Hobi Mikro: Membuat op amp dengan transistor 9012 dan 9013

Posting-an sebelum ini membahas tentang op amp CMOS buatan sendiri dengan IC digital CD4007. Nah kali ini akan dibahas percobaan serupa yang sebetulnya sudah saya posting di FB tahun lalu, tapi menggunakan transistor bipolar murah meriah 9012 dan 9013.

Rangkaian op amp, umumnya tersusun atas beberapa stage, yang saya pahami antara lain:
1. stage input: berupa differential pair
2. stage penguatan tambahan: bebas, barangkali yang simpel adalah penguat common emitter?
3. stage ahir: impedansi rendah, misalnya push-pull amplifier.

Ketiga stage ini saya buatkan versi sederhananya dalam PCB seperti di foto ini:

Rangkaian Op Amp dengan PNP 9012 dan NPN 9013

Perhatikan di foto di atas, input op amp ditandai dengan (-) dan (+), tersambung pada sepasang kaki basis transistor NPN 9013. Kaki kolektornya dihubungkan melalui hambatan 10k ke +15V, sedangkan kedua kaki emitter yang tersambung dihubungkan ke resistor, di sini ada dua pilihan, bisa pilih yang 10k, bisa pilih yang 100k, entah apa dampaknya ya itu salah satu tujuan eksperimennya nanti (rangkaian ini dijadikan salah satu unit praktikum elektronika analog di JTETI UGM hehe). Rangkaian sepasang transistor ini merupakan bagian differential input stage.

Keluaran dari stage pertama diambil dari kaki kolektor transistor sebelah kanan, yang disambung pada input (+). Keluaran tersebut dihubungkan ke stage berikutnya, yang berupa sebuah penguat common emitter PNP. Rc pada gambar di atas adalah 10k (sebagaimana nilai R lain pada rangkaian, diambil nilai yang kebetulan ada stok nya hehe). Harapannya, stage ini bisa menguatkan lagi sinyal dari stage sebelumnya. Sifat op amp memang seperti itu, penguatan tegangannya amat sangat besar, seharusnya mendekati tak terhingga (tentu dibatasi oleh power supply).

Kemudian, untuk memenuhi sifat op amp yang memiliki hambatan output kecil dan mampu men-drive beban dengan kebutuhan arus yang besar, maka kita perlu membuat penguat yang bersifat memiliki hambatan output kecil. Pilihan yang lazim dan 'gampang' ada dua, yaitu penguat emitter follower, atau penguat push-pull. Namun, pada op amp polaritas outputnya bisa positif dan negatif, padahal sepertinya emitter follower tidak bisa memenuhi kebutuhan tersebut. Bayangkan saja misalnya emitter followernya NPN, jika butuh output negatif untuk beban yang terhubung antara output dengan ground, apa ya terus basis NPN diberi negatif? Nanti justru cut-off NPN-nya jika ini terjadi, sehingga kesimpulannya: tidak bisa.

Model penguat push-pull pada PCB di atas adalah bentuk sederhana yang tidak menghilangkan cross-over distortion.

Hasil pengujian op amp 9012/9013 ini adalah sebagai berikut.

Pertama, pengujian op amp sebagai inverting amplifier, menggunakan R_input = 1k di input (-), dan R_feedback = 2,2k sebagai feedback negatif, sehingga penguatan = -2k2/1k = -2,2. Adapun input (+) op amp dihubungkan ke ground. Catu daya menggunakan +15V dan -15V. Pertama, penguat inverting diuji dengan input sinus. Output ternyata lumayan sesuai harapan :

Penguat inverting dengan input sinus

Kemudian dengan input segitiga:

Penguat inverting dengan input segitiga

Lalu dengan input segitiga yang diberi offset DC:

Penguat inverting dengan input segitiga DC offset positif (output negatif seluruhnya)

Pada gambar berikut ini, output tampak cacat, yakni ketika output mencapai tegangan positif kira-kira di atas 3V. Penyebab pastinya belum bisa dipastikan, bisa karena rancangannya yang memang kurang baik, entahlah belum sempat dianalisis lebih mendalam. Sebagai catatan, pemilihan nilai komponen dalam rangkaian dilakukan secara cukup asal-asalan tanpa perhitungan.

Output tampak rusak

Sekali lagi, nilai komponen (terutama R) pada rangkaian dipilih agak asal-asalan. Namun mengapa rangkaian bisa tetap jalan seperti harapan semula? (setidaknya sebagai inverting amplifier yang telah dicoba) Dugaan saya adalah karena adanya umpan balik negatif, dikombinasikan dengan sifat rangkaian kita yang lumayan mengarah ke sifat op amp ideal, yakni bisa menguatkan selisih tegangan sebesar-besarnya, dan hambatan outputnya kecil. Dengan tambahan umpan balik negatif, saya menduga kok sepertinya kekurangidealan rancangan rangkaian penyusun op amp bisa semacam terkompensasi, sehingga tidak terlalu "mengganggu". Salah satu alasan mengapa saya bisa menyimpulkan hal ini adalah pengamatan sinyal internal rangkaian op amp berikut ini:

Sinyal-sinyal input dan output penguat, serta sinyal internal op amp

Perhatikan sinyal paling bawah dahulu, yaitu sinyal yang masuk ke penguat push-pull akhir. Sinyal seperti itu, kalau dipikir-pikir, bagaimana bisa dibentuk? Perlu diingat, input pada penguat pada foto di atas adalah sebuah sinus. Bagaimana ceritanya input sinus ini bisa diolah sedemikian sehingga sebelum masuk stage akhir menjadi seperti itu? Dan bentuk seperti itulah yang kurang lebih dibutuhkan supaya output penguat push-pull berbentuk sinus lagi, sesuai harapan kita. Penguat push-pull akan "on" jika magnitude tegangan input melebihi threshold tertentu, minimal 0,7V, dan karena ada resistor pada kedua kaki basis NPN maupun PNP push-pull amplifier, threshold tersebut bisa jadi lebih gede, seperti terbukti pada pengamatan.

Di balik hal ini, saya berkesimpulan ada peranan umpan balik negatif dalam hal ini, membuat semuanya terasa seperti "sulap".

Berikut ini ada pengamatan sinyal internal op amp lagi, menggunakan input berbeda yakni gelombang segitiga.

Sinyal input, output, dan internal op amp, dengan input segitiga

Terakhir, untuk menguji rangkaian dari sisi kecepatan menanggapi input-nya, atau semacam slew-rate, dilakukan percobaan berikut ini yakni menggunakan input kotak, lalu mengamati delay propagasi output-nya. Mungkin ini bukan cara yang tepat untuk mengukur slew-rate, sehingga saya tidak berani menyimpulkan apa-apa dari foto ini. (jadi agak mubazir juga sebenarnya)

Step input, untuk mengamati semacam step response

Beberapa pengujian dan pengamatan dengan osiloskop di atas cukup memberi bukti bahwa rangkaian kita betul-betul bisa berfungsi selayaknya op amp. Barangkali perlu diulas juga kelemahan-kelamahan dan ketidakmampuannya dalam skenario rangkaian lain tapi sayangnya belum sempat dikerjakan, semoga lain kali bisa.

Pentutup
Op amp buatan sendiri dengan 9012/9013 telah terbukti bisa difungsikan sebagai penguat inverting. Namun yang mungkin lebih penting daripada itu adalah bahwa umpan balik negatif perlu kita beri apresiasi yang cukup besar, karena betul-betul memberi nuansa 'sulap' pada rangkaian ini. Setidaknya anggapan saya begitu. (bisa saja salah)

Tambahan
Berikut ini perbandingan rangkaian op amp 9012/9013 dengan IC op amp sungguhan, 741. IC 741-nya dalam keadaan dibuang sebagian kemasannya sehingga chip aslinya bisa terpapar dan terlihat.