IC 741 Operational Amplifier: Dasar, Operasi Rangkaian, dan Karakteristik Utama

INTRODUCTION:

Operational amplifiers banyak digunakan dalam penguat audio kita, di dalam komputer (i.e, DAC dan ADC dll), penguat instrumen (i.e, digunakan di industri untuk sensing), komparator, osilator, filter, penguat log dan Antilog, konverter V-I dan I-V, integrator, diferensiasi, di dalam generator gelombang 555 timer dll.

Apakah Anda pernah berpikir apa sebenarnya di dalam op-amp (IC 741)? , bagaimana dikonfigurasi untuk melakukan berbagai fungsi seperti yang disebutkan di atas dan apa karakteristiknya. Saya harap artikel ini akan memberikan pengetahuan dasar tentang operational amplifier.

Seperti namanya implikasi OPERATIONAL AMPLIFIER, apa yang akan Anda pikirkan tentang kata OPERATIONAL?. Jika Anda memikirkan operasi matematika maka Anda benar. Ini adalah perangkat yang dirancang untuk melakukan operasi matematika (i.e, penjumlahan, pengurangan, integrasi dan diferensiasi) dan untuk menangani sinyal analog. Dengan tambahan komponen eksternal yang sesuai, op-amp modern dapat digunakan untuk berbagai aplikasi seperti yang disebutkan di atas. Ini juga dapat digunakan untuk memperkuat sinyal AC maupun DC, kata AMPLIFIER merujuk pada peningkatan kekuatan sinyal.

Ini adalah amplifier gain sangat tinggi yang terdiri dari differential amplifier, terdiri dari level translator dan output stage. OP-amp pada dasarnya konfigurasi transistor dengan nilai resistor yang sesuai.

LET’S TAKE A BRIEF REVIEW ABOUT IC 741:

Pada tahun 1965, Fairchild memperkenalkan uA709 yang merupakan op-amp generasi pertama. Ia memiliki beberapa kelemahan, yang memerlukan komponen eksternal untuk perlindungannya. Kelemahannya adalah: tidak ada perlindungan short circuit, masalah latch-up, masalah kompensasi frekuensi yang memerlukan komponen eksternal(i.e, 2 kapasitor dan resistor).

Pada tahun 1968, Fairchild memperkenalkan uA741 properti internal compensated. Berbeda dengan uA709, ia tidak memiliki masalah latch-up, dilindungi terhadap short circuit, dan stabilitas frekuensi. uA741 juga dikenal sebagai op-amp generasi kedua.

IC IDENTIFICATION AND PIN CONFIGURATION OF IC 741

Karena saat ini banyak produsen yang memproduksi op-amp 741. Bagaimana kita dapat mengidentifikasi apakah op-amp 741 diproduksi oleh produsen tertentu. Banyak op-amp diidentifikasi dengan menggunakan kode ID tujuh karakter. Contoh

Pertama, prefix mengidentifikasi produsen tertentu. Kedua, designator yang memberi tahu kami dua hal ( (i) nomor tiga digit mengidentifikasi tipe op-amp. (ii) huruf terakhir menunjukkan suhu operasi op-amp tertentu). Ketiga, suffix menunjukkan tipe paket.

Pin 7 dan pin 4 digunakan sebagai pin suplai, di pin 7 suplai positif harus terhubung dan di pin 4 suplai negatif harus terhubung. Ia memiliki dua input (i.e, satu adalah inverting input pin 2 dan yang lain adalah non inverting input pin 3). Pin 1 dan pin 5 adalah offset null pins, potensiometer (nilai tipikal 10k) terhubung di antara terminal ini untuk mengatur output menjadi nol. Pin 8 tidak memiliki koneksi dengan rangkaian internal op-amp, dibuat untuk memenuhi standar paket IC 8-pin.

INTERNAL CIRCUITRY OF IC741 OP-AMP:

Pada dasarnya, op-amp transistor bipolar IC 741 terdiri dari 20 transistor BJT. Sekarang untuk memahami rangkaian internal mari kita bagi rangkaian menjadi blok-blok yang berbeda.

1. Blok yang diilustrasikan dengan warna biru terdiri dari differential amplifier.
2. Blok yang diilustrasikan dengan warna merah terdiri dari current mirrors.
3. Blok yang diilustrasikan dengan warna magenta, terdiri dari amplifier kelas A (i.e, voltage amplifier)
4. Blok yang diilustrasikan dengan warna hijau dan biru muda terdiri dari level translator dan output amplifier (i.e, amplifier kelas AB).

Sekarang mari kita pahami masing-masing blok:

Differential amplifier pertama terdiri dari matched NPN emitter follower Q1 & Q2 yang memberikan input impedance tinggi dan memberikan gain, kemudian, matched common base Q3 & Q4 transistor PNP yang digunakan untuk mendorong active load Q7, Q5, dan Q6. Q5 dan Q6 adalah matched pair dan melakukan fungsi differential amplifier untuk input sinyal offset null. Arus Q5 & Q6 dikontrol dengan memvariasi pot 10k yang terhubung di antara pin input 1&5. Transistor Q1&Q3 cascaded secara seri dan Q2&Q4 juga cascaded yang memberikan gain tinggi saat input diterapkan pada terminal inputnya. Differential amplifier juga memiliki kemampuan untuk menolak sinyal umum(i.e, noise yang umum di kedua terminal input).

Current mirrors terdiri dari (Q8-Q9) dan (Q12-Q13) dikonfigurasi sebagai Wilson current mirror. Sedangkan, transistor Q10-Q11 dikonfigurasi sebagai wider current mirror current mirrors ini mempertahankan quiescent current konstan ke rangkaian untuk operasi stabil.

Amplifier kelas A terdiri dari dua transistor NPN Q15&Q19 yang dikonfigurasi sebagai Darlington pair dan memberikan voltage gain, transistor Q22 digunakan untuk mencegah excess current yang diberikan ke Q20 (i.e, sink transistor yang menerima arus dari common collector Darlington pair).

Transistor Q16 bersama dengan resistor 4,5k dan 7,5k (dikenal sebagai voltage level shifter), rangkaian ini digunakan untuk mencegah output sinyal dari distorsi. Sekarang amplifier pada output stage adalah amplifier kelas AB (consisting of Q14, Q17&Q20). Q14 & Q20 adalah amplifier kelas AB komplementer yang memberikan output impedance sekitar 50-75 Ohm dan memberikan current gain. Sedangkan Q17 membatasi current pada output.

Arus dari current mirror (Q8 dan Q9) dibagi ke differential amplifier yang terdiri dari (Q1-Q3) & (Q2-Q4). Sekarang arus dari common base transistors (Q3&Q4) dijumlahkan dengan arus dari wider current mirror (Q10&Q11), Q7 digunakan untuk mendorong Q5 dan Q6. Quiescent current diatur di Q16 dan Q19 diatur karena Wilson current mirror (Q12&Q13). Nilai 30pF digunakan untuk frequency compensation.

CONFIGURATION OF OP-AMP(IC 741):

Dua konfigurasi utama op-amp

1) Open-loop configuration: dalam konfigurasi ini IC 741 dapat digunakan sebagai amplifier gain sangat tinggi. Dalam open-loop, gain secara ideal tak hingga sehingga output akan saturasi baik di tegangan suplai positif atau tegangan suplai negatif. Sistem open-loop ini memiliki tiga konfigurasi dasar:

a) DIFFERENTIAL AMPLIFIER:
b) INVERTING AMPLIFIER:
c) NON-INVERTING AMPLIFIER:

2) Close-loop configuration: dalam konfigurasi ini, terhubung sebagai susunan umbal balik negatif. Rangkaian umbal balik melalui resistor(i.e, komponen pasif)

a) NON-INVERTING AMPLIFIER: input diterapkan pada terminal non-invert. Gain dapat dihitung menggunakan nilai resistor. Rf adalah feedback resistor.

Av= 1 + (Rf / R1)

b) INVERTING AMPLIFIER: input diterapkan pada terminal inverting.

Av= – (Rf / R1)

c) DIFFERENTIAL AMPLIFIER: dalam input ini diterapkan pada kedua input, yang akan memperkuat selisih di antara dua input.

Av=

d) VOLTAGE FOLLOWER: Ini adalah susunan menggunakan non-inverting amplifier, dalam ini alih-alih memberikan umbal balik melalui resistor, kita akan memendekkan feedback Rf dan membuka R1. Gain rangkaian umbal balik akan berkurang menjadi (Av= 1), digunakan sebagai buffer. Dalam ini, output sama dengan input. Untuk contoh, digunakan dalam instrumentation amplifier, untuk mengambil sinyal sangat kecil (i.e, dalam mV) dari transducer.

CHARACTERISTICS OF IC 741(OP-AMP):

1) INPUT BIAS CURRENT:

Karena op-amp terdiri dari transistor BJT, differential amplifier yang memerlukan dc biasing current untuk operasi stabil. Nilai quiescent dc biasing current yang ditarik oleh op-amp disebut input bias current rating dari amplifier.

uA741 ratingnya antara 80nA(typical) hingga 500nA(maximum). Input bias current adalah rata-rata dari dua input base current.

I(bias) = ( I(b1) + I(b2) ) / 2

2) INPUT OFFSET CURRENT:

Selisih antara arus yang masuk ke terminal inverting dan non inverting disebut input offset current. Ini memberi tahu seberapa besar satu arus dari yang lain. 741 biasanya memiliki 20nA arus ini.

Semakin kecil offset current semakin baik op-amp.

I(b1)= non-inverting input terminal current

I(b2)= inerting input terminal current

I(io)= | I(b1) – I(b2) |

3) INPUT OFFSET VOLTAGE:

Tegangan ini diterapkan di antara dua terminal input untuk membuat output op-amp menjadi nol. 741 memiliki input offset voltage terburuk sebesar 5mV.

4) SLEW RATE:

Slew rate mengidentifikasi seberapa besar frekuensi maksimum pada input yang diterapkan untuk mencegah output dari distorsi. 741 memiliki slew rate tipikal 0,5 volt per mikrodetik (V/us). Diukur dengan memberikan pulsa menggunakan function generator pada input sambil menghubungkan channel osiloskop pada input dan output (set osiloskop pada dual mode). Ini adalah parameter yang sangat penting.

5) Output load:

Memerlukan load pada output yang lebih besar dari 2k Ohm. Memiliki input impedance sekitar 2Megaohms, dan output impedance antara (50-75) Ohms. Open loop gain-nya sekitar 200.000 untuk frekuensi rendah.

FREQUENCY RESPONSE:

Dalam open loop, op-amp 741 memiliki gain sangat tinggi, respons ini tidak terlalu baik. Untuk meningkatkan gain kita menerapkan rangkaian umbal balik negatif, dengan menerapkan rangkaian umbal balik negatif gain mulai turun cukup dramatis, dengan menerapkan lebih banyak umbal balik negatif bandwidth menjadi lebih lebar. (bandwidth merujuk pada rentang frekuensi yang didukung op-amp).