Laporan Praktikum Rangkaian Elektrik Modul 3 Penguat Operasional [PDF]

Citation preview

MODUL 3 RANGKAIAN PENGUAT OPERASIONAL Rayhan Aby Imtiyaz (18318027) Asisten: Lionel Valdrant/18316020 Tanggal Percobaan: 10/09/19 EL2101-Praktikum Rangkaian Elektrik



Laboratorium Dasar Teknik Elektro - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB Abstrak Praktikum modul ke-3 ini membahas tentang Operational Amplifier (op-amp), sifat-sifat op-amp serta operasi-operasi yang dapat dilakukan op-amp dalam suatu rangkaian. Dalam praktikum ini praktikan juga dapat memahami cara kerja op-amp dalam melakukan operasi secara matematis melalui analisis rangkaian. Rangkaian op-amp yang dipelajari dalam praktikum ini antara lain adalah penguat inverting & non-inverting, penjumlah, integrator, dan oscillator. Kata kunci: Operational Amplifier amplifikasi, inverting, integrator 1.



(op-amp),



PENDAHULUAN



Gambar 2-1 IC Op-amp 741



Op-amp memiliki 8 pin yang memiliki fungsi yang berbeda. Fungsi tiap pin op-amp tertera pada gambar 2-2 (a) dan (b).



Pada praktikum modul ke-3 tentang Rangkaian Penguat Operasional ini, praktikan melakukan beberapa percobaan menggunakan rangkaian opamp yang memiliki beberapa fungsi. Rangkaian yang disusun dalam praktikum ini antara lain berupa penguat inverting, penguat non-inverting, penguat penjumlah (summer), integrator dan juga oscillator. Praktikum ini bertujuan agar praktikan dapat menyusun rangkaian pada breadboard, memahami penggunaan op-amp dan dapat menggunakan rangkaian-rangkaian standar opamp pada komputasi analog sederhana[1].



2.



STUDI PUSTAKA



Komponen dan teorema yang digunakan yang akan dijelaskan lebih lanjut pada subbab-subbab studi pustaka



2.1



OPERATIONAL AMPLIFIER (OP-AMP)



Operational Amplifier (op-amp) adalah suatu komponen elektronika aktif yang bersifat seperti sumber tegangan terkontrol tegangan. Sebuah opamp dapat menjumlahkan sinyal, mengamplifikasikan sinyal, mengintegralkan sinyal, atau mendiferensiasikan sinyal serta melakukan operasi matematika terhadap sinyalsinyal listrik dengan menggunakan kombinasi opamp dalam suatu rangkaian [2].



Gambar 2-2 Konfigurasi Pin pada Op-Amp[2]



Op-amp yang digunakan dalam praktikum ini adalah IC op-amp 741 seperti pada gambar 2-1. Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB



1



2.2



RANGKAIAN-RANGKAIAN OP-AMP 2.2.1



Gambar 2-5 Rangkaian Penguat Non-Inverting[2]



Rangkaian penguat non-inverting (gambar 2-5) dapat mengeluarkan tegangan output (Vo) yang merupakan amplifikasi positif dari tegangan input (Vi)[2]. Hubungan Vo dan Vi dapat dinyatakan dalam persamaan seperti pada gambar 2-6.



PENGUAT INVERTING



Gambar 2-3 Rangkaian Penguat Inverting



Rangkaian penguat inverting (gambar 2-3) dapat mengeluarkan tegangan output (Vo) yang merupakan amplifikasi dari tegangan input (Vi) dengan polaritas yang terbalik[2]. Hubungan Vo dan Vi dapat dinyatakan dalam persamaan seperti pada gambar 2-4.



Gambar 2-6 Perhitungan Rangkaian Penguat NonInverting[2]



2.2.3



PENGUAT PENJUMLAH



Gambar 2-7 Rangkaian Penguat Penjumlah[2] Gambar 2-4 Perhitungan Rangkaian Penguat Inverting[2]



2.2.2



PENGUAT NON-INVERTING



Rangkaian penguat penjumlah (gambar 2-7) dapat mengeluarkan tegangan output (Vo) yang merupakan hasil penjumlahan dari hasil amplifikasi tegangan-tegangan input (V1,V2 ,danV3) [2]. Hubungan Vo dan Vi dapat dinyatakan dalam persamaan seperti pada gambar 2-8. Rangkaian penguat penjumlah dapat memiliki lebih dari tiga input.



Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB



2



Gambar 2-8 Perhitungan Rangkaian Penguat NonInverting[2]



2.2.4



INTEGRATOR



1.



Kit Breadboard



2.



Kabel Jumper



3.



IC Op-Amp 741



4.



Kapasitor 1nF



5.



Resistor 1kΩ



6.



Resistor 1,1kΩ



7.



Resistor 2,2kΩ



8.



Resistor 3,3kΩ



9.



Resistor 6,8kΩ



10. Resistor 12kΩ 11. Resistor 3,9kΩ 12. Multimeter CD800a)



Digital



Compact



(Sanwa



13. Multimeter Digital Benchtop 14. Power Supply DC 15. Generator Sinyal Gambar 2-9 Rangkaian Integrator[2]



16. Osiloskop Digital



Rangkaian integrator (gambar 2-9) dapat mengeluarkan tegangan output (Vo) yang merupakan hasil pengintegralan dari sinyal tegangan input (Vi) [2]. Hubungan Vo dan Vi dapat dinyatakan dalam persamaan seperti pada gambar 2-10.



17. Kabel BNC-buaya 18. Kabel BNC-BNC 19. Kabel BNC-banana 20. Kabel Banana-banana 21. Kabel Banana-buaya 22. Kabel Buaya-buaya Alur-alur dan prosedur percobaan yang dilakukan akan dijelaskan pada bagian selanjutnya.



3.1



RANGKAIAN PENGUAT NONINVERTING



Gambar 2-10 Perhitungan Rangkaian Integrator[2]



3.



METODOLOGI



Pada praktikum ini alat dan komponen yang digunakan praktikan adalah:



Gambar 3-1 Percobaan Rangkaian Penguat NonInverting



Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB



3



Percobaan ini dilakukan untuk mengukur dan mendapatkan nilai tegangan output (Vo) pada rangkaian penguat non-inverting dengan menvariasikan tegangan input (Vi).



•Susun rangkaian seperti pada gambar 3-3



•Ukur nilai aktual resistor yang digunakan



Berikut adalah diagram yang merepresentasikan langkah kerja percobaan ini :



•Sambungkan VP ke titik A, Catat nilai Vi dan Vo



•Susun rangkaian seperti pada gambar 3-1



•Sambungkan VP ke titik B, Catat nilai Vi dan Vo •Dengan VP masih terhubung ke titik B, pasang generator sinyal pada Vi dengan frekuensi 500Hz



•Ukur nilai aktual resistor 1kΩ



•Atur keluaran generator sinyal hingga menghasilkan Vo pada op-amp sebesar 4 Vpp •Catat hasil pengukuran pada Buku Catatan Laboratorium



•Sambungkan VP ke titik A, Catat nilai Vi dan Vo



Gambar 3-4 Diagram Langkah Kerja Percobaan Rangkaian Penguat Inverting



•Ulangi langkah sebelumnya untuk titik B, C dan D 3.3



•Catat hasil pengukuran pada Buku Catatan Laboratorium



RANGKAIAN PENJUMLAH (SUMMER)



Gambar 3-2 Diagram Langkah Kerja Percobaan Rangkaian Penguat Non-Inverting



3.2



RANGKAIAN PENGUAT INVERTING



Gambar 3-5 Percobaan Rangkaian Penjumlah[1]



Percobaan ini dilakukan untuk mengukur dan mendapatkan nilai tegangan output (Vo) pada rangkaian penjumlah dengan menvariasikan tegangan-tegangan input yang diberikan. Berikut adalah diagram yang merepresentasikan langkah kerja percobaan ini : Gambar 3-3 Percobaan Rangkaian Penguat Inverting[1]



Percobaan ini dilakukan untuk mengukur dan mendapatkan nilai tegangan output (Vo) pada rangkaian penguat non-inverting dengan menvariasikan tegangan input (Vi). Berikut adalah diagram yang merepresentasikan langkah kerja percobaan ini :



Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB



4



•Susun rangkaian seperti gambar 3-5 •Susun rangkaian seperti gambar 3-7



•Ukur nilai aktual resistor yang digunakan •Menggunakan generator sinyal atur Vs pada frekuensi 1kHz dengan 0.5 VPP



•Pasang generator sinyal sebagai Vi dengan frekuensi 500Hz •Amati gelombang output dengan menggunakan osiloskop, plot gelombang input dan output



•Atur keluaran generator sinyal sehingga menghasilkan Vo pada op-amp sebesar 4 Vpp



•Ulangi langkah sebelumnya degan mengubah amplitudo menjadi 0.1 VPP



•Sambungkan VP ke titik A, Catat nilai Vi dan Vo



•Catat hasil pengukuran pada Buku Catatan Laboratorium



•Sambungkan VP ke titik B, Catat nilai Vi dan Vo



•Catat hasil pengukuran pada Buku Catatan Laboratorium



Gambar 3-8 Diagram Langkah Kerja Percobaan Rangkaian Integrator



Gambar 3-6 Diagram Langkah Kerja Percobaan Rangkaian Penjumlah



3.4



3.5



RANGKAIAN OSCILLATOR



RANGKAIAN INTEGRATOR



Gambar 3-9 Percobaan Rangkaian Oscillator[1]



Gambar 3-7 Percobaan Rangkaian Integrator[1]



Percobaan ini dilakukan untuk mengukur dan mendapatkan nilai tegangan output (Vo) pada rangkaian integrator.



Percobaan ini dilakukan untuk mengetahui frekuensi sinyal yang dihasilkan rangkaian oscillator pada titik C dengan memvariasikan resistor pada rangkaian Berikut adalah diagram yang merepresentasikan alur percobaan ini :



Berikut adalah diagram yang merepresentasikan alur percobaan ini :



Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB



5



•Susun rangkaian seperti pada gambar 3-9



perubahan hasil pengukuran pergerakan pada breadboard.



•Ukur frekuensi pada titik C



Tidak terdapat percobaan ini.



kendala



yang



apabila berarti



terjadi pada



•Lakukan pengukuran frekuensi ulang dengan mengubah nilai R1 = R2 = 6.8kΩ •Kembalikan R1 dan R2 ke nilai awal •Lakukan pengukuran frekuensi ulang dengan mengubah nilai C = 470 pF •Kembalikan nilai C ke titik awal •Lakukan pengukuran frekuensi ulang dengan mengubah niai R4 = 12kΩ •Catat hasil pengukuran pada Buku Catatan Laboratorium Gambar 4-1 Simulasi Percobaan Penguat NonInverting pada Ltspice Gambar 3-10 Diagram Langkah Kerja Percobaan Rangkaian Oscillator



4.



Gambar 4-1 menunjukkan skema rangkaian penguat non-inverting yang akan disimulasikan pada program LTspice.



HASIL DAN ANALISIS



Berikut adalah data hasil percobaan dan analisis data terkait,



4.1



PENGUAT NON-INVERTING



Tabel 4-1 Data Percobaan Penguat Non-Inverting



Dari hasil percobaan ini yang tertera pada tabel 4-1, dapat dilihat data yang didapatkan dalam percobaan mendekati hasil perhitungan menggunakan rumus. Vo mendapatkan amplifikasi sebesar 2 kali terhadap Vi sesuai dengan teori dan hasil yang diharapkan.



(a)



Perbedaan hasil pengukuran dengan perhitungan menurut praktikan tidak signifikan (kecuali pada no. 4). Hal ini menurut praktikan dapat disebabkan oleh pemasangan kabel jumper dan resistor pada breadboard yang kurang kencang dikarenakan Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB



6



seharusnya memiliki polaritas yang berkebalikan degan tegangan masukan Vi. Kesalahan dan ketidaktepatan hasil pengukuran terhadap hasil perhitungan menurut praktikan dapat disebabkan oleh kesalahan praktikan dalam merangkai rangkaian pada breadboard. Misalnya kesalahan-kesalahan seperti terjadinya hubung singkat maupun kurang kencangnya pemasangan komponen atau kabel jumper. (b)



(c)



Gambar 4-4 Simulasi Percobaan Penguat Inverting pada LTspice



Gambar 4-4 menunjukkan skema rangkaian penguat inverting pada program LTspice yang dapat me



(d) Gambar 4-2 Hasil Simulasi Percobaan Penguat NonInverting pada LTspice



Gambar 4-2 menunjukkan hasil simulasi rangkaian penguat non-inverting ( (a) untuk VP pada posisi A, (b) pada posisi B dst.). Vi dan Vo yang diukur pada percobaan di lab mendekati hasil simulasi LTspice.



4.2



(a)



RANGKAIAN PENGUAT INVERTING



Tabel 4-2 Data Percobaan Penguat Inverting



(b)



Dari hasil percobaan penguat inverting yang tertera pada tabel 4-2, dapat dilihat data yang didapatkan dalam percobaan tidak sesuai dengan hasil perhitungan yang sebelumnya didapatkan. Tegangan keluaran yang terdapat pada Vo



Gambar 4-5 Hasil Simulasi Percobaan Penguat Inverting pada LTspice



Catatan : Percobaan-percobaan setelah ini disimulasikan pada program LTspice dikarenakan kejadian di laboratorium dimana generator sinyal tidak dapat menghasilkan sinyal tegangan dengan baik (sudah diperiksa oleh asisten dengan menggunakan osiloskop) Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB



7



4.3



Gambar 4-6 Simulasi Percobaan Penguat Inverting (Sinyal Input Sinusoidal) pada LTspice



Gambar 4-6 menunjukkan skema rangkaian penguat inverting yang tegangan input Vi-nya dipasang dengan sinyal sinusoidal berfrekuensi 500Hz. Untuk mendapatkan keluaran Vo mendekati 4 VPP, tegangan maksimum Vmaks di atur pada 0.92 Volt (tabel 4-3). Tabel 4-3 Data Percobaan Penguat Inverting (Sinyal Input Sinusoidal)



RANGKAIAN PENJUMLAH (SUMMER)



Gambar 4-8 Simulasi Percobaan Rangkaian Penjumlah pada LTspice



Gambar 4-8 menunjukkan skema rangkaian penjumlah (summer) yang mempunyai dua input yang akan dijumlahkan. Input Vi berupa hasil pembagi tegangan yang ditentukan oleh posisi saklar pada A atau B, sedangkan input Vi2 merupakan sinyal sinusoidal dengan frekuensi 500Hz.



(a)



Gambar 4-7 Grafik Tegangan terhadap Waktu Vi dan Vo pada Percobaan Penguat Inverting (Sinyal Input Sinusoidal)



Dapat dilihat dan dianalisis dari grafik pada gambar 4-7 bahwa tengangan keluaran Vo merupakan hasil amplifikasi sinyal input Vi yang terbalik polaritasnya. Hal ini sesuai dengan dasar teori dan ekspektasi praktikan karena sinyal input Vi memasuki op-amp pada input inverting.



(b) Gambar 4-9 Grafik Tegangan terhadap Waktu Vi, Vi2 dan Vo pada Percobaan Rangkaian Penjumlah pada LTspice Tabel 4-4 Data Percobaan Rangkaian Penjumlah



Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB



8



Gambar 4-9 menunjukkan hasil simulasi rangkaian penjumlah ( (a) untuk Vi pada posisi A, (b) pada posisi B). Untuk Vi di kedua posisi, dibutuhkan Vi2 sebesar 0.92 Volt sebagai tegangan maksimum Vmaks sinyal sinusoidal (tabel 4-4). Dapat dilihat dari grafik bahwa Vo merupakan hasil penjumlahan dari sinyal Vi dan Vi2 yang telah diamplifikasi sebesar 2.2 kali. Sedangkan yang membedakan kedua hasil Vo yang sama-sama memiliki VPP sebesar 4 V adalah Vmaks kedua buah sinyal keluaran.



4.4



RANGKAIAN INTEGRATOR



Gambar 4-11 menunjukkan hasil simulasi rangkaian integrator dengan sinyal input sinyal kotak dengan tegangan 0.5 VPP. Sinyal output Vo memiliki amplitudo tegangan 12 Volt dikarenakan amplifikasi hasil pengintegralan sinyal input sebesar 1/RC, yaitu amplifikasi sebesar 1 juta kali. 12 Volt yang menjadi keluaran op-amp merupakan tegangan tersaturasi dimana tegangan output opamp tidak mungkin melebihi |VCC |yang menjadi sumber tegangan op-amp[2]. Sinyal output Vo berbentuk trapezium dikarenakan menurut praktikan rise dan fall tegangan yang menyebabkan adanya garis miring saat rise dan fall sedangkan saat tegangan berada dalam keadaan konstan selama beberapa saat menyebabkan garis mendatar. Bentuk sinyal juga dipengaruhi oleh skala yang digunakan praktikan dalam memplot hasil simulasi.



Gambar 4-10 Simulasi Percobaan Rangkaian Integrator pada LTspice



Gambar 4-10 menunjukkan skema rangkaian integrator yang tegangan input Vi-nya dipasang dengan sinyal kotak dengan frekuensi 1kHz tegangan 0.5 VPP dan 0.1 VPP dalam dua percobaan yang berbeda.



Gambar 4-12 Grafik Tegangan terhadap Waktu Vi 0.1 VPP (a) dan Vo (b) pada Hasil Simulasi Percobaan Rangkaian Penjumlah pada LTspice



Gambar 4-12 menunjukkan hasil simulasi rangkaian integrator dengan sinyal input sinyal kotak dengan tegangan 0.5 VPP. Sinyal output Vo memiliki amplitudo tegangan 12 Volt dikarenakan amplifikasi hasil pengintegralan sinyal input sebesar 1/RC, yaitu amplifikasi sebesar 1 juta kali. Penjelasan hasil grafik sama seperti pembahasan pada gambar 4-11. Namunc pada percobaan ini dihasilkan sinyal output berbentuk sinyal segitiga.



(a)



(b) Gambar 4-11 Grafik Tegangan terhadap Waktu Vi 0.5 VPP (a) dan Vo (b) pada Hasil Simulasi Percobaan Rangkaian Penjumlah pada LTspice Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB



9



4.5



RANGKAIAN OSCILLATOR



(d) Gambar 4-13 Simulasi Percobaan Rangkaian Oscillator pada LTspice



Gambar 4-10 menunjukkan skema rangkaian oscillator menggunakan 3 op-amp yang akan disimulasikan pada program LTspice.



Gambar 4-14 Grafik Tegangan terhadap Waktu VC Hasil Simulasi Percobaan Rangkaian Oscillator pada LTspice



Gambar 4-11 menunjukkan hasil simulasi rangkaian oscillator dengan empat variasi yang sebelumnya sudah dijelaskan pada bab metodologi. Frekuensi pada sinyal output didapatkan dengan menggunakan fitur attached cursor pada program LTspice yang berfungsi untuk membandingkan waktu di dua titik berbeda pada sinyal. Tabel 4-5 Data Percobaan Rangkaian Oscillator



(a)



Praktikan menggunakan initial condition sebesar 0.01 Volt pada V(n004) = VC dalam menjalankan simulasi agar sinyal output dapat muncul dari sebuah referensi daring[3]. Sinyal yang muncul pada awalnya masih dalam masa transient (gambar 4-15). Namun, praktikan hanya mengambil grafik pada bagian dimana sinyal keluaran sudah berosilasi dengan amplitudo stabil, yaitu 12 Volt. (b)



Gambar 4-15 Grafik Tegangan terhadap Waktu VC Hasil Simulasi Percobaan Rangkaian Oscillator pada LTspice pada Keadaan Osilasi Belum Stabil



(c)



5.



KESIMPULAN



Setelah melakukan semua percobaan pada praktikum modul 3 tentang rangkaian penguat operasional, praktikan dapat: Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB



1 0



1.



Memahami apa itu Operational Amplifier (op-amp)



2.



Melakukan penurunan rumus terkait operasi-operasi komputasi analog sederhana syang dapat dilakukan oleh opamp



3.



Menentukan tegangan keluaran (Vo) yang menjadi output suatu rangkaian op-amp sederhana



DAFTAR PUSTAKA [1]



Hutabarat, Mervin T, Petunjuk Praktikum : Praktikum Rangkaian Elektrik, 2019



[2]



Charles K. Alexander, Matthew N.O. Sadiku, Fundamentals of Electric Circuits 5th Edition, McGraw-Hill, New York, 2013



[3]



https://electronics.stackexchange.com/questi ons/321222/phase-shift-oscillator-notoscillating, 12 September 2019, 22.19.



Laporan Praktikum - Laboratorium Dasar Teknik Elektro – STEI ITB



11