Tugas Pendahuluan 3 Modul 3 : Op-Amp dan Filter

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Penjelasan Kondisi

2. Prinsip Kerja Kondisi

3. Rangkaian Kondisi

4. Video Penjelasan Kondisi

5. Tugas Pendahuluan (Soft File)

1. Penjelasan kondisi [Kembali]

Kondisi

Buatlah rangkaian HPF 20db dan jelaskan keunggulan dan kekurangannya!

1. Kondisi Awal Tanpa Sinyal Masukan

Saat rangkaian dihidupkan dan catu daya ±V diberikan, Op-Amp 741 berada pada kondisi bias siap kerja. Tegangan suplai ganda—misalnya ±12 V atau ±15 V—menciptakan titik tengah referensi sehingga sinyal AC dapat diperkuat dengan bentuk gelombang positif dan negatif yang simetris. Pada tahap ini, kapasitor C1 belum dilalui arus AC karena tidak ada perubahan tegangan masukan, sehingga arus yang mengalir hanya arus bias input op-amp yang sangat kecil (orde nanoampere). Keluaran op-amp praktis mendekati nol volt, hanya mungkin muncul sedikit offset akibat karakteristik internal op-amp, namun tidak ada sinyal yang berarti.

2. Kondisi Saat Menerima Sinyal Frekuensi Rendah

Ketika sinyal AC frekuensi rendah (misalnya beberapa hertz) diberikan ke input, reaktansi kapasitif C1 (Xc = 1/(2πfC)) sangat besar. Kapasitor berperilaku hampir seperti rangkaian terbuka untuk sinyal rendah, sehingga arus yang mengalir menuju node input inverting sangat terbatas. Akibatnya, hanya tegangan sangat kecil yang diteruskan ke op-amp. Tegangan keluaran menjadi sangat lemah, seringkali jauh di bawah level yang dapat digunakan. Pada grafik respon frekuensi, kondisi ini terlihat sebagai daerah roll-off yang curam, dengan nilai gain negatif. Praktis, frekuensi rendah “ditolak” atau terpotong oleh filter.

3. Kondisi di Sekitar Frekuensi Cutoff (fc)

Ketika frekuensi input dinaikkan dan mendekati fc = 1/(2πR1C1), reaktansi C1 berkurang secara signifikan. Pada titik ini, arus mulai mengalir lebih besar ke input inverting, memungkinkan sebagian energi sinyal mencapai tahap penguat. Gain rangkaian perlahan meningkat dari kondisi teredam menuju titik transisi. Secara teori, pada frekuensi tepat fc, keluaran berada pada level –3 dB dari penguatan maksimum, menandakan batas efektif yang memisahkan area redaman dan area passband. Fase sinyal keluaran juga mulai bergeser relatif terhadap input, umumnya sekitar –45° pada titik cutoff, sesuai karakteristik filter orde pertama.

4. Kondisi untuk Frekuensi Tinggi (Passband)

Untuk sinyal dengan frekuensi jauh di atas fc, reaktansi kapasitif C1 menjadi sangat kecil, hampir menyerupai hubung singkat untuk komponen AC. Sinyal frekuensi tinggi dapat melewati C1 tanpa hambatan berarti dan diteruskan ke input inverting op-amp. Di sini, resistor R1 dan R2 menentukan penguatan sesuai persamaan Av = –(R2/R1). Dengan pemilihan nilai yang tepat, diperoleh gain sekitar +20 dB (±10 kali penguatan tegangan). Output op-amp menyalurkan sinyal yang telah disaring dan diperkuat ke beban atau rangkaian berikutnya. Bagian ini terlihat pada grafik sebagai passband datar, menandakan sinyal frekuensi tinggi dilewatkan dengan penguatan konstan.

5. Kondisi Tegangan, Arus, dan Peran Setiap Komponen

C1 (Kapasitor Input): Bertindak sebagai penghalang frekuensi rendah sekaligus “gerbang” bagi sinyal frekuensi tinggi.
R1 (Resistor ke Ground): Bersama C1 menentukan titik cutoff dan menjaga bias input op-amp.
R2 (Resistor Feedback): Menetapkan besar penguatan bersama R1, sekaligus menjaga kestabilan op-amp.
Op-Amp 741: Memperkuat sinyal yang lolos dari jaringan RC dengan impedansi input sangat tinggi sehingga tidak membebani sumber sinyal.
Arus yang mengalir melalui input op-amp sangat kecil, sehingga hampir seluruh arus yang menentukan perilaku rangkaian terjadi di jaringan RC dan umpan balik.

6. Kondisi Lingkungan dan Kestabilan

Performa rangkaian sangat dipengaruhi oleh stabilitas catu daya, toleransi komponen, dan suhu lingkungan. Perubahan nilai resistor atau kapasitor akibat toleransi (misalnya ±5%) dapat sedikit menggeser frekuensi cutoff. Op-amp 741 juga memiliki batas bandwidth dan slew rate, sehingga pada frekuensi sangat tinggi (ratusan kilohertz ke atas) penguatan dapat menurun atau menimbulkan distorsi. Faktor noise dari op-amp serta layout PCB juga perlu diperhatikan, karena gain +20 dB dapat memperkuat noise jika tata letak tidak baik.

Keunggulan:

Penguatan sinyal: Tidak hanya menyaring frekuensi rendah, tetapi juga memberikan gain +20 dB (sekitar 10×) sehingga sinyal keluaran cukup kuat untuk tahap berikutnya.
Tidak memerlukan induktor: Hanya menggunakan resistor dan kapasitor, membuat rangkaian lebih sederhana, murah, dan mudah dirakit.
Respons frekuensi tajam dan terkontrol: Kemiringan kurva (slope) dapat diatur dengan mengganti nilai R dan C, serta op-amp membantu menjaga kestabilan filter.
Impedansi input tinggi: Mengurangi beban pada sumber sinyal dan menjaga bentuk gelombang masukan.
Dapat sekaligus menyaring dan memperkuat: Menyederhanakan desain karena satu rangkaian sudah memenuhi dua fungsi.

Kelemahan:

Batasan op-amp 741: Bandwidth dan slew rate terbatas, kinerja menurun pada frekuensi sangat tinggi.
Butuh catu daya ganda: Memerlukan suplai positif dan negatif untuk bekerja optimal, menambah kompleksitas daya.
Potensi noise dan offset: Penguatan tinggi dapat meningkatkan noise, memerlukan tata letak PCB yang baik.
Rentang frekuensi terbatas: Nilai R dan C menentukan cutoff; kurang cocok untuk aplikasi frekuensi radio (RF) atau sistem presisi sangat tinggi.
Ketergantungan pada kualitas komponen: Toleransi resistor/kapasitor memengaruhi titik cutoff dan stabilitas filter.

2. Prinsip Kerja Kondisi [Kembali]

Prinsip kerja rangkaian High Pass Filter (HPF) aktif +20 dB ini didasarkan pada kemampuan jaringan RC dan op-amp untuk hanya melewatkan sinyal dengan frekuensi di atas frekuensi batas (cutoff). Sinyal masukan pertama kali melalui kapasitor seri C1, yang memiliki reaktansi tinggi pada frekuensi rendah sehingga arus yang mengalir ke titik input inverting op-amp menjadi sangat kecil dan sinyal rendah teredam. Ketika frekuensi masukan meningkat, reaktansi kapasitor menurun, sehingga sinyal frekuensi tinggi dapat melewati kapasitor dan diteruskan ke resistor R1 yang terhubung ke ground. Setelah itu, sinyal yang telah disaring masuk ke op-amp 741 yang dikonfigurasi sebagai penguat inverting. Resistor umpan balik R2 bersama R1 menentukan besar penguatan sesuai perbandingan R2/R1 sehingga menghasilkan gain sekitar +20 dB atau sepuluh kali penguatan tegangan. Dengan demikian, hanya sinyal berfrekuensi di atas nilai cutoff yang lolos dan diperkuat, sedangkan sinyal berfrekuensi rendah terblokir, menghasilkan keluaran yang sesuai karakteristik filter high pass aktif.

3. Rangkaian Kondisi [Kembali]