Op-amp

Operational Amplifier atau sering disebut sebagai Op-amp adalah komponen elektronika linier yang berfungsi menguatkan besarnya tegangan yang hampir ideal sehingga sangat luas digunakan untuk filter, pengkondisian sinyal seperti integrator, diferensiator dsb. 

Gambar 1. Operational amplifier (Op-amp)

Beberapa hal yang perlu diketahui tentang Op-amp sebagai adalah berikut :

1. Op-amp memiliki hambatan input (Rin) sangat besar, secara teoritis tak terhingga, secara produk mencapai 1MΩ lebih oleh karena itu Op-amp tidak membebani output dari rangkaian input (rangkaian masukan) dan juga tidak membuat tegangannya (tegangan input) menjadi drop. 
2. Op-amp memiliki hambatan output sangat kecil sekali, secara teoritis 0 Ω, hal ini memiliki keuntungan output tegangan Op-amp secara ideal tidak akan drop jika dihubungkan ke beban. 
3. Dapat dikonfigurasi menggunakan catu daya tunggal (+V dan ground) atau catu daya ganda (+V dan -V). Catu daya ganda diperlukan jika sinyal input adalah  murni sinyal ac karena jika menggunakan catu daya tunggal setengah gelombang negatif akan terpotong.

Op-amp sebagai penguat

Op-amp sebagai penguat (amplifier) memiliki tiga konfigurasi yaitu :

1. Penguat non inverting : Menguatkan tegangan tanpa mengubah fasa atau sudut tegangan pada output (input dan output memiliki fasa yang sama).
2. Penguat inverting : Menguatkan tegangan input dimana fasa atau sudut tegangan output berbeda sebesar 180 derajat dari tegangan input.
3. Penguat buffer (penguat 1x) : Bertujuan agar impedansi beban tidak membebani output rangkaian didepannya (rangkaian input) sehingga perlu ada rangkaian buffer. Penguat ini tidak memiliki penguatan maupun redaman.

Penguat non-inverting

Gambar 2 menunjukan dasar penguat non-inverting menggunakan Op-amp.

Gambar 2. Penguat non-inverting dengan catu daya tunggal

Sifat-sifat penguat non-inverting :

1. Impedansi input sangat tinggi.
2. Impedansi output rendah.
3. Jika sinyal input berupa sinyal dc atau sinyal dc yang memiliki komponen ac maka op-amp dapat menggunakan catu daya tunggal (+V dan ground). Jika sinyal input adalah murni sinyal ac maka sumber tegangan untuk Op-amp menggunakan sumber tegangan ganda yaitu +V dan -V. 

   

   Gambar 3. Penguat non-inverting dengan catu daya ganda

   
   

4. Tidak ada perbedaan fasa antara sinyal input dan output
5. Besarnya tegangan output adalah : 
   

Penguat Inverting

Penguat inverting menggunakan Op-amp ditunjukan Gambar 4. Gambar 4a adalah penguat inverting dengan catu daya tunggal sedang Gambar 4b adalah penguat inverting menggunakan catu daya ganda.

Gambar 4. Penguat inverting

Besarnya tegangan output pada penguat inverting adalah :

Dari rumus besarnya tegangan output penguat inverting di atas dapat diambil kesimpulan bahwa :

1. Panguat inverting menggunakan catu daya tunggal Gambar 4a. Jika tegangan Vinput adalah positif maka output tegangan Op-amp disekitar 0 Volt karena tidak dapat mengeluarkan tegangan negatif, hal ini disebabkan karena Op-amp menggunakan catu daya tunggal. Saat tegangan Vinput adalah negatif maka Op-amp dapat bekerja dengan baik karena dapat mengeluarkan tegangan positif.  Penguat inverting memerlukan catu daya ganda.
2. Penguat inverting menggunakan catu daya ganda (+V dan -V), jika tegangan Vinput adalah negatif maupun positif Op-amp dapat mengeluarkan tegangan kebalikan dari tegangan Vinput. Dengan kata lain Op-amp dapat bekerja dengan baik.

Buffer

Op-amp sebagai buffer tidak memiliki penguatan atau bisa dibilang penguatan sama dengan 1x (satu kali). 

Gambar 5. Op-amp sebagai rangkaian buffer

Besarnya tegangan output rangkaian buffer ditunjukan pada Gambar 5 adalah Vout = Vinput. Op-amp sebagai buffer dengan catu daya tunggal seperti ditunjukan Gambar 5a hanya dapat digunakan untuk melakukan buffer sinyal dc atau sinyal dc yang memiliki komponen ac. Jika sinyal input adalah murni sinyal ac maka buffer harus menggunakan catu daya ganda seperti yang ditunjukan pada Gambar 5b.

Op-amp sebagai komparator

Komparator adalah rangkaian yang berfungsi untuk membandingkan tegangan pada teminal input+ dengan tegangan pada terminal input-. Tegangan output komparator hanya ada dua kondisi yaitu high dan low. High bernilai mendekati nilai V+ dan low adalah 0 Volt jika menggunakan catu daya tunggal.

Gambar 6. Op-amp sebagai komparator

Beberapa kondisi pada rangkaian komparator adalah sbb :

1. Saat tegangan input Vin 1 lebih besar dari pada tegangan Vin 2 (Vin 1 > Vin 2) maka besarnya tegangan output komparator adalah high dengan nilai tegangan mendekati +V. 
2. Saat tegangan input Vin 1 lebih kecil dibanding tegangan Vin 2 (Vin 1 < Vin 2) maka besarnya tegangan output adalah low dengan nilai sekitar 0 Volt. 
3. Saat tegangan input Vin 1 sama dengan tegangan input Vin2 (Vin 1 = Vin 2) maka tegangan output adalah low atau sekitar 0 Volt. 
4. Jika pada Gambar 6 menggunakan catu daya ganda (+V dan -V) maka saat kondisi low besarnya tegangan output adalah tegangan negatif  mendekati tegangan catu daya negatif.

Gambar 7. Bentuk sinyal output komparator dengan catu daya tunggal

Gambar 7 menunjukan bahwa apapun bentuk tegangan sinyal input komparator akan selalu memiliki bentuk sinyal output gelombang persegi dengan perbandingan high dan low (duty cycle) bervariasi tergantung dari perbandingan tegangan pada terminal input + dan tegangan pada terminal input -.

Gambar 8. Bentuk sinyal output komparator dengan catu daya ganda

Gambar 8 menunjukan Op-amp sebagai komparator dengan catu daya ganda memiliki output high sebesar tegangan catu +V dan low sebesar tegangan catu -V dan output selalu berbentuk gelombang persegi dengan duty cycle bervariasi tergantung dari perbandingan tegangan pada terminal input+ dan terminal input-.

Salah satu penggunaan komparator adalah sebagai rangkaian PWM (Pulse Width Modulation) untuk mengatur rasio atau perbandingan high dan low (duty cycle) suatu gelombang persegi. Salah satu penggunaan PWM adalah untuk mengatur kecepatan motor dc, mengatur terang redupnya LED dan sebagainya. 

Op-amp sebagai penjumlah (Summing)

Gambar 9. Rangkaian penjumlah (summing)

Dasar rangkaian penjumlah menggunakan Op-amp ditunjukan pada Gambar 9 memiliki bentuk dasar rangkaian penguat inverting sehingga tegangan output akan selalu kebalikan dari input. Karena hal tersebut rangkaian penjumlah menggunakan catu daya ganda. 

Rumus penjumlahan tegangan input adalah :

Penguat akan lebih stabil saat terminal input + diberi resistor dengan nilai sebesar :

Op-amp sebagai Penguat Diferensial

Penguat diferensial juga sering disebut sebagai penguat selisih dimana selisih tegangan terminal input+ dan tegangan terminal input- yang dikuatkan. 

Gambar 10. Op-amp sebagai penguat diferensial

Gambar 10 menunjukan rangkaian penguat diferensial menggunakan Op-amp. Jika dilihat lebih seksama maka rangkaian dasar penguat diferensial adalah penggabungan dari penguat non-inverting ( jika Vin2 adalah 0 Volt) dan penguat inverting (jika Vin1 adalah 0 Volt) sehingga jika kedua rumus penguat tersebut digabungkan akan menjadi rumus penguat diferensial sbb :

Jika R1 = R4 dan R2 = R3, maka :

EoF