- Dasar-dasar Op-Amp
- Sirkuit loop terbuka Op-amp (Pembanding)
- Sirkuit loop tertutup Op-amp (Amplifier)
- Penguat Diferensial atau Pengurang Tegangan
- Bagaimana cara mengatur penguatan penguat diferensial?
- Simulasi rangkaian Penguat Diferensial
- Menguji Rangkaian Penguat Diferensial pada Perangkat Keras
Op-Amps pada awalnya dikembangkan untuk kalkulasi matematis Analog, sejak saat itu mereka telah terbukti berguna dalam banyak aplikasi desain. Seperti yang dikatakan profesor saya dengan tepat, op-amp adalah kalkulator tegangan aritmatika, mereka dapat melakukan penambahan dua nilai tegangan yang diberikan menggunakan rangkaian Penguat Penjumlahan dan perbedaan antara dua nilai tegangan menggunakan Penguat Diferensial. Selain itu Op-Amp juga biasa digunakan sebagai Pembalik Amplifier dan Penguat Non-Pembalik.
Kita telah mempelajari bagaimana kita dapat menggunakan Op-Amp sebagai Penguat Tegangan atau Penguat Penjumlah, jadi dalam tutorial ini kita akan mempelajari cara menggunakan op-amp sebagai penguat Diferensial untuk mencari perbedaan tegangan antara dua nilai tegangan. Ini juga disebut Pengurang Tegangan. Kami juga akan mencoba rangkaian pengurang tegangan pada papan tempat memotong roti dan memeriksa apakah rangkaian berfungsi seperti yang diharapkan.
Dasar-dasar Op-Amp
Sebelum kita mendalami Op-amp diferensial, mari kita pelajari dasar-dasar Op-Amp dengan cepat. Op-Amp adalah perangkat lima terminal (satu paket) dengan dua terminal (Vs +, Vs-) untuk menyalakan perangkat. Dari tiga terminal yang tersisa, dua (V +, V-) digunakan untuk sinyal yang disebut terminal Pembalik dan Non-Pembalik dan sisanya (Vout) adalah terminal keluaran. Simbol dasar Op-Amp ditunjukkan di bawah ini.
Cara kerja sebuah Op-Amp sangat sederhana, ia mengambil tegangan yang berbeda dari dua pin (V +, V-), memperkuatnya dengan nilai Gain dan memberikannya sebagai tegangan keluaran (Vout). Keuntungan sebuah Op-Amp bisa sangat tinggi sehingga cocok untuk aplikasi audio. Ingatlah selalu bahwa tegangan input Op-Amp harus lebih kecil dari tegangan operasinya. Untuk mempelajari lebih lanjut tentang op-amp, periksa aplikasinya di berbagai sirkuit berbasis op-amp.
Untuk Op-Amp Ideal impedansi input akan sangat tinggi, yaitu tidak ada arus yang mengalir masuk atau keluar Op-Amp melalui pin-pin Input (V +, V-). Untuk memahami cara kerja op-amp kita secara luas dapat mengkategorikan rangkaian op-amp sebagai loop terbuka dan loop tertutup.
Sirkuit loop terbuka Op-amp (Pembanding)
Dalam rangkaian op-amp loop terbuka, pin keluaran (Vout) tidak terhubung dengan salah satu pin masukan, sehingga tidak ada umpan balik yang diberikan. Dalam kondisi loop terbuka seperti itu, op-amp berfungsi sebagai pembanding. Komparator op-amp sederhana ditampilkan di bawah ini. Perhatikan bahwa pin Vout tidak terhubung dengan pin input V1 atau V2.
Pada kondisi ini, jika tegangan yang disuplai ke V1 lebih besar dari V2 maka output Vout akan tinggi. Demikian juga jika tegangan yang disuplai ke V2 lebih besar dari V1 maka output Vout akan rendah.
Sirkuit loop tertutup Op-amp (Amplifier)
Dalam rangkaian op-amp loop tertutup, pin output dari op-amp dihubungkan dengan salah satu pin input untuk memberikan umpan balik. Umpan balik ini disebut sebagai koneksi loop tertutup. Selama loop tertutup Op-amp bekerja sebagai penguat, selama mode ini Op-amp menemukan banyak aplikasi yang berguna seperti penyangga, pengikut tegangan, Penguat Pembalik, penguat Non-Pembalik, Penguat penjumlah, penguat Diferensial, Pengurang tegangan, dll. Jika pin Vout dihubungkan ke terminal Pembalik kemudian disebut sebagai rangkaian umpan balik negatif (ditunjukkan di bawah) dan jika dihubungkan ke terminal Non-Pembalik disebut sebagai rangkaian umpan balik positif.
Penguat Diferensial atau Pengurang Tegangan
Sekarang mari kita masuk ke topik kita, Penguat Diferensial. Penguat diferensial pada dasarnya mengambil dua nilai tegangan, menemukan perbedaan antara kedua nilai ini dan memperkuatnya. Tegangan yang dihasilkan dapat diperoleh dari pin keluaran. Rangkaian penguat Diferensial dasar ditunjukkan di bawah ini.
Tapi tunggu !, bukankah ini yang dilakukan Op-Amp secara default bahkan ketika tidak ada umpan balik, dibutuhkan dua input dan memberikan perbedaannya pada pin output. Lalu mengapa kita membutuhkan semua resistor mewah ini?
Ya, tapi op-amp bila digunakan dalam loop terbuka (tanpa feedback) akan memiliki gain tidak terkontrol yang sangat tinggi yang secara praktis tidak berguna. Jadi kami menggunakan desain di atas untuk mengatur nilai gain menggunakan resistor dalam loop umpan balik negatif. Di rangkaian kami di atas resistor R3 bertindak sebagai resistor umpan balik negatif dan resistor R2 dan R4 membentuk pembagi potensial. Nilai gain dapat diatur dengan menggunakan nilai resistor yang tepat.
Bagaimana cara mengatur penguatan penguat diferensial?
The tegangan output dari penguat diferensial yang ditunjukkan di atas dapat diberikan oleh formula di bawah ini
Vout = -V1 (R3 / R1) + V2 (R4 / (R2 + R4)) ((R1 + R3) / R1)
Rumus di atas diperoleh dari fungsi transfer rangkaian di atas menggunakan teorema superposisi. Tapi jangan terlalu banyak membahasnya. Kita dapat lebih menyederhanakan persamaan di atas dengan mempertimbangkan R1 = R2 dan R3 = R4. Jadi kita akan mendapatkannya
Vout = (R3 / R1) (V2-V1) ketika R1 = R2 dan R3 = R4
Dari rumus di atas dapat disimpulkan bahwa rasio antara R3 dan R1 akan sama dengan penguatan penguat.
Dapatkan = R3 / R1
Sekarang, mari kita ganti nilai resistor untuk rangkaian di atas dan periksa apakah rangkaian berfungsi seperti yang diharapkan.
Simulasi rangkaian Penguat Diferensial
Nilai resistor yang saya pilih adalah 10k untuk R1 dan R2 dan 22k untuk R3 dan R4. Simulasi rangkaian untuk hal yang sama ditunjukkan di bawah ini.
Untuk tujuan simulasi, saya telah menyediakan 4V untuk V2 dan 3.6V untuk V1. Resistor 22k dan 10k menurut rumus akan menetapkan penguatan sebesar 2,2 (22/10). Sehingga pengurangannya menjadi 0.4V (4-3.6) dan akan dikalikan dengan nilai gain 2.2 sehingga tegangan yang dihasilkan menjadi 0.88V seperti terlihat pada simulasi di atas. Mari juga verifikasi hal yang sama menggunakan rumus yang kita bahas sebelumnya.
Vout = (R3 / R1) (V2-V1) saat R1 = R2 dan R3 = R4 = (22/10) (4-3.6) = (2.2) x (0.4) = 0.88v
Menguji Rangkaian Penguat Diferensial pada Perangkat Keras
Sekarang ke bagian yang menyenangkan, mari kita buat sirkuit yang sama di papan tempat memotong roti dan periksa apakah kita dapat mencapai hasil yang sama. Saya menggunakan Op-Amp LM324 untuk membangun sirkuit dan menggunakan modul catu daya Breadboard yang kami buat sebelumnya. Modul ini dapat memberikan output 5V dan 3,3V, jadi saya menggunakan rel daya 5V untuk menyalakan op-amp saya dan rel daya 3,3V sebagai V1. Kemudian saya menggunakan RPS (Regulated Power Supply) saya untuk menyediakan 3.7V ke pin V2. Perbedaan antara tegangan adalah 0,4 dan kami memiliki keuntungan 2,2 yang seharusnya memberi kami 0,88V dan itulah yang saya dapatkan. Gambar di bawah ini menunjukkan set-up dan multimeter dengan pembacaan 0.88V di atasnya.
Ini membuktikan bahwa pemahaman kami tentang op-amp diferensial sudah benar dan sekarang kami tahu cara mendesainnya sendiri dengan nilai penguatan yang diperlukan. Pekerjaan lengkap juga dapat ditemukan di video yang diberikan di bawah ini. Sirkuit ini lebih sering digunakan dalam aplikasi kontrol volume.
Tetapi, karena rangkaian memiliki resistor pada sisi tegangan input (V1 dan V2), rangkaian ini tidak memberikan impedansi input yang sangat tinggi dan juga memiliki penguatan mode umum yang tinggi yang menyebabkan rasio CMRR rendah. Untuk mengatasi kekurangan ini terdapat versi improvisasi dari penguat diferensial yang disebut penguat instrumentasi, tapi mari kita tinggalkan itu untuk tutorial lain.
Harap Anda memahami tutorial dan menikmati belajar tentang penguat diferensial. Jika Anda memiliki pertanyaan, tinggalkan di bagian komentar atau gunakan forum untuk pertanyaan yang lebih teknis dan tanggapan yang lebih cepat.