FUNGSI DAN KARAKTERISTIK PENGUAT OPERASIONAL (OP AMP)

Penguat operasional atau op-amp adalah rangkaian elektronik yang dirancang dan dikemas secara khusus sehingga dengan menambahkan komponen luar sedikit saja dapat dipakai untuk berbagal keperluan. Hingga kini, op-amp yang dibuat dan komponen-komponen diskrit dan dikemas dalam rangkaian tersebut masih dirasakan begitu mahal oleh para insinyur atau teknisi yang pernah menggunakannya. Namun, kini dengan teknologi rangkaian terpadu (IC) yang telah ditingkatkan, op-amp dalam bentuk kemasan IC menjadi jauh lebih murah dan amat luas pemakaiannya.

Pada mulanya op-amp digunakan untuk rangkaian perhitungan analog, rangkaian pengaturan dan instrumentasi. Fungsi utamanya adalah untuk melakukan operasi linier matematika (tegangan dan arus), integrasi dan penguatan.

Kini op-amp dapat dijumpai di mana saja, dálam berbagai bidang: reproduksi suara, sistem komunikasi, sistem pengolahan digital, elektronik komersial, dan, aneka macam perangkat hobyist.

Dalam konfigurasinya kita akan menemukan op-amp dengan masukan dan keluaran tunggal, masukan dan keluaran diferensial, atau masukan diferensial dan keluaran tunggal. Konfigurasi terakhir ini banyak digunakan dalam industri elektronika.

Konflgurasi ini juga akan dipakai sebagai kerangka landasan dalam modul ini. Setiap orang yang terlibat dalam elektronika mau tak mau harus memahami kegunaan op-amp, mengetahui karakteristiknya, mampu mengenali konfigurasi dasar rangkaian op-amp dan mampu bekerjasama dengannya.



APAKAH OP-AMP ITU?

Op-amp IC adalah peranti solid-state yang mampu mengindera dan memperkuat sinyal masukan baik DC maupun AC.

Op-amp IC yang khas terdiri atas tiga rangkaian dasar, yakni penguat diferensial impedansi masukan tinggi, penguat tegangan penguatan tinggi, dan penguat keluaran impedansi rendah (biasanya pengikut emiter push-pull).

Penguat Diferensial Sebagai Dasar Penguat Operasional

Penguat diferensial adalah suatu penguat yang bekerja dengan memperkuat sinyal yang merupakan selisih dari kedua masukannya. Berikut ini adalah gambar skema dari penguat diferensial sederhana:

Penguat diferensial tersebut menggunakan komponen BJT (Bipolar Junction Transistor) yang identik / sama persis sebagai penguat. Pada penguat diferensial terdapat dua sinyal masukan (input) yaitu V1 dan V2. Dalam kondisi ideal, apabila kedua masukan identik (Vid = 0), maka keluaran Vod = 0. Hal ini disebabkan karena IB1 = IB2 sehingga IC1 = IC2 dan IE1 = IE2. Karena itu tegangan keluaran (VC1 dan VC2) harganya sama sehingga Vod = 0.

Apabila terdapat perbedaan antara sinyal V1 dan V2, maka Vid = V1 – V2. Hal ini akan menyebabkan terjadinya perbedaan antara IB1 dan IB2. Dengan begitu harga IC1 berbeda dengan IC2, sehingga harga Vod meningkat sesuai sesuai dengan besar penguatan Transistor.

Untuk memperbesar penguatan dapat digunakan dua tingkat penguat diferensial (cascade). Keluaran penguat diferensial dihubungkan dengan masukan penguat diferensial tingkatan berikutnya. Dengan begitu besar penguatan total (Ad) adalah hasil kali antara penguatan penguat diferensial pertama (Vd1) dan penguatan penguat diferensial kedua (Vd2).

Dalam penerapannya, penguat diferensial lebih disukai apabila hanya memiliki satu keluaran. Jadi yang diguankan adalah tegangan antara satu keluaran dan bumi (ground). Untuk dapat menghasilkan satu keluaran yang tegangannya terhadap bumi (ground) sama dengan tegangan antara dua keluaran (Vod), maka salah satu keluaran dari penguat diferensial tingkat kedua di hubungkan dengan suatu pengikut emitor (emitter follower).

Untuk memperoleh kinerja yang lebih baik, maka keluaran dari pengikut emiter dihubungkan dengan suatu konfigurasi yang disebut dengan totem-pole. Dengan menggunakan konfigurasi ini, maka tegangan keluaran X dapat berayun secara positif hingga mendekati harga VCC dan dapat berayun secara negatif hingga mendekati harga VEE.

Apabila seluruh rangkaian telah dihubungkan, maka rengkaian tersebut sudah dapat dikatakan sebagai penguat operasional (Operational Amplifier (Op Amp)). Penjelasan lebih lanjut mengenai hal ini akan dilakukan pada sub bab berikut.



Perhatikan, lazimnya op-amp, memerlukan catu positif dan catu negatif. Karena catunya demikian, tegangan keluarannya dapat berayun positif atau negatif terhadap bumi.

Karakteristik op-amp yang terpenting adalah:
Impedansi masukan amat tinggi, sehingga arus masukan praktis dapat diabaikan.
Penguatan lup terbuka - amat tinggi.
Impedansi keluaran amat rendah, sehingga keluaran penguat tidak terpengaruh oleh pembebanan.

Berikut ini adalah karakteristik dari Op Amp ideal:

¨ Penguatan tegangan lingkar terbuka (open-loop voltage gain) AVOL = ~

¨ Tegangan ofset keluaran (output offset voltage) VOO = 0

¨ Hambatan masukan (input resistance) RI = ~

¨ Hambatan keluaran (output resistance) RO = 0

¨ Lebar pita (band width) BW = ~

¨ Waktu tanggapan (respon time) = 0 detik

¨ Karakteristik tidak berubah dengan suhu

Kondisi ideal tersebut hanya merupakan kondisi teoritis tidak mungkin dapat dicapai dalam kondisi praktis. Tetapi para pembuat Op Amp berusaha untuk membuat Op Amp yang memiliki karakteristik mendekati kondisi-kondisi di atas. Karena itu sebuah Op Amp yang baik harus memiliki karakteristik yang mendekati kondisi ideal.

Simbol op-amp standar /dinyatakan dengan sebuah segitiga, seperti tampak pada Gambar diatas.  Terminal-terminal masukan ada pada bagian atas segitiga. Masukan  membalik dinyatakan dengan tanda minus (-). Tegangan DC atau AC yang dikenakan pada masukan ini akan digeser fasanya 180 derajat pada keluaran.

Masukan tak membalik dinyatakan dengan tanda plus (+). Tegangan DC atau AC yang diberikan pada masukan ini akan sefasa dengan, keluaran. Terminal keluaran diperlihatkan pada bagian puncak segitiga.

Terminal-terminal catu dan kaki-kaki lainnya untuk kompensasi frekuensi atau pengaturan nol diperlihatkan pada sisi atas dan sisi bawah segitiga. Kaki-kaki ini tidak selalu diperlihatkan dalam diagram skematis, tapi secara implisit sudah dinyatakan.
Hubungan daya mudah dipahami, hubungan-hubungan kaki lainnya belum tentu. terpakai semuanya.

Tipe op-amp atau nomor produk berada di tengah-tengah segitiga. Rangkaian umum yang bukan menunjukkan op-amp khusus memiliki simbol-simbol A1, A2, dan seterusnya, atau OP-1, OP-2, dan seterusnya.
Meskipun kita dapat menggunakan op-amp tanpa mengetahui secara tepat apa yang terjadi di dalamnya, tetapi akan lebih baik bila karakteristik kerjanya kita pahami dengan mempelajari rangkaian internalnya.

Gambar diatas  menunjukkan diagram skematis IC op-amp 741 yang populer. Op-amp lainnya tak berbeda. Resistor dan kapasitor diusahakan sedikit mungkin dalam perancangan IC ini dan kalau mungkin digunakan transistor.

Kapasitor kopling tidak dipakai di sini sehingga rangkaian dapat memperkuat sinyal DC sebagaimana sinyal AC. Kapasitor 30 pF yang diperlihatkan akan memberikan kompensasi frekuensi internal, kelak akan dibicarakan pula dalam bab ini.


Op-amp pada dasarnya terdiri atas tiga tahapan: penguat diferensial impedansi masukan tinggi, penguat tegangan berpenguatan tinggi dengan penggeser level (sehingga keluaran dapat berayun positif atau negatio, dan penguat keluaran impedansi rendah.

*****

FUNGSI OP-AMP

Mode loop terbuka 

Idealnya, penguatan op-amp adalah tak berhingga, namun kenyataannya penguatan op-amp hanya mencapai kurang lebih 200.000 dalam modus lup terbuka. Dalam keadaan demikian tidak ada umpan balik dari keluaran menuju masukan dan penguatan tegangan (Av) maksimum, sebagaimana diperlihatkan dalam Gambar dibawah ini.

Dalam rangkaian praktisnya, adanya perbedaan tegangan sedikit saja pada masukan-masukannya akan menyebabkan tegangan keluaran berayun menuju level maksimum catu.

Tegangan maksimum keluaran kurang lebih 90 % tegangan catu, karena. ada jatuh tegangan internal pada op-amp. (Lihat Gambar skematik dari op amp 741 diatasdan perhatikan komponen Q14, R9, R10, dan Q20). 

Keluaran dikatakan berada dalani keadaan saturasi (jenuh), dan dapat dinyatakan (salah satu) sebagai + Vsat atau -Vsat. Sebagai contoh, rangkaian op-amp dalam modus lup terbuka dengan catu ( 15 V akan menghasilkan ayunan keluaran antara -13,5 V sampai +13,5 V. 

Dengan tipe rangkaian seperti ini op-amp amat tidak stabil, keluaran akan 0 V untuk selisih masukan 0 V juga,tapi bila ada sedikit beda tegangan pada masukannya, maka keluaran akan berada pada salah satu dari kedua level tegangan di atas. 

Modus lup terbuka terutama dijumpai pada rangkaian pembanding tegangan dan rangkaian detektor level.

Mode loop tertutup 

Keserbagunaan op-amp dibuktikan dalam penerapannya pada berbagai tipe rangkaian dalam modus lup tertutup, seperti diperlihatkan dalam Gambar dibawah ini.

Komponen luar digunakan untuk memberikan umpan balik keluaran pada masukan membalik. Umpan balik akan menstabilkan rangkaian pada umumnya dan menurunkan derau. 

Penguatan tegangan (Av) akan lebih kecil daripada (<) penguatan maksimum.dalam modus lup terbuka.

Mode penguatan terkontrol 

Penguatan lup tertutup harus dapat dikendalikan pada satu nilai tertentu dalam rangkaian praktis. Dengan  menambahkan sebuah resistor Rin pada masukan membalik seperti pada dibawah ini, penguatan op-amp dapat diatur. 

Perbandingan resistansi RF terhaadap Rin menentukan penguatan tegangan rangkaian dan besarya dapat dihitung dengan rumus :

             Rf
Av = ————
            Rin

tanda minus menunjukkan bahwa op-amp merupakan. Konfigurasi membalik tanda ini diabaikan dalam perhitungan misalkan Rin = 10 k( dan RF = 100 k( tegangan masukan 0,01 V akan menghasilkan tegangan keluaran 0,1 V. Bila R ini diubah menjadi 1 k( maka A, bertambah menjadi 100. Kini tegangan masukan sebesar 0,01 V akan menghasilkan tegangan keluaran 1V.

Mode penguatan satu

Bila RF dan Rin sama besar, maka Av sama dengan 1, atau penguatannya satu. Hubungan langsung dari keluaran menuju masukan juga menghasilkan penguatan satu, seperti terlihat pada Gambar dibawah ini.

Dalam konfigurasi tak membalik ini, tegangan keluaran. sama dengan tegangan masukan dan Av, sama dengan + 1.

Berbagai tipe penguatan ini akan digunakan dalam rangkaian rangkaian dasar selanjutnya dalam artikel  ini untuk lebih memperjelas Anda akan fungsi-fungsi op-amp.

Salah satu fungsi yang penting untuk diingat adalah hubungan polaritas masukan terhadap keluaran. Tegasnya, dikatakan bahwa bila masukan membalik lebih positif dibandingkan dengan masukan tak membalik, maka keluaran akan negatif. Demikian pula, jika masukan membalik lebih negatif dibandingkan dengan masukan tak membalik, maka keluaran akan positif. Gambar di bawah ini menunjukkan fungsi yang penting ini, dengan .masukan tak membalik dibumikan atau nol volt.

*******

KARAKTERISTIK DAN PARAMETER OP-AMP

Jika Anda paham akan karakteristik dan parameter peranti elektronik, tentunya akan lebih mudah bagi Anda untuk memahami penggunaannya dalam rangkaian. Dengan.mengetahui apa-apa yang bisa diharapkan . dari sebuah op-amp, Anda akan dibantu dalam merancang dan memperbaiki rangkaian yang menggunakan op-amp.

Pasal ini akan menjelaskan informasi-inforimasi yang bertalian dengan karakteristik dan prameter op amp yang dipakai dalam rangkaian pada umumnya.

Impedansi masukkan

Idealnya impedansi masukkan op amp adalah tak terhingga, namun dalam kenyataannya hanya mencapai 1 M( atau lebih, berberapa op amp khusus ada yang memiliki impedansi masukkan 100 M (semakin tinggi impendansi masukkan semaikin baik penampilan op amp tersebut, pada frekuensi tinggi kapasitansi masukkan op amp banyak berpengaruh lazimnya kapasitansi ini kurang dari 2 pF, bila sebuah terminal masukkan op amp dibumikan.

Impedansi Keluaran

Idealnya, impedansi keluaran adalah nol. Kenyataannya, berbeda beda untuk setiap op-amp. Impedansi keluaran bervariasi antara 25 sampai ribuan ohm. Untuk kebanyakan pemakaian, impedansi keluaran dianggap nol, sehingga op-amp akan dianggap berfungsi sebagai sumber tegangan yang mampu memberikan arus dari berbagai macam beban. Dengan impedansi masukan yang tinggi dan impedansi keluaran yang rendah op-amp akan berperan sebagai peranti penyesuai impedansi. 

Arus Bias Masukan

Secara teoritis impedansi masukan tak berhingga. besarnya, sehingga seharusnya tak ada arus masukan. Namun, akan ada sedikit arus masukan, pada khususnya dalam ordo pikoampere sampai mikroampere. Harga rata-rata kedua arus ini dikenal sebagai arus bias masukan. Arus ini dapat menggoyahkan kestabilan op-amp, sehingga mempengaruhi keluaran. Pada umumnya makin rendah arus bias masukan, kian rendah pula kelabilannya. Op-amp yang menggunakan transistor efek medan (FET) pada masukan-masukannya memiliki arus bias masukan terendah.

Tegangan Offset Keluaran

Tegangan offset keluaran (tegangan kesalahan) disebabkan oleh arus bias masukan. Bila tegangan kedua masukan sama besar, keluaran op-amp akan nol volt. Namun jarang ditemukan kejadian seperti ini, sehingga pada keluarannya akan  ada sedikit tegangan. Keadaan seperti ini dapat diatasi dengan teknik penolan offset, yaitu dengan menambahkan arus atau tegangan offset masukan.

Arus Offset Masukan

Kedua arus masukan seharusnya sama besar sehingga tegangan keluarn nol. Tapi ini tidak mungkin, karena itu harus ditambahkan arus offset masukan untuk menjaga supaya keluaran tetap nol volt. Dengan perkataan lain, untuk. memperoleh keluaran nol volt, sebuah masukan mungkin menarik arui lebih besar daripada lainnya. Arus offset ini dapat mencapai 20 mA.

Tegangan Offset Masukan

idealnya, tegangan keluaran op-amp nol manakala tegangan kedua masukan nol. Namun, berkenaan dengan penguatan op-amp yang tinggi, adanya sedikit ketakseimbangan dalam rangkaian akan mengakibatkan munculnya tegangan keluaran. Dengan memberikan sedikit tegangan offset pada sebuah masukannya, tegangan keluaran dapat dinolkan kembali.

Penolan Offset

Ada bermacam-macam cara pemberian tegangan offset masukan untuk menolkan kembali tegangan keluaran. Pabrik-pabrik op-amp telah memasukkan hal ini ke dalam perhitungan dan dalam. lembaran data mereka telah diberikan rekomendasi terbaik untuk op-amp-op-amp tertentu. Gambar dibawah ini menunjukkan cara menolkan op-amp yang khas. Terminal-lerminal offset nol telah diperlihatkan dalam Gambar sebelumnya.

Prosedur berikut menjelaskan urutan kerja penolan tegangan keluaran.

Pastikan bahwa rangkaian telah dilengkapi dengan komponenkomponen yang dihutuhkan, termasuk rangkaian penolan. (Rangkaian penolan biasanya tidak ditunjukkan dalam diagram skematisnya).

Perkecil sinyal masukan sampai nol. Bila resistor masukan seri kira-kira 1% lebih tinggi daripada impedansi sumber sinyal, tak perlu diapa-apakan lagi keadaan ini. Bila resistor seri sama atau lebih kecil daripada impedansi sumber, gantilah setiap sumber Resistor pengatur tegangan-offset dengan resistor yang sepadan dengan impedansinya.

Hubungkan beban pada terminal keluaran.

Masukan catu DC dan tunggulah beberapa menit agar rangkaian mantap keadaannya.

Hubungkan sebuah voltmeter yang peka (mampu memberikan pembacaan beberapa milivolt) atau Osiloskop yang dikopel DC pada beban untuk membaca tegangan kelu'aran (Vout).

Putarlah resistor variabel sampai Vout terbaca nol.

Lepaskan setiap komponen tambahan pada masukan dan hubungkan kembali masukan-masukan sumber, pastikan tidak menyentuh resistor pengatur tegangan offset, karena dapat mengubah nilainya.

Pengaruh Temperatur

Perubahan temperatur mempengaruhi semua peranti solid state, tak terkecuali op-amp. Rangkaian DC yang menggunakan op-amp cenderung lebih rentan terhadap pengaruh ini dibandingkan rangkaian AC. 

Perubahan temperatur dapat menyebabkan perubahan arus offset dan tegangan offset, inilah yang disebut geseran. Drift yang disebabkan oleh temperatur akan mengganggu setiap ketakseimbangan op-amp yang telah diatur sebelumnya, akibatnya pada keluaran akan terjadi kesalahan.

Kompensasi Frekuensi

Karena penguatan op-amp yang tinggi dan adanya pergeseran fasa antar rangkaian internal, maka pada frekuensi tinggi tertentu sebagian sinyal keluaran akan diumpankan kembali ke dalam masukan, sehingga terjadi osilasi. 

Tidak jarang orang menambahkan kapasitor kompensasi pada op-amp, entah secara internal maupun eksternal, tujuannya adalah untuk mencegah osilasi ini dengan jalan menurunkan penguatan op-amp ketika frekuensi dinaikkan.

Laju Lantingan

Laju lantingan atau slew rate adalah laju perubahan maksimum tegangan keluaran op-amp. Laju ini dinyatakan sebagai:

         Perubahan laju tegangan keluar 

g = ——————–––––––––––––––––——

                    Perubahan waktu 

Op-amp 741 serba guna memiliki laju lantingan 0,5 V/(s, yang berarti tegangan keluaran maksimum dapat berubah 0,5 V dalam I (s. Kapasitansi membatasi kemampuan "pelantingan" ini dan keluaran akan mengalami penundaan setelah diumpankan masukan, seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 7. Lebih kerap lagi, kapasitor kompensasi frekuensi, entah internal maupun eksternal, menyebabkan pembatasan kemampuan laju lantingan di dalam op amp 

Pada frekuensi-frekuensi tinggi atau pada laju perubahan sinyal yang tinggi, pembatasan-laju lantingan lebih sering terjadi. Laju lantingan adalah parameter penampilan -sinyal besar. Biasanya laju lantingan dinyatakan pada penguatan satu. Op-amp dengan laju lantingan lebih tinggi memiliki lebar-jalur yang lebih besar. 

Tanggapan Frekuensi Penguatan op-amp turun terhadap kenaikan frekuensi. Penguatan yang.diberikan pabrik biasanya dinyatakan pada nol Hertz atau DC. Gambar 8 menunjukkan kurva penguatan tegangan terhadap tanggapan frekuensi. Dalam modus lup terbuka, penguatan turun amat cepat sejalan dengan peningkatan frekuensi. Bila frekuensi naik 10 kali maka penguatan turun menjadi 1/10 kalinya. Titik breakover terjadi pada 70,7% penguatan maksimum. Lazimnya lebar-jalur dinyatakan pada titik di mana penguatan turun 70,7% dari skala maksimumnya. Karena itu, lebar-jalur lup terbuka sekitar 10 Hz untuk contoh ini. Untungnya, op-amp biasanya memerlukan umpan balik yang sifatnya degeneratif dalam rangkaian-rangkaian penguat. Umpan balik inilah yang memperlebar jalur rangkaian. Untuk penguatan lup tertutup sebesar 100, lebar-jalur meningkat sampai kira-kira 100 kHz. Bila penguatan diturunkan menjadi l0, lebar-jalur akan melebar menjadi 100 kHz, Titik penguatan satu terjadi pada 1 MHz, titik ini disebut frekuensi penguatan satu. Frekuensi penguatan satu merupakan titik acuan, pada titik inilah kebanyakan op-amp dinyatakan oleh pabriknya. Perkalian Penguatan Lebar jalur Perkalian penguatan lebar-jalur atau gain-bandwidth product (GBP) sama saja dengan frekuensi penguatan satu. Sifat ini tidak hanya memberitahu kita akan frekuensi atas yang bermanfaat, tetapi juga memungkinkan kita menentukan lebar-jalur lebar-jalur frekuensi) pada suatu nilai penguatan yang diketahui. Sebagai contoh lihat Gambar dibawah yang menunjukkan kurva tanggapan frekuensi untuk op-amp yang dikompensasi frekuensi, seperti 741), bila Anda mengalikan penguatan dan lebar-jalur dari suatu rangkaian tertentu, hasil yang diperoleh akan sama dengan frekuensi penguatan satu:

penguatan dan lebar-jalur dari suatu rangkaian tertentu, hasil yang diperoleh akan sama dengan frekuensi penguatan satu:

GBP = penguatan x lebar-jalur = frekuensi penguatan satu

= 100 x 10 kHz = 1000000 Hz   (1 MHz)

atau

GBP = 10 x 100 kHz = 1000000 Hz   (1 MHz)

Karena itu bila kita ingin mengetahui batas atas frekuensi atau lebar jalur suatu rangkaian dengan penguatan sebesar 100, tinggal kita bagi saja frekuensi penguatan satu dengan penguatannya:

                          Frekuensi penguatan satu

Lebar jalur =  ——————––––––––––––––

                                      Penguatan 

                          1000000

BW       =  ————  =  10 Khz

                              100

Derau 

Sebagaimana rangkaian elektronika lainnya, op-amp juga peka terhadap derau. Derau luar dijangkitkan oleh peranti listrik atau berasal dari derau bawaan komponen-komponen elektronik (resistor, kapasitor, dan sebagainya) yang beroperasi dalam daerah frekuensi dari 0,01 Hz sampai beberapa MHz. 

Derau luar ini dapat ditindas asalkan rangkaian dirakit dengan benar. Derau internal opamp ditimbulkan oleh komponen-komponen internal, arus bias, dan juga drift. Derau-derau ini ikut diperkuat oleh op-amp, sebagaimana halnya tegangan offset dan tegangan sinyal. Penguatan derau dinyatakan dalam

penguatan derau = 1 + RF/Rin

Derau internal dapat diperkecil dengan menggunakan resistor masukan seri dan resistor umpan bahk sekecil mungkin yang masih memenuhi persyaratan rangkaian. Pemintasan resistor umpan balik dengan sebuah kapasitor kecil (3 pF) juga akan menurunkan penguatan derau pada frekuensi-frekuensi tinggi.

Perbandingan Penolakan Modus Sekutu (CMAR = Common Mode Rejection Ratio)

CMRR adalah suatu sifat yang bertalian dengan penguat diferensial. Bila tegangan-tegangan yang sama fasanya diumpankan ke dalam masukan-masukan penguat, keluaran akan nol. Hanya perbedaan tegangan pada masukan yang akan menghasilkan keluaran. Sebagai contoh, sinyal 1020 Hz diberikan pada masukan membalik op-amp, seperti terlibat pada Gambar dibawah ini. Frekuensi yang sama diberikan pada masukan tak membalik tapi fasanya berbeda 180 derajat.

Ini adalah sinyal diferensial. Tapi, sinyal 1020 Hz tadi telah tercemari oleh derau jala-jala 60 Hz. Sinyal 60 Hz ini sefasa pada kedua masukannya dan menyatakan sinyal modus sekutu. Penguat diferensial cenderung menolak sinyal modus sekutu 60 Hz ini sambil menguatkan sinyal diferensial 1020 Hz. 

Kemampuan suatu op-amp untuk memperkuat sinval diferensial sambil menindas sinyal modus sekutu disebut perbandingan penolakan modus sekutu (CMRR). Perbandingan ini dinyatakan dalam :

                     Ad

CMRR =  ————

                     Acm

Dengan  Ad adalah penguatan diferensial dan & Acm adalah penguatan modus sekutu. CMRR biasanya dinyatakan dalam desibel, dan tinggi nilainya kian baik tingkat penolakannya. 

Perlindungan Hubung Singkat

Op-amp dapat menjangkitkan arus yang membahayakan bila keluarannya terhubung singkat ke bumi, +Vc atau -Vc, dari catu, kecuali bila dilengkapi perlindungan hubung singkat. Transistor Q15 yang diperlihatkan dalam Gambar skema op amp 741 adalah peranti pembatas arus yang memberikan perlindungan ini. Kebanyakan tipe op-amp belakangan ini dilengkapi dengan pelindung hubung singkat semacam ini, namun tipe-tipe lama belum dilengkapi.

Pembatasan Listrik

Seperti juga peranti-peranti solid state yang lain, op-amp memiliki kendala-kendala listrik yang tak boleh dilanggar, agar mereka bekerja dengan benar dan tidak terjadi perusakan. Kendala ini biasanya disebut dengan tarif maksimum absolut.

Catu daya ± V. Tegangan maksimum yang masih aman yang boleh dikenakan pada peranti, termasuk catu positif dan negatif. Disipasi daya. Besarnya panas yang masih aman yang dapat dilepaskan oleh peranti untuk suatu pengoperasian yang kontinyu dalam selang waktu yang diberikan

Tegangan masukan diferensial. Tegangan masukan dalam batas aman yang boleh diberikan di antara kedua masukan tanpa Tegangan masukan. Tegangan maksimum- yang masih dapat diberikan di antara terminal-terminal masukan dan bumi. Besarnya tegangan masukan ini tak boleh melampaui tegangan catu (biasanya 15 V).

Lama hubung singkat keluaran. Selang waktu op-amp dapat bertahan terhadap, hubung singkat langsung dari terminal keluaran ke bumi atau ke terminal catu. lainnya.

Kisar temperatur pengoperasian. Daerah temperatur di mana opamp akan bekerja sesuai dengan spesifikasi yang diberikan. Peranti komersial bekerja pda 0 – 70oC, peranti industri bekerja pada -25 – 85 o  C, dan peranti militer bekerja pada   -55 – 125o C.

Kisar temperatur penyimpanan. Batas-batas temperatur penyimpanan yang masih aman, lazimnya -65 – 150o C. Temperatur kaki. Temperatur di mana peranti dapat bertahan dalarn selang waktu tertentu. ketika proses penyolderan kaki-kaki terminal sedang berlangsung. Tarif ini biasanya 300o C untuk selang waktu 10- - 60 detik.

Selanjutnya kita akan mengulas dasar operasi dan aplikasi rangkaian op amp.

Dikutip dari berbagai sumber, untuk materi Teori Elektronika Terintegrasi Akademi Teknik Elektromedik Andakara Jakarta.

---*****---

Mode Aktif pada Transistor Bipolar

Pemahaman dasar transistor saat beroperasi dalam mode aktif

Penggunaan transistor sebagai saklar akan mengeksplorasi dua mode operasi transistor. Dan kedua mode operasi tersebut adalah saat transistor dikatakan menjadi mode cutoff (transistor akan seperti saklar yang terbuka), dimana transistor tidak bisa mengalirkan arus antara emitor dan kolektor. Sebaliknya transistor akan dikatakan menjadi mode jenuh saat transistor dapat menjadi konduktor atau mengalirkan arus antara emitor dan kolektor.
Namun transistor bipolar tidak hanya beroperasi pada dua mode operasi diatas. Seperti yang kita pelajari pada artikel sebelumnya bahwa arus basis seolah-olah seperti “membuka gerbang” untuk mengalirkan arus melalui kolektor dengan jumlah yang dibatasi atau proporsional. Jika pada batas ini arus yang dikontrol ini lebih besar dari nol tetapi kurang dari jumlah maksimum yang diperbolehkan oleh power supply dan rangkaian beban, transistor akan “throttle” dimana mode ini adalah suatu mode antara cutoff dan jenuh(saturasi). Dan mode ini disebut mode aktif.

Dari gambar diatas kita lihat daerah aktif ditandai pada daerah yang berwarna biru

Sebuah analogi otomotif mungkin bisa menjelaskan mode operasi transistor, seperti berikut ini :

cutoff adalah kondisi dimana tidak ada gaya yang dihasilkan oleh bagian mekanik mobil untuk membuatnya bergerak. Dalam mode cutoff, rem mobil berfungsi (arus basis nol), mencegah mobil bergerak (arus kolektor dicegah atau diblokir).

Mode aktif adalah kondisi dimana mobil berjalan dengan konstan, kecepatan terkontrol (arus kolektor konstan dan terkontrol) sesuai yang diinginkan pengemudi.

Mode jenuh (saturation) adalah kondisi dimana mobil dikendarai menaiki bukit yang curam, dimana jalan yang curam tersebut akan membuat kecepatan yang tidak diinginkan oleh pengemudi. Dengan kata lain, mode jenuh adalah dimana pedal pemercepat atau pedal gas mobil ditekan penuh kebawah (arus basis mengontrol arus kolektor yang lebih besar daripada arus yang disediakan oleh power supply atau beban).

Coba perhatikan gambar dibawah ini untuk menunjukkan apa yang terjadi saat transistor beroperasi pada mode aktif.

“Q” adalah standar penunjukkan komponen transistor pada gambar skematik, seperti “R” untuk resistor, dan “C” untuk kapasitor. Pada rangkaian atau sirkuit ini kita memiliki transistor NPN yang diaktifkan oleh baterai “V1” dan dikendalikan oleh arus melalui sumber arus “I1” . sebuah sumber arus adalah perangkat yang menghasilkan output dengan jumlah arus tertentu, dan menghasilkan sebanyak atau sedikit tegangan pada terminal untuk memastikan dengan tepat jumlah arus yang mengalir. Membuat arus tetap konstan terkenal sulit (tidak seperti sumber tegangan yang selalu dengan upaya kontras tetap menjaga agar tegangan tetap konstan, dan dengan output arus yang tidak menentu), tetapi hal itu dapat diwujudkan dengan kumpulan komponen-komponen elektronika yang kecil. Seperti yang kita ketahui dari transistor, bahwa ia cenderung mirip dengan perilaku sumber arus, yaitu mempunyai kemampuan untuk mengatur arus pada nilai konstan atau tetap.
Pada simulasi diatas, kita atur sumber arus pada nilai yang konstan 20µA, kemudian sumber tegangan(V1) divariasikan antara 0 sampai 2 volt. Setelah itu kita pantau berapa banyak arus yang mengalir melewati transistor itu. Gambar baterai kosong diatas(Vammeter) dengan output 0 volt digunakan sebagai elemen sirkuit untuk pengukuran arus.

Kolektor yang menyapu atau mengalirkan tegangan 0 sampai 2 volt dengan arus basis yang konstan 20µA, akan menghasilkan arus kolektor(arus utama) yang konstan 2 mA pada daerah jenuh(saturation).

Mengatur atau menseting konstan arus basis sebesar 20µA akan menetapkan batas arus kolektor 100 kali lebih besar, yaitu sebesar 2 mA. Perhatikan gambar kurva diatas, yang menunjukkan besarnya arus kolektor yang konstan selama rentangan tegangan baterai dari 0 sampai 2 volt. Ada satu pengecualian untuk ini, yaitu sifat khusus pada petak diawal, dimana tegangan baterai yang naik dari 0 volt menjadi lebih besar dari 0 volt, ada kenaikan arus kolektor yang sangat cepat dari 0 ampere ke batas arus 2 mA.

Lalu, mari kita lihat apa yang terjadi bila tegangan baterai diubah dengan jangkauan atau rentang yang lebih luas, dari 0 – 50 volt. Dan dengan arus basis yang tetap, yaitu 20µA konstan. Perhatikan gambar dibawah ini...

Hasil yang sama didapatkan, meskipun tegangan yang mengalir sekitar 0 – 50 volt, dan arus basis 20µA. Arus kolektor benar-benar stabil pada 2 mA meskipun tegangan baterai bervariasi. Dalam hal ini transistor berfungsi sebagai regulator atau pengatur arus.

Sekarang kita lihat apa yang terjadi bila arus pengendali atau arus basis kita naikkan dari 20 µA menjadi 75 µA, dengan rentang tegangan yang sama 0 – 50 volt. Perhatikan gambar grafik arus dibawah ini....

Arus basis yang konstan 75 µA akan membatasi arus kolektor sehingga menjadi stabil pada 7,5 mA. Begitu juga dengan kurva-kurva dari variasi arus basis yang lain, arus kolektor atau arus utama akan dibatasi menjadi 100 kali arus basis(arus pengendali).

Hubungan antara arus dan tegangan pada transistor sangat berbeda dengan yang ada pada resistor. Pada resistor arus akan meningkat secara linier jika tegangannya meningkat. Namun pada transistor, arus kolektor(arus utama) akan tetap terbatas atau stabil pada nilai maksimum tidak peduli seberapa besar tegangan meningkat.

Perhatikan kumpulan kurva pada gambar dibawah ini, yang menunjukkan setiap kurva untuk tingkat arus basis yang berbeda, kurva ini disebut kurva karekteristik transistor.

Setiap kurva pada grafik menunjukkan besarnya arus kolektor dari berbagai tegangan emitor-kolektor, untuk jumlah arus basis tertentu. Karena transistor cenderung berfungsi sebagai regulator arus, atau membatasi arus kolektor dengan proporsi yang ditetapkan oleh arus basis, maka proporsi ini dapat diekspresikan sebagai standar ukuran kinerja transistor. Perbandingan rasio arus kolektor dengan rasio arus basis biasa dikenal sebagai rasio “Beta” (dilambangkan dalam huruf yunani β) atau dengan hfe:

               Ic (arus kolektor )

β dc  = --------------------------------

               Ib (arus basis)

β transistor ditentukan saat membuat atau merancang dan tidak bisa diubah setelah pembuatan. Sebenarnya rasio β pada transistor tidak tetap stabil untuk semua kondisi operasi. Rasio β bisa saja berubah dikarenakan beberapa faktor seperti, jumlah arus kolektor, temperatur transistor, frekuensi sinyal yang diperkuat, dan faktor-faktor yang lainnya.

Perhatikan model transistor yang kompleks berikut ini :

Model transistor diatas seperti kombinasi antara dioda dan rheostat (variable resistor). Dari gambar diatas menunjukkan kalau itu transistor dengan jenis NPN, untuk yang berjenis PNP sebenarnya ya sama, hanya saja perbedaannya cuma pada arah dioda. Model ini berhasil menggambarkan konsep dasar transistor amplifikasi, yaitu sinyal arus basis dapat mengontrol arus kolektor. Namun transistor model ini merupakan gagasan yang gagal untuk mengatur arus kolektor seperti gambar kurva karekteristik sebelumnya. Gambar kurva arus kolektor akan terus meningkat secara linear saat tegangan meningkat, atau dengan kata lain arus kolektor akan berbanding lurus dengan tegangan emitor-kolektor.

Perhatikan sebuah model transistor yang lebih baik dibandingkan model sebelumnya pada gambar dibawah ini.

Model ini menunjukkan transistor yang terdiri dari dioda dan sumber arus. Output sumber arus yang ditetapkan merupakan kelipatan (rasio β) dari arus basis. Model ini jauh lebih akurat dalam menggambarkan input/output karakteristik transistor yang sebenarnya. Selain itu model ini disukai ketika melakukan analisis jaringan pada sirkuit transistor, sumber arus menjadi komponen yang dipahami dengan baik secara teori.

Selanjutnya akan kita bahas tentang prinsip transistor sebagai saklar,  dimana kondisi nya pada daerah saturasi dan daerah cut off.. 

Pengenalan Dasar Transistor Bipolar

Bipolar junction transistor (BJT) atau yang biasa dikenal dengan transistor bipolar merupakan komponen elektronika yang terdiri dari tiga lapis bahan semikonduktor, baik untuk yang bertipe PNP ataupun NPN. Pada setiap lapisan yang membentuk transistor tersebut memiliki nama-nama tersendiri (kolektor, basis, dan emitor). Dan pada tiap lapisan tersebut terdapat kontak kawat untuk koneksi ke rangkaian. Simbol skematik transistor tipe PNP dan NPN ditunjukan pada gambar dibawah ini (gambar a untuk PNP dan gambar c untuk NPN).

Perbedaan fungsi antara transistor PNP dan transistor NPN terdapat pada mode bias (polaritas) dari persimpangan ketika transistor beroperasi. Untuk setiap keadaan operasi tertentu, arah arus dan polaritas tegangan untuk setiap jenis transistor yang persis akan berlawanan satu sama lain.

Transistor bipolar bekerja sebagai regulator arus yang dikontrol oleh arus. Dengan kata lain, transistor membatasi jumlah arus yang mengalir. Pada transistor bipolar arus utama yang dikendalikan mengalir dari kolektor ke emitor atau dari emitor ke kolektor tergantung dari masing-masing jenis transistor tersebut (PNP atau NPN). Arus kecil yang mengontrol arus utama mengalir dari basis ke emitor atau dari emitor ke basis, sekali lagi tergantung dari jenis masing-masing transistor tersebut (PNP atau NPN). Menurut standar simbologi semikonduktor, arah panah selalu menunjukkan arah yang berlawanan dengan arah aliran elektron. Perhatikan gambar dibawah ini.

Transistor bipolar disebut bipolar karena aliran utama elektron yang mengalir melewati transistor berlangsung dalam dua tipe bahan semikonduktor, yaitu P dan N, sebagai arus utama yang mengalir dari emitor ke kolektor (atau sebaliknya). Dengan kata lain ada dua jenis polaritas pembawa muatan arus listrik, yaitu pembawa muatan elektron dan pembawa muatan positif atau lubang (hole).

Seperti yang anda lihat, arus yang mengontrol dan arus yang dikontrol akan selalu melewati kawat emitor dan aliran elektron mereka selalu mengalir melawan arah panah transistor. Semua arus harus mengalir dalam arah yang tepat sehingga device dapat bekerja sebagai pengatur atau regulator arus. Pada transistor bipolar, arus kecil pengendali itu biasanya disebut arus basis, karena arus tersebut adalah satu-satunya arus yang masuk atau mengalir melewati basis transistor. Sebaliknya, arus utama atau arus yang dikontrol atau dikendalikan itu disebut sebagai arus kolektor, karena arus utama merupakan satu-satunya arus yang melewati kawat kolektor dari transistor. Sedangkan arus emitor adalah jumlah arus basis dan arus kolektor, sesuai dengan hukum arus kirchhoff (Kirchhoff’s Current Law).

Jika tidak ada arus pada basis transistor, maka transistor akan seperti saklar terbuka yang akan mencegah arus utama mengalir melalui kolektor. Jadi, arus pada basis inilah yang juga akan mengubah transistor menjadi seperti saklar tertutup dan memungkinkan jumlah arus yang proporsional melalui kolektor. 

Cara (prinsip) Kerja Transistor Transistor

Cara (Prinsip) kerja transistor bisa digambarkan sebagai pengaturan aliran air sbb:

Dari gambar diatas kita bisa lihat :

Somber air dari titik C akan mengalir ke titik E jika dari B diberi sedikit aliran air untuk membuka keran. Aliran air dari C ke E merupakan kelipatan aliran air B misalkan saja aliran C ke E 10 x lipat aliran B . misalnya dari B kita aliri 1 liter/detik maka dari C ke E akan mengalir 10 liter/detik.jika kita aliri air dari B sebesar 100 liter/detik maka dari ke C ke E akan mengalir sebesar 1000 liter /detik. begitu seterusnya.

Aliran C ke E ada batas masimumnya misal 10000 liter /detik. Aliran C ke E akan”OFF”jika tdk ada aliran B yg membuka keran (kecuali ada kebocoran di b).

Pada saat aliran C ke E maksimum (10000 liter /detik) ini disebut“ON”atau saturasi.

Cara kerja transitor

Aliran arus dari C (colector) ke E (emitor) di atur oleh arus B (basis) cara kerjanya seperti pengaturan aliran air dibagian awal. Kelipatan arus  transistor disebut hFE , misal: hFE=400 , arus Basis = 1mA maka arus yang mengalir dari C ke E = 1 mA x 400 =  400mA. arus maksimum yang bisa lewat dari C ke E tiap jenis transistor berbeda2, misal 500mA, atau ditulis Ic max = 500mA. jika tidak ada arus yang lewat di B (Ib=0) maka tdk ada arus juga yang lewat dari C ke E , ini disebut  CUT OFF. jika arus B (Ib) kita rubah rubah besarnya maka arus dari C ke E juga berubah-rubah . jika arus di B (Ib) kita perbesar terus maka akan ada batasnya arus C ke E mencapai maksimum. ini disebut saturasi.

Ic= hFE x Ib

Pada rangkaian dibawah ini , untuk merubah-rubah arus di basis (Ib) kita bisa dengan merubah-rubah tegangan Vin atau nilai resistansi Rin. dan untuk membatasi arus dari C ke E kita beri resistor RL.

Vin bisa kita sebut juga dengan Vbb, yaitu tegangan yang diberikan pada basis. 

Rin bisa kita sebut juga dengan RB, yaitu nilai resistor pada basis. 

Vcc adalah tegangan yang diberikan ke kolektor.

RL bisa disebut juga dengan RC, yaitu nilai resistor pada kolektor. 

Vce adalah tegangan jepit kolektor - emiter. 

Vbe adalah tegangan jepit basis - emiter. 

Ib adalah arus basis 

Ic adalah arus kolektor 

Ie adalah arus emiter 

            

Selanjutnya kita akan membahas daerah kerja transistor bipolar pada artikel : "Operasi transistor bipolar pada daerah aktif.