ISSN(p): 2338-8323  | ISSN(e): 2459-9638
Juli 2021

## Penerima Gelombang ELF berbasis Op-Amp untuk Pengolahan Akuisisi Data Gempa Bumi
RHEYUNIARTO SAHLENDAR ASTHAN 1 , DEAN CORIO 1 , MIA MARIA ULFAH 2 , URI ARTA RAMADHANI 1 , ACHMAD MUNIR 3
1 Program Studi Teknik Elektro Institut Teknologi Sumatera, Indonesia 2 Program Studi Teknik Telekomunikasi Institut Teknologi Sumatera, Indonesia 3 Laboratorium Telekomunikasi Radio dan Gelombang Mikro, Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung, Indonesia Email: rheyuniarto.asthan@el.itera.ac.id
Received 25 Januari 2021 | Revised 19 Februari 2021 | Accepted 2 April 2021

## ABSTRAK
Penelitian  ini  membahas  mengenai  penerima  gelombang  extremely  low frequency  (ELF)  untuk  pengolahan  akuisisi  data  gempa  bumi.  Penerima  ELF dirancang  menggunakan  operational  amplifier  (Op-Amp)  dengan  masukan  tak- membalik.  Sinyal  yang  diterima  oleh  antena  diteruskan  ke  penerima  ELF  yang terdiri  dari  preamplifier  dan  amplifier  untuk  proses  penguatan,  serta  filter  aktif orde 2 untuk menekan sinyal di atas frekuensi cut-off sebesar 50Hz. Karakterisasi penerima ELF dilakukan dengan mengamati perbandingan level tegangan sinyal keluaran  terhadap  level  tegangan  sinyal  masukan,  sensitivitas,  serta  bentuk sinyal  keluaran  dari  penerima  ELF  dalam  domain  waktu.  Hasil  simulasi menunjukkan  bahwa  penerima  ELF  menghasilkan  penguatan  sebesar  60,8dB dengan  sensitifitas  tinggi  untuk  level  sinyal  masukan  di  bawah  -30dB  yang mampu memenuhi level sinyal untuk pengolahan akuisisi data.
Kata kunci : extremely low frequency, penerima ELF, operational amplifier, filter aktif, gempa bumi

## ABSTRACT
This  research  presents  extremely  low  frequency  (ELF)  receiver  for  earthquake data acquisition processing. The ELF receiver is designed based on non-inverting operational  amplifier  (Op-Amp).  The  signal  received  by  the  antenna  is  fed  into ELF  receiver  which  consists  of  preamplifier  and  amplifier  for  amplification,  and second  order  active  filter  to  suppress  unwanted  signal  above  the  cut-off frequency  of  50Hz.  Characterization  of  ELF  receiver  is  performed  by  observing the  comparison  of  the  level  output  signal  to  level  input  signal,  sensitivity,  and ELF receiver signal output in time domain. The simulation results show that the ELF receiver has gain of 60.8dB with high sensitivity for low level input signals below -30dB that is able to meet signal level for data acquisition processing.
Keywords : extremely low frequency, ELF receiver, operational amplifier, active filter, earthquake

## 1. PENDAHULUAN
Gempa  bumi  merupakan  fenomena  alam  yang  disebabkan  oleh  pelepasan  energi  di dalam  bumi  secara  tiba-tiba  sebagai  akibat  adanya  pergeseran  lempeng-lempeng tektonik. Energi yang dilepaskan memancar ke segala arah dan merambat melalui kerak bumi  dalam  bentuk  gelombang  seismik.  Karena  memiliki  tingkat  kedalaman  yang bervariasi,  gempa  bumi  cenderung  tidak  ada  yang  identik.  Salah  satu  metode  yang dapat  digunakan  untuk  mengamati prekursor gempa  bumi  adalah melalui  pengamatan emisi  elektromagnetik  (EM)  dari  litosfer (Hayakawa  &  Hobara,  2010) .  Aktivitas seismik sebelum terjadi gempa bumi ditandai dengan adanya anomali medan magnetik serta kerapatan elektron (De Santis, dkk, 2019) , dan/atau anomali gradien potensial medan  listrik (Smirnov,  2020) . Emisi  EM  sebelum  gempa  bumi  terjadi  berada  pada rentang  frekuensi  hertz  hingga  megahertz (Mullayarov,  dkk,  2014)  (Petraki,  dkk, 2015) (Zhima, dkk, 2020) .
Pada  dasarnya,  gelombang  EM  frekuensi  rendah  dapat  menembus  permukaan  bumi  dan merambat pada lapisan ionosfer dengan redaman rendah, sementara pada frekuensi tinggi gelombang  akan  mengalami  fluktuasi  seiring  dengan  perubahan  jarak  terhadap  sumber karena  kemampuan  penetrasi  ( skin  depth)  dari  gelombang  EM  semakin  rendah (Hayt  & Buck, 2012) . Penggunaan frekuensi rendah pada pita ultra low frequency (ULF) dan/atau extremely low frequency (ELF) untuk karakterisasi gempa bumi menjadi sangat menjanjikan karena telah banyak data hasil penelitian yang menyatakan bahwa gempa bumi skala tinggi terjadi  pada  pita  frekuensi  tersebut (Hayakawa,  dkk,  2008) .  Melalui  studi  mengenai perubahan  medan  magnetik  terkait  kegempaan  pada  rentang  frekuensi  ULF  hingga  ELF, Schekotov (Schekotov,  dkk,  2007) dan  timnya mengemukakan  bahwa  emisi  pita  lebar ditemukan  sebelum  dan  setelah  terjadi  gempa  bumi.  Sementara  itu,  hasil  penelitian  yang dilakukan oleh Ohta (Ohta, dkk, 2013) dan timnya menunjukkan bahwa emisi gelombang radio  ULF/ELF  menjadi  prekursor  gempa  bumi  besar  yang  terjadi  di  Jepang  pada  tahun 2011.
Gelombang  EM  yang  dieksitasi  oleh  gelombang  seismik  ditangkap  oleh  antena  penerima dengan  level  yang  sangat  kecil,  yaitu  di  bawah  mikrowatt (Putera,  dkk,  2014) (Munir, dkk, 2017) .  Untuk menjamin  bahwa  gelombang yang diterima  memenuhi level  amplituda minimum  untuk  proses  akuisisi  data,  maka  dibutuhkan  sebuah  perangkat  penerima  yang handal  dengan  sensitivitas  dan  penguatan  tinggi  serta noise  rendah.  Deteksi  emisi  EM melalui  parameter  kerapatan  fluks magnetik  telah dilakukan  oleh Tsutsui (Tsutsui, 2014) dengan menghubungkan  antena  kawat  ke  sebuah  perangkat  penerima  dengan  penguatan sebesar  >60dB.  Tidak  hanya  digunakan  untuk  karakterisasi  emisi  EM  sebagai  prekursor gempa  bumi,  perangkat  penerima  dengan  penguatan  tinggi  juga  diperlukan  untuk  aplikasi ELF lainnya, seperti deteksi gelombang resonansi Schuman (Sierra, dkk, 2014) . Pemilihan komponen  penyusun  perangkat  penerima  ELF  menjadi  sangat  penting  karena  perangkat penerima  pada  frekuensi  rendah  cenderung  sensitif  terhadap noise.  Penerima  ELF  dapat dirancang  menggunakan operational  amplifier  (Op-Amp)  dengan  umpan  balik  yang kemudian  disusun  secara  bertingkat  untuk  menghasilkan  penguatan  tinggi (Votis,  dkk, 2018) . Penguatan yang stabil dan akurat dapat dicapai dengan mudah melalui pengaturan rasio  antara  komponen resistor yang  terhubung dengan  Op-Amp  melalui  hubungan umpan balik (Franco, 2015) .
Pada  penelitian  ini  dilakukan  perancangan  penerima  ELF  untuk  akuisisi  data  gempa  bumi yang beroperasi pada rentang frekuensi 1Hz sampai dengan 50Hz. Penelitian ini merupakan kelanjutan  dari  penelitian  yang  telah  dilakukan  oleh  Asthan (Asthan,  dkk,  2020) dan
timnya.  Penerima ELF  dimaksudkan  untuk  menguatkan  gelombang  ELF  yang  diterima  oleh antena dengan menekan distorsi yang mungkin terjadi akibat perbedaan frekuensi maupun fluktuasi  level  sinyal  yang  diterima.  Penekanan  pada  distorsi  tersebut  diharapkan berpengaruh  terhadap  representasi  data  dari  emisi  EM  pada  saat  pengolahan  sinyal dilakukan melalui perangkat akuisisi data. Penerima ELF terdiri dari penguat bertingkat dan filter yang masing-masing dikonfigurasi menggunakan komponen aktif berupa Op-Amp yang dirangkaikan  dengan lumped  element.  Karakterisasi  penerima  ELF  terkait  sensitivitas dilakukan dengan membandingkan level sinyal masukan dan level sinyal keluaran, sementara pengukuran penguatan hasil simulasi dilakukan untuk setiap sub-sistem penyusun penerima ELF. Analisis sinyal pada domain waktu juga dilakukan untuk mengetahui pengaruh penerima ELF terhadap perubahan level tegangan sinyal masukan.

## 2. METODOLOGI PENELITIAN

## 2.1 Sistem Penerima ELF
Penerima ELF terdiri dari rangkaian preamplifier, filter aktif dengan respon karakteristik low- pass  serta  amplifier,  seperti  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  1.  Gelombang  ELF  yang ditangkap  oleh  antena  diteruskan  ke  penerima  ELF  untuk  proses  penguatan  dan penyaringan. Untuk menjaga agar level tegangan keluaran tidak mengalami saturasi sebagai akibat  dari  level  sinyal  masukan  pada  penerima  ELF  yang  sangat  kecil,  yaitu  di  bawah mikrowatt,  maka  penguatan  sinyal  dilakukan  secara  bertingkat  melalui  rangkaian preamplifier dan amplifier. Dengan demikian, sistem yang dirancang menjadi lebih stabil dan terkontrol.  Rangkaian  penyusun  penerima  ELF  dirancang  menggunakan  OP27  karena memiliki  performansi  yang  baik  dengan noise  rendah  untuk  level  sinyal  masukan  kecil (Analog  Devices,  2015) . Karena  rangkaian preamplifier  memiliki  penguatan  yang  stabil pada  rentang  frekuensi  rendah  di  bawah  kilohertz,  maka  dibutuhkan  rangkaian low-pass filter  (LPF)  aktif  untuk  menekan  level  sinyal  pada  frekuensi  di  luar  fekuensi  yang  tidak diinginkan yang muncul akibat perbedaan frekuensi pada sinyal yang diterima. Rangkaian ini juga dimaksudkan untuk meminimalisir noise yang mungkin muncul pada frekuensi rendah. Total  penguatan  yang  diharapkan  secara  keseluruhan  dari  penerima  ELF  adalah  sebesar 60dB pada rentang frekuensi yang diinginkan yaitu 1Hz sampai 50Hz. Untuk sinyal masukan antena  dengan  level  di  bawah  mikrowatt,  besarnya  penguatan  yang  diusulkan  dianggap mencukupi  untuk  menghasilkan  sinyal  dengan  level  di  atas  miliwatt  dengan  asumsi  bahwa antena  memiliki  penguatan  ( gain)  yang  baik  sehingga  sinyal  keluaran  dari  penerima  ELF dapat diproses lebih lanjut oleh perangkat akuisisi data. Sementara itu, apabila ditinjau dari spektrum frekuensi radio, sistem penerima yang disulkan masih mencakup rentang frekuensi gelombang  ELF  berada  yaitu  frekuensi  3Hz  sampai  300Hz  dengan  panjang  gelombang sebesar 1000 kilometer sampai 100000 kilometer.

## Gambar 1. Blok Diagram Penerima ELF

## 2.2  Perancangan Penerima ELF
2.2.1  Rangkaian Preamplifier
Rangkaian preamplifier  dirancang  menggunakan  Op-Amp  OP27  dengan  masukan  tak- membalik untuk menghasilkan penguatan sebesar 40dB pada rentang frekuensi 1Hz sampai
50Hz.  Niilai  penguatan  ( K)  yang  dihasilkan  ditentukan  oleh  rasio  antara  R 7 dan R 8 ,  seperti yang ditunjukkan pada Persamaan (1). Untuk menghasilan K sebesar 40dB, maka digunakan nilai R 7 dan R 8 masing-masing  adalah  100kΩ  dan  1kΩ.  Dalam  perancangannya,  rangkaian preamplifier  dilengkapi  dengan  kapasitor  bypass  untuk  menyaring  noise  AC  yang  mungkin muncul  dari  sumber  tegangan  sehingga  sinyal  DC  murni  dengan  level  tegangan  sebesar ± 15VDC  dapat dihasilkan dan  menjadi  masukan  OP27  pada pin 4  (VEE)  dan  pin  7  (VCC), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Selain itu, filter pasif menggunakan komponen R 9 dan C 9 juga ditambahkan dan ditempatkan setelah preamplifier untuk menghilangkan flicker noise.
K preamp (dB)=20 log 1+ (1)

## 2.2.2  Rangkaian Low-Pass Filter Aktif
Pada penerima ELF,  rangkaian filter berfungsi untuk menyaring sinyal pada  frekuensi yang tidak  diinginkan.  Rangkaian  filter  disusun  menggunakan  komponen  aktif  berupa  Op-Amp, dikenal  sebagai  filter  aktif,  yang  dirangkaikan  dengan  kompenen  resistor  dan  kapasitor. Untuk  aplikasi  pada  frekuensi  rendah,  filter  aktif  cenderung  memiliki  keunggulan dibandingkan  filter  pasif.  Apabila  filter  pasif  diterapkan  pada  frekuensi  rendah  dimana dibutuhkan  faktor  kualitas  yang  cukup,  maka  sistem  akan  mengalami  saturasi  dan menghasilkan  efek  distorsi  non-linear  sebagai  akibat  meningkatnya  nilai  induktansi.  Selain itu,  penurunan  level  sinyal  menjadi  sangat  tinggi  apabila  filter  pasif  dikonfigurasi  dengan multi-tingkat . Berbeda  halnya  dengan  filter  pasif,  filter  aktif  memiliki  impedansi  masukan tinggi dan impedansi keluaran rendah yang memungkinkan susunan multi-tingkat.
Gambar 2. Diagram Skematik Penerima ELF
Filter  aktif dirancang  untuk  menghasilkan respon karakteristik  Butterwoth low-pass  dengan frekuensi cut-off  sebesar  50Hz  yang  menyatakan  bahwa  pada  frekuensi  tersebut  level tegangan  keluaran  akan  mengalami  penurunan  level  sebesar  3dB  dari  level  tegangan puncaknya.  Pada  penerima  ELF,  rangkaian  filter  menggunakan  Op-Amp  juga  difungsikan sebagai buffer  amplifier  dengan  K  sebesar  1  atau  tanpa  penguatan  (unity  gain).  Hal  ini dimaksudkan  untuk  mengatasi  ketidaksesuaian  antara  impedansi  masukan  rangkaian  filter dengan  impedansi  keluaran  dari  rangkaian preamplifier.  Apabila  impedansi  tidak  sesuai, maka sinyal yang diteruskan ke rangkaian filter akan mengalami penurunan level tegangan, dengan demikian penguatan yang dihasilkan tidak lagi menjadi linear.
Filter aktif dikonfigurasi menggunakan topologi Sallen-Key orde 2, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Dalam perancangannya, respon filter dinormalisasi dengan membagi elemen reaktif  dengan frequency-scaling  factor  (FSF)  dan  impedance-scaling  factor  (ISF).  Nilai komponen penyusun rangkaian sebagai elemen reaktif ditentukan menggunakan Persamaan (2)-(7) (Pactitis, 2007) , dimana C 10n dan C 11n masing-masing adalah nilai normalisasi dari C 10 dan C 11 , K adalah penguatan (tanpa satuan), a dan b merupakan koefisien Butterworth dengan nilai masing-masing adalah 1,414 dan 1 untuk filter orde 2 ( n=2), sedangkan R n dan ω n merupakan  nilai denormalisasi dari R  dan  ω.  Sementara f  menyatakan frekuensi  cut-off dari  filter  yang  akan  dirancang,  yaitu  sebesar  50Hz.  Dalam  perancangannya,  nilai R ditentukan terlebih dahulu yaitu sebesar 10kΩ, dimana nilai tersebut merepresentasikan nilai komponen R 10 dan R 11 . Nilai yang dipilih disesuaikan dengan  nilai  komponen yang tersedia dipasaran.
𝐶 = ( ) (2) 𝐶 = ( ) (3) FSF = = = 2𝜋𝑓 (4) ISF = = = 𝑅 (5)
𝐶 = ×
(6)
𝐶 = × (7)
Berdasarkan data hasil perhitungan menggunakan Persamaan (2)-(7), diperoleh nilai C 10 dan C 11 yang  masing-masing  adalah  sebesar  450nF  dan  225nF.  Dalam  perancangannya,  nilai komponen  yang  digunakan  pada  proses  simulasi  disesuaikan  dengan  nilai  komponen kapasitor yang tersedia dipasaran, namun tentu saja nilainya tidak memiliki perbedaan yang signifikan  terhadap  nilai  hasil  perhitungan.  Dalam  hal  ini,  nilai  yang  digunakan  adalah C 10 sebesar  470nF  dan C 11 sebesar  220nF.  Perlu  diketahui  bahwa  dengan  mengubah  nilai kapasitor menjadi lebih besar, maka frekuensi cut-off akan begeser ke frekuensi yang lebih tinggi dan begitupun sebaliknya.

## 2.2.3 Rangkaian Amplifier
Level  tegangan  keluaran  dari  rangkaian  filter  kemudian  ditingkatkan  menggunakan rangkaian amplifier  untuk  memenuhi  spesifikasi  perancangan.  Sama  halnya  dengan rangkaian preamplifier, rangkaian amplifier dirancang menggunakan OP27 dengan masukan
tak-membalik.  Dengan  mengatur  rasio  antara R 13 dan R 14 ,  seperti  yang  dinyatakan  pada Persamaan  (8),  penguatan  sebesar  20,8dB  dapat  dihasilkan.  Nilai R 13 dan R 14 yang digunakan  masing-masing  adalah  sebesar  10kΩ  dan  100kΩ.  Pada  rangkaian amplifier,  R 14 berperan  sebagai  resistor  umpan  balik.  Keluaran  dari  rangkaian amplifier  ini  akan  menjadi masukan  perangkat  akuisisi  data  untuk  proses  lebih  lanjut.  Nilai  komponen  penerima  ELF dari  hasil  perancangan  ditunjukkan  pada  Tabel  1.  Seluruh  nilai  komponen  yang  digunakan pada simulasi telah disesuaikan dengan nilai komponen yang tersedia dipasaran.
𝐾 (dB) = 20 log 1 + (8) Tabel 1. Nilai Komponen Pada Skematik Penerima ELF Komponen Nilai (Ω) Komponen Nilai (F) R 1 100k C 1
470μ R 2
100k C 2 100n R 3 100k C 3 100n R 4 100k C 4 100n R 5 100k C 5 470μ R 6 100k C 6 100n R 7
100k C 7
100n R 8
1k C 8
100n R 9 10M C 9 47μ R 10 10k C 10 470n R 11 10k C 11 220n R 12 1k - - R 13 10k - - R 14 100k - -

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada  penelitian  ini,  performansi  dari  rancangan  penerima  ELF  dianalisis  berdasarkan  data hasil  simulasi  yang  memuat  level  tegangan  keluaran.  Parameter  tersebut  kemudian digunakan  untuk  menentukan  besarnya  nilai  penguatan  yang  dihasilkan  serta  sensitivitas penerima  pada  rentang  frekuensi  1Hz  hingga  500Hz.  Nilai  penguatan  ( K out )  hasil  simulasi diperoleh  dengan  membandingkan  level  tegangan  keluaran  ( V o )  terhadap  level  tegangan masukan ( V i ) menggunakan Persamaan (9).
𝐾 (dB) = 20 log (9)
Hasil simulasi penguatan dari rangkaian preamplifier dan amplifier ditunjukkan pada Gambar 3. Sinyal masukan adalah sinyal sinusoidal dengan level sebesar -40dBm, dimana dianggap bahwa nilai tersebut telah merepresentasikan level sinyal yang diterima oleh antena sebelum diteruskan ke penerima ELF. Hasil simulasi menunjukkan bahwa rangkaian preamplifier dan amplifier menghasilkan  nilai penguatan konstan  pada  rentang frekuensi  yang  diamati  yaitu masing-masing  sebesar 40dB  dan  20,8dB.  Sementara sinyal yang  melewati  rangkaian  filter dengan  respon  karakteristik low-pass  memiliki  penguatan  sebesar  0dB  pada  rentang frekuensi  1Hz  hingga  20Hz  dan  kemudian  secara  perlahan  mengalami  penurunan  pada frekuensi  yang  lebih  tinggi,  khususnya  di  atas  frekuensi cut-off,  seperti  yang  ditunjukkan pada Gambar 4. Respon karakteristik yang tidak ideal sebagai akibat dari penggunaan filter orde  rendah  ( n=2)  menyebabkan  penekanan  level  sinyal  masukan  filter  tidak  akan maksimum  di  frekuensi cut-off  sebesar  50Hz.  Hal  ini  disebabkan  karena  filter  orde  rendah
cenderung  kurang  sensitif  terhadap  kesalahan  akurasi  sehingga  lebar  daerah  transisi  yang dihasilkan lebih lebar. Performansi filter dapat ditingkatkan dengan memperbesar orde filter sehingga  faktor  selektivitas  dan  laju roll-off  dari  filter  yang  dirancang  meningkat  serta menghasilkan  lebar  daerah  transisi  yang  sempit.  Namun,  semakin  tinggi  orde  filter,  maka kompleksitas dalam perancangan dan implementasi juga akan semakin meningkat.
Gambar 3. Hasil Simulasi Penguatan Rangkaian Preamplifier dan Amplifier
Gambar 4. Hasil Simulasi Frekuensi Cut-off Rangkaian Low-Pass Filter Aktif
Rancangan penerima ELF memiliki  penguatan  yang  stabil untuk level  sinyal  masukan  yang berbeda dengan penguatan maksimum sebesar 60,8dB untuk frekuensi di bawah frekuensi cut-off,  seperti  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  5.  Karena  sinyal  keluaran  dari  preamplifier dilewatkan pada rangkaian filter dan kemudian dikuatkan kembali oleh rangkaian amplifier, maka level sinyal keluaran dari penerima ELF akan mengalami pelemahan sinyal mengikuti respon karakteristik dari rangkaian filter. Pada proses simulasi, sinyal keluaran diamati untuk mengetahui  pengaruh  karakteristik  penerima  ELF  terhadap  level tegangan  sinyal  masukan. Sinyal masukan berupa sinyal sinusoidal dengan level sebesar -30dBm pada frekuensi 20Hz. Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  level  sinyal  keluaran  menjadi  lebih  besar  dibandingkan
0 10 20 30 40 50 1 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Pe ng ua ta n [d B] Frekuensi [Hz] Preamplifier Amplifier -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 1 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Pe ng ua ta n [d B] Frekuensi [Hz] -5 -4 -3 -2 -1 0 1 10 20 30 40 50 60 Frekuensi cut-off
level  sinyal  masukan,  seperti  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  6(a).  Hal  ini  menyatakan bahwa  penerima  ELF  berfungsi  sebagai  penguat  sinyal.  Pada  kasus  deteksi  gempa  bumi, fluktuasi  signifikan  pada  level  sinyal  yang  diterima  oleh  antena  umumnya  jarang  terjadi karena level sinyal yang diterima sebelum diteruskan ke perangkat penerima memiliki level yang  sangat  kecil.  Namun,  pada  kasus  dimana  terdapat  perbedaan  frekuensi  pada  sinyal yang  diterima,  maka  sinyal  tersebut  dapat  mengalami  distorsi.  Hal  tersebut  dapat  diatasi dengan menggunakan filter. Adapun jika terjadi fluktuasi level sinyal yang diterima yang bisa mengakibatkan level sinyal keluaran melebihi nilai tegangan DC Op-Amp pada pin 4 dan pin 7, yaitu -15V hingga +15V, maka sinyal keluaran akan mengalami pemotongan atau clipping, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6(b). Guna mengantisipasi hal tersebut, penggunaan potensiometer sebagai pengganti komponen R 14 pada rangkaian amplifier dapat diterapkan untuk menjaga rasio antara resistor umpan balik dengan resistor R 13 .

## Gambar 5. Hasil Simulasi Total Penguatan Penerima ELF
Kemampuan  penerima  ELF  dalam  mendeteksi  gelombang  elektromagnetik  dengan  level sinyal  yang  sangat  rendah  dianalisis  melalui  parameter  sensitifitas.  Sensitifitas  penerima diukur  untuk  level  sinyal  masukan  yaitu  -60dBm  hingga  -30dBm,  seperti  yang  ditunjukkan pada  Gambar  7.  Hasil  simulasi  menunjukkan  bahwa  tegangan  keluaran  sinyal  meningkat secara  linear  untuk  setiap  level  sinyal  masukan  yang  berbeda-beda.  Untuk  level  sinyal masukan  minimum  sebesar  -60dBm,  sinyal  keluaran  memiliki  tegangan  sebesar  0,5Vpp hingga  0,69Vpp,  sedangkan  tegangan  keluaran  maksimum  dihasilkan  untuk  level  sinyal masukan  -30dBm,  yaitu  15,8Vpp  hingga  21,72Vpp.  Hal  ini  menyatakan  bahwa  rancangan penerima  ELF  memiliki  sensitifitas  tinggi  untuk  frekuensi  pada  rentang  1Hz  hingga  50Hz sesuai  dengan  spesifikasi  perancangan.  Variasi  level  tegangan  pada  frekuensi  yang  lebih tinggi yaitu 40Hz hingga 50Hz disebabkan karena penerima ELF dilengkapi dengan rangkaian low-pass  filter  aktif  yang  memiliki  respon  karakteristik  tidak  ideal.  Meskipun  demikian, rancangan penerima ELF masih dapat diandalkan untuk mendeteksi emisi EM yang dieksitasi oleh  gempa  bumi.  Karena  hasil  simulasi  menunjukkan  performansi  yang  baik  dilihat  dari sensitivitas  dan  penguatan,  maka  selanjutnya  dapat  dilakukan  realisasi  dan  pengukuran penerima ELF.
20 30 40 50 60 70 1 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 To ta l P en gu at an [ dB ] Frekuensi [Hz] Level sinyal masukan = -60dBm Level sinyal masukan = -50dBm Level sinyal masukan = -40dBm 55 57 59 61 63 1 10 20 30 40 50 60
(a) (b) Gambar 6. Hasil Simulasi Sinyal Keluaran Penerima ELF, (a) Tanpa Distorsi, (b) Dengan Distorsi

## Gambar 7. Hasil Simulasi Sensitifitas Penerima ELF
Rangkaian  penyusun  pada  penerima  ELF  dapat  direalisasikan  pada  sebuah printed  circuit board menggunakan nilai komponen resistor dan kapasitor yang dimuat pada Tabel 1. Nilai komponen tersebut telah disimulasikan dengan mempertimbangkan ketersediaan komponen, kemudahan dalam proses fabrikasi, serta kesesuaian hasil simulasi terhadap spesifikasi yang diharapkan. Pemilihan komponen resistor dan kapasitor yang mengadopsi tipe surface mount
0 5 10 15 20 25 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 Te ga ng an k el ua ra n [V pp ] Level sinyal masukan [dBm] f = 1Hz f = 10Hz f = 20Hz f = 30Hz f = 40Hz f = 50Hz
device (SMD) juga dapat dipertimbangkan untuk memperkecil dimensi perangkat. Sementara itu, sumber  tegangan  masukan  OP27 sebesar ± 15VDC  dapat  direalisasikan  dengan  baterai 12V  yang  dirangkaikan  dengan  konverter  DC-DC  menggunakan  NMH1215S  untuk menghasilkan  tegangan  bias  yang  simetris  sesuai  dengan  kebutuhan  OP27.  Dengan demikian,  diharapkan adanya  kesesuaian  antara  hasil pengukuran  setelah fabrikasi  dengan hasil simulasi yang telah dilakukan.

## 4. KESIMPULAN
Penerima  ELF berbasis Op-Amp  dengan masukan tak  membalik yang  terdiri dari  rangkaian penguat bertingkat serta filter telah dirancang dan disimulasikan menggunakan OP27. Hasil simulasi  menunjukkan  bahwa  penerima  ELF  yang  diusulkan  memiliki  penguatan  serta sensitivitas  tinggi  untuk  level  sinyal  masukan  yang  kecil  pada  rentang  frekuensi  yang diinginkan.  Karena  telah  memenuhi  spesifikasi  yang  diinginkan,  penerima  ELF  ini  dapat diusulkan  untuk  pengolahan  akuisisi  data  gempa  bumi.  Implementasi  dan  karakterisasi rancangan  melalui  proses  pengukuran  untuk  mengetahui  kinerja  dari  penerima  ELF  secara keseluruhan akan dilakukan kemudian.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini dibiayai penuh oleh Lembaga Penelitian, Pengabdian kepada Masyarakat, dan Penjaminan  Mutu  Pendidikan  (LP3)  Institut  Teknologi  Sumatera  melalui  hibah  penelitian ITERA SMART nomor B/322/IT9.C1/PT.01.03/2019.

## DAFTAR RUJUKAN
Analog Devices. (2015). Low Noise, Precision Operational Amplifier. OP27 datasheet, Rev. H.
Retrieved  from  https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data- sheets/op27.pdf.
Asthan,  R.  S.,  Corio,  D.,  Ulfah,  M.  M.,  Ramadhani,  U.  A.,  Kusmadi,  &  Munir,  A.  (2020).
Design and Characterization of High Gain Amplifier for ELF Receiver Application. The 14th  International  Conference  on  Telecommunication  Systems,  Services,  and Application (TSSA), (pp. 1–4).
De Santis, A., D., Marchetti, D., Pavon-Carrasco, F. J., Cianchini, G., Perrone, L., Abbattista,
C.,  …  Haagmans,  R.  (2019).  Precursory  Worldwide  Signatures  of  Earthquake
Occurrences  on  Swarm  Satellite  Data. Scientific  Reports  9,  Article  20287. https://doi.org/10.1038/s41598-019-56599-1.
Franco, S. (2015). Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits, 4th ed.
New York: McGraw-Hill.
Hayakawa,  M.  &  Hobara,  Y.  (2010).  Current  Status  of  Seismo-electromagnetics  for  Short-
term Earthquake Prediction. Geomatics, Natural Hazards and Risk, 1(2), 115-155.
Hayakawa, M., Nickolaenko, A. P., Sekiguchi, M., Yamashita, K., Ida, Y., & Tyano, M. (2008).
Anomalous  ELF  Phenomena  in  the  Schumann  Resonance  Band  as  Observed  at Moshiri  (Japan)  in  Possible  Association  with  an  Earthquake  in  Taiwan. Natural Hazards and Earth System Sciences, 8, 1309-1316.
Hayt,  W.  H.,  &  Buck,  J.  A.  (2012). Engineering  Electromagnetics  (8th  ed.).  New  York:
McGraw-Hill.
Mullayarov, V.  A.,  Druzhin,  G.  I.,  Argunov,  V.  V.,  Abzaletdinova, L.,  M.,  &  Mel’nikov,  A. N.
(2014).  Variations  of  VLF  Radio  Signals  and  Atmospherics  During  the  Deep
Earthquake with M=8.2 Occured on 24 May 2013 Near Kamchatka Peninsula. Natural Science, 6(3), 144-149. https://doi.org/10.4236/ns.2014.63019.
Munir, A., Kusmadi, Kusnandar, Najmurrokhman, A., Chairunnisa, & Sunubroto. (2017). High
Sensitivity  Very  Low  Frequency  Receiver  for  Earthquake  Data  Acquisition.
TELKOMNIKA:  Telecommunication,  Computing,  Electronics  and  Control,  15(1),  151- 155.
Ohta,  K.,  Izutsu,  J.,  Schekotov,  A.,  &  Hayakawa,  M.  (2013).  The  ULF/ELF  Electromagnetic
Radiation  Before  the  11  March  2011  Japanese  Earthquake. Radio  Science,  48(5),
589-596. https://doi.org/10.1002/rds.20064.
Pactitis,  S.  A.  (2007). Active  Filters: Theory  and  Design.  Boca  Raton: CRC  Press,  Taylor  &
Francis Group.
Petraki E., Nikolopoulos D., Nomicos C., Stonham J., Cantzos D., Yannakopoulos P., & Kottou S.  (2015).  Electromagnetic  Pre-earthquake  Precursors:  Mechanisms,  Data  and Models-A  Review. Journal  of  Earth  Science  &  Climatic  Change,  6(1).
https://doi.org/10.4172/2157-7617.1000250.
Putera,  R.,  Kusnandar,  A.,  Najmurrokhman,  Sunubroto,  Chairunnisa,  &  Munir,  A.  (2014).
High Gain RF Amplifier for Very Low Frequency Receiver Application. 6th International Conference  on Information Technology and Electrical  Engineering  (ICITEE), (pp.  1– 4).
Schekotov, A. Y., Molchanov, O. A., Hayakawa, M., Fedorov, E. N., Chebrov, V. N., Sinitsin,
V.  I.,  …  Yagova,  N.  V.  (2007).  ULF/ELF  Magnetic  Field  Variations  from  Atmosphere
Induced by Seismicity. Radio Science, 42(6). https://doi.org/10.1029/2005RS003441.
Sierra, F. P., Vazquez, H. S., Andrade, M. E., Mendoza, B., & Rodriguez-Ozario, D. (2014).
Development  of  a  Schumann-resonance  Station  in  Mexico:  Preliminary
Measurements. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 56(3), 112-119.
Smirnov,  S.  (2020).  Negative  Anomalies  of  the  Earth’s  Electric  Field  as  Earthquake Precursors. Geosciences 2020, 10(1). https://doi.org/10.3390/geosciences10010010.
Tsutsui,  M.  (2014).  Behaviors  of  Electromagnetic  Waves  Directly  Excited  by  Earthquakes.
IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 11(1), 1961–1965.
Votis,  C. I., Tatsis, G., Christofilakis,  V., Chronopoulos, S. K., Kostarakis, P.,  Tritakis, V., &
Repapis, C. (2018). A New Portable ELF Schumann Resonance Receiver: Design and Detailed  Analysis  of  the  Antenna  and  the  Analog  Front-end. EURASIP  Journal  on Wireless Communication Networking 2018, 155. https://doi.org/10.1186/s13638-018- 1157-7.
Zhima, Z., Hu, Y., Piersanti, M., dkk. (2020). The Seismic Electromagnetic Emissions During the  2010  Mw  7.8  Northern  Sumatra  Earthquake  Revealed  by  DEMETER  Satellite.
Frontiers in Earth Science, 8, Article 572393. https://doi.org/10.3389/feart.2020.572393.