Fig. 11.9; Fig. dan 11.10

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

7. Soal Pilihan Ganda

8. Rangkaian Proteus

9. Video

10. Download File

1. Pendahuluan [Kembali]

Voltage summing op-amp adalah salah satu aplikasi dari penguat operasional (operational amplifier atau op-amp) yang digunakan untuk menjumlahkan beberapa sinyal tegangan pada input-nya. Rangkaian ini umumnya menggunakan konfigurasi inverting amplifier atau non-inverting amplifier, tergantung kebutuhan. Dalam konfigurasi paling umum, yaitu inverting summing amplifier, beberapa tegangan input diberikan melalui resistor ke terminal inverting op-amp, sementara terminal non-inverting di-ground. Op-amp akan menghasilkan tegangan output yang merupakan hasil penjumlahan berbobot (weighted sum) dari semua tegangan input tersebut, dengan tanda negatif (karena pembalik/inverting).

Rangkaian voltage summing ini banyak digunakan dalam sistem pengolahan sinyal, penggabungan sinyal audio, dan aplikasi pengendalian elektronik lainnya karena kemampuannya untuk secara akurat menggabungkan beberapa sumber tegangan menjadi satu sinyal output.

Voltage subtraction adalah proses dalam rangkaian elektronika yang menghasilkan tegangan keluaran sebagai selisih dari dua tegangan input. Teknik ini biasanya digunakan untuk membandingkan dua sinyal, menghilangkan offset, atau mengambil perbedaan antara dua level tegangan. Salah satu contoh paling umum penerapannya adalah pada rangkaian penguat diferensial (differential amplifier) yang menggunakan op-amp.

Rangkaian pengurang tegangan bekerja dengan prinsip dasar bahwa output akan merepresentasikan hasil pengurangan dari dua input, misalnya $V_{\text{out}} = V_2 - V_1$ . Dengan konfigurasi resistor yang tepat, penguatan (gain) juga bisa ditentukan agar sinyal hasil pengurangan lebih jelas. Voltage subtraction banyak digunakan dalam sistem pengukuran, pengolahan sinyal analog, serta peralatan sensor dan kendali.

2. Tujuan [Kembali]

Memahami prinsip kerja rangkaian voltage summing amplifier menggunakan op-amp.
Mempelajari cara menjumlahkan beberapa sinyal tegangan input menjadi satu output menggunakan konfigurasi op-amp.
Mengamati pengaruh nilai resistor terhadap hasil penjumlahan tegangan di output.
Melatih keterampilan dalam merancang dan menganalisis rangkaian op-amp sebagai penjumlah tegangan.
Mengaplikasikan hukum Kirchhoff dan karakteristik ideal op-amp dalam analisis rangkaian elektronik

3. Komponen [Kembali]

Alat/Instrumen

1. Oscilloscope

Oscilloscope adalah alat ukur yang menampilkan bentuk gelombang sinyal listrik dalam domain waktu.

Oscilloscope

Oscilloscope pada proteus

2. Voltmeter

Voltmeter adalah alat ukur yang digunakan untuk mengukur beda potensial atau tegangan antara dua titik dalam rangkaian listrik.

Voltmeter

Voltmeter pada proteus

Bahan/komponen

1. Resistor

Resistor adalah komponen yang membatasi atau mengatur aliran arus listrik dalam rangkaian.

Resistor

Resistor pada proteus

2. Op amp

Op amp adalah penguat elektronik yang digunakan untuk memproses sinyal, seperti penguatan atau penjumlahan tegangan.

Op-amp

Op amp pada proteus

3. Power supply

Power supply adalah sumber tegangan listrik (+V dan -V) yang memberi daya ke rangkaian.

Power supply

Power pada proteus

4. Sine generator

Sine generator untuk menghasilkan sinyal listrik berbentuk gelombang sinusoidal (sine wave) yang mewakili sinyal analog murni dan berfrekuensi tertentu.

Sine generator

Sine generator pada proteus

5. Ground

Ground dan titik referensi nol volt dalam rangkaian, tempat arus kembali

Ground pada proteus

4. Dasar Teori [Kembali]

Voltage summing

Voltage summing adalah konfigurasi op amp sebagai penguat dengan diberikan input lebih dari satu untuk menghasilkan sinyal output yang linier yang sesuai dengan nilai penjumlahan sinyal input dan faktor penguat yang ada. Pada umumnya rangkaian penjumlah adalah rangkaian penjumlah dasar yang disusun dengan penguat inverting dan non inverting yang diberikan input 1 line.

Rangkaian voltage summing sering digunakan dalam sistem audio, konversi digital ke analog (DAC), serta sistem pengendali otomatis di mana beberapa sinyal kendali digabung untuk menghasilkan satu sinyal aksi. Teknik ini juga berguna dalam pemrosesan sinyal di mana informasi dari beberapa sensor perlu digabungkan menjadi satu representasi sinyal.

Konfigurasi yang paling umum digunakan untuk voltage summing adalah inverting summing amplifier, yaitu rangkaian penjumlah yang bekerja dengan input diberikan ke terminal inverting (−) op-amp. Dalam konfigurasi ini, setiap input tegangan (misalnya

V_{in 1}, V_{in 2}, \dots

) dihubungkan ke input inverting op-amp melalui resistor masing-masing (misalnya

R_{1}, R_{2}, \dots

). Terminal non-inverting (+) dihubungkan langsung ke ground. Sebuah resistor umpan balik (

R_f

) dipasang dari output ke input inverting untuk menciptakan loop negatif, yang membuat tegangan di titik input inverting tetap hampir nol volt, kondisi yang dikenal sebagai virtual ground.

Karena tegangan di titik inverting sangat kecil (mendekati nol), maka arus yang masuk dari masing-masing tegangan input hanya ditentukan oleh besarnya tegangan dan nilai resistornya. Arus dari setiap input kemudian dijumlahkan pada titik input inverting dan mengalir ke output melalui resistor umpan balik $R_f$ . Karena arus masuk ke terminal input op-amp sangat kecil (mendekati nol), maka arus dari setiap input seolah-olah langsung masuk ke jalur umpan balik. Hal inilah yang memungkinkan proses penjumlahan terjadi secara langsung dan efisien.

Secara matematis, jika semua resistor input memiliki nilai yang sama ( $R$ ), dan resistor umpan balik juga $R$ , maka tegangan output dirumuskan sebagai:

Tanda negatif menunjukkan bahwa hasil output berfase terbalik (inverting) terhadap input. Jika nilai resistor input berbeda-beda, maka kontribusi masing-masing input terhadap output tergantung pada rasio antara resistor umpan balik dan resistor input masing-masing.

Tegangan keluaran (Vo) Voltage summing dapat dicari dengan rumus:

Rangkaian voltage summing op-amp ini memiliki berbagai keunggulan. Salah satunya adalah kemampuannya untuk menjumlahkan banyak sinyal sekaligus tanpa memerlukan komponen aktif tambahan. Selain itu, dengan mengatur nilai resistor, kita bisa mengontrol bobot atau pengaruh masing-masing sinyal input terhadap output — misalnya menjadikannya penjumlah berbobot (weighted summing amplifier). Dalam aplikasi nyata seperti audio mixer, sinyal dari beberapa mikrofon atau sumber suara bisa digabungkan menjadi satu sinyal output yang kemudian diperkuat atau dikirim ke speaker.

Secara keseluruhan, voltage summing op-amp adalah salah satu aplikasi dasar dari op-amp yang sangat berguna dan sering ditemui dalam sistem elektronika praktis. Pemahaman konsep ini penting dalam desain sistem analog yang membutuhkan pengolahan sinyal dari berbagai sumber secara bersamaan.

Selain konfigurasi inverting summing amplifier, terdapat pula non inverting summing amplifier, meskipun penggunaannya tidak seumum yang inverting. Pada konfigurasi ini, sinyal-sinyal input digabungkan terlebih dahulu melalui pembagi tegangan atau jaringan resistor, lalu hasil gabungan tersebut diberikan ke terminal non-inverting (+) op-amp. Konfigurasi ini menghasilkan output yang sefase dengan input (non-inverting), namun perhitungan tegangannya menjadi lebih kompleks dan sensitivitas terhadap impedansi input lebih tinggi. Karena itu, dalam banyak aplikasi teknis, konfigurasi inverting lebih disukai karena lebih stabil, linier, dan mudah dianalisis.

Dalam beberapa kasus, rangkaian summing amplifier juga digunakan untuk penjumlahan berbobot atau weighted summing. Pada konfigurasi ini, nilai masing-masing resistor input (

R_{1}, R_{2}, \dots

) berbeda-beda, sehingga setiap sinyal input memberikan kontribusi berbeda terhadap output. Misalnya, jika

R_{1}

lebih kecil daripada

R_2

Di dunia nyata, voltage summing op-amp sangat sering digunakan dalam sistem audio misalnya pada mixer analog. Dalam alat ini, sinyal dari beberapa saluran (seperti mikrofon, gitar, keyboard) dijumlahkan menggunakan summing amplifier, sehingga semua suara dapat dicampur dan dikelola bersama sebelum dikirim ke speaker atau sistem rekaman. Dalam sistem instrumensasi rangkaian ini digunakan untuk menjumlahkan keluaran dari beberapa sensor, misalnya menjumlahkan output dari beberapa sensor suhu yang dipasang di titik berbeda dalam satu ruangan untuk mendapatkan nilai rata-rata atau total efek panas.

Selain penjumlahan, prinsip dasar dari summing op-amp juga bisa dimodifikasi menjadi differencial amplifier (pengurang tegangan), integrator (penjumlah kumulatif terhadap waktu), dan differentiator (pendeteksi perubahan sinyal). Hal ini menunjukkan betapa fleksibelnya op-amp dalam dunia elektronika analog. Dengan hanya mengganti beberapa resistor atau menambahkan kapasitor, fungsinya bisa berubah secara drastis untuk memenuhi berbagai kebutuhan pengolahan sinyal.

Sebagai catatan penting, walaupun op-amp ideal memiliki gain tak terbatas, impedansi input tak terbatas, dan tidak mengonsumsi arus input, dalam kenyataan, op-amp nyata memiliki keterbatasan seperti batasan tegangan output, impedansi input yang besar tetapi tetap terbatas, serta efek noise. Maka dari itu, dalam praktik desain, faktor-faktor ini harus diperhitungkan, terutama bila ingin menjumlahkan sinyal-sinyal yang sangat kecil (misalnya dari sensor presisi tinggi).

Voltage substraction

Voltage substraction dengan op-amp, atau pengurang tegangan, adalah rangkaian yang dirancang untuk menghasilkan output yang merupakan selisih dari dua tegangan input. Fungsi ini sangat berguna dalam berbagai aplikasi pengolahan sinyal analog, seperti sistem sensor diferensial, pengukuran tegangan referensi terhadap sinyal tertentu, atau pembatalan noise umum (common-mode noise rejection). Dalam sistem kontrol atau instrumen, pengurangan tegangan sangat penting untuk mengetahui perubahan atau deviasi dari kondisi ideal.

Rangkaian yang umum digunakan untuk proses ini adalah differential amplifier, yaitu salah satu konfigurasi dari operational amplifier (op-amp). Dalam konfigurasi ini, dua tegangan input (misalnya $V_{1}$ dan $V_{2}$ ) diberikan ke input inverting dan non-inverting op-amp.

Konfigurasi ini sering digunakan untuk menghilangkan sinyal gangguan bersama (common-mode). Misalnya, jika kedua input menerima sinyal noise yang sama (misalnya gangguan dari kabel panjang), maka noise tersebut akan dihilangkan secara otomatis, karena selisihnya adalah nol. Inilah mengapa differential amplifier sangat penting dalam sistem seperti penguat sensor jembatan Wheatstone, penguat termokopel, atau penguat diferensial sinyal audio.

Selain bentuk dasar differential amplifier, op-amp juga dapat digunakan dalam konfigurasi instrumentation amplifier, yaitu versi lanjutan yang menggunakan beberapa op-amp untuk meningkatkan akurasi, impedansi input, dan stabilitas penguatan. Namun konsep dasarnya tetap sama: membandingkan dua tegangan dan menghasilkan output dari selisihnya.

Dalam praktiknya, meskipun op-amp ideal memiliki karakteristik sempurna seperti impedansi input tak terbatas dan penguatan tak hingga, versi nyata dari op-amp memiliki keterbatasan seperti toleransi resistor, noise internal, dan offset tegangan. Oleh karena itu, untuk mendapatkan performa pengurangan tegangan yang presisi, pemilihan nilai resistor yang akurat dan pemakaian op-amp berkualitas tinggi sangat disarankan.

Pada dasarnya, voltage summing amplifier (penjumlah tegangan) dan voltage subtraction amplifier (pengurang tegangan) menggunakan prinsip dasar yang sama, yaitu memanfaatkan kepekaan op-amp terhadap perbedaan tegangan antara input inverting (−) dan non-inverting (+). Keduanya dapat dirancang hanya dengan mengatur posisi input dan konfigurasi resistor yang sesuai. Bahkan, konsep pengurangan tegangan dapat dibentuk langsung dari konfigurasi inverting summing amplifier, dengan menyusun sinyal masukan secara cermat.

Rangkaian inverting adder amplifier pada dasarnya digunakan untuk menjumlahkan beberapa sinyal tegangan input melalui terminal inverting (−) op-amp. Masing-masing sinyal input dihubungkan ke input op-amp melalui resistor, dan output dari op-amp akan memberikan hasil penjumlahan semua sinyal tersebut dalam bentuk terbalik (bernilai negatif) terhadap hasil aslinya. Meskipun secara fungsi utamanya adalah menjumlahkan, dengan sedikit manipulasi pada polaritas input, konfigurasi ini juga dapat digunakan untuk melakukan pengurangan tegangan.

Prinsipnya adalah bahwa pengurangan merupakan bentuk khusus dari penjumlahan. Misalnya, jika kita ingin menghitung $V_1 - V_2$ , itu sama saja dengan $V_1 + (-V_2)$ . Dalam konteks inverting adder, jika salah satu dari input diberikan tegangan negatif (atau berasal dari sumber yang sudah dibalik menggunakan inverter), maka rangkaian adder ini bisa secara efektif berfungsi sebagai subtractor. Selain itu, jika kita menggunakan nilai resistor yang berbeda, kita bisa mengatur bobot masing-masing input dan mendapatkan selisih berskala sesuai keinginan.

Dengan kata lain, meskipun differential amplifier adalah konfigurasi yang secara langsung digunakan untuk pengurangan dua tegangan, inverting summing amplifier juga dapat digunakan untuk menghasilkan output selisih dua tegangan, asalkan input dikonfigurasi dengan benar. Pendekatan ini berguna dalam sistem yang ingin menggabungkan fungsi penjumlahan dan pengurangan dalam satu rangkaian sederhana, seperti dalam pengolah sinyal sensor atau rangkaian aritmatika analog.

Konfigurasi dasar inverting summing amplifier (adder) dengan dua input tegangan:

Jika kita ingin melakukan pengurangan tegangan, misalnya $V_1 - V_2$ , maka kita bisa menyusun input seperti ini:

Masukkan $V_1$ ke terminal inverting melalui $R_{1}$ ,
Masukkan tegangan negatif dari
$V_2$ $R_2$

Sehingga tegangan keluaran (Vo) dapat dicari dengan rumus:

5. Example [Kembali]

1. Hitung tegangan output pada rangkaian 11.9 di bawah ini. Inputnya adalah: $V_{1} = 50 mV sin (1000 t)$ dan $V_{2} = 10 mV sin (3000 t)$

Jawaban :

2. Hitung tegangan output pada rangkaian 11.10 di bawah ini dengan

V1 = 50mV

V2 = 10mV

Rf = 30kΩ

R1 = 10kΩ

R2 = 15kΩ

R3 =20kΩ

Jawaban :

3. Tentukan tegangan keluaran dari gambar di bawah ini

Jawaban :

6. Problem [Kembali]

1. Rangkaian op-amp dengan 3 input ke terminal inverting dan non-inverting di-ground-kan. Output menunjukkan kombinasi sinyal sinusoidal

Jawaban:

Rangkaian tersebut adalah inverting summing amplifier. Output merupakan jumlah semua input dengan polaritas dibalik:

Vout=−(V1+V2+V3)

2. Ingin membandingkan dua sensor suhu. Output positif jika sensor A lebih besar dari B, dan sebaliknya.

Jawaban:

Gunakan differential amplifier, karena outputnya:

Vout=A(V2−V1)

Hubungkan sensor A ke non-inverting (+), sensor B ke inverting (−).

3. Bagaimana inverting summing amplifier bisa dipakai untuk pengurangan?

Jawaban:

Gunakan input V1V_1V1 dan invers dari V2V_2V2 → sehingga:

Vout=−(V1+(−V2))=−(V1−V2)

Artinya, summing amplifier bisa digunakan untuk pengurangan jika salah satu input dibalik dulu dengan inverter op-amp.

7. Soal Pilihan Ganda [Kembali]

1. Sebuah inverting summing amplifier memiliki dua input Vin1 = 2V dan Vin2 = 3V. Jika semua resistor input dan resistor umpan balik sama besar (R), berapa output op-amp?

A. +5V

B. -5V

C. +1V

D. -1V

E. -1,5 V

Jawaban: B. -5V

Pembahasan:

Vout = -(Vin1+Vin2) = -(2+3) = -5V

2. Sebuah differential amplifier dirancang dengan konfigurasi simetris dan ideal. Jika V1 = 4V diberikan ke input inverting dan V2 = 6V ke input non-inverting, berapa tegangan output-nya?

A. -1V

B. +1V

C. +2 V

D. -2V

E. +3V

Jawaban: C. 2 V

Pembahasan:

Vout = A(V2-V1)

R1 = R2 maka Rf = Rg

Sehingga, , A = 1

Vout = 1 ( 6-4) = 2V

3. Sebuah op-amp disusun sebagai inverting adder dengan tiga input:

V1 = 5V lewat R1 = 10k

V2 = -2V lewat R2 = 20k

V3 = 1V lewat R3 =10k

Resistor umpan balik Rf = 20 k . berapa output Vout?

A. -6V

B. -7V

C. -8V

D. -9V

E. -10V

Jawaban: E. -10V

Pembahasan:

= - (10 – 2 +2 ) = -10V

8. Rangkaian Proteus [Kembali]

Fig 11.9 : circuit for example 11.6

Prosedur:

Siapkan semua komponen yang dibutuhkan, yaitu tiga buah op-amp, resistor R1, R2, R3, dan RF, serta dua sumber sinyal V1 dan V2.
Pasang op-amp pertama sebagai inverting amplifier dengan V1 sebagai input melalui resistor R1, dan resistor RF sebagai feedback dari output ke input inverting.
Hubungkan output op-amp pertama ke input inverting op-amp kedua melalui resistor R3.
Masukkan sinyal V2 ke input non-inverting op-amp kedua melalui resistor R2.
Pasang feedback resistor RF dari output op-amp kedua ke input inverting-nya.
Hubungkan output dari op-amp kedua ke input inverting op-amp ketiga, dengan konfigurasi sebagai penguat inverting untuk membalik polaritas hasil sebelumnya.
Pasang catu daya simetris (misalnya ±12 V atau ±9 V) ke semua op-amp.
Nyalakan sumber sinyal V1 dan V2, lalu ukur tegangan output Vo menggunakan multimeter atau osiloskop.
Jika output tidak sesuai harapan, matikan catu daya dan periksa kembali koneksi serta nilai resistor.

Prinsip kerja:

Rangkaian ini menggunakan konfigurasi op-amp sebagai inverting summing amplifier. Tiga sinyal tegangan input, yaitu V1, V2, dan V3, masing-masing dihubungkan ke input inverting op-amp melalui resistor R1, R2, dan R3. Sementara itu, input non-inverting op-amp terhubung ke ground. Karena karakteristik op-amp yang memiliki penguatan sangat tinggi, maka tegangan di input inverting akan mendekati nol volt atau disebut sebagai virtual ground.

Arus dari masing-masing sumber tegangan akan mengalir melalui resistor menuju titik virtual ground dan diteruskan ke output melalui resistor umpan balik RF. Tidak ada arus yang masuk ke terminal op-amp, sehingga jumlah arus dari ketiga jalur input akan dijumlahkan dan menghasilkan satu output.

Tegangan output Vo yang dihasilkan adalah hasil penjumlahan dari ketiga input tersebut dengan skala pembalik dan bergantung pada rasio resistor, sesuai dengan rumus:

Vo = - (RF/R1 * V1 + RF/R2 * V2 + RF/R3 * V3)

Karena sifatnya inverting, maka sinyal output akan berlawanan fase terhadap sinyal input. Rangkaian ini berguna untuk menjumlahkan beberapa sinyal analog dalam sistem pengolahan sinyal.

Fig 11.10 : circuit for subtracting two signals

Prinsip kerja:

Rangkaian pada Gambar FIG 11.10 berfungsi untuk mengurangkan dua sinyal tegangan, yaitu V1 dan V2, menggunakan dua op-amp. Pertama, sinyal V1 masuk ke op-amp U1 yang disusun sebagai inverting amplifier, artinya sinyal ini dibalik dan diperkuat tergantung rasio resistor RF dan R1.

Output dari U1 ini lalu dikirim ke op-amp kedua (U2) bersama sinyal V2, yang juga masuk ke U2 lewat jalur resistor lainnya. Op-amp U2 disusun sebagai inverting adder amplifier, jadi dia akan menjumlahkan dua sinyal yang masuk tadi, tapi hasilnya tetap dalam bentuk pengurangan karena ada pembalikan polaritas dari konfigurasi rangkaian.

Jadi, output Vo yang dihasilkan merupakan versi gabungan dari dua sinyal, tapi dalam bentuk pengurangan: selisih dari V2 dikurangi hasil olahan dari V1. Pemilihan resistor di sini penting karena menentukan seberapa besar penguatan atau pengurangan masing-masing sinyal.

9. Video [Kembali]

10. Download File [Kembali]

Download Fig 11.9 [Klik Disini]

Download Fig 11.10 [Klik Disini]

Download Video simulasi 11.9 [Klik Disini]

Download Video simulasi 11.10 [Klik Disini]

Datasheet Oscilloscope [Klik Disini]

Datasheet Voltmeter [Klik Disini]

Datasheet Resistor [Klik Disini]

Datasheet OP AMP [Klik Disini]

Datasheet Power Supply [Klik Disini]

Datasheet Sine Generator [Klik Disini]

Datasheet Ground [Klik Disini]

Cari Blog Ini

Marsha Hayfa Rosani