Konfigurasi Rangkaian Op-Amp

Penguat Pembalik (Inverting Amplifier)

Rangkaian penguat pembalk tampak pada gambar 1. Pada penguat jenis ini, sumber masukan dilewatkan pada jalur masukan negatif/pembalik.

Dinamakan penguat pembalik karena keluaran dari penguat jenis ini diumpanbalikkan kepada masukan pembalikknya (masukan negatifnya) melalui sebuah resistor yang sering disebut resistor umpan balik (feedback) yang dilambangkan dengan notasi RI. Masukan nonpembalik pada penguat jenis ini dihubungkan dengan ground (V2 = 0 volt).

Gambar 1: Penguat pembalik. Sumber gambar: elektronika-dasar.web.id

Kemudian, pada Gambar 1 muncul keterangan "virtual eart summing point" artinya titik tersebut memiliki nilai tegangan yang sama dengan 0 volt, walaupun titik tersebut tidak terhubung langsung dengan ground. Hal ini menyebabkan nilai V2 = 0 volt. Pada kondisi ini, tidak ada arus yang mengalir menuju masukan-masukan karena pada kondisi ini nilai V1 sama dengan V2. Berikut beberapa persamaan yang terkait dengan penguatan pembalik.

Penguatan Nonpembalik (Non-Inverting Amplifier)

Rangkaian penguat non pembalik tampak pada gambar 2. Pada penguat jenis ini sumber masukan dilewatkan pada jalur masukan positif/ nonpembalik.
Dinamakan penguat nonpembalik karena tegangan masukan dari penguat jenis ini secara langsung dimasukkan/ dilewatkan pada masukan nonpembaliknya (masukan positif), artinya penguata keluaran jenis ini berada dalam kondisi yang bernilai positif. Konfigurasi nonpembalik merupakan kebalikan dengan penguata pembalik, pada penguat jenis ini masukan pembalik yang dirangkai dengan R2 dan R1 dihubungkan dengan ground (V1 = 0 volt).

Gambar 2: Penguat non Pembalik. Sumber gambar: bsiswoyo.lecture.ub.ac.id

Gambar 3: Untai penguat nonpembalik (ekivalen).Sumber gambar: www.ustudy.in

Untai penguat nonpembalik pada gambar 2 dapat disederhanakan menjadi untai pada gambar 3.
Gambar 3 merupakan untai "pembagi tegangan". Denagn untai terebut, kita dapat merumuskan persamaan yang dapat kita gunakan untuk menghitung penguatan teganagn keluaran penguat nonpembalik seperti berikut:

Penguat tegangan (Av) keluaran sama dengan perbandingan antara tegangan keluaran (Vout) dengan tegangan asukan (Vin), atau ddapat dituliskan dengan persamaan berikut:

 Atau, diringkas menjadi:

Pengikut Tegangan (Voltage Follower)

Untai tegangan memiliki fungsi utama sebagai penyangga (buffer) atau untuk mengisolasi beban (load) keluaran dari sumber masukan. Untaian ini pada dasarnya sama dengan penguat nonpembalik, yaitu sinyal tegangan masukan langsung dimasukan pada masukan nonpembalik (+). Namun perbedaannya, pada untai pengikut tegangan, nilai resistansi R1 sama dengan nol (R1 = 0).

Pada untai pengikut tegangan (gambar 4) terlihat bahwa nilai resistansi R2 meningkatk hingga mencapai tak berhingga (infinity), resistansi R1 turun menjadi nol, nilai umpan balik menjadi 100%, dan nilai tegangan keluaran sama dengan nilai tegangan masukan (Vout = Vin). Hal ini disebabkan penguatan tegangan keluaran yang selalu bernilai 1.

Gambar 4: Untai pengikut tegangan. Sumber gambar: elektro.undip.ac.id

Berikut ini adalah persamaan-persamaan untuk untai pengikut tegangan

Dibagian ini terbukti bahwa nilai penguatan tegangan keluaran untuk untai pengikut tegangan selalu bernilai 1.

Penguat Penjumlahan (Summing Amplifier)

Penguat penjumlahadalah sebuah untai dasar fleksibel yang merupakan pengembangan dari konfigurasi untai penguat pembalik Pegaembangan tersebut dilakukan dengan penambahan beberapa resistor bernilai resistansi sama pada terminal masukan pembalik (-).

Sebutan lain untuk penguat penjumlah adalah summing inverter atau voltage adder. Untai penguat penjumlah tampak pada gambar5.

Gambar 5: Untai peguat penjumlah. Sumber gambar: elektronika-dasar.web.id

Dari gambar 5, nilai tegangan keluaran (Vout) menjadi proposional terhadap tegangan masukan V1, V2, dan V3 sehingga persamaan pada penguat pembalik dapat dimodifikasi menjadi seperti berikut:

Jadi sema resistans/ impedans (Rin) sama, maka nilai tegangan keluaran dapat dirumuskan menjadi sebagai berikut:

Apabila menghedaki "penambahan (add)" sinyal tegangan masukan edbih dari tiga, maka kita dapat menambahkannya lagi pada terminal masukan pembalik op-amp, yaitu dengan menambahkannya lagipada terminal asukan pembalik op-amp, yaitu dengan menambahkan sinyal tegangan mesukan yang ke-n (Vn). Pada kondisi nilai semua restans/ impedans (Rin) sama, penambahan penguatan pembalik dapat dilakukan.
Dengan mengunakan utai penguat penjumlah ini, kita juga dapat mengubah-ubah skala penguatan. Ini dapatdilakukan dengan memberikan nilai resistans/ impedans yang berbeda-beda pada R1, R2, R3, dan Rn sehingga persamaan Vout dapat dimodifikasi kembali menjadi seperti berikut.

Penggunaan nilai resistans yang berbeda-beda pada untai penguat penjumlah ini juga sering disebut penguat penjumlah penskalaan (scaling summing amplifier) karena dengan mengggunakan nilai resistans yang bervariasi, kita daoat mengubah-ubah skala penguatan penjumlah.

Penguat Diferensial

Sampai dibagian ini, kita baru menggunakan satu masukan op-amp, yaitu masukan pembalik atau masukan nonpembalik untuk menguatkan sinya masukan tunngal, sedangkan masukan yang lain dihubunkan dengan ground.

Pada bagian ini, kita akan menggunkan dua terminal masukan secara bersama, artinya kedua terminal masukan diberi sinyal tegangan. Hasilnya, tegangan keluaran Vout akan sangat tergantung pada perbedaan antara kedua sinyal masukan (V1 dan V2) yang dierikan. Konfigurasi ni disebut penguatdiferensial (bedaan). Konfigurasi untai penguat diferensial ini juga dapat digunakan sebagai sebuah "pengurang" (subtractor). Untai penguat diferensial dapat dilihat digambar 6.

Gambar 6: Untai penguat diferensial. Sumber gambar: 2.bp.blogspot.com

Fungsi transfer untai penguat diferensial adalah sebagai berikut.

Kerka nilai resistans R1 = R3 dan R2 =R4, maka rumus transfer fungsi oenguat diferensial dapat dimodifikasi sebagai berikut.

Penguat Integrator

Konfigurasi untai op-amp integrator sama dengan konfigurasi utai penguat pembalik. Perbedaannya terlatak pada komponen umpan baliknya. Pada penguat pembalik, komponen pembaliknya berupa resistor (r1), sedangkan pada integrator, komponenen pembaliknya berupa kapasitor (C). Kapasitor disini merupakan komponen penghambat/ isolasifrekuensi (frekuency dependant impedance) yang disimbolkan dengan huruf Z.

Oleh karena itu, dapat dikatakan bahwa hambatan resistor R1, tergantikan oleh hambatan berbasis frekuensi dalam kapasitor dengan simbol Z (satuannya adalah ohm). Hambatan seperti ini sering dinamakan imoedans, Konfigurasi untai oenguat integrator ditunjukan pada Gambar 7.

Gambar 7: Untai penguat integrator. Sumber gambar: basukidwiputranto.blogspot.com

Selama tegangan masukan pada terminal pembalik (pada untai oenguat integrator) bernilai nol, arus masukan Iin akan mengalir melalui resistor masukan (Rin) uang dirumuskan dengan persamaan:

Kemudian arus yang mengalir melalui kapasitor (C) umpan balik dirumuskan dengan persamaan:

Diasumsian bahwa impedans masukan op-amp itu tidak berhingga (pada untai op-amp ideal) sehingga tidak ada arus yang mengalir menuju termal op-amp. Oleh sebab itu, persamaan pada termal masukan pembalik adalah sbb:

Kemudian, persamaan tegangan keluaran Vout untuk penguat integrator akan mengunakan persamaan berikut:

Atau, dapat juga dituliskan kembali menjadi:

Tanda minus (-) pada persamanan Vout menunjukan adanya pergeseran sudut fase sebesar 1800. Ini terjadi karena sinyal masukan terhubung langsung dengan terminal masukan pembalik op-amp.

Persamaan 5.26 dapat dimodifikasi sehinga kita memperoleh persamaan penguatan op-amp konfigurasi penguat integrator.

Penguat Differensiator

Penguat diferensiator adalah "lawan" dari penguat integarator. Kongigurasi untai op-amp penuat diferensiator sama dengan konfigurasi untai penguat pembalik. Perbedaannya terletak pada komponen hambatan masukan Rin yang digunakan. Pada penguat pembalik, komponen hambatan masukan berupa resistor (Rin), sedangkan pada diferensiator, komponen penghambat masukan berupa kapasitor (C). Kapasitor di sini merupakan komponen penghambat/ isolasi berbasis pada frekuensi (frequency dependant impedance) yang disombolkan dengan huruf Z.

Seperti untai integrator, pada untai diferensiator terdapat sebuah resistor dan kapasitor yang membentuk sebuah rangkaian RC yang dihubungkan dengan penguat operasional dan juga reaktansi (Xc) dari kapasitor yang memegang peran penting dalam kinerja sebuah penguat diferensiator. Konfigurasi utai penguat diferensiator ditunjukan gambar 8.

Gambar 8: Untai diferensiator. Sumber gambar: basukidwiputranto.blogspot.com

Perhatikan gambar untai diferensiator. Kapasitor akan menghambat semua sinyal arus masukan berfrekuensi rendah (DC) dan hanya meloloskan sinyal arus masukan yang berfrekuensi tinggi (AC).

Pada sinyal frekuensi rendah, reaktansi kapasitor (Xc) akan bernilai "tingi" sehingga op-amp (pada untai penguat diferensiator) akan menghasilkan penguatan yang lemah (Ri/ Xc) dan tegagan keluarannya yang rendah.

Pada sinyal frekuensi tinggi, reaktansi kapasitor (Xc) bernilai lebih "rendah" sehingga penguat diferensiator akan menghasilkan penguatan (gain) dan tegangan keluaran yang lebih tinggi. Namun demikian, pada frekuensi tinggi, sebuah untai diferensiator akan menjadi tidak stabil dan akan memulai terjadi osilasi.

Untuk menghindari penguatan frekuensi tinggi dari kebutuhan untai, pengurangan frekuensi dapat dilakukan dengan menambahkan sebuah kapasitor (Ci) tambahan bernilai kecil yang dirangkai paralel terhadap resistor umpan balik (Ri). Lihat gambar 9:

Gambar 9:Modifikasi untai diferensiator. Sumber gambar: robotics-university.com.gif

Berikut adalah persamaan-persamaan yang akan memberikan gambaran secara matematis mengenai apa yang sebenarnya terjadi. Selama tegangan masukan pada terminal pembalik(pada untai penguat diferensiator) bernilai nol, arus masukan akan melalui kapasitor dengan  nilai sebagai berikut.

Kemudian, muatan kapasitor dapat dirumuskan menjadi

Dengan
Q : muatan kapasitor (coulomb)
C : Kapasitans kapsitor
Vin : tegangan masukan (volt)

Rata-rata perubahan muatan dirumuskan dengan:

Namun, dQ/dt adalah arus kapasitor Iin,

 

Dari persamaan tersebut, kita juga dapat merumuskan besar tegangan keluaran untuk penguat diferensiator.

Nilai tegangan keluaran konstan. Tanda minus (-) pada persamaan menunjukan adanya pergeseran sudut fase sebesar 180 derajat, yang terjadi karena sinyal masukan terhubung langsung dengan terminal masukan pembalik op-amp.

Bentuk untai penguat diferensiator mirip dengan rangkaian untai penguat pembalik. Oleh karena itu, jika berangkat dari rumus penguat pembalik, maka:

dan pada rangkaian penguat diferensiator diketahui

Jika besaran ini disubstitusikan pada persamaan 5.34, maka rumus penguatan (gain) diferensiator akan didapatkan.

Kekurangan penguat diferensiator adalah sebagai berikut:
a. Pada frekuensi tinggi, penguat diferensiator akan menjadi tidak stabil dan osilasi akan muali terjadi.
b. Masukan kapasitif (C) membuat penguat diferensiator rentan terkena sinyal-sinyal derau (noise) acak.

Sumber:
Taufiq Dwi Septian Suyadhi, 2010, “Buku Pintar Robotika”, ANDI Offset, Yogyakarta
Halaman 175-188

Semoga Bermanfaat....

Baca Juga:
IC Penguat Operasional (Op-Amp) 
Membuat Power Suplay 5 Volt
Menggunakan 3 Sensor Ping