Operational Amplifier

Penguat operasional (Operational Amplifier) atau yang biasa disebut dengan op-amp, merupakan penguat elektronika yang banyak digunakan untuk membuat rangkaian detektor, komparator, penguat audio, video, pembangkit sinyal, multivibrator, filter, ADC, DAC, rangkaian penggerak dan berbagai macam rangkaian analog lainnya.

Op-amp pada umumnya tersedia dalam bentuk rangkaian terpadu yang memiliki karakteristik mendekati karakteristik penguat operasional ideal tanpa perlu memperhatikan apa yang terdapat di dalamnya.

Ada tiga karakteristik utama op-amp ideal, yaitu;

1.    Gain sangat besar (A_OL >>).

Penguatan open loop adalah sangat besar karena feedback-nya tidak ada atau R_F = tak terhingga.

2.    Impedansi input sangat besar (Z_i >>).

Impedansi input adalah sangat besar sehingga arus input ke rangkaian dalam op-amp sangat kecil sehingga tegangan input sepenuhnya dapat dikuatkan.

3.    Impedansi output sangat kecil (Z_o <<).

Impedansi output adalah sangat kecil sehingga tegangan output stabil karena tahanan beban lebih besar  yang diparalelkan dengan Zo <<. Adapun simbol op-amp adalah seperti pada gambar 64. Gambar 64 Simbol op-amp dimana,   V1 adalah tegangan masukan dari kaki non inverting V2 adalah tegangan masukan dari kaki inverting Vo adalah tegangan keluaran sehingga
	(1)

Adapun tegangan output maksimum yang dapat dihasilkan adalah:                  

           

                 dibawah tegangan sumber 

            

Tegangan output maksimum secara praktis dihasilkan sekitar 2 Volt dibawah tegangan sumber   dan disebut juga sebesar tegangan saturasi  .          

Gambar 65 memperlihatkan kurva karakteristik hubungan V_i terhadap V_o  untuk rangkaian op-amp dengan tegangan input dihubungkan ke kaki input non inverting (+) dan tegangan 0 Volt (di ground) ke kaki input inverting (-). Sesuai dengan nama input op-amp yaitu apabila input dimasukkan ke kaki non inverting (+) yang artinya tidak membalik maka tegangan output yang dihasilkan adalah sefasa dengan tegangan input. Seperti terlihat pada gambar 1 yaitu saat input V_i bertegangan positif maka output yang dihasilkan juga bertegangan positif dan sebaliknya. 

Gambar 65 Rangkaian op-amp dengan kurva karakteristik I-O

Detektor

          Rangkaian detektor ada 2 macam yaitu:

1.                         Detektor inverting

a.     Dengan V_ref = 0 Volt

Rangkaian detektor inverting dengan tegangan input V_i berupa gelombang segitiga dan tegangan referensi V_ref = 0 Volt adalah seperti gambar 66.

Gambar 66 Rangkaian detektor inverting

Dengan menggunakan persamaan (1) maka V_i = V₂ dan V_ref = V₁ sehingga bentuk gelombang tegangan output V_o () yang dihasilkan adalah seperti gambar 67.

Gambar 67 Bentuk gelombang input dan gelombang output

Adapun kurva karakteristik Input-Ouput (I-O) adalah seperti gambar 68. Dengan V_i > 0 (artinya V_i > 65 µ Volt untuk rangkaian detektor dengan ±V_s = ±15 Volt) maka V_o = -V_sat dan sebaliknya bila V_i < 0 (artinya V_i < -65 µ Volt untuk rangkaian detektor dengan ±V_s = ±15 Volt) maka V_o = +V_sat.

Gambar 68 kurva karakteristik I-O

2.                         Detektor non inverting

a.     Dengan V_ref = 0 Volt

Rangkaian detektor non inverting dengan tegangan input V_i berupa gelombang segitiga dan tegangan referensi V_ref = 0 Volt adalah seperti gambar 75.

Gambar 75 Rangkaian detektor non inverting

Dengan menggunakan persamaan (1) maka V_i = V₁ dan V_ref = V₂ 

4.2.       Komparator

Ketika rangkaian detektor dengan input V_i ditumpangi oleh noise V_n yang berfrekuensi tinggi seperti gambar 84 maka frekuensi output menjadi tidak sama dengan frekuensi input seperti terlihat pada gambar 85.

Gambar 84 Rangkaian yang ditumpangi noise

Untuk menghindari pengaruh tegangan noise V_n yang membuat frekuensi output tidak sama dengan frekuensi inputnya maka digunakan rangkaian komparator dengan feedback positif seperti gambar 86 dan menjadikan frekuensi output sama dengan frekuensi input walaupun ada terjadi pergeseran fasa seperti terlihat pada gambar 87.

Gambar 86 Rangkaian komparator

          Rangkaian komparator ada 2 macam yaitu:

1.              Komparator inverting

a.     Dengan V_ref = 0 Volt

Rangkaian komparator inverting dengan tegangan input V_i berupa gelombang segitiga dan tegangan referensi V_ref  = 0 Volt adalah seperti gambar 88.

Gambar 88 Rangkaian komparator inverting

          Untuk menghitung berapa tegangan ambang V_UT(Upper Threshold Voltage)  atau V_LT(Lower Threshold Voltage)   maka lakukan pemisalan kondisi tegangan output V_O sama dengan +V_sat atau –V_sat.

2.                        Komparator non inverting

a.     Dengan V_ref = 0 Volt

Rangkaian komparator non inverting dengan tegangan input V_i berupa gelombang segitiga dan tegangan referensi V_ref = 0 Volt adalah seperti gambar 100.

Gambar 100 Rangkaian komparator non inverting

          Untuk menghitung berapa tegangan ambang V_UT atau V_LT maka lakukan pemisalan kondisi tegangan output V_O sama dengan +V_sat atau –V_sat.

   Amplifier

Gambar 112 memperlihatkan rangkaian op-amp dengan kurva karakteristik Input-Output yaitu hubungan V_i terhadap V_O. Dari kurva Karakteristik I-O tersebut amplifier bekerja pada karakteristik yang membentuk hubungan linear artinya semakin besar V_i maka semakin besar juga V_O dan sebaliknya. Operasi amplifier menghindari output dalam kondisi saturasi karena akan membuat cacat keluaran outputnya.

Gambar 112 Rangkaian dan kurva karakteristik I-O

Ciri-ciri rangkaian amplifier adalah adanya feedback (umpan balik) negatif dari output ke input inverting (-) op-amp.

Pembangkit Sinyal

Ramp Generator

           Rangkaian Ramp generator berdasarkan respon outputnya ada dua macam yaitu ramp-up dan ramp-down seperti pada gambar 136.

Gambar 36 Rangkaian Ramp generator (a) ramp-up dan (b) ramp-down

Untuk membuat respon seperti gambar 136 maka rangkaian memakai kapasitor dengan menerapkan prinsip kerja kapasitor seperti pada gambar 137.

Gambar 137 Prinsip kerja kapasitor

dimana,

dengan Q = muatan dalam kapasitor

Rangkaian Ramp generator adalah seperti pada gambar 138.

Gambar 138 Rangkaian Ramp generator

Op-amp ideal E_d = 0 maka V_A = 0 sehingga  

TRANSISTOR

Pendahuluan   

             Shockley berhasil menyusun teori mengenai transistor persambungan dalam tahun 1949 dan piranti yang pertama dihasilkan dalam tahun 1951.

Secara umum ada 2 macam jenis transistor :

1.   Bipolar  adalah transistor yang membawa muatan listrik berupa hole dan e^-. Transistor bipolar ada dua tipe yaitu NPN dan PNP dengan simbol seperti gambar 48.

Gambar 48 Simbol Transistor  tipe (a) NPN dan (b) PNP

2.   Unipolar          : Transistor yang membawa muatan listrik berupa hole atau e^-. Transistor unipolar ada dua tipe yaitu channel n dan Channel p dengan simbol seperti gambar 49.

Gambar 49 Simbol Transistor  tipe (a) Channel n dan (b) Channel p

         Lebih rinci ada macam-macam transistor seperti blok diagram gambar 50.

Gambar  50 Blok diagram macam-macam Transistor

Transistor PNP dan   NPN

Transistor NPN merupakan persambungan tiga susunan lapisan bahan semikonduktor yaitu bahan n, bahan p, dan bahan n sedangkan transistor PNP merupakan persambungan tiga susunan lapisan bahan semikonduktor yaitu bahan p, bahan n, dan bahan p seperti gambar 51.

Gambar 51 Konstruksi Transistor (a) PNP (b) NPN

Adapun aliran majority carriers dan minority carriers pada transistor PNP adalah seperti gambar 52. Hubungan kaki Emitter (E) dengan kaki Base (B) adalah hubungan pn dengan pemberian tegangan V_EE  sehingga terjadi bias maju dan hubungan kaki Base (B) dengan kaki Collector (C) adalah hubungan np dengan pemberian tegangan V_CC sehingga terjadi bias mundur. Pemberian tegangan V_EE  dan V_CC seperti gambar 52 maka akan terjadi pengecilan depletion layer di PN dan pelebaran depletion layer di NP akan tetapi dengan hubungan  secara seri tegangan V_EE  dan V_CC akan membuat arus yang besar dari kaki E (bahan p) menuju kaki C (bahan p)  menembus depletion layer yang tebal.

Gambar 52 Aliran majority carriers dan minority carriers pada transistor PNP

Dari gambar 52 dapat dibuatkan arah arus seperti gambar 53. Elektron dari emitter diteruskan ke basis adalah sangat kecil sekali karena basis sangat tipis sehingga elektron butuh waktu untuk berdiffusi ke dalam kolektor dan kemudian elektron diteruskan ke tegangan positif dari baterai. Sehingga persamaan arus memakai hukum Kirchoff tentang arus yakni arus masuk sama dengan arus keluar jadi  I_E = I_C + I_B.

Gambar 53 Arah arus pada transistor NPN

Transistor dapat dibuat dalam tiga konfigurasi yaitu Common Emitter (CE),  Common Collector (CC) , Common Base (CB). Common Emitter adalah memakai bersama kaki Emitter antara Input dan output seperti gambar 54.

Gambar 54 Konfigurasi Common Emitter (a) Transistor NPN (b) Transistor PNP

Adapun karakteristik Input-Output transistor  konfigurasi Common Emitter adalah seperti gambar 55. Pada kurva karakteristik input dimana semakin besar V_BE maka semakin besar I_B dimana V_BE maksimum untuk Si adalah 0,7 Volt dan Ge adalah 0,3 Volt. Pada kurva karakteristik output dibagi tiga operasi yaitu:

1.   daerah saturasi (saturation region) yang artinya  output menjadi cacat, 

2.   daerah aktif (active ragion) yang artinya output tidak cacat asalkan arus I_B berfluktuasi masih dalam daera aktif.

3.   Daerah cutoff yang artinya output akan terpotong. 

Gambar 55 Karakteristik I-O CE (a) Karakteristik Input (b) karakteristik output

Garis beban DC dan garis beban AC    

Ada dua macam garis beban, yaitu:

1.   Dengan pemberian bias DC maka didapatkan kurva garis beban DC seperti gambar 56

Gambar 56 (a) Bias DC dan (b) garis beban DC

2.   Dengan pemberian bias AC maka didapatkan kurva garis beban AC seperti gambar 57

Gambar 57 (a) Bias AC dan (b) garis beban AC

Pemberian bias

Ada 4 macam rangkaian pemberian bias, yaitu:

1.   Fixed bias yaitu, arus bias I_B didapat dari V_CC yang dihubungkan ke kaki B melewati tahanan R seperti gambar 58.

Gambar 58 Rangkaian Fixed bias

maka,

    

 dimana,

                  

dan

         

2.   Emitter-Stabilized Bias adalah rangkaian Fixed bias yang ditambahkan tahanan R_E seperti gambar 59.

Gambar 59 Rangkaian Emitter-Stabilized Bias

maka,

sehingga tahanan R_E kalau dilihat dari input untuk mencari arus I_B adalah sebesar (β+1)R_E.

3.   Self Bias adalah arus input didapatkan dari pemberian tegangan input VBB seperti gambar 60.

Gambar 60 Rangkaian Self Bias

Dengan menggunakan hukum KVL, didapat,

maka,

4.   Voltage-divider Bias adalah arus bias didapatkan dari tegangan di R₂ dari hubungan V_CC seri dengan R₁ dan R₂ seperti gambar 61.

Untuk mencari arus I_B maka dilakukan perubahan rangkaian dengan memakai metoda thevenin sehingga menghasilkan rangkaian pengganti seperti gambar 62.

dimana,

           R_th = R₁ // R₂   dan  

maka,

                            

Gambar 61 Rangkaian Voltage-divider Bias

Gambar 62 Rangkaian pengganti Voltage-divider Bias

Contoh :

Tentukan tegangan bias dc V_ce dan arus I_c dari konfigurasi voltage-divider pada gambar 63.

Solusi :

Gambar 63 Rangkaian voltage-divider