚𝑏𝑎𝑙𝑖𝑘

Simbol dari penguat op amp sendiri adalah seperti

gambar di bawah ini :

Gambar 2.1. simbol op amp

8

Op amp sifatnya bekerja secara linier. Oleh karena itu

op amp menyesuaikan keluaran arus sehingga perbedaan

tegangan di antara 2 (dua) input (𝑣+ 𝑑𝑎𝑛 𝑣−) mendekati 0

(nol), maka besarnya 𝑣+ = 𝑣−.

Op amp yang sering digunakan adalah 𝐿𝑀741. Dalam

hal op amp yang ideal, pengauatn tegangan open loop menuju

tak terbatas, sehingga :

𝑖𝑖 = 0

dengan 𝑖𝑖 didefinisikan sebagai arus masukan untuk input

membalik maupun input tidak membalik. Berikut adalah op

amp yang telah terhubung dengan beban resitif 𝑅𝐿.

Gambar 2.2. op amp dengan beban pada output

Op amp 𝐿𝑀741 mempunyai 8 kaki, adapun skema dari 𝐼𝐶 op

amp 𝐿𝑀741, dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

9

Gambar 2.3. skema op amp 𝐿𝑀741

Skematik diagram op amp 𝐿𝑀741 adalah :

Gambar 2.4. skematik op amp 𝐿𝑀741

10

II.2. Karakteristik Op Amp

Op amp banyak

digunakan dalam

berbagai aplikasikarena

mempunyai bebrapa

keunggulan yang

dimilikinya, seperti

penguatan yang tinggi,

Gambar 2.5. Penguat LM741

impedansi masukan yang tinggi, impedansi keluaran yang

rendah dan lain sebagainya.

Berikut di bawah ini adalah karakteristik dari op amp :

1. Penguatan tegangan lingkar terbuka 𝐴𝑣𝑜𝑙 = ∞−

2. Tegangan offset keluaran 𝑣𝑜𝑜 = 0

3. Hambatan masukan 𝑅𝑖 = ∞

4. Hambatan keluaran 𝑅𝑜 = 0

5. Lebar pita (BW) = 0

6. Waktu tanggapan = 0 detik

7. Karakteristiktidah berubah terhadap suhu

Karakteristik di atas adalah merupakan kondisi ideal dari op

amp.

Berikut adalah penjelasan kondisi ideal dari op amp tersebut :

Penguatan tegangan lingkar terbuka 𝑨𝒗𝒐𝒍

Penguatan lingkar terbuka adalah penguatan diferensial

op amp pada kondisi dimana tidak terdapat umpan balik yang

diterapkan pada op amp tersebut.

11

𝐴𝑣𝑜𝑙 =𝑣𝑜

𝑣𝑖𝑑 = −∞

𝐴𝑣𝑜𝑙 =𝑣𝑜

(𝑣1 − 𝑣2) = −∞

Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran 𝑣𝑜

berbeda fase dengan tegangan masukan 𝑣𝑖𝑑 . Yang perlu

difahami adalah bahwa tegangan keluaran 𝑣𝑜 jauh lebih besar

dibandingan dengan tegangan masukan 𝑣𝑖𝑑 .

Dalam kondisi praktis, harga 𝐴𝑣𝑜𝑙 adalah antara 5000

(sekitar 74 dB) sampai 100.000 (100 dB). Op amp baik untuk

menguatkan sinyal yang nilai amplitudonya rendah.

Tegangan offset keluaran 𝒗𝒐𝒐

Tegangan offset keluaran adalah harga tegangan

keluaran dari op amp terhadap tanah (ground) pada kondisi

tegangan masukan 𝑣𝑖𝑑 = 0. Secara ideal 𝑣𝑜𝑜 = 0, tetapi dalam

kondisi praktis (secara praktek) harga 𝑣𝑜𝑜 biasanya sedikit

lebih besar dari 0 (nol) bahkan jauh lebih besar.

Hambatan masukan 𝑹𝒊

Hambatan masukan adalah besar hambatan di antara

kedua masukan op amp. Secara ideal hambatan masukan op

amp adalah tak berhingga, tetapi dalam kondisi praktis (secara

praktek) harga hambatan masukan op amp adalah antara 5𝑘Ω

sampai 20𝑀Ω tergantung pada tipe dari op amp.

Dalam suatu penguat, hambatan masukan yang besar

adalah suatu hal yang sangat diharapkan. Semakin besar nilai

hambatan masukan suatu penguat, maka semakin baik penguat

12

tersebut dalam menguatkan sinyal amplitudo yang sangat

kecil. Dengan hambatan masukan yang besar, maka sumber

sinyal masukan tidak terbebani terlalu besar.

Hambatan keluaran 𝑹𝒐

Hambatan keluaran adalah besarnya hambatan dalam

yang timbul pada saat op amp bekerja sebagai pembagkit

sinyal. Secara ideal harga hambatan keluaran 𝑅𝑜 sama dengan

0. Semakin kecil nilai hambatan keluaran, maka op amp

mendekati kondisi yang ideal.

Lebar pita (BW)

Lebar pita adalah lebar frekuensi tertentu dimana

tegangan keluaran tidak lebih besar dari 0,707 harga tegangan

maksimum pada saat amplitudo tegangan masukan konstan.

Secara ideal, op amp memiliki lebar pita (BW) tak

berhingga, tetapi dalam penerapannya tidalk sama dengan

kondisi ideal. Biasanya op amp mempunyai frekuensi kerja 1

MHz dan diterapkan pada sinyal dengan frekuensi kilohertz.

Contoh : IC op amp LM741, sesuai data sheet mempunyai

penguatan tegangan mendekati 100, sehingga supaya IC

LM741 bekerja dengan baik, penguatan tegangan rangkaian

pada penguat tidak membalik tidak boleh lebih besar dari

5 (= 100/20). IC LM741 mempunyai karakteristik slew rate,

yaitu ukuran seberapa cepat suatu sinyal dapat berubah dalam

format 𝑣𝑜𝑙𝑡 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 , dimana untuk IC LM741 sebesar

0,5 𝑣𝑜𝑙𝑡/𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘. Jika sinyal masukan berupa gelombang

sinusoidal dengan 𝑣𝑝𝑝 = 1 𝑣𝑜𝑙𝑡, maka dibutuhkan waktu

13

1𝑣𝑜𝑙𝑡/(0,5 𝑣𝑜𝑙𝑡 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 ) = 2 𝜇𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 untuk mengubah 1 volt.

Karena ada dua 1 volt yang bergantian tiap siklus, maka

4 𝜇𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘 merupakan periode tertinggi yang dapat ditolerir IC

LM741 untuk sinyal 𝑣𝑝𝑝 = 1 𝑣𝑜𝑙𝑡.

Dengan demikian, frekuensi tertinggi yang dapat ditolerir IC

LM741 dengan sinyal 𝑣𝑝𝑝 = 1 𝑣𝑜𝑙𝑡 adalah :

𝑓𝑚𝑎𝑘𝑠 =𝑠𝑙𝑒𝑤 _𝑟𝑎𝑡𝑒

2 𝑥 𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔 𝑎𝑛 _𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘𝑎𝑛 =

0,5 𝑣𝑜𝑙𝑡 /𝑚𝑖𝑘𝑟𝑜𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘

2 𝑥 1 𝑣𝑜𝑙𝑡=

250𝑘𝐻𝑧

Waktu Tanggapan

Waktu tanggapan adalah waktu yang diperlukan oleh

keluaran berubah setelah masukan berubah. Secara ideal

waktu tanggapan op amp sebesar 0 detik, yaitu keluaran harus

berubah secara langsung pada saat masukan berubah.

Tetapi secara praktis (secara penerapannya), waktu

tanggapan dari op amp memang cepat, tetapi tidak langsung

berubah sesuai masukan, biasanya sebesar beberapa

mikrodetik, ini disebut dengan slew rate.

Karakteristik terhadap Suhu

Suatu bahan semikonduktor biasanya akan berubah

karakteristiknya apabila terjadi perubahan suhu. Pada op amp

yang ideal, perubahan suhu tidak berubah karakteristiknya.

Tetapi dalam prakteknya, suhu berubah, maka karakteristik op

amp tersebut juga berubah sedikit.

14

II.3. Jenis Penguat Op Amp (Integrator Operating

Amplifier)

Op amp ada 2 (dua) jenis masukan yaitu masukan

membalik (inverting) dan masukan tidak membalik (non

inverting).

1. Penguat dengan masukan membalik (inverting)

Rangkaian penguat membali (inverting) adalah rangkaian

op amp yang membalikkan sinyal input. Berikut rangkaian

penguat membalik (inverting amplifier) :

Gambar 2.6. op amp inverting

Gambar 2.7. sinyal keluaran op amp inverting

Untuk menganalisa rangkaian di atas, menggunakan

hukum arus dari Kirchoff utuk menentukan keluaran 𝑣𝑜

dan penguatan tegangan rangkaian sebagai berikut :

15

𝑃𝑒𝑛𝑔𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 = 𝑣𝑜

𝑣𝑠

Dengan memisalkan op dalam keadaan ideal dimana tidak

ada arus yang mengalir pada input op amp, maka arus

yang mengalir pada 𝑅3 adalah 0 (nol). Oleh karena itu,

𝑣3 = 0. Dari persamaan di atas, maka didapatkan

𝑣2 = 𝑣3 = 0, karena rangkaian op amp berperilaku secara

linier (𝑣+ = 𝑣−). Maka arus yang mengalir melalui 𝑅1

adalah :

𝑖𝑅1 =(𝑣1−𝑣2)

𝑅1=

(𝑣𝑠−0)

𝑅1=

𝑣𝑠

𝑅1

Dari persamaan di atas, kita tahu bahwa :

𝑖𝑅1 = 𝑖𝑅2 =𝑣𝑠

𝑅1

𝑖𝑅2 =(0−𝑣𝑜)

𝑅2= 𝑖𝑅1 =

𝑣𝑠

𝑅1

−𝑣𝑜

𝑅2=

𝑣𝑠

𝑅1

𝑣𝑜 = −𝑣𝑠(𝑅2

𝑅1)

Untuk mencari penguatan tegangannya, kita harus

membagi tegangan keluaran dengan tegangan masukan :

𝑃𝑒𝑛𝑔𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 = −𝑣𝑜

𝑣𝑠=

𝑅2

𝑅1

16

Sebagai catatan, kenapa penguatan tegangan akhir

bertanda negatif, karenanya dinamakan penguatan

membalik (inverting amplifier).

2. Penguatan dengan masukan tidak membalik (non

inverting amplifier)

Penguatan tegangan pada rangkaian op amp masukan

tidak membalik adalah : 1 +𝑅2

𝑅1

Berikut ini adalah rangakain penguat tidak membalik (non

inverting amplifier) :

Gambar 2.8. rangkaian penguat tidak membalik

Gambar 2.9. sinyal keluaran penguat tidak membalik

Dari rangkain di atas, dapat di hitung 𝑣𝑜 sebagai berikut :

𝑣𝑜 = 𝑣𝑠(1 +𝑅2

𝑅1)

17

Dengan penguatan tegangan adalah :

𝑣0

𝑣𝑠= (1 +

𝑅2

𝑅1)

II.4. Penguat sebagai Penjumlah (Summing Amplifier)

Penguat sebagai penjumlah memiliki fungsi untuk

menjumlahkan beberapa level sinyal input yang masuk ke

sistem op amp. Penggunaan penguat sebagai penjumlah sering

kita jumpai pada rangkaian mixer untuk audio. Berikut adalah

rangkaian penguat sebagai penjumlah :

Gambar 2.10. rangkaian penguat sebagai penjumlah

Besarnya penguatan (Gain) pada masing-masing titik

tegangan masukan adalah :

𝑃𝑒𝑛𝑔𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛 = 𝑅𝑓

𝑅𝑖

dengan :

𝑅𝑓 adalah resistor feed back menuju input inverting

18

𝑅𝑖 adalah resistor yang dilewati tegangan masukan menuju

input inverting op amp

Besarnya tegangan keluaran 𝑣𝑜𝑢𝑡 pada gambar di atas adalah :

𝑣𝑜𝑢𝑡 = − 𝑅𝑓

𝑅1 𝑥 𝑣1 +

𝑅𝑓

𝑅2 𝑥 𝑣2 + ⋯+

𝑅𝑓

𝑅𝑛 𝑥 𝑣𝑛

Contoh soal penguat :

Berapa penguatan dari rangkaian di bawah ini :

(𝑅2 = 100𝑘Ω,𝑅1 = 10𝑘Ω)

Jawab : penguat gambar di atas adalah penguat non

inverting, sehingga :

𝑣0

𝑣𝑠= 1 +

𝑅2

𝑅1 = 1 +

100𝑘

10𝑘 = 1 + 10 = 11 𝑥

Jadi penguatan dari rangkaian adalah 11 x

19

Soal latihan :

1. Berapa penguatan dari rangkaian di bawah ini :

(𝑅2 = 10𝑘Ω,𝑅1 = 1𝑘Ω)

2. Berapa penguatan dari rangkaian di bawah ini :

(𝑅1 = 1𝑘Ω,𝑅2 = 1𝑘Ω,𝑅3 = 1𝑘Ω 𝑑𝑎𝑛

𝑣1 = 0,1 𝑣, ; 𝑣2 = 0,2 𝑣;𝑣3 = 0,1 𝑣)

20

Rangkuman :

Penguat Op Amp (Operating Amplifier) adalah chip IC

yang digunakan sebagai penguat sinyal yang nilai

penguatannya dapat dikontrol melalui penggunaan resistor dan

komponennya.

Jenis penguat op amp (Operating Amplifier) adalah op

amp inverting, op amp non inverting dan summing amplifier.

Penguatannya op amp adalah sebagai berikut :

1. 𝑃𝑒𝑛𝑔𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 = −𝑣𝑜

𝑣𝑠=

𝑅2

𝑅1 untuk op am

inverting

2. 𝑃𝑒𝑛𝑔𝑢𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 = 𝑣0

𝑣𝑠= (1 +

𝑅2

𝑅1) untuk op amp

non

inverting

3. 𝑣𝑜𝑢𝑡 = − 𝑅𝑓

𝑅1 𝑥 𝑣1 +

𝑅𝑓

𝑅2 𝑥 𝑣2 + ⋯+

𝑅𝑓

𝑅𝑛 𝑥 𝑣𝑛 untuk

summing amplifier