PERANGKAT LUNAK UNTUK PERANCANGAN LOW NOISE AMPLIFIER

Low Noise Amplifier Software Design

ABSTRAK

Pada proyek akhir ini telah dibuat suatu perangkat lunak untuk merancang penguat derau rendah yang dilengkapi dengan rangkaian penyesuai impedansi. Dalam perhitungan penguat digunakan parameter S yang terdapat pada transistor untuk mendapatkan parameter-parameter yang dibutuhkan untuk merancang sebuah penguat derau rendah. Pada proyek akhir ini juga dilengkapi dengan smithchart yang digunakan baik untuk membantu perancangan penguat juga untuk perancangan penyesuai impedansi secara grafik. Dengan adanya perangkat lunak ini, perancangan sebuah penguat derau rendah akan lebih mudah dan cepat dengan faktor kesalahan 0.160070018% jika dibandingkan dengan perancangan dan perhitungan secara manual.

Kata Kunci: Penguat derau rendah, transistor, smithchart

I. PENDAHULUANPada kebanyakan sistem telekomunikasi,

digunakan perangkat radio sebagai penghubung antar link. Umumnya jarak antar link cukup jauh sehingga menyebabkan kerusakan pada sinyal yang ditransmisikan. Kerusakan bisa diakibatkan oleh redaman pada kabel yang ngenyebabkan penurunan level sinyal atau juga kerusakan sinyal yang disebabkan oleh noise yang diterima sinyal selama proses pentransmisian. Antara pemancar dan penerima biasanya terdapat repeater, yang fungsi utamanya untuk menguatkan dan memperbaiki sinyal. Komponen utama yang terdapat pada repeater adalah sebuah penguat.

Penguat yang terdapat pada repeater adalah penguat yang digunakan untuk menguatkan sinyal dengan frekuensi tinggi (RF). Penguat RF adalah komponen aktif yang berfungsi untuk meningkatkan amplitudo dari sinyal yang lemah. Penguat pada penerima berada antara bagian RF dan IF, penguat ideal meningkatkan amplitudo sinyal tanpa distorsi atau noise. Pada penerima, penguat pertama setelah antenna sangat mempengaruhi noise figure. Dengan menambahkan penguatan didepan noisy network dapat mengurangi noise yang diberikan oleh bagian tersebut.

Dalam perancangan sebuah penguat, seringkali dihadapi berbagai hambatan. Diantaranya kurang cepat dan akurat dalam melakukan perhitungan untuk parameter-parameter yang diperlukan. Untuk itu, pada proyek akhir ini dibuat sebuat perangkat lunak yang dapat membantu dalam perancangan penguat khususnya penguat derau rendah.

Tujuan dari proyek akhir ini adalah untuk merancang perangkat lunak untuk perancangan penguat derau rendah dengan memanfaatkan pemahaman pada pengguanan Smith Chart. Pada perangkat lunak ini, dapat diketahui nilai dari parameter-parameter yang diperlukan untuk merancang sebuah penguat derau rendah. Dengan disertakannya rangkaian penyesuai impedansi,

diharapkan perangkat lunak ini dapat digunakan untuk mempermudah perhitungan dan perancangan penguat, khususnya penguat derau rendah.

II. TEORI DASAR2.1. PenguatSecara istilah penguat berarti membuat menjadi

lebih kuat. Dalam bidang elektronika yang dikuatkan adalah amplitude sinyal.

Secara umum terdapat dua jenis penguat:a. Penguat Arusb. Penguat Tegangan

sedangkan penguat daya adalah gabungan dari penguat arus dan tegangan.

Low Noise Amplifier (LNA) adalah salah satu jenis penguat yang digunakan pada sistem komunikasi untuk meningkatkan level sinyal yang sangat lemah yang diterima antenna. Biasanya LNA ditempatkan pada lokasi yang berdekatan dengan antenna. Dengan menggunakan LNA, semua noise yang ada pada pengolahan sinyal sebelumnya diturunkan oleh penguatan yang ada pada LNA, sementara noise yang ada pada LNA diinputkan secara lengsung pada penerima sinyal. Karena noise figure pada penguat tingkat pertama sangat mempengaruhi noise figure dari suatu sistem, maka pada penguat tingkat pertama dibutuhkan penguat dengan noise figure yang rendah.

2.2. TransistorTransistor merupakan dioda dengan 2

sambungan (junction). Sambungan itu membentuk transistor PNP maupun NPN, ujung-ujung terminalnya berturut-turut disebut emitor, basis dan kolektor. Transistor ini disebut transistor bipolar, karena struktur dan prinsip kerjanya tergantung dari perpindahan elektron di kutub negatif mengisi kekurangan elektron (hole) di kutub positif. William Schochley yang pertama kali menemukan transistor bipolar pada tahun 1951.

Transistor adalah komponen yang bekerja sebagai saklar (switch on/off) dan juga bersifat sebagai penguat (amplifier). Transistor bipolar memiliki 2 junction yang dapat disamakan dengan penggabungan 2 buah dioda.

Beberapa jenis transistor:a. BJT (Bipolar Junction Transistor)b. FET (Field Effect Transistor)c. MOSFET (Metal Oxide Silicon Field

Effect Transistor)d. JFET (Junction Field Effect Transistor)

2.3. Parameter SParameter yang paling akurat dan teliti dalam

perhitungan gelombang mikro adalah parameter hamburan. Pemilihan parameter hamburan didasarkan pada tidak bisanya parameter arus dan tegangan diukur pada frekuensi dengan orge gigahertz. Karena pada frekuensi tinggi, pengaruh medan elektromagnetik sangat besar. Sehingga bukan lagi tegangan atau arus yang ada, melainkan medan elektromagnetik yang berhamburan. Dari hamburan medan elektromagnetik ini, yang kemudian digunakan untuk menentukan parameter pada kutub-4 yang disebut dengan parameter S. Parameter tersebut memberikan definisi yang lengkap mengenai sinyal dengan penguatan kecil dan input/output daya pancar pada setiap jaringan kutub-4.

Gambar 2.1 Rangkaian Kutub-4

Pada kutub-4 gelombang yang dipantulkan adalah b1 dan b2, sedangkan gelombang daya yang datang a1 dan a2. Hubungannya adalah:

(2.1)

S11, S12, S21, dan S22 disebut parameter S (hamburan) kutub-4. Dapat ditentukan dengan cara sebagai berikut :

(2.2)

(2.3)

Artinya, sumber kita hubungkan ke port 1, kemudian ukur S11 sebagai perbandingan antara b1 dan a1, dalam keadaan a2 = 0. S11 adalah koefisien pantul di port 1 pada keadaan tidak ada daya yang datang dari port 2 ke port 1, atau dengan kata lain, port 2 dihubungkan dengan beban yang sesuai. S21 adalah koefisien transmisi dari port 1 ke port 2, pada keadaan yang sama, a2 = 0. Dengan cara yang sama S22 dan S12 adalah koefisien pantul di port 2 dan koefisien transmisi dari port 2 ke port 1, pada keadaan a1 = 0.

Dari penjelasan di atas, terlihat bahwa parameter S dapat diukur pada keadaan match (sesuai), tidak lagi hubung singkat atau hubung terbuka. Dengan keadaan sesuai, pemakaian saluran transmisi menjadi tidak masalah, karena selama beban sesuai dengan saluran, pada jarak berapapun impedansi itu tetap, tidak berubah.

2.4. SmithchartSmith Chart adalah tampilan grafik dari

koofisien refleksi dengan impedansi yang dinormalisasi sebagai parameternya, yang merupakan syarat mutlak untuk microwave engineer. Umumnya dibuat untuk menentukan impedansi input pada saluran transmisi.

Smith Chart dibangun oleh lingkaran koefisien pantul dengan persamaan sebagai berikut:

(2.4)

Dimana:

= besar koefisien pantul dibeban

= fasa koefisien pantul dibeban

d = referensi jarak dari bebanlingkaran ini diperlihatkan sebagai berikut

Gambar 2.2 Lingkaran Koefisien Pantul

2.4.1 Smith Chart Impedansi

(2.5)

merupakan persamaan lingkaran resistansi konstan

dengan pusat dan jari-jari . Dan

jika digambarkan akan terlihar seperti

Gambar 2.3 Lingkaran Resistansi Konstan

(2.6)

merupakan persamaan lingkaran reaktansi konstan

dengan pusat dan jari-jari . Jika

digambarkan akan tampak seperti

Gambar 2.4 Lingkaran Reaktansi Konstan

2.4.2 Smith Chart Admitansi

(2.7)

merupakan persamaan lingkaran konduktansi

konstan dengan pusat dan jari – jari

. Bila digambarkan akan tampak seperti

Gambar 2.5 Lingkaran Konduktansi Konstan

(2.8)

merupakan persamaan lingkaran suseptansi konstan

dengan pusat dan jari-jari . Jika

digambarkan akan tampak seperti

Gambar 2.6 Lingkaran Suseptansi Konstan

Smith Chart impedansi dan admitansi saling berkebalikan.

2.5. Perancangan LNALangkah pertama untuk merancang penguat

adalah dengan menentukan faktor kestabilan dari transistor yang digunakan dan syarat-syarat lain untuk kestabilan penguat. Perhitungan faktor kestabilan menggunakan persamaan

(2.9)

(2.10)

Terdapat dua jenis faktor kestabilan, stabil mutlak dan stabil bersyarat.

K>1 berarti transistor stabil mutlak, maka perlu dihitung S dan L dengan mengguanakan persamaan

(2.11)

(2.12)

(2.13)

(2.14)

(2.15)

(2.16)

Penguatan dihitung dengan persamaan

(2.17)

(2.18)

K<1 berarti transistor stabil bersyarat perlu dihitung lingkaran kestabilan sumber dan beban dengan persamaan

(2.19)

(2.20)

Penguatan dihitung dengan persamaan

(2.21)

Persamaan yang digunakan untuk menghitung faktor derau adalah sama untuk transistor stabil mutlak dan transistor stabil bersyarat

(2.22)

Setelah mendapatkan nilai faktor derau pada keadaan maksimum, perlu adanya penurunan nilai penguatan yang dihitung dengan persamaan

(2.23)

Tentukan nilai lingkaran penguatan konstan dengan persamaan

(2.24)

(2.25)

Pilih titik L pada lingkaran penguaran konstan, sehingga dapat dihitung nilai in dengan persamaan. in merupakan conjugate dari S

(2.26)

Terakhir tentukan nilai VSWR masukan dan

keluaran

(2.27)

(2.28)

(2.29)

(2.30)

(2.31)

Bila semua parameter output dapat diterma, langkah paling akhir adalah merancang rangkaian penyesuai impedansi. Perancangan dilakukan

secara grafis yaitu dengan menarik garis dari titik Ldan S menuju pusat smithchart.

2.6. Penyesuai impedansiRangkaian penyesuai impedansi adalah

rangkaian yang berada pada bagian masukan dan keluaran dari suatu sistem. Tujuan dari rangkaian penyesuai impdansi atau matching network adalah untuk mendapatkan transfer daya maksimum. Transfer daya maksimum diinginkan agar tidak ada daya yang terbuang percuma, namun pada kenyataannya tidak ada suatu sistempun yang mampu menyalurkan semua daya yang dibangkitkan agar diterima seluruhnya pada bagian akhir.

Terdapat bermacam-macam metoda untuk menyesuaikan impedansi. Penyesuai impedansi dapat dilakukan dengan metoda (a) elemen-elemen lumped, (b) stub tunggal, ganda, dan tiga stub yang dihubung seri dan paralel, (c) transformator 1/4λ. Pada laporan ini, penulis hanya akan membahas penyesuai impedansi dengan metoda elemen-elemen lumped.

Intinya penyesuai impedansi dengan elemen lumped adalah penyesuai impedansi yang masih menggunakan komponen-komponen pasif dalam rangkaiannya. Sedangkan untuk mendapatkan komponen apa yang digunakan dan berapa nilainya adalah sebagai berikut:Contoh: nilai impedansi ternormalisir adalah 0.2 + j 0.5

1. Tempatkan titik tersebut pada smith chart2. Dari pusat smith chart tarik garis sesuai

lingkaran r = 1 untuk lingkaran admitansi atau lingkaran impedansi terdapat dua kemungkinan rangkaian. Hingga pada satu titik dimana lingkaran tersebut berpotongan dengan lingkaran riil dari impedansi yang ternormalisir.

3. Dari titik nomor 2, tarik garis sesuai lingkaran impedansi riil sampai titik impedansi yang ternormalisir

Untuk menentukan komponen dan nilainya adalah bila garis yang diambil bergerak dengan mengikuti lingkaran impedansi (warna merah) tambahkan komponen seri dan bila bergerak mengikuti lingkaran admitansi (warna biru) tambahkan komponen paralel. Komponen yang digunakan bila garis bergerak ke bawah adalah kapasitor dan bila bergerak ke atas komponen yang digunakan adalah induktor. Nilai komponen ditentukan dengan mengurangi nilai impedansi pada titik yang berpotongan dengan nilai impedansi sebelumnya. Untuk nilai komponen pertama ZA = 1 atau YA = 1 dan untuk nilai komponen kedua ZL – ZA atau YL – YA. Untuk mendapatkan nilai komponen kita gunakan rumusan sebagai berikut:

a. Bergerak mengikuti warna merah pada smithchart maka

(2.32)

(2.33)

b. Bergerak mengikuti warna biru pada smithchart maka

(2.34)

(2.35)

Gambar 2.7 Cara membuat penyesuai impedansi secara grafis

Gambar 2.8 Sketsa rangkaian penyesuai impedansi

III. PERANCANGAN DAN REALISASISpesifikasi yang diharapkan dari perangkat lunak yang dibuat adalah sebagai berikut: Parameter InputParameter input terdiri dari parameter S dan

parameter noise transistor yang diinputkan pertama kali untuk dapat menjalankan program. Selain itu, ada parameter yang harus diinputkan setelah program berjalan yaitu . Parameter L1 diinputkan melalui pemilihan titik pada bidang smithchart untuk mendapatkan nilai noise figure dari penguatan yang diinginkan.

Parameter OutputParameter output terdiri dari:

1. Perhitungan a. Faktor kestabilan (K) untuk transistor

dengan kasus Bilateralb. s dan L untuk transistor stabil mutlakc. CL, RL dan CS, RS untuk transistor stabil

bersyarat

d.

e. F f. CG dan RG

g. in* = sh. VSWR masukan dan keluaran

i. Nilai komponen yang diperlukan untuk rangkaian penyesuai impedansi

2. Gambara. Smithchartb. Plot titik s dan L untuk transistor

stabil mutlakc. Plot lingkaran kestabilan sumber dan

beban untuk transistor stabil bersyaratd. Plot lingkaran penguatan konstane. Plot titik s dan L yang telah dipilih

untuk perancanganf. Plot garis untuk perancangan penyesuai

impesandi masukan dan keluarang. Tamplkan gambar rangkaian penyesuai

impedansi

3.1. Diagram Alir Perancangan

Gambar 3.1 Flowchart perancangan secara umum

Gambar 3.2 flowchart perancangan untuk transistor stabil mutlak

Gambar 3.3 flowchart perancangan untuk transistor Stabil besyarat

3.2. RealisasiTampilan workspace

Gambar 3.4 Tampilan form awal

Pada form utama ini terdapat textbox untuk menginputkan parameter S dari transistor yang digunakan. Urutan pengisian parameter S secara berturut-turut adalah S11, S12, S21, S22, m, RN, Fm, dan Frequency. Pada tampilan utama ini, telah terdapat gambar smitchart yang dapat diketahui nilai impedansi yang telah dinormalisir dengan menggeser kursor mouse pada gambar smitchart. Pada keadaan awal, semua tombol yang ada tidak aktif dan tidak bisa melakukan action pada smitchart (membuat titik).

Tombol utama adalah tombol Enter yang akan aktif setelah kita menginputkan semua parameter S. Setelah tombol Enter ditekan, akan muncul hasil perhitungan faktor kestabilan, conjugate matching L dan S, nilai penguatan maksimum, dan nilai faktor derau untuk kasus stabil mutlak. Sedangkan pada kasus stabil bersyarat, yang muncul adalah hasil perhitungan faktor kestabilan, pusat dan jari-jari lingkaran kestabilan, dan penguatan maksimum.

Gambar 3.5 Tombol Enter aktif

Gambar 3.6 Tampilan setelah tombol Enter diklik untuk kasus stabil mutlak

Gambar 3.7 Tampilan setelah tombol Enter diklik untuk kasus stabil bersyarat

Bersamaan dengan ditekannya tombol Enter, akan muncul sebuah textbox dibawah nilai penguatan maksimum. textbox tersebut harus diisi dengan nilai penguatan baru yang kita kentukan, perlu diingat nilai ini adalah nilai penguatan ternormalisir gp yang harus lebih kecil dari gpmax. Akan didapatkan pusat dan jari-jari lingkaran penguatan konstan dan tombol Plot aktif. Tombol Plot digunakan untuk memplot titik L dan S, lingkaran kestabilan, dan lingkaran penguatan konstan. Setelah tombol Plot diklik, kita dapat melakukan action (membuat titik) pada bidang smithchart. Titik yang dibuat pada bidang smithchart adalah titik L1, yang secara otomatis akan menghasilkan titi S. dari titik-titik inilah akan didapatkan nilai faktor derau yang baru, VSWR masukan dan keluaran.

Perlu diingiat bahwa tombol Plot akan menjadi tidak aktif setelah kita menekan tombol Match. Sehingga kita perlu memastikan bahwa nilai-nilai parameter output yang didapatkan telah sesuai dengan yang diinginkan, karena jika kita terlanjur menekan tombol Match dan ternyata parameter output yang diinginkan belum tercapai kita harus mengulang proses dari awal memasukan parameter S transistor.

Gambar 3.8 Tampilan setelah dimasukan nilai penguatan baru

Nilai koefisien pantul

Pusat dan jari-jari lingkaran kestabilan

Textbox input penguatan yang baru

Gambar 3.9 Tampilan setelah tommbol Plot diklik

Tombol Match akan aktif dan tombol Plot menjadi tidak aktif setelah kita telah membuat titik pada smithchart, tombol ini akan membangkitkan garis-garis dari pusat smithchart menuju titik L1

dan S serta memunculkan rangkaian penyesuai impedansi beserta nilai komponen yang dibutuhkan.

Dan yang terakhir adalah tombol Clear, tombol ini berfungsi untuk mereset seluruh hasil perhiungan dan gambar yang telah ada baik gambar yang diplot pada smithchart maupun gambar rangkaian penyesuai impedansi sehingga tampilan yang muncul akan sama seperti tampilan form awal pada program.

Gambar 3.10 Tampilan setelah memilih satu titik

Gambar 3.11 Tampilan setelah tombol Match diklik

IV. PENGUJIANHasil pengujian yang telah dilakukan untuk dua

kasus kestabilan diperlihatkan pada tabel berikut:

Tabel 4.1 Perbandingan Perhitungan Manual dan Perangkat Lunak untuk kasus Stabil Mutlak

Perbandingan Perhitungan Manual dan Perangkat Lunak

Stabil Mutlak

Manual Perangkat Lunak Error (%)Parameter

K 1.037126101 1.037126102 0.0000000964203

GL0.853793334<34.4175051

10.853793356835962<34.417505178140

4 0.00000143631

GS 0.756052147<-176.578244 0.756052160721073<-176.57382441859 -0.00125054

Gp max 17.24452007 17.24452006 -

0.0000000579894

gp max 2.235599916 2.235599911 -0.000000223654

F 5.002797062 5.00289518 0.00196126

gp 2 2 0

Gp 16.76087918 16.76087918 0

Cg0.793364208<34.4175051

1 0.79336421197966<34.4175051781404 0.0000003498

Rg 0.151112304 0.151112302 -0.00000132352

GL1 0.64<320.641025839903371<32.254710526867

2 0.4781289

GS1 0.542535018<184.048573 0.54374649125345<183.822904206173 0.0503425

angka yang ditunjukan saat menggerakan kursor ke bidang smithchart

F1 3.160861903 3.164249504 0.1071733

VSWR1 2.023173933 2.03011676 0.3431651

VSWR2 1.429597145 1.434579282 0.3484994Komp1 sumber 2.741001798 2.75868568 0.6451613Komp2 sumber 1.856807669 1.856807669 0Komp1 beban 0.98243792 0.971641899 -1.0989011Komp2 beban 6.226719213 6.407203828 2.8985507

Rata-rata 0.188641555

Tabel 4.2 Perbandingan Perhitungan Manual dan Perangkat Lunak untuk kasus Stabil Bersyarat

Perbandingan Perhitungan Manual dan Perangkat Lunak

Stabil Bersyarat

Manual Perangkat Lunak Error (%)Parameter

K 0.560888692 0.560888695 0.000000534865

CL 2.102171928<63.07668618 2.10217192843633<62.5980737991574 -0.379389277

RL 1.371395688 1.37139569 0.000000145837

CS 13.39668167<129.8347818 13.3966808758488<129.834782239838 -0.0000027946

RS 13.93196486 13.93196399 -0.00000624463

g msg 3.205128205 3.205128205 0

gp 3 3 0

Gp 13.07067951 13.07067951 0

Cg 0.852750541<62.598073650.852750541739039<62.598073799157

4 0.000000162472

Rg 0.54020707 0.540207071 0.000000185114

GL1 0.6<102.50.597710312549927<102.20046872738

1 -0.436920103

GS1 0.855719269<74.713396480.855401274018924<74.810400103096

9 0.046336588

F1 3.499502285 3.506334531 0.195234792

VSWR1 1.194818051 1.191986167 -0.237013828

VSWR2 1.520452637 1.509635301 -0.71145498Komp1 sumber 0.640720382 0.667316323 4.150943492Komp2 sumber 4.093491335 4.055936368 -0.917431208Komp1 beban 2.157433673 2.175117556 0.819672151Komp2 beban 5.393584183 5.393584183 0

Rata-rata 0.131498481

V. KESIMPULANDari hasil pengujian pada perangkat lunak ini

dapat disimpulkan bahwa: Perangkat lunak yang dikembangkan telah

berfungsi dengan baik. Nilai parameter hasil perangkat lunak

berbeda 0.160070018% dari hasil perhitungan manual. Hal ini disebabkan karena pada perhitungan manual ada keterbatasan pada perangkat yang

digunakan (disply kalkulator). Selain itu, dalam melakukan plot pada perancangan manual skala yang ada pada smith chart tidak terlalu presisi bila dibandingkan dengan skala yang ada pada perangkat lunak yang telah dibuat.

VI. REFERENSI[1] Fatmawati, Atik. 2006. Laporan Proyek Akhir : Realisasi Perangkat Lunak Untuk Penyesuai Impedansi dengan Menggunakan

Stub Tunggal dan Stub Ganda. Bandung : Politeknik Negeri Bandung.

[2] Jedlicka, Russell P. 2002. Lecture : Introduction to Smithchart. New Mexico Stase University

[3] Lu, Richard. Tesis : CMOS Low Noise Amplifier Design for Wireless Sensor Networks. Barkeley, CA.

[4] Ludiyati, Hepi. 2008. Diktat Kuliah : Medan Elektromagnetik. Bandung : Politeknik Negeri Bandung.

[5] Ludiyati, Hepi. 2008. Diktat Kuliah : Teori Saluran Transmisi. Bandung : Politeknik Negeri Bandung.

[6] Pozart, David M. Microwave Engineering 3rd Edition. United State of America: John Wiley & Sons, Inc.

[7] Sulaeman, Enceng. 2008. Diktat Kuliah : Perancangan Penguat Gelombang Mikro. Bandung : Politeknik Negeri Bandung.

[8] Sulaeman, Enceng. 2008. Diktat Kuliah : Penyesuai Impedansi. Bandung : Politeknik Negeri Bandung.

[9] Utami, Ria Dwitasari. 2008. Laporan Proryek Akhir : Realisasi Perangkat Lunak Untuk Penyesuai Impedansi dengan Menggunakan Stub Tunggal dan Stub Ganda. Bandung : Politeknik Negeri Bandung.

[10] White, Joseph F. 2004. High Frequency Techniques. United State of America: Jhon Wilwy & Sons, Inc.