Karakteristik Operational Amplifier

Kalau perlu mendesain sinyal level meter, histeresis pengatur suhu, osilator, pembangkit sinyal, penguat audio, penguat mic, filter aktif semisal tapis nada bass, mixer, konverter sinyal, integrator, differensiator, komparator dan sederet aplikasi lainnya, selalu pilihan yang mudah adalah dengan membolak-balik data komponen yang bernama op-amp.

Komponen elektronika analog dalam kemasan IC (integrated circuits) ini memang adalah komponen serbaguna dan dipakai pada banyak aplikasi hingga sekarang. Hanya dengan menambah beberapa resitor dan potensiometer, dalam sekejap (atau dua kejap) sebuah pre-amp audio kelas B sudah dapat jadi dirangkai di atas sebuah proto-board.

Penguat diferensial

Op-amp dinamakan juga dengan penguat diferensial (differential amplifier). Sesuai dengan istilah ini, op-amp adalah komponen IC yang memiliki 2 input tegangan dan 1 output tegangan, dimana tegangan output-nya adalah proporsional terhadap perbedaan tegangan antara kedua inputnya itu. Penguat diferensial seperti yang ditunjukkan pada gambar-1 merupakan rangkaian dasar dari sebuah op-amp.

Gambar 1

Pada rangkaian yang demikian, persamaan pada titik Vout adalah Vout = A(v1-v2) dengan A adalah nilai penguatan dari penguat diferensial ini. Titik input v1 dikatakan sebagai input non-iverting, sebab tegangan vout satu phase dengan v1. Sedangkan sebaliknya titik v2 dikatakan input inverting sebab berlawanan phasa dengan tengangan vout.

Diagram Op-amp

Op-amp di dalamnya terdiri dari beberapa bagian, yang pertama adalah penguat diferensial, lalu ada tahap penguatan (gain), selanjutnya ada rangkaian penggeser level (level shifter) dan kemudian penguat akhir yang biasanya dibuat dengan penguat push-pull kelas B. Gambar-2(a) berikut menunjukkan diagram dari op-amp yang terdiri dari beberapa bagian tersebut.

Gambar 2 (a)

Gambar 2 (b)

Simbol op-amp adalah seperti pada gambar-2(b) dengan 2 input, non-inverting (+) dan input inverting (-). Umumnya op-amp bekerja dengan dual supply (+Vcc dan –Vee) namun banyak juga op-amp dibuat dengan single supply (Vcc – ground). Simbol rangkaian di dalam op-amp pada gambar-2(b) adalah parameter umum dari sebuah op-amp. Rin adalah resitansi input yang nilai idealnya infinit (tak terhingga). Rout adalah resistansi output dan besar resistansi idealnya 0 (nol). Sedangkan AOL adalah nilai penguatan open loop dan nilai idealnya tak terhingga.

Saat ini banyak terdapat tipe-tipe op-amp dengan karakterisktik yang spesifik. Op-amp standard type 741 dalam kemasan IC DIP 8 pin sudah dibuat sejak tahun 1960-an. Untuk tipe yang sama, tiap pabrikan mengeluarkan seri IC dengan insial atau nama yang berbeda. Misalnya dikenal MC1741 dari motorola, LM741 buatan National Semiconductor, SN741 dari Texas Instrument dan lain sebagainya. Tergantung dari teknologi pembuatan dan desain IC-nya, karakteristik satu op-amp dapat berbeda dengan op-amp lain. Tabel-1 menunjukkan beberapa parameter op-amp yang penting beserta nilai idealnya dan juga contoh real dari parameter LM714.

Tabel 1

Penguatan Open-loop

Op-amp idealnya memiliki penguatan open-loop (AOL) yang tak terhingga. Namun pada prakteknya op-amp semisal LM741 memiliki penguatan yang terhingga kira-kira 100.000 kali. Sebenarnya dengan penguatan yang sebesar ini, sistem penguatan op-amp menjadi tidak stabil. Input diferensial yang amat kecil saja sudah dapat membuat outputnya menjadi saturasi. Pada bab berikutnya akan dibahas bagaimana umpan balik bisa membuat sistem penguatan op-amp menjadi stabil.

Unity-gain frequency

Op-amp ideal mestinya bisa bekerja pada frekuensi berapa saja mulai dari sinyal dc sampai frekuensi giga Herzt. Parameter unity-gain frequency menjadi penting jika op-amp digunakan untuk aplikasi dengan frekuensi tertentu. Parameter AOL biasanya adalah penguatan op-amp pada sinyal DC. Response penguatan op-amp menurun seiring dengan menaiknya frekuenci sinyal input. Op-amp LM741 misalnya memiliki unity-gain frequency sebesar 1 MHz. Ini berarti penguatan op-amp akan menjadi 1 kali pada frekuensi 1 MHz. Jika perlu merancang aplikasi pada frekeunsi tinggi, maka pilihlah op-amp yang memiliki unity-gain frequency lebih tinggi.


Slew rate

Di dalam op-amp kadang ditambahkan beberapa kapasitor untuk kompensasi dan mereduksi noise. Namun kapasitor ini menimbulkan kerugian yang menyebabkan response op-amp terhadap sinyal input menjadi lambat. Op-amp ideal memiliki parameter slew-rate yang tak terhingga. Sehingga jika input berupa sinyal kotak, maka outputnya juga kotak. Tetapi karena ketidak idealan op-amp, maka sinyal output dapat berbentuk ekponensial. Sebagai contoh praktis, op-amp LM741 memiliki slew-rate sebesar 0.5V/us. Ini berarti perubahan output op-amp LM741 tidak bisa lebih cepat dari 0.5 volt dalam waktu 1 us.

Parameter CMRR

Ada satu parameter yang dinamakan CMRR (Commom Mode Rejection Ratio). Parameter ini cukup penting untuk menunjukkan kinerja op-amp tersebut. Op-amp dasarnya adalah penguat diferensial dan mestinya tegangan input yang dikuatkan hanyalah selisih tegangan antara input v1 (non-inverting) dengan input v2 (inverting).

Karena ketidak-idealan op-amp, maka tegangan persamaan dari kedua input ini ikut juga dikuatkan. Parameter CMRR diartikan sebagai kemampuan op-amp untuk menekan penguatan tegangan ini (common mode) sekecil-kecilnya. CMRR didefenisikan dengan rumus CMRR = ADM/ACM yang dinyatakan dengan satuan dB.

Contohnya op-amp dengan CMRR = 90 dB, ini artinya penguatan ADM (differential mode) adalah kira-kira 30.000 kali dibandingkan penguatan ACM (commom mode).

Kalau CMRR-nya 30 dB, maka artinya perbandingannya kira-kira hanya 30 kali. Kalau diaplikasikan secara real, misalkan tegangan input v1 = 5.05 volt dan tegangan v2 = 5 volt, maka dalam hal ini tegangan diferensialnya (differential mode) = 0.05 volt dan tegangan persamaan-nya (common mode) adalah 5 volt.

Pembaca dapat mengerti dengan CMRR yang makin besar maka op-amp diharapkan akan dapat menekan penguatan sinyal yang tidak diinginkan (common mode) sekecil-kecilnya. Jika kedua pin input dihubung singkat dan diberi tegangan, maka output op-amp mestinya nol. Dengan kata lain, op-amp dengan CMRR yang semakin besar akan semakin baik.

1.Pengertian Sensor

2.

3. Sensor adalah alat untuk mendeteksi atau mengukur sesuatu, yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik.

Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan secara elektronik berfungsi mengubah besaran fisik (misalnya : temperatur, gaya, kecepatan putaran) menjadi besaran listrik yang proposional.


Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan ini harus memenuhi persyaratan-persyaratan kualitas yakni :

1. Linieritas. Konversi harus benar-benar proposional, jadi karakteristik konversi harus linier.

2. Kepekaan. Kepekaan sensor harus dipilih sedemikian, sehingga pada nilai-nilai masukan yang ada dapat diperoleh tegangan listrik keluaran yang cukup besar.

3. Tidak tergantung temperatur. Keluaran konverter tidak boleh tergantung pada temperatur disekelilingnya, kecuali sensor suhu.

4. Waktu tanggapan. Yaitu waktu yang diperlukan keluaran sensor untuk mencapai nilai akhirnya pada nilai masukan yang berubah secara mendadak. Sensor harus dapat berubah cepat bila nilai masukan pada sistem tempat sensor tersebut berubah.

5. Stabilitas waktu. Untuk nilai masukan (input) tertentu sensor harus dapat memberikan keluaran (output) yang tetap nilainya dalam waktu yang lama.

6. Batas frekuensi terendah dan tertinggi. Batas-batas tersebut adalah nilai frekuensi masukan periodik terendah dan tertinggi yang masih dapat dikonversi oleh sensor secara benar. Pada kebanyakan aplikasi disyaratkan bahwa frekuensi terendah adalah 0Hz.

7. Histerisis. Gejala histerisis yang ada pada magnetisasi besi dapat pula dijumpai pada sensor. Misalnya, pada suatu temperatur tertentu sebuah sensor dapat memberikan keluaran yang berlainan.

4.

Kemasan Integrated Circuit

Integrated Circuit (IC) adalah suatu komponen elektronik yang dibuat dari bahan semi conductor, dimana IC merupakan gabungan dari beberapa komponen seperti Resistor, Kapasitor, Dioda dan Transistor yang telah terintegrasi menjadi sebuah rangkaian berbentuk chip kecil.

IC digunakan untuk beberapa keperluan pembuatan peralatan elektronik agar mudah dirangkai menjadi peralatan yang berukuran relatif kecil.


Ditinjau dari teknik pembuatan dan bahan baku yang digunakan, terdapat 4 jenis IC, yaitu :

1. Monolithic
2. Thin film
3. Thick film
4. Hybrid.

Khusus untuk jenis hybrid, yang merupakan gabungan dari thin-film, monolithic dan thick-film. Terlepas dari teknik pembuatan dan bahan yang digunakan, keempat jenis IC tersebut dibalut dalam kemasan(packages) tertentu agar dapat terlindungi dari gangguan luar seperti terhadap kelembaban, debu, dan kontaminasi zat lainnya.

Kemasan IC

Kemasan IC dibuat dari bahan ceramic dan plastik, serta didesain untuk mudah dalam pemasangan dan penyambungannya. Ada berbagai jenis kemasan IC dan yang paling populer dan umum digunakan, antara lain :

1. DIP (Duel in- line Packages). Mempunyai dua layer posisi kaki IC yaitu sebelah kanan dan kiri, yang menunjukkan nomor 1 adalah kaki pertama dibawah tanda lengkung pada badan IC pada garis sebelah kiri.
2. SIP(Single in-line Packages). IC jenis ini hanya mempunyai 1 layer posisi kaki yang terletak dibawah badan IC itu sendiri, yang menunjukkan kaki nomor 1 adalah kaki pertama dibawah tanda lengkung pada badan IC.
3. QIP(Quad in-line Packages).
4. SOP(Small Outline Packages). Pada dasarnya sama dengan tipe DIP hanya saja lebih ramping dan tipis, biasanya terpasang pada sisi layer bottom pada PCB.
5. TO-5, TO-72,TO-202 dan TO-220 style Packages. Pada Jenis ini bentuknya seperti bentuk Transistor.

Baterai Kuat Berteknologi Nano

Banyak cara yang bisa dilakukan untuk menghemat energi dan biaya. Misalnya saja menambahkan beberapa perangkat dan mencari sumber energi alternatif dari alam.

Di negara-negara maju biasanya orang memasang panel surya untuk memasok kebutuhan listrik rumah tangga. Sementara itu, untuk menghemat penggunaan bahan bakar minyak, penduduk negara maju memilih mobil hibrida sebagai sarana transportasinya.

Meski terbukti bisa menghemat energi, baik panel surya maupun mobil hibrida memiliki beberapa kelemahan, terutama dalam hal penyimpanan energinya. Energi yang diserap oleh baterai yang dipasang di kedua perangkat itu belum cukup mendukung aktivitas secara optimal.

Misalnya saja, baterai pada mobil listrik belum mampu menyimpan cukup energi untuk menjalankan mobil berjarak tempuh panjang dan melakukan akselerasi pada kecepatan tinggi. Belum lagi pengisian ulang baterai membutuhkan waktu cukup lama. Kelemahan lainnya adalah baterai yang berasal dari energi angin dan matahari sangat bergantung pada kondisi cuaca. Saat malam hari atau mendung, sinar matahari akan berkurang atau hilang, sementara angin alirannya terkadang lemah, terkadang kencang.

Para peneliti dari Nano Center, Universitas Maryland, Amerika Serikat, baru-baru ini, mencoba mencari solusi dari persoalan-persoalan itu. Mereka mengembangkan sistem baru dalam penyimpanan energi listrik di baterai. Gary Rubloff, salah satu penemu sistem itu, yang juga direktur Nano Center Universitas Maryland, mengatakan stabilitas pasokan energi angin dan matahari sulit diprediksi. Oleh karena itu, energi tersebut harus diambil dan disimpan.

Lebih lanjut, Rubloff menjelaskan penyimpanan energi dalam baterai konvensional dan kapasitor belum mampu memenuhi unsur-unsur kepadatan energi, besarnya daya, serta kecepatan waktu isi ulang. Padahal ketiga unsur itu penting karena telah menjadi tuntutan masyarakat akan teknologi penyimpanan energi saat ini.


Rubloff dan sejawatnya, Sang Bok Lee, kemudian mengarahkan penelitian pada pengembangan baterai lithium dengan teknologi nano. Lewat teknologi nano, para peneliti menciptakan rangkaian yang terdiri dari jutaan struktur nano yang berukuran superkecil yang bisa mengangkut energi dari dan ke area permukaan panel tempat menyimpan elektronelektron.

Penemuan yang dilansir Science Daily itu ternyata mampu menyimpan energi lebih besar, mentransfer energi lebih lebih cepat dengan waktu isi ulang yang lebih pendek. Baterai nano itu pun terbukti memiliki tingkat efisiensi 10 kali lebih tinggi ketimbang baterai konvensional yang ada di pasaran sekarang ini.

Rubloff menjelaskan penelitian diawali dengan pengamatan secara virtual struktur-struktur nano yang ada. Selanjutnya para peneliti mengonstruksikan jutaan hingga miliaran struktur nano yang identik. Secara virtual, struktur nano identik mampu menerima, menyimpan, dan mengirim energi elektrik.

elektronika

Pengaturan Kecepatan Pada Motor DC

Pemakain Motor DC di industri sangat banyak, salah satu alasannya karena Motor DC mudah diatur kecepatannya. Salah satu pemakaiannya di industri kertas, industri tekstil, dan sebagainya.

Blok diagram pengaturan Motor DC seperti pada Gambar dibawah ini,...


Cara kerja:

1. Bagian setting mengatur posisi potensiometer untuk mengatur tegangan 10 Volt pada 1.000 Rpm.

2. Motor DC akan berputar setelah dihubungkan dengan suply DC sampai putaran mendekati 1.000 Rpm, misalkan 1.050 Rpm.

3. Tachogenerator akan mendeteksi kecepatan Motor DC, dan mengubah menjadi tegangan 10,05 Volt.

4. Tegangan 10,05 Volt dibandingkan dengan tegangan setting 10 V, diperoleh selisih –0,05V (10V – 10,05V).

5. Selisih tegangan ini disebut sebagai kesalahan (error) yang menjadi input pengatur tegangan (penguatan 10X), hasilnya 10 × 0,05V = 0,5V.

6. Tegangan 0,5V akan menjadi input Kontroller yang mengatur tegangan yang masuk ke rangkaian jangkar Motor DC, akibatnya putaran menurun sesuai dengan setting putaran 1.000 Rpm.

7. Kondisi akan terjadi secara terus-menerus yang menghasilkan putaran Motor DC tetap konstan.

Karakteristik Operational Amplifier

Kalau perlu mendesain sinyal level meter, histeresis pengatur suhu, osilator, pembangkit sinyal, penguat audio, penguat mic, filter aktif semisal tapis nada bass, mixer, konverter sinyal, integrator, differensiator, komparator dan sederet aplikasi lainnya, selalu pilihan yang mudah adalah dengan membolak-balik data komponen yang bernama op-amp.

Komponen elektronika analog dalam kemasan IC (integrated circuits) ini memang adalah komponen serbaguna dan dipakai pada banyak aplikasi hingga sekarang. Hanya dengan menambah beberapa resitor dan potensiometer, dalam sekejap (atau dua kejap) sebuah pre-amp audio kelas B sudah dapat jadi dirangkai di atas sebuah proto-board.

Penguat diferensial

Op-amp dinamakan juga dengan penguat diferensial (differential amplifier). Sesuai dengan istilah ini, op-amp adalah komponen IC yang memiliki 2 input tegangan dan 1 output tegangan, dimana tegangan output-nya adalah proporsional terhadap perbedaan tegangan antara kedua inputnya itu. Penguat diferensial seperti yang ditunjukkan pada gambar-1 merupakan rangkaian dasar dari sebuah op-amp.


Gambar 1

Pada rangkaian yang demikian, persamaan pada titik Vout adalah Vout = A(v1-v2) dengan A adalah nilai penguatan dari penguat diferensial ini. Titik input v1 dikatakan sebagai input non-iverting, sebab tegangan vout satu phase dengan v1. Sedangkan sebaliknya titik v2 dikatakan input inverting sebab berlawanan phasa dengan tengangan vout.

Diagram Op-amp

Op-amp di dalamnya terdiri dari beberapa bagian, yang pertama adalah penguat diferensial, lalu ada tahap penguatan (gain), selanjutnya ada rangkaian penggeser level (level shifter) dan kemudian penguat akhir yang biasanya dibuat dengan penguat push-pull kelas B. Gambar-2(a) berikut menunjukkan diagram dari op-amp yang terdiri dari beberapa bagian tersebut.

Gambar 2 (a)


Gambar 2 (b)

Simbol op-amp adalah seperti pada gambar-2(b) dengan 2 input, non-inverting (+) dan input inverting (-). Umumnya op-amp bekerja dengan dual supply (+Vcc dan –Vee) namun banyak juga op-amp dibuat dengan single supply (Vcc – ground). Simbol rangkaian di dalam op-amp pada gambar-2(b) adalah parameter umum dari sebuah op-amp. Rin adalah resitansi input yang nilai idealnya infinit (tak terhingga). Rout adalah resistansi output dan besar resistansi idealnya 0 (nol). Sedangkan AOL adalah nilai penguatan open loop dan nilai idealnya tak terhingga.

Saat ini banyak terdapat tipe-tipe op-amp dengan karakterisktik yang spesifik. Op-amp standard type 741 dalam kemasan IC DIP 8 pin sudah dibuat sejak tahun 1960-an. Untuk tipe yang sama, tiap pabrikan mengeluarkan seri IC dengan insial atau nama yang berbeda. Misalnya dikenal MC1741 dari motorola, LM741 buatan National Semiconductor, SN741 dari Texas Instrument dan lain sebagainya. Tergantung dari teknologi pembuatan dan desain IC-nya, karakteristik satu op-amp dapat berbeda dengan op-amp lain. Tabel-1 menunjukkan beberapa parameter op-amp yang penting beserta nilai idealnya dan juga contoh real dari parameter LM714.

Tabel 1

Penguatan Open-loop

Op-amp idealnya memiliki penguatan open-loop (AOL) yang tak terhingga. Namun pada prakteknya op-amp semisal LM741 memiliki penguatan yang terhingga kira-kira 100.000 kali. Sebenarnya dengan penguatan yang sebesar ini, sistem penguatan op-amp menjadi tidak stabil. Input diferensial yang amat kecil saja sudah dapat membuat outputnya menjadi saturasi. Pada bab berikutnya akan dibahas bagaimana umpan balik bisa membuat sistem penguatan op-amp menjadi stabil.

Unity-gain frequency

Op-amp ideal mestinya bisa bekerja pada frekuensi berapa saja mulai dari sinyal dc sampai frekuensi giga Herzt. Parameter unity-gain frequency menjadi penting jika op-amp digunakan untuk aplikasi dengan frekuensi tertentu. Parameter AOL biasanya adalah penguatan op-amp pada sinyal DC. Response penguatan op-amp menurun seiring dengan menaiknya frekuenci sinyal input. Op-amp LM741 misalnya memiliki unity-gain frequency sebesar 1 MHz. Ini berarti penguatan op-amp akan menjadi 1 kali pada frekuensi 1 MHz. Jika perlu merancang aplikasi pada frekeunsi tinggi, maka pilihlah op-amp yang memiliki unity-gain frequency lebih tinggi.


Slew rate

Di dalam op-amp kadang ditambahkan beberapa kapasitor untuk kompensasi dan mereduksi noise. Namun kapasitor ini menimbulkan kerugian yang menyebabkan response op-amp terhadap sinyal input menjadi lambat. Op-amp ideal memiliki parameter slew-rate yang tak terhingga. Sehingga jika input berupa sinyal kotak, maka outputnya juga kotak. Tetapi karena ketidak idealan op-amp, maka sinyal output dapat berbentuk ekponensial. Sebagai contoh praktis, op-amp LM741 memiliki slew-rate sebesar 0.5V/us. Ini berarti perubahan output op-amp LM741 tidak bisa lebih cepat dari 0.5 volt dalam waktu 1 us.

Parameter CMRR

Ada satu parameter yang dinamakan CMRR (Commom Mode Rejection Ratio). Parameter ini cukup penting untuk menunjukkan kinerja op-amp tersebut. Op-amp dasarnya adalah penguat diferensial dan mestinya tegangan input yang dikuatkan hanyalah selisih tegangan antara input v1 (non-inverting) dengan input v2 (inverting).

Karena ketidak-idealan op-amp, maka tegangan persamaan dari kedua input ini ikut juga dikuatkan. Parameter CMRR diartikan sebagai kemampuan op-amp untuk menekan penguatan tegangan ini (common mode) sekecil-kecilnya. CMRR didefenisikan dengan rumus CMRR = ADM/ACM yang dinyatakan dengan satuan dB.

Contohnya op-amp dengan CMRR = 90 dB, ini artinya penguatan ADM (differential mode) adalah kira-kira 30.000 kali dibandingkan penguatan ACM (commom mode).

Kalau CMRR-nya 30 dB, maka artinya perbandingannya kira-kira hanya 30 kali. Kalau diaplikasikan secara real, misalkan tegangan input v1 = 5.05 volt dan tegangan v2 = 5 volt, maka dalam hal ini tegangan diferensialnya (differential mode) = 0.05 volt dan tegangan persamaan-nya (common mode) adalah 5 volt.

Pembaca dapat mengerti dengan CMRR yang makin besar maka op-amp diharapkan akan dapat menekan penguatan sinyal yang tidak diinginkan (common mode) sekecil-kecilnya. Jika kedua pin input dihubung singkat dan diberi tegangan, maka output op-amp mestinya nol. Dengan kata lain, op-amp dengan CMRR yang semakin besar akan semakin baik.