Chapter 11: OP-AMP APPLICATIONS

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Example & Problem 

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

CHAPTER 11

OP-AMP Applications

1. Pendahuluan (kembali)

Dalam dunia elektronika analog, penguat operasional atau Operational Amplifier (Op-Amp) merupakan komponen dasar yang memiliki banyak aplikasi penting, seperti dalam sistem pengukuran, pengolahan sinyal, kendali otomatis, dan instrumen elektronik. Op-amp tidak hanya digunakan untuk memperkuat sinyal DC, tetapi juga memainkan peran penting dalam pengolahan sinyal AC, seperti dalam penguatan sinyal audio, filter aktif, dan osilator.

Bab ini secara khusus membahas karakteristik AC dan respons frekuensi dari op-amp, yang meliputi bagaimana kinerja penguat berubah terhadap variasi frekuensi input. Dalam praktiknya, op-amp tidak ideal — ia memiliki gain terbatas dan bandwidth terbatas. Respons frekuensi dari op-amp menentukan seberapa baik komponen tersebut dapat menguatkan sinyal pada berbagai frekuensi, yang merupakan aspek penting dalam desain rangkaian sinyal tinggi atau audio.

Pemahaman tentang parameter-parameter seperti gain-bandwidth product (GBP), roll-off rate, unity-gain frequency, serta penggunaan kapasitor untuk pengaturan frekuensi cut-off sangat krusial. Dengan mempelajari respons frekuensi, mahasiswa dapat memahami keterbatasan fisik dari op-amp dan bagaimana merancang rangkaian agar tetap berfungsi optimal dalam kondisi frekuensi tinggi maupun rendah.

            

2. Tujuan (kembali)

1.     Menganalisis karakteristik respons frekuensi dari rangkaian op-amp dalam konfigurasi penguat tertutup (closed-loop).

2.     Mengamati perubahan gain terhadap variasi frekuensi masukan.

3.     Menghitung dan menentukan bandwidth dari penguat.

4.     Menentukan nilai roll-off rate dan frekuensi cut-off (−3 dB point) dari respon amplitudo.

5.     Menggunakan diagram Bode untuk menggambarkan respons gain terhadap frekuensi dalam skala logaritmik.

6.     Mengamati efek kapasitor sebagai elemen frekuensi dalam rangkaian feedback op-amp.

7.     Menyimpulkan hubungan antara gain, bandwidth, dan frekuensi dalam penggunaan op-amp pada sistem elektronik.

3. Alat dan Bahan (kembali)

A. ALAT

1.      Breadboard – untuk merangkai komponen secara praktis.

2.      Oscilloscope atau Voltmeter AC digital – untuk mengukur tegangan output AC.

3.      Function Generator – sebagai sumber sinyal AC (misal: sinusoidal 2.5 mV).

4.      DC Power Supply – ±5V untuk memberi catu daya ke op-amp.

5.      Multimeter – untuk mengukur tegangan dan resistansi.

6.      Kabel jumper – untuk koneksi antar komponen.

B. BAHAN

1. Battery

Baterai (Battery) adalah sebuah alat yang dapat merubah energi kimia yang disimpannya menjadi energi Listrik yang dapat digunakan oleh suatu perangkat Elektronik. Hampir semua perangkat elektronik yang portabel seperti Handphone, Laptop, Senter, ataupun Remote Control menggunakan Baterai sebagai sumber listriknya. Dengan adanya Baterai, kita tidak perlu menyambungkan kabel listrik untuk dapat mengaktifkan perangkat elektronik kita sehingga dapat dengan mudah dibawa kemana-mana. Dalam kehidupan kita sehari-hari, kita dapat menemui dua jenis Baterai yaitu Baterai yang hanya dapat dipakai sekali saja (Single Use) dan Baterai yang dapat di isi ulang (Rechargeable).

2. Ground

Ground adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.

3. Diode

Dioda (Diode) adalah Komponen Elektronika Aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya.

4. Resistor

Fungsi utama dari resistor adalah membatasi aliran arus. Resistor dapat menahan arus dan memperkecil besar arus. Besar resistansi (kemampuan menahan arus) resistor disesuaikan dengan kebutuhan perangkat elektronika.

Cara Menghitung Nilai Resistor

5. Voltmeter

Alat ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt

6. Ampere Meter

Alat ukur untuk mengukur Kuat Arus dalam satuan Ampere

4. Dasar Teori (kembali)

Penguat operasional memiliki gain open-loop yang sangat besar (hingga 100.000 atau lebih), namun tidak stabil dan tidak praktis digunakan secara langsung. Oleh karena itu, pada praktiknya, op-amp digunakan dalam konfigurasi closed-loop dengan feedback negatif, yang memberikan kestabilan dan menentukan nilai gain secara akurat.

Namun, gain dari op-amp bervariasi terhadap frekuensi. Pada frekuensi rendah (misalnya di bawah 1 kHz), gain masih tinggi dan relatif konstan. Namun saat frekuensi meningkat, gain mulai menurun karena keterbatasan internal op-amp. Hal ini disebut sebagai roll-off, biasanya sebesar −20 dB/decade per pole.

Beberapa konsep penting:

• Open-loop Gain (A_OL): Gain saat tidak ada feedback. Nilainya sangat besar tapi tidak dapat digunakan secara praktis karena sangat sensitif terhadap gangguan.

• Closed-loop Gain (A_CL): Gain ketika op-amp diberi feedback negatif. Stabil dan dapat dikendalikan melalui resistor eksternal.

• Unity-Gain Bandwidth (f_unity): Frekuensi saat gain = 1 (0 dB). Ini menunjukkan batas maksimum frekuensi penguatan op-amp.

• Gain-Bandwidth Product (GBP): Produk antara gain dan bandwidth. Besarnya konstan dan digunakan untuk menentukan kinerja op-amp.

• Frequency Response: Menunjukkan perubahan gain terhadap variasi frekuensi, biasanya digambarkan dalam bentuk Bode Plot.

• Cut-off Frequency (f_c): Titik saat gain berkurang 3 dB dari gain maksimum (juga disebut -3 dB point), yang menjadi batas bandwidth.

5. Prinsip Kerja [kembali]

Op-Amp adalah penguat tegangan DC berpenguatan tinggi yang memiliki dua input (inverting “−” dan non-inverting “+”) serta satu output. Komponen ini banyak digunakan dalam sistem elektronika analog sebagai penguat sinyal, pembanding, filter, integrator, diferensiator, dan banyak fungsi lainnya.

Op-Amp bekerja berdasarkan perbedaan tegangan antara kedua input-nya. Ia memperkuat selisih tegangan antara input non-inverting (+) dan inverting (−) sebesar gain open-loop (A), yang idealnya sangat besar. Namun, dalam penggunaan praktis, Op-Amp biasanya dioperasikan dalam mode umpan balik (feedback) agar stabil dan berguna secara fungsional.

Karakteristik Ideal Op-Amp

• Penguatan open-loop sangat besar (→ ∞).
• Impedansi input sangat tinggi (→ ∞).
• Impedansi output sangat rendah (→ 0).
• Perbedaan tegangan input sangat kecil dalam operasi umpan balik (≈ 0 V).
• Tidak ada arus yang mengalir ke input 

6. Example & Problem [kembali]

A. Example

1.Sebuah inverting amplifier menggunakan Rin=2kΩ dan Rf=20kΩ Jika input Vin=0.2 V, berapa tegangan output Vout ​?

jawab:

2.Sebuah rangkaian inverting amplifier menerima sinyal input sebesar 0.1 V. Jika diinginkan output sebesar -1.5 V dan resistor input Rin=5kΩ, berapa nilai resistor umpan balik Rf​?

jawab:

3.Sebuah sinyal sinusoidal 1 Vpp diberikan ke input inverting amplifier. Jika Rin=10kΩ dan Rf=10kΩ, bagaimana bentuk outputnya?

Jawab:

Sinyal output akan:

• Memiliki amplitudo yang sama: 1 Vpp
• Dibalik fasa: fase berubah 180°

B. Problem

1.Perbedaan Model Op-Amp dalam Simulasi dan Teori

• Penyebab: Op-amp dalam teori idealnya memiliki karakteristik tertentu (misalnya, gain tak terbatas, impedansi input tak terhingga, dan tegangan offset nol), sedangkan dalam simulasi, op-amp memiliki keterbatasan tertentu yang mempengaruhi hasilnya.
• Solusi: Gunakan model op-amp yang lebih sesuai dengan aplikasi Anda, atau perhitungkan keterbatasan op-amp dalam perhitungan teori (misalnya, pengaruh offset tegangan, bandwidth, atau slew rate)

2.Perbedaan Pengukuran pada Simulasi dan Perhitungan

• Penyebab: Hasil simulasi dan hasil perhitungan bisa berbeda karena cara pengukuran atau interpretasi hasil yang tidak konsisten. Misalnya, dalam simulasi, hasil pengukuran dapat dipengaruhi oleh cara pengukuran virtual yang tidak selalu mencerminkan cara pengukuran nyata.
• Solusi: Pastikan bahwa pengukuran dilakukan dengan cara yang sama baik dalam simulasi maupun dalam perhitungan teori. Gunakan alat ukur virtual dengan cara yang tepat (misalnya, osiloskop atau voltmeter di Proteus) untuk memastikan hasilnya konsisten dengan teori.

3.Distorsi Sinyal pada Output

• Penyebab: Distorsi sinyal dapat terjadi karena op-amp bekerja di luar jangkauan linearitasnya, khususnya ketika sinyal input terlalu besar atau gain yang terlalu tinggi digunakan.
• Solusi: Pastikan bahwa input sinyal tetap dalam rentang yang sesuai dengan kemampuan op-amp. Selain itu, periksa agar gain op-amp tidak terlalu tinggi. Gunakan op-amp dengan kemampuan slew rate yang lebih tinggi jika diperlukan, atau gunakan op-amp dengan karakteristik linear yang lebih baik pada rentang yang diinginkan.

7. Soal Latihan [kembali]

1.Sebuah rangkaian penguat operasional (op-amp) digunakan dalam konfigurasi inverting amplifier dengan resistor input Rin=10 kΩ dan resistor umpan balik Rf=100 kΩ. Sumber tegangan input Vin​ yang diberikan adalah sinyal sinusoidal sebesar 0,2 Vp. Anggap op-amp ideal dan memiliki suplai cukup untuk menghindarisaturasi.

Pertanyaannya:
Apabila sinyal input tersebut diberikan ke terminal inverting (-) dan terminal non-inverting (+) di-ground-kan, berapakah tegangan output VoutV_{out}Vout​ dari rangkaian tersebut, dan bagaimana sifat sinyal keluarannya?

A. +2 Vp, sefas dengan input
B. -2 Vp, berlawanan fasa dengan input
C. -2 Vp, sefas dengan input
D. +2 Vp, berlawanan fasa dengan input

Jawaban:B. -2 Vp,berlawanan fasa dengan input

2.Sebuah rangkaian penguat operasional dirancang sebagai constant-gain multiplier dalam sistem elektronik. Tujuan utama penggunaan konfigurasi ini adalah untuk:

A. Mengubah sinyal AC menjadi DC secara langsung
B. Mengalikan dua sinyal input dengan faktor tetap tanpa memperhitungkan nilai amplitudo masing-masing
C. Mengalikan dua sinyal input dan menghasilkan sinyal output yang proporsional terhadap hasil perkalian tersebut
D. Menghapus salah satu sinyal input dan hanya meneruskan sinyal lainnya

Jawaban: C.Mengalikan dua sinyal input dan menghasilkan sinyal output yang proporsional terhadap hasil perkalian tersebut

3.Dalam suatu aplikasi kendali industri, digunakan op-amp constant-gain multiplier untuk memproses sinyal masukan dari sensor suhu dan tekanan. Tujuan penggunaan rangkaian ini dalam sistem tersebut adalah:

A. Menyaring frekuensi tinggi yang mengganggu sinyal masukan
B. Mengombinasikan kedua sinyal secara linear agar bisa ditampilkan sebagai grafik
C. Mengalikan dua parameter fisik untuk menghasilkan variabel baru yang menjadi dasar pengaturan sistem
D. Menstabilkan sinyal dari sensor sebelum dikirim ke mikrokontroler

Jawaban: C.Mengalikan dua parameter fisik untuk menghasilkan variabel baru yang menjadi dasar pengaturan sistem

8. Percobaan [kembali]

Prosedur Percobaan:

• Untuk membuat rangkaian ini, pertama, siapkan semua alat dan bahan yang bersangkutan, di ambil dari library proteus
• Letakkan semua alat dan bahan sesuai dengan posisi dimana alat dan bahan terletak.
• Tepatkan posisi letak nya dengan gambar rangkaian
• Selanjutnya, hubungkan semua alat dan bahan menjadi suatu rangkaian yang utuh
• Lalu mencoba menjalankan rangkaian , jika tidak terjadi error, maka rangkaian akan berfungsi yang berarti rangkaian bekerja.

A.Rangkaian 11.2

prinsip kerja:

Rangkaian pada gambar adalah inverting amplifier yang menggunakan op-amp untuk memperkuat sinyal AC. Sinyal input 2,5 mV masuk melalui resistor input $R_2$ ke kaki inverting (-) op-amp, sementara kaki non-inverting (+) terhubung ke ground sehingga tercipta titik virtual ground di input (-). Arus dari input mengalir melalui $R_2$ dan diteruskan ke resistor umpan balik $R_1$ menuju output. Op-amp menyesuaikan tegangan output agar selisih tegangan (+) dan (-) mendekati nol, sehingga terbentuk penguatan sebesar $-R_1/R_2$. Pada rangkaian ini, penguatan teoritisnya adalah -100, artinya sinyal output diperkuat 100 kali lipat dengan fasa terbalik 180°. Output diukur dengan voltmeter AC untuk menunjukkan hasil penguatan ini

Vidio simulasi 11.2

B.Rangkaian 11.4

Prinsip Kerja:

Rangkaian pada gambar adalah inverting amplifier yang menggunakan op-amp untuk memperkuat sinyal AC dengan fasa terbalik. Sinyal input AC sebesar 120 mV diberikan ke kaki inverting (-) melalui resistor input $R_2$ sebesar 24 kΩ, sedangkan kaki non-inverting (+) dihubungkan ke ground, sehingga titik input inverting (-) menjadi virtual ground. Arus dari input mengalir melalui $R_2$ dan diteruskan melalui resistor umpan balik $R_1$ sebesar 240 kΩ ke output. Op-amp secara otomatis mengatur tegangan output agar beda potensial antara kaki (+) dan (-) tetap nol, sehingga tercapai penguatan sesuai rumus $-R_1/R_2$. Output diukur menggunakan voltmeter AC, menunjukkan hasil penguatan dari sinyal input sesuai prinsip kerja penguat pembalik ini.

Vidio simulasi fig 11.4

9. Download File [kembali]

Download file Rangkaian 11.2 [klik disini]

Download file Rangkaian 11.4 [klik disini]

Download vidio simulasi 11.2 [klik disini]

Downoad vidio simulasi 11.4 [klik disini]

• Download Datasheet

Download datasheet resistor [download]

Download datasheet baterai [download]

Download datasheet dioda [download]

Download datasheet voltmeter [download]

Download datasheet amperemeter [download]

Download datasheet op amp 741 [download]

[menuju awal]