el202 teori rangkaian bab 4: penguat operasional ...openstorage.gunadarma.ac.id/handouts/s1-sistem...

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 1 dari 42 EYS-2001

PENGUAT OPERASIONAL

� Pendahuluan

� Karakteristik dan Pemodelan

� Operasi pada Daerah Linear

• Model Virtual Short Circuit

• Metoda Inspeksi

• Metoda Sistematik

� Operasi pada Daerah NonLinear

• Rangkaian Ekivalen Saturasi

• Metoda Inspeksi

• Metoda Sistematik

� Model Ideal vs Model Finite Gain

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 2 dari 42 EYS-2001

�PENDAHULUAN

♦ Op Amp merupakan divais semikonduktor sangat popular,

dengan aplikasi sangat luas.

♦ Pada penggunaan frekuensi rendah, Op Amp bersifat sebagai

resistor 4-terminal nonlinear, sering dimodelkan sebagai Op

Amp ideal.

♦ Model ideal membuat analisis menjadi sangat mudah.

♦ Op Amp beroperasi pada daerah linear atau nonlinear,

tergantung pada cakupan sinyal inputnya.

♦ Pada daerah operasi linear, model ideal Op Amp yang

nonlinear dapat dilinearkan (model hubung singkat virtual).

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 3 dari 42 EYS-2001

� KARAKTERISTIK DAN PEMODELAN

♦ Op Amp yang multi terminal tersedia dalam berbagai kemasan

standard.

♦ Terdapat lebih dari 2000 jenis Op Amp dalam IC, salah satu

yang populer adalah µA741.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 4 dari 42 EYS-2001

♦ Terminal supply E+ dan E- digunakan untuk biasing transistor

dalam Op Amp agar Op Amp dapat berfungsi baik.

♦ Setelah diberi sumber tegangan, rangkaian nulling dan

kompensasi luar dilengkapi , maka Op Amp dapat dipandang

sebagai divais 4-terminal input +, input -, output, Gnd.

♦ Karakteristik akurat Op Amp hanya dapat diturunkan dengan

mengalisis seluruh rangkaian IC.

♦ Tetapi untuk aplikasi frekuensi rendah, karakteristik pendekatan

Op Amp diturunkan secara eksperimen:

IB- : arus bias input – IB+ : arus bias input + f(vd): karakteristik transfer vo terhadap vd

vd = v+ - v-

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 5 dari 42 EYS-2001

♦ Karakteristik transfer memiliki sifat fungsi simetri ganjil, dan tak

terlalu peka terhadap perubahan arus output.

♦ Tiga sifat yang diperoleh:

1. Tegangan vo dan vd berskala berbeda: volt dan milivolt.

2. Untuk interval sempit disekitar titik asal: -ε < vd < ε, f(vd) ≈

Avd (linear) dengan slope A : penguatan tegangan loop

terbuka.

3. Kurva f(vd) saturasi pada vo = ± Esat, dengan Esat ≈ VDD – 2.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 6 dari 42 EYS-2001

♦ Model Op Amp Ideal

♦ Model ideal diturunkan dengan asumsi: IB- = IB+ = ε =0 dan A = ∝

♦ Model ideal secara analitis:

♦ Secara grafis persamaan diatas dapat digambarkan sbb:

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 7 dari 42 EYS-2001

� OPERASI PADA DAERAH LINEAR ♦ Syarat Op Am beroperasi didaerah linear:

-Esat < vo(t) < Esat untuk semua t

o Model Virtual Short Circuit

♦ Analogi dengan resistor 4-terminal / 3-port, maka Op Amp ideal

dicirikan:

o Analisis rangkaian dapat menggunakan metoda inspeksi dan

metoda sistematik.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 8 dari 42 EYS-2001

Metoda Inspeksi

♦ Sederhana dengan menggunakan KCL dan Persamaan Op

Amp ideal.

A. Voltage Follower / Buffer

KCL pada Node 2: 0== +iiin

KVL pada loop 4-3-2-1-4:

inoddino vvvvvv ===+− diperoleh ,0dengan 0 (unity gain VCVS)

Terapkan syarat beroperasi pada daerah linear:

satinsat EvE <<− Sifat rangkaian:

o Resistansi input tak terhingga , karena Iin = 0 o Output mengikuti tegangan yang sama dengan input tak

tergantung pada beban luar o Sebutan: voltage follower, buffer, isolation amplifier.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 9 dari 42 EYS-2001

B. Inverting Amplifier

Mengingat vd = 0, maka v1 = vin, dan i1= vin/R1.

Karena I-=0, diperoleh

i2=i1 dan v2= Rfi1 = Rf(vin/R1)

Gunakan KVL pada loop 4-2-1-4:

in

f

o vR

Rv ][

1

−=

Substitusikan persamaan terakhir ke syarat Op Amp beroperasi

didaerah linear:

Catatan:

o Untuk input sinus, phasa output tergeser 180 terhadap input o Untuk R1= Rf , rangkaian disebut phase inverter o Arus i = i = 0 dipaksakan dari kartakteristik v-i nya o Tegangan vd =0 dicapaidari luar dengan mengumpanbalikan

tegangan output vo ke terminal – melalui Rf.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 10 dari 42 EYS-2001

C. Noninverting Amplifier

Mengingat vd = 0,

maka v1 = vin, dan i1= vin/R1.

Karena I-=0, diperoleh i2=i1 = vin/R1 dan v2= (Rf/R1) vin

Gunakan KVL pada loop 4-3-2-1-4:

inf

o vR

Rv ]1[

1

+=

Substitusikan persamaan terakhir ke syarat Op Amp beroperasi

didaerah linear:

Catatan:

Bila R1 = tak terhingga dan Rf = 0, maka rangkaian menjadi voltage

follower.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 11 dari 42 EYS-2001

D. Pengukuran Resistansi Tanpa Memotong Kabel

Anggap resistor Rj yang akan diukur.

Langkah-langkah pengukuran:

o Hubungkan terminal – Op Amp kesalah satu terminal Rj

(node 4) dan hubungkan ke Gnd terminal lain dari semua

resistor yang terhubung pada node tsb (node 1, 2, dan 3).

o Hubungkan terminal o Op Amp pada terminal kedua resistor

Rj (node 5).

o Dari sifat virtual short circuit, jumlah arus yang melalui

semua resistor yang terhubung pada node 4 kecuali resistor

Rj adalah nol.

o Mengingat i1=E/R dan i- = 0, diperoleh Ij = E/R dan vj =

(e/R)Rj. Dengan mengukur tegangan Vj, resistansi Rj dapat

dihitung: jj vE

RR =

o Tanpa rangkaian virtual short, Rj harus dipotong agar

nilainya dapat diukur.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 12 dari 42 EYS-2001

E. Umpan Balik NonLinear

Dari rangkaian, diperoleh:

)( sehingga dan /1

2112 R

vfvvvRvii in

ooin −=−===

Substitusikan persamaan tsb ke syarat Op Amp bekerja linear:

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 13 dari 42 EYS-2001

Contoh: Rangkaian Limiter / Clipper

Dengan menggunakan metoda grafik, diperoleh karakteristik titik driving

rangkaian :

Dari Persamaan )( 1R

vfv in

o −= , terlihat bahwa karakteristik transfer

dapat diperoleh dengan mencerminkan kurva diatas terhadap sumbu harizontal dan mengganti v2 => vo dan i2 => vin. Dengan anggapan Esat = ± 13 V, maka syarat Op Amp bekerja didaerah

linear terpenuhi, mengingat: VRvf in 10|)/(| 1 <− Catatan: Untuk amplitudo sinyal input > 5 V, output = ± 10 V , sehingga digunakan untuk proteksi tegangan lebih.

R1 = 1 K ohm. Tegangan supply Op Amp = ± 15 V, dan Esat

= ± 13 V

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 14 dari 42 EYS-2001

♦ Metoda Sistematik

♦ Metoda inspeksi seringkali gagal menyelesaikan lebih dari satu

persamaan simultan.

♦ Metoda sistematik menentukan persamaan-persamaan

independen linear yang menggunakan jumlah variabel minimum.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 15 dari 42 EYS-2001

Contoh:

Tentukan tegangan output.

Langkah 1: Nomori node berurutan, dan gunakan KVL :

Langkah 2: Nyatakan arus cabang pada setiap resistor linear :

Langkah 3: Tentukan semua variabel arus lain yang belum tercakup :

is1, is2, dan Ia.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 16 dari 42 EYS-2001

Langkah 4: Tulis KCL untuk setiap node:

Langkah 5: Lengkapi persamaan diatas (5 persamaan dengan 8

variabel) dengan 3 persamaan lain dari langkah 1 dan 2:

Langkah 6: Cari solusi vo(t) dari 8 persamaan diatas:

Langkah 7: Tentukan cakupan tegangan input agar Op Amp bekerja

didaerah linear:

Kasus Khusus: Differential dc amplifier Ambil kasus: R1/R2 = R3/R4, maka solusi nya menjadi sbb:

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 17 dari 42 EYS-2001

� OPERASI PADA DAERAH NONLINEAR

• Apabila amplitudo sinyal input tak memenuhi syarat operasi

linear, maka Op Amp akan masuk kedaerah saturasi.

• Banyak aplikasi yang memerlukan Op Amp beroperasi pada

seluruh daerah untuk model Op Amp ideal.

• Pendekatan piecewise linear memudahkan analisis linear untuk

setiap daerah.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 18 dari 42 EYS-2001

• Rangkaian Ekivalen Saturasi +

• Pada daerah saturasi +, model Op Amp ideal dicirikan:

• Syarat:

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 19 dari 42 EYS-2001

♦ Rangkaian Ekivalen Saturasi –

• Pada daerah saturasi +, model Op Amp ideal dicirikan:

• Syarat:

Catatan:

• Untuk menentukan daerah kerja Op Amp model ideal hanya dilihat

dari beda tegangan inputnya vd:

• Bila vd =0, Op Amp bekerja di daerah linear,

• Bila vd > 0, Op Amp bekerja di daerah saturasi +,

• Bila vd < 0, Op Amp bekerja di daerah saturasi -.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 20 dari 42 EYS-2001

o Metoda Inspeksi

o Kebanyakan rangkaian Op Amp yang bekerja didaerah nonlinear

memiliki satu input dan satu output.

o Sehingga masalah utama adalah menurunkan karakteristik titik

driving atau karakteristik transfer.

o Bentuk gelombang output dapat ditentukan secara grafis atau

substitusi langsung melalui kurva karakteristik tsb.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 21 dari 42 EYS-2001

A. Komparator (Detektor Threshold)

o Ganti model ideal Op Amp dengan virtual short circuit::

vd = vin – ET = 0. Op Amp di daerah linear, bila: vin = ET , diperoleh iin = 0 dan -Esat < vo < Esat.

Detektor threshold : ET ≠ 0 Detektor zero crossing : ET = 0

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 22 dari 42 EYS-2001

o Ganti model ideal Op Amp dengan saturasi + :

o Ganti model ideal Op Amp dengan saturasi - :

vd = vin – ET > 0. Op Amp di daerah saturasi +, bila: vin > ET , diperoleh iin = 0 dan vo = Esat.

vd = vin – ET < 0. Op Amp di daerah saturasi +, bila: vin < ET , diperoleh iin = 0 dan vo = - Esat.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 23 dari 42 EYS-2001

B. Rangkaian Umpanbalik Negatif

Rangkaian voltage follower: satinino E |vvv <= |untuk

Dari rangkaian, diperoleh:

satinsato

satinsato

EvEv

EvEv

−<−=

>=

bila

bila

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 24 dari 42 EYS-2001

C. Rangkaian Umpanbalik Positif

Untuk daerah saturasi +:

Untuk daerah saturasi -:

Syarat beroperasi:

0>−= insatd vEv atau:

satin Ev < Sehingga:

sato Ev =

Syarat beroperasi:

0<−−= insatd vEvatau:

satin Ev −> Sehingga:

sato Ev −=

Dari rangkaian, diperoleh:

satinino E |vvv <= |untuk

(sama dengan UB negatif untuk

daerah linear)

Catatan: Untuk model Op Amp tak ideal, semua titik operasi daerah linear akan tak stabil: akan berpindah ke daerah saturasi + atau saturasi -, tergantung pada perubahan sinyal input.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 25 dari 42 EYS-2001

D. Konverter Resistansi Negatif

♦ Analisis Daerah Linear:

Syarat Op Amp beroperasi di daerah linear:

-Esat < vo(t) < Esat,

atau

♦ Tentukan titik driving

dan karakteristik

transfer nya.

Dari Rangkaian, diperoleh:

dengan v2=v, diperoleh:

KVL pada 4-1-3-4:

Dari 2 persamaan, diperoleh:

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 26 dari 42 EYS-2001

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 27 dari 42 EYS-2001

♦ Analisis Daerah Saturasi +

Dari rangkaian, diperoleh:

KVL pada 4-1-2-4:

Syarat Op Amp di saturasi +:

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 28 dari 42 EYS-2001

♦ Analisis Daerah Saturasi –

Dari rangkaian, diperoleh:

KVL pada 4-1-2-4:

vEvERR

Rv satsatd −−=−

+−= β

21

2

Syarat Op Amp di saturasi -:

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 29 dari 42 EYS-2001

♦ Karakteristik transfer dan karakteristik titik driving total:

♦ Pengukuran menunjukkan hasil yang sesuai dengan perhitungan.

♦ Rangkaian mengubah resistansi positif R1, R2 dan Rf menjadi

resistansi negatif -(R2Rf/R1)pada daerah linear nya.

♦ Flip flop / osilator dapat diperoleh dari rangkaian ini (bab6).

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 30 dari 42 EYS-2001

E. Resistor Konkaf dan Konveks

Karakteristik dioda pn-junction nya:

♦ Bila Op Amp bekerja di daerah linear dan saturasi +, maka

karakteristik titik drivingnya sama dengan milik resistor konkaf untuk

semua v < E1, dengan:

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 31 dari 42 EYS-2001

♦ Analisis Daerah Linear

Untuk vd = 0, diperoleh e2 = E, sehingga

Dari rangkaian: i = iD ≥ 0

Syarat Op Amp beroperasi linear:

Atau:

Mengingat )( Dvi)

= fungsi naik monoton, maka

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 32 dari 42 EYS-2001

Dengan )( satEEi +)

= arus dioda pada vD = E + Esat.

Sehingga

Dalam batas tegangan, diperoleh:

dengan

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 33 dari 42 EYS-2001

Analisis Daerah Saturasi +

KVL pada 2-1-5-3-2:

(Anggap E < Esat).

Dengan demikian dioda reversed bias bila Op Amp pada daerah

saturasi +.

Diperoleh:

Dari rangkaian:

RivEvd +−= Syarat saturasi + :

0>dv , maka:

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 34 dari 42 EYS-2001

Karakteristik total untuk kedua daerah operasi Op Am:

Karakteristik hasil pengukuran:

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 35 dari 42 EYS-2001

Kasus Khusus:

♦ Bila R->0 dan E -> 0, maka karakteristik titik driving berubah menjadi

milik dioda ideal:

♦ Pengukuran kurva karakteristik dioda pn-junction:

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 36 dari 42 EYS-2001

Realisasi Dioda Ideal

♦ Rangkaian Op Amp untuk realisasi dioda ideal:

♦ Pengukuran karakteristik titik driving rangkaian dioda ideal:

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 37 dari 42 EYS-2001

Realisasi Resistor Konveks

♦ Rangkaian resistor konveks pada bab 2:

♦ Ganti dioda pada gambar kiri dengan rangkaian dioda menggunakan Op Amp, diperoleh rangkaian kanan.

♦ Balik arah dioda pada rangkaian dioda ideal sebelumnya:

♦ Karakteristiknya berdasarkan perhitungan dan pengukuran:

♦ Dengan 2 rangkaian resistor konkaf dan konveks tsb, dapat didesain

rangkaian apapun yang memiliki karakteristik titik driving piecewise

linear yang naik secara monoton.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 38 dari 42 EYS-2001

♦ Metoda Sistematik

♦ Gunakan metoda sistematik untuk rangkaian lebih kompleks

yang tak dapat dianalisis dengan metoda sebelumnya (dibahas

pada bab 8)

♦ Segmen titik driving atau karakteristik transfer pada saat Op

Amp didaerah linear, dapat diturunkan menggunakan metoda

ini.

♦ Untuk daerah saturasi + dan -, prosedur yang sama dapat

dilakukan dengan mengingat Op Amp dimodelkan sebagai

suatu battery.

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 39 dari 42 EYS-2001

�MODEL IDEAL vs MODEL FINITE GAIN

♦ Model Op Amp ideal menganggap A =∝.

♦ Bila A ≠ ∝, maka model ideal harus diganti dengan model Op Amp

penguatan berhingga.

♦ Dengan menggunakan representasi piecewise linear, model

analitisnya sbb:

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 40 dari 42 EYS-2001

♦ Mengingat i- = 0 dan i+ = 0, maka i- = I+ , maka kedua model Op

Amp dipandang sebagai 2-port.

♦ 2-port nonlinear untuk model penguatan berhingga:

♦ 2-port linear untuk model penguatan berhingga: VCVS

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 41 dari 42 EYS-2001

Contoh : Perbadingan Analisis menggunakan 2 model.

♦ Gunakan model penguatan berhingga:

♦ Dari Analisis sebelumnya: rangkaian bekerja di daerah linear

dengan cakupan dinamis:

♦ Ganti Op Amp dengan model 2-port linear, sehingga rangkaian

menjadi:

KCL pada node 1:

KVL pada urutan node tertutup 1-4-2-1:

EL202 Teori Rangkaian Bab 4: Penguat Operasional

Teknik Elektro ITB 42 dari 42 EYS-2001

Diperoleh:

Dengan vo=Avd, maka:

Catatan:

♦ Bila A -> ∝, maka vd -> 0 pada persamaan diatas, sehingga vo

menjadi: in

f

o vR

Rv ][

1

−=

♦ Untuk A > 105, maka perhitungan vd dan vo akan menghasilkan nilai

yang sangat dekat dengan model Op Amp ideal.

♦ Kesimpulan sama berlaku juga untuk rangkaian lain.

♦ Pengukuran karakteristik titik driving pada Gb 3.9, 3.10, 3.12 dan

3.14 sesuai sekali dengan yang diperkirakan pada model Op Amp

ideal.

♦ Model Op Amp ideal tepat digunakan karena analisisnya menjadi

jauh lebih sederhana.