Fig. 10.60

[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.

    Op-amp integrator adalah salah satu aplikasi penting dari operational amplifier yang berfungsi untuk menghasilkan keluaran berupa integral dari sinyal masukan terhadap waktu. Rangkaian ini banyak digunakan dalam sistem kendali, pengolahan sinyal, dan rangkaian gelombang berbentuk linear.     Dengan menempatkan kapasitor di jalur umpan balik op-amp, integrator mampu mengubah sinyal input menjadi sinyal output yang terus terakumulasi seiring waktu. Karakteristik ini menjadikannya krusial dalam pembuatan rangkaian seperti pembangkit gelombang segitiga, filter rendah, dan detektor fase.

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)

1. Prinsip Kerja Op-Amp

Operational amplifier (op-amp) adalah komponen elektronik yang berfungsi sebagai penguat tegangan dengan penguatan sangat tinggi. Prinsip kerjanya didasarkan pada penguatan perbedaan tegangan antara input non-inverting (+) dan input inverting (−). Output op-amp akan berubah sedemikian rupa sehingga menjaga tegangan input inverting mendekati sama dengan tegangan input non-inverting (konsep virtual ground dalam kondisi umpan balik negatif).

Dalam penggunaan praktis, op-amp jarang digunakan tanpa umpan balik. Dengan menambahkan jaringan umpan balik eksternal (resistor, kapasitor), op-amp dapat dikonfigurasikan menjadi penguat inverting, non-inverting, pengikut tegangan, integrator, diferensiator, komparator, dan lain-lain.

2. Prinsip Kerja Integrator Op-Amp Circuit

Op-amp integrator adalah rangkaian penguat operasional yang menghasilkan output berupa integral dari sinyal input terhadap waktu. Rangkaian ini biasanya dibuat dengan meletakkan sebuah kapasitor pada jalur umpan balik (feedback) dari op-amp. Konfigurasi ini menyebabkan tegangan output berbanding terbalik dengan integral tegangan input.

Secara matematis, hubungan antara input dan output integrator ideal dinyatakan dengan:

$$V_{out}(t)=-\frac{1}{RC}\int V_{in}(t)dt+V_{out}(0)$$

di mana:

• $V_{out}(t)$ adalah tegangan keluaran,

• $V_{in}(t)$ adalah tegangan masukan,

• $R$ adalah resistansi input,

• $C$ adalah kapasitansi pada feedback.

Integrator op-amp banyak digunakan dalam pembuatan gelombang berbentuk linear (seperti sawtooth dan triangular wave), rangkaian filter low-pass, serta dalam sistem kontrol dan pengolahan sinyal. Namun, dalam praktiknya integrator ideal sulit dicapai karena adanya drift, offset, dan pembatasan frekuensi. Oleh karena itu, biasanya ditambahkan resistor paralel dengan kapasitor untuk mengatasi efek drift pada frekuensi rendah.

5. Prinsip Kerja [kembali]

Input rangkaian berupa tegangan DC sebesar 2V yang diberikan melalui resistor $R_1 = 10\,\text{k}\Omega$. Sinyal ini masuk ke input inverting (-) dari op-amp, sedangkan input non-inverting (+) dihubungkan ke ground. Sebuah kapasitor $C = 10\,\text{nF}$ dipasang antara output op-amp dan input inverting sebagai umpan balik, membentuk konfigurasi integrator.

Ketika tegangan DC sebesar 2V diberikan ke input, arus akan mengalir melalui R1 ke input inverting. Karena op-amp ideal menjaga tegangan pada kedua input-nya tetap sama dan arus masuk ke terminal op-amp adalah nol, maka seluruh arus yang masuk akan mengalir ke kapasitor C. Proses pengisian kapasitor ini menyebabkan tegangan pada output berubah secara linear terhadap waktu. Dalam hal ini, output akan turun (karena konfigurasi pembalik) dengan laju yang ditentukan oleh konstanta $-\frac{1}{RC}$, yang dalam perhitungan pada gambar menjadi $v_o(t) = -20000t$. Hasil integrasi ini tergambar pada osiloskop di sebelah kanan, yang menunjukkan penurunan tegangan output secara linear terhadap waktu, membentuk garis lurus menurun dari 0 ke -2V dalam waktu 2 ms. Ini sesuai dengan rumus $v_o(t) = -\frac{1}{RC} \int v_{in}(t) dt$, menunjukkan bahwa op-amp berhasil mengintegrasikan sinyal input konstan menjadi output yang berbentuk ramp (linear turun).

6. Problem [kembali]

1.Problem pada Op-Amp Integrator Circuit

• Drift Tegangan Output (Output Drift) Karena input offset voltage atau bias current, tegangan output integrator bisa terus meningkat (drift) meskipun input di-ground. Hal ini menyebabkan output menjenuh ke supply rail (tegangan maksimum atau minimum).
  Solusi: Menambahkan resistor paralel dengan kapasitor untuk membatasi penguatan DC dan mengurangi drift.
• Keterbatasan Bandwidth Integrator hanya bekerja optimal pada frekuensi tertentu. Pada frekuensi terlalu rendah,noise atau offset lebih dominan. Solusi: Mendesain cut-off frequency dengan hati-hati atau menggunakan filter tambahan.
• Kejenuhan Output (Output Saturation) Jika input diberikan terlalu lama atau terlalu besar, output akan mencapai tegangan jenuh (+Vcc atau –Vcc) dan tidak bisa mengikuti integral lagi. Solusi: Membatasi durasi atau amplitudo sinyal input.
• Noise Dominan pada Frekuensi Rendah Integrator cenderung menguatkan komponen noise pada frekuensi rendah. Solusi: Penambahan resistor paralel (menjadi integrator praktis) untuk mengurangi gain di frekuensi rendah.

7. Soal Latihan [kembali]                                                                                                             1. Sebuah rangkaian integrator op-amp memiliki komponen berikut:

• Resistor input $R = 10\,\text{k}\Omega$
  

• Kapasitor feedback $C = 0{,}1\,\mu\text{F}$
  

• Tegangan input DC $V_{in} = 1\,\text{V}$
  

Tentukan ekspresi output $V_{out}(t)$ terhadap waktu.

Jawaban:
Gunakan rumus:

$$V_{out}(t) = -\frac{1}{RC} \int V_{in}\,dt$$ $$V_{out}(t) = -\frac{1}{10 \times 10^3 \times 0{,}1 \times 10^{-6}} \int 1\,dt = -10^4\,t$$ $$\boxed{V_{out}(t) = -10000\,t\ \text{(dalam volt dan detik)}}$$

2. Jika pada suatu integrator op-amp,

$R = 100\,\text{k}\Omega$, $C = 1\,\text{nF}$ dan tegangan input berupa pulsa persegi setinggi 2V selama 1 ms, berapa tegangan output setelah 1 ms?

Jawaban:
Gunakan rumus:

$$V_{out}(t) = -\frac{1}{RC} \int V_{in}(t)\,dt$$

Karena pulsa konstan selama 1 ms:

$$V_{out} = -\frac{1}{100 \times 10^3 \times 1 \times 10^{-9}} \cdot (2 \cdot 1 \times 10^{-3}) = -\frac{1}{10^{-4}} \cdot 2 \times 10^{-3}$$ $$V_{out} = -10^4 \cdot 2 \times 10^{-3} = -20\,\text{V}$$ $$\boxed{V_{out} = -20\,\text{V setelah 1 ms}}$$

    

3. Sebuah integrator memiliki output

$V_{out}(t) = -5000t$. Jika nilai kapasitor adalah $C = 0{,}1\,\mu\text{F}$, berapa nilai resistor $R$? Input berupa tegangan DC sebesar 1V.

Jawaban:
Diketahui:

$$V_{out}(t) = -\frac{1}{RC} \int V_{in}\,dt = -\frac{V_{in}}{RC} t \Rightarrow \frac{V_{in}}{RC} = 5000$$ $$\frac{1}{R \cdot 0{,}1 \times 10^{-6}} = 5000 \Rightarrow R = \frac{1}{5000 \cdot 0{,}1 \times 10^{-6}} = \frac{1}{5 \times 10^{-4}} = 2000\,\Omega$$ $$\boxed{{\displaystyle R=2\text{k}\mathrm{\Omega }\mathrm{<br>}}}$$

8. Percobaan [kembali]

Video Simulasi

9. Download File [kembali]

Download Rangkaian [disini]

Datasheet op-amp [disini]

Datasheet resistor [disini]

Datasheet baterai [disini]