2.4              OPERASIONAL AMPLIFIER

 

            Secara umum, aplikasi dari IC memerlukan pengetahuan tentang jalur yang tersedia dari peralatan yang demikian, spesifikasi dan batasannya, sebelum dapat diaplikasikan untuk masalah khusus. Terpisah dari IC-IC yang dikhususkan ada juga tipe dari amplifier yang mendapatkan aplikasi yang luas seperti blok pembentuk dari aplikasi pengkondisi sinyal. Peralatan ini, disebut operasi amplifier (op amp), telah ada selama bertahun-tahun, awalnya dibuat dari tabung, kemudian transistor diskrit, dan sekarang integrated circuit.  Meski banyak jalur dari op amp dengan bermacam spesifikasi khusus ada dari beberapa pabrik, semuanya memiliki karakteristik umum dalam operasi yang dapat dipakai dalam rancangan dasar berkaitan dengan op amp umum.

 

2.4.1        Karakteristik Op Amp

Dengan sendirinya, op amp adalah amplifier elektronik yang sangat sederhana dan nampak tak berguna. Dalam Gambar 2.11a kita dapat lihat simbol standar dari op amp dengan penandaan input (+) dan input (-), dan output. Input (+) juga disebut input noniverting (tidak membalik) dan (-)input inverting (membalik). Hubungan dari input op amp dan output sungguh sangat sederhana, seperti yang terlihat dengan menganggap dari deskripsi idealnya.

 

OP AMP IDEAL

Untuk menjelaskan respon dari op amp ideal, kita menamai V1 tegangan pada input (+), V2 tegangan pada terminal input (-), dan V0 tegangan output. Idealnya, jika V1-V2 adalah positif (V1>V2), maka V0 saturasi positif. Jika V1-V2 adalah negatif (V2>V1), maka V0 saturasi negatif seperti ditunjukkan dalam Gambar 2.11b. Input (-) disebut input inverting. Jika tegangan dalam input ini adalah lebih positif dibandingkan pada input (+), output saturasi negatif. Amplifier ideal ini mempunyai gain tak terbatas karena perbedaan yang sangat kecil antara V1 dan V2 hasilnya adalah output saturasi.

Karakteristik lain dari op amp adalah (1) impedansi tak terhingga antar input-inputnya dan (2) impedansi output zero. Pada dasarnya, op amp adalah peralatan yang mempunyai hanya dua keadaan output, +Vsat dan –Vsat. Dalam praakteknya, peralatan ini selalu digunakan dengan umpanbalik dari output ke input. Umpanbalik seperti ini menghasilkan implementasi dari berbagai hubungan khusus antara tegangan input dan output.

 

                                (a)                                                                           (b)

 

Gambar 2.11  Op amp. (a) Simbol. (b) Karakteristik ideal dari sebuah op amp

 

 

AMPLIFIER INVERTING IDEAL

Untuk melihat bagaimana op amp digunakan, perhatikan  rangkaian pada Gambar 2.12. Disini resistor R2 digunakan untuk umpan balik output  ke input inverting dari op amp dan R1 menghubungkan tegangan input Vin dengan titik yang sama ini. Hubungan bersama disebut titik penjumlahan (summing point). Dapat dilihat bahwa dengan tanpa umpanbalik dan (+) digroundkan, Vin>0 menjadikan output saturasi negatif, sedangkan Vin<0 menjadikan output saturasi positif. Dengan umpanbalik, output menyesuaikan dengan tegangan sedemikian hingga:

  1. Tegangan summing point sama dengan level input (+) op amp, dalam keadaan ini adalah nol/zero.
  2. Tidak ada aliran arus melalui terminal-terminal input op amp karena anggapan impedansi tak hingga.

 

Dalam keadaan ini, jumlah dari arus pada summing point harus nol.

 

            I1 +I2 = 0                                                          (2-24)

 

Karena tegangan pada summing point dianggap nol, kita mempunyai

 

                                                              (2-25)

 

dari Persamaan (2-25), kita dapat menuliskan respon rangkaian sebagai

 

            Vout = -                                                  (2-26)

 

Jadi, rangkaian pada Gambar 2.12 adalah amplifier inverting dengan gain R2/R1 yang digeser 1800 dalam fase (terbalik) dari input. Alat ini juga merupakan attenuator dengan menjadikan R2 < R1.

 

Gambar 2.12 Amplifier inverting

 

 

EFEK-EFEK NONIDEAL

Analisis dari rangkaian op amp dengan respons nonideal dilakukan dengan memperhatikan parameter-parameter berikut:

  1. Gain open loop berhingga. Op amp yang sebenarnya mempunyai gain tegangan seperti ditunjukkan oleh respons amplifier dalam Gambar 2.13a. Gain tegangan dinyatakan sebagai perubahan dalam tegangan output, DVo, dihasilkan  dengan perubahan dalam tegangan input differensial D[V1-V2].
  2. Impedansi input berhingga. Op amp yang sebenarnya mempunyai impedansi input dan, sebagai konsekuensi, tegangan berhingga dan arus melalui terminal input.
  3. Impedansi output tidak nol. Op amp yang sebenarnya mempunyai impedansi output tidak nol, meskipun impedansi output rendah ini khsusunya hanya beberapa ohm.

 

 

                                a) Karakteristik nonideal op amp                       b) Efek-efek nonideal

Gambar 2.13 Tipe-tipe efek nonideal dalam analisis op amp dan rangkaian

 

Dalam aplikasi modern efek nonideal ini dapat diabaikan dalam desian rangkaian op amp. Contohnya, anggap rangkaian dari Gambar 2.13b dimana impedansi berhingga dan gain dari op amp adalah sudah termasuk. Kita dapat menggunakan analisis rangkaian standar umtuk menemukan hubungan antara tegangan input dan output untuk rangkaian ini. Penjumlahan arus pada titik penjumlan diberikan

 

I1 + I2 + Is = 0

 

Kemudian, masing-masing arus dapat diidentifikasi dalam kaitannya dengan parameter-parameter rangkaian untuk memberikan

 

 

Akhirnya, dengan mengkombinasikan persamaan-persamaan di atas, kita cari

 

            Vo = -                                      (2-27)

 

Dimana

 

            m =                                       (2-28)

 

Jika kita anggap bahwa m sangat kecil bila dibandingkan dengan kesatuan, maka Persamaan (2-27) terduksi ke keadaan ideal yang diberikan oleh Persamaan (2-26). Tentu, jika nilai khusus untuk IC op amp dipilih untuk satu keadaan dimana R2/R1 = 100, kita dapat tunjukkan bahwa m<<1. Contohnya, biasnya, IC op amp untuk kegunaan umum menunjukkan

 

A  = 200.000

Z0 = 75 W

Zin = 2 MW

 

Jika digunakan tahanan umpan balik R2 100kW dan mensubstitusikan nilai diatas kedalam Persamaan (2-28), didapatkan m = 0,0005 yang menunjukkan bahwa gain untuk persamaan (2-27) berbeda dari yang ideal dengan hanya 0,05%. Tentu saja, cara ini hanya satu contoh dari banyak rangkaian op amp yang digunakan, tetapi sebetulnya dalam semua kasus analisis yang sama menunjukkan bahwa karakteristik ideal dapat diasumsikan.

 

2.4.2        Spesifikasi-Spesifikasi Op Amp

Ada karakteristik-karakteristik lain dari op amp dibandingkan yang diberikan dalam bagian sebelumnya yang masuk dalam aplikasi desain. Karakteristik-karakteristik ini diberikan dalam spesifikasi untuk op amp khusus bersama dengan gain open loop dan impedansi input dan output yang dijelaskan sebelumnya. Beberapa karakteristik tersebut adalah:

*      Tegangan offset input. Dalam banyak kasus, tegangan output op amp tidak boleh nol ketika tegangan pada input adalah nol. Tegangan yang harus diterapkan dalam terminal input untuk menggerakkan output ke nol adalah tegangan offset input.

*      Arus offset input. Seperti tegangan offset bisa diperlukan melalui input untuk men-zero-kan tegangan output, sehingga arus jala bisa diperlukan melalui input untuk men-zero-kan tegangan output. Arus yang demikian dijadikan acuan sebagai arus offset input. Ini diambil sebagai perbedaan dua arus input.

*      Arus bias input. Ini adalah rata-rata dari dua arus input yang diperlukan untuk menggerakkan tegangan output ke nol.

*      Slew rate. Jika tegangan diterapkan dengan cepat ke input dari op amp, output akan saturasi ke maksimum. Untuk input step slew rate adalah kecepatan dimana output berubah ke nilai saturasi. Ini khususnya dinyatakan sebagai tegangan per mikrosecond (V/ms).

*      Bandwith frekuensi gain satuan. Respons frekuensi dari op amp khusus disefinisikan dengan bode plot dari gain tegangan open loop dengan frekuensi. Plot seperti ini sangat penting untuk rancangan rangkaian yang berhubungan dengan sinyal a-c. Adalah diluar jangkauan dari tulisan ini untuk menjelaskan detail dari desain seperti ini yang memakai bode plot.