Op-Amp atau yang biasa disebut Operational Amplifier adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial. Penguat operasional memiliki dua masukan dan satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang tinggi. Untuk dapat bekerja dengan baik, penguat operasional memerlukan tegangan catu yang simetris yaitu tegangan yang bernilai positif (+V) dan tegangan yang bernilai negatif (-V) terhadap 0V (ground).
Gambar 5.1 Simbol Op-Amp (Operational Amplifier)
Op-Amp ideal
Op-amp pada dasarnya adalah sebuah differential amplifier (penguat diferensial) yang memiliki dua masukan. Input (masukan) op-amp seperti yang telah diketahui ada yang dinamakan input inverting dan non-inverting. Op-amp ideal memiliki open loop gain (penguatan loop terbuka) yang tak terhingga besarnya.
Gambar 5.2 Representasi Op-Amp Ideal
Gambar 5.3 Representasi Op-Amp Secara Praktik
Ada dua aturan penting dalam melakukan analisis rangkaian op-amp berdasarkan karakteristik op-amp ideal. Aturan ini dalam beberapa literatur dinamakan golden rule, yaitu :
Aturan 1 : Perbedaan tegangan antara input v+ dan v- adalah nol (v+ - v- = 0 atau v+ = v- )
Aturan 2 : Arus pada input Op-amp adalah nol (i+ = i- = 0)
Ini adalah dua aturan penting op-amp ideal yang digunakan untuk menganalisis rangkaian op-amp. Op-Amp dipilih sebagai pengkondisi sinyal karena memiliki beberapa karakteristik ideal. Karakteristik ideal dari Op-Amp diantaranya yaitu:
- Penguatan tegangan open loop (AOL) = ∞
- Impedansi input (ZIN) = ∞
- Impedansi output (ZOUT) = 0
- Tegangan offset (VIO) = 0
- Bandwidth (BW) = ∞
- Common Mode Rejection Ratio (CMMR) = ∞
- Slew Rate (SR) = ∞
- Tidak terpengaruh oleh perubahan suhu
Karakteristik Op-Amp ideal tersebut merupakan pendekatan yang digunakan dalam teori, dan tidak mungkin dicapai dalam keadaan praktik (nyata). Hal ini disebabkan karena pada keadaan praktik semua rangkaian elektronika tidak dapat terlepas dari efek pembebanan seperti beban resistif, kapasitif, dan induktif yang dapat menyebabkan adanya rugi-rugi seperti hilangnya energi menjadi panas. Tetapi suatu komponen Op-Amp dapat dikatakan baik, apabila komponen Op-Amp tersebut memiliki karakteristik yang mendekati kondisi ideal. Gambar 2 merepresentasikan karakteristik Op-Amp ideal, dan Gambar 3 merepresentasikan karakteristik Op-Amp secara praktik.
Parameter-parameter Op-Amp Ideal:
1. Penguatan tegangan open loop (AOL) = ∞
Penguat tegangan open loop merupakan perbandingan antara tegangan keluaran (Vout) terhadap tegangan masukan (Vin) dari komponen Op-Amp tanpa menggunakan rangkaian umpan balik (feedback). Dalam kondisi ideal penguatan tegangan open loop pada Op-Amp sangat besar (tak terhingga), sehingga dengan adanya selisih tegangan dari kedua masukannya maka tegangan keluaran yang dihasilkan sangat besar juga.
Dalam praktiknya, penguatan nilai tegangan open loop pada Op-Amp bergantung pada tipe komponen Op-Amp. Misalnya pada Op Amp tipe LM741 memiliki nilai penguatan tegangan open loop sebesar 100.000 kali atau 100 dB, serta tegangan keluaran dari Op-Amp terbatas yaitu nilai terbesar mendekati nilai sumber tegangan yang diberikan (VCC atau VEE). Rumus dari penguatan open loop dapat dilihat pada persamaan (1):
Jika dinyatakan dalam desibel (dB), maka rumus dari penguatan open loop menjadi seperti persamaan (2):
Keterangan:
AOL = Tenguatan tegangan open loop
Vout = Tegangan keluaran
Vd = Tegangan differensial (selisih) antara V+ dan V
V+ = Tegangan pada kaki non-inverting
V- = Tegangan pada kaki inverting
Contoh :
Komponen Op-Amp dapat menghasilkan tegangan keluaran sebesar 50 V ketika input non-inverting diberi tegangan sebesar 3,5 V, sedangkan pada input inverting diberi tegangan sebesar 3 V. Tentukan nilai penguatan tegangan open loop dari komponen Op-Amp tersebut dalam desibel !
Jawab:
Untuk menghitung nilai penguatan tegangan open loop dalam desibel dapat dilakukan menggunakan persamaan (2):
2. Impedansi input (ZIN) = ∞
Dalam kondisi ideal, impedansi input yang dimiliki oleh Op-Amp sangat besar (tak terhingga). Impedansi input yang besar dapat dianalogikan sebagai rangkaian terbuka, sehingga tidak akan ada arus yang masuk ke dalam komponen Op-Amp (Iin ≈ 0 A) seperti yang ditunjukan pada Gambar 2. Impedansi input yang besar menandakan karakteristik Op-Amp yang baik, karena dengan semakin besar impedansi input maka komponen Op-Amp tidak akan menarik arus dari sumber terlalu banyak. Tetapi dalam praktiknya, nilai impedansi input pada Op-Amp bergantung pada tipe komponen Op-Amp yang digunakan. Misalnya pada Op-Amp tipe LM741 memiliki impedansi input sebesar 2 MΩ.
3. Impedansi output (ZOUT) = 0
Dalam kondisi ideal, impedansi output yang dimiliki oleh Op-Amp sangat kecil (nol). Impedansi output yang kecil dapat dianalogikan sebagai kabel penghantar tanpa hambatan, seperti yang ditunjukan pada Gambar 2. Impedansi output yang kecil menandakan karakteristik Op-Amp yang baik, karena dengan semakin kecil impedansi output maka tegangan yang dihasilkan oleh komponen Op-Amp akan timbul pada beban saja, tanpa adanya pembagian tegangan dengan impedansi output. Tetapi dalam praktiknya, nilai impedansi output pada Op-Amp bergantung pada tipe komponen Op-Amp yang digunakan. Misalnya pada Op-Amp tipe LM741 memiliki impedansi output sebesar 75Ω.
4. Tegangan offset (VIO) = 0
Sebuah Op-Amp ideal akan menghasilkan tegangan keluaran 0 V ketika selisih tegangan masukan bernilai 0 V, hal ini dikarenakan Op-Amp merupakan penguat differensial yang menguatkan selisih tegangan masukannya. Tetapi dalam praktiknya, terdapat ketidakseimbangan pada rangkaian internal Op-Amp yang menyebabkan munculnya sebagian kecil tegangan pada keluarannya. Tegangan yang timbul pada keluaran Op-Amp disebut dengan tegangan offset. Misalnya pada Op-Amp tipe LM741 memiliki tegangan offset sebesar 1 mV. Efek dari tegangan offset seharusnya tidak menjadi masalah serius jika Op-Amp digunakan untuk penguatan yang kecil. Namun apabila Op-Amp digunakan untuk penguatan yang besar maka tegangan offset perlu diperhitungkan, karena dengan penguatan 10 kali akan didapatkan pula 10 kali nilai tegangan offset yang timbul pada keluaran. Untuk mengatasi permasalahan tegangan offset, beberapa tipe Op-Amp seperti LM741 telah dilengkapi dua kaki tambahan yang disebut dengan offset null.
5. Bandwidth (BW) = ∞
Bandwidth (atau lebar pita) merupakan rentang frekuensi yang dimiliki oleh Op-Amp dimana sinyal input masih dapat dilewatkan atau dikuatkan. Dalam kondisi ideal, bandwidth yang dimiliki oleh Op-Amp sangat besar (tak terhingga). Bandwidth yang besar menandakan bahwa komponen Op-Amp dapat melewatkan atau menguatkan sebuah sinyal dalam rentang frekuensi berapapun. Tetapi dalam praktiknya, nilai bandwidth pada Op-Amp terbatas bergantung pada tipe komponen Op-Amp yang digunakan. Misalnya pada OpAmp tipe 741 memiliki bandwidth sebesar 1 MHz yang artinya sinyal diatas rentang frekuensi tersebut akan diredam atau dilemahkan. Nilai bandwidth sendiri diperoleh dari selisih nilai antara frekuensi cut-off tinggi dan frekuensi cut-off rendah. Frekuensi cut-off merupakan batas frekuensi dimana sinyal akan dikuatkan atau dilemahkan. Dalam kondisi praktik, frekuensi cut-off akan terjadi ketika daya output telah turun sebesar 50% dari nilai awal, atau ketika penguatan tegangan (Av) telah turun mencapai nilai 0,707(–3 dB) dari nilai awal.
Gambar 5.4 Bandwitdh; a) Ideal; b) Praktik
6. Common Mode Rejection Ratio (CMMR) = ∞
Pada dasarnya Op-Amp merupakan penguat differensial yang hanya menguatkan selisih dari kedua masukannya, tetapi karena Op-Amp tidak ideal maka penguatan common mode (mode bersama) juga mengalami penguatan sehingga menimbulkan tegangan offset yang tidak diinginkan. Common mode merupakan penguatan yang terjadi ketika kedua masukan Op-Amp diberi sinyal yang nilainya sama, sehingga keluaran yang dihasilkan harusnya bernilai nol. Namun karena ketidakseimbangan rangkaian internal dari komponen Op-Amp maka nilai keluaran yang dihasilkan tidak sama dengan nol.
Common mode rejection ratio atau CMRR merupakan rasio antara penguatan differensial dan penguatan common mode. CMRR menyatakan seberapa besar kemampuan Op-Amp untuk menekan penguatan common mode. Dalam kondisi ideal nilai dari penguatan differensial (Ad) sangat besar sama dengan nilai penguatan tegangan open loop, dan penguatan common mode sangat kecil (nol), sehingga dengan membandingkan kedua penguat didapatkan nilai CMRR yang sangat besar (tak terhingga).
Nilai dari CMRR yang besar sangat menandakan karakteristik komponen Op-Amp yang baik, karena dengan semakin besar nilai CMRR maka penguatan common mode akan dapat ditekan sekecil-kecilnya. Tetapi dalam praktiknya, nilai CMMR pada Op-Amp bergantung pada tipe komponen Op-Amp yang digunakan. Contoh pada Op-Amp tipe 741 memiliki nilai CMRR sebesar 90 dB. Rumus dari CMRR dapat dilihat pada persamaan (3).
Jika dinyatakan dalam desibel (dB), maka rumus dari penguatan open loop menjadi seperti persamaan (4):
Keterangan:
CMRR = Common Mode Rejection Ratio
Ad = Penguatan differensial
Ac = Penguatan common mode (mode bersama)
Contoh :
Komponen Op-Amp memiliki penguatan differensial sebesar 20000 dan penguatan common mode sebesar 2. Tentukan nilai parameter CMRR yang dimiliki oleh Op-Amp tersebut dalam desibel!
Jawab:
Untuk menghitung nilai CMRR dalam desibel dapat dilakukan menggunakan persamaan (4):
7. Slew Rate (SR) = ∞
Rangkaian internal Op-Amp terkadang diberi tambahan komponen kapasitor yang berfungsi untuk mereduksi noise, tetapi penambahan kapasitor ini menimbulkan kerugian berupa lambatnya respon sinyal output terhadap sinyal input. Slew rate menyatakan seberapa cepat sinyal output dapat merespon perubahan sinyal input. Slew rate dinyatakan dalam V/s. Dalam kondisi ideal, slew rate yang dimiliki oleh komponen Op-Amp sangat besar (tak terhingga), sehingga sinyal output akan langsung berubah ketika sinyal input berubah. Tetapi dalam praktiknya, nilai slew rate pada OpAmp bergantung pada tipe komponen Op-Amp yang digunakan. Contoh pada Op-Amp tipe LM741 memiliki nilai slew rate sebesar 0,5 V/us, yang artinya perubahan sinyal output tidak dapat lebih besar dari 0,5 V per 1 mikro second.
Efek dari slew rate yang kecil akan membuat bentuk dari sinyal output cacat atau mengalami distorsi. Gambar 5.5 menunjukan efek dari slew rate pada gelombang persegi.
Gambar 5.5 Efek Slew Rate
Nilai slew rate pada Op-Amp dapat diperoleh menggunakan persamaan (5):
Keterangan:
SR = Slew Rate (V/s)
∆Vout = Perubahan tegangan keluaran (V)
∆t = Perubahan waktu (s)
Contoh :
Tegangan keluaran pada Op-Amp mampu berubah dari -10 V sampai 10 V dalam selang waktu 5 ms. Tentukan nilai slew rate dari komponen Op-Amp tersebut !
Jawab:
Untuk menghitung nilai slew rate dapat dilakukan menggunakan persamaan (5):
8. Tidak terpengaruh oleh perubahan suhu
Suatu bahan semikonduktor akan mengalami perubahan karakteristik menjadi konduktor apabila terjadi perubahan suhu yang cukup besar. Hal ini disebabkan dengan meningkatnya suhu maka elektron bebas dalam bahan semikonduktor akan semakin banyak. Dalam kondisi ideal, karakteristik Op-Amp tidak akan terpengaruh oleh perubahan suhu. Tetapi dalam praktiknya, karakterisitik Op-Amp akan sedikit berubah jika terjadi perubahan suhu karena pada dasarnya Op-Amp juga dibuat dari bahan semikonduktor. Misalnya pada Op-Amp tipe LM741 memiliki operasi kerja pada rentang suhu -500 sampai 1250 Celcius, di luar rentang suhu tersebut karakteristik Op-Amp akan berubah.
.
Referensi:
https://www.samrasyid.com/2019/08/op-amp-operational-amplifier.html