COMPUTER ANALYSIS PROGRAM

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

6. Problem

1. Pendahuluan [kembali]

Operatinal Amplifier (Op-Amp) merupakan salah satu komponen aktif yang sangat penting dalam dunia elektronika analog. Komponen ini banyak digunakan dalam berbagai aplikasi seperti penguat sinyal, filter, pembanding (comparator), integrator, dan rangkaian pengendali otomatis. Dengan karakteristik penguatan tegangan yang sangat tinggi, impedansi input yang besar, serta inpedansi output yang rendah, Op-Amp menjadi pilihan utama dalam perancangan rangkaian analog presisi.

Seiring dengan perkembangan teknologi, analisis rangkaian Op-Amp tidak hanya dilakukan secara manual, tetapi juga menggunakan bantuan perangkat lunak komputer. Computer analysis atau analisis berbantuan komputer memungkinkan perancang untuk mensimulasikan perilaku rangkaian sebelum rangkaian tersebut dibuat secara fisik. Hal ini tidak hanya mempercepat proses perancangan, tetapi juga mengurangi kemungkinan kesalahan dan meningkatkan efisiensi kerja.

2. Tujuan [kembali]

1. Mempelajari prinsip kerja op-amp dalam konfigurasi integrator.

2. Menganalisis hubungan antara sinyal masukan dan bentuk sinyal keluaran.

3. Mengamati perubahan bentuk sinyal output terhadap variasi input (misalnya sinyal persegi atau sinus).

4. Mengetahui pengaruh nilai komponen (resistor dan kapasitor) terhadap hasil integrasi.

3. Alat dan Bahan [kembali]

1. Sumber tegangan DC (BAT1) sebesar 2V.

2. Op-Amp (misalnya LM741 atau setara).

3. Resistor R1 = 100 kΩ.

4. Resistor R2 = 500 kΩ.

5. Voltmeter digital.

6. Software simulasi Proteus.

4. Dasar Teori [kembali]

1. Op-Amp

Penguat operasional (Operational Amplifier) atau yang biasa disebut dengan Op-Amp, merupakan penguat elektronika yang banyak digunakan untuk membuat rangkaian detektor, komparator, penguataudio, video, pembangkit sinyal, multivibrator, filter, ADC, DAC, rangkaian penggerak dan berbagai macam rangkaian analog lainnya.

Op-amp pada umumnya tersedia dalam bentuk rangkaian terpadu yang memiliki karakteristik mendekati karakteristik penguat operasional ideal tanpa perlu memperhatikan apa yang terdapat di dalamnya. Ada tiga karakteristik utama op-amp ideal, yaitu:

1. Gain tak berhingga.

2. Impedansi input tak berhingga.

3. Impedansi output bernilai 0.

Namun, dalam praktiknya Op-Amp memiliki Gain dan Impedansi input yang sangat besar namun bukan tak berhingga sehingga Impedansi output akan sangat kecil hingga mendekati nilai 0.

Simbol Op-Amp

Dapat dilihat bahwa Op-Amp secara umum memiliki 4 pin, yaitu masukan inverting dengan tanda (-), masukan non-inverting dengan tanda (+), masukan tegangan positif dan tegangan negatif dan pin keluaran atau output.

Dalam Op-Amp, terdapat dua perbedaan bagi tegangan yang diinputkan ke dalamnya. tegangan dapat dimasukan pada masukan inverting dan juga dapat dimasukkan pada msukan non-inverting.

Pada masukan inverting tegangan input akan menghasilkan output dengan beda fasa 180 derjat atau dapat dikatakan gelombang uotput akan terbalik dari gelombang input.

Rangkaian Amplifier

Rangkaian op-amp Amplifier adalah penguat Input yang dimana amplifier bekerja pada karakteristik yang membentuk hubungan linear artinya semakin besar Vi maka semakin besar juga VO dan sebaliknya. Operasi amplifier menghindari output dalam kondisi saturasi karena akan membuat cacat keluaran outputnya. Ciri – ciri rangkaian amplifier yaitu ada resistor feedback negatif dari output ke input inverting op-ampnya.

- Inverting Amplifier

Sesuai dengan namanya yaitu dengan input dimasukkan ke kaki inverting (pembalik) sehingga output akan dibalik atau beda fasa sebesar 180 derajat. Dalam Analisa rangkaian amplifier disyaratkan op-amp bekerja ideal sehingga tegangan differensial (selisih tegangan di kaki non-inverting dan inverting) Ed = 0. Sehingga arus yang melewati Ri sama dengan arus yang melewati Rf karena arus yang masuk ke kaki inverting sangat kecil karena sifat op-amp dimana impendasi (Zi) inputnya sangat besar.

Rangkaian inverting amplifier

Persamaan untuk mencari V ouputnya:

Dimana :

Acl = -Rf/Ri

Vo = Acl x Vi

Vo = (-Rf/Ri) x Vi

- Inverting Adder Amplifier

Konsepnya sama seperti Inverting amplifier, namun disini ada penambahan input yang masuk ke kaki inverting op-amp. Yang dimana arus masuk sama dengan arus keluar I = I1+I2+I3 sehingga arus di Rf sama dengan jumlah arus di R1,R2, dan R3.

Dengan syarat op-amp ideal Ed=0

Rangkaian Op-Amp Inverting Adder Amplifier

Persamaan untuk mencari Voutputnya :

Vo = -Rf [V1/R1 + V2/R2 + V3/R3 + … + Vn/Rn] -> untuk input lebih dari 3 dan seterusnya.

Rangkaian Non Inverting Amplifier

- Non Inverting Amplifier

Rangkaian non inverting amplifier (tidak membalik) input dimasukkan ke kaki non inverting sehingga tegangan output yang dihasilkan sefasa dengan tegangan input.

Rangkaian Non Inverting Amplifier

Dengan syarat op-amp ideal Ed = 0 maka persamaan Vouput yang didapat :

Dimana :

Acl = Rf/Ri + 1

Vo = Acl x Vi

Vo = (Rf/Ri + 1) x Vi

- Voltage Follower Atau Buffer

Rangkaian yang dimana Acl = 1

Rangkaian Voltage Follower Atau Buffer

Dengan syarat op-amp ideal dimana Ed = 0 maka Vo = Vi. Sehingga Acl = Vo/Vi = 1

Maka untuk mencari Vouputnya :

Acl = 1

Vo = Acl x Vi

Vo = 1 x Vi

Vo = Vi

2. Resistor

Resistor merupakan salah satu komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk membatasi arus yang mengalir pada suatu rangkaian dan berfungsi sebagai terminal antara dua komponen elektronika.Tegangan pada suatu resistor sebanding dengan arus yang melewatinya (V=IR).Cara menghitung nilai resistor dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Cara menghitung resistansi pada resistor:

Pita atau gelang ke-1 menunjukkan nilai atau angka pada digit pertama, begitu pula pada gelang ke dua. Masing-masing warna pada pita memiliki nilai yang berbeda

Pita ke-3 menunjukkan jumlah angka 0 di belakang digit ke 2 atau dikalikan dengan 10^n, yang dimana n merupakan nilai pada warna pita ke 3

Pita ke-4 menunjukkan nilai toleransi dari resistor

Contoh :

Pita ke-1 : Coklat = 1

Pita ke-2 : Hitam = 0

Pita ke-3 : Hijau = 5 nol di belakang angka pita ke-2, atau dikalikan 105

Pita ke-4 : Perak = Toleransi 10%

Maka nilai resistor tersebut adalah 10×105 = 1.000.000 Ohm atau 1 MOhm dengan toleransi 10%

5. Prinsip Kerja [kembali]

Pada rangkaian inverting amplifier, sinyal input diberikan ke terminal inverting (-) melalui resistor R1, sedangkan terminal non-inverting (+) dihubungkan ke ground. Karena op-amp ideal memiliki impedansi input yang sangat tinggi, tidak ada arus yang masuk ke terminal input. Selain itu, dengan adanya umpan balik negatif melalui resistor Rf dari output ke input inverting, tegangan antara terminal (+) dan (-) dijaga tetap nol (dikenal sebagai prinsip virtual short), sehingga titik inverting berada pada kondisi tegangan nol virtual (virtual ground). Arus yang berasal dari input mengalir melalui R1, diteruskan ke Rf, dan akhirnya ke output. Tegangan output akan menyesuaikan sehingga menghasilkan sinyal yang berbanding terbalik (terbalik fasa) dengan input, dengan besar penguatan (gain) sebesar -Rf/R1.

Pada rangkaian non-inverting amplifier, sinyal input diberikan ke terminal non-inverting (+), dan umpan balik negatif dari output dikembalikan ke terminal inverting (-) melalui dua buah resistor, yaitu Rf dan R1. Resistor tersebut membentuk pembagi tegangan, yang menjaga agar tegangan di terminal inverting (-) selalu mengikuti tegangan di terminal non-inverting (+). Op-amp akan bekerja menyesuaikan output sehingga tegangan antara kedua terminal input tetap nol. Hasilnya, output menjadi sefase dengan input (tidak dibalik), dan diperkuat dengan faktor penguatan sebesar 1 + (Rf/R1).

Pada rangkaian voltage follower atau buffer, sinyal input diberikan ke terminal non-inverting (+), sedangkan output dihubungkan langsung ke terminal inverting (-) tanpa resistor. Karena umpan balik langsung ini, op-amp menyesuaikan output agar tegangan di terminal inverting sama persis dengan tegangan input di terminal non-inverting. Tidak ada penguatan tegangan yang terjadi, sehingga output akan sama dengan input (gain = 1). Meskipun tidak memperkuat tegangan, rangkaian ini berguna untuk memperkuat arus dan bertindak sebagai pemisah (isolator) antara dua rangkaian tanpa membebani sumber sinyal.

Terakhir, pada rangkaian summing amplifier, beberapa sinyal input diberikan ke terminal inverting (-) masing-masing melalui resistor, seperti R1, R2, dan R3, sedangkan terminal non-inverting (+) dihubungkan ke ground. Semua arus input yang melewati resistor akan bertemu di titik inverting, lalu diteruskan ke output melalui resistor umpan balik Rf. Karena prinsip virtual ground berlaku di terminal inverting, op-amp menyesuaikan tegangan output agar semua arus tersebut dapat mengalir sesuai hukum arus Kirchhoff. Hasil akhirnya adalah output yang merupakan jumlah dari seluruh sinyal input yang dibalik fasa, dengan besar tegangan tergantung pada nilai resistor. Jika semua resistor input sama dengan R dan Rf juga sama, maka output menjadi -(V1 + V2 + V3). Rangkaian ini banyak digunakan dalam sistem pemrosesan sinyal seperti mixer audio dan penggabungan sinyal analog.

6. Problem [kembali]

1. Model ideal tidak realistis

Rangkaian pertama menggunakan model op-amp ideal, yang mengabaikan banyak faktor dunia nyata seperti tegangan jenuh (saturasi), arus bias, dan tegangan offset. Hasil perhitungannya sangat presisi secara teori, tapi bisa berbeda jauh saat diimplementasikan dengan komponen fisik.

2. Tidak mempertimbangkan tegangan suplai (±V)
Beberapa skema tidak menunjukkan catu daya ±12V, padahal ini sangat penting. Tanpa suplai, op-amp tidak bisa menghasilkan output. Op-amp nyata seperti µA741 hanya mampu output sekitar ±10.5 V, bukan ±12 V penuh.

3. Saturasi output membatasi linearitas

Pada op-amp nyata seperti µA741, output tidak bisamelewati batas tertentu (misalnya ±10.5 V), sehingga jika input menghasilkan Vout teoritis di luar batas itu, hasilnya akan "terpotong" (clipped). Ini menyebabkan distorsi sinyal, terutama saat penguatan besar.

4. Offset tegangan input dan arus bias input

Op-amp nyata memiliki tegangan offset (beberapa milivolt) dan arus bias input (nanoampere hingga mikroampere) yang dapat menyebabkan error, terutama pada aplikasi presisi atau penguatan sinyal yang sangat kecil.

5. Nilai resistor sensitif terhadap toleransi

Gain atau hasil penjumlahan pada rangkaian sangat bergantung pada rasio resistor. Jika resistor memiliki toleransi besar (misalnya 5%), hasil output bisa meleset. Hal ini berdampak besar pada aplikasi sensor atau penguat akurasi tinggi.

6. Rangkaian tidak rail-to-rail

Semua rangkaian menggunakan op-amp tipe lama (seperti µA741) yang bukan rail-to-rail. Artinya, output tidak bisa menyentuh nilai suplai penuh (0 V atau Vcc) seperti yang diperlukan dalam sistem logika 0–5 V atau 0–3.3 V modern.

7. Bandwidth terbatas

Penguatan sinyal hanya efektif di frekuensi rendah. Jika input berupa sinyal AC frekuensi tinggi (misal >100 kHz), op-amp seperti µA741 akan kehilangan gain karena keterbatasan bandwidth (GBW – gain-bandwidth product).

8. Inverting amplifier membalik polaritas

Dalam beberapa aplikasi (seperti kendali motor atau pembacaan sensor), pembalikan fasa bisa menjadi masalah jika tidak diantisipasi, karena arah sinyal menjadi terbalik terhadap sumber.

9. Non-inverting amplifier tidak bisa memperkecil sinyal

Non-inverting amplifier memiliki gain minimum 1. Artinya, tidak bisa digunakan untuk mengurangi amplitudo sinyal (attenuasi), hanya bisa memperbesar. Ini membatasi fleksibilitas penggunaannya dalam beberapa sistem.

10. Summing amplifier terbatas dalam jumlah input

Jika terlalu banyak input diberikan ke penguat penjumlah, node input akan menjadi titik tumpuan arus dari banyak sumber, yang bisa mempengaruhi impedansi dan menyebabkan distorsi. Selain itu, output selalu dalam bentuk pembalikan (negatif), yang mungkin tidak sesuai dengan sistem selanjutnya.

11. Rentan terhadap noise

Karena op-amp memiliki impedansi input tinggi, terutama pada non-inverting configuration, rangkaian ini mudah menangkap noise dari lingkungan jika tidak dilindungi (shielding) atau diberi bypass capacitor.

7. Soal Latihan [kembali]

Soal 1

Sebuah rangkaian inverting amplifier menggunakan R1 = 100 kOhm dan Rf = 470 kOhm. Jika Vin = +2 V, berapa outputnya?

Jawaban:

Gunakan rumus:
Vout = -(Rf / R1) × Vin
Vout = -(470 / 100) × 2 = -9,4 V

Jadi, tegangan output adalah -9,4 V. Output mengalami pembalikan fasa terhadap input.

Soal 2

Sebuah non-inverting amplifier menggunakan R1 = 250 kOhm dan Rf = 1 MOhm. Jika Vin = 0,6 V, berapa outputnya?

Jawaban:

Gunakan rumus:
Vout = (1 + Rf / R1) × Vin
Vout = (1 + 1000 / 250) × 0,6 = (1 + 4) × 0,6 = 3,0 V

Jadi, tegangan output adalah 3,0 V dan tidak mengalami pembalikan fasa.

Soal 3

Tiga sinyal diberikan ke summing amplifier

V1 = 2 V melalui R1 = 100 kOhm
V2 = 1 V melalui R2 = 200 kOhm
V3 = -1 V melalui R3 = 100 kOhm Rf = 100 kOhm

Hitung tegangan output (Vout).

Jawaban:

Gunakan rumus:
Vout = -Rf × (V1/R1 + V2/R2 + V3/R3)
Vout = -100 × (2/100 + 1/200 -1/100)
Vout = -100 × (0,02 + 0,005 - 0,01)
Vout = -100 × 0,015 = -1,5 V

Jadi, tegangan output adalah -1,5 V dan mengalami pembalikan fasa.

8. Percobaan [kembali]