Rangkaian Dasar Op Amp dan Parameter Dijelaskan

Pada artikel berikut kita membahas parameter op amp utama dan rangkaian aplikasi dasar op amp terkait dengan persamaan, untuk menyelesaikan nilai komponen spesifiknya.

Op-amp (penguat operasional) adalah jenis sirkuit terintegrasi khusus yang mencakup penguat gain tinggi yang digabungkan langsung dengan karakteristik respons keseluruhan yang disesuaikan dengan umpan balik.

Op-amp mendapatkan namanya dari fakta bahwa ia dapat mengeksekusi berbagai perhitungan matematis. Karena responnya, sebuah op-amp juga dikenal sebagai rangkaian terintegrasi linier dan merupakan komponen inti dari banyak sistem analog.

Sebuah op amp memiliki gain yang luar biasa tinggi (mungkin mendekati tak terhingga), yang dapat disesuaikan melalui umpan balik. Penambahan kapasitor atau induktor ke jaringan umpan balik dapat menghasilkan penguatan yang berubah dengan frekuensi, mempengaruhi keadaan operasional keseluruhan sirkuit terpadu.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas, op amp fundamental adalah perangkat tiga terminal yang memiliki dua input dan satu output. Terminal input diklasifikasikan sebagai 'pembalik' atau 'non-pembalik.'

Parameter Op Amp

Ketika disuplai dengan tegangan input yang sama, output dari penguat operasional yang ideal, atau 'op amp,' adalah nol, atau '0 volt.'

VIN 1 = VIN 2 memberikan VOUT = 0

Op-amp praktis memiliki input yang tidak seimbang secara sempurna, menyebabkan arus bias yang tidak merata mengalir melalui terminal input. Untuk menyeimbangkan output op amp, tegangan offset input harus disediakan antara dua terminal input.

1) Arus Bias Masukan

Ketika output seimbang, atau ketika V _KELUAR = 0, arus bias masukan (I _B ) sama dengan setengah dari total arus individu yang memasuki dua koneksi input. Sering kali jumlahnya sangat kecil; misalnya saya _B = 100 nA adalah nilai normal.

2) Arus offset masukan

Perbedaan antara masing-masing arus individu yang mencapai terminal input dikenal sebagai arus offset input (I _ini ). Sekali lagi, seringkali nilainya sangat rendah; misalnya, nilai umum adalah I _ini = 10nA

3) Masukan tegangan offset

Untuk menjaga agar op amp tetap seimbang, tegangan offset masukan V _ini perlu diterapkan di terminal input. Biasanya nilai V _ini adalah = 1mV.

Nilai I _ini dan V _ini keduanya dapat bervariasi dengan suhu, dan variasi ini disebut sebagai I _ini hanyut dan V _ini melayang, masing-masing.

4) Rasio Penolakan Catu Daya (PSRR)

Rasio perubahan tegangan offset input dengan perubahan yang sesuai pada tegangan catu daya dikenal sebagai rasio penolakan catu daya, atau PSRR. Ini sering dalam kisaran 10 hingga 20 uV/V.

Parameter tambahan untuk op-amp yang mungkin disebutkan adalah:

5) Penguatan loop terbuka/Penguatan loop tertutup

Penguatan loop terbuka mengacu pada penguatan op-amp tanpa rangkaian umpan balik, sedangkan penguatan loop tertutup mengacu pada penguatan op-amp dengan rangkaian umpan balik. Hal ini umumnya direpresentasikan sebagai A _d .

6) Rasio penolakan mode umum (CMRR)

Ini adalah rasio sinyal perbedaan dengan sinyal mode umum dan berfungsi sebagai ukuran kinerja penguat diferensial. Kami menggunakan Desibel (dB) untuk menyatakan rasio ini.

7) Tingkat Slew

Laju perubahan tegangan adalah laju di mana tegangan keluaran penguat berubah di bawah kondisi sinyal yang besar. Ini direpresentasikan dengan menggunakan unit V/us.

Rangkaian Aplikasi Dasar Op Amp

Dalam paragraf berikut kita akan belajar tentang beberapa rangkaian dasar op amp yang menarik. Setiap desain dasar dijelaskan dengan rumus untuk menyelesaikan nilai dan fitur komponennya.

AMPLIFIER ATAU BUFFER

Rangkaian untuk penguat pembalik, atau inverter, dapat dilihat pada Gambar 1 di atas. Keuntungan dari rangkaian diberikan oleh:

Mati = - R2/R1

Perhatikan bahwa penguatannya negatif satu, menunjukkan bahwa rangkaian beroperasi sebagai pengikut tegangan pembalik fasa, jika kedua resistansi sama (yaitu, R1 = R2). Output akan identik dengan input, dengan polaritas terbalik.

Pada kenyataannya, resistor dapat dilepas untuk penguatan kesatuan dan diganti dengan kabel jumper langsung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2 di bawah.

Ini dimungkinkan karena R1 = R2 = 0 di sirkuit ini. Biasanya, R3 dihapus dari rangkaian pengikut tegangan pembalik.

Output op amp akan memperkuat sinyal input jika R1 kurang dari R2. Misalnya, jika R1 adalah 2,2 K dan R1 adalah 22 K, gain dapat dinyatakan sebagai:

Mati = - 22.000/2.200 = -10

Simbol negatif menunjukkan inversi fase. Polaritas input dan output dibalik.

Dengan membuat R1 lebih besar dari R2, rangkaian yang sama juga dapat melemahkan (mengurangi kekuatan) sinyal input. Misalnya, jika R1 adalah 120 K dan R2 adalah 47 K, gain rangkaian akan kira-kira:

Mati = 47.000/120.000 = - 0,4

Sekali lagi, polaritas output adalah kebalikan dari input. Meskipun nilai R3 tidak terlalu penting, nilainya harus sama dengan kombinasi paralel R1 dan R2. Yang:

R3 = (R1 x R2)/(R1 + R2)

Untuk mendemonstrasikan ini, perhatikan contoh kita sebelumnya, di mana R1 = 2,2 K dan R2 = 22 K. Nilai R3 dalam situasi ini harus kira-kira:

R3 = (2200 x 22000)/(2200 + 22000) = 48.400.000/24.200 = 2000

Kita dapat memilih nilai resistansi standar terdekat untuk R3 karena nilai yang tepat tidak diperlukan. Resistor 1,8 K atau 2,2 K dapat digunakan dalam kasus ini.

Inversi fasa yang dibuat oleh rangkaian pada Gambar 2 mungkin tidak dapat diterima dalam beberapa situasi. Untuk menggunakan op-amp sebagai penguat non-pembalik (atau seperti penyangga sederhana), hubungkan seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3 di bawah.

Keuntungan di sirkuit ini dinyatakan sebagai berikut:

Mati = 1 + R2/R1

Output dan input memiliki polaritas yang sama dan berada dalam fase.

Perlu diingat bahwa gain harus selalu minimal 1 (unity). Tidak mungkin untuk melemahkan (mengurangi) sinyal menggunakan sirkuit non-pembalik.

Gain dari rangkaian akan relatif lebih kuat jika nilai R2 secara signifikan lebih besar dari R1. Misalnya, jika R1 = 10 K dan R2 = 47 K, gain op amp akan menjadi seperti yang diberikan di bawah ini:

Mati = 1 + 470.000/10.000 = 1 + 47 = 48

Namun, jika R1 secara signifikan lebih besar dari R2, gain hanya akan sedikit lebih dari satu. Misalnya, jika R1 = 100 K dan R2 = 22 K, keuntungannya adalah:

Mati = 1 + 22.000/100.000 = 1 + 0,22 = 1,22

Jika kedua hambatan identik (R1 = R2), penguatannya akan selalu 2. Untuk meyakinkan diri Anda tentang hal ini, coba persamaan penguatan dalam beberapa skenario.

Situasi khusus adalah ketika kedua resistansi diatur ke 0. Dengan kata lain, seperti terlihat pada Gambar 4 di bawah, koneksi langsung digunakan sebagai pengganti resistor.

Keuntungannya persis satu dalam kasus ini. Ini sesuai dengan rumus keuntungan:

Mati = 1 + R2/R1 = 1 + 0/0 = 1

Input dan outputnya identik. Aplikasi untuk rangkaian pengikut tegangan non-pembalik ini meliputi pencocokan impedansi, isolasi, dan penyangga.

ADDER (Penguat Penjumlahan)

Sejumlah tegangan input dapat ditambahkan menggunakan op amp. Seperti diilustrasikan pada Gambar 5 di bawah, sinyal input V1, V2,… Vn diterapkan ke op amp melalui resistor R1, R2,… Rn.

Sinyal-sinyal ini kemudian digabungkan untuk menghasilkan sinyal output, yang sama dengan jumlah sinyal input. Rumus berikut dapat digunakan untuk menghitung kinerja nyata op-amp sebagai penambah:

VOUT = - Ro ((V1/R1) + (V2/R2) . . . + (Vn/Rn))

Lihat simbol negatif. Ini berarti bahwa output telah dibalik (polaritasnya terbalik). Dengan kata lain, rangkaian ini adalah penambah pembalik.

Rangkaian dapat diubah fungsinya sebagai penambah non-pembalik dengan mengalihkan koneksi ke input pembalik dan non-pembalik op-amp, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 6 di bawah ini.

Persamaan output dapat dibuat lebih sederhana dengan mengasumsikan bahwa semua resistor input memiliki nilai yang identik.

VOUT = - Ro ((V1 + V2 . . . + Vn)/R)

PENGUAT DIFERENSIAL

Gambar 7 di atas menggambarkan rangkaian dasar penguat diferensial. Nilai komponen diatur sehingga R1 = R2 dan R3 = R4. Oleh karena itu, kinerja rangkaian dapat dihitung menggunakan rumus berikut:

VOUT = VIN 2 - VIN 1

Hanya selama op amp dapat menerima bahwa input 1 dan 2 memiliki impedansi yang berbeda (input 1 memiliki impedansi R1 dan input 2 memiliki impedansi R1 ditambah R3).

PENAMBUH/SUBTRAKTOR

Gambar 8 di atas menggambarkan konfigurasi untuk rangkaian penambah/pengurang op amp. Jika R1 dan R2 memiliki nilai yang sama dan R3 dan R4 juga diatur ke nilai yang sama, maka:

VOUT = (V3 + V4) - (V1 - V2)

Dengan kata lain, Vout = V3 + V4 adalah total dari input V3 dan V4 sedangkan itu adalah pengurangan dari input V1 dan V2. Nilai untuk R1, R2, R3, dan R4 dipilih agar sesuai dengan karakteristik op amp. R5 harus sama dengan R3 dan R4, dan R6 harus sama dengan R1 dan R2.

PENGALI

Operasi perkalian sederhana dapat dilakukan dengan rangkaian yang terlihat pada Gambar 9 di atas. Ingatlah bahwa ini adalah rangkaian yang sama seperti pada Gambar 1. Untuk mencapai penguatan yang konsisten (dan selanjutnya perkalian tegangan input dalam rasio R2/R1) dan hasil yang presisi, resistor presisi dengan nilai yang ditentukan untuk R1 dan R2 seharusnya digunakan. Khususnya, fase keluaran dibalik oleh rangkaian ini. Tegangan pada output akan sama dengan:

VOUT = - (VIN x Mati)

di mana Av adalah keuntungan, seperti yang ditentukan oleh R1 dan R2. VOUT dan VIN adalah tegangan output dan input, masing-masing.

Seperti terlihat pada Gambar 10 di atas, konstanta perkalian dapat diubah jika R2 adalah resistansi variabel (potensiometer). Di sekitar poros kontrol Anda dapat memasang dial kalibrasi dengan tanda untuk berbagai keuntungan umum. Konstanta perkalian dapat dibaca langsung dari dial ini menggunakan pembacaan yang dikalibrasi.

INTEGRATOR

Sebuah op-amp akan, setidaknya, secara teoritis berfungsi sebagai integrator ketika input pembalik digabungkan dengan output melalui kapasitor.

Seperti ditunjukkan pada Gambar 11 di atas, resistor paralel harus dihubungkan melintasi kapasitor ini untuk menjaga stabilitas DC. Sirkuit ini mengimplementasikan hubungan berikut untuk mengintegrasikan sinyal input:

Nilai R2 harus dipilih agar sesuai dengan parameter op amp, sehingga:

VOUT = R2/R1 x VIN

PEMBEDA

Rangkaian op amp pembeda mencakup kapasitor pada saluran input yang menghubungkan ke input pembalik dan resistor yang menghubungkan input ini ke output. Namun, rangkaian ini memiliki batasan yang jelas, oleh karena itu pengaturan yang lebih baik adalah memparalelkan resistor dan kapasitor seperti yang diilustrasikan pada Gambar 12 di atas.

Persamaan berikut menentukan seberapa baik kinerja rangkaian ini:

VOUT = - (R2 x C1) dVIN/dt

LOG AMPLIFIER

Rangkaian fundamental (Gbr. 13 di atas) menggunakan transistor NPN dan op-amp untuk menghasilkan output yang sebanding dengan log input:

VOUT = (- k log ₁₀ ) JUMAT/JUM _HAI

Sirkuit 'terbalik', yang berfungsi sebagai penguat anti-log mendasar, digambarkan dalam diagram bawah. Biasanya, kapasitor bernilai rendah (misalnya, 20 pF).

AMP AUDIO

Sebuah op amp, pada dasarnya adalah penguat dc tetapi juga dapat diterapkan untuk aplikasi ac. Penguat audio langsung ditunjukkan pada Gambar 14 di atas.

PENCAMPUR AUDIO

Modifikasi penguat audio ditunjukkan di sirkuit ini (Gbr. 15 di atas). Anda dapat melihat  bagaimana itu menyerupai rangkaian penambah pada Gambar. 5. Sinyal input yang berbeda dicampur atau digabungkan. Potensiometer input setiap sinyal input memungkinkan penyesuaian level. Proporsi relatif dari sinyal input yang berbeda dalam output dengan demikian dapat disesuaikan oleh pengguna.

PEMECAH SINYAL

Rangkaian pembagi sinyal yang terlihat pada Gambar 16 di atas hanyalah kebalikan dari mixer. Sebuah sinyal keluaran tunggal dibagi menjadi beberapa keluaran identik yang memberi makan berbagai masukan. Beberapa jalur sinyal dipisahkan satu sama lain menggunakan sirkuit ini. Untuk menyesuaikan level yang diperlukan, setiap jalur output menyertakan potensiometer terpisah.

TEGANGAN KE KONVERTER SAAT INI

Rangkaian yang disajikan pada Gambar 17 di atas akan menyebabkan impedansi beban R2 dan R1 mengalami aliran arus yang sama.

Nilai arus ini akan sebanding dengan tegangan sinyal input dan tidak tergantung pada beban.

Namun, karena resistansi input tinggi yang disediakan oleh terminal non-pembalik, arus akan bernilai relatif rendah. Arus ini memiliki nilai yang berbanding lurus dengan VIN/R1.

KONVERTER ARUS KE TEGANGAN

Jika tegangan keluaran sama dengan IIN x R2 dan desain (Gbr. 18 di atas) digunakan, arus sinyal masukan dapat mengalir lurus melalui resistor umpan balik R2.

Dengan kata lain, arus input diubah menjadi tegangan output proporsional.

Rangkaian bias yang dibuat pada input pembalik menetapkan batas bawah pada aliran arus, yang mencegah arus apa pun melewati R2. Untuk menghilangkan 'noise', kapasitor dapat ditambahkan ke sirkuit ini seperti yang diilustrasikan pada gambar.

SUMBER SAAT INI

Gambar 19 di atas menunjukkan bagaimana sebuah op amp dapat digunakan seperti sumber arus. Nilai resistor dapat dihitung menggunakan persamaan berikut:

R1 = R2

R3 = R4 + R5

Arus keluaran dapat dievaluasi menggunakan rumus berikut:

Iout = (R3 x VIN) / (R1 x R5)

MULTIVIBRATOR

Anda dapat mengadaptasi op amp untuk digunakan sebagai multivibrator. Gambar 20 di atas menampilkan dua rangkaian dasar. Desain di kiri atas adalah multivibrator berjalan bebas (astabil), yang frekuensinya dikendalikan oleh:

Rangkaian multivibrator monostabil yang dapat diaktifkan oleh input pulsa gelombang persegi dapat dilihat pada diagram kanan bawah. Nilai komponen yang disediakan adalah untuk op amp CA741.

GENERATOR GELOMBANG KOTAK

Gambar 21 di atas menggambarkan rangkaian generator gelombang persegi fungsional yang dipusatkan di sekitar sebuah op amp. Rangkaian generator gelombang persegi ini mungkin yang paling sederhana. Hanya tiga resistor eksternal dan satu kapasitor yang dibutuhkan selain op amp itu sendiri.

Dua elemen utama yang menentukan konstanta waktu rangkaian (frekuensi output) adalah resistor R1 dan kapasitor C1. Namun koneksi umpan balik positif berbasis R2 dan R3 juga berdampak pada frekuensi output. Meskipun persamaan seringkali agak rumit, persamaan tersebut dapat dibuat lebih sederhana untuk rasio R3/R2 tertentu. Sebagai ilustrasi:

Jika R3/R2 1,0 maka F 0,5/(R1/C1)

atau,

Jika R3/R2 10 maka F 5/(R1/C1)

Metode yang paling praktis adalah menggunakan salah satu rasio standar ini dan mengubah nilai R1 dan C1 untuk mencapai frekuensi yang diperlukan. Untuk R2 dan R3, nilai konvensional dapat digunakan. Misalnya, rasio R3/R2 akan menjadi 10 jika R2 = 10K dan R3 = 100K, jadi:

F = 5/(R1/C1)

Dalam kebanyakan kasus, kita sudah mengetahui frekuensi yang diperlukan, dan kita hanya perlu memilih nilai komponen yang sesuai. Metode paling sederhana adalah pertama-tama memilih nilai C1 yang tampaknya masuk akal, dan kemudian mengatur ulang persamaan untuk menemukan R1:

R1 = 5/(F x C1)

Mari kita lihat contoh tipikal frekuensi 1200 Hz yang kita cari. Jika C1 terhubung ke kapasitor 0,22uF, maka R1 harus memiliki nilai seperti yang digambarkan dalam rumus berikut:

R1 = 5/(1200 x 0,00000022) = 5/0,000264 = 18,940

Sebuah resistor 18K khas mungkin digunakan di sebagian besar aplikasi. Sebuah potensiometer dapat ditambahkan secara seri dengan R1 untuk meningkatkan kegunaan dan kemampuan beradaptasi dari rangkaian ini, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 22 di bawah. Ini memungkinkan untuk menyesuaikan frekuensi output secara manual.

Untuk rangkaian ini, perhitungan yang sama digunakan, namun nilai R1 diubah agar sesuai dengan kombinasi seri resistor tetap R1a dan nilai potensiometer R1b yang disesuaikan:

R1 = R1a + R1b

Resistor tetap dimasukkan untuk memastikan bahwa nilai R1 tidak pernah turun ke nol. Rentang frekuensi output ditentukan oleh nilai tetap R1a dan resistansi tertinggi R1b.

GENERATOR LEBAR PULSA VARIABEL

Gelombang persegi benar-benar simetris. Siklus tugas sinyal gelombang persegi didefinisikan sebagai rasio waktu tingkat tinggi terhadap total waktu siklus. Gelombang persegi memiliki siklus kerja 1:2 menurut definisi.

Dengan hanya dua komponen lagi, generator gelombang persegi dari bagian sebelumnya dapat diubah menjadi generator gelombang persegi panjang. Gambar 23 di atas menggambarkan rangkaian yang diperbarui.

Dioda D1 membatasi aliran arus melalui R4 pada setengah siklus negatif. R1 dan C1 membentuk konstanta waktu seperti yang dinyatakan dalam persamaan berikut:

T1 = 5/(2C1 x R1)

Namun, pada setengah siklus positif, dioda diperbolehkan untuk konduksi, dan kombinasi paralel R1 dan R4 bersama dengan C1 mendefinisikan konstanta waktu, seperti yang ditunjukkan dalam perhitungan berikut:

T2 = 5/(2C1 ((R1 R4)/(R1 + R4)))

Panjang siklus keseluruhan hanyalah total dari dua konstanta waktu setengah siklus:

Tt = T1 + T2

Frekuensi keluaran adalah kebalikan dari konstanta waktu total dari seluruh siklus:

F = 1/Tt

Di sini siklus kerja tidak akan sama dengan 1:2 karena konstanta waktu untuk bagian tingkat tinggi dan rendah dari siklus akan berbeda. Bentuk gelombang asimetris akan dihasilkan sebagai hasilnya. Dimungkinkan untuk membuat R1 atau R4 dapat disesuaikan, atau bahkan keduanya, tetapi perlu diketahui bahwa hal itu akan mengubah frekuensi keluaran dan siklus kerja.

osilator gelombang sinus

Gelombang sinus, yang ditunjukkan pada Gambar 24 di bawah, adalah yang paling dasar dari semua sinyal ac.

Sama sekali tidak ada konten harmonik dalam sinyal yang sangat murni ini. Hanya ada satu frekuensi dasar dalam gelombang sinus. Sebenarnya, membuat gelombang sinus yang benar-benar murni dan bebas distorsi agak sulit. Untungnya, dengan menggunakan rangkaian osilator yang dibangun di sekitar op-amp, kita bisa mendekati bentuk gelombang yang optimal.

Gambar 25 di atas menggambarkan rangkaian osilator gelombang sinus konvensional yang menggabungkan op-amp. Sirkuit twin-T yang berfungsi sebagai filter band-reject (atau takik) berfungsi sebagai jaringan umpan balik. Kapasitor C1 dan resistor R1 dan R2 membentuk satu T. C2, C3, R3, dan R4 membentuk T lainnya. Skemanya terbalik. Nilai komponen harus memiliki hubungan berikut agar sirkuit ini berfungsi dengan baik:

Rumus berikut menentukan frekuensi keluaran:

F = 1/(6,28 x R1 x C2)

Dengan mengubah nilai R4, penyetelan jaringan umpan balik twin-T dapat sedikit diubah. Biasanya, ini bisa berupa potensiometer pemangkas kecil. Potensiometer diatur ke resistansi tertinggi dan kemudian secara bertahap dikurangi sampai sirkuit hanya melayang di ambang osilasi. Gelombang sinus keluaran mungkin rusak jika resistansi disetel terlalu rendah.

PEMICU SCHMITT

Secara teknis, pemicu Schmitt dapat disebut sebagai pembanding regeneratif. Fungsi utamanya adalah untuk mengubah tegangan input yang perlahan berubah menjadi sinyal output, pada tegangan input tertentu.

Dengan kata lain, ia memiliki properti 'balasan' yang disebut histeresis yang berfungsi seperti 'pemicu' tegangan. Op amp menjadi blok bangunan dasar untuk operasi pemicu Schmitt (lihat Gambar 26 di atas). Faktor-faktor berikut menentukan pemicu atau tegangan trip:

DI _perjalanan = (V _keluar x R1) / (-R1 + R2)

Dalam jenis rangkaian ini, histeresis adalah dua kali lipat tegangan trip.

Pada Gambar 27 di bawah, rangkaian pemicu Schmitt lainnya digambarkan. Di sirkuit ini, output dikatakan 'dipicu' ketika input dc mencapai sekitar seperlima dari tegangan suplai.

Tegangan suplai dapat berkisar antara 6 dan 15 volt, oleh karena itu tergantung pada tegangan suplai yang dipilih, pemicu dapat diatur untuk beroperasi pada 1,2 hingga 3 volt. Jika perlu, titik pemicu yang sebenarnya juga dapat diubah dengan memodifikasi nilai R4.

Outputnya akan sama dengan tegangan suplai segera setelah dipicu. Jika output dipasang ke lampu pijar atau LED (melalui resistor balast seri), lampu (atau LED) akan menyala setelah tegangan input mencapai nilai pemicu, yang menunjukkan bahwa level tegangan yang tepat ini telah dicapai pada input.

Membungkus

Jadi ini adalah beberapa rangkaian dasar op amp dengan parameternya dijelaskan. Semoga Anda telah memahami semua karakteristik dan rumus yang terkait dengan sebuah op amp.

Jika Anda memiliki desain rangkaian op amp dasar lainnya yang menurut Anda perlu disertakan dalam artikel di atas, jangan ragu untuk menyebutkannya melalui komentar Anda di bawah.