Fig. 10. 61

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Problem

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

 

1. Pendahuluan (kembali)

Operational amplifier (op-amp) adalah komponen elektronik penting yang berfungsi sebagai penguat tegangan dengan penguatan sangat tinggi. Op-amp digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi, seperti penguat sinyal, filter, osilator, komparator, dan rangkaian matematika seperti penjumlahan, pengurangan, integrasi, dan diferensiasi.
    Karakteristik ideal op-amp meliputi penguatan tegangan tak terbatas, impedansi masukan sangat besar, dan impedansi keluaran mendekati nol. Dengan keunggulan ini, op-amp menjadi komponen dasar dalam perancangan berbagai sistem elektronika analog.

 Multistage op-amp circuit adalah rangkaian yang menggabungkan beberapa tahapan penguat op-amp secara berurutan untuk memperoleh penguatan lebih besar atau fungsi tertentu yang kompleks. Setiap tahap dirancang dengan karakteristik khusus, seperti penguatan, filter, atau pengolahan sinyal, sehingga menghasilkan sistem yang lebih fleksibel dan presisi.
    Penggunaan multistage op-amp umum ditemukan dalam instrumen pengukuran, sistem komunikasi, dan pengolahan sinyal analog. Dengan mengoptimalkan tiap tahapan, multistage op-amp dapat meningkatkan performa keseluruhan sistem, baik dari segi gain, bandwidth, maupun kestabilan. 

2. Tujuan (kembali)

1. Memahami prinsip dasar kerja operational amplifier (op-amp).
2. Menganalisis cara kerja op-amp integrator dan konsep integrasi sinyal.
3. Mengetahui pengaruh komponen (resistor, kapasitor) terhadap output integrator.
4. Memahami konsep dasar multistage amplifier dan manfaatnya dalam peningkatan gain.
5. Mempelajari interaksi antar tahap op-amp dalam satu rangkaian.

3. Alat dan Bahan (kembali)

Alat

• Voltage Pulse generator

 

• Voltage probe

 

Bahan

• Baterai

 

• Op-amp LM741

 

• Resistor

 

• Kapasitor

 

• Ground (koneksi ground)

4. Dasar Teori (kembali)

 Multistage Op-Amp Circuit

Multistage op-amp circuit adalah rangkaian penguat operasional yang terdiri dari beberapa tahap (stage) penguatan yang disusun secara berurutan. Setiap tahap op-amp berfungsi memperkuat sinyal atau memberikan fungsi tertentu (seperti filtering, buffering, atau konversi level). Dengan menggabungkan beberapa tahap, diperoleh penguatan total yang lebih besar, atau performa rangkaian yang lebih kompleks dan sesuai kebutuhan desain.

Penguatan total dari multistage amplifier diperoleh dengan mengalikan penguatan masing-masing tahap:

$$A_{total}=A_1\times A_2\times A_3\times \cdots \times A_n$$

di mana $A_n$ adalah penguatan pada tahap ke-n.

Keuntungan penggunaan multistage op-amp antara lain:

• Meningkatkan total gain tanpa membebani satu tahap op-amp,

• Memungkinkan penggunaan fungsi tambahan pada setiap tahap,

• Memperbaiki impedansi input dan output.

Namun, penggunaan multistage amplifier juga memerlukan perhatian terhadap stabilitas, bandwidth, noise, dan interaksi antar tahap. Oleh karena itu, desain multistage op-amp perlu mempertimbangkan distribusi gain, kompensasi frekuensi, dan isolasi antar tahap untuk menghasilkan performa yang optimal.

5. Prinsip Kerja [kembali]

Sinyal input sebesar 200 mV pertama kali masuk ke op-amp tahap pertama (U1) yang dikonfigurasi sebagai voltage follower atau buffer. Tahap ini tidak mengubah nilai tegangan, melainkan hanya berfungsi untuk mengisolasi sumber sinyal dari beban berikutnya agar tidak terjadi loading, sehingga output tahap ini tetap sebesar 200 mV. Selanjutnya, sinyal ini dibagi ke dua jalur. Jalur pertama menuju op-amp kedua (U2) yang dikonfigurasi sebagai inverting amplifier dengan resistor input 20 kΩ dan resistor umpan balik 200 kΩ. Dengan konfigurasi ini, penguatan sebesar -10 akan membalik dan memperkuat sinyal, sehingga output menjadi -2 V. Sementara itu, jalur kedua membawa sinyal 200 mV ke tahap ketiga (U3) yang merupakan non-inverting amplifier dengan penguatan sebesar 21, menggunakan resistor 10 kΩ dan 200 kΩ. Hasilnya, output dari tahap ini menjadi 4.2 V karena sinyal tidak dibalik.

6. Problem [kembali]

Problem pada Multistage Op-Amp Circuit

• Akumulasi Noise dan Offset Setiap tahap penguat menambahkan noise dan offset, sehingga semakin banyak tahap, semakin besar noise total. Solusi: Menggunakan op-amp low noise dan mendesain gain distribution secara optimal.
• Keterbatasan Bandwidth (Bandwidth Limitation) Total bandwidth multistage amplifier berkurang karena efek penguatan berantai dan hubungan gain-bandwidth product. Solusi: Memilih op-amp dengan GBW(gain-bandwidth product) lebih besar atau membatasi gain tiap tahap.
• Stabilitas dan Oscillation Semakin banyak tahap, semakin rentan terhadap osilasi atau ketidakstabilan akibat fase delay kumulatif. Solusi: Penambahan kompensasi frekuensi atau buffer antar tahap.
• Interaksi Impedansi Antar Tahap Impedansi output dari satu tahap bisa mempengaruhi impedansi input tahap berikutnya jika tidak di-buffer. Solusi: Menambahkan buffer atau memilih konfigurasi dengan impedansi sesuai.
• Distorsi Sinyal Distorsi non-linear bisa meningkat pada multistage amplifier jika tidak dirancang dengan linearitas tinggi. Solusi: Memilih op-amp dengan THD (total harmonic distortion) rendah dan mendesain dalam area linear.

7. Soal Latihan [kembali]               

1. Sebuah rangkaian terdiri dari dua op-amp yang disusun secara berurutan sebagai inverting amplifier.

• Tahap 1: $R_1 = 1\,\text{k}\Omega$, $R_f = 10\,\text{k}\Omega$
  

• Tahap 2: $R_1 = 2\,\text{k}\Omega$, $R_f=4\text{k}\mathrm{\Omega }$

• Tegangan input: $V_{in} = 0.5\,\text{V}$
  

Berapakah tegangan output akhir $V_{out}$?

Jawaban:

Tahap 1:

$$A_1 = -\frac{R_f}{R_1} = -\frac{10}{1} = -10 \Rightarrow V_{out1} = -10 \cdot 0.5 = -5\,\text{V}$$

Tahap 2:

$$A_2 = -\frac{4}{2} = -2 \Rightarrow V_{out2} = -2 \cdot (-5) = +10\,\text{V}$$ $$\boxed{V_{out} = +10\,\text{V}}$$

2. Sebuah rangkaian op-amp dua tahap terdiri dari:

• Tahap 1 (Inverting): $R_1 = 2\,\text{k}\Omega$, $R_f = 6\,\text{k}\Omega$
  

• Tahap 2 (Non-inverting): $R_1 = 1\,\text{k}\Omega$, $R_f = 9\,\text{k}\Omega$
  

• Input: $V_{in} = 1\,\text{V}$
  

Hitung output akhir $V_{out}$

Jawaban:

Tahap 1:

$$A_1 = -\frac{6}{2} = -3 \Rightarrow V_{out1} = -3 \cdot 1 = -3\,\text{V}$$

Tahap 2 (non-inverting):

$$A_2 = 1 + \frac{R_f}{R_1} = 1 + \frac{9}{1} = 10 \Rightarrow V_{out2} = 10 \cdot (-3) = -30\,\text{V}$$ $$\boxed{V_{out} = -30\,\text{V}}$$

3. Rangkaian dua tahap:

• Tahap 1 (Non-inverting): $R_1 = 1\,\text{k}\Omega$, $R_f = 3\,\text{k}\Omega$

• Tahap 2 (Inverting): $R_1 = 2\,\text{k}\Omega$, $R_f = 4\,\text{k}\Omega$

• Input: $V_{in} = 0.2\,\text{V}$

Tentukan output akhir.

Jawaban:

Tahap 1:

$$A_1 = 1 + \frac{3}{1} = 4 \Rightarrow V_{out1} = 4 \cdot 0.2 = 0.8\,\text{V}$$

Tahap 2:

$$A_2 = -\frac{4}{2} = -2 \Rightarrow V_{out2} = -2 \cdot 0.8 = -1.6\,\text{V}$$ $$\boxed{V_{out} = -1.6\,\text{V}}$$

                                                                                                                    

8. Percobaan [kembali]

Video Simulasi

9. Download File [kembali]

Download Rangkaian [disini]

Datasheet op-amp [disini]

Datasheet resistor [disini]

Datasheet baterai [disini]