Op-Amp Sebagai Penguat Instrumentasi

Penguat instrumentasi merupakan penguat yang dibangun dari dua buah penguat non-inverting yang kemudian output-nya dihubungkan dengan sebuah penguat differensial. Dengan kombinasi dari beberapa rangkaian penguat membuat penguat instrumentasi memiliki beberapa kelebihan, antara lain:

Memiliki level penguatan yang tinggi
Memiliki parameter CMMR yang tinggi
Memiliki impedansi masukan yang tinggi
Tahan terhadap derau (noise)
Konsumsi daya yang rendah

Dengan kelebihan-kelebihan tersebut, membuat penguat instrumentasi digemari dan dipakai pada kebanyakan instruemen di industri. Pada industri, penguat instrumentasi difungsikan untuk menguatkan sinyal dari keluaran sesor yang pada umumnya memiliki nilai sinyal yang kecil. Gambar 1. menunjukan rangkaian penguat Instrumentasi.

Gambar 1. Rangkaian Penguat Instrumentasi

Analisis Rangkaian Penguat Instrumentasi

Untuk mempermudah analisis rangkaian penguat instrumentasi, dapat dilakukan dengan cara membagi penguat instrumentasi menjadi dua bagian yaitu pada bagian penguat differensial dan bagian penguat non-inverting.

Analisis Pada Bagian Penguat Differensial

Secara umum bagian penguat differensial yang digunakan pada penguat instrumentasi memiliki nilai R1 = R2 dan Rf3 = Rg2. Hal ini dilakukan agar persamaan yang didapatkan sesuai dengan persamaan pada bagian penguat non-inverting. Dengan menggunakan Gambar 1. dan mengingat kembali persamaan penguat differensial pada postingan Opamp sebagai penguat differensial , akan didapatkan persamaan tegangan keluaran dari bagian penguat differensial, yaitu:

Persamaan (0)

Analisis Pada Bagian Penguat Non-Inverting

Untuk memulai analisis pada bagian penguat non-inverting, terapkan hukum Kirchoff arus pada titik cabang A dan B serta asumsi I+ = I- = 0, sehingga gambar dari bagian penguat non-inverting menjadi seperti Gambar 2.

Gambar 2. . Analisis Rangkaian Penguat Instrumentasi Bagian Penguat Non-Inverting

Dengan asumsi I+ = I- = 0, membuat Rf1, Rg1, dan Rf2 pada Gambar 2. tampak seperti rangkaian seri. Sehingga nilai arus yang mengalir pada masing-masing resistor Rf1, Rf2 dan Rg1 adalah sama:

Persamaan (1)

Dengan menggunakan hukum Ohm pada persamaan (1) dapat diperoleh persamaan arus Ig1 terhadap output:

Persamaan (2)

Jika nilai Rf1 = Rf2, maka persamaan pada Ig1 menjadi:

Persamaan (3)

Dengan asumsi nilai V+ = V-, maka dapat dituliskan bahwa nilai tegangan pada titik cabang A yaitu VA = V1 dan nilai tegangan pada titik cabang B yaitu VB = V2. Dengan menggunakan teori tegangan titik simpul pada VA dan VB, dapat diperoleh persamaan arus Ig1 terhadap input:

Persamaan (4)

Dengan mensubtitusikan persamaan (3) ke dalam persamaan (4), dapat diperoleh persamaan tegangan keluaran dari bagian penguat non-inverting:

Persamaan (5)

Untuk memperoleh persamaan yang sesuai dengan persamaan pada bagian penguat differensial. Maka nilai tegangan pada kedua sisi dari persamaan (5) nilainya diinvers menjadi:

Persamaan (6)

Analisis Akhir Penguat Instrumentasi

Untuk memperoleh persamaan tegangan keluaran dari penguat instrumentasi, subsitusikan persamaan (0) pada persamaan (6):

Persamaan (7)

Jika penguatan merupakan perbandingan antara tegangan keluaran dan tegangan masukan, maka dari persamaan (7) dapat diperoleh penguatan total dari penguat instrumentasi yaitu:

Persamaan (8)

Keterangan:

AV = penguatan tegangan

Vin = tegangan masukan

Vout = Tegangan Keluaran

Contoh Soal

Penguat instrumentasi memiliki nilai Rg1 = 400 Ω, Rf1 = Rf2 = 800 Ω, R1 = R2 = 1k2 Ω, dan Rg2 = Rf3 = 2k4 Ω. Tentukan berapa nilai tegangan keluar dan penguatan total dari penguat instrumentasi tersebut jika tegangan masukan yang diberikan yaitu V1 = 4 V dan V2 = 6 V!

Jawab :

Untuk menghitung nilai tegangan keluaran dari penguat instrumentasi dapat dilakukan menggunakan persamaan (7):