Chapter 11

Op-Amp Applications

11.1 Constant-Gain Multiper (Fig 11.6 dan Fig 11.7)

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Example

6. Problem

7. Pilihan Ganda

8. Percobaan

9. Link Download

1. Pendahuluan[Kembali]

Operasional amplifier (op-amp) adalah salah satu komponen paling fundamental dalam rangkaian elektronika analog. Op-amp digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti penguatan sinyal, pengolahan sinyal, filtrasi, dan kontrol. Salah satu konsep penting dalam desain rangkaian op-amp adalah multiple-stage gains atau penguatan multi-tahap. Konsep ini mengacu pada penggunaan beberapa tahap penguatan op-amp secara berturut-turut dalam satu rangkaian untuk mencapai penguatan yang lebih besar dan lebih efisien. 

Pada rangkaian dengan multiple-stage gains, setiap tahap penguatan diatur sedemikian rupa untuk memperkuat sinyal secara bertahap tanpa menyebabkan distorsi atau penurunan kualitas sinyal yang signifikan. Setiap tahap biasanya terdiri dari satu op-amp dengan konfigurasi penguatan tertentu, seperti penguatan non-inverting, inverting, atau differential amplifier. Dengan menggabungkan beberapa tahap penguatan, rangkaian dapat mencapai penguatan total yang lebih tinggi dan lebih terkontrol.

Pada penerapannya, multiple-stage gains sering digunakan dalam sistem audio, penguat instrumen, pengolah sinyal analog, dan sistem komunikasi yang memerlukan penguatan sinyal yang besar dengan kualitas yang tetap terjaga.

2. Tujuan[Kembali]

1. Menjelaskan cara kerja penguatan bertahap pada rangkaian op-amp.
2. Menghitung penguatan total dengan mengalikan penguatan tiap tahap.
3. Memahami pengaruh resistor pada penguatan masing-masing tahap.

3. Alat dan Bahan[Kembali]

    a. Alat:

• Voltmeter

    Voltmeter merupakan alat yang digunakan untuk mengukur besar tengangan pada suatu komponen. Cara pemakaiannya adalah dengan memparalelkan kaki kaki Voltmeter dengan komponen yang akan diuji tegangannya.

    

• Sumber AC

        Generator AC atau Alternating Current merupakan mesin yang dapat menghasilkan arus bolak balik. pada umumnya AC memiliki dua buah kabel dengan polaritas kutub negatif dan kurub positif.

    b. Bahan

• Resistor

    Resistor merupakan komponen elektronik yang memiliki dua pin dan didesain untuk mengatur tegangan listrik dan arus listrik. 

• Ground

        G

round adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal  bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.

• Op-amp

            Op-amp adalah amplifier diferensial yang memiliki dua input (positif dan negatif) dan satu output.

4. Dasar Teori[Kembali]

Ketika beberapa tahap penguatan dihubungkan secara seri, penguatan keseluruhan dari rangkaian adalah hasil kali dari penguatan masing-masing tahap. Setiap tahap dapat berupa konfigurasi non-inverting atau inverting, dengan rumus penguatan sebagai berikut:

1. Tahap Non-Inverting:

   A1=1+RfR1

2. Tahap Inverting:

   $$A_2=-\frac{R_f}{R_{\mathrm{2\; , }}}{A}_3=-\frac{R_f}{R_3}$$

Penguatan total ($A$) adalah hasil perkalian penguatan masing-masing tahap:

$$$$A=A1×A2×A3

Rangkaian bertahap ini menghasilkan penguatan non-inverting keseluruhan jika jumlah tahap inverting genap. Setiap tahap memungkinkan kontrol penguatan dengan memilih nilai resistor, memberikan fleksibilitas dalam desain.

5. Example[Kembali]

Contoh 1: Penguatan Sinyal Audio

Soal:
Sebuah sinyal audio dengan amplitudo 0,5 V dilewatkan ke rangkaian penguat dengan constant gain sebesar 10. Berapakah tegangan keluaran dari penguat tersebut?

Penyelesaian:

$$V_{out}=Gain\times V_{in}=10\times \mathrm{0,5}\text{V}=5\text{V}$$

Jawaban:
Tegangan keluarannya adalah 5 V.

Contoh 2: Pengolahan Sinyal Sensor

Soal:
Sensor suhu menghasilkan sinyal sebesar 0,02 V/°C. Sinyal tersebut dimasukkan ke dalam penguat dengan penguatan tetap (constant gain) sebesar 50. Berapakah tegangan output saat sensor membaca suhu 30°C?

Penyelesaian:

$$V_{in}=30\times \mathrm{0,02}=\mathrm{0,6}\text{V}$$
$$V_{out}=Gain\times V_{in}=50\times \mathrm{0,6}=30\text{V}$$

Jawaban:
Tegangan output adalah 30 V.

Contoh 3: Penguat dalam Rangkaian RF

Soal:
Sinyal frekuensi radio (RF) yang sangat lemah memiliki amplitudo 2 mV. Sinyal ini diperkuat menggunakan penguat dengan constant gain sebesar 1000. Hitung tegangan output dari penguat tersebut.

Penyelesaian:

$$V_{out}=Gain\times V_{in}=1000\times \mathrm{0,002}=2\text{V}$$

Jawaban:
Tegangan keluarannya adalah 2 V.

6. Problem[Kembali]

Masalah 1: Perancangan Rangkaian Penguat

Seorang teknisi ingin merancang rangkaian penguat untuk sinyal sensor tekanan. Sinyal dari sensor berada di rentang 0 – 100 mV, dan ingin diperkuat sehingga mencapai rentang 0 – 5 V agar dapat dibaca oleh ADC (Analog-to-Digital Converter).
Tentukan berapa besar constant gain yang harus digunakan pada penguat tersebut.
Lalu, hitung juga output jika input sensor sebesar 60 mV.

Diketahui:

• Rentang sinyal input: 0 – 100 mV = 0 – 0,1 V

• Rentang output yang diinginkan: 0 – 5 V

a. Tentukan constant gain:

$$\text{Gain}=\frac{V_{\text{out max}}}{V_{\text{in max}}}=\frac{5}{\mathrm{0,1}}=50$$

b. Hitung output jika input = 60 mV (0,06 V):

$$V_{\text{out}}=\text{Gain}\times V_{\text{in}}=50\times \mathrm{0,06}=\mathrm{3,0}\text{V}$$

Masalah 2: Distorsi karena Gain Terlalu Tinggi

Sebuah penguat dengan constant gain 200 digunakan untuk memperkuat sinyal audio. Namun, sumber daya maksimum output penguat hanya bisa sampai 10 V. Jika sinyal input mencapai 100 mV,
Apakah akan terjadi distorsi akibat clipping?
Jika ya, berapa batas maksimum sinyal input yang dapat diberikan tanpa menyebabkan distorsi?

Diketahui:

• Gain = 200

• Output maksimum = 10 V

• Input = 100 mV = 0,1 V

a. Hitung output aktual dari input 0,1 V:

$$V_{\text{out}}=200\times \mathrm{0,1}=20\text{V}$$

Karena melebihi batas output 10 V, maka terjadi clipping atau distorsi.

b. Batas maksimum input agar tidak terjadi clipping:

$$V_{\text{in max}}=\frac{V_{\text{out max}}}{\text{Gain}}=\frac{10}{200}=\mathrm{0,05}\text{V}=50\text{mV}$$

Masalah 3: Pemrosesan Sinyal Digital dengan Gain Tetap

Dalam sistem pemrosesan sinyal digital, sinyal analog dari sensor suhu dikonversi ke sinyal digital menggunakan penguat dengan constant gain 20. Sinyal sensor berkisar dari 0,01 V hingga 0,15 V.
Tentukan rentang tegangan output yang dihasilkan oleh constant-gain multiplier.
Apakah sinyal tersebut masih berada dalam batas input ADC 0 – 3,3 V?

Diketahui:

• Gain = 20

• Rentang input sensor: 0,01 V – 0,15 V

• Batas input ADC: 0 – 3,3 V

Hitung rentang output:

$$\begin{gathered} V_{\text{out min}}=20\times \mathrm{0,01}=\mathrm{0,2}\text{V} \\ {\mathrm{ \; dan\; V}}_{\text{out max}}=20\times \mathrm{0,15}=\mathrm{3,0}\text{V} \end{gathered}$$

Rentang output: 0,2 V – 3,0 V

Ya, sinyal masih dalam batas input ADC (0 – 3,3 V)

7. Pilihan Ganda[Kembali]

Soal 1: Dasar Penguatan

Sebuah sinyal masukan sebesar 0,25 V diperkuat menggunakan constant-gain multiplier dengan penguatan 20 kali. Berapa besar tegangan output yang dihasilkan?

A. 2 V
B. 4 V
C. 5 V
D. 10 V

Jawaban: C. 5 V

Pembahasan:
$V_{\text{out}}=20\times \mathrm{0,25}=5\text{V}$

Soal 2: Aplikasi Sensor

Sensor suhu menghasilkan sinyal sebesar 10 mV/°C. Untuk meningkatkan akurasi pembacaan, sinyal diperkuat dengan penguat berpenguatan tetap sebesar 100. Jika suhu terukur adalah 25°C, berapa tegangan output-nya?

A. 0,25 V
B. 2,5 V
C. 25 V
D. 250 V

Jawaban: B. 2,5 V

Pembahasan:
$V_{\text{in}}=25\times 10\text{mV}=250\text{mV}=\mathrm{0,25}\text{V}$
$V_{\text{out}}=100\times \mathrm{0,25}=\mathrm{2,5}\text{V}$

Soal 3: Batas Maksimum Output

Sebuah penguat memiliki batas output maksimum 5 V dan penguatan tetap (constant gain) sebesar 50 kali. Berapa nilai maksimum tegangan input yang bisa diberikan tanpa menyebabkan clipping?

A. 0,01 V
B. 0,05 V
C. 0,1 V
D. 0,5 V

Jawaban: C. 0,1 V

Pembahasan:
$V_{\text{in max}}=\frac{V_{\text{out max}}}{\text{Gain}}=\frac{5}{50}=\mathrm{0,1}\text{V}\text{<br>}$

8. Percobaan[Kembali]

figure 11.6

figure 11.7

9. Link Download[Kembali]

donwload rangkaian 11.6 [klik]

donwload rangkaian 11.7 [klik]

donwload vidio penjelasan rangkaian 11.6 [klik]

donwload vidio penjelasan rangkaian 11.7 [klik]