10.45 - Redrawn circuit of Fig. 10.44

 TUGAS CHAPTER 10

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Example

6. Problem

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Link Download

1. Pendahuluan[Kembali]

    Pada Operational Amplifier (Op-Amp), salah satu masalah yang dapat muncul adalah adanya output offset voltage yang disebabkan oleh perbedaan arus bias pada kedua inputnya. Arus bias input ini tidak pernah sama persis antara kedua input, sehingga masing-masing input akan beroperasi pada arus yang sedikit berbeda. Fenomena ini menyebabkan munculnya tegangan offset pada output dari op-amp, yang perlu dihitung untuk menentukan kinerja op-amp secara keseluruhan.

    Tegangan offset pada output op-amp ini dapat dihitung dengan menggunakan dua faktor utama, yaitu tegangan offset akibat arus bias input (IB) dan tegangan offset akibat tegangan input offset (VIO). Kedua faktor ini dapat dihitung menggunakan rumus-rumus yang sesuai, seperti yang dijelaskan dalam contoh yang diberikan pada buku referensi ini. Dengan menghitung kedua komponen tegangan offset tersebut, kita dapat menentukan tegangan offset total pada output op-amp, yang dapat memengaruhi akurasi sinyal yang diperkuat oleh op-amp.

    Percobaan ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh tegangan dan arus offset terhadap kinerja op-amp, serta untuk menghitung total offset yang dihasilkan oleh komponen-komponen ini. Dengan memahami cara kerja offset ini, kita dapat lebih efektif dalam merancang rangkaian op-amp yang lebih stabil dan efisien dalam aplikasinya.

2. Tujuan[Kembali]

1. Menganalisis pengaruh output offset voltage pada Operational Amplifier (Op-Amp) yang disebabkan oleh perbedaan arus bias pada kedua input.
2. Menghitung tegangan offset total yang dihasilkan oleh arus bias input (IB) dan tegangan input offset (VIO) pada op-amp.
3. Menentukan pengaruh tegangan dan arus offset terhadap kinerja penguatan sinyal pada op-amp.
4. Menghitung komponen-komponen tegangan offset untuk meningkatkan desain rangkaian op-amp yang lebih stabil dan efisien.

3. Alat dan Bahan[Kembali]

• Resistor

     Resistor merupakan komponen elektronik yang memiliki dua pin dan didesain untuk mengatur tegangan listrik dan arus . Resistor mempunyai nilai resistansi (tahanan) tertentu yang dapat memproduksi tegangan listrik di antara kedua pin dimana nilai tegangan terhadap resistansi tersebut berbanding lurus dengan arus yang mengalir, berdasarkan persamaan hukum ohm 

 

• Ground

    Grounding atau Pentanahan adalah sistem pentanahan yang terpasang pada suatu instalasi listrik yang bekerja untuk meniadakan beda potensial dengan mengalirkan arus sisa dari kebocoran tegangan atau arus dari sambaran petir ke bumi. 

• Op-Amp 741

    Perangkat penguat tegangan yang dirancang untuk digunakan dengan komponen umpan balik eksternal seperti resistor dan kapasitor antara terminal keluaran dan masukannya.

• Baterai

            Baterai adalah suatu bahan yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik yang dapat digunakan oleh alat-alat elektronika.

• Voltmeter DC

        Voltmeter DC berfungsi untuk mengetahui beda potensial tegangan DC antara 2 titik pada suatu beban listrik atau rangkaian elektronika.

• Amperemeter DC

Amperemeter DC berfungsi untuk mengetahui arus tegangan DC pada suatu rangkaian listrik atau beban listrik

4. Dasar Teori[Kembali]

A. Tegangan offset 

    Tegangan offset pada operational amplifier (Op-Amp) adalah tegangan atau arus kecil yang tidak diinginkan yang muncul pada output meskipun inputnya diberikan tegangan nol. Idealnya, jika kedua input op-amp diberi tegangan 0 volt, maka output juga seharusnya 0 volt. Namun, karena adanya ketidaksempurnaan dalam komponen internal op-amp, sering kali muncul tegangan kecil pada output. Tegangan ini disebut sebagai tegangan offset (offset voltage), yang dapat mempengaruhi akurasi penguatan sinyal pada rangkaian.

    Pada kenyataannya, output op-amp tidak selalu 0 V meskipun inputnya diberikan 0 V. Sebagai contoh, ketika kedua input diberikan 0 V dan outputnya terukur 26 mV, ini menunjukkan adanya tegangan offset sebesar 26 mV yang tidak berasal dari sinyal input.

Tegangan offset ini dapat disebabkan oleh dua faktor utama:

1. Tegangan offset input (Vₒᵢ), yaitu tegangan yang diperlukan untuk memastikan output op-amp benar-benar nol sesuai dengan spesifikasi pabrik.

2. Arus offset input (Iᵦ), yaitu perbedaan arus kecil yang mengalir ke terminal input positif dan negatif.

Tegangan Offset Input:

Nilai Vᵢₒ biasanya dicantumkan dalam spesifikasi pabrik. Untuk mengetahui pengaruhnya terhadap output, digunakan persamaan outputnya:

Artinya, tegangan offset pada output berbanding lurus dengan tegangan offset input dan dipengaruhi oleh konfigurasi resistor pada rangkaian penguat.

PRINSIP KERJA

Pengukuran dan analisis parameter DC offset atau lebih tepatnya input offset voltage pada op amp didasarkan pada prinsip bahwa op-amp ideal seharusnya menghasilkan tegangan output nol ketika kedua terminal input-nya (non-inverting dan inverting) diberi tegangan yang sama, atau ketika keduanya dihubungkan ke ground. Namun, pada op-amp nyata, karena ketidakseimbangan internal seperti perbedaan karakteristik transistor input dan ketidaksempurnaan dalam fabrikasi, dibutuhkan tegangan diferensial kecil di antara kedua input agar output benar-benar nol. Tegangan ini disebut sebagai input offset voltage (Vos).
Dalam simulasi ini, prinsip kerja rangkaian pengukuran offset dirancang dengan menghubungkan kedua input op-amp ke ground (0 V) atau menghubungkan satu input ke ground dan yang lainnya ke konfigurasi umpan balik, seperti dalam konfigurasi penguat non-inverting dengan penguatan besar. Karena input idealnya sama dan tidak ada sinyal yang masuk, setiap tegangan output yang muncul sepenuhnya disebabkan oleh input offset.
Jika digunakan konfigurasi penguat dengan penguatan besar (gain tinggi), maka tegangan offset yang sangat kecil (dalam orde mikrovolt) akan diperkuat sehingga dapat terukur pada output. Misalnya, jika penguatan rangkaian adalah 100 kali dan output menunjukkan 10 mV, maka nilai input offset voltage-nya adalah sekitar 100 μV. Hal ini memudahkan pengukuran offset secara tidak langsung melalui output op-amp.
Prinsip kerja ini bertumpu pada rumus dasar penguatan non-inverting op-amp:

$${𝑉}_{\text{out}}=(1+\frac{{𝑅}_{𝑓}}{{𝑅}_{𝑖𝑛}})\cdot {𝑉}_{\text{in}}$$

Jika VinVin adalah offset voltage dan VoutVout dapat diukur, maka nilai offset dapat dihitung dengan membalikkan rumus di atas. Dengan asumsi tidak ada input eksternal lain, semua tegangan output yang terdeteksi merupakan hasil dari offset internal op-amp.
Dengan menggunakan pendekatan ini, pengukuran offset menjadi lebih akurat dan mudah dilakukan dalam simulasi maupun implementasi nyata. Hasilnya juga dapat digunakan untuk membandingkan karakteristik antar jenis op-amp atau mengevaluasi performa op-amp dalam aplikasi presisi tinggi.

5. Example[Kembali]

Example 1

Example 2

Example 3

6. Problem[Kembali]

Contoh Soal 1

Jika vi=0,5 V, hitunglah (a) tegangan output vo, (b) arus yang melalui resistor 25kΩ.

Jawab :
Diketahui R1=10kΩ dan Rf=25kΩ, dengan menggunakan persamaan (2) maka;
Vo=−25000/100000,5=−2,5(0,5)=−1,25V


Contoh Soal 2

arus yang mengalir melalui Rf adalah karena adanya beda potensial antara simpul 1 dengan simpul 3, tegangan pada simpul 1 yaitu v1 dan v3 adalah vo. Maka;
i2=(v1−vo)/Rf
i2=(0−(−1,25))/25000=0,00005=50μA

Contoh Soal 3

Sebuah rangkaian op-amp pembalik seperti gambar di bawah memiliki nilai-nilai yaitu: tahanan feed back = 330 kΩ; tahanan input = 1 kΩ; dan tegangan input = 17 mV. Hitung berapa perolehan tegangan (Av), tegangan output (Vout) dan tegangan catu daya (Vcc) pada rangkaian tersebut?

Jawab:

Diketahui:Rf = 330 kΩ = 330.000 Ω
Rin = 1 kΩ = 1.000 Ω
Vin = 17 mV = 0,017 V

Av = − Rf ÷ Rin = − 330.000 ÷ 1.000 = − 330
Vout = Av × Vin = − 330 × 0,017 V = − 5,61 V

Apabila input yang diberikan adalah +17 mV, maka output yang dihasilkan adalah − 5,61 V. Hal ini mengasumsikan bahwa tegangan catu daya (Vcc) yang digunakan memungkinkan output bergerak mencapai nilai itu. Sebuah catu daya ±6V terlalu kecil untuk itu, oleh karenanya membutuhkan catu daya dengan rating tegangan setidaknya ±8V (atau sekitar ±150% × Vout), untuk menguatkan tegangan input sebesar 17 mV.

Sehingga diperoleh Av = − 330; Vout = − 5,61 V; Vcc = ±8 V.

7. Soal Latihan[Kembali]

Soal 1:
Dalam suatu rangkaian op-amp inverting, resistor kompensasi RcompRcomp sering ditambahkan pada input non-inverting. Apa tujuan utama dari penambahan resistor ini?

A. Meningkatkan penguatan sinyal
B. Mengimbangi efek arus bias pada input op-amp
C. Mengurangi frekuensi cutoff
D. Meningkatkan laju pergeseran (slew rate)

Jawaban: B. Mengimbangi efek arus bias pada input op-amp

Penjelasan:
Resistor RcompRcomp dipasang untuk menyeimbangkan resistansi di antara kedua input op-amp, sehingga tegangan offset akibat arus bias dapat dikurangi.

SOAL 2:
Diberikan rangkaian op-amp inverting dengan nilai:
Rin=2 kΩ,
Rf=8 kΩ,
Vin=0.5 V.
Berapakah tegangan output-nya?

A. +2 V
B. –2 V
C. –0.125 V
D. +0.125 V

Jawaban: B. –2 V

Penjelasan:
Gunakan rumus ${𝑉}_{𝑜𝑢𝑡}=-\left(\frac{{𝑅}_{𝑓}}{{𝑅}_{𝑖𝑛}}\right){𝑉}_{𝑖𝑛}=-\left(\frac{8}{2}\right)\cdot 0.5=-4\cdot 0.5=-2𝑉$

SOAL 3:
Apa yang kemungkinan terjadi jika terminal non-inverting (+) dari op-amp dibiarkan mengambang (tidak terhubung ke ground atau referensi)?

A. Rangkaian tetap stabil
B. Op-amp akan memproduksi sinyal periodik
C. Output bisa menjadi tidak stabil atau jenuh
D. Arus bias akan menghilang

Jawaban: C. Output bisa menjadi tidak stabil atau jenuh

Penjelasan:
Terminal input yang mengambang dapat menangkap noise atau tegangan acak, menyebabkan output op-amp menjadi tidak terkontrol atau masuk ke saturasi maksimum

8. Percobaan[Kembali]

9. Link Download[Kembali]

Download file rangkaian klik disini

[DISINI]

Download Datasheet Op Amp 741 klik disini

Download Tambahan Datasheet op amp klik disini

Download Datasheet Resistor klik disini