Penguat “Operasional”

Jauh sebelum munculnya teknologi elektronik digital, komputer dibangun untuk melakukan perhitungan secara elektronik dengan menggunakan tegangan dan arus untuk mewakili jumlah numerik. Ini sangat berguna untuk simulasi proses fisik. Tegangan variabel, misalnya, mungkin mewakili kecepatan atau gaya dalam sistem fisik. Melalui penggunaan pembagi tegangan resistif dan penguat tegangan, operasi matematika pembagian dan perkalian dapat dengan mudah dilakukan pada sinyal-sinyal ini.

Fungsi Turunan Kalkulus Sebagai Dasar untuk Menghitung Arus Kapasitor

Sifat reaktif kapasitor dan induktor cocok untuk simulasi variabel yang terkait dengan fungsi kalkulus. Ingat bagaimana arus yang melalui kapasitor merupakan fungsi dari laju perubahan tegangan, dan bagaimana laju perubahan itu dinyatakan dalam kalkulus sebagai turunan ? Nah, jika tegangan melintasi kapasitor dibuat untuk mewakili kecepatan suatu benda, arus yang melalui kapasitor akan mewakili gaya yang diperlukan untuk mempercepat atau memperlambat benda itu, kapasitansi kapasitor mewakili massa benda:

Komputasi elektronik analog dari fungsi turunan kalkulus ini secara teknis dikenal sebagai diferensiasi , dan itu adalah fungsi alami dari arus kapasitor dalam kaitannya dengan tegangan yang diterapkan di atasnya. Perhatikan bahwa sirkuit ini tidak memerlukan "pemrograman" untuk melakukan fungsi matematika yang relatif maju ini seperti yang dilakukan komputer digital.

Sirkuit elektronik sangat mudah dan murah untuk dibuat dibandingkan dengan sistem fisik yang kompleks, sehingga jenis simulasi elektronik analog ini banyak digunakan dalam penelitian dan pengembangan sistem mekanik. Namun, untuk simulasi realistis, sirkuit penguat dengan akurasi tinggi dan konfigurasi yang mudah diperlukan di komputer awal ini.

Keuntungan Diferensial dibandingkan Amplifier Ujung Tunggal

Ditemukan dalam proses desain komputer analog bahwa penguat diferensial dengan penguatan tegangan yang sangat tinggi memenuhi persyaratan akurasi dan kemampuan konfigurasi ini lebih baik daripada penguat ujung tunggal dengan penguatan yang dirancang khusus. Menggunakan komponen sederhana yang terhubung ke input dan output penguat diferensial gain tinggi, hampir semua penguatan dan fungsi apa pun dapat diperoleh dari rangkaian, secara keseluruhan, tanpa menyesuaikan atau memodifikasi sirkuit internal penguat itu sendiri. Penguat diferensial gain tinggi ini kemudian dikenal sebagai penguat operasional , atau op-amp, karena penerapannya dalam operasi matematika komputer analog.

Beberapa Fitur Op-Amp

Op-amp modern, seperti model populer 741, adalah sirkuit terpadu yang murah dan berkinerja tinggi. Impedansi masukannya cukup tinggi, masukan menarik arus dalam kisaran setengah mikroamp (maksimum) untuk 741, dan jauh lebih sedikit untuk op-amp yang menggunakan transistor masukan efek medan. Impedansi keluaran biasanya cukup rendah, sekitar 75 untuk model 741, dan banyak model memiliki perlindungan hubung singkat keluaran bawaan, yang berarti bahwa keluarannya dapat langsung dihubung singkat ke ground tanpa menyebabkan kerusakan pada sirkuit internal. Dengan kopling langsung antara tahap transistor internal op-amp, mereka dapat memperkuat sinyal DC seperti halnya AC (sampai batas waktu kenaikan tegangan maksimum tertentu). Akan jauh lebih mahal dalam uang dan waktu untuk merancang rangkaian penguat transistor diskrit yang sebanding agar sesuai dengan kinerja semacam itu, kecuali kemampuan daya tinggi diperlukan. Karena alasan ini, op-amp memiliki semua penguat sinyal transistor diskrit kecuali penguat sinyal di banyak aplikasi.

Diagram berikut menunjukkan koneksi pin untuk op-amp tunggal (termasuk 741) ketika ditempatkan di DIP 8-pin (D ual Saya nline P ackage) sirkuit terpadu:

Beberapa model op-amp datang dalam satu paket, termasuk model populer TL082 dan 1458. Ini disebut unit "ganda", dan biasanya ditempatkan dalam paket DIP 8-pin juga, dengan koneksi pin berikut:

Penguat operasional juga tersedia empat paket, biasanya dalam pengaturan DIP 14-pin. Sayangnya, penetapan pin tidak standar untuk op-amp "quad" ini seperti halnya untuk unit "ganda" atau tunggal. Lihat lembar data produsen untuk detailnya.

Keuntungan tegangan penguat operasional praktis berada di kisaran 200.000 atau lebih, yang membuatnya hampir tidak berguna sebagai penguat diferensial analog sendiri. Untuk op-amp dengan penguatan tegangan (A_V ) sebesar 200.000 dan ayunan tegangan keluaran maksimum +15V/-15V, yang diperlukan hanyalah tegangan masukan diferensial 75 V (mikrovolt) untuk mendorongnya ke saturasi atau pemutusan! Sebelum kita melihat bagaimana komponen eksternal digunakan untuk menurunkan penguatan ke tingkat yang wajar, mari kita selidiki aplikasi untuk op-amp "telanjang" itu sendiri.

Pembanding

Satu aplikasi disebut komparator . Untuk semua tujuan praktis, kita dapat mengatakan bahwa output op-amp akan jenuh sepenuhnya positif jika input (+) lebih positif daripada input (-), dan jenuh sepenuhnya negatif jika input (+) kurang positif. daripada masukan (-). Dengan kata lain, penguatan tegangan op-amp yang sangat tinggi membuatnya berguna sebagai perangkat untuk membandingkan dua tegangan dan mengubah status tegangan keluaran ketika satu masukan melebihi yang lain besarnya.

Pada rangkaian di atas, kita memiliki op-amp yang terhubung sebagai pembanding, membandingkan tegangan input dengan tegangan referensi yang ditetapkan oleh potensiometer (R₁ ). Jika V_di turun di bawah tegangan yang ditetapkan oleh R₁ , output op-amp akan jenuh ke +V, sehingga menyalakan LED. Jika tidak, jika V_di di atas tegangan referensi, LED akan tetap mati. Jika Vin adalah sinyal tegangan yang dihasilkan oleh alat ukur, rangkaian komparator ini dapat berfungsi sebagai alarm “rendah”, dengan titik trip diatur oleh R₁ . Alih-alih LED, output op-amp dapat menggerakkan relai, transistor, SCR, atau perangkat lain apa pun yang mampu mengalihkan daya ke beban seperti katup solenoida, untuk mengambil tindakan jika alarm rendah.

Konverter Gelombang Persegi

Aplikasi lain untuk rangkaian komparator yang ditampilkan adalah konverter gelombang persegi. Misalkan tegangan input yang diterapkan pada input pembalik (-) adalah gelombang sinus AC daripada tegangan DC yang stabil. Dalam hal ini, tegangan keluaran akan bertransisi antara keadaan jenuh yang berlawanan setiap kali tegangan masukan sama dengan tegangan referensi yang dihasilkan oleh potensiometer. Hasilnya adalah gelombang persegi:

Penyesuaian pada pengaturan potensiometer akan mengubah tegangan referensi yang diterapkan ke input non-pembalik (+), yang akan mengubah titik di mana gelombang sinus akan menyeberang, mengubah waktu hidup/mati, atau siklus tugas dari gelombang persegi:

Harus terbukti bahwa tegangan input AC tidak harus berupa gelombang sinus khususnya untuk sirkuit ini untuk melakukan fungsi yang sama. Tegangan input bisa berupa gelombang segitiga, gelombang gigi gergaji, atau jenis gelombang lainnya yang menggenjot mulus dari positif ke negatif ke positif lagi. Rangkaian komparator semacam ini sangat berguna untuk membuat gelombang persegi dengan siklus kerja yang bervariasi. Teknik ini terkadang disebut sebagai modulasi lebar pulsa , atau PWM (bervariasi, atau memodulasi bentuk gelombang sesuai dengan sinyal pengontrol, dalam hal ini sinyal yang dihasilkan oleh potensiometer).

Pengemudi Bargraph

Aplikasi pembanding lainnya adalah driver bargraph. Jika kita memiliki beberapa op-amp yang terhubung sebagai pembanding, masing-masing dengan tegangan referensi sendiri terhubung ke input pembalik, tetapi masing-masing memantau sinyal tegangan yang sama pada input non-pembaliknya, kita dapat membangun pengukur gaya grafik batang seperti yang biasa terlihat di muka tuner stereo dan equalizer grafis. Saat tegangan sinyal (mewakili kekuatan sinyal radio atau tingkat suara audio) meningkat, setiap komparator akan "menyala" secara berurutan dan mengirimkan daya ke masing-masing LED. Dengan setiap komparator yang "aktif" pada tingkat suara audio yang berbeda, jumlah LED yang menyala akan menunjukkan seberapa kuat sinyalnya.

Dalam rangkaian yang ditunjukkan di atas, LED1 akan menjadi yang pertama menyala saat tegangan input meningkat ke arah yang positif. Saat tegangan input terus meningkat, LED lainnya akan menyala berturut-turut, sampai semuanya menyala.

Teknologi yang sama digunakan di beberapa konverter sinyal analog-ke-digital, yaitu konverter flash , untuk menerjemahkan kuantitas sinyal analog menjadi rangkaian tegangan hidup/mati yang mewakili angka digital.

TINJAUAN:

• Bentuk segitiga adalah simbol umum untuk rangkaian penguat, ujung lebar menandakan input dan ujung sempit menandakan output.
• Kecuali ditentukan lain, semua tegangan dalam rangkaian penguat direferensikan ke ground common yang sama titik, biasanya terhubung ke satu terminal catu daya. Dengan cara ini, kita dapat berbicara tentang sejumlah tegangan yang "pada" satu kabel, sambil menyadari bahwa tegangan selalu diukur antara dua titik.
• Sebuah penguat diferensial adalah salah satu memperkuat tegangan perbedaan antara dua input sinyal. Dalam rangkaian seperti itu, satu input cenderung mengarahkan tegangan output ke polaritas yang sama dari sinyal input, sedangkan input lainnya melakukan hal yang sebaliknya. Akibatnya, input pertama disebut noninverting (+) input dan yang kedua disebut pembalik (-) masukan.
• Sebuah penguat operasional (atau disingkat op-amp) adalah penguat diferensial dengan penguatan tegangan yang sangat tinggi (A_V =200.000 atau lebih). Namanya berasal dari penggunaan aslinya dalam sirkuit komputer analog (melakukan operasi matematika).
• Op-amp biasanya memiliki impedansi input yang sangat tinggi dan impedansi output yang cukup rendah.
• Terkadang op-amp digunakan sebagai sinyal komparator , beroperasi dalam mode cutoff atau saturasi penuh tergantung pada input mana (pembalik atau nonpembalik) yang memiliki tegangan terbesar. Pembanding berguna dalam mendeteksi kondisi sinyal “lebih besar dari” (membandingkan satu dengan yang lain).
• Satu aplikasi pembanding disebut modulator lebar pulsa , dan dibuat dengan membandingkan sinyal AC gelombang sinus dengan tegangan referensi DC. Saat tegangan referensi DC disesuaikan, output gelombang persegi dari komparator mengubah siklus kerjanya (waktu positif versus negatif). Dengan demikian, tegangan referensi DC mengontrol, atau memodulasi lebar pulsa dari tegangan keluaran.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Penguat Operasional Dasar