Laporan Praktikum Karakteristik OP AMP [PDF]

Citation preview

Karakteristik OP-AMP Yuwanza Ramadhan – 1906285296



Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat 16436 [email protected]



Operational Amplifier (Op-Amp) adalah komponen listrik aktif yang kegunaannya sangat bervariasi. Seluruh kegunaan tersebut berasal dari karakteristik Op-Amp yang unik dibandingkan komponen listrik lain. Pada praktikum ini, praktikan mengeksplorasi empat karakteristik Op-Amp yang paling umum, yaitu arus bias input, tegangan offset, CMRR, dan Slew Rate (SR). Setiap karakteristik didapatkan dengan melakukan pengukuran yang relevan pada rangkaian yang berbeda-beda. Hasil pengukuran ini dibandingkan dengan analisis teoritis dalam keadaan ideal dan datasheet dari Op-Amp model LM741 yang digunakan pada setiap rangkaian. Praktikan mendapati bahwa nilai parameter karakteristik yang didapatkan secara konsisten lebih mendekati nilai keadaan ideal dibandingkan dengan nilai yang diberikan datasheet.



PENDAHULUAN Amplifier adalah jenis komponen listrik yang dapat memberikan amplifikasi pada sinyal output nya, ketika diberikan sinyal input kepadanya. Jenis amplifier sederhana seperti rangkaian transistor dapat memberikan amplifikasi sampai ordo ratusan kali sinyal input. Namun, transistor juga dapat digunakan sebagai komponen dasar untuk mengembangkan jenis amplifier dengan amplifikasi yang jauh lebih tinggi lagi. Pada tahun 1968, perusahaan Fairchild Semiconductor berhasil mengembangkan jenis amplifier tersebut, yang dinamakan sebagai Operational Amplifier (Op-Amp), dengan nama model μA741. Sampai sekarang, Op-Amp model μA741 adalah model yang paling banyak digunakan dalam berbagai hal. Selain sebagai amplifier, sifat unik dari Op-Amp dapat dimanfaatkan untuk berbagai fungsi lain. Pertama, OpAmp dapat dipasangkan dengan resistor dan kapasitor untuk membentuk rangkaian differentiator dan integrator. Rangkaian ini dapat menghasilkan sinyal output berupa turunan (differentiator) dan integral (integrator) dari sinyal output, terhadap waktu. Kedua, Op-Amp dapat digunakan dalam rangkaian Voltage Clamping. Ketiga, Op-Amp juga dapat digunakan dalam rangkaian komputer analog untuk melakukan operasi aritmatika, seperti penjumlahan dan pengurangan, sebelum digunakannya komputer digital. Variasi kegunaan Op-Amp ini berasal dari karakteristiknya yang unik dibandingkan komponen lain. Ini berarti, memahami karakteristik tersebut menjadi penting supaya Op-Amp dapat dimanfaatkan dengan baik. Praktikum ini dilakukan untuk mengeksplorasi karakteristik Op-Amp model LM741 yang banyak digunakan. Laporan ini terdiri dari beberapa bagian. Pada bagian Teori Dasar, praktikan menjelaskan parameter yang



menjadi karakteristik dasar dari Op-Amp serta nilainya dalam keadaan ideal dan kenyataannya. Pada bagian Teori Tambahan, praktikan menurunkan rumus-rumus tertentu untuk memberikan penjelasan kuantitatif mengenai rangkaian yang digunakan. Pada bagian Cara Kerja, praktikan menjelaskan lima pengukuran yang dilakukan untuk mendapatkan parameter karakteristik Op-Amp yang diinginkan. Pada bagian Hasil, praktikan memberikan penjelasan singkat mengenai bentuk data hasil pengukuran yang didapat. Pada bagian Pembahasan, praktikan mengolah data yang telah didapat untuk mendapatkan nilai parameter karakteristik Op-Amp yang digunakan, serta membandingkannya dengan nilai yang tertera pada datasheet Op-Amp modep LM741.



TEORI DASAR Secara sederhananya, Op-Amp memiliki lima kaki yang banyak digunakan, walaupun kenyataannya OpAmp memiliki delapan kaki. Kelima kaki tersebut adalah input inverting, input non-inverting, output, suplai tegangan positif, dan suplai tegangan negatif.. Sesuai namanya, kaki tegangan suplai positif dan negatif harus selalu dihubungkan dengan tegangan suplai dengan tanda yang bersesuaian, agar Op-Amp dapat bekerja sebagaimana mestinya. Karakteristik utama dari Op-Amp adalah gain (𝐴). Gain didefinisikan dengan persamaan berikut ini 𝑉



= 𝐴(𝑉 − 𝑉 )



𝑉 adalah tegangan output, 𝑉 adalah tegangan input inverter, dan 𝑉 adalah tegangan input non-inverter. Idealnya, Op-Amp memiliki nilai 𝐴 yang mendekati tak hingga. Ini berarti, Op-Amp dapat menahan tegangan pada kedua kaki input agar selalu sama nilainya. Kenyataannya, hal tersebut tidak terjadi, dan biasanya Op-Amp memiliki nilai gain sekitar ordo 105.







Gambar 2.1 Simbol Op-Amp dan kelima kakinya



Selain gain yang tidak tak hingga, terdapat beberapa parameter lain dari Op-Amp yang juga, pada kenyataannya, tidak memiliki nilai idealnya. Beberapa diantara parameter tersebut adalah sebagai berikut 











Arus bias input. Arus ini muncul tanpa diberikannya tegangan pada kedua kaki input Op-Amp, dan murni disebabkan karena komponen rangkaian internal Op-Amp yang tidak ideal. Arus bias input muncul pada kedua kaki input, dan arahnya sama, seolaholah Op-Amp menarik arus dari kedua kaki inputnya. Untuk jenis Op-Amp yang umum digunakan, besarnya cukup kecil, sekitar ordo nA. Tegangan offset Secara teori, ketika beda tegangan pada kedua kaki input adalah nol, maka seharusnya tegangan output juga bernilai nol. Namun, tidak selamanya hal ini terjadi. Kenyataannya, beda tegangan harus diberikan kepada kedua kaki input agar tegangan output menjadi nol. Nilai beda tegangan itulah yang disebut dengan tegangan offset. Secara umum, nilainya konstan, tidak dipengaruhi oleh rangkaian yang tersambung kepada OpAmp. Common Mode Rejection Ratio CMRR (Common Mode Rejection Ratio) adalah besaran yang menunjukkan kemampuan Op-Amp untuk dapat mengecilkan (atau menghilangkan) nilai tegangan common dari kedua input pada outputnya. Secara matematis, tegangan output dapat dinyatakan dalam kontribusi beda tegangan input dan tegangan common kedua input 𝑉



= 𝐴(𝑉 − 𝑉 ) +



𝐴 (𝑉 + 𝑉 ) 2



bernilai tak hingga. Kenyataannya, CMRR seluruh Op-Amp tidak bisa bernilai tak hingga. Slew Rate SR (Slew Rate) adalah besaran yang menunjukkan nilai maksimal dari perubahan tegangan output yang mungkin dihasilkan dari Op-Amp. Untuk tegangan berbentuk sinusoidal, nilai SR dapat ditulis menjadi 𝑑𝑉 = max 𝑉 ⋅ 2𝜋𝑓 ⋅ cos(2𝜋𝑓𝑡) 𝑑𝑡



𝑆𝑅 = max



𝑆𝑅 = 2𝜋𝑓𝑉



Ini berarti, nilai frekuensi tegangan input dibawah nilai tertentu dapat menghasilkan tegangan output yang diinginkan. Namun, jika 𝑓 > 𝑆𝑅 ⁄2𝜋𝑉 , OpAmp tidak bisa menghasilkan tegangan output yang diinginkan, dan akan muncul efek non-linier dari Op-Amp.



TEORI TAMBAHAN Umumnya, Op-Amp yang tidak ideal memiliki arus bias input yang kecil. Oleh karena itu, untuk dapat mengamati arus tersebut, kedua kaki input Op-Amp dapat disambungkan ke resistor dengan hambatan yang sama pada kedua kaki, dan memiliki nilai yang besar. Nilai arus bias input dapat dicari dari data pengukuran tegangan pada kedua kaki input 𝑖 =



Nilai 𝑅 yang besar dapat menghasilkan nilai 𝑉 yang dapat teramati dari nilai arus bias input yang kecil.



Skema pengukuran CMRR dapat dilihat pada Gambar 4.2. Dua resistor atas dinyatakan dalam parameter 𝑅 (= 100 Ω) dan 𝑅 (= 100 𝑘Ω), sedangkan dua resistor bawah dinyatakan dalam parameter 𝑅 (= 100 Ω) dan 𝑅 (= 100 𝑘Ω). Untuk menyederhanakan analisis, anggap Op-Amp bersifat ideal, sehingga arus pada kedua input sama dengan nol, dan tegangan kedua input sama nilainya. Dua resistor atas, dan tegangan input rangkaian menjadi rangkaian pembagi tegangan bagi input inverter (dan non-inverter). 𝑣 =𝑣



CMRR didefinisikan sebagai 𝐶𝑀𝑅𝑅 =



𝐴 𝐴



Terkadang, CMRR juga dinyatakan dalam satuan desibel, untuk mempermudah penulisan nilainya ketika nilainya sangat besar. Idealnya, CMRR



𝑉 𝑅



𝑅 𝑅 +𝑅



Arus yang melewati 𝑅 menjadi 𝑖 =



𝑣 −𝑣 𝑅 =𝑣 (𝑅 +𝑅 ) 𝑅 𝑅



Sehingga, tegangan output menjadi



𝑣



=𝑣 −𝑖 𝑅 =𝑣



(𝑅 𝑅 − 𝑅 𝑅 ) 𝑅 (𝑅 + 𝑅 )



Hasil ini menunjukkan bahwa jika 𝑅 𝑅 ≠ 𝑅 𝑅 , maka tegangan output dapat membawa informasi tegangan common pada kedua input. Jika 𝑅 𝑅 = 𝑅 𝑅 , maka tegangan output akan sama dengan nol. Ini berarti, rangkaian ini dapat mengeliminasi tegangan common pada kedua inputnya.



CARA KERJA



Gambar 4.3 Rangkaian mengukur tegangan offset input



Praktikum ini terdiri dari lima pengukuran terpisah. Pengukuran keempat dan kelima menggunakan rangkaian yang sama, sisanya menggunakan rangkaian yang berbeda. Seluruh pengukuran dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak EasyEDA. 1.



2.



Arus bias input a. Menyusun rangkaian seperti Gambar 4.1. b. Mengatur osiloskop pada coupling DC dan tegangan yang rendah diukur dalam orde mV. c. Mencatat tegangan pada kaki input inverting dan non inverting serta tegangan output. d. Mematikan power ke op-amp dan mengganti dengan op-amp yang lain. e. Mengulangi langkah a s/d c. f. Menghitung arus input pada kaki – kaki opamp (dengan hukum Ohm) dan harga rata – rata dari arus input tersebut disebut sebagai arus bias input. Mengukur CMRR a. Menyusun rangkaian seperti pada Gambar 4.2. b. Memberi sinyal input sebesar 1 Vpp dengan frekuensi 1KHz. c. Mencatat tegangan pada kaki output Vout.



Gambar 4.1 Rangkaian mengukur arus bias input



Gambar 4.2 Rangkaian mengukur CMRR



Gambar 4.4 Rangkaian mengukur bandwidth



d.



3.



4.



5.



Mematikan power ke op-amp dan mengganti dengan op-amp yang lain. e. Mengulangi langkah a s/d d. Tegangan offset input a. Menyusun rangkaian seperti pada Gambar 4.3. b. Mencatat tegangan pada kaki output Vout c. Menghitung Vin dengan persamaan Vin = Vout/A, tegangan tersebut adalah tegangan offset input. d. Memberikan variable resistor pada kaki 1 dan 5 untuk menghilangkan tegangan offset input e. Mengatur variable resistor agar tegangan output = 0 V. f. Mematikan power ke op-amp dan mengganti dengan op-amp yang lain. g. Mengulangi langkah a s/d e. Slew Rate a. Menyusun rangkaian seperti pada Gambar 4.4. b. Mencatat pada tegangan kaki output Vout. c. Menghitung Vin dengan persamaan Vin = Vout/A, tegangan tersebut adalah tegangan d. offset input. e. Mematikan power ke op-amp dan mengganti dengan op-amp yang lain. f. Mengulangi langkah a s/d e. Bandwidth



a. b. c.



d. e.



Menyusun rangkaian seperti pada Gambar 4.4. Memberi sinyal sinusoidal dengan frekuensi 1 KHz dan tegangan 1 Vpp. Memperbesar frekuensi secara perlahan sehingga gelombang mulai berbentuk segitiga, lalu mencatat frekuensi tersebut. Frekuensi tersebut adalah bandwith op-amp tersebut. Mematikan power ke op-amp dan mengganti dengan op-amp yang lain. Mengulangi langkah a s/d d.



HASIL Semua pengukuran yang dilakukan hanya mengizinkan pengambilan data tunggal, kecuali pengukuran kedua. Hal ini dikarenakan pada beberapa pengukuran tersebut, tidak ada variabel input yang bisa divariasikan. Hal ini dapat dilihat pada pengukuran pertama, ketiga, dan keempat. Sekalipun ada yang bisa divariasikan, variasi tersebut bertujuan untuk mendapatkan kondisi yang diminta. Contohnya, pada pengukuran kelima, frekuensi sinyal input divariasikan hanya untuk mencari keadaan ketika sinyal output berbentuk segitiga. Hanya pengukuran kedua yang memungkinkan pengambilan data dalam jumlah yang banyak.



PEMBAHASAN Pada hasil pengukuran pertama, praktikan mendapatkan nilai 𝑉 dan 𝑉 yang sama, dan bernilai negatif. Walaupun tidak ada tegangan input yang diberikan, nilai tegangan tersebut muncul karena adanya arus yang ditarik oleh Op-Amp pada kedua kaki inputnya. Dari nilai tegangan input tersebut, maka bisa didapat 𝑖 = 𝑉± ⁄𝑅 ≈ 80 𝑛𝐴. Nilai ini sedikit lebih rendah dari nilai arus bias input yang diberikan pada datasheet Op-Amp model LM741. Pada hasil pengukuran kedua, praktikan menemukan bahwa tegangan output masih memiliki nilai tertentu. Padahal, dalam rangkaian yang digunakan, keadaan 𝑅 𝑅 =𝑅 𝑅 berlaku. Ini berarti, Op-Amp menunjukkan keadaan yang tidak ideal. Selan itu, tegangan output juga tidak berosilasi sekitar nilai 0 V, walaupun tegangan input berosilasi di sekitar nilai 0 V. Hal ini menunjukkan adanya tegangan offset pada output. Dari data yang didapat, praktikan bisa ⁄𝑣 ≈ 1,39 × mendapatkan nilai 𝐴 = 𝑣 10 . Selain itu, pratikan bisa mendapatkan nilai tegangan offset sebesar 11,12 mV. Dengan menganggap bahwa nilai 𝐴 = 10 , maka nilai CMRR dari Op-Amp ini adalah 𝐶𝑀𝑅𝑅 ≈ 137 𝑑𝐵. Nilai ini lebih tinggi daripada nilai yang tertera pada datasheet Op-Amp model LM741. Nilai CMRR yang lebih



tinggi menunjukkan bahwa Op-Amp yang digunakan lebih mendekati keadaan ideal. Pada hasil pengukuran ketiga dan keempat, praktikan menemukan bahwa nilai 𝑉 pada kedua pengukuran hampir bernilai sama. Rata-rata dari kedua hasil pengukuran tersebut adalah 𝑉 = 11,2 𝜇𝑉. Perhatikan bahwa nilai 𝑉 ini adalah tegangan offset input. Hal ini menunjukkan bahwa tegangan offset input. Nilai ini jauh lebih kecil daripada nilai tegangan offset input pada datasheet Op-Amp model LM741. Perbedaan ordo antara nilai 𝑉 dari data pengukuran dan datasheet adalah sekitar 102. Seperti yang dijelaskan sebelumnya, hal ini mengimplikasikan bahwa OpAmp yang digunakan cukup mendekati keadaan ideal. Pada hasil pengukuran terakhir, praktikan mendapatkan nilai frekuensi input dan tegangan peak output yang membuat bentuk tegangan output menjadi segitiga. Dari kedua data tersebut, praktikan mendapatkan nilai SR sebagai berikut 𝑆𝑅 = 2𝜋𝑓𝑉 ≈ 0,812 𝑉 ⁄𝜇𝑠



Nilai ini sedikit lebih tinggi dari nilai slew rate pada datasheet Op-Amp model LM741.



KESIMPULAN 1. 2.



3.



Op-Amp memiliki empat karakteristik utama, yaitu arus bias input, tegangan offset, CMRR, dan Slew Rate (SR). Pada Op-Amp model LM741 yang digunakan dalam praktikum ini, praktikan menemukan bahwa nilai parameter karakteristik tersebut cenderung lebih dekat ke keadaan idealnya dibandingkan dengan nilai yang tertera di datasheet. Tidak ada Op-Amp yang ideal sempurna, karena selalu ada sedikit kesalahan pada penyusunan rangkaian internal Op-Amp.



REFERENSI Alexander, C., & Sadiku, M. (2020). Fundamentals of Electric Circuits (7th ed.). McGraw-Hill Education. Amos, S. W., & James, M. (2000). Principles of Transistor Circuits (9th ed.). Newnes. Gray, P. R., Hurst, P. J., Lewis, S. H., & Meyer, R. G. (2009). Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 5th Edition (5th ed.). Wiley. Jung, W. (2004). Op Amp Applications Handbook (Analog Devices Series) (1st ed.). Newnes.



MODUL 5 Karakteristik OP-AMP. (2020). ELearning Management System Universitas Indonesia. https://emas.ui.ac.id/mod/resource/view.php ?id=538888 Nilsson, J., & Reidel, S. (2018). Electric Circuits (11th ed.). Pearson. Texas



Instrument. (2015). LM741 Operational Amplifier. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm741.pdf



LAMPIRAN 1. Percobaan 1 : Arus bias input



Gambar 8.1 Skema rangkaian percobaan pertama 𝑉 (V) -0,016



2. Percobaan 2 : Mengukur CMRR



𝑉 (V)



-0,016



𝑉



(V)



2,504



Gambar 8.2 Skema rangkaian percobaan kedua 𝑉



1 VPP



3. Percobaan 3 : Tegangan offset input



𝑉



Gambar 8.3 Skema rangkaian percobaan ketiga, sebelum diberikan tegangan offset (kiri) dan setelah diberikan tegangan offset (kanan) 𝑉 (μV) 11,219



𝑉



(mV) 1,121



4. Percobaan 4 : Slew Rate



Gambar 8.4 Skema rangkaian percobaan keempat 𝑉 (μV) 11,181



5. Percobaan 5 : Bandwidth



𝑉



(mV)



808,861



Gambar 8.4 Skema rangkaian percobaan kelima Frekuensi bandwidth : 𝑓 = 46 𝑘𝐻𝑧 Tegangan peak : 𝑉 = 2,810 𝑉