Hobi Mikro: Mencoba membuat op amp CMOS dengan transistor pada CD4007

Salah satu rangkaian elektronika yang cukup penting di bidang elektronika analog adalah penguat, dan juga penguat operasional (operational amplifier, atau op amp). Penguat operasional adalah "benda" yang pemakaiannya tidak sekedar "menguatkan" saja, tapi juga banyak aplikasinya yang lain seperti buffer, pembalik tegangan, penjumlah tegangan, filter, comparator dan schmitt trigger, dan masih banyak lagi.

Sifat utama dari sebuah Op Amp antara lain:
1. Menguatkan selisih dari tegangan kedua input, dengan penguatan amat sangat besar.
2. Hambatan input besar sekali, atau tak terhingga (kalau bisa), dampaknya tidak ada arus masuk input.
3. Hambatan output sangat kecil, supaya tegangan outputnya tidak bergantung beban.

Simbol Op Amp sendiri adalah seperti ini:

Simbol Op Amp

Pada gambar simbol di atas, tampak ada dua input, yaitu V+ dan V-, dan ada sebuah output Vout. Tegangan Vout seharusnya = A dikalikan selisih V+ dan V-, dengan kata lain:

Vout = A[(V+) - (V-)]

di mana A adalah nilai penguatan op amp yang idealnya tak terhingga besar sekali. Dalam prakteknya, nilai Vout dibatasi oleh catu daya.

Kali ini, kita akan mencoba membuat dan menguji Op Amp "buatan sendiri". Sebetulnya, op amp umumnya dijual di pasaran sudah dalam bentuk IC, namun tidak ada salahnya kita coba terapkan teori di textbook menjadi sesuatu yang nyata supaya teorinya lebih dapat kita apresiasi, dan kita tidak perlu takut salah dalam mengerjakan hal-hal semacam ini. Dengan banyak berbuat salah justru kita bisa belajar dan lebih paham elektronika (biasanya). Dalam hal ini, kita coba buat Op Amp dari transistor-transistor MOS dari IC CD4007, di mana CD4007 adalah IC yang berisi sebuah inverter CMOS dan dua set PMOS-NMOS pair.

Berbekal pengalaman dulu pernah membuat hal serupa (op amp sendiri) menggunakan transistor bipolar 9012 dan 9011 yang murah meriah dan "cukup" berhasil (sampai saya jadikan sebagai unit praktikum Elektronika Analog di JTETI UGM tahun lalu), saya coba susun rangkaian serupa tapi dengan transistor MOS. Gambar berikut ini adalah contoh rangkaian penguat dengan differential pair (sebagai tahapan input) dan sebuah penguat tambahan, namun op amp ini tidak diberi buffer atau tahap akhir, sehingga rancangan ini melanggar sifat op amp yang mestinya memiliki hambatan output sangat kecil. Namun sementara ini tidak saya perhatikan terlebih dulu karena hambatan input op amp yang kita buat ini sangat-sangat besar (arus statis ke gate MOSFET idealnya = nol).


Rangkaian eksperimen membuat Op Amp sendiri dengan MOSFET

Tampak pada diagram skematik di atas ada sebuah differential pair (dibuat menggunakan sepasang transistor dari IC CD4007 pertama) yang kedua kaki source nya dihubungkan ke sebuah "sumber arus" yang dibuat dari sebuah NMOS (sebetulnya bisa dari IC CD4007 pertama, tapi di sini dipisah), dengan diberi variable resistor pada gate nya supaya kita bisa mengatur arus drain NMOS tersebut. IC CD4007 yang ketiga adalah PMOS yang disusun sebagai penguat common source dengan R pull down pada drain-nya. Ini mirip penguat common emitter pada teknologi transistor bipolar. Transistor PMOS di sini berfungsi sebagai tahapan penguat tambahan, harapannya gain keseluruhan op amp bisa meningkat (entah kenyataannya di sini memang meningkat atau tidak, belum diuji).

Skematik rangkaian di atas saya buat di breadboard dan tampak seperti ini:

Langkah pengujian dimulai dengan memberi tegangan input pengujian, yaitu input V+ diberi GROUND, dan V- diberi tegangan variabel (dari potensio). Kemudian dengan mengubah-ubah arus drain NMOS di CD4007 kedua (sumber arus pada differential input stage), kita coba cari posisi yang pas. Posisi yang pas adalah ketika tegangan pada kaki drain transistor differential pair (pin 4 dan 12 pada CD4007 pertama) dirasa mengikuti teori di textbook. Teorinya, seharusnya keduanya bersifat kebalikan, ketika V+ lebih besar dari V-, maka transistor NMOS yang kanan (sisi V+) akan lebih ON alias arus drainnya lebih besar daripada NMOS pasangannya, dan karena total arus keduanya seharusnya relatif konstan (karena ada sumber arus di bawahnya), maka arus drain NMOS pasangannya akan turun pada kondisi demikian. Dan begitu pula sebaliknya. Pengalaman menguji kemarin, sempat ada kondisi ketika salah satu sisi bekerja seperti textbook tetapi sisi lainnya yang diberi input ground malah konstan kurang berubah. Tapi pengujian selanjutnya tidak menggunakan setelan yang itu, melainkan setelah yang dirasa "lebih pas" tadi. (maaf mestinya ada grafik hasil pengujian ya? Baiklah, akan menyusul kemudian)

Setelah rangkaian differential dirasa sudah oke (mirip teori textbook), langkah selanjutnya adalah merangkai differential pair tadi dengan tahap penguatan tambahan yang sudah dijelaskan tadi, lalu dianggap sebagai sebuah Op Amp. Dengan dianggap sebagai op amp, kita buat rangkaian uji sebagai berikut (yaitu ada tambahan R 4,7K dan 1K):

Inverting amplifier dengan penguatan = -1/4.7

Ini adalah rangkaian inverting amplifier (penguat pembalik) dengan penguatan = -1k / 4.7k, barangkali kurang lebih -0,2. Susunan semacam ini masuk ke dalam susunan umpan balik negatif. Tujuannya biasanya untuk memperolah nilai penguatan yang lebih stabil tapi tentu lebih kecil dari semula. Rangkaian lengkapnya adalah seperti ini:

Untuk menguji, dibutuhkan tegangan 5V dan -5V. Dalam pengujian ini, tegangan 5V diambil dari USB komputer, dan -5V dibuat dengan IC ICL7660 dari input 5V tadi menjadi -5V. Dengan mengubah-ubah Vin menggunakan potensiometer dari -5V hingga 5V, lalu mengukur Vout-nya dengan multimeter di rumah, didapatkan grafik berikut ini:

Hubungan antara Vin dengan Vout dari penguat pembalik (dalam volt)

Terlihat bahwa memang betul rangkaian "op amp" kita berhasil membalik tegangan dengan penguatan kurang dari 0,2 (cukup mendekati teori-nya). Dengan kata lain, "op amp" CMOS-nya jalan! (dan lumayan mirip teori).

Untuk lebih memastikan, pengujian selanjutnya adalah dengan memberikan input gelombang, misalnya sinus, lalu menampilkan sinyal output dan input sekaligus pada osiloskop. Hasilnya seperti ini:

Tampilan sinyal input (atas) dan output (bawah) dari penguat pembalik. Tampak sinyal output memiliki riak.

Meskipun secara kasar hasil di atas cukup oke (output adalah kebalikan input dengan penguatan/pelemahan tertentu), namun sebetulnya masih agak kurang memuaskan. Pertama, sinyal output ternyata bergerigi (gambar sinyal yang bawah). Kemungkinan besar ini disebabkan karena penggunaan konverter DC-DC ICL7660. Kedua, level DC sinyal output yang ditampilkan osiloskop tidak tepat nol. (pada gambar, sinyal output ditampilkan dengan coupling AC, offset dc sebetulnya ada tapi tidak ditampilkan) Ada beberapa kemungkinan penyebabnya, antara lain pengoperasian penguat PMOS tidak pada biasing yang tepat (bisa dengan mudah diatur dengan mengubah potensiometer).

Percobaan berikutnya menggunakan catu daya di lab yang bisa menghasilkan dua tegangan sekaligus seperti pada gambar ini:

Setup pengujian menggunakan power supply di lab dan osiloskop, serta osilator (tidak tampak di foto).

Awalnya, sinyal yang dihasilkan masih belum sesuai teori textbook. Dengan mengatur-atur kembali potensiometer baik untuk current source pada differential stage dan potensiometer pada penguat common source PMOS, akhirnya bisa didapatkan pengamatan yang "lumayan" seperti ini:

Sinyal input (atas) dan output (bawah) menggunakan dual channel power supply di lab.

Kali ini gelombang output tampak lebih halus, jadi betul yang tadi riaknya muncul karena supply negatifnya yang kurang stabil. Lalu jika kita amati amplitude kedua sinyal baik input maupun output, ternyata penguatannya kurang lebih -120 mV/6V = -0,2. Dan, tampak bahwa gelombang input dan gelombang output adalah berkebalikan. (Wih) Berarti memang betul rangkaian CMOS kita berperilaku sebagaimana halnya sebuah op amp.

PR berikutnya adalah membuat stage akhir untuk hambatan output op amp yang kecil. Satu solusi sederhananya adalah menggunakan penguat push-pull dengan transistor bipolar, tetapi sebetulnya akan lebih "afdhol" kalau tetap menggunakan teknologi CMOS. Selain itu, banyak teknik lain yang bisa diterapkan dalam implementasi op amp CMOS, antara lain mengganti resistor dengan transistor juga a.k.a active load.

Penutup:
Ternyata membuat op amp CMOS sederhana ini tidak semudah membuat op amp dengan transistor bipolar seperti yang dulu pernah dicoba. Kesulitan utamanya adalah biasing transistor-transistor yang sepertinya tidak bisa "asal-asalan" seperti yang dulu saya terapkan pada op amp bipolar. Dulu resistor-resistor op amp bipolar tidak ada yang menggunakan potensiometer, dan (kebetulan) bisa jalan begitu saja dalam susunan umpan balik negatif. Untuk op amp CMOS yang ini, potensiometer perlu disetel-setel supaya mendapatkan perilaku rangkaian yang pas sesuai keinginan kita. Kesulitan lain adalah sepertinya op amp cmos kali ini gain-nya lebih kecil. Dan tentu saja stage final dengan hambatan output kecil belum diimplementasikan.

Tambahan:
Berikut ini berbagai grafik analisis DC sekedar sebagai tambahan info, yang menunjukkan perilaku differential pair.