MODUL 3 PRAKTIKUM ELEKTRONIKA

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

Percobaan ...

1. 1. Tugas Pendahuluan
2. 2. Laporan Akhir

MODUL 3

OPERATIONAL AMPLIFIER DAN FILTER

1. Pendahuluan[Kembali]

Dalam dunia elektronika analog, hampir mustahil untuk tidak menemukan komponen yang satu ini: Operational Amplifier atau yang lebih dikenal dengan Op-Amp. Op-Amp adalah komponen serbaguna berbentuk IC (Integrated Circuit) yang mampu memperkuat sinyal listrik dengan gain (penguatan) yang sangat tinggi. Kemampuannya untuk melakukan berbagai operasi matematika (seperti penjumlahan, pengurangan, integrasi, dan diferensiasi) menjadikannya fondasi dari hampir segala macam rangkaian elektronik, mulai dari sensor sederhana hingga sistem audio dan komunikasi yang kompleks.

Filter berfungsi untuk "menyaring" sinyal berdasarkan frekuensinya, allowing sinyal dengan frekuensi tertentu untuk lewat dan memblokir sinyal dengan frekuensi lainnya. Pemahaman terhadap kedua jenis filter ini sangat krusial, misalnya, dalam sistem audio untuk mengatur bass (low-frequency) dan treble (high-frequency).

2. Tujuan[Kembali]

    1. Mengetahui prinsip kerja dari Inverting Amplifier 

    2. Mengetahui prinsip kerja dari Comparator Amplifier

    3. Mengetahui prinsip kerja Low Pass Filter

    4. Mengetahu prinsip kerja High Pass Filter                                                

3. Alat dan Bahan[Kembali]

1. Electronic Base Station

Base Station

    Trainer elektronika dasar adalah alat yang dirancang untuk membantu pelajar dan teknisi mempelajari konsep-konsep fundamental dalam elektronika dengan cara yang interaktif dan praktis. Fungsi utama dari trainer ini adalah menyediakan platform yang memungkinkan pengguna untuk merakit, menguji, dan menganalisis berbagai rangkaian elektronik dasar tanpa memerlukan laboratorium yang lengkap. Trainer ini dilengkapi dengan berbagai komponen elektronik seperti resistor, kapasitor, transistor, dan dioda, serta sering kali menyertakan modul pelatihan untuk sirkuit logika, amplifier, dan sistem komunikasi. Dengan adanya trainer ini, pelajar dapat belajar tentang hukum Ohm, analisis rangkaian, dan prinsip kerja komponen elektronik secara langsung, mengembangkan keterampilan praktis dalam merancang dan memecahkan masalah elektronik, serta memperoleh pemahaman yang lebih mendalam mengenai aplikasi teori elektronika dalam praktek. Trainer elektronika dasar juga sering dilengkapi dengan alat pengukur seperti multimeter dan oscilloscope, yang memungkinkan pengguna untuk memantau dan menganalisis sinyal, serta mengukur berbagai parameter listrik secara real-time.

2. Electronic Module Kit Op-Amp

3. Jumper

  Jumper

    Di bidang elektronika, jumper digunakan untuk menghubungkan atau memutuskan jalur pada papan sirkuit, memungkinkan konfigurasi dan penyesuaian pengaturan perangkat. Jumper sering dipakai untuk mengatur mode operasi, mengaktifkan atau menonaktifkan fitur, serta dalam proses troubleshooting dan pemeliharaan. Dengan kemudahan dalam pemasangan dan penggantian, jumper mempermudah perubahan konfigurasi tanpa perlu soldering, sehingga meningkatkan fleksibilitas dan efisiensi dalam pengembangan dan perawatan perangkat elektronik.

4. Multimeter

Multimeter

    Multimeter adalah alat yang sangat berguna dalam pengukuran dan diagnostik elektronik, karena mampu mengukur berbagai parameter listrik seperti tegangan, arus, dan resistansi. Dengan kemampuan ini, multimeter memungkinkan teknisi dan insinyur untuk memeriksa dan menganalisis kondisi sirkuit elektronik, menemukan masalah atau kerusakan, dan memastikan komponen berfungsi dengan benar. Selain itu, multimeter sering digunakan dalam pemeliharaan dan perbaikan peralatan elektronik, memberikan data penting untuk perbaikan atau kalibrasi sistem. Fungsionalitas yang luas dan kemudahan penggunaan menjadikan multimeter sebagai alat penting dalam pengembangan, perawatan, dan troubleshooting perangkat elektronik.

B. Bahan

1. Resistor 1K, 10K, 560 ohm

Resistor

    Resistor berfungsi untuk membatasi aliran arus listrik dalam rangkaian elektronik, melindungi komponen sensitif, dan mengatur tegangan. Dengan membagi tegangan dan arus, resistor membantu dalam pengaturan sinyal, filter, dan aplikasi lainnya. Fungsi ini memastikan kestabilan dan keandalan operasi sirkuit elektronik, mendukung berbagai perangkat dan sistem dalam kehidupan sehari-hari.

4. Dasar Teori[Kembali]

Op-amp

Buku Operational Amplifier

Operational Amplifier atau sering disebut sebagai Op-amp adalah komponen elektronika linier yang berfungsi menguatkan besarnya tegangan yang hampir ideal sehingga sangat luas digunakan untuk filter, pengkondisian sinyal seperti integrator, diferensiator dsb. 

Buku Operational Amplifier

Skema sirkuit elektronik

Gambar 1. Operational amplifier (Op-amp)

Beberapa hal yang perlu diketahui tentang Op-amp sebagai adalah berikut :

1. Op-amp memiliki hambatan input (Rin) sangat besar, secara teoritis tak terhingga, secara produk mencapai 1MΩ lebih oleh karena itu Op-amp tidak membebani output dari rangkaian input (rangkaian masukan) dan juga tidak membuat tegangannya (tegangan input) menjadi drop. 
2. Op-amp memiliki hambatan output sangat kecil sekali, secara teoritis 0 Ω, hal ini memiliki keuntungan output tegangan Op-amp secara ideal tidak akan drop jika dihubungkan ke beban. 
3. Dapat dikonfigurasi menggunakan catu daya tunggal (+V dan ground) atau catu daya ganda (+V dan -V). Catu daya ganda diperlukan jika sinyal input adalah  murni sinyal ac karena jika menggunakan catu daya tunggal setengah gelombang negatif akan terpotong.b

Op-amp sebagai penguat

Op-amp sebagai penguat (amplifier) memiliki tiga konfigurasi yaitu :

1. Penguat non inverting : Menguatkan tegangan tanpa mengubah fasa atau sudut tegangan pada output (input dan output memiliki fasa yang sama).
2. Penguat inverting : Menguatkan tegangan input dimana fasa atau sudut tegangan output berbeda sebesar 180 derajat dari tegangan input.
3. Penguat buffer (penguat 1x) : Bertujuan agar impedansi beban tidak membebani output rangkaian didepannya (rangkaian input) sehingga perlu ada rangkaian buffer. Penguat ini tidak memiliki penguatan maupun redaman.

Penguat non-inverting

Gambar 2 menunjukan dasar penguat non-inverting menggunakan Op-amp.

Buku Operational Amplifier

Gambar 2. Penguat non-inverting dengan catu daya tunggal

Sifat-sifat penguat non-inverting :

1. Impedansi input sangat tinggi.
2. Impedansi output rendah.
3. Jika sinyal input berupa sinyal dc atau sinyal dc yang memiliki komponen ac maka op-amp dapat menggunakan catu daya tunggal (+V dan ground). Jika sinyal input adalah murni sinyal ac maka sumber tegangan untuk Op-amp menggunakan sumber tegangan ganda yaitu +V dan -V. 

   Komponen elektronik online

   Buku Operational Amplifier

   

   Gambar 3. Penguat non-inverting dengan catu daya ganda

   
   

4. Tidak ada perbedaan fasa antara sinyal input dan output
5. Besarnya tegangan output adalah : 
   

Penguat Inverting

Penguat inverting menggunakan Op-amp ditunjukan Gambar 4. Gambar 4a adalah penguat inverting dengan catu daya tunggal sedang Gambar 4b adalah penguat inverting menggunakan catu daya ganda.

Buku Operational Amplifier

Gambar 4. Penguat inverting

Besarnya tegangan output pada penguat inverting adalah :

Dari rumus besarnya tegangan output penguat inverting di atas dapat diambil kesimpulan bahwa :

1. Panguat inverting menggunakan catu daya tunggal Gambar 4a. Jika tegangan Vinput adalah positif maka output tegangan Op-amp disekitar 0 Volt karena tidak dapat mengeluarkan tegangan negatif, hal ini disebabkan karena Op-amp menggunakan catu daya tunggal. Saat tegangan Vinput adalah negatif maka Op-amp dapat bekerja dengan baik karena dapat mengeluarkan tegangan positif.  Penguat inverting memerlukan catu daya ganda.
2. Penguat inverting menggunakan catu daya ganda (+V dan -V), jika tegangan Vinput adalah negatif maupun positif Op-amp dapat mengeluarkan tegangan kebalikan dari tegangan Vinput. Dengan kata lain Op-amp dapat bekerja dengan baik.
Buku Operational Amplifier

Filter adalah rangkaian yang mampu melewatkan (atau menguatkan) frekuensi tertentu sekaligus meredam frekuensi lainnya. Dengan demikian, filter dapat menyaring frekuensi penting dari sinyal yang juga mengandung frekuensi yang tidak diinginkan atau tidak relevan.

Di bidang elektronika, terdapat banyak aplikasi praktis untuk filter. Contohnya antara lain:

• Komunikasi radio : Filter memungkinkan penerima radio untuk hanya "melihat" sinyal yang diinginkan sambil menolak semua sinyal lain (dengan asumsi bahwa sinyal lain memiliki konten frekuensi yang berbeda).

• Catu daya DC : Filter digunakan untuk menghilangkan frekuensi tinggi yang tidak diinginkan (yaitu, derau) yang terdapat pada saluran masukan AC. Selain itu, filter digunakan pada keluaran catu daya untuk mengurangi riak.

• Elektronika audio: Jaringan crossover adalah jaringan filter yang digunakan untuk menyalurkan audio frekuensi rendah ke woofer, frekuensi jangkauan menengah ke speaker jangkauan menengah, dan suara frekuensi tinggi ke tweeter.

• Konversi analog-ke-digital : Filter ditempatkan di depan input ADC untuk meminimalkan aliasing .

 

Empat Jenis Filter Utama

Empat jenis utama filter meliputi filter lolos rendah , filter lolos tinggi , filter lolos pita , dan filter notch (atau filter penolak pita atau penghenti pita ). Namun, perlu dicatat bahwa istilah "rendah" dan "tinggi" tidak merujuk pada nilai frekuensi absolut, melainkan nilai relatif terhadap frekuensi batas.

Gambar 1 di bawah memberikan gambaran umum tentang cara kerja keempat filter ini:

 

Gambar 1. Penggambaran dasar dari empat jenis filter utama.

 

Ada pula yang disebut sebagai all-pass filter , tetapi saya tidak menganggapnya sebagai salah satu dari empat jenis filter dasar untuk artikel ini.

 

Filter Pasif dan Aktif

Filter dapat ditempatkan dalam salah satu dari dua kategori: pasif atau aktif .

Filter pasif hanya mencakup komponen pasif— resistor , kapasitor , dan induktor . Sebaliknya, filter aktif menggunakan komponen aktif, seperti op-amp , selain resistor dan kapasitor, tetapi bukan induktor.

Filter pasif paling responsif terhadap rentang frekuensi sekitar 100 Hz hingga 300 MHz. Keterbatasan pada rentang frekuensi rendah disebabkan oleh fakta bahwa induktansi atau kapasitansi harus cukup besar pada frekuensi rendah. Batas frekuensi atas disebabkan oleh efek kapasitansi dan induktansi parasit. Praktik desain yang cermat dapat memperluas penggunaan rangkaian pasif hingga rentang gigahertz.

Filter aktif mampu menangani frekuensi yang sangat rendah (mendekati 0 Hz), dan dapat memberikan penguatan tegangan (filter pasif tidak dapat). Filter aktif dapat digunakan untuk merancang filter orde tinggi tanpa menggunakan induktor; hal ini penting karena induktor bermasalah dalam konteks teknik manufaktur sirkuit terpadu. Namun, filter aktif kurang cocok untuk aplikasi frekuensi sangat tinggi karena keterbatasan bandwidth penguat. Sirkuit frekuensi radio seringkali harus menggunakan filter pasif.

 

Beberapa Poin dan Istilah Penting

Kurva respons digunakan untuk menggambarkan perilaku filter. Kurva respons hanyalah grafik yang menunjukkan rasio atenuasi (V OUT / V IN ) terhadap frekuensi (lihat Gambar 2 di bawah). Atenuasi umumnya dinyatakan dalam satuan desibel (dB). Frekuensi dapat dinyatakan dalam dua bentuk: bentuk sudut ω (satuannya rad/s) atau bentuk f yang lebih umum (satuan Hz, yaitu siklus per detik). Kedua bentuk ini terkait dengan ω = 2πf. Terakhir, kurva respons filter dapat diplot dalam bentuk linier-linier, log-linier, atau log-log. Pendekatan yang paling umum adalah dengan menempatkan desibel pada sumbu-y dan frekuensi logaritmik pada sumbu-x.

 

Gambar 2. Kurva respons untuk empat jenis filter utama.

 

Catatan: Filter notch adalah filter bandstop dengan lebar pita sempit. Filter notch digunakan untuk meredam rentang frekuensi yang sempit.

Berikut ini beberapa istilah teknis yang umum digunakan saat menjelaskan kurva respons filter:

• Frekuensi -3 dB ( f 3 dB ) . Istilah ini, diucapkan "frekuensi minus 3 dB", sesuai dengan frekuensi masukan yang menyebabkan sinyal keluaran turun sebesar -3 dB relatif terhadap sinyal masukan. Frekuensi -3 dB juga disebut sebagai frekuensi batas.  Ini adalah frekuensi di mana daya keluaran berkurang setengahnya (itulah sebabnya frekuensi ini juga disebut "frekuensi setengah daya"), atau tegangan keluaran adalah tegangan masukan dikalikan dengan 1/√2. Untuk filter lolos rendah dan lolos tinggi, hanya ada satu frekuensi -3 dB. Namun, ada dua frekuensi -3 dB untuk filter lolos pita dan filter takik—biasanya disebut sebagai f 1 dan f 2 .

• Frekuensi pusat ( f 0 ) . Frekuensi pusat, istilah yang digunakan untuk band-pass dan filter notch, adalah frekuensi pusat antara frekuensi cutoff atas dan bawah. Frekuensi pusat umumnya didefinisikan sebagai rata-rata aritmatika (lihat persamaan di bawah) atau rata-rata geometrik dari frekuensi cutoff bawah dan atas.

• Bandwidth ( β atau BW) . Bandwidth adalah lebar passband , dan passband adalah pita frekuensi yang tidak mengalami atenuasi signifikan ketika berpindah dari input filter ke output filter.

• Frekuensi stopband ( fs ) . Ini adalah frekuensi tertentu di mana redaman mencapai nilai tertentu.

  • Untuk filter low-pass dan high-pass, frekuensi di luar frekuensi stopband disebut sebagai stopband .

  • Untuk filter band-pass dan notch, terdapat dua frekuensi stopband. Frekuensi di antara kedua frekuensi stopband ini disebut sebagai stopband.

• Faktor kualitas ( Q ) : Faktor kualitas filter menunjukkan karakteristik redamannya. Dalam domain waktu, redaman bersesuaian dengan besarnya osilasi dalam respons langkah sistem. Dalam domain frekuensi, Q yang lebih tinggi bersesuaian dengan lebih banyak puncak (positif atau negatif) dalam respons magnitudo sistem. Untuk filter bandpass atau notch, Q merepresentasikan rasio antara frekuensi pusat dan lebar pita -3 dB (yaitu, jarak antara f 1 dan f 2 ).

  • Untuk band-pass filter dan notch filter:

$$Q=\frac{F_0}{F_2-F_1}$$