Menguasai Desain Filter Notch: Penekanan Kebisingan Presisi untuk Elektronik Andalan

Kebisingan dan interferensi adalah hal umum saat menangani perangkat listrik karena berbagai rangkaian menghasilkan frekuensi sinyal yang bentrok. Masalah seperti ini banyak terjadi pada perangkat komunikasi, yang mudah terpengaruh oleh jalur listrik. Jika Anda mengalami masalah seperti ini, ada cara untuk menyaring frekuensi yang tidak diinginkan menggunakan desain filter notch. Ada berbagai jenis filter notch, dan masing-masing memiliki desain rangkaian unik yang memerlukan komponen spesifik untuk dibangun.

Dalam artikel ini, kita akan melihatnya secara detail untuk memungkinkan Anda membangun rangkaian yang benar. 

Apa Itu Filter Notch?

Juga dikenal sebagai band rejection filter atau band-stop filter, filter notch adalah perangkat yang menciptakan tingkat attenuasi yang tinggi pada notch yang sempit. Ini menolak band frekuensi ini tetapi memungkinkan semua yang lain di bawah atau di atas rentang yang diblokir untuk ditransmisikan.

Grafik yang menunjukkan respons frekuensi dari filter audio 50Hz. Perhatikan bentuk V-shape sempit dari frekuensi yang diblokir.

Sumber: Wikimedia Commons.

Perangkat ini berguna untuk menyaring kebisingan tertentu, seperti derau 60Hz yang berasal dari sumber daya AC.

Karakteristik Filter Notch

Filter notch memiliki tiga atribut:

• Bandwidth sempit (stopband)
• Kedalaman attenuasi yang hebat
• Q tinggi

Untuk mencapai Q tinggi, Anda memerlukan kedalaman attenuasi hampir tak hingga dan penguat operasional gain tinggi dalam rangkaian.

Jenis Filter Notch

Desain filter notch memiliki tiga komponen. Low-pass filter meredam frekuensi tinggi, high-pass filter memblokir frekuensi rendah, dan summing amplifier menggabungkan hasilnya.

Namun, ada berbagai jenis filter notch, dan masing-masing memiliki desain rangkaian unik. Mereka meliputi:

Active Notch Filter

Diagram rangkaian active notch filter

Bagian hijau membentuk low pass filter dalam active filter ini, sementara bagian biru membentuk high pass filter. Keduanya dijumlahkan oleh op-amp (komponen oranye).

Passive Notch Filter

Berbeda dengan active notch filter, jenis ini hanya memiliki komponen pasif. Ia tidak memiliki amplifier, yang membentuk bagian aktif dari rangkaian.

Diagram rangkaian passive notch filter yang menunjukkan low dan high pass filter dalam konfigurasi T

Bagian oranye membentuk bagian low pass filter dalam diagram, sementara komponen biru membentuk high pass filter.

RLC Notch Filter

Seperti yang namanya saran, RLC notch filter adalah jenis pasif karena rangkaian hanya memiliki resistor (R), induktor (L), dan kapasitor (C).

Sebuah RLC notch filter

Butterworth Notch Filter

Butterworth notch filter menghasilkan respons yang sehalus mungkin, menjadikannya andal dan sangat akurat. Sebagian besar peralatan medis, seperti ECG, memiliki perangkat ini.

4th order Butterworth low-pass filter

FM Notch Filter

FM notch filter membantu untuk menolak sinyal FM kuat yang menyebabkan receiver saturasi. Modulasi frekuensi dalam band yang sama telah meningkat, terutama karena siaran audio terlokalisasi, jadi perangkat ini penting untuk mengurangi kebisingan.

Sebuah VHF FM notch filter

Jenis lainnya meliputi optical, RF, dan inverse notch filters. Mungkin ada lebih banyak, namun semuanya memiliki active atau passive notch filter sebagai sirkuit dasar. Satu-satunya cara untuk membedakan keduanya adalah jika desain rangkaian memiliki komponen aktif (rangkaian amplifier) atau tidak. 

Contoh Desain Filter Notch

Desain dasar dari filter notch

Seperti yang disebutkan sebelumnya, filter notch memiliki tiga komponen utama: low pass filter, high pass filter, dan amplifier. Gabungan, ketiganya meredam rentang frekuensi yang sempit dan spesifik.

Grafik respons yang menunjukkan stopband V sempit dari filter notch 

Sumber: Wikimedia Commons.

Topologi filter notch paling umum adalah desain dasar twin-T notch filter. Ini adalah kombinasi dari dua cabang RC.

Rangkaian twin-T notch filter dasar

Konfigurasi T atas (merah) adalah low pass filter, sementara T bawah (hijau) adalah high pass filter.

Namun, jika Anda ingin mencapai tingkat penolakan yang lebih sempit dengan tingkat attenuasi yang tinggi, Anda perlu memperkenalkan operational amplifier.

Seorang twin-T notch filter dengan operational amplifier. Dua resistor berwarna oranye membentuk pembagi tegangan

Rangkaian masih memiliki satu masalah besar. Ia meningkatkan gain setelah V attenuasi dalam kurva respons. Oleh karena itu, Anda perlu memperkenalkan operational amplifier lain untuk mencegah rangkaian mengubah passband.

Desain filter notch dua op-amp

Contoh Desain

Katakanlah kita ingin merancang dua operational amplifier dengan frekuensi notch 1kHz dan bandwidth 3dB sebesar 100Hz. Pertimbangkan nilai kapasitor high filter sebesar 0.1uF.

Kita dapat menggunakan rumus untuk mendapatkan frekuensi filter notch, yaitu:

Oleh karena itu, kita dapat merancang active notch filter untuk kedalaman notch 20dB sebagai berikut:

Seorang dua op-amp notch filter untuk kedalaman notch 20dB

Membuat Filter Notch Tipe RLC

Contoh lain yang layak diperhatikan adalah filter notch RLC. Alih-alih memiliki desain twin-T dengan enam komponen, yang ini hanya memiliki tiga: resistor, induktor, dan kapasitor.

Jika tugasnya adalah merancang rangkaian dengan 23 kHz dan 25 kHz sebagai frekuensi cut-off, berikut caranya.

Seorang RLC notch filter untuk frekuensi cut-off 23 kHz dan 25 kHz

Transfer Function Filter Notch

BW adalah bandwidth.

W_Z adalah zero circular frequency (cut-off frequency), sementara W_P adalah pole circular frequency. W_P menentukan tipe/karakteristik filter, dan ada tiga kemungkinan.

• Jika pole circular frequency lebih tinggi dari zero circular frequency (W_P>W_Z), maka itu adalah high pass notch filter
• Jika pole circular frequency lebih rendah dari zero circular frequency (W_P<W_Z), maka itu adalah low pass notch filter
• Namun, jika keduanya sama, maka Anda memiliki standard notch filter

Oleh karena itu, Anda dapat menulis ulang rumus dari standard notch filter sebagai:

W_C adalah lebar band yang ditolak, sementara W₀ adalah frekuensi yang ditolak (pusat).

Aplikasi Filter Notch

• Sistem komunikasi: Ada probabilitas tinggi interferensi sinyal pesan oleh noise harmonik (terutama oleh jalur listrik), dan filter notch membantu untuk menghapus rentang frekuensi ini.
• Aplikasi audio (Aplikasi akustik): Derau dengung dapat merusak atau menciptakan spike tajam dalam perangkat teknik audio seperti amplifier dan PA sistem, tetapi filter notch dapat menghilangkan frekuensi ini.
• Rekayasa medis: Interferensi jalur listrik dapat mengacaukan pembacaan EEG dan ECG. Filter notch membantu untuk menghapus noise powerline ini dari sinyal biomedis.
• Layanan internet: Transmisi internet melalui jalur telepon, seperti DSL, rentan terhadap interferensi yang tidak diinginkan, dan satu-satunya cara untuk mengatasinya adalah filter notch sebagai pengurang noise garis.
• Pemrosesan sinyal dan citra digital
• Aplikasi optik

Ringkasan

Filter notch adalah perangkat yang berguna dalam beberapa aplikasi, terutama karena mereka dapat memblokir interferensi yang disebabkan oleh sumber daya AC.

Jika Anda ingin membangun perangkat ini, informasi di atas dan diagram rangkaian cukup untuk memandu Anda melalui prosesnya.

Namun, Anda perlu membeli komponen diskrit yang diperlukan untuk proyek itu terlebih dahulu, dan kami memiliki semua yang Anda butuhkan. Hubungi kami untuk mendapatkan penawaran terjangkau pada PCB asli, resistor, kapasitor, dan semua bagian yang diperlukan untuk menyiapkan filter.