Dari Tabung Vacum hingga Sirkuit Terpadu: Evolusi Model Penguat Operasional

Saat sebagian besar orang berpikir tentang penguat operasional, mereka membayangkan IC berbasis silikon. Namun, penguat operasional komersial awal adalah rangkaian tabung vacum.

Pada tahun 1952, George A. Philbrick Researches, Inc. memperkenalkan K2-W, penguat operasional general-purpose pertama. Dilengkapi dengan dua tabung twin-triode yang terletak dalam soket oktal (8-pin), sehingga mudah dipasang dan diperbaiki dalam rangka pada zamannya.

Skematik menunjukkan rangkaian twin-triode bersama dengan sepuluh resistor dan dua kapasitor—desain yang luar biasa sederhana untuk zamannya.

Bagaimana Tabung Vacum Bekerja

Tabung vacum berperilaku seperti IGFET tipe N-channel depletion: grid kontrol menghantarkan lebih banyak arus ketika lebih positif relatif terhadap katoda, dan lebih sedikit ketika kurang positif. Dalam K2-W, twin-triode kiri membentuk pasangan diferensial yang mengonversi input inverting dan non-inverting menjadi satu sinyal yang diperkuat. Pembagi tegangan 1 MΩ – 2,2 MΩ menyediakan sinyal ini ke triode kiri tabung kedua, yang memberikan gain tegangan tambahan dan membalik output. Triode kedua kemudian mendorong tahap non-inverting untuk gain arus. Tabung neon berfungsi sebagai regulator tegangan, mirip dengan dioda zener, menyediakan tegangan bias di antara dua penguat simetrik.

Dengan pasokan dual +300 / –300 V, K2-W hanya dapat mengayunkan output ±50 V. Ia menawarkan gain open-loop 15.000 – 20.000, laju naik ±12 V/µs, arus output maksimum 1 mA, dan konsumsi daya diam melebihi 3 W (tidak termasuk daya filamen). Pada tahun 1952, harganya sekitar $24.

Transistor Padat dan Generasi Berikutnya

Teknologi transistor memungkinkan op-amp yang mengonsumsi daya diam jauh lebih sedikit dan jauh lebih andal, sambil mempertahankan performa yang serupa. P55A Philbrick tahun 1966, misalnya, menawarkan gain open-loop 40.000, laju naik 1,5 V/µs, dan ayunan output ±11 V dari pasokan ±15 V. Arus output maksimumnya 2,2 mA, dan dijual seharga $49 (sekitar $21 untuk versi utility). P55A adalah desain komponen diskrit yang terletak dalam “batu” padat yang mirip paket IC besar.

Mungkin untuk membangun op-amp dasar dari komponen diskrit, seperti yang diilustrasikan oleh skematik di bawah ini. Pasangan diferensial yang dibentuk oleh transistor Q3 dan Q4 melayani peran yang sama dengan twin-triode dalam K2-W, mengonversi input diferensial menjadi output simetrik.

Penguat operasional sederhana yang dibangun dari komponen diskrit.

Revolusi Sirkuit Terpadu

Perkenalan IC pada pertengahan tahun 1960 mengubah desain op-amp. Fairchild merilis 702, 709, dan 741 yang kini ikonik antara 1964 dan 1968. Meskipun 741 dianggap usang menurut standar saat ini, ia masih populer di kalangan hobi karena keandalannya dan perlindungan kortslitansi.

Skematik internal op-amp 741.

Dengan teknologi SSI, 741 hanya berisi sejumlah kecil komponen, sehingga tidak praktis untuk direplikasi dengan komponen diskrit. Ini mengilustrasikan keuntungan jelas bahkan dari IC awal dibandingkan dengan rangkaian komponen diskrit yang besar.

Perbandingan Performa Op-amp Populer

Di bawah ini adalah pilihan op-amp berkenaan rendah yang mengilustrasikan rentang karakteristik performa yang tersedia saat ini. 741 dimasukkan sebagai patokan, meskipun desain yang lebih baru jauh melebihi spesifikasinya.

Penguat operasional yang banyak digunakan

Model	Perangkat / Paket	Pasokan Daya (V)	Bandwidth (MHz)	Arus Bias (nA)	Laju Naik (V/µS)	Arus Output (mA)
TL082	2	12 / 36	4	8	13	17
LM301A	1	10 / 36	1	250	0,5	25
LM318	1	10 / 40	15	500	70	20
LM324	4	3 / 32	1	45	0,25	20
LF353	2	12 / 36	4	8	13	20
LF356	1	10 / 36	5	8	12	25
LF411	1	10 / 36	4	20	15	25
741C	1	10 / 36	1	500	0,5	25
LM833	2	10 / 36	15	1050	7	40
LM1458	2	6 / 36	1	800	10	45
CA3130	1	5 / 16	15	0,05	10	20

Seperti yang ditunjukkan dalam tabel, arus bias bervariasi secara dramatis: CA3130, desain berbasis MOSFET, menghasilkan arus bias 0,05 nA (50 pA) yang luar biasa, sementara LM833, yang menggunakan transistor bipolar, dapat menarik lebih dari 1 µA. Impedansi input CA3130 diiklankan sebesar 1,5 TΩ (1,5 × 10¹² Ω).

Meskipun 741 adalah buku teks yang umum, performanya telah diungguli oleh perangkat modern. Misalnya, LM1458 berbagi paket 741 tetapi menawarkan rentang pasokan yang lebih lebar, laju naik 50 kali lebih tinggi, dan hampir dua kali arus output, sambil tetap mempertahankan perlindungan kortslitansi.

Berikut rekomendasi saya:

• Rangkaian arus bias rendah (misalnya, integrator berkecepatan rendah): CA3130.
• Penguatan DC general-purpose: LM1458 (dua op-amp dalam satu paket DIP 8-pin).
• Bandwidth lebih tinggi: LF353 (input JFET, empat kali bandwidth LM1458).
• Operasi tegangan rendah: LM324 (berjalan dengan hanya 3 V, menawarkan empat op-amp dalam paket 14-pin).
• Penguatan AC berfrekuensi tinggi: LM318.

Op-amp Bandwidth Tinggi dan Arus Tinggi

Op-amp tujuan khusus memberikan performa luar biasa dengan biaya yang terjangkau. Tabel berikut menyoroti model yang dioptimalkan untuk bandwidth atau output arus.

Penguat operasional bandwidth tinggi

Model	Perangkat / Paket	Pasokan Daya (V)	Bandwidth (MHz)	Arus Bias (nA)	Laju Naik (V/µS)	Arus Output (mA)
CLC404	1	10 / 14	232	44.000	2600	70
CLC425	1	5 / 14	1900	40.000	350	90

CLC404 berlangganan $21,80, setara dengan harga K2-W asli pada tahun 1952. CLC425 lebih terjangkau seharga $3,23 per unit. Keduanya mencapai kecepatan tinggi dengan pengorbanan arus bias yang lebih tinggi dan rentang pasokan yang lebih ketat.

Penguat operasional arus tinggi

Model	Perangkat / Paket	Pasokan Daya (V)	Bandwidth (MHz)	Arus Bias (nA)	Laju Naik (V/µS)	Arus Output (mA)
LM12CL	1	15 / 80	0,7	1000	9	13.000
LM7171	1	5,5 / 36	200	12.000	4100	100

LM12CL dapat menghasilkan arus output 13 A yang luar biasa dengan harga $14,40. Sebaliknya, LM7171 menawarkan laju naik tinggi (4 kV/µs) hanya seharga $1,19.

Untuk desain yang menuntut presisi atau ketelitian ekstrim, produsen seperti Burr-Brown dan Analog Devices menyediakan penguat instrumentasi yang telah dirancang dan perangkat khusus lainnya. Blok-blok ini lebih mahal dari op-amp polos, namun menyederhanakan desain rangkaian dan seringkali meningkatkan keandalan.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Penguat Operasional Dasar