Penguat
Sebagian besar sinyal bioelectric
memiliki sebuah besaran yang sangat kecil (dalam besaran milivolt bahkan
dalam besaran mikrovolt) dan oleh karena itu membutuhkan tambahan sehingga
pengguna dapat melakukan proses. Penambahan tersebut berupa penguatan atau
sering disebut op amp.
Penguat Diferensial Sebagai Dasar
Penguat Operasional
Penguat diferensial adalah suatu
penguat yang bekerja dengan memperkuat sinyal yang merupakan selisih dari kedua
masukannya. Berikut ini adalah gambar skema dari penguat diferensial sederhana:
Penguat diferensial tersebut
menggunakan komponen BJT (Bipolar Junction Transistor) yang identik /
sama persis sebagai penguat. Pada penguat diferensial terdapat dua sinyal
masukan (input) yaitu V1 dan V2. Dalam kondisi ideal, apabila kedua
masukan identik (Vid = 0), maka keluaran Vod = 0. Hal ini disebabkan karena IB1
= IB2 sehingga IC1 = IC2 dan IE1 = IE2. Karena itu tegangan keluaran (VC1 dan
VC2) harganya sama sehingga Vod = 0.
Apabila terdapat perbedaan antara
sinyal V1 dan V2, maka Vid = V1 – V2. Hal ini akan menyebabkan terjadinya
perbedaan antara IB1 dan IB2. Dengan begitu harga IC1 berbeda dengan IC2,
sehingga harga Vod meningkat sesuai sesuai dengan besar penguatan Transistor.
Untuk memperbesar penguatan dapat
digunakan dua tingkat penguat diferensial (cascade). Keluaran penguat
diferensial dihubungkan dengan masukan penguat diferensial tingkatan
berikutnya. Dengan begitu besar penguatan total (Ad) adalah hasil kali antara
penguatan penguat diferensial pertama (Vd1) dan penguatan penguat diferensial
kedua (Vd2).
Dalam penerapannya, penguat
diferensial lebih disukai apabila hanya memiliki satu keluaran. Jadi yang
diguankan adalah tegangan antara satu keluaran dan bumi (ground). Untuk
dapat menghasilkan satu keluaran yang tegangannya terhadap bumi (ground)
sama dengan tegangan antara dua keluaran (Vod), maka salah satu keluaran dari
penguat diferensial tingkat kedua di hubungkan dengan suatu pengikut emitor (emitter
follower).
Untuk memperoleh kinerja yang lebih
baik, maka keluaran dari pengikut emiter dihubungkan dengan suatu konfigurasi
yang disebut dengan totem-pole. Dengan menggunakan konfigurasi ini, maka
tegangan keluaran X dapat berayun secara positif hingga mendekati harga VCC dan
dapat berayun secara negatif hingga mendekati harga VEE.
Apabila seluruh rangkaian telah
dihubungkan, maka rengkaian tersebut sudah dapat dikatakan sebagai penguat
operasional (Operational Amplifier (Op Amp)).
Dasar Op Amp
Sebuah op amp adalah penguat tinggi
dc yang berbeda penguatan (berbeda maksudnya bahwa beberapa sinyal yang tidak
sama pada kedua inputannya adalah penguat yang baik). Sebuah op amp tediri dari
beberapa transistor dan komponen lainnya yang terintegrasi menjadi sebuah
single chip. Yang kita butuhkan tidak hanya mempertimbangkan komponen dalam
chip, tetapi bentuk sederhana dari karakteristik terminal. Fokus pada kelakuan
dari op amp memberikan kita untuk melihat banyak aplikasi pada rangkaian ini
dalam bioinstrumentation. Pada gambar 2.3 dapat dilihat rangkaian
ekivalen dari sebuah op amp. Dapat dilihat symbol dari op amp. V1 dan V2 adalah
untuk input, Vo adalah output, dan V+ dan V- adalah positip dan negatip sumber
tengangan. Gain, yang juga disebut penguatan, adalah definisi sebagai
penambahan dari tegangan oleh penguat, yang ditunjukkan dengan perbandingan
dari output ke input.
Penguat Operasional
Penguat operasional (Operational
Amplifier) atau yang biasa disebut Op-amp memiliki dua sambungan
input dan satu sambungan output. Salah satu ditandai dengan ’-’ dan yang
lainnya ditandai dengan ’+’, tanda ’+’ mengindikasikan pergeseran fase sebesar
nol sedangkan tanda ’-’ mengindikasikan pergeseran fase sebesar 1800. Selain
sambungan input dan output, Penguat operasional juga memiliki dua catuan
simetris (biasanya ±5 V hingga ±15 V).
Karakteristik Op-amp ideal :
a. Open loop gain sangat besar/tak
hingga
b. Vout = 0, jika V1 =V2 , tidak ada
offset voltage.
c. Impedansi input sangat besar/tak
hingga.
d. Impedansi output sangat kecil
(0).
e. Bandwidth tak hingga.
Penguatan Tegangan Lingkar Terbuka
Penguatan tegangan lingkar terbuka (open
loop voltage gain) adalah penguatan diferensial Op Amp pada kondisi dimana
tidak terdapat umpan balik (feedback) yang diterapkan padanya seberti
yang terlihat pada gambar 2.2. Secara ideal, penguatan tegangan lingkar terbuka
adalah:
AVOL
= Vo / Vid = – ¥
AVOL
= Vo/(V1-V2) = – ¥
Tanda negatif menandakan bahwa
tegangan keluaran VO berbeda fasa dengan tegangan masukan Vid.
Konsep tentang penguatan tegangan tak berhingga tersebut sukar untuk
divisualisasikan dan tidak mungkin untuk diwujudkan. Suatu hal yang perlu untuk
dimengerti adalah bahwa tegangan keluaran VO jauh lebih besar
daripada tegangan masukan Vid. Dalam kondisi praktis, harga AVOL
adalah antara 5000 (sekitar 74 dB) hingga 100000 (sekitar 100 dB).
Tetapi dalam penerapannya tegangan
keluaran VO tidak lebih dari tegangan catu yang diberikan pada Op
Amp. Karena itu Op Amp baik digunakan untuk menguatkan sinyal yang amplitudonya
sangat kecil.
Tegangan Ofset Keluaran
Tegangan ofset keluaran (output
offset voltage) VOO adalah harga tegangan keluaran dari Op Amp
terhadap tanah (ground) pada kondisi tegangan masukan Vid =
0. Secara ideal, harga VOO = 0 V. Op Amp yang dapat memenuhi harga
tersebut disebut sebagai Op Amp dengan CMR (common mode rejection)
ideal.
Tetapi dalam kondisi praktis, akibat
adanya ketidakseimbangan dan ketidakidentikan dalam penguat diferensial dalam
Op Amp tersebut, maka tegangan ofset VOO biasanya berharga sedikit
di atas 0 V. Apalagi apabila tidak digunakan umpan balik maka harga VOO
akan menjadi cukup besar untuk menimbulkan saturasi pada keluaran. Untuk
mengatasi hal ini, maka perlu diterapakan tegangan koreksi pada Op Amp. Hal ini
dilakukan agar pada saat tegangan masukan Vid = 0, tegangan keluaran
VO juga = 0.
Hambatan Masukan
Hambatan masukan (input resistance)
Ri dari Op Amp adalah besar hambatan di antara kedua masukan Op Amp.
Secara ideal hambatan masukan Op Amp adalah tak berhingga. Tetapi dalam kondisi
praktis, harga hambatan masukan Op Amp adalah antara 5 kW hingga 20 MW,
tergantung pada tipe Op Amp. Harga ini biasanya diukur pada kondisi Op Amp
tanpa umpan balik. Apabila suatu umpan balik negatif (negative feedback)
diterapkan pada Op Amp, maka hambatan masukan Op Amp akan meningkat.
Dalam suatu penguat, hambatan
masukan yang besar adalah suatu hal yang diharapkan. Semakin besar hambatan
masukan suatu penguat, semakin baik penguat tersebut dalam menguatkan sinyal
yang amplitudonya sangat kecil. Dengan hambatan masukan yang besar, maka sumber
sinyal masukan tidak terbebani terlalu besar.
Hambatan Keluaran
Hambatan Keluaran (output
resistance) RO dari Op Amp adalah besarnya hambatan dalam yang
timbul pada saat Op Amp bekerja sebagai pembangkit sinyal. Secara ideal harga
hambatan keluaran RO Op Amp adalah = 0. Apabula hal ini tercapai,
maka seluruh tegangan keluaran Op Amp akan timbul pada beban keluaran (RL),
sehingga dalam suatu penguat, hambatan keluaran yang kecil sangat diharapkan.
Dalam kondisi praktis harga hambatan
keluaran Op Amp adalah antara beberapa ohm hingga ratusan ohm pada kondisi
tanpa umpan balik. Dengan diterapkannya umpan balik, maka harga hambatan
keluaran akan menurun hingga mendekati kondisi ideal.
Lebar Pita
Lebar pita (band width) BW
dari Op Amp adalah lebar frekuensi tertentu dimana tegangan keluaran tidak
jatuh lebih dari 0,707 dari harga tegangan maksimum pada saat amplitudo
tegangan masukan konstan. Secara ideal, Op Amp memiliki lebar pita yang tak
terhingga. Tetapi dalam penerapannya, hal ini jauh dari kenyataan.
Sebagian besar Op Amp serba guan
memiliki lebar pita hingga 1 MHz dan biasanya diterapkan pada sinyal dengan
frekuensi beberapa kiloHertz. Tetapi ada juga Op Amp yang khusus dirancang
untuk bekerja pada frekuensi beberapa MegaHertz. Op Amp jenis ini juga harus
didukung komponen eksternal yang dapat mengkompensasi frekuensi tinggi agar
dapat bekerja dengan baik.
Waktu Tanggapan
Waktu tanggapan (respon time)
dari Op Amp adalah waktu yang diperlukan oleh keluaran untuk berubah setelah
masukan berubah. Secara ideal harga waktu respon Op Amp adalah = 0 detik, yaitu
keluaran harus berubah langsung pada saat masukan berubah.
Tetapi dalam prakteknya, waktu
tanggapan dari Op Amp memang cepat tetapi tidak langsung berubah sesuai
masukan. Waktu tanggapan Op Amp umumnya adalah beberapa mikro detik hal ini
disebut juga slew rate. Perubahan keluaran yang hanya beberapa
mikrodetik setelah perubahan masukan tersebut umumnya disertai dengan oveshoot
yaitu lonjakan yang melebihi kondisi steady state. Tetapi pada penerapan
biasa, hal ini dapat diabaikan.
Karakteristik Terhadap Suhu
Sebagai mana diketahui, suatu bahan
semikonduktor yang akan berubah karakteristiknya apabila terjadi perubahan suhu
yang cukup besar. Pada Op Amp yang ideal, karakteristiknya tidak berubah
terhadap perubahan suhu. Tetapi dalam prakteknya, karakteristik sebuah Op Amp
pada umumnya sedikit berubah, walaupun pada penerapan biasa, perubahan tersebut
dapat diabaikan.
Mode operasi penguat operasional:
a. Penguat Membalik (inverting)
Penguat membalik menghasilkan
keluaran yang berbeda fasa 1800 terhadap masukkan (fasa sinyal output
berkebalikan dengan fasa sinyal input). Persamaan penguatannya adalah sebagai
berikut:
Konfigurasinya adalah sebagai
berikut:
b. Penguat Tak Membalik (non-inverting)
Penguat tak membalik menghasilkan
sinyal keluaran yang fasanya sama dengan fasa sinyal masukan. Persamaan
penguatannya adalah sebagai berikut:
Konfigurasinya adalah sebagai
berikut:
c. Penguat Bertingkat (Differential)
Penguat bertingkat merupakan selisih
beda potensial antar dua buah masukan V1 dan V2.
0 komentar:
Posting Komentar