Penguat Diferensial (Differential Amplifier)
Penguat diferensial memperkuat perbedaan tegangan pada input inverting dan non-inverting. Sejauh ini kami hanya menggunakan satu dari input penguat operasional (Op-amp) untuk terhubung ke penguat, baik menggunakan terminal input "inverting Op-amp" atau "non-inverting Op-amp" untuk memperkuat sinyal input tunggal dengan input lain yang terhubung ke ground.
Tetapi karena penguat operasional (Op-amp) standar memiliki dua input, inverting dan non-inverting, kita juga dapat menghubungkan sinyal ke kedua input ini pada saat yang sama menghasilkan jenis umum rangkaian Op-amp yang disebut Penguat Diferensial atau Differential Amplifier.
Pada dasarnya, seperti yang kita lihat di tutorial pertama tentang Dasar Penguat Operasional (Op-amp), semua Op-amp adalah “Penguat Diferensial” karena konfigurasi inputnya. Tetapi dengan menghubungkan satu sinyal tegangan ke satu terminal input dan sinyal tegangan lainnya ke terminal input lainnya, tegangan output yang dihasilkan akan sebanding dengan "Perbedaan/Difference" antara dua sinyal tegangan input V1 dan V2.
Kemudian penguat diferensial memperkuat perbedaan antara dua tegangan membuat jenis rangkaian Op-amp ini menjadi Subtractor/Pengurang tidak seperti Penguat Penjumlah (Summing Amplifier) yang menambah atau menjumlahkan bersama tegangan input. Jenis rangkaian Op-amp ini umumnya dikenal sebagai konfigurasi Penguat Diferensial dan ditunjukkan di bawah ini:
Dengan menghubungkan setiap input pada gilirannya ke ground 0v kita dapat menggunakan superposisi untuk menyelesaikan tegangan output Vout. Kemudian fungsi transfer untuk rangkaian Penguat Diferensial diberikan sebagai:
Ketika resistor, R1 = R2 dan R3 = R4 fungsi transfer di atas untuk penguat diferensial dapat disederhanakan menjadi ekspresi berikut:
Jika semua Resistor semuanya memiliki nilai ohm yang sama, yaitu: R1 = R2 = R3 = R4 maka rangkaian akan menjadi Penguat Diferensial Gain Unity dan gain tegangan penguat akan tepat satu atau kesatuan. Maka ekspresi output hanya akan menjadi Vout = V2 - V1.
Perhatikan juga bahwa jika input V1 lebih tinggi dari input V2, jumlah tegangan output akan negatif, dan jika V2 lebih tinggi dari V1, jumlah tegangan output akan positif.
Rangkaian Penguat Diferensial adalah rangkaian Op-amp yang sangat berguna dan dengan menambahkan lebih banyak resistor secara paralel dengan resistor input R1 dan R3, rangkaian yang dihasilkan dapat dibuat untuk “Tambah” atau “Kurangi” tegangan yang diterapkan pada masing-masing input.
Salah satu cara yang paling umum untuk melakukan ini adalah dengan menghubungkan "Jembatan Resistif" yang biasa disebut Jembatan Wheatstone ke input penguat seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Rangkaian penguat Diferensial standar sekarang menjadi komparator tegangan diferensial dengan "Membandingkan" satu tegangan input dengan yang lainnya. Sebagai contoh, dengan menghubungkan satu input ke referensi tegangan tetap yang diatur pada satu kaki dari jaringan jembatan resistif dan yang lainnya ke "Termistor" atau "Light Dependent Resistor (LDR)".
Rangkaian penguat dapat digunakan untuk mendeteksi rendah atau tinggi tingkat suhu atau cahaya ketika tegangan output menjadi fungsi linier dari perubahan kaki aktif jembatan resistif dan ini ditunjukkan di bawah ini.
Di sini, rangkaian di atas bertindak sebagai sakelar yang diaktifkan cahaya yang mengubah relai output "ON" atau "OFF" karena tingkat cahaya yang terdeteksi oleh resistor LDR melebihi atau jatuh di bawah beberapa nilai yang telah ditentukan sebelumnya. Referensi tegangan tetap diterapkan pada terminal input Non-inverting Op-amp melalui jaringan pembagi tegangan R1 - R2.
Nilai tegangan pada V1 menetapkan titik trip Op-amp dengan potensi umpan balik, VR2 digunakan untuk mengatur histerisis switching. Itulah perbedaan antara level lampu untuk "ON" dan level lampu untuk "OFF".
Kaki kedua dari penguat diferensial terdiri dari resistor tergantung cahaya standar, juga dikenal sebagai LDR, sensor fotoresistif yang mengubah nilai resistifnya (seperti namanya) dengan jumlah cahaya pada selnya karena nilai resistifnya adalah fungsi penerangan.
LDR (Light Denpendent Resistor) dapat berupa jenis sel fotokonduktif cadmium-sulfida (cdS) standar seperti NORP12 umum yang memiliki kisaran resistif antara sekitar 500Ω di bawah sinar matahari hingga sekitar 20kΩ atau lebih dalam gelap.
Sel fotokonduktif NORP12 memiliki respon spektral yang mirip dengan mata manusia sehingga ideal untuk digunakan dalam aplikasi tipe kontrol pencahayaan. Resistansi fotosel sebanding dengan tingkat cahaya dan turun dengan meningkatnya intensitas cahaya sehingga tingkat tegangan pada V2 juga akan berubah di atas atau di bawah titik switching yang dapat ditentukan oleh posisi VR1.
Kemudian dengan mengatur trip level cahaya atau mengatur posisi menggunakan Potensiometer VR1 dan histerisis switching menggunakan potensiometer, VR2 dapat membuat sakelar sensitif cahaya yang presisi. Bergantung pada aplikasinya, output dari Op-amp dapat mengalihkan beban secara langsung, atau menggunakan sakelar transistor untuk mengontrol Relai atau lampu itu sendiri.
Dimungkinkan juga untuk mendeteksi suhu menggunakan jenis konfigurasi rangkaian sederhana ini dengan mengganti resistor yang tergantung cahaya dengan termistor. Dengan menukar posisi VR1 dan LDR, rangkaian dapat digunakan untuk mendeteksi terang atau gelap, atau panas atau dingin menggunakan termistor.
Salah satu batasan utama dari jenis desain penguat ini adalah bahwa impedansi inputnya lebih rendah dibandingkan dengan konfigurasi Op-amp lainnya, misalnya, penguat non-inverting (input ujung tunggal).
Setiap sumber tegangan input harus menggerakkan arus melalui resistansi input, yang memiliki impedansi keseluruhan lebih sedikit daripada input Op-amp saja. Ini mungkin baik untuk sumber impedansi rendah seperti rangkaian jembatan di atas, tetapi tidak begitu baik untuk sumber impedansi tinggi.
Dan salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan cara menambahkan Unity Gain Buffer Amplifier seperti pengikut tegangan (voltage follower) yang sudah kami bahas pada tutorial sebelumnya untuk masing-masing resistor input.
Ini kemudian memberi kita rangkaian penguat diferensial dengan impedansi input sangat tinggi dan impedansi output rendah karena terdiri dari dua buffer non-inverting dan satu penguat diferensial. Ini kemudian membentuk dasar bagi sebagian besar "Instrumentasi penguat".
Tetapi karena penguat operasional (Op-amp) standar memiliki dua input, inverting dan non-inverting, kita juga dapat menghubungkan sinyal ke kedua input ini pada saat yang sama menghasilkan jenis umum rangkaian Op-amp yang disebut Penguat Diferensial atau Differential Amplifier.
Pada dasarnya, seperti yang kita lihat di tutorial pertama tentang Dasar Penguat Operasional (Op-amp), semua Op-amp adalah “Penguat Diferensial” karena konfigurasi inputnya. Tetapi dengan menghubungkan satu sinyal tegangan ke satu terminal input dan sinyal tegangan lainnya ke terminal input lainnya, tegangan output yang dihasilkan akan sebanding dengan "Perbedaan/Difference" antara dua sinyal tegangan input V1 dan V2.
Kemudian penguat diferensial memperkuat perbedaan antara dua tegangan membuat jenis rangkaian Op-amp ini menjadi Subtractor/Pengurang tidak seperti Penguat Penjumlah (Summing Amplifier) yang menambah atau menjumlahkan bersama tegangan input. Jenis rangkaian Op-amp ini umumnya dikenal sebagai konfigurasi Penguat Diferensial dan ditunjukkan di bawah ini:
Rangkaian Penguat Diferensial
Dengan menghubungkan setiap input pada gilirannya ke ground 0v kita dapat menggunakan superposisi untuk menyelesaikan tegangan output Vout. Kemudian fungsi transfer untuk rangkaian Penguat Diferensial diberikan sebagai:
Persamaan Penguat Diferensial
Jika semua Resistor semuanya memiliki nilai ohm yang sama, yaitu: R1 = R2 = R3 = R4 maka rangkaian akan menjadi Penguat Diferensial Gain Unity dan gain tegangan penguat akan tepat satu atau kesatuan. Maka ekspresi output hanya akan menjadi Vout = V2 - V1.
Perhatikan juga bahwa jika input V1 lebih tinggi dari input V2, jumlah tegangan output akan negatif, dan jika V2 lebih tinggi dari V1, jumlah tegangan output akan positif.
Rangkaian Penguat Diferensial adalah rangkaian Op-amp yang sangat berguna dan dengan menambahkan lebih banyak resistor secara paralel dengan resistor input R1 dan R3, rangkaian yang dihasilkan dapat dibuat untuk “Tambah” atau “Kurangi” tegangan yang diterapkan pada masing-masing input.
Salah satu cara yang paling umum untuk melakukan ini adalah dengan menghubungkan "Jembatan Resistif" yang biasa disebut Jembatan Wheatstone ke input penguat seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Penguat Diferensial Jembatan Wheatstone
Rangkaian penguat Diferensial standar sekarang menjadi komparator tegangan diferensial dengan "Membandingkan" satu tegangan input dengan yang lainnya. Sebagai contoh, dengan menghubungkan satu input ke referensi tegangan tetap yang diatur pada satu kaki dari jaringan jembatan resistif dan yang lainnya ke "Termistor" atau "Light Dependent Resistor (LDR)".
Rangkaian penguat dapat digunakan untuk mendeteksi rendah atau tinggi tingkat suhu atau cahaya ketika tegangan output menjadi fungsi linier dari perubahan kaki aktif jembatan resistif dan ini ditunjukkan di bawah ini.
Penguat Diferensial Diaktifkan Cahaya
Di sini, rangkaian di atas bertindak sebagai sakelar yang diaktifkan cahaya yang mengubah relai output "ON" atau "OFF" karena tingkat cahaya yang terdeteksi oleh resistor LDR melebihi atau jatuh di bawah beberapa nilai yang telah ditentukan sebelumnya. Referensi tegangan tetap diterapkan pada terminal input Non-inverting Op-amp melalui jaringan pembagi tegangan R1 - R2.
Nilai tegangan pada V1 menetapkan titik trip Op-amp dengan potensi umpan balik, VR2 digunakan untuk mengatur histerisis switching. Itulah perbedaan antara level lampu untuk "ON" dan level lampu untuk "OFF".
Kaki kedua dari penguat diferensial terdiri dari resistor tergantung cahaya standar, juga dikenal sebagai LDR, sensor fotoresistif yang mengubah nilai resistifnya (seperti namanya) dengan jumlah cahaya pada selnya karena nilai resistifnya adalah fungsi penerangan.
LDR (Light Denpendent Resistor) dapat berupa jenis sel fotokonduktif cadmium-sulfida (cdS) standar seperti NORP12 umum yang memiliki kisaran resistif antara sekitar 500Ω di bawah sinar matahari hingga sekitar 20kΩ atau lebih dalam gelap.
Sel fotokonduktif NORP12 memiliki respon spektral yang mirip dengan mata manusia sehingga ideal untuk digunakan dalam aplikasi tipe kontrol pencahayaan. Resistansi fotosel sebanding dengan tingkat cahaya dan turun dengan meningkatnya intensitas cahaya sehingga tingkat tegangan pada V2 juga akan berubah di atas atau di bawah titik switching yang dapat ditentukan oleh posisi VR1.
Kemudian dengan mengatur trip level cahaya atau mengatur posisi menggunakan Potensiometer VR1 dan histerisis switching menggunakan potensiometer, VR2 dapat membuat sakelar sensitif cahaya yang presisi. Bergantung pada aplikasinya, output dari Op-amp dapat mengalihkan beban secara langsung, atau menggunakan sakelar transistor untuk mengontrol Relai atau lampu itu sendiri.
Dimungkinkan juga untuk mendeteksi suhu menggunakan jenis konfigurasi rangkaian sederhana ini dengan mengganti resistor yang tergantung cahaya dengan termistor. Dengan menukar posisi VR1 dan LDR, rangkaian dapat digunakan untuk mendeteksi terang atau gelap, atau panas atau dingin menggunakan termistor.
Salah satu batasan utama dari jenis desain penguat ini adalah bahwa impedansi inputnya lebih rendah dibandingkan dengan konfigurasi Op-amp lainnya, misalnya, penguat non-inverting (input ujung tunggal).
Setiap sumber tegangan input harus menggerakkan arus melalui resistansi input, yang memiliki impedansi keseluruhan lebih sedikit daripada input Op-amp saja. Ini mungkin baik untuk sumber impedansi rendah seperti rangkaian jembatan di atas, tetapi tidak begitu baik untuk sumber impedansi tinggi.
Dan salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan cara menambahkan Unity Gain Buffer Amplifier seperti pengikut tegangan (voltage follower) yang sudah kami bahas pada tutorial sebelumnya untuk masing-masing resistor input.
Ini kemudian memberi kita rangkaian penguat diferensial dengan impedansi input sangat tinggi dan impedansi output rendah karena terdiri dari dua buffer non-inverting dan satu penguat diferensial. Ini kemudian membentuk dasar bagi sebagian besar "Instrumentasi penguat".
Penguat Instrumentasi
Instrumentasi penguat (in-amp) adalah penguat diferensial diferensial yang sangat tinggi yang memiliki impedansi input tinggi dan output tunggal. Penguat instrumentasi terutama digunakan untuk memperkuat sinyal diferensial yang sangat kecil dari pengukur regangan, termokopel atau perangkat penginderaan arus dalam sistem kontrol motor.
Tidak seperti Op-amp standar di mana gain loop tertutup ditentukan oleh umpan balik resistif eksternal yang terhubung antara terminal output dan satu terminal input, baik positif atau negatif, penguat instrumentasi mempunyai resistor feedback (umpan balik) internal yang secara efektif diisolasi dari terminal inputnya. karena sinyal input diterapkan pada dua input diferensial, V1 dan V2.
Penguat instrumentasi juga memiliki rasio penolakan mode umum yang sangat baik, CMRR (output nol ketika V1 = V2) jauh melebihi 100dB di DC. Contoh khas dari penguat instrumentasi tiga Op-amp dengan impedansi input tinggi ( Zin ) diberikan di bawah ini:
Rangkaian Penguat Instrumentasi Impedansi Input Tinggi
Dua penguat non-inverting membentuk tahap input diferensial yang bertindak sebagai penguat buffer dengan gain 1 + 2R2/R1 untuk sinyal input diferensial dan gain kesatuan untuk sinyal input mode umum. Karena penguat A1 dan A2 adalah penguat umpan balik negatif loop tertutup, kita dapat mengharapkan tegangan pada Va sama dengan tegangan input V1. Demikian juga, tegangan pada Vb sama dengan nilai pada V2.
Karena Op-amp tidak mengambil arus di terminal inputnya (virtual earth), arus yang sama harus mengalir melalui jaringan tiga resistor R2, R1 dan R2 yang terhubung melintasi output Op-amp. Ini berarti bahwa tegangan pada ujung atas R1 akan sama dengan V1 dan tegangan pada ujung bawah R1 sama dengan V2.
Ini kemudian akan menghasilkan penurunan tegangan pada resistor R1 yang sama dengan perbedaan tegangan antara input V1 dan V2, tegangan input diferensial, karena tegangan yang berada pada persimpangan penjumlahan dari setiap penguat, Va dan Vb sama dengan tegangan yang diterapkan pada input positifnya.
Namun, jika tegangan mode-umum diterapkan pada input penguat, tegangan pada setiap sisi R1 akan sama, dan tidak ada arus yang akan mengalir melalui resistor ini. Karena tidak ada arus yang mengalir melalui R1 (juga, oleh karena itu, melalui kedua resistor R2, penguat A1 dan A2 akan beroperasi sebagai pengikut gain-unity (buffer).
Karena tegangan input pada output penguat A1 dan A2 muncul secara berbeda di seluruh jaringan tiga resistor, gain diferensial dari rangkaian dapat bervariasi dengan hanya mengubah nilai R1.
Output tegangan dari Op-amp A3 diferensial berfungsi sebagai pengurang, hanyalah perbedaan antara dua inputnya ( V2 - V1 ) dan yang diperkuat oleh gain A3 yang mungkin satu, satu, (dengan asumsi R3 = R4 ). Kemudian kami memiliki ekspresi umum untuk gain tegangan keseluruhan dari rangkaian penguat instrumentasi sebagai:
Persamaan Penguat Instrumentasi
Dalam tutorial berikutnya tentang Penguat Operasional (Op-amp), kita akan memeriksa efek dari tegangan output, Vout ketika resistor umpan balik diganti dengan reaktansi tergantung frekuensi dalam bentuk kapasitansi. Penambahan kapasitansi feedback (umpan balik) ini menghasilkan rangkaian Op-amp non-linear yang disebut Penguat Integrator (Integrator Amplifier) Op-amp.