Filter digunakan untuk menyaring atau hanya melolosokan frequensi yang diharapkan. Umumnya filter menggunakan resistor dan kapasitor, meningkatkan nilai resistor dan kapasitor akan menurunkan cut-off frequensi, begitu juga sebaliknya.
Beberapa filter yang akan kami jelaskan di sini adalah filter aktif yang sering digunakan dalam audio. Ada banyak filter dalam audio, masing-masing filter ada kelebihan dan kekurangan. Semua filter mengakibatkan pergeseran fasa, dan hampir semua filter mengubah respon frequensi.
Ada satu filter yang bahkan tidak mempengaruhi freq respon, tapi hanya mempengaruhi fasa, kebanyakan menyebutnya all pass. Meskipun sepintas tidak berguna namun ini sangat besar manfaatnya. Crosover pabrikan memakai ini untuk penggeser fasa.
Perlu anda ketahui penggeser fasa jauh lebih dibutuhkan daripada pembalik fasa. Karena dalam kenyataan fasa terbalik itu jarang terjadi, namun pergeseran fasa itu yang jarang sekali tidak terjadi. Entah karena faktor desain box atau penempatan speaker.
Secara umum cut off frequensi sebuah filter diukur di -3dB dari gain maksimalnya. Jadi misalkan gain maksimalnya 2dB maka titik -3dB di -1dB (2 - 3 = -1). Walaupun dahulu kala sebagian pakar tidak menyetujui hal ini, tapi ini sudah menjadi tradisi atau ketentuan umum hingga saat ini.
Sebuah topologi filter biasanya dinamai sesuai nama penemunya. Misalkan Linkwitz-Riley (RL) ditemukan oleh Siegfried Linkwitz dan Russ Riley, filter Sallen-Key ditemukan oleh Roy Sallen dan Edwin L. Key, Wilhelm Cauer menemukan filter Elliptical atau dikenal sebagai filter Cauer (namun filter ini tidak kami bahas di sini, mungkin di materi lain).
Beberapa istilah yang harus difahami dalam filter
- Band pass, adalah bagian frequensi yang dilewatkan
- Band stop, adalah bagian frequensi yang dipotong
- Q, adalah faktor kualitas filter
- Damping, kebalikan dari Q
- Cut Off, adalah frequnsi -3dB (untuk BW/Butterworth) pada HPF, LPF dan BPF. Untuk LR (Linkwitz-Riley) frequnsi -6dB
- Orde, jumlah kutub yang membentuk filter. Umumnya disebut kemiringan yang membentuk kurva respon frequensi. Umumnya penurunan 6dB/octaf
Beberapa filter yang sering digunakan
1.Sallen-Key
Sallen Key (SK) adalah filter yang paling populer dan paling sering digunakan hingga saat ini. Semua komponen mempengaruhi hasil secara keseluruhan, sehingga hal ini akan menyulitkan kita untuk menentukan nilai komponen pada SK 3 orde.
Rumus umum filter adalah
f o = 1 / ( 2π × R × C ) Dimana R adalah resistansi, C adalah kapasitansi, dan f o adalah frekuensi cutoff.
Sallen Key Unity - BW
Ini adalah rangkaian Sallen-Key gain standar. Frekuensi cut-off (-3dB) adalah 1,59kHz. Seperti yang kita lihat, untuk low pass filter kita ubah nilai C (10nF) dengan nilai sebagai berikut
R1 = R2 = R = 10k
C1 = C × Q = 10nF × 0,707 = 7,07nF
C2 = C / Q = 10nF / 0,707 = 14,14nF
fo = 1 / (2π × √ ( R1 × C1 × R2 × C2 ) ) = 1,59155 kHz
C1 dan C2 diganti dari 10n menjadi nilai di atas tujuannya untuk menghasilkan kurva respon Buterworth, dengan Q sebesar 0,707. Jadi nilai C2 harus sekitar 2x lebih besar dari C1.
Apa yang terjadi jika nilai kedua C sama? Kurva respon akan berubah menjadi LR (Q 0,5).
Sallen Key Unity - LR
Versi ini menggunakan nilai komponen sama sehingga untuk menghitungnya sangat mudah, cukup menggunakan rumus yang pertama. Namun sayangnya kurva respon ini kurang diminati masyarakat kita. Freq cut-off antara low dan high pada BW adalah -3dB dan -6dB pada LR.
Versi lain filter SK yang cukup berguna namun jarang dipakai, yaitu menambahkan penguatan pada op amp. Dengan menambah penguatan tersebut juga mempengaruhi kurva responnya dan gain, namun tidak mempengaruhi cut-off frequensi.
SK dengan gain
Untuk mengetahui gain dan Q bisa menggunakan rumus ini :
G = ( R3 / R4 ) + 1 )
Q = 1 / ( 3 - G )
2. Multiple Feedback (MFB)
Multiple Feedback (MFB) sering kali digunakan pada equaliser (versi BPF-nya). Sebenarnya filter ini dipakai jika membutuhkan gain atau Q tinggi. Namun filter ini perhitungan cukup rumit, bahkan terkadang membutuhkan nilai komponen yang tidak mudah didapat.
MFB Low Pass & High Pass
Di atas adalah LPF dan HPF menggunakan MFB, dengan cut-off keduanya -3dB (BW) yaitu sekitar 1.6KHz.
MFB Band Pass
MFB band pass di atas cut off sama dengan gambar sebelumnya. Inilah yang sering digunakan pada equalizer. Untuk menghitung Q yaitu peak frequensi dibagi bandwidth (-3dB ke -3dB).
3. Filter State-Variable
Filter State-Variabel (SV) adalah sistem yang unik, ini bukanlah hal baru, tapi masyarakat Indonesia tertinggal jauh soal informasinya. Crossover yang parametrik seharusnya memakai sistem ini (bukannya menggunakan SK). Justru sistem SK lebih cocok untuk crossover yang cut-offnya konstan (tidak parametrik).
Filter State-Variable (SV)
Sistem SV sangat berguna, karena tidak hanya bisa digunakan sebagai crossover bisa juga digunakan sebagai equaliser full parametrik.
Rt dan Ct menentukan cut-off frequensi, Rt bisa diseri dengan potensio untuk membuat frequensi parametrik/variable. Nilai potensio maksimal 10x nilai R, sehingga pada skema di atas maksimal potensio 100k. Saat frequensi digeser menggunakan pot, Q tidak ikut berubah.
f o = 1/2 × R × C
R3 = R2 × ( 3 × Q - 1 )
4. Gyrator
Gyrator adalah konverter impedansi aktif, yang menggunakan kapasitor sebagai komponen reaktif, mengubah impedansi dari kapasitif menjadi induktif. Intinya mengganti sebuah lilitan dengan op-amp.
Filter gyrator vs inductor
Dalam contoh diatas menggunakan L (lilitan) 1H (Henry) dengan Rw yang sama persis dengan R1 pada gyrator. Rp dan Cc juga ada di gyrator sebagai R2 dan C1 dengan nilai yg sama.
Freq respon
seperti yang ditunjukkan, frekuensi -3dB yang diukur untuk kedua filter high-pass adalah 169 Hz
f = R s / ( 2 × π × L )
f = 1k / 6.283 = 159 Hz
Gyrator Resonant
Filter Gyrator Resonant ini lebih sering digunakan, yaitu sebagai equaliser. Sebenarnya filter Gyrator Resonant ini adalah sebuah North atau bisa juga band filter.
Skema Gyrator Resonant
Perhitungan sebagai berikut:
f = 1 / ( 2π × √( L × C ))
f = 1 / ( 2π × √( 1 × 100n )) = 503 Hz
Respon Gyrator Resonant
Jika ada yang perlu dipertanyakan silahkan tanyakan di kolom komentar di bawah.
Rujukan : Elliott Sound Products