Sub 10.6 (fig 10.44, fig 10.45, fig 10.46)

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

6. Problem

1. Pendahuluan (kembali)

Penguat operasional (Operational Amplifier atau op-amp) adalah salah satu blok bangunan dasar dalam sistem elektronika analog. Komponen ini banyak digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti penguat sinyal, filter analog, osilator, rangkaian kontrol, serta sistem pengukuran dan instrumentasi. Kemampuannya untuk memberikan penguatan tegangan yang sangat besar, serta fleksibilitas dalam konfigurasi rangkaian, menjadikan op-amp sangat penting dalam dunia teknik elektro dan elektronika.

Secara ideal, op-amp memiliki karakteristik sempurna seperti penguatan terbuka (open-loop gain) tak hingga, impedansi input tak hingga, dan impedansi output nol. Namun, pada kenyataannya, karakteristik op-amp nyata dipengaruhi oleh berbagai parameter non-ideal. Parameter-parameter ini dicantumkan dalam lembar data (datasheet) untuk memberikan gambaran mengenai performa aktual dari komponen tersebut dalam lingkungan aplikasi nyata. Salah satu parameter penting yang sering kali luput dari perhatian, namun memiliki dampak besar terutama dalam aplikasi presisi tinggi, adalah DC offset atau lebih spesifik lagi, input offset voltage.

Input offset voltage didefinisikan sebagai tegangan diferensial kecil yang harus diterapkan antara terminal input non-inverting dan inverting agar tegangan output dari op-amp menjadi nol. Dengan kata lain, meskipun secara ideal kedua input op-amp diharapkan menghasilkan output nol saat diberi tegangan yang sama, dalam kenyataannya, perbedaan kecil akan tetap menghasilkan output yang tidak nol. Hal ini disebabkan oleh ketidaksempurnaan internal dalam struktur op-amp, seperti perbedaan nilai resistor internal, ketidakseimbangan transistor input, dan efek termal.

Keberadaan offset voltage ini menjadi sangat penting untuk diperhatikan, khususnya dalam rangkaian-rangkaian yang menangani sinyal dengan amplitudo sangat kecil, seperti sensor analog, penguat diferensial, atau sistem akuisisi data. Jika offset voltage tidak dikompensasi atau dikoreksi, maka akan terjadi penyimpangan nilai output yang menyebabkan kesalahan dalam pengukuran dan pemrosesan sinyal.

Dalam praktiknya, input offset voltage biasanya bernilai beberapa mikrovolt hingga milivolt, tergantung pada tipe dan kualitas op-amp yang digunakan. Beberapa op-amp presisi tinggi bahkan dirancang khusus untuk meminimalkan nilai offset ini. Selain itu, produsen op-amp biasanya menyertakan parameter lain yang berkaitan dengan offset, seperti input offset current dan drift terhadap suhu, untuk memberikan gambaran menyeluruh mengenai kestabilan parameter ini dalam berbagai kondisi lingkungan.

2. Tujuan (kembali)

Menjelaskan pengertian dan prinsip kerja parameter input offset voltage pada op-amp, termasuk penyebab utama timbulnya offset dalam sistem internal op-amp.
Mengidentifikasi dan menganalisis dampak DC offset terhadap kinerja sistem, khususnya pada aplikasi yang memerlukan presisi tinggi seperti penguat sinyal kecil dan sistem pengukuran.
Melakukan pengukuran nilai input offset voltage dari op-amp melalui percobaan laboratorium menggunakan metode dan peralatan yang sesuai.
Membandingkan nilai teoritis dan eksperimental dari input offset voltage serta mengevaluasi perbedaan yang terjadi dalam konteks toleransi komponen dan kondisi lingkungan.
Mempelajari teknik-teknik kompensasi dan koreksi offset voltage, baik secara pasif maupun aktif, yang dapat diterapkan dalam perancangan rangkaian elektronika untuk meningkatkan akurasi dan stabilitas sistem.

3. Alat dan Bahan (kembali)

Fig 10.44

Mengurangi pengaruh arus bias input (Ib) pada op-amp.
Meminimalkan tegangan offset pada keluaran (Vo).
Menjaga kestabilan dan akurasi penguatan sinyal.
Memahami peran resistor , , dan dalam kompensasi arus bias.

Fig 10.45

1. IC Op-Amp — OPA2134UA

2. Resistor

R1 (nilai sesuai skema, biasanya 10 kΩ)
Rf (resistor feedback, biasanya 10 kΩ)
Rc (resistor kompensasi, biasanya 10 kΩ)

3. Sumber tegangan (BAT1, BAT2) — digunakan sebagai input sinyal

4. Ground (GND) — untuk sambungan referensi ground

5. Sumber daya suplai op-amp (biasanya ±15 V, sesuai spesifikasi IC)

6. Wire (kabel penghubung virtual di Proteus)

7. Virtual instrument (opsional) — seperti oscilloscope atau voltmeter untuk melihat keluaran Vo

Fig 10.46

1. Software Proteus (versi sesuai yang digunakan, misalnya Proteus 8 atau Proteus 8 Professional)

2. Op-amp IC: Model 4136

3. Resistor:

R1 = 5 kΩ
R2 = 500 kΩ
R3 = 5 kΩ

4. DC Power Supply: ±15 V (dual supply untuk op-amp)

5. Voltage Source (untuk input Vi)

6. Ground (GND): Sebagai referensi potensial

7. Voltmeter / Probe: Untuk mengukur tegangan keluaran Vo

4.Dasar Teeori (kembali)

Fig 10.44

Rangkaian ini menggunakan op-amp untuk membangun penguat dengan mempertimbangkan pengaruh arus bias input (IB) pada kedua terminal inputnya. Dalam simulasi Proteus, rangkaian dilengkapi resistor Rf (umpan balik), R1 (input), dan Rc (kompensasi) yang berfungsi menjaga keseimbangan impedansi antara terminal inverting dan non-inverting.

Arus bias input op-amp bisa menghasilkan tegangan offset pada keluaran jika tidak diimbangi dengan benar. Oleh karena itu, dipasang Rc dengan nilai Rc=R1||Rf untuk mengimbangi efek arus bias di jalur non-inverting, sehingga tegangan offset dapat dikurangi secara signifikan.

Dengan demikian, rangkaian ini bekerja sebagai penguat yang lebih presisi dalam simulasi, memungkinkan analisis pengaruh arus bias dan efektivitas kompensasi resistor secara praktis.

Fig10.45

Rangkaian ini menggunakan op-amp OPA2134 dengan konfigurasi penguat balik (feedback) untuk memperkuat sinyal input. Dalam praktiknya, setiap op-amp memiliki arus bias input (IB) yang mengalir ke terminal inverting (–) dan non-inverting (+). Arus bias ini dapat menyebabkan tegangan offset pada keluaran (Vo) jika tidak diimbangi dengan baik.

Untuk mengatasi masalah ini, dipasang resistor kompensasi Rc pada jalur input non-inverting. Nilai Rc biasanya dipilih agar sama dengan resistansi ekivalen di jalur inverting (R1||Rf) sehingga tegangan akibat arus bias di kedua jalur seimbang, dan tegangan offset di keluaran dapat diminimalkan. Dengan begitu, rangkaian tetap bekerja dengan akurat dan stabil meskipun ada pengaruh arus bias.

Rangkaian op-amp ini bekerja dengan menyeimbangkan arus bias input di kedua terminal menggunakan resistor kompensasi Rc . Dengan memilih Rc=R1||Rf , tegangan offset akibat arus bias dapat dikurangi, sehingga keluaran tetap akurat dan stabil.

Fig 10.46

Penguat operasional (op-amp) adalah komponen elektronik aktif yang berfungsi sebagai penguat tegangan dengan penguatan (gain) sangat besar. Dalam penerapannya, op-amp sering digunakan dengan konfigurasi umpan balik negatif agar berperilaku linear dan stabil. Salah satu konfigurasi yang sering dipelajari adalah rangkaian penguat tertutup dengan resistor pembalik (feedback), yang memungkinkan pengendalian besar penguatan rangkaian melalui rasio resistor eksternal.

Namun, pada kenyataannya, op-amp tidak ideal. Dua parameter non-ideal penting yang memengaruhi performa adalah:

Tegangan offset input (VIO): Tegangan kecil yang harus diterapkan antara terminal input (+) dan (–) agar output menjadi nol. Ini muncul akibat ketidakseimbangan internal dalam rangkaian diferensial op-amp.
Arus offset input (IIO): Selisih rata-rata arus bias input antara kedua terminal input. Arus ini menyebabkan tegangan jatuh pada resistor input, yang akhirnya menambah kesalahan pada output.

Total tegangan offset pada output (Vo(offset)) dihitung dengan mempertimbangkan kontribusi dari tegangan offset input dan arus offset input yang diperkuat oleh faktor penguatan rangkaian. Nilai ini penting dianalisis, terutama pada aplikasi penguat presisi atau sensor, karena kesalahan kecil di input dapat menghasilkan deviasi signifikan pada output.

Melalui simulasi di Proteus, pengaruh kedua faktor non-ideal ini dapat diamati dan dianalisis secara praktis, sehingga membantu memahami performa nyata dari rangkaian op-amp.

5.Prinsip Kerja (kembali)

Pengukuran dan analisis parameter DC offset atau lebih tepatnya input offset voltage pada op-amp didasarkan pada prinsip bahwa op-amp ideal seharusnya menghasilkan tegangan output nol ketika kedua terminal input-nya (non-inverting dan inverting) diberi tegangan yang sama, atau ketika keduanya dihubungkan ke ground. Namun, pada op-amp nyata, karena ketidakseimbangan internal seperti perbedaan karakteristik transistor input dan ketidaksempurnaan dalam fabrikasi, dibutuhkan tegangan diferensial kecil di antara kedua input agar output benar-benar nol. Tegangan ini disebut sebagai input offset voltage (Vos).

Dalam simulasi ini, prinsip kerja rangkaian pengukuran offset dirancang dengan menghubungkan kedua input op-amp ke ground (0 V) atau menghubungkan satu input ke ground dan yang lainnya ke konfigurasi umpan balik, seperti dalam konfigurasi penguat non-inverting dengan penguatan besar. Karena input idealnya sama dan tidak ada sinyal yang masuk, setiap tegangan output yang muncul sepenuhnya disebabkan oleh input offset.

Jika digunakan konfigurasi penguat dengan penguatan besar (gain tinggi), maka tegangan offset yang sangat kecil (dalam orde mikrovolt) akan diperkuat sehingga dapat terukur pada output. Misalnya, jika penguatan rangkaian adalah 100 kali dan output menunjukkan 10 mV, maka nilai input offset voltage-nya adalah sekitar 100 μV. Hal ini memudahkan pengukuran offset secara tidak langsung melalui output op-amp.

Prinsip kerja ini bertumpu pada rumus dasar penguatan non-inverting op-amp:

$V_{\text{out}} = (1 + \frac{R_f}{R_{in}}) \cdot V_{\text{in}}$

Jika $V_{\text{in}}$ adalah offset voltage dan $V_{\text{out}}$ dapat diukur, maka nilai offset dapat dihitung dengan membalikkan rumus di atas. Dengan asumsi tidak ada input eksternal lain, semua tegangan output yang terdeteksi merupakan hasil dari offset internal op-amp.

Dengan menggunakan pendekatan ini, pengukuran offset menjadi lebih akurat dan mudah dilakukan dalam simulasi maupun implementasi nyata. Hasilnya juga dapat digunakan untuk membandingkan karakteristik antar jenis op-amp atau mengevaluasi performa op-amp dalam aplikasi presisi tinggi.

6. Problem (kembali)

Problem 1

Soal:
Sebuah op-amp memiliki arus bias input rata-rata $I_B = 50 \, \text{nA}$ . Rangkaian konfigurasi inverting menggunakan $R_1 = 100 \, \text{k}\Omega$ dan $R_f = 100 \, \text{k}\Omega$ .
a) Berapakah nilai resistor koreksi $R_{comp}$ yang harus dipasang di input non-inverting untuk mengimbangi tegangan offset akibat arus bias?
b) Mengapa resistor ini diperlukan?

Jawaban:
a) Resistor kompensasi harus bernilai sama dengan resistansi ekuivalen yang "terlihat" dari input inverting:
$R_{comp} = R_1 \parallel R_f = \frac{R_1 \cdot R_f}{R_1 + R_f} = \frac{100k \cdot 100k}{100k + 100k} = \frac{10^7}{2 \cdot 10^5} = 50 \, \text{k}\Omega$
b) Resistor ini mengimbangi tegangan offset yang timbul akibat arus bias $I_B$ yang mengalir melalui resistansi di masing-masing input. Tanpa ini, tegangan offset akan mengganggu akurasi output.

Problem 2

Soal:
Sebuah rangkaian op-amp menggunakan konfigurasi inverting dengan komponen berikut:

Input $V_{in} = 0.5 \, \text{V}$
Resistor input $R_{in} = 5 \, \text{k}\Omega$
Resistor umpan balik $R_f = 20 \, \text{k}\Omega$
Tegangan referensi pada terminal non-inverting dihubungkan ke ground (0 V)
Op-amp dianggap ideal

Hitung tegangan output $V_{out}$ dari rangkaian tersebut. Jelaskan apakah output bersifat inverting atau non-inverting.

Jawaban:

Diketahui bahwa ini adalah konfigurasi inverting amplifier, sehingga:

V_{out} = -\left( \frac{R_f}{R_{in}} \right) \cdot V_{in} = -\left( \frac{20\,k}{5\,k} \right) \cdot 0.5\,V = -4 \cdot 0.5 = -2.0 \, \text{V}

Kesimpulan:
Tegangan output adalah $-2.0 \, \text{V}$ , artinya output berlawanan fasa (inversi) terhadap input, sesuai karakteristik penguat inverting.

Problem 3

Soal:
Sebuah mahasiswa menggambar rangkaian op-amp sebagai penguat inverting. Namun, dia:

Tidak memberikan resistor umpan balik
Menghubungkan langsung input ke terminal inverting
Meninggalkan terminal non-inverting mengambang (floating)

Pertanyaan:
a) Sebutkan dua kesalahan utama dari desain rangkaian tersebut.
b) Apa konsekuensi dari membiarkan terminal non-inverting mengambang?

Jawaban:

Tidak adanya resistor umpan balik menyebabkan op-amp bekerja dalam open-loop mode, yang sangat sensitif dan bisa langsung ke saturasi.
Terminal non-inverting mengambang akan menyebabkan noise atau tegangan acak yang memperburuk kestabilan output.

b) Terminal non-inverting harus dikoneksikan ke ground atau tegangan referensi. Jika dibiarkan mengambang, maka op-amp bisa mengalami output tidak stabil, osilasi, atau jenuh karena tegangan acak di input positif.

7. Soal Latihan (kembali)