Ensiklopedia

Penguat operasional ( bahasa Inggris : operational amplifier ) atau yang biasa disebut op-amp merupakan suatu jenis penguat elektronika dengan hambatan (bahasa Inggris: coupling ) arus searah yang memiliki bati ( faktor penguatan atau dalam bahasa Inggris: gain ) sangat besar dengan dua masukan dan satu keluaran. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Penguat operasional pada umumnya tersedia dalam bentuk sirkuit terpadu dan yang paling banyak digunakan adalah seri 741 . ^{[ 1 ]}

Penguat operasional adalah perangkat yang sangat efisien dan serba guna. ^{[ 3 ]} Contoh penggunaan penguat operasional adalah untuk operasi matematika sederhana seperti penjumlahan dan pengurangan terhadap tegangan listrik hingga dikembangkan kepada penggunaan aplikatif seperti komparator dan osilator dengan distorsi rendah. ^{[ 3 ]}

Penguat operasional dalam bentuk rangkaian terpadu memiliki karakteristik yang mendekati karakteristik penguat operasional ideal tanpa perlu memperhatikan apa yang terdapat di dalamnya. ^{[ 1 ]} Karakteristik penguat operasional ideal adalah: ^{[ 1 ]}

1. Bati tegangan tidak terbatas. ^{[ 1 ]}
2. Impedansi masukan tidak terbatas. ^{[ 1 ]}
3. Impedansi keluaran nol. ^{[ 1 ]}
4. Lebar pita tidak terbatas. ^{[ 1 ]}
5. Tegangan offset nol (kondisi ketika masukan sebesar nol). ^{[ 1 ]}

Awal dari penggunaan penguat operasional adalah tahun 1940 -an, ketika sirkuit elektronika dasar dibuat dengan menggunakan tabung vakum untuk melakukan operasi matematika seperti penjumlahan , pengurangan , perkalian , pembagian , integral , dan turunan . ^{[ 5 ]} Istilah penguat operasional itu sendiri baru digunakan pertama kali oleh dan kawan-kawan dalam sebuah karya tulis yang dipublikasikan pada tahun 1947 . ^{[ 6 ]} Kutipan bersejarah dalam karya tulis tersebut adalah:

" As an amplifier so connected can perform the mathematical operations of arithmetic and calculus on the voltages applied to its inputs, it is hereafter termed an operational amplifier . " (Ragazzini, et.al, 1947) ^{[ 6 ]} (dalam bahasa Indonesia : "Oleh karena penguat dapat dihubungkan untuk melakukan operasi matematika dan kalkulus terhadap tegangan yang dikenakan terhadap masukannya, maka digunakan istilah penguat operasional .") ^{[ 6 ]}

Penguat operasional yang tersedia secara komersial untuk pertama kalinya adalah K2-W yang diproduksi oleh Philbrick Researches, Inc. dari Boston antara tahun 1952 hingga awal 1970 -an. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Penguat operasional tersebut harus dijalankan pada tegangan +/- 300 V dan memiliki berat 85 g dan berukuran 3,8 cm x 5,4 cm x 10,4 cm dan dijual seharga US$22. ^{[ 5 ]}

Saat ini penguat operasional tersedia dalam bentuk sirkuit terpadu dan tidak lagi menggunakan tabung vakum, melainkan menggunakan transistor . ^{[ 5 ]} Dalam suatu sirkuit terpadu penguat operasional umumnya terdapat lebih dari 25 transistor beserta resistor dan kapasitor yang diperlukan hanya dalam satu cip silikon . ^{[ 5 ]} Hasilnya, penguat operasional modern hanya membutuhkan tegangan listrik +/- 18 V, bahkan beberapa jenis seperti LM324 dapat berjalan pada tegangan hanya +/- 1,5 V. ^{[ 5 ] [ 7 ]} Penguat operasional KA741 dari Fairchild Semiconductor yang banyak digunakan bahkan hanya berukuran 5,7 mm x 4,9 mm x 1,8 mm dan tersedia di pasaran dengan harga hanya Rp3.500 (US$0,37). ^{[ 5 ] [ 8 ]}

Pada diagram skema di samping digambarkan susunan bagian dalam sirkuit terintegrasi penguat operasional seri 741. ^{[ 9 ]} Nomor-nomor yang terdapat di dekat terminal pada gambar menunjukkan nomor kaki terminal pada sirkuit terintegrasi 741 jenis 8-pin. ^{[ 9 ]} Pin nomor 8 tidak terhubung dengan sirkuit. ^{[ 9 ]}

Ada beberapa hal menarik tentang sirkuit internal 741. ^{[ 9 ]} Yang pertama adalah transistor masukan terhubung dengan konfigurasi pengikut emiter NPN yang keluarannya terhubung secara langsung kepada sepasang transistor PNP yang terkonfigurasi sebagai penguat basis bersama . ^{[ 9 ]} Konfigurasi ini memisahkan masukan dan mencegah sinyal umpan balik yang mungkin memiliki efek berbahaya yang bergantung pada frekuensi . ^{[ 9 ]}

Pasangan transistor pada bagian yang diwarnai dengan warna merah pada diagram disebut cermin arus , di mana basis terhubung langsung dengan kolektor pada salah satu transistor dari tiap pasangan dan kedua transistor saling terhubung pada emiter. ^{[ 9 ]} Penggunaan cermin arus pada sirkuit masukan, yaitu pasangan transistor ${\displaystyle Q8}$ dan ${\displaystyle Q9}$ serta pasangan ${\displaystyle Q12}$ dan ${\displaystyle Q13}$ , memungkinkan masukan menerima ayunan tegangan ragam bersama tanpa melewati rentang daerah aktif tiap transistor dalam sirkuit. ^{[ 9 ]} Sedangkan cermin arus ketiga, yaitu pasangan transistor ${\displaystyle Q10}$ dan ${\displaystyle Q11}$ membentuk cermin arus yang agak berbeda dengan resistor bernilai 5 K ${\displaystyle \Omega }$ terhubung secara seri dengan emiter membatasi arus kolektor menjadi hampir nol sehingga dapat menjadi hubungan impedansi tinggi kepada catu daya negatif dan tidak membebani sirkuit masukan. ^{[ 9 ]}

Keunikan lain dalam sirkuit internal ditunjukkan dengan warna hijau, di mana kedua resistor bias transistor terhubung sedemikian hingga tidak terlihat adanya sinyal masukan kepada basis transistor. ^{[ 9 ]} Bila diasumsikan tidak ada arus basis yang mengalir pada transistor, dan nilai ${\displaystyle V_{BE}}$ sebesar 0,625 Volt maka menurut hukum Ohm akan diperlukan arus sebesar 0,625 V ÷ 7,5 K ${\displaystyle \Omega }$ = 0,0833 mA melalui resistor antara basis dan kolektor. ^{[ 9 ]} Arus tersebut juga harus mengalir melalui resistor antara basis dan emiter sehingga menimbulkan tegangan jepit sebesar 0,0833 mA × 4,5 K ${\displaystyle \Omega }$ = 0,375 V sehingga menghasilkan total tegangan jepit melalui dua resistor sebesar 0,625 V + 0,375 V = 1,0 V. ^{[ 9 ]} Hal ini digunakan untuk memberikan beda tegangan internal sebesar 1 Volt berapa pun tegangan keluaran keseluruhan sirkuit. ^{[ 9 ]}

Dalam lembar spesifikasi penguat operasional, dapat ditemukan banyak istilah-istilah yang berkaitan dengan kerja penguat operasional. ^{[ 10 ]} Beberapa istilah dan definisinya antara lain:

• ${\displaystyle \phi _{m}}$ : Margin fase, yaitu nilai absolut dari ingsut atau pergeseran fase simpal terbuka di antara terminal keluaran dan masukan pembalik pada frekuensi di mana modulus penguatan simpal terbuka adalah satu. ^{[ 10 ]}
• ${\displaystyle A_{m}}$ : Margin bati, adalah timbalbalikan dari nilai penguatan tegangan simpal terbuka pada frekuensi terendah di mana ingsut fase simpal terbuka sedemikian rupa sehingga keluaran sefase dengan masukan pembalik. ^{[ 10 ]}
• ${\displaystyle A_{v}}$ : Penguatan tegangan sinyal besar, yaitu nisbah dari ayunan tegangan puncak ke puncak keluaran terhadap besar perubahan tegangan masukan yang dibutuhkan. ^{[ 10 ]}
• ${\displaystyle B1}$ : Lebar pita bati satuan ( bahasa Inggris : unity gain bandwidth ) adalah rentang frekuensi di mana bati penguatan tegangan simpal terbuka bernilai lebih dari satu. ^{[ 10 ]}
• ${\displaystyle C_{i}}$ : Kapasitansi masukan, yaitu nilai kapasitansi di antara dua terminal masukan dengan salah satu masukan dibumikan. ^{[ 10 ]}
• ${\displaystyle CMRR}$ : Nisbah penolakan ragam bersama (bahasa Inggris: common-mode rejection ratio ) adalah nisbah atau perbandingan nilai penguatan dari selisih tegangan listrik dalam penguatan ragam bersama (bahasa Inggris: common-mode ). ^{[ 10 ]} Nilai ini diukur dengan cara menentukan nisbah perubahan pada tegangan listrik masukan ragam bersama terhadap perubahan yang dihasilkannya pada tegangan ofset. ^{[ 10 ]}
• ${\displaystyle GBW}$ : Darab lebar-pita bati (bahasa Inggris: gain bandwidth product ) adalah nilai hasil perkalian antara nilai penguatan tegangan simpal terbuka dan frekuensi sinyal saat pengukuran tersebut. ^{[ 10 ]}
• ${\displaystyle Z_{ic}}$ : Impedansi masukan ragam bersama, yaitu hasil penjumlahan paralel impedansi terhadap sinyal kecil di antara tiap terminal masukan dengan bumi. ^{[ 10 ]}
• ${\displaystyle Z_{o}}$ : Impedansi keluaran, yaitu Impedansi terhadap sinyal kecil di antara terminal keluaran dengan bumi. ^{[ 10 ]}

Simbol penguat operasional pada rangkaian seperti pada gambar di samping, di mana: ^{[ 11 ]}

• ${\displaystyle V_{\!+}}$ : masukan non-pembalik
• ${\displaystyle V_{\!-}}$ : masukan pembalik
• ${\displaystyle V_{\!{\text{out}}}}$ : keluaran
• ${\displaystyle V_{{\text{S}}\!+}}$ : catu daya positif
• ${\displaystyle V_{{\text{S}}\!-}}$ : catu daya negatif

Catu daya pada notasi penguat operasional sering kali tidak dicantumkan untuk memudahkan penggambaran rangkaian. ^{[ 5 ]}

Terdapat banyak sekali penggunaan dari penguat operasional dalam berbagai jenis sirkuit listrik. ^{[ 5 ]} Di bawah ini dipaparkan beberapa penggunaan umum dari penguat operasional dalam contoh sirkuit:

Merupakan salah satu aplikasi yang memanfaatkan batas simpal terbuka ( bahasa Inggris : open-loop gain ) penguat operasional yang sangat besar. ^{[ 5 ]} Ada jenis penguat operasional khusus yang memang difungsikan semata-mata untuk penggunaan ini dan agak berbeda dari penguat operasional lainnya dan umum disebut juga dengan komparator (bahasa Inggris: comparator ). ^{[ 5 ]}

Komparator membandingkan dua tegangan listrik dan mengubah keluarannya untuk menunjukkan tegangan mana yang lebih tinggi. ^{[ 5 ]}

• ${\displaystyle V_{\text{out}}=\left\{{\begin{matrix}V_{\text{S+}}&V_{1}>V_{2}\\V_{\text{S-}}&V_{1}<V_{2}\end{matrix}}\right.}$

di mana ${\displaystyle V_{\text{s}}}$ adalah tegangan catu daya dan penguat operasional beroperasi di antara ${\displaystyle +V_{\text{s}}}$ dan ${\displaystyle -V_{\text{s}}}$ .)

Sebuah penguat pembalik menggunakan umpan balik negatif untuk membalik dan menguatkan sebuah tegangan. ^{[ 12 ]} Resistor R _f melewatkan sebagian sinyal keluaran kembali ke masukan. ^{[ 12 ]} Karena keluaran taksefase sebesar 180°, maka nilai keluaran tersebut secara efektif mengurangi besar masukan. ^{[ 12 ]} Ini mengurangi bati keseluruhan dari penguat dan disebut dengan umpan balik negatif . ^{[ 12 ]}

${\displaystyle V_{\text{out}}=-{\frac {R_{\text{f}}}{R_{\text{in}}}}V_{\text{in}}\!\ }$

Di mana,

• ${\displaystyle Z_{\text{in}}=R_{\text{in}}\ }$ (karena ${\displaystyle V_{-}\ }$ adalah (bahasa Inggris: virtual ground )
• Sebuah resistor dengan nilai ${\displaystyle R_{\text{f}}\|R_{\text{in}}\triangleq R_{\text{f}}R_{\text{in}}/(R_{\text{f}}+R_{\text{in}})}$ , ditempatkan di antara masukan non-pembalik dan bumi. Walaupun tidak dibutuhkan, hal ini mengurangi galat karena arus bias masukan. ^{[ 13 ]}

Bati dari penguat ditentukan dari rasio antara R _f dan R _in , yaitu: ^{[ 12 ]}

${\displaystyle A=-{\frac {R_{f}}{R_{in}}}}$

Tanda negatif menunjukkan bahwa keluaran adalah pembalikan dari masukan. ^{[ 12 ]} Contohnya jika R _f adalah 10.000 Ω dan R _in adalah 1.000 Ω, maka nilai bati adalah -10.000Ω / 1.000Ω, yaitu -10. ^{[ 12 ]}

Rumus penguatan penguat non-pembalik adalah sebagai berikut: ^{[ 14 ]}

${\displaystyle V_{\text{out}}=V_{\text{in}}\left({\frac {R_{1}+R_{2}}{R_{1}}}\right)\,}$

atau dengan kata lain:

${\displaystyle V_{\text{out}}=V_{\text{in}}\left(1+{\frac {R_{2}}{R_{1}}}\right)\,}$

Dengan demikian, penguat non-pembalik memiliki bati minimum bernilai 1. Karena tegangan sinyal masukan terhubung langsung dengan masukan pada penguat operasional maka impedansi masukan bernilai ${\displaystyle Z_{\text{in}}\approx \infty }$ .

Penguat diferensial digunakan untuk mencari selisih dari dua tegangan yang telah di kalikan dengan konstanta tertentu yang ditentukan oleh nilai resistansi yaitu sebesar ${\displaystyle {\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}\ }$ untuk ${\displaystyle R_{1}=R_{2}\ }$ dan ${\displaystyle R_{\text{f}}=R_{\text{g}}\ }$ . ^{[ 14 ]} Penguat jenis ini berbeda dengan diferensiator . ^{[ 14 ]} Rumus yang digunakan adalah sebagai berikut: ^{[ 14 ]}

${\displaystyle V_{\text{out}}={\frac {\left(R_{\text{f}}+R_{1}\right)R_{\text{g}}}{\left(R_{\text{g}}+R_{2}\right)R_{1}}}V_{2}-{\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}V_{1}}$

Sedangkan untuk ${\displaystyle R_{1}=R_{2}}$ dan ${\displaystyle R_{\text{f}}=R_{\text{g}}}$ maka bati diferensial adalah: ^{[ 14 ]}

${\displaystyle V_{\text{out}}={\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}(V_{\text{2}}-V_{\text{1}})\,}$

Penguat penjumlah menjumlahkan beberapa tegangan masukan, dengan persamaan sebagai berikut: ^{[ 14 ]}

${\displaystyle V_{\text{out}}=-R_{\text{f}}\left({\frac {V_{1}}{R_{1}}}+{\frac {V_{2}}{R_{2}}}+\cdots +{\frac {V_{n}}{R_{n}}}\right)}$

• Saat ${\displaystyle R_{1}=R_{2}=\cdots =R_{n}}$ , dan ${\displaystyle R_{\text{f}}}$ saling bebas maka:

${\displaystyle V_{\text{out}}=-{\frac {R_{\text{f}}}{R_{1}}}(V_{1}+V_{2}+\cdots +V_{n})\!\ }$

• Saat ${\displaystyle R_{1}=R_{2}=\cdots =R_{n}=R_{\text{f}}\ }$ , maka:

${\displaystyle V_{\text{out}}=-(V_{1}+V_{2}+\cdots +V_{n})\!\ }$

• Keluaran adalah terbalik.
• Impedansi masukan dari masukan ke-n adalah ${\displaystyle Z_{n}=R_{n}\ }$ (di mana ${\displaystyle V_{-}\ }$ adalah bumi maya)

Penguat ini mengintegrasikan tegangan masukan terhadap waktu , dengan persamaan: ^{[ 14 ]}

${\displaystyle V_{\text{out}}=-{\frac {1}{RC}}\int _{0}^{t}V_{\text{in}}\,\operatorname {d} t+V_{\text{mula}}\,}$

di mana ${\displaystyle t\ }$ adalah waktu dan ${\displaystyle V_{\text{mula}}\ }$ adalah tegangan keluaran pada ${\displaystyle t=0\ }$ .

Sebuah integrator dapat juga dipandang sebagai tapis pelewat-tinggi dan dapat digunakan untuk rangkaian tapis aktif. ^{[ 15 ]}

Mendiferensiasikan sinyal hasil pembalikan terhadap waktu dengan persamaan: ^{[ 16 ]}

${\displaystyle V_{\text{out}}=-RC\,{\frac {\operatorname {d} V_{\text{in}}}{\operatorname {d} t}}\,\qquad }$

di mana ${\displaystyle V_{\text{in}}\ }$ dan ${\displaystyle V_{\text{out}}\ }$ adalah fungsi dari waktu.

Pada dasarnya diferensiator dapat juga dibangun dari integrator dengan cara mengganti kapasitor dengan induktor , namun tidak dilakukan karena harga induktor yang mahal dan bentuknya yang besar. ^{[ 16 ]} Diferensiator dapat juga dilihat sebagai tapis pelewat-rendah dan dapat digunakan sebagai tapis aktif. ^{[ 15 ]}

• (Inggris) National Semiconductor Operational Amplifier Application Notes Diarsipkan 2010-05-17 di Wayback Machine .
• (Inggris) A Differential Op-Amp Circuit Collection