Filter akses rendah aktif

Sebelumnya kita telah menjelaskan tentang filter low pass pasif, dalam tutorial ini kita akan membahas apa itu Filter Active Low Pass.

Apa itu, Sirkuit, rumus, kurva?

Seperti yang kita ketahui dari tutorial sebelumnya, Passive low pass filter bekerja dengan komponen pasif. Hanya dua komponen pasif resistor dan kapasitor yang merupakan kunci atau jantung dari rangkaian low pass filter pasif. Kita telah belajar di tutorial sebelumnya bahwa filter low pass pasif berfungsi tanpa gangguan luar atau respons aktif. Tetapi memiliki batasan tertentu.

Batasan filter Pasif Low pass adalah sebagai berikut: -

1. Impedansi rangkaian menyebabkan hilangnya amplitudo. Jadi Vout selalu lebih kecil dari Vin.
2. Amplifikasi tidak dapat dilakukan hanya dengan low pass filter pasif.
3. Karakteristik filter sangat bergantung pada impedansi beban.
4. Keuntungan selalu sama atau lebih kecil dari keuntungan persatuan.
5. Semakin banyak tahapan filter atau urutan filter yang ditambahkan, hilangnya amplitudo menjadi lebih kecil.

Karena batasan ini, jika diperlukan Amplifikasi, cara terbaik untuk menambahkan komponen aktif yang akan memperkuat keluaran yang difilter. Amplifikasi ini dilakukan dengan penguat operasional atau op-amp. Karena ini membutuhkan sumber tegangan, ini adalah komponen aktif. Maka dari itu namanya Active low pass filter.

Amplifier tipikal menarik daya dari catu daya eksternal dan memperkuat sinyal tetapi sangat fleksibel karena kami dapat mengubah bandwidth frekuensi dengan lebih fleksibel. Juga, itu adalah pilihan pengguna atau perancang untuk memilih jenis komponen aktif apa yang akan dipilih tergantung pada persyaratan. Bisa jadi Fet, Jfet, Transistor, Op-Amp yang memiliki banyak fleksibilitas. Pemilihan komponen juga bergantung pada biaya dan efektivitas jika dirancang untuk produk produksi massal.

Demi kesederhanaan, efektifitas waktu dan juga teknologi yang berkembang dalam desain op-amp, umumnya digunakan op-amp untuk desain Active Filter.

Mari kita lihat mengapa kita harus memilih dan op-amp untuk mendesain low pass filter Aktif: -

1. Impedansi masukan tinggi.

   Karena impedansi input yang tinggi, sinyal input tidak dapat dihancurkan atau diubah. Secara umum atau dalam banyak kasus, sinyal input yang amplitudonya sangat rendah dapat rusak jika digunakan sebagai rangkaian impedansi rendah. Op-Amp mendapat nilai tambah dalam kasus seperti itu.

2. Jumlah komponen yang sangat rendah. Hanya dibutuhkan sedikit resistor.
3. Berbagai jenis op-amp tersedia tergantung pada penguatan, spesifikasi tegangan.
4. Kebisingan rendah.
5. Lebih mudah untuk desain dan implementasi.

Namun seperti yang kita ketahui tidak ada yang sepenuhnya sempurna, desain Filter aktif ini juga memiliki batasan tertentu.

Keuntungan dan bandwidth keluaran serta respons frekuensi bergantung pada spesifikasi op-amp.

Mari Jelajahi lebih jauh dan pahami apa yang spesial darinya.

Filter Akses Rendah Aktif dengan Amplifikasi:

Sebelum memahami desain Active low pass filter dengan op-amp, kita perlu mengetahui sedikit tentang Amplifier. Amplify adalah kaca pembesar, ini menghasilkan replika dari apa yang kita lihat tetapi dalam bentuk yang lebih besar untuk mengenalinya dengan lebih baik.

Di dalam tutorial pertama tentang Filter akses rendah pasif, kita telah mempelajari apa itu filter Low Pass. Filter lolos rendah menyaring frekuensi rendah dan memblokir salah satu sinyal sinusoidal AC yang lebih tinggi. Ini aktif low pass filter adalah bekerja dengan cara yang sama seperti Pasif low pass filter, satunya perbedaan adalah di sini satu komponen ekstra ditambahkan, itu adalah penguat sebagai op-amp.

Berikut adalah desain sederhana Low pass filter: -

Ini adalah gambar dari low pass filter yang aktif. Di sini garis yang melanggar menunjukkan kepada kita filter RC pasif low pass tradisional yang kita lihat di tutorial sebelumnya.

Potong Frekuensi dan penguatan Tegangan:

Rumus frekuensi potong sama seperti yang digunakan pada filter lolos rendah pasif.

fc = 1 / 2πRC

Seperti yang dijelaskan dalam tutorial sebelumnya fc adalah frekuensi cut-off dan R adalah nilai Resistor dan C adalah nilai Kapasitor.

Dua resistor yang terhubung pada simpul positif op-amp adalah resistor umpan balik. Ketika resistor ini dihubungkan pada simpul positif op-amp itu disebut konfigurasi non-pembalik. Resistor ini bertanggung jawab atas penguatan atau penguatan.

Kita dapat dengan mudah menghitung gain penguat menggunakan persamaan berikut di mana kita dapat memilih nilai resistor yang setara menurut gain atau bisa juga sebaliknya: -

Penguatan Amplifier (amplitudo DC) (Af) = (1 + R2 / R3)

Kurva Respon Frekuensi:

Mari kita lihat apa yang akan menjadi output dari filter Active Low pass atau Bode plot / Kurva respon frekuensi: -

Ini adalah hasil akhir dari Active Low pass filter dalam konfigurasi op-amp non-inverting. Penjelasan detailnya akan kita lihat pada gambar selanjutnya.

Seperti yang kita lihat, ini identik dengan filter akses rendah pasif. Dari frekuensi awal ke Fc atau titik cut-off frekuensi atau frekuensi sudut akan dimulai dari titik -3dB. Gainnya 20dB pada gambar ini, jadi frekuensi cut-off adalah 20dB - 3dB = 17dB dimana titik fc berada. Kemiringannya -20dB per dekade.

Terlepas dari filternya, dari titik awal ke titik frekuensi cut-off disebut Bandwidth filter dan setelah itu disebut band laluan dari mana frekuensi lewat diperbolehkan.

Kita dapat menghitung penguatan besaran dengan mengubah penguatan tegangan op-amp.

Perhitungannya adalah sebagai berikut

db = 20log (Af)

Af ini bisa menjadi keuntungan Dc yang kami jelaskan sebelumnya dengan menghitung nilai resistor atau membagi Vout dengan Vin.

Sirkuit Filter Amplifier Non-pembalik dan Pembalik:

Rangkaian low pass filter aktif yang diperlihatkan di awal juga memiliki satu batasan. Stabilitasnya dapat dikompromikan jika impedansi sumber sinyal berubah. Misalnya menurun atau bertambah.

Sebuah praktik desain standar dapat meningkatkan stabilitas, melepas kapasitor dari input dan menghubungkannya secara paralel dengan resistor umpan balik kedua op-amp.

Berikut adalah rangkaian Non-inverting Active Low pass Filter-

Dalam gambar ini, jika kita membandingkannya dengan rangkaian yang dijelaskan di awal, kita dapat melihat bahwa posisi kapasitor diubah untuk stabilitas terkait impedansi. Dalam konfigurasi ini impedansi eksternal tidak berpengaruh pada reaktansi kapasitor, sehingga stabilitas meningkat.

Pada konfigurasi yang sama jika kita ingin membalikkan sinyal keluaran maka kita dapat memilih konfigurasi sinyal pembalik dari op-amp dan dapat menghubungkan filter dengan op-amp terbalik tersebut.

Berikut adalah implementasi sirkuit dari filter low pass aktif terbalik: -

Ini adalah filter akses rendah aktif dalam konfigurasi terbalik. Op-amp terhubung secara terbalik. Pada bagian sebelumnya input dihubungkan melintasi pin input positif op-amp dan pin negatif op-amp digunakan untuk membuat rangkaian umpan balik. Di sini sirkuitnya terbalik. Input positif dihubungkan dengan referensi ground dan kapasitor dan resistor umpan balik dihubungkan melintasi pin input negatif op-amp. Ini disebut konfigurasi op-amp terbalik dan sinyal keluaran akan dibalik daripada sinyal masukan.

Unity Gain atau Voltage Follower Active Low Pass Filter:

Sampai sekarang sirkuit yang dijelaskan di sini digunakan untuk penguatan tegangan dan tujuan pasca amplifikasi.

Kita bisa membuatnya dengan menggunakan penguat gain, artinya amplitudo atau penguatan keluaran akan sama dengan masukan: 1x. Vin = Vout.

Belum lagi, ini juga merupakan konfigurasi op-amp yang sering disebut sebagai konfigurasi voltage follower dimana op-amp tersebut menciptakan replika yang tepat dari sinyal input.

Mari kita lihat desain rangkaian dan cara mengkonfigurasi op-amp sebagai pengikut tegangan dan mengaktifkan filter low pass unity gain: -

Pada gambar ini, resistor umpan balik dari op-amp dilepas. Alih-alih resistor, pin input negatif op-amp dihubungkan langsung dengan op-amp output. Konfigurasi op-amp ini disebut sebagai Konfigurasi pengikut tegangan. Keuntungannya 1x. Ini adalah filter low pass aktif gain gain. Ini akan menghasilkan replika sinyal input yang tepat.

Contoh praktis dengan Perhitungan

Kami akan mendesain sirkuit low pass filter aktif dalam konfigurasi op-amp non-pembalik.

Spesifikasi: -

1. Impedansi masukan 10kohms
2. Keuntungan akan menjadi 10x
3. Frekuensi cutoff akan menjadi 320Hz

Mari kita hitung nilainya terlebih dahulu sebelum membuat sirkuit: -

Penguatan Amplifier (amplitudo DC) (Af) = (1 + R3 / R2) (Af) = (1 + R3 / R2) Af = 10

R2 = 1k (Kita perlu memilih satu nilai; kita memilih R2 sebagai 1k untuk mengurangi kompleksitas perhitungan).

Dengan menyatukan nilai, kita dapatkan

(10) = (1 + R3 / 1)

Kami menghitung nilai resistor ketiga adalah 9k.

Sekarang kita perlu menghitung nilai resistor sesuai dengan frekuensi cut-off. Karena filter low pass aktif dan filter low pass pasif bekerja dengan cara yang sama, rumus cut-off frekuensi sama seperti sebelumnya.

Mari kita periksa nilai kapasitor jika frekuensi cut-off adalah 320Hz, kami memilih nilai resistornya adalah 4.7k.

fc = 1 / 2πRC

Dengan menggabungkan semua nilai kita mendapatkan: -

Dengan menyelesaikan persamaan ini kita mendapatkan nilai kapasitor sekitar 106nF.

Langkah selanjutnya adalah menghitung keuntungan. Rumus penguatannya sama dengan filter pasif rendah. Rumus gain atau besaran dalam dB adalah sebagai berikut: -

20log (Af)

Karena penguatan op-amp adalah 10x besarnya dalam dB adalah 20log (10). Ini 20dB.

Sekarang karena kita sudah menghitung nilainya, sekarang saatnya untuk membangun sirkuit. Mari tambahkan semuanya dan bangun sirkuit: -

Kami membangun sirkuit berdasarkan nilai yang dihitung sebelumnya. Kami akan memberikan frekuensi 10Hz hingga 1500Hz dan 10 poin per dekade pada input dari filter low pass aktif dan akan menyelidiki lebih lanjut untuk melihat apakah frekuensi cutoff adalah 320Hz atau tidak pada output amplifier.

Ini adalah kurva respons frekuensi. Garis hijau dimulai dari 10Hz hingga 1500Hz karena sinyal input disuplai untuk rentang frekuensi itu saja.

Seperti kita ketahui bahwa frekuensi sudut akan selalu berada pada -3dB dari besaran gain maksimum. Di sini keuntungannya adalah 20dB. Jadi, jika kita menemukan titik -3dB akan mendapatkan frekuensi yang tepat dimana filter menghentikan frekuensi yang lebih tinggi.

Kami mengatur kursor pada 17 db sebagai (20dB-3dB = 17dB) frekuensi sudut dan mendapatkan 317.950Hz atau 318Hz yang dekat dengan 320Hz.

Kita dapat mengubah nilai kapasitor ke yang generik sebagai 100nF dan tidak menyebutkan frekuensi sudut juga akan dipengaruhi oleh beberapa Hz.

Filter Akses Rendah Aktif Orde Kedua:

Anda dapat menambahkan lebih banyak filter di satu op-amp seperti filter akses rendah aktif orde dua. Dalam kasus seperti itu seperti filter pasif, filter RC ekstra ditambahkan.

Mari kita lihat bagaimana rangkaian filter orde dua dibangun.

Ini adalah filter orde kedua. Pada gambar di atas kita dapat dengan jelas melihat dua filter yang ditambahkan bersama. Ini adalah filter orde dua. Ini adalah filter yang banyak digunakan dan aplikasi industri adalah Amplifier, sirkuit sistem musik sebelum Power Amplification.

Seperti yang Anda lihat, ada satu op-amp. Keuntungan tegangan sama dengan yang dinyatakan sebelumnya menggunakan dua resistor.

(Af) = (1 + R3 / R2)

Frekuensi cut-off adalah

Satu hal yang menarik untuk diingat jika kita ingin menambah op-amp yang terdiri dari first order filter maka gain akan dikalikan masing-masing individu. Bingung? Semoga skema akan membantu kami.

Semakin banyak op-amp yang ditambahkan, semakin banyak penguatan yang dikalikan. Lihat gambar di atas, Pada gambar ini dua op-amp mengalir dengan masing-masing op-amp. Pada rangkaian ini Cascaded op amp, Jika yang pertama memiliki gain 10x dan gain kedua untuk gain 5x maka total gain menjadi 5 x 10 = 50x gain.

Jadi, besarnya rangkaian low pass filter op-amp bertingkat jika ada dua op-amp adalah: -

dB = 20log (50)

Dengan menyelesaikan persamaan ini, hasilnya adalah 34dB. Jadi keuntungan dari rumus gain cascading op-amp low pass filter adalah

TdB = 20log (Af1 * Af2 * Af3 *…… Afn)

Dimana TdB = Besaran Total

Beginilah cara Active low pass filter dibangun. Pada tutorial berikutnya, kita akan melihat bagaimana Active high pass filter dapat dibuat. Namun sebelum tutorial selanjutnya mari kita lihat apa saja aplikasi dari Active low pass filter: -

Aplikasi

Filter akses rendah aktif dapat digunakan di banyak tempat di mana filter akses rendah pasif tidak dapat digunakan karena keterbatasan prosedur penguatan atau amplifikasi. Selain itu, filter low pass aktif dapat digunakan di tempat-tempat berikut: -

Low pass filter adalah rangkaian yang banyak digunakan dalam elektronik.

Berikut adalah beberapa aplikasi dari Active Low Pass Filter: -

1. Pemerataan bass sebelum Power amplification
2. Filter terkait video.
3. Osiloskop
4. Sistem kontrol musik dan modulasi frekuensi Bass serta sebelum woofer dan speaker audio bass tinggi untuk bass out.
5. Fungsi Generator untuk menyediakan variabel frekuensi rendah keluar pada level tegangan yang berbeda.
6. Mengubah bentuk frekuensi pada gelombang yang berbeda dari.