ELEKTRONIKA TELEKOMUNIKASI

“Amplifier Design”Sub bab 3.7 / 3.8 / 3.9 / 3.10

Kelompok 4Bregud Wiyanto S. 21060111120021Bima Adhi Saputra 21060111120022Fara Mantika D.F. 21060111120023

MMIC (MMIC Amplifier Biasing)

MMIC atau yang bisa disebut “mimic” merupakan salah satu tipe Integrated Circuit (IC) yang bekerja pada frekuensi microwave (300 MHz – 300 GHz)

Arus Bias pada MMIC

Arus bias MMIC akan bertambah seiring dengan bertambahnya suhu

Untuk menjaga agar Id tidak bergantung pada temperatur/sinyal masukan yang besar, pada rangkaian DC bias yang terdiri dari Rbias harus menjaga agar Id konstan di segala kondisi.

Hal tersebut akan memperkecil Vd dengan kenaikan suhu, dan memperbesar Vd dengan memperkecil suhu. Hal tersebut untuk mencegah penurunan atau kenaikan arus bias ke level yang dapat merusak MMIC

Rbias pada rangkaian DC bias akan menurunkan Vd (karena V=I.R) dan arus bias (Id)

Karena kontrol ini bergantung pada penurunan tegangan akibat Rbias, untuk hasil 4V bisa diperlukan perubahan dari suhu -25oC – 100oC

Karena Rbias tidak mempunyai suhu rendah, maka nilai resistansinya harus ditambah. Sedangkan Rbias sendiri tidak bisa melebihi 600 Ω, untuk itu ditambahkan XL secara seri agar Rbias + XL > 600 Ω

Arus bias maksimal yang diijinkan diperoleh dengan persamaan :

MMIC Biasing Procedure

Untuk mendesign, diperlukan beberapa langkah yaitu :

1. Pilih Vcc 2 V atau 4 V, yang akan melewati Rbias dan juga menyuplai MMIC dengan tegangan Vd. (Jika Rbias>600 Ω, buat seri dengan L)

2. Hitung daya disipasi pada Rbias P= 2(I2.R)

Wideband Amplifiers• Pada dasarnya fungsi semua RF amplifier adalah sama,

yaitu untuk memperbaiki perbandingan S/N. Daya output yang rendah pada sinyal radio dikuatkan kembali agar informasi dapat diterima dengan baik.

• Wideband amplifier dirancang untuk memiliki band frekuensi yang sangat luas yang meloloskan gain datar dan respon return loss yang baik, sehingga diperoleh stabilitas sempurna.

Stabilitas Wideband AmplifierUntuk merancang wideband RF amplifier dengan benar, kita harus menekan frekuensi lebih rendah yang mempunyai gain tertinggi.Salah satunya dengan melihat bahwa frekuensi rendah tersebut memiliki kesesuaian impedansi sangat kecil. Sedangkan dengan frekuensi yang lebih tinggi, dimana gain jauh lebih kecil, diperoleh kesesuaian impedansi yang tinggi.Prinsip dari metode ini yaitu meratakan gain dari penguat, tetapi tidak akan memberikan return loss yang tinggi pada semua frekuensi. Dengan kata lain, penyesuaian transistor pada frekuensi tinggi akan memberi lebih banyak keuntungan pada frekuensi tertentu, sementara ketidaksesuaian di ujung bawah dari spektrum akan menyebabkan rugi-rugi mismatch.

Untuk memperoleh stabilitas di semua frekuensi, kita harus memeriksa S-parameter, dan melihat apakah perangkat aktif-sinyal kecil akan tanpa syarat stabil di semua frekuensi yang diukur. Ini tidak akan terjadi, termasuk frekuensi yang sangat rendah sekalipun, karena berada di bawah pengukuran yang tersedia dalam file S-parameter

Grafik perataan gain pada penguat RFa.Not compensatedb.Compensated

• Ketidakstabilan penguat wideband dapat terjadi pada frekuensi antara 1 dan 20 MHz , di mana gain transistor kurang lebih setinggi 40 dB.

• Metode untuk mengurangi feedback (umpan balik) dari amplifier yang tidak stabil pada frekuensi rendah :

1. Memilih transistor dengan hFE rendah2. Menggunakan nilai terendah dari keluaran kolektor choke, yang

masih bisa menghasilkan low-frequency AC, tetapi virtual terbuka untuk RF.

Koektor Choke itu harus disejajarkan dengan nilai rendah resistor antara 300-600 ohm untuk mencegah osilasi.

beban kolektor induktor untuk mengurangi osilator frekuensi

rendah

Rangkaian umpan balik negatif

• Metode lain untuk penurunan gain frekuensi rendah yang sangat cocok untuk power amplifier wideband, adalah dengan umpan balik negatif.

• Kapasitor C di rangkaian tersebut digunakan untuk memblokir bias arus DC, yang memungkinkan bahaya arus AC frekuensi rendah untuk berbalik ke base.

• Elemen resistor R mengontrol jumlah umpan balik ke basis, dan harus ditemukan secara empiris (50 - 500 Ω akan menjadi nilai-nilai khas).

• Induktor L adalah komponen penting yang benar-benar mengontrol umpan balik.

Induktor L memiliki reaktansi yang sangat tinggi untuk frekuensi penguat yang diinginkan, sehingga tidak memungkinkan umpan balik degeneratif yang akan menurunkan tingkat gain pada frekuensi yang lebih tinggi.

Sebenarnya induktor mampu memblokir RF pada frekuensi tertinggi, karena kapasitansi parasit internal.

• Common-emitter akan memiliki 180 ° pergeseran fasa sempurna pada frekuensi yang lebih rendah operasinya (<< ft), sehingga menjamin tidak akan terjadi osilasi, umpan balik, maupun regeneratif.

• Stabilitas yang sangat baik, bahkan pada frekuensi di atas atau di bawah kepentingan kita, dapat dijamin dengan menyediakan perangkat aktif dengan sumber-50 Ω dan beban.

• Bisa dalam bentuk resistor 51-Ω yang hanya akan dilihat oleh frekuensi rendah yang tidak diinginkan melalui one-pole lowpass filter, dengan menggunakan diplexer, atau dengan menggunakan 2-dB 50-Ω pad di output penguat.

• Teknik desain wideband amplifier lain yaitu memanfaatkan komponen resistif untuk membuat kesesuaian seluruh bandwidth.

• Desain ini disebut sebagai resistive negative feedback amplifier, dan dapat dimanfaatkan pada hampir semua frekuensi, tapi lebih sering digunakan pada 600 MHz dan di bawahnya dimana gainnya rendah.

• Kelemahan teknik ini, keuntungan yang dihasilkan jauh lebih rendah dibandingkan dengan metode penyesuaian LC.

• Keuntungannya adalah memiliki bandwidth yang sangat lebar, dengan return loss yang baik, dan stabilitas meningkat banyak.

• Sedangkan teknik untuk meningkatkan gain frekuensi tinggi yang stabil, adalah dengan menggunakan nilai rendah kapasitor bypass yang diparalel dengan penguat emitter resistor .

• Hal ini akan meningkatkan umpan balik degeneratif resistor emitor sebagai frekuensi yang turun.

• Penerapan komponen emitor apapun yang baik hanya sampai 2 GHz, karena adanya stabilitas yang hilang oleh induktansi.

Wideband Amplifier DesignSebuah penguat stabil wideband Kelas A dapat dengan cepat dirancang dengan mengikuti langkah-langkah sederhana sebagai berikut :

1 . Pilih transistor yang cocok untuk rentang frekuensi yang diinginkan, keuntungan, NF, biaya, paket, dan ketersediaan S-parameter pada tingkat bias yang berbeda.2. Pilih bias yang tepat untuk transistor dengan mempelajari datasheetnya.3.Masukkan model S-parameter transistor, yang harus di tingkat bias terdekat yang diharapkan dari perangkat yang akan digunakan, ke dalam simulator.4.Desain Cf dan Lf menjadi seri resonansi tepat di bawah, frekuensi terendah dalam band yang menarik.

5. Rf akan disesuaikan secara empiris untuk umpan balik yang sesuai untuk mengoptimalkan keuntungan, return loss, dan stabilitas.

6. Semua coupling (CC) dan memotong RF (CB) kapasitor akan memiliki reaktansi di seluruh band yang kurang dari 3 Ω. LC adalah choke RF, diperlukan hanya jika RC kurang dari 500 Ω.

7. Desain jaringan bias DC penguat untuk operasi suhu stabil transistor selama rentang suhu tertentu, seperti yang dijelaskan di tempat lain dalam bab ini.

8. Jalankan sirkuit di simulator , periksa stabilitas dari frekuensi terendah ke frekuensi yang sangat tertinggi yang tersedia dalam file S – Parameter.

Jika ada frekuensi yang memiliki nilai K kurang dari 1, atau B1 a di bawah 0, maka menstabilkan transistor, sementara nilai gain dan NF sekecil mungkin. Selain itu juga bisa dengan memvariasikan nilai resistor yang pertama ditempatkan secara seri, kemudian di shunt, dan di port output kolektor transistor.

wideband amplifier resistif dengan input dan output 50 ohm

Aplikasi

1. Radar dan militer2. Test instrumentation3. Satellite repeater4. Communication

Amplifier Parallel

Amplifier Parallel

• Konfigurasi amplifier tunggal tidak menghasilkan semua daya rf yang kita butuhkan, karena kita mungkin memerlukan hingga beberapa ratus watt daya output untuk aplikasi tertentu. Aplikasi tersebut dapat menggunakan amplifier rf parallel. Dengan sepasang amplifier parallel, masing-masing transistor os on atau off pada periode waktu yang sama, seperti push-pull, secara berurutan mendistribusikan listrik bolak-balik, tetapi jangka waktunya berbeda.

• Karena arus keluaran dari rangkaian penguat paralel dibagi secara merata. Ketika rangkaian tersebut ideal, proses tersebut akan melipatgandakan kemampuan penanganan daya amplifier (P=I.E) dibandingkan dengan konfigurasi tunggal. Amplifier parallel memungkinkan seluruh rangkaian berfungsi sebagai pengolah.

Rangkaian Parallel Amplifier tanpa Komponen Bias

Gambar Rangkaian Parallel Power Amplifier dengan Komponen Bias

Penjelasan Gambar

• Input dan output impedansi dari gabungan amplifier akan menurun menjadi perangkat yang sama, seperti disebutkan di atas. Oleh karena itu, ketika bekerja dengan 50 ohm MMICs, Zin dan Zout dari total sejajar dapat dihitung dengan 50/N, dengan n adalah jumlah amplifier secara parallel. Jika jaringan tersebut cocok dengan komponen MMIC, kita dapat mengintegrasikan dengan sistem 50 ohm.

Perbandingan gambar daya keluaran single MMIC dengan dua MMICs dipasang parallel

Penjelasan Gambar

• Dua MMICs yang dipasang secara parallel akan meningkat dari 1 db menjadi 3 db dibandingkan dengan satu perangkat dan akan mempertahankan MMIC'S input output impedansi dengan menggunakan komponen pasif seperti kapasitor. Karena MMICs tidak selalu sepenuhnya resistif, dan setiap elemen rangkaian disamakan maka ada beberapa tuning yang akan dibutuhkan dalam mencapai puncak gain pada frekuensi operasi yang diinginkan.

Rangkaian Parallel Amplifier MMIC

Gambar Amplifier Parallel MMIC dengan Splitter dan Combiner

Audio Amplifier

Audio Amplifier

• Untuk memaksimalkan tegangan output dari sistem yang ada pada rangkaian audio amplifier, kebanyakan rangkaian non rf frekuensi rendah tidak perlu digunakan dalam impedansi yang mempunyai beban tinggi.

• Banyak tahap non audio power amplifier tidak perlu dicocokkan dengan sumber atau beban, karena pencocokan konjugasi digunakan untuk memaksimalkan transfer daya serta untuk mengurangi gelombang pada audio amplifier dengan mengurangi distorsi dan mengisolasi setiap tahap dari efek selanjutnya.

• Penguat operasional lebih banyak digunakan untuk amplifikasi frekuensi suara untuk kedua sinyal yaitu sinyal tingkat rendah dan sinyal tingkat tinggi.

Desain Audio Amplifier

• LM386 merupakan tegangan rendah penguat audio yang sempurna untuk amplifikasi frekuensi rendah. Dalam radio, pita suara ic ini dapat memperkuat sinyal input dari detektor ke speaker 8 ohm atau headphone. Perangkat ini sangat rendah untuk menghasilkan arus diam (4mA), dengan variasi vcc'S (4 sampai 12 V), memiliki gain tegangan (20 sampai 200), tingkat distorsinya (<10 THD), dan output kekuatan dari 700 mW dengan pasokan 9V menjadi 8 ohm.

IC Audio Amplifier

Langkah-langkah untuk mendesain :• 1.Cb akan lolos detektor, sementara itu dipilih juga untuk membatasi respon

frekuensi audio amplifier. (Banyak kasus menuntut lebih baik menggunakan sebuah op-amp aktif atau pasif RC low pass atau filter bandpass yang ditempatkan sebelum penguat untuk membatasi respon frekuensi dan dapat mengurangi noise, karena band suara harus terbatas antara 300 dan 2500 Hz yang bertujuan meningkatkan frekuensi tinggi dan heterodyne output.

2.Keuntungan menggunakan amplifier seperti yang ditunjukkan ternyata menjadi 200, namun dapat disesuaikan dengan penambahan sebuah resistor secara seri dengan kapasitor antara pin 1 dan 8. Menghapus komponen kapasitor, dan meninggalkan pin 1 dan 8 terbuka seluruhnya akan mengurangi gain sebesar 20.

• 3.Mengatur masukan ke LM386 dapat mengubah amplitudo sinyal output ke speaker.

Rangkaian IC Audio Amplifier

- SELESAI -