05. operational amplifier
TRANSCRIPT
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
DASAR RANGKAIAN LISTRIK
Ali Sadiyoko, S.T., M.T. Faisal Wahab, S.Pd., M.T.
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO KONSENTRASI MEKATRONIKA
2016
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
Topik 5 Operational Amplifier
• Gelombang Sinusoidal
• Pengantar
• Ideal Op-Amp
• Inverter Op-Amp
• Non-Inverter Op-Amp
• Summing Op-Amp
• Diferensial Op-Amp
• Cascade Op-Amp
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
Gelombang Sinusoidal
Dimana : A = Amplituda 𝜔 = 2𝜋𝑓 = 𝑓𝑟𝑒𝑘𝑢𝑒𝑛𝑠𝑖 𝑠𝑢𝑑𝑢𝑡
𝑓 =1
𝑇= 𝑓𝑟𝑒𝑘𝑢𝑒𝑛𝑠𝑖
𝑡 = 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑎𝑛 𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘
T
A
𝜋 𝜔𝑡 2𝜋 𝜋
2
3𝜋
2
)2
(sin tT
Ay
)(sin tAy
)2(sin tfAy
A
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
Gambarkan Sinyal sinusoidal y= 2 sin (6280t)
Jawab : Amplitudo A = 2 perioda
𝜔 =2𝜋
𝑇
𝑇 =2𝜋
𝜔=
2𝑥3,14
6280= 0.001 𝑠
frekuensi 𝜔 = 2𝜋𝑓
𝑓 =𝜔
2𝜋=
6280
2𝑥3.14= 1000 𝐻𝑧/1𝑘𝐻𝑧
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
Gain(A)
𝑉𝑠
𝑅𝑠
𝑉𝑙
+
−
Op-Amp
𝑽𝒍 = 𝑨𝑽𝒔
Tegangan output 𝑉𝑙 adalah penguatan dari Tegangan sumber 𝑉𝑠
Amplifier Load Source
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
+
-𝑣𝑠
𝑅𝑠
𝑅𝑖𝑛 𝐴𝑣𝑖𝑛
𝑅𝑜𝑢𝑡
+
−
𝑣𝑖𝑛
𝑣𝑖𝑛 =𝑅𝑖𝑛
𝑅𝑠 + 𝑅𝑖𝑛𝑣𝑠 𝑣𝑙 =
𝑅𝑙
𝑅𝑜𝑢𝑡 + 𝑅𝑙𝐴𝑣𝑖𝑛
+
−
𝑣𝑙
𝒗𝒊𝒏 = 𝒗𝒔 Idealnya 𝒗𝒍 = 𝑨𝒗𝒊𝒏
𝒗𝒍 = 𝑨 𝒗𝒔
𝑅𝑙
𝑅𝑖𝑛= ∞ (open loop)
𝑅𝑜𝑢𝑡 = 0 (close loop)
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
+
-𝑅𝑖𝑛
𝐴𝑣𝑖𝑛
𝑅𝑜𝑢𝑡
+
−
𝑣𝑖𝑛
𝑣𝑝
𝑣𝑛
Karakteristik Ideal Op-Amp 1. 𝑅𝑖𝑛= ∞, (open circuit) 2. 𝑅𝑜 = 0, (short circuit) 3. 𝐴 = ∞,
𝑣𝑝 = 𝑣𝑛
𝑖𝑝 = 𝑖𝑛 = 0
𝑖𝑝
𝑖𝑛
Circuit Model
𝑣𝑖𝑛 = 𝑣𝑝 − 𝑣𝑛
Dengan gain 𝐴 = ∞, sedangkan
𝑣𝑐𝑐 dibatasi 24 V, Maka, 𝑣𝑐𝑐
𝐴= 0
Pada Op-Amp ideal 𝑅𝑖𝑛= ∞ sehingga arus yang masuk 𝑣𝑝 dan 𝑣𝑛 dianggap nol
𝑣𝑜
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
+
-
𝑣𝑠
𝑅𝑠
𝑅𝑓
+
−
𝑣𝑜 𝑣𝑝
𝑣𝑛
Inverting Amplifier
Circuit Model
𝑣𝑠
𝑅𝑠
𝑅𝑓
+
−
𝑣𝑜
𝑣𝑝
𝑣𝑛
Tentukan close loop voltage
gain 𝐴 =𝑉𝑜
𝑉𝑠 !
𝐴𝑣𝑖𝑛
+
−
𝑣𝑖𝑛 𝑅𝑖𝑛
𝑅𝑜𝑢𝑡
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
+
-Terminal non-inversi dihubungkan ke ground, sehingga 𝑣𝑝 = 0 maka
𝑣𝑝 = 𝑣𝑛 = 0 dan
𝑣𝑠
𝑅𝑠
𝑅𝑓
+
−
𝑣𝑜
𝑣𝑝
𝑣𝑛
𝑣𝑠 − 𝑣𝑛
𝑅𝑠−
𝑣𝑛 − 𝑣𝑜
𝑅𝑓− 𝑖𝑛 = 0
𝑣𝑠 − 𝑣𝑛
𝑅𝑠=
𝑣𝑛 − 𝑣𝑜
𝑅𝑓
𝑣𝑠𝑅𝑓 − 𝑣𝑛𝑅𝑓 = 𝑣𝑛𝑅𝑠 − 𝑣𝑜𝑅𝑠
𝑣𝑠𝑅𝑓 = 𝑣𝑛(𝑅𝑠 + 𝑅𝑓) − 𝑣𝑜𝑅𝑠
karena 𝑣𝑛 = 0
𝑣𝑠𝑅𝑓 = − 𝑣𝑜𝑅𝑠
𝑣𝑜
𝑣𝑠= −
𝑅𝑓
𝑅𝑠
𝐴 =𝑣𝑜
𝑣𝑠= −
𝑅𝑓
𝑅𝑠
Tentukan close loop
voltage gain 𝐴 =𝑣𝑜
𝑣𝑠 !
Inverting Amplifier
KCL di node 𝑣𝑛: 𝑖1 − 𝑖2 − 𝑖𝑛 = 0
𝑖𝑝 = 𝑖𝑛 = 0
𝑖𝑝
𝑖𝑛
𝐴𝑣𝑖𝑛
+ − 𝑖1
+ − 𝑖2
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
𝑣𝑠 = 0.5
10Ω
+
−
𝑣𝑜 𝑣𝑝
𝑣𝑛
Contoh Inverting Amplifier
25Ω
1. Tentukan 𝑣𝑜 2. Tentukan arus i
𝑣𝑜 = −𝑅𝑓
𝑅𝑠𝑣𝑠
𝑣𝑜 = −25
100.5
𝑣𝑜 = −1.25
+ − 𝑖
𝑖 =𝑣𝑖 − 𝑣𝑛
𝑅𝑠
𝑖 =0.5 − 0
10
𝑖 = 0.05 𝐴
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
𝑣𝑠
𝑅𝑠
𝑅𝑓
+
−
𝑣𝑜
𝑣𝑝
𝑣𝑛
Tentukan close loop voltage
gain 𝐴 =𝑣𝑜
𝑣𝑠 !
0 − 𝑣𝑛
𝑅𝑠−
𝑣𝑛 − 𝑣𝑜
𝑅𝑓− 𝑖𝑛 = 0
−𝑣𝑛
𝑅𝑠=
𝑣𝑛 − 𝑣𝑜
𝑅𝑓
−𝑣𝑠𝑅𝑓 = 𝑣𝑠𝑅𝑠 − 𝑣𝑜𝑅𝑠
𝑣𝑜
𝑣𝑠=
𝑅𝑓 + 𝑅𝑠
𝑅𝑠
𝑣𝑠(𝑅𝑓 + 𝑅𝑠) = 𝑣𝑜𝑅𝑠
Non-Inverting Amplifier
Terminal non-inversi dihubungkan ke sumber, sehingga 𝑣𝑝 = 𝑣𝑠 maka 𝑣𝑝 = 𝑣𝑛 = 𝑣𝑠
Op-amp ideal 𝑖𝑝 = 𝑖𝑛 = 0
−𝑣𝑠
𝑅𝑠=
𝑣𝑠 − 𝑣𝑜
𝑅𝑓 dan 𝑣𝑝 = 𝑣𝑛 = 𝑣𝑠
𝑖𝑛
𝑖1
𝑖2
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
Tentukan close loop voltage
gain 𝐴 =𝑣𝑜
𝑣𝑠 !
0 − 𝑣𝑛
𝑅𝑠−
𝑣𝑛 − 𝑣𝑜
𝑅𝑓− 𝑖𝑛 = 0
−𝑣𝑛
𝑅𝑠=
𝑣𝑛 − 𝑣𝑜
𝑅𝑓
−𝑣𝑠𝑅𝑓 = 𝑣𝑠𝑅𝑠 − 𝑣𝑜𝑅𝑠
𝑣𝑜
𝑣𝑠=
𝑅𝑓 + 𝑅𝑠
𝑅𝑠
𝑣𝑠(𝑅𝑓 + 𝑅𝑠) = 𝑣𝑜𝑅𝑠
Non-Inverting Amplifier
Terminal non-inversi dihubungkan ke sumber, sehingga 𝑣𝑝 = 𝑣𝑠 maka 𝑣𝑝 = 𝑣𝑛 = 𝑣𝑠
Op-amp ideal 𝑖𝑝 = 𝑖𝑛 = 0
−𝑣𝑠
𝑅𝑠=
𝑣𝑠 − 𝑣𝑜
𝑅𝑓 dan 𝑣𝑝 = 𝑣𝑛 = 𝑣𝑠
𝑅𝑠
𝑅𝑓
𝑣𝑝
𝑣𝑛
+
− 𝑣𝑜
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
Contoh non-Inverting Amplifier
6𝑉
4Ω
10Ω
+
−
𝑣𝑜 𝑣𝑝
𝑣𝑛
4𝑉
6 − 𝑣𝑛
𝑅𝑠−
𝑣𝑛 − 𝑣𝑜
𝑅𝑓− 𝑖𝑛 = 0
Karena 𝑣𝑝 = 𝑣𝑛 = 𝑣𝑠 dan 𝑖𝑝 = 𝑖𝑛 = 0
6 − 4
4−
4 − 𝑣𝑜
10− 0 = 0
6 − 4
4=
4 − 𝑣𝑜
10
2
4=
4 − 𝑣𝑜
10
5 = 4 − 𝑣𝑜
𝑣𝑜 = −1
1. Tentukan 𝑣𝑜
KCL di node 𝑣𝑛
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
𝑣𝑠
+
−
𝑣𝑜
𝑣𝑝
𝑣𝑛
Buffer Amplifier
Terminal non-inversi (𝑣𝑝) dihubungkan ke sumber,
sehingga 𝒗𝒑= 𝒗𝒏 maka 𝒗𝒑 = 𝒗𝒏 = 𝒗𝒔
Dan terminal 𝑣𝑛 terhubung langsung dengan 𝑣𝑠 𝑣𝑛 = 𝑣𝑠 Sehingga 𝒗𝒑 = 𝒗𝒏 = 𝒗𝒔 = 𝒗𝒐
Jadi gain loop tertutupnya adalah 1.
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
Summing Amplifier 𝑣1
𝑅1 𝑅𝑓
+
−
𝑣𝑜 𝑣𝑝
𝑣𝑛 𝑣2
𝑣3
𝑅2
𝑅3
𝑖1 + 𝑖2 + 𝑖3 − 𝑖 = 0
𝑖1
𝑖2
𝑖3
𝑖
𝑣1 − 𝑣𝑛
𝑅1+
𝑣2 − 𝑣𝑛
𝑅2+
𝑣3 − 𝑣𝑛
𝑅3=
𝑣𝑛 − 𝑣𝑜
𝑅𝑓
𝑣1
𝑅1+
𝑣2
𝑅2+
𝑣3
𝑅3=
−𝑣𝑜
𝑅𝑓
−𝑅𝑓
𝑅1𝑣1 +
𝑅𝑓
𝑅2𝑣2 +
𝑅𝑓
𝑅3𝑣3 = 𝑣𝑜
Terminal non-inversi dihubungkan ke ground, sehingga 𝑣𝑝 = 0 maka 𝑣𝑝 = 𝑣𝑛 = 0
KCL di node 𝑣𝑛
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
2 𝑉
5Ω 10 Ω
+
−
𝑣𝑜 𝑣𝑝
𝑣𝑛
1 𝑉
2.5Ω
𝑖1
𝑖2
Contoh Summing Amplifier
2 Ω
−10
52 +
10
2,51 = 𝑣𝑜
− 4 + 4 = 𝑣𝑜
1. Tentukan 𝑣𝑜 2. Tentukan 𝑖𝑜
−8 = 𝑣𝑜
𝑖𝑜 =𝑣𝑜 − 0
10+
𝑣𝑜 − 0
2
𝑖𝑜 = −8
10−
8
2
𝑖𝑜 = −0.8 − 4
𝑖𝑜 = −4.8 𝐴
1. Mentukan 𝑣𝑜
1. Mentukan 𝑖𝑜
𝑖0
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
Difference Amplifier
𝑉1
𝑅1
𝑅4
+
−
𝑉𝑜 𝑉𝑝
𝑉𝑛
𝑉2
𝑅2
𝑅3
𝑖1
𝑖2
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
𝑉𝑜 =𝑅2 + 𝑅1
𝑅1𝑉𝑛 −
𝑅2
𝑅1𝑉1
karena 𝑉𝑝 = 𝑉𝑛
𝑉𝑜 =𝑅2 + 𝑅1
𝑅1
𝑅4
𝑅3 + 𝑅4𝑉2 −
𝑅2
𝑅1𝑉1
𝑉𝑝 =𝑅4
𝑅3 + 𝑅4𝑉2
𝑉2 − 𝑉𝑝
𝑅3=
𝑉𝑝
𝑅4
𝑉2𝑅4 − 𝑉𝑝𝑅4 = 𝑉𝑝𝑅3
𝑉2𝑅4 = 𝑉𝑝𝑅3 + 𝑉𝑝𝑅4
𝑉2𝑅4 = 𝑉𝑝(𝑅3 + 𝑅4)
𝑉𝑝 =𝑅4
𝑅3 + 𝑅4𝑉2
KCL di node 𝑣𝑝
𝑉1 − 𝑉𝑛
𝑅1=
𝑉𝑛 − 𝑉𝑜
𝑅2
𝑉1𝑅2 − 𝑉𝑛𝑅2 = 𝑉𝑛𝑅1 − 𝑉𝑜𝑅1
𝑉𝑜𝑅1 = 𝑉𝑛 𝑅2 + 𝑅1 − 𝑉1𝑅2
𝑉𝑜 =𝑅2 + 𝑅1
𝑅1𝑉𝑛 −
𝑅2
𝑅1𝑉1
KCL di node 𝑣𝑛
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
Cascaded Op Amp Circuits
𝑉𝑠
𝑅𝑠 𝑅𝑓
+
−
𝑉𝑜
𝑉𝑝
𝑉𝑛
𝑉𝑝
𝑉𝑛
𝑅𝑠 𝑅𝑓
𝑉𝑠
𝑅𝑠
𝑅𝑓
+
−
𝑉𝑜 𝑉𝑝
𝑉𝑛
𝑉𝑝
𝑉𝑛 𝑅𝑠
𝑅𝑓
Inverting Amplifier
Non-Inverting Amplifier
Program Studi Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika Universitas Katolik Parahyangan
20mV
3 12
+
−
𝑉𝑜
𝑉𝑝
𝑉𝑛
𝑉𝑝
𝑉𝑛
4 10
Op-amp pertama Op-amp kedua
𝑣𝑜 =12 + 3
320
𝑣𝑜 = 100𝑚𝑉
𝑣𝑜 =10 + 4
4100
𝑣𝑜 = 350𝑚𝑉