Pengantar Operational Amplifier

Gambar 1: Chip IC TL084 berisi empat buah op-amp

Operational Amplifier, disingkat Op-Amp, atau penguat operasional, merupakan penguat atau amplifier yang sangat fleksibel untuk dapat digunakan dalam berbagai keperluan. Baik sebagai penguat tegangan, penguat depan, pre-amplifier, penguat mikropon, maupun untuk berbagai kebutuhan lainnya seperti: penguat pembanding tegangan, penjumlah tegangan, pengurang tegangan, ataupun sebagai rangkaian osilator, baik osilator yang menghasilkan gelombang persegi, gelombang sinus, gigi gergaji, segitiga dan lain sebagainya. Sebuah Op-Amp pada dasarnya mempunya dua buah saluran masukan atau saluran input, dan satu buah saluran keluaran atau saluran output. Berikut simbol sebuah op-amp.

Gambar 2: Simbol op-amp

Pada gambar simbol op-amp itu, sebuah op-amp mempunyai dua buah saluran masukan atau input, yakni: Input Inverting dan Input non-Inverting, dan memiliki satu buah saluran output. Untuk dapat bekerja dengan normal, maka sebuah IC op-amp akan dihubungkan dengan catu daya +Vcc dan -Vee yang merupakan tegangan simetris, misalnya +9V dan -9V, atau +12V dengan -12V.

Sebagai penguat tegangan, sebuah op-amp mempunyai dua macam penguatan tegangan, yakni penguatan tegangan mode terbuka, atau open-loop amplification disingkat Ao yang nilainya sekitar 10⁵ kali atau sekitar seratus ribu kali. Artinya, besar tegangan output dalam mode terbuka ini akan seratus kali lebih besar dari pada tegangan inputnya. 

Gambar 3: Op-Amp tanpa resistor tambahan

Dari gambar 3, tanpa adanya resistor tambahan di luar op-amp, maka sebuah op-amp akan mempunya angka penguatan yang sangat besar, yakni sekitar seratus ribu kali. Sebagai contoh, jika tegangan pada e₁  dan e₂  berselisih 10 uV, maka tegangan output e_o  akan sebesar satu volt, tergantung mana yang lebih besar. Jika e₁  = 20uV dan e₂  = 30uV, jadi ada selisih sebesar 10uV yakni e₂  - e₁  dimana e₂  lebih positif dari pada e₁ , maka tegangan output e_o  akan sebesar 1 Volt. Tapi jika terjadi sebaliknya, yakni apabila e₁  = 30uV dan e₂  = 20uV, yakni e₁  lebih besar 10uV terhadap e₂ , maka tegangan output e_o  = -1Volt.

Kemudian op-amp memiliki penguatan tegangan mode tertutup atau closed-loop amplification, disingkat A_v , yang nilainya dapat dikendalikan dengan cara memasang resistor-resistor umpan balik antara output dengan input, dan resistor seri yang dipasang antara input op-amp dengan input rangkaian.

Berikut ini dua buah contoh rangkaian dimana angka penguatan tegangan sebuah op-amp dikendalikan oleh resistor luar.

Gambar 4: Op-Amp sebagai penguat inverting

Pada gambar 4 itu, dengan nilai-nilai resistor yang ada, op-amp membentuk sebuah penguat tegangan pembalik atau inverting amplifier dengan angka penguatan A_v  = -10 x (sepuluh kali).

Artinya, jika e_in  = 1 Volt, maka e_out  = -10 Volt.

Tanda minus (-) pada tegangan output menunjukkan adanya beda fase pada tegangan output terhadap tegangan inputnya.

Lalu gambar di bawah ini.

Gambar 5: Op-Amp sebagai penguat non-inverting

Berbeda dengan gambar 4, maka pada gambar 5, Op-Amp membentuk penguat non-inverting atau penguat tak membalik. Dan dengan nilai-nilai resistor yang ada, angka penguatan amplifier tersebut juga sepuluh, atau A_v  = 10 x (sepuluh kali). Hanya saja di sini tidak ada pembalikan fase. Artinya, fase tegangan output sama dengan fase tegangan input.

Untuk memiliki kemampuan tersebut, sebuah op-amp dibangun dalam sebuah keping Integrated Circuit atau IC yang terdiri dari cukup banyak transistor, resistor, kapasitor dan komponen lain di dalamnya, tergantung tipe atau jenis IC op-ampnya. Transistor yang digunakan dalam sebuah op-amp bisa merupakan transistor bipolar (BJT), transistor efek medan (FET) ataupun transistor efek medan terisolasi (IGFET atau MOSFET), ataupun kombinasi dari transistor-transistor tersebut.

Sebuah keping IC op-amp bisa berisi satu buah op-amp seperti tipe 741, atau juga lebih dari satu buah op-amp. Ada yang satu keping IC terdiri dari dua buah op-amp, ada juga yang berisi empat buah op-amp dan seterusnya.

Berikut ini contoh beberapa tipe op-amp tersebut.

Gambar 6: Simbol IC LM741 dengan sebuah op-amp di dalamnya

Pada gambar 4 tampak simbol IC dengantipe LM741. IC dengan delapan pin tersebut berisi sebuah rangkaian op-amp. Dan dalam gembar tampak jelas hubungan kaki-kakinya.

Adapun rangkaian dalamnya dapat dilihat pada gambar 7 berikut ini.

Gambar 7: Rangkaian dalam sebuah LM741

Setidaknya sebuah op-amp LM741 di dalamnya terdapat 21 buah transistor dan banyak resistor serta komponen-komponen lainnya.

Gambar 8: LM747 dengan dua buah op-amp di dalamnya

Dari gambar 8, sebuah IC tipe LM747 dengan 14 kaki, di dalamnya terdiri dari dua buah op-amp. Dengan demikian IC tersebut dapat digunakan pada rangkaian yang memerlukan dua buah op-amp, sehingga hemat tempat.

Berikutnya, sebuah IC tipe TL084 yang berisi empat buah rangkaian op-amp.

Gambar 9: TL084 dengan empat buah op-amp

IC tipe TL084 juga memiliki 14 buah kaki atau pins, akan tetapi di dalamnya terdapat empat buah rangkaian op-amp. Satu kelebihan lainnya adalah, bahwa di bagian inputnya terdapat komponen MOSFET yang membuat op-amp memiliki impedansi input yang sangat tinggi. Hal ini merupakan kelebihan lainnya dari IC ini. Dengan impedansi input yang tinggi, maka praktis tidak akan membebani penguat atau blok di depannya. Berikut contoh rangkaian dalam salah satu op-amp dalam sebuah keping IC TL084.

Gambar 10: Skema rangkaian op-amp di dalam IC TL084

Hari Endarwanto