JURNAL FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI
1
Analisa Sinyal Keluaran Operational Amplifier (LM741) pada Penguatan Inverting dan Non –Inverting Emy Aditya, Rachmadani Achaddiad Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: emy11@mhs,physics.its.ac.id Abstrak— Telah dilakukan percobaan Operational Amplifier (Op Amp) dengan tujuan untuk mengetahui karakteristik penguatan inverting dan non inverting pada op amp (LM 741) berdasarkan sinyal keluaran pada osiloskop. Operational Amplifier (Op Amp) merupakan rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial. Penguat operasional memilki dua masukan dan satu keluaran serta memiliki penguatan DC yang tinggi yaitu penguatan inverting dan non-inverting. Dalam percobaan ini terdiri dari 2 jenis rangkaian yaitu rangkaian inverting dan non inverting dan didapatkan penguatan atau gain hingga 10 kali penguatan. Untuk mendapatkan penguatan maka dapat dilakukan dengan variasi Ri dan Rf. Frekuensi yang diberikan pada rangkaian yaitu 100 Hz, 10 kHz, dan 100 kHz. Berdasarkan data yang telah didapatkan pada percobaan kali ini dapat diambil kesimpulan bahwa karakteristik penguatan inverting yaitu bentuk sinyal keluarannya terbalik dengan sinyal input namun amplitudonya besar sedangkan karakteristik penguatan non inverting yaitu penguatannya dapat diketahui dengan bertambah tingginya amplitudo dan bentuk sinyalnya sama seperti sinyal awal. Pengaruh frekuensi yaitu semakin besar frekuensi yang diberikan pada rangkaian op amp meliputi inverting dan non inverting menyebabkan respon penguatan tidak maksimal. Kata Kunci—inverting, non inverting , op amp
I. PENDAHULUAN
O
perational Amplifier atau yang di singkat op-amp merupakan salah satu komponen analog yang sering digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Aplikasi op-amp yang paling sering dipakai antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, buffer, adder (penjumlah), integrator dan differensiator. Penguat operasional (op-amp) adalah penguat diferensial dengan dua masukan dan satu keluaran yang mempunyai penguatan tegangan yang amat tinggi, yaitu dalam orde 105. Oleh karena itu, penguat operasional lebih banyak digunakan dengan loop tertutup daripada dalam lingkar terbuka.Pada Op-Amp, memiliki 2 rangkaian feedback (umpan balik) yaitu feedback negatif dan feedback positif dimana feedback negatif pada op-amp memegang peranan penting. Secara umum, umpan balik positif akan menghasilkan osilasi sedangkan umpan balik negatif menghasilkan penguatan yang dapat terukur. Penguat operasional (Op Amp) adalah suatu rangkaian terintegrasi yang berisi beberapa tingkat dan konfigurasi penguat diferensial yang telah dijelaskan di atas. Penguat operasional memilki dua masukan dan satu keluaran serta
memiliki penguatan DC yang tinggi. Untuk dapat bekerja dengan baik, penguat operasional memerlukan tegangan catu yang simetris yaitu tegangan yang berharga positif (+V) dan tegangan yang berharga negatif (-V) terhadap tanah (ground).
Gambar 1 Simbol penguat operasional Penguat operasional banyak digunakan dalam berbagai aplikasi karena memiliki beberapa keunggulan seperti penguatan yang tinggi, impedansi masukan yang tinggi, impedansi keluaran yang rendah dan lain sebagainya. Berikut ini adalah karakteristik dari Op Amp ideal:[2] a. b. c. d. e. f. g.
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
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.
JURNAL FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI
2 Percobaan yang dilakukan terdiri dari 2 macam rangkaian penguatan yaitu rangkaian inverting dan rangkaian noninverting.
Gambar 2. Blok diagram op amp
A. Rangkaian Inverting Langkah pertama yang dilakukan yakni merangkai alat seperti pada gambar di bawah ini. Kemudian diberikan tegangan input dari power supply sebesar 12 volt. Selanjutnya rangkaian dihubungkan pada osiloskop, namun sebelumnya osiloskop harus dikalibrasi terlebih dahulu agar sinyal keluaran hasil penguatan dapat dilihat dengan baik. Penguatan dilakukan dengan memvariasi Rf, dilakukan penguatan sebanyak 10 kali penguatan. Persamaan yang digunakan untuk mendapatkan penguatan serta teganagan output yaitu rumus 1. Frekuensi yang diberikan oleh signal generator pada rangkaian yaitu 100 Hz, 10 kHz, dan 100 kHz berfungsi untuk mengetahui sinyal keluaran serta tegangan keluaran.
Gambar 3. Symbol skematis op amp Pada Inverting amplifier, input dengan outputnya berlawanan polaritas. Sehingga terdapat tanda minus pada rumus pengatnya. Penguat inverting ini biasanya lebih kecil dari nilai besaran dari I. untuk rumus tegangan keluaran : 𝑅𝑓
𝑉𝑜𝑢𝑡 = − 𝑅 𝑉𝑖𝑛 ..........................(1) 𝑠
Gambar 5. Rangkaian Inverting B. Rangkaian Non Inverting Untuk rangkaian non inverting , langkah- langkahnya sama seperti rangkaian inverting yang berbeda hanya rangkaiannya. Besarnya hasil penguatan dan tegangan keluaran setelah melewati op amp dapat dilihat pada persamaan 2.
Gambar 4. Rangkaian inverting amplifier Rangkaian non-inverting ini hamper sama dengan rangkaian inverting hanya perbedaannya adalah terletak pada tegangan inputnya dari masukan noninverting. Hasil tegangan outputnya akan selalu positif. Untuk rumus tegangan keluaran sebagai berikut[3] 𝑅𝑓
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 1 + 𝑅
𝑠
𝑉𝑖𝑛 ………………………… (2)
Dari percobaan ini bertujuan untuk mengetahui bentuk sinyal keluaran op amp pada penguatan inverting dan non inverting. II. METODE Dalam percobaan ini alat dan bahan yang digunakan adalah IC op-amp LM741, resistor 1k sebagai resistor tetap(Ri) dan resistor 10 k sebagai resistor feedback (Rf) , signal generator, catu daya(power supply), osiloskop, dan VOM.
Gambar 6. Rangkaian Non - Inverting III. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan didapatkan data berupa gambar sinyal keluaran dengan variasi frekuensi yang diberikan oleh sinyal generator, serta didapatkan tegangan output hasil penguatan. Penguatan dilakukan dengan variasi resistor feedback (Rf), dengan penguatan hingga 10 kali meliputi rangkaian inverting dan non inverting. Op Amp yang digunakan yakni IC Op-Amp LM741 yang kemudian diukur nilai Vout pada setiap variasi nilai resistor variabel
JURNAL FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI ( Rf) dan frekuensi dari signal generator yang diberikan pada rangkaian. Dari percobaan ini, data yang didapatkan berupa gambar grafik osiloskop sebelum dan sesudah penguatan dengan Op Amp serta nilai tegangan Vmax, Vmin pada sinyal input dan sinyal output.
3 10
100 hz
0.6
2.54
10
100khz
0.2
0.36
2
10 khz
0.6
1.2
2
100 hz
0.6
1.2
2
100khz
0.6
0.6
A. Op Amp sebagai penguat non- Inverting Prinsip utama rangkaian penguat non-inverting adalah penguat yang memiliki masukan yang dibuat melalui input non-inverting. Dengan demikian tegangan keluaran rangkaian ini akan satu fasa dengan tegangan inputnya. Pada rangkaian non inverting, bentuk sinyal masukan dan sinyal keluaran adalah sama, hanya tegangan output yang berbeda dikarenakan mengalami penguatan. Bentuk sinyal masukan dan keluaran yaitu sinusoidal dikarenakan sumber yang digunakan berasal dari generator AC. Berdasarkan data yang telah didapatkan, pada penguat non-inverting dapat dilihat hasil tegangan maupun sinyal input dan output tidak terjadi pembalikan artinya setelah nilai inputan dikuatkan dari tegangan positif menghasilkan tegangan positif pula. Penguat Op-Amp yang stabil juga dibuat dengan umpan balik negatif. Adapun data yang kami dapat sebagai berikut; Gain
Frekuensi
Vin max mV)
Vout max (V)
2
10 khz
0.6
1.2
2
100 hz
0.6
1.2
2
100khz
0.6
0.6
3
10 khz
0.6
1.8
3
100 hz
0.6
1.8
3
100khz
0.6
1.4
4
10 khz
0.6
1.96
4
100 hz
0.6
1.92
4
100khz
0.6
1.5
5
10 khz
0.6
2.34
5
100 hz
0.6
2.4
5
100khz
0.2
0.88
6
10 khz
0.6
2.54
6
100 hz
0.6
2.54
6
100khz
0.2
0.44
7
10 khz
0.6
2.54
7
100 hz
0.6
2.54
7
100khz
0.4
1.96
8
10 khz
0.2
0.34
8
100 hz
0.6
2.54
8
100khz
0.2
1.18
9
10 khz
0.6
2.54
9
100 hz
0.6
2.54
9
100khz
0.6
1.56
10
10 khz
0.4
2.54
Berdasarkan tabel data yang kami peroleh dapat dilihat bahwa penguatan non inverting yang terjadi tidak semuanya mengalami penguatan yang sempurna atau persis dengan perhitungan berdasarkan teori. Padahal karakteristik penguatan non inverting pada op amp adalah menguatkan tegangan input, jika ditinjau dari rangkaian ketika melakukan penguatan non invering maka tegangan input dihubungkan dengan pin non inverting pada op amp, dan pin inverting di groundkan. Dan yang perlu diperhatikan agar penguatan yang terjadi pada op amp maksimal maka tegangan yang diberikan pada pin (Vcc + dan Vcc-) harus diperhitungkan secara teliti agar penguatan yang terjadi maksimal, dikarenakan Vcc (+ dan -) merupakan batas atau range penguatan, jika penguatan yang terjadi melebihi batas tegangan Vcc maka yang terjadi yakni pelemahan pada sinyal keluaran dan tegangan keluaran. Adapun faktor lain yang mempengaruhi penguatan pada op amp yaitu pengaturan resistor feedback (Rf), pengaturan nilai Rf tidak boleh dilakukan ketika masih tersambung pada rangkaian meskipun tanpa ada tegangan yang mengalir, karena akan mengganggu nilai Rf untuk penguatan, dan pada percobaan ini kami melakukan hal tersebut sehingga hasil penguatan seperti pada tabel kurang maksimal atau tidak sesuai dengan hasil perhitungan teori.
JURNAL FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI Adapaun pengaruh frekuensi yang diberikan terhadap rangkaian penguatan non inverting yaitu, semakin besar frekuensi pada rangkaian non inverting,maka nilai tegangan keluaran (Vout) hasil penguatan menjadi semakin kecil, hal ini dikarenakan parameter op amp LM 741 memiliki unity-gain frequency sebesar 1 MHz. B. Op Amp sebagai penguat Inverting Disebut penguat inverting karena setiap saat polaritas keluaran selalu berlawanan dengan polaritas masukannya. Ketika diberi tegangan masukan (+) maka tegangan keluaran bernilai (-).Tanda (-) memperlihatkan bahwa polaritas Vo berkebalikan dengan Vin. Adapun data yang kami dapat dari percobaan rangkaian inverting sebagai berikut;
10
10 kHz
10
100 kHz
0.24
-2.4
10
100 hz
0.368
-3.80
9
10 kHz
0.24
-3.82
9
100 kHz
0.344
-3.08
9
100 hz
0.48
-1.6
8
10 kHz
0.24
-1.920
8
100 kHz
0.24
-1.880
8
100 hz
0.24
-1.920
7
10 kHz
0.24
-1.920
7
100 kHz
7
100 hz
0.2 0.232
-1.480 -1.640
6
10 kHz
0.24
-1.440
6
100 kHz
0.28
-1.240
6
100 hz
0.232
-1.440
5
10 kHz
0.24
-1.240
5
100 kHz
0.254
-1.660
5
100 hz
0.24
-1.2
4
10 kHz
0.232
-1
4
100 kHz
0.256
-0.96
4
100 hz
0.232
-1.04
IV. KESIMPULAN
3
10 kHz
0.248
-0.56
3
100 kHz
0.248
-0.76
3
100 hz
0.224
-0.76
2
10 kHz
0.248
0.56
2
100 kHz
0.248
0.56
2
100 hz
0.248
0.56
1
10 kHz
0.24
0.32
1
100 kHz
0.24
0.32
Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan maka dapat diambil kesimpulan bahwa karakteristik penguatan inverting yaitu bentuk sinyal keluarannya terbalik dengan sinyal input namun amplitudonya besar sedangkan karakteristik penguatan non inverting yaitu penguatannya dapat diketahui dengan bertambah tingginya amplitudo dan bentuk sinyalnya sama seperti sinyal awal. Pengaruh frekuensi yaitu semakin besar frekuensi yang diberikan pada rangkaian op amp meliputi inverting dan non inverting menyebabkan respon penguatan melemah atau kurang maksimal.
100 hz
Vout max (V) -3.6
mengalami penguatan yang sempurna atau persis dengan perhitungan berdasarkan teori. Padahal karakteristik penguatan inverting pada op amp adalah menguatkan tegangan input namun pembalik artinya penguatan yang terjadi natinya memiliki nilai tegangan output yang negatif atau berbeda dengan bentuk sinyal tegangan input, jika ditinjau dari rangkaian ketika melakukan penguatan invering maka tegangan input dihubungkan dengan pin inverting pada op amp, dan pin non inverting di groundkan. Penguatan yang tidak sempurna atau tidak semuanya sesuai dengan perhitungan teori dikarenakan faktor pengaturan nilai resistor feedback (Rf), dikarenakan saat pengukuran (Rf) yang befungsi sebagai variasi penguatan, pengukuran dilakukan dalam kondisi Rf masih terhubung dengan rangkaian meskipun tanpa tegangan yang mengalir. Pada tabel diatas dapat dilihat bahwa semakin besar frekuensi yang diberikan pada rangkaian penguat inverting maka penguatan yang terjadi mengalami pelemahan atau penguatan yang tak maksimal. . Response penguatan op-amp melemah seiring dengan menaiknya frekuensi sinyal input.
Vin max mV) 0.36
Gain
Frekuensi
4
1 0.24 0.32 Berdasarkan tabel data yang kami peroleh dapat dilihat bahwa penguatan inverting yang terjadi tidak semuanya
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada asisten Fisika
JURNAL FISIKA LABORATORIUM INSTRUMENTASI Laboraturium yang telah membimbing kami selama praktikum berlangsung dan juga penulis mengucapkan terima kasih kepada teman- teman sekelompok praktikum atas kerjasama dalam melakukan percobaan seperti pengambilan data. DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3]
Candra, Robby. 2005. Operational Amplifiers. Jakarta: Universitas Gunadharma Mancini, R., ed., Op Amps for Everyone,Oxford : Newnes, 2003 Sutikno, Lina. H. 2000. Teori Aplikasi Op Amp. Jakarta: Universitas Mercubuana
5
