BAB I

FILTER AKTIF

1. Tujuan :

Mengukur besarnya frekuensi cut-off pada filter aktif Low Pass orde satu.

Mengukur besarnya frekuensi cut-off pada filter aktif Low Pass orde dua.

Mengukur besarnya frekuensi cut-off pada filter aktif High Pass orde dua.

2. Alat dan Bahan :

R1 = 1 KΩ : 1 buah

R2 = 10 KΩ : 3 buah

R3 = 22 KΩ : 1 buah

C1 = 0.01 μF : 2 buah

C2 = 0.022 μF : 1 buah

Op-Amp (LM 741) : 1 buah

Osiloskop Dual Trace : 1 buah

Power Supply : 1 buah

Generator Fungsi : 1 buah

Protoboard : 1 buah

Test Probe Adapter : 1 buah

Kabel Penghubung Secukupnya

3. Teori Dasar

Ada dua tipe rangkaian filter yaitu filter aktif dan pasif. Filter pasif menggunakan komponen pasif, yaitu : Kapasitor dan Induktor. Rangkaian filter aktif menggunakan komponen aktif. Komponen aktif yang digunakan pada percobaan ini adalah OP-AMP.

Filter Pasif

Gambar 3.1 menunjukkan salah satu bentuk Low Pass filter. Pada frekuensi rendah reaktansi induktif dari L1 dan L2 sangat rendah. Reaktansi kapasitif dari C1 dan C2 sangat tinggi. Kita boleh mengatakan bahwa inductor berfungsi sebagai rangkaian hubung singkat, sementara kapasitor berfungsi sebagai rangkaian terbuka, sehingga pada frekuensi rendah : Vout = Vm.

Ketika frekuensi input bertambah, inductor mulai menunjukkan X1. Tinggi dan Kapasitor menunjukkan Xc rendah. Pada saat frekuensi tinggi, inductor muncul sebagai

rangkaian terbuka dan kapasitor berfungsi sebagai rangkaian hubung singkat. Ketika hal ini terjadi maka Vout = 0V.

Gambar 3.1 (c) menunjukkan rangkaian high pass filter. High pass filter ini bekerja berlawanan dengan low pass filter. Jika yang dilewatkan frekuensi tinggi dan meredam frekuensi rendah dinamakan high pass filter.

Gambar 3.1 (b) menunjukkan hubungan antara keluaran filter dan masukan frekuensi. Pada frekeunsi cut off (fc), fc berada pada titik setengah daya dimana filter keluaran adalah 3 dB “turun” dari keluaran maksimum (0,707 x puncak output). Mengingat bahwa bandwidth juga diukur dari titik setengah daya.

Gambar 3.1

(a) Low Pass Filter, (b) Kurva Respon Low Pass

(c) High Pass Filter, (d) Kurva Respon High Pass

Desibel

Desibel, 0,1 bel (B) adalah cara menggambarkan penguatan atau peredaman. Desibel juga digunakan pada penguatan tegangan (positif atau negatif).

Penguatan dalam desibel pada rangkaian filter adalah

A dB = 20 log Av

Dimana logaritma dasar 10 dan Av merupakan penguatan tegangan (Av = Aout/Ain) pada rangkaian filter. Jika filter mempunyai masukan 1 V pada 1 kHz dan keluaran 0,707 V, penguatan tegangannya adalah

Av = Aout/Ain = 0,707/1 = 0,707

Rangkaian penguatan decibel adalah :

A dB = 20 log Av = 20 log 0,707 = 20 (-0,15) = -3 dB

Bila peredaman 6 dB, penguatan tegangan terbagi menjadi dua. Untuk masing-masing penambahan 6 dB, penambahan menjadi dua kali lipat. Lihat gambar 3.2.

Filter Aktif

Filter Aktif mempunyai beberapa manfaat lebih dari filter pasif. Pada penggunan OP-AMP sebagai komponen dasar filter aktif. Perubahan penguatan filter dapat dicapai. OP-AMP juga memungkinkan menyetel range filter lebih lebar tanpa merubah respon frekuensi dan dapat memisahkan beban dari sumber karena Zin tinggi dan Zout rendah.

Tetapi filter aktif tidak sempurna. Ada beberapa kekurangannya. Pertama, respon frekuensi tergantung pada penggunaan tipe OP-AMP dan sebagian besar tidak mempunyai respon frekuensi tinggi yang layak. Kedua, OP-AMP keberadaannya memerlukan daya operasi dimana filter pasif tidak memerlukan daya operasi.

Rangkaian Low Pass filter aktif terlihat pada gambar 3.3 (a) dan gambar 3.3 (b) menunjukkan respon frekuensinya.

A AdB , dB

1000 60

100 40

10 20

8 18

4 12

2 6

1 0

0.707 -3

0.5 -6

0.25 -12

0.125 -18

0.1 -20

0.01 -40

0.001 -60

Gambar 3.2 Perbandingan penguatan tegangan dan penguatan dalam dB

Rangkaian ini dianggap filter orde satu karena pengurangan rata-rata 6 dB / oktaf melewati fc. Untuk penambahan frekuensi dua kalinya, terdapat peredaman 6 dB pada sinyal keluaran. Dengan Cin parallel dengan Rf, Xc menjadi factor penentu pada penguatan rangkaian. Pada frekuensi rendah Xc adalah tinggi (terhingga) akan tidak mempengaruhi Rf. Dengan demikian, penguatan rangkaian sangat tinggi. Namun pada frekuensi tertinggi Xc menjadi berkurang dan impedansi parallel Xc dan Rf akan menjadi lebih rendah. Dengan

demikian penguatan rangkaian menjadi rendah. Sehingga frekuensi masukan mendekati terhingga, Xc mendekati 0 dan penguatan rangkaianpun juga nol. Frekuensi cut off dari rangkaian dapat dihitung dengan :

Fc = 1 / 2πRFC

Rangkaian pada gambar 3.3 terdapat penegsetan penguatan dan dapat mengontrol frekuensi cut off. Pengesetan nilai C, menyebabkan nila Fc tercapai. Pengesetan dari R1digunakan mengubah penguatan rangkaian.

Low Pass Filter

Low Pass Filter mengalami perubahan output pada 12 dB / oktaf. Kurva respon rangkaian ini ditunjukkan pada gambar 3.4 (b). Filter aktif telah dijelaskan pada gambar 3.4 (a). Pada rangkaian ini, 2 Kapasitor mempengaruhi OP-AMP.

Gambar 3.3 (a) LPF Orde Satu, (b) kurva respon LPF

Salah satu yang digunakan sebagai feedback R, sebagai filter orde satu dan yang lainnya berasal dari masukan input sampai ground. Pada frekuensi rendah, rangkaian Xc tinggi. Oleh karena itu C1 tidak mempengaruhi masukan dan C2 memberikan nilai Xc tinggi untuk penguatan OP-AMP tinggi.Frekuensi masukan bertambah, C1 menunjukkan Xc rendah. Kemudian sinyal output OP-AMP berkurang. Xc pada C2 juga berkurang. Jadi,penguatan rangkaian berkurang sementara satu kapasitor sinyal masukan rendah yang lain membatasi penguatan OP-AMP. Hasil keluaran membentuk kurva filter orde satu. Frekuensi filter ini dapat dihitung dengan :

Fc = 0,707 / 2πRc

Second Order High Pass Filter

Rangkaiannya menunjukkan pada gambar 3.5 (a) bekerja kebalikan dengan gambar 3.4 (a). Pada frekuensi rendah C1 dan C2 mempunyai Xc tinggi dan daerah-daerah sinyal OP-AMP terlihat. Pada frekuensi rendah, filter keluaran adalah nol. Frekuensi tinggi, Xc dari C1 dan C2 menjadi rendah, kebanyakan sinyal input dilewatkan. Pelewatan C1 ini untuk mengendalikan level input dan C2 untuk mengontrol level feedback.

Gambar 3.4 (a) LPF Orde Dua, (b) Kurva Respon

Gambar 3.5 (a) HPF Orde Dua, (b) Kurva respon

3.3. Prosedur Percobaan

A. LPF Orde Satu

1. Buat Rangkaian berikut ini :

3.6 Rangkaian LPF Orde Satu

2. Besarkan frekuensi generator fungsi ke 200 Hz dan ukur Vout (kondisi Vin tetap) dan lengkapi tabel 3.1.

Tabel 3.1 Pengukuran LPF Orde Satu

Frekuensi (Hz) Vin (Vpp) Vout (Vpp) Av Av (dB)

100 1V 1000mv 1 0

200 1V 1000mv 1 0

500 1V 904mv 0,92 -0,87

1000 1V 744mv 0,744 -0,2,56

1250 1V 704mv 0,704 -3,04

1500 1V 664mv 0,664 -3,5

2000 1V 616mv 0,616 -4,2

5000 1V 544mv 0,544 -5,2

10000 1V 144mv 0,144 -16,8

3. Ulangi langkah ke-2 diatas sesuai dengan frekuensi yang ada dalam tabel 3.1.

4. Hitung besar penguatan (Av = Vout/Vin) serta dalam bentuk dB (Av dB = 20 log Av).

5. Gunakan hasil pengukuran untuk menggambar kurva respon frekuensi filter (Av dB sebagai fungsi frekuensi).

B. LPF Orde Dua

1. Buat rangkaian berikut ini :

Gambar 3.7 Rangkaian LPF Orde Dua

2. Atur keluaran Generator fungsi sehingga diperoleh keluaran filter sebesar 1 Vpp, frekuensi 100 Hz. Ukur besar tegangan input dan lengapi tabel 3.2.

3. Besarkan frekuensi generator fungsi ke 200 Hz dan ukur Vout (kondisi Vin tetap) dan lengkapi tabel 3.2.

4. Ulangi langkah ke-3 diatas sesuai dengan frekuensi yang ada dalam tabel 3.2.

Hitung besar penguatan (Av = Vout / Vin) serta dalam bentuk dB (Av dB = 20 log Av).

5. Gunakkan hasil pengukuran untuk menggambar kurva respon frekuensi filter (Av dB sebagai fungsi frekuensi).

Tabel 3.2 Pengukuran LPF Orde Dua

Frekuensi (Hz) Vin (Vpp) Vout (Vpp) Av Av (dB)

100

200

500

1000

2000

5000

10000

C. HPF Orde Dua

1. Buat rangkaian berikut ini :

Gambar 3.8 Rangkaian HPF Orde Dua

2. Atur keluaran generator fungsi sehingga diperoleh keluaran filter sebesar 1 Vpp, frekuensi 10 kHz. Ukur besar tegangan input dan lengkapi tabel 3.3

Tabel 3.3 Pengukuran HPF Orde Dua

Frekuensi (Hz) Vin (Vpp) Vout (Vpp) Av Av (dB)

100

200

500

1000

2000

5000

10000

3. Ukut besar Vout dengan keadaan Vin tetap untuk setiap frekuensi diatas.

4. Ulangi langkah ke-3 diatas sesuai dengan frekuensi yang ada dalam tabel 3.3.

5. Hitung besar penguatan (Av = Vout / Vin) serta dalam bentuk dB (Av dB = 20 log Av).

6. Gunakkan hasil pengukuran untuk menggambar kurva respon frekuensi filter (Av dB sebagai fungsi frekuensi).