Penguat operasional ( Opertional Amplifier / Op – AMP ) merupakan suatu penguat berperolehan tinggi dikopel-langsung, kemana umpan balik ditambahkan untuk mengendalikan karakteristik tanggapan keseluruhannya. Op-AMP digunakan untuk membentuk fungsi linier (maupun tak linier)yang bermacam-macam yang disebut sebagai rangkaian terpadu linier-dasar (analog).
Keuntungan dari rangkaian terpadu monolitik yaitu :
1. Ukuran kecil
2. Keandalan tinggi
3. Harga lebih murah
4. Kebal temperatur
5. Tegangan serta arus penggantinya (Offset)yang rendah
Penguat Operasional Dasar
Penguat operasional mempunyai masukkan diferensial, dengan tegangan V1 dan V2 yang diberikan berturut-turut pada terminal pembalik(inverting) dan terminal bukan pembalik(noninverting). Perolehan antara V0 dan V1 positif(bukan kebalikan, noninverting)sedangkan antara V0 dan V2 negatif(kebalikan, inverting).
Penguat Operasional ideal
Penguat operasional yang ideal memiliki sifat-sifat :
1. Resistansi masukan Ri = ~
2. Resistansi keluaran R0 = 0
3. Perolehan tegangan Av = -~
4. Lebar-pita = ~
5. V0 = 0 kalau V1 = V2tidak tergantung pada besarnya V1
6. Karakteristiknya tidak tergantung pada temperatur
2.1.1. Penguatan Tegangan Lingkar Terbuka
Penguatan tegangan lingkar terbuka (open loop voltage gain) adalah penguatan diferensial Op Amp pada kondisi dimana tidak terdapat umpan balik (feedback). Secara ideal, penguatan tegangan lingkar terbuka adalah:
AVOL = Vo / Vid = - ¥
AVOL = Vo/(V1-V2) = - ¥
Tanda negatif menandakan bahwa tegangan keluaran VO berbeda fasa dengan tegangan masukan Vid. Konsep tentang penguatan tegangan tak berhingga tersebut sukar untuk divisualisasikan dan tidak mungkin untuk diwujudkan. Suatu hal yang perlu untuk dimengerti adalah bahwa tegangan keluaran VO jauh lebih besar daripada tegangan masukan Vid. Dalam kondisi praktis, harga AVOL adalah antara 5000 (sekitar 74 dB) hingga 100000 (sekitar 100 dB).
Tetapi dalam penerapannya tegangan keluaran VO tidak lebih dari tegangan catu yang diberikan pada Op Amp. Karena itu Op Amp baik digunakan untuk menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil.
Tegangan Offset Keluaran
Tegangan offset keluaran (output offset voltage) VOO adalah harga tegangan keluaran dari Op Amp terhadap tanah (ground) pada kondisi tegangan masukan Vid = 0. Secara ideal, harga VOO = 0 V. Op Amp yang dapat memenuhi harga tersebut disebut sebagai Op Amp dengan CMR (common mode rejection) ideal.
Tetapi dalam kondisi praktis, akibat adanya ketidakseimbangan dan ketidakidentikan dalam penguat diferensial dalam Op Amp tersebut, maka tegangan ofset VOO biasanya berharga sedikit di atas 0 V. Apalagi apabila tidak digunakan umpan balik maka harga VOO akan menjadi cukup besar untuk menimbulkan saturasi pada keluaran. Untuk mengatasi hal ini, maka perlu diterapakan tegangan koreksi pada Op Amp. Hal ini dilakukan agar pada saat tegangan masukan Vid = 0, tegangan keluaran VO juga = 0. Apabila hal ini tercapai,
Hambatan Masukan
Hambatan masukan (input resistance) Ri dari Op Amp adalah besar hambatan di antara kedua masukan Op Amp. Secara ideal hambatan masukan Op Amp adalah tak berhingga. Tetapi dalam kondisi praktis, harga hambatan masukan Op Amp adalah antara 5 kW hingga 20 MW, tergantung pada tipe Op Amp. Harga ini biasanya diukur pada kondisi Op Amp tanpa umpan balik. Apabila suatu umpan balik negatif (negative feedback) diterapkan pada Op Amp, maka hambatan masukan Op Amp akan meningkat.
Dalam suatu penguat, hambatan masukan yang besar adalah suatu hal yang diharapkan. Semakin besar hambatan masukan suatu penguat, semakin baik penguat tersebut dalam menguatkan sinyal yang amplitudonya sangat kecil. Dengan hambatan masukan yang besar, maka sumber sinyal masukan tidak terbebani terlalu besar.
Hambatan Keluaran
Hambatan Keluaran (output resistance) RO dari Op Amp adalah besarnya hambatan dalam yang timbul pada saat Op Amp bekerja sebagai pembangkit sinyal. Secara ideal harga hambatan keluaran RO Op Amp adalah = 0. Apabula hal ini tercapai, maka seluruh tegangan keluaran Op Amp akan timbul pada beban keluaran (RL), sehingga dalam suatu penguat, hambatan keluaran yang kecil sangat diharapkan.
Dalam kondisi praktis harga hambatan keluaran Op Amp adalah antara beberapa ohm hingga ratusan ohm pada kondisi tanpa umpan balik. Dengan diterapkannya umpan balik, maka harga hambatan keluaran akan menurun hingga mendekati kondisi ideal.
Lebar Pita
Lebar pita (band width) BW dari Op Amp adalah lebar frekuensi tertentu dimana tegangan keluaran tidak jatuh lebih dari 0,707 dari harga tegangan maksimum pada saat amplitudo tegangan masukan konstan. Secara ideal, Op Amp memiliki lebar pita yang tak terhingga. Tetapi dalam penerapannya, hal ini jauh dari kenyataan.
Sebagian besar Op Amp serba guan memiliki lebar pita hingga 1 MHz dan biasanya diterapkan pada sinyal dengan frekuensi beberapa kiloHertz. Tetapi ada juga Op Amp yang khusus dirancang untuk bekerja pada frekuensi beberapa MegaHertz. Op Amp jenis ini juga harus didukung komponen eksternal yang dapat mengkompensasi frekuensi tinggi agar dapat bekerja dengan baik.
Waktu Tanggapan
Waktu tanggapan (respon time) dari Op Amp adalah waktu yang diperlukan oleh keluaran untuk berubah setelah masukan berubah. Secara ideal harga waktu respon Op Amp adalah = 0 detik, yaitu keluaran harus berubah langsung pada saat masukan berubah.
Tetapi dalam prakteknya, waktu tanggapan dari Op Amp memang cepat tetapi tidak langsung berubah sesuai masukan. Waktu tanggapan Op Amp umumnya adalah beberapa mikro detik hal ini disebut juga slew rate. Perubahan keluaran yang hanya beberapa mikrodetik setelah perubahan masukan tersebut umumnya disertai denganoveshoot yaitu lonjakan yang melebihi kondisi steady state. Tetapi pada penerapan biasa, hal ini dapat diabaikan.
Karakteristik Terhadap Suhu
Sebagai mana diketahui, suatu bahan semikonduktor yang akan berubah karakteristiknya apabila terjadi perubahan suhu yang cukup besar. Pada Op Amp yang ideal, karakteristiknya tidak berubah terhadap perubahan suhu. Tetapi dalam prakteknya, karakteristik sebuah Op Amp pada umumnya sedikit berubah, walaupun pada penerapan biasa, perubahan tersebut dapat diabaikan.
Implementasi Penguat Operasional
Rangkaian yang akan dijelaskan dan dianalisa dalam tulisan ini akan menggunakan penguat operasional yang bekerja sebagai komparator dan sekaligus bekerja sebagai penguat. Berikut ini adalah konfigurasi Op Amp yang bekerja sebagai penguat:
Penguat Diferensial
Fungsi dari sebuah penguat diferensial(DIFF-AMP) digunakan untuk memperkuat perbedaan antar 2 sinyal. DIFF-AMP yang ideal, dengan dua sinyal masukan V1, V2 dan satu sinyal keluaran V0, yang masing-masing diukur terhadap bumi, sinyal keluaran V0 seharusnya diberikan oleh :
V0= Ad(V1- V2)
Dimana Ad adalah perolehan dari penguat diferensial.
741 mempunyai beberapa versi, yaitu 741, 741A, 741C, 741E, 741N, dan lainnya. Versi ini berbeda dalam tegangan, jangkauan suhu, tingkat derau dan karakteristik lainnya.
Penggunaan Op-AMP lainnya
1.Pengubah AC/DC (penyearah, detector puncak, pembatas, penjepit)
2.Multiplexer dan Demultiplexer Analog
3.Penguat logaritma dan eksponensial
4.Pengubah digital ke analog (D/A converter)
5.Pengubah analog ke digital (A/D converter)
6.Pembanding (comparator)
7.Pemicu Schimitt(Schimitt Trigger)
8.Pengubahan dan pembangunan bentuk gelombang
