PENGUATPENGUATPENGUATPENGUATAUDIOAUDIOAUDIOAUDIO KELASKELASKELASKELAS DDDDTANPATANPATANPATANPATAPISTAPISTAPISTAPIS LCLCLCLC DENGANDENGANDENGANDENGAN

MODULASIMODULASIMODULASIMODULASI TIGATIGATIGATIGAARASARASARASARAS

oleh

Suryo SantosoNIM : 612007021

Skripsi

Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh

Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Elektro

Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer

Universitas Kristen Satya Wacana

November 2012

INTISARIINTISARIINTISARIINTISARI

Penguat audio kelas D mempunyai kelebihan pada efisiensi dayanya yang sangat

besar (dapat mencapai 90%) jika dibandingkan penguat konvensional lainnya (A, B dan

AB). Penguat audio kelas D akan menghasilkan komponen frekuensi audio masukan dan

frekuensi tinggi hasil pensaklaran pada keluarannya sebagai akibat dari proses modulasi

yang terjadi pada penguat kelas D. Untuk menapis frekuensi tinggi ini digunakan tapis LC

pada bagian keluarannya (sebelum penyuara). Pada aplikasi yang sangat portable seperti

pada cell phone, USB speaker, LCD TV dan notebook PC, penguat kelas D dengan tapis

LC sulit digunakan karena tapis LC memerlukan tempat yang relatif luas (sekitar 75% dari

luas PCB yang dipakai). Oleh karena permasalahan di atas, dikembangkan suatu penguat

audio kelas D yang tidak menggunakan tapis LC pada bagian keluaran dengan teknik

modulasi dengan tiga aras keluaran.

Teknik modulasi/penyandian yang dipakai dalam perancangan penguat kelas D

tanpa tapis LC ini adalah noise-shaping coding yang dapat mengatasi permasalahan

mengenai kestabilan yang muncul pada modulasi sigma delta orde tinggi. Pada penguat

kelas D ini tiga aras keluaran diwujudkan menggunakan penguat jembatan penuh (Full -

Bridge) dengan MOSFET. Tapis LC dapat dieliminasi sehingga keluaran dari MOSFET

langsung dihubungkan ke penyuara.

Penguat kelas D yang telah dibuat mempunyai spesifikasi antara lain : daya keluaran

maksimum 7 Watt pada beban 4 Ohm, tanggapan frekuensi 20 Hz – 20 kHz dengan toleransi 0,5 dB,

SNR = 28,88 dB, THD < 0,976% pada daya keluaran maksimum penguat (7 Watt), dan besarnya

efisiensi dari penguat 65,03%.

ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT

Class D audio amplifier has an advantage in its very high power efficiency (up to 90%)

compare to other conventional amplifier (A, B and AB). Class D audio amplifier produces audio input

frequency plus high frequency switching as a result of the modulation process that occurs in the class D

amplifier. LC filter (before speaker) is needed to filter out that high frequency switching. In the portable

applications such as cell phones, USB speaker, LCD TV and notebook PCs, class D amplifier with LC

filters is hard to use because the LC filter requires a relatively large space (about 75% of the total PCB

were used). Because of these problems, there is developed a filter-free class D audio amplifier which

does not use the LC filter at the output using three level modulation output.

The Modulation/coding technique that used in the design of a class D amplifier without LC

filter is noise-shaping coding that can improve the SNR. In this class D amplifier, three level modulation

output is realized using full-bridge amplifier with a MOSFET. LC filter can be eliminated so the output

of the MOSFET can directly connect to speaker.

The Class D amplifier that has been made have a specifications such as : maximum output

power 7 Watt at 4 Ohm load, THD < 0,976% at maximum output power (7 Watt), amplifier sensitivity

0.1 V / W, SNR = 28.88 dB, frequency response 20 Hz - 20 kHz with a tolerance of 0,5 dB and the

efficiency of the amplifier is 65.03%.

KATAKATAKATAKATA PENGANTARPENGANTARPENGANTARPENGANTAR

Segala puji syukur dan hormat serta rasa terima kasih penulis panjatkan ke hadirat Tuhan Yesus

Kristus yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang sehingga karena penyertaan-Nya penulis dapat

menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.

Selain itu penulis juga ingin mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah

memberikan bimbingan, bantuan, dan dukungan untuk penulisan tugas akhir ini, yaitu:

1. Papah dan Mamah yang telah memberikan dukungan moral, material, doa, kasih

sayang dan kesabaran selama ini yang mungkin tidak akan terbalaskan.

2. Bapak F. Dalu Setiaji, M.T dan DR. Matias H.W. Budhiantho selaku Pembimbing

yang dengan sabar dan tekun telah membimbing, mendukung, memberi saran serta

koreksi yang berharga serta sebagai rekan diskusi agar Tugas Akhir ini dapat

diselesaikan dengan baik.

3. Semua dosen-dosen FTJE lainnya yang tidak mungkin disebutkan satu-persatu. Terima kasih atas

ilmu yang kalian berikan padaku selama kuliah di sini.

4. Cik Lani dan koh Agung terima kasih banyak atas dukungan dan perhatian yang telah kalian

berikan.

5. Susuk, Sukme dan keluarga (Ivan, Anita dan Robert) atas dukungan moral dan

materialnya.

6. Keluarga besar Cashpho Corner : Dirga, Andree, Mario, Matius, Ragiel, Yohan,

Kevin, Budi dan teman-teman lainnya yang tidak bisa disebutkan satu persatu.

Terimakasih atas bantuannya selama pembuatan skripsi ini terutama untuk aGan

Andree. “Don’t worry be Cashpho”

7. Roni atas sumbangan ide-idenya; Rere atas bantuannya mendapatkan jurnal-jurnal

pendukung skripsi ini; koh Yuzz atas bantuannya membuat box di saat-saat terakhir;

Codot, Pek2, Tepoz, Theo, Heri, Pepe; serta teman-teman 2007 lainnya yang tidak

bisa saya sebutkan satu persatu. Terimakasih telah memberikan warna kehidupan

penulis selama di elektro UKSW.

8. Rekan-rekan seperjuangan 1 Oktober: Mas Oong, Mas Widji, Mas Onne. Tidak lupa

juga untuk rekan-rekan di lab-XT lainnya: Mas Re, Pak Ko, Koh Otot, Black, Danus .

Terimakasih banyak atas dukungannya! Sukses selalu!

9. Rekan-rekan elektro 2004-2008 yang telah menjadi bagian dari kehidupan penulis

selama di elektro yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu. Terimakasih!

10. Laboran-laboran (Pak Bambang, Pak Harto, Mas Hari dan Pak Budi) serta semua

pihak yang telah membantu selama kuliah di UKSW.

11. Mbak Tien, Mbak Rista dan Mbak Dita beserta seluruh staff TU FTJE.

12. Dan pihak-pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu oleh penulis.

Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna namun penulis berharap

semoga Tugas Akhir ini dan segala kerja penulis dapat bermanfaat bagi pembaca.

Salatiga, November 2012

Penulis

DAFTARDAFTARDAFTARDAFTAR ISIISIISIISI

INTISARI ................................................................................................................................ i

ABSTRACT..............................................................................................................................ii

KATA PENGANTAR .............................................................................................................. iii

DAFTAR ISI.............................................................................................................................v

DAFTAR GAMBAR................................................................................................................ viii

DAFTAR TABEL..................................................................................................................... xii

DAFTAR SIMBOL...................................................................................................................xiii

BAB I PENDAHULUAN.........................................................................................................1

1.1. Latar Belakang Masalah........................................................................................ 1

1.2. Spesifikasi Perancangan Penguat Kelas D Tanpa TapisLC................................... 5

1.3. Sistematika Penulisan............................................................................................ 5

BAB II DASAR TEORI........................................................................................................... 7

2.1. Modulator pada Penguat Kelas D.......................................................................... 8

2.1.1. Modulasi Lebar Pulsa (PWM) dan Modulasi Rapat Pulsa (PDM)............. 9

2.1.2. Sigma Delta Modulation (SDM)................................................................. 11

2.1.2.1. Pulse Code Modulation (PCM)........................................................ 12

2.1.2.2. Pemodelan Secara Linear Modulasi Sigma Delta.............................15

2.1.3. Noise-Shaping Coding................................................................................ 19

2.2. Tingkat Daya dengan MOSFET............................................................................ 22

2.2.1. Konsep MOSFET........................................................................................ 22

2.2.2. MOSFET konfigurasi Jembatan Penuh (Full Bridge).................................24

BAB III PERANCANGAN PENGUAT KELAS D TANPA TAPIS LC PADA BAGIAN

KELUARAN DENGAN MODULASI TIGAARAS................................................. 26

3.1. Perancangan Loop Filter G(s) pada Teknik Penyandian Noise-Shaping...............28

3.2. Perancangan Bagian Pengkuantisasi......................................................................36

3.2.1. Perancangan Komparator dan DFF............................................................. 38

3.2.2. Perancangan Switching Logic dan Pre-Drive..............................................40

3.2.2.1. Switching Logic.................................................................................40

3.2.2.2. Rangkaian Pre-Drive........................................................................ 42

3.2.3. Perancangan Bagian Tingkat Daya dengan MOSFET................................ 44

3.2.4. Gambaran Perancangan Secara Keseluruhan.............................................. 46

BAB IV PENGUJIAN PENGUAT KELAS D TANPA TAPIS LC.......................................... 48

4.1. Pengujian Kinerja Modulator.................................................................................48

4.1.1. Pengujian Tanggapan Frekuensi NTF dan STF...........................................49

4.1.1.1. Pengujian Tanggapan Frekuensi NTF...............................................49

4.1.1.2. Pengujian Tanggapan Frekuensi STF............................................... 50

4.1.2. Pengujian Kestabilan Modulator................................................................. 53

4.1.3. Pengujian Pembentukan Derau (Noise-Shaping) yang Terjadi pada

Bagian Keluaran Penguat............................................................................56

4.2. Pengujian Kinerja Keseluruhan Penguat............................................................... 58

4.2.1. Pengukuran Daya Keluaran Maksimum......................................................58

4.2.2. Pengukuran THD.........................................................................................60

4.2.3. Pengukuran Tanggapan Frekuensi...............................................................62

4.2.4. Pengukuran Kepekaan Penguat................................................................... 66

4.2.5. Pengukuran Signal to Noise Ratio (SNR)................................................... 67

4.2.6. Pengukuran Efisiensi Penguat Kelas D Tanpa Tapis LC.............................68

BAB V PENUTUP....................................................................................................................71

5.1. Kesimpulan............................................................................................................ 71

5.2. Saran Pengembangan............................................................................................. 72

DAFTAR PUSTAKA ...............................................................................................................73

LAMPIRAN .............................................................................................................................75

DAFTARDAFTARDAFTARDAFTARGAMBARGAMBARGAMBARGAMBAR

Gambar 1.1

Gambar 1.2.a

Gambar 1.2.b

Gambar 1.3

Gambar 2.1.a

Gambar 2.1.b

Gambar 2.2

Gambar 2.3

Gambar 2.4

Gambar 2.5

Gambar 2.6

Gambar 2.7

Gambar 2.8

Gambar 2.9

Gambar 2.10

Gambar 2.11

Gambar 2.12

Gambar 2.13

Gambar 2.14

Gambar 2.15

Gambar 2.16

Gambar 2.17

Gambar 2.18

Gambar 2.19.a

Gambar 2.19.b

Blok Diagram Kelas D Secara Umum

Bentuk Gelombang dengan Dua Aras Keluaran

Bentuk Gelombang dengan TigaAras Keluaran

Keluaran Modulator pada Penguat Kelas D Dua Aras Keluaran ketika

Tidak Diberikan Isyarat Masukan (OUT+ dan OUT- Terhubung ke

Penyuara)

Blok Diagram Kelas D dengan Dua Aras Keluaran

Blok Diagram Kelas D dengan Tiga Aras Keluaran

Blok Diagram Penguat Kelas D Menggunakan Metode PWM

Contoh Keluaran Isyarat PWM

Blok Diagram Penguat Kelas D Menggunakan SDM

Contoh Keluaran Isyarat PDM (bawah) dengan Isyarat Masukan (atas)

Diagram Kotak SDM

Transfer Karakteristik dari 3-bit Pengkuantisasi

Model Linear dari Proses Kuantisasi

FFT dari Proses N-bit Kuantisasi dengan Frekuensi Sampling Fs

FFT dari Proses N-bit Kuantisasi dengan Frekuensi Sampling kFs

Blok Diagram dari SDMMenggunakan Model Linear pada Bagian

Pengkuantisasinya

Diagram Kotak Noise Transfer Function

Diagram Kotak Signal Transfer Function

Spektrum Isyarat Keluaran Modulator dengan Derau yang Telah

Dibentuk pada Frekuensi Tinggi

Noise-Shaping pada SDM untuk Orde 1, 2 dan 3

Diagram Kotak Noise-Shaping Coding

Tapis pada Noise-Shaping Coding

Karakteristik Ideal − MOSFET Saluran-n Tipe Peningkatan

Konfigurasi Half Bridge

Konfigurasi Full Bridge

2

3

3

4

7

7

9

10

10

11

12

13

13

14

15

15

16

16

17

18

19

20

23

24

24

Gambar 2.20.a

Gambar 2.20.b

Gambar 3.1

Gambar 3.2

Gambar 3.3

Gambar 3.4

Gambar 3.5

Gambar 3.6

Gambar 3.7

Gambar 3.8

Gambar 3.9

Gambar 3.10

Gambar 3.11

Gambar 3.12

Gambar 3.13

Gambar 3.14

Gambar 3.15

Gambar 3.16

Gambar 3 .17

Gambar 3.18

Gambar 3.19

Gambar 3.20

Kondisi MOSFET pada Full BridgeMOSFET ketika Ada Aliran Arus

pada Penyuara

Kondisi MOSFET pada Full BridgeMOSFET ketika Tidak Ada

Aliran Arus pada Penyuara

Blok Diagram Penguat Kelas D Tanpa Tapis LC dengan

Menggunakan Modulasi Tiga Aras Keluaran

Gambar Tanggapan Frekuensi dari Hasil Simulasi MATLAB

Hasil Simulasi MATLAB Letak Kutub dan Nol tapis

Blok Diagram dari Tapis Orde 5 yang Akan Dirancang dalam Bentuk

Observer Canonical

Hubungan Bentuk Observer Canonical dengan Rangkaian RC-Opamp

Rangkaian dari Tapis yang Dirancang

Rangkaian untuk Mensimulasikan Tanggapan Frekuensi dan

Hasil Simulasi Tanggapan dan dengan Menggunakan

Perangkat Lunak Circuit Maker

Diagram Kotak Tapis

Rangkaian Keseluruhan dari Tapis dengan Menggunakan RC-

Opamp

Diagram Kotak Bagian Pengkuantisasi

Rangkaian Komparator dan DFF yang Dirancang

Rangkaian Penghasil Gelombang Kotak dengan Menggunakan

Komponen XR2206

Bentuk Gelombang pada MOSFET M1 dan M2

Dead-time (biru muda) pada Bagian Keluaran MOSFET

Rangkaian Switching Logic

MOSFET yang Dikonfigurasikan Jembatan Penuh

Rangkaian Totem Pole dengan Transistor Sebagai Rangkaian Pre-

Drive

Kondisi MOSFET ketika Keluarannya adalah ’1’

Diagram Kotak Perancangan Penguat Kelas D Keseluruhan

25

25

26

30

31

31

33

33

34

35

36

36

37

38

39

41

41

41

42

43

45

46

Gambar 4.1

Gambar 4.2

Gambar 4.3

Gambar 4.4

Gambar 4.5

Gambar 4.6

Gambar 4.7

Gambar 4.8

Gambar 4.9

Gambar 4.10

Gambar 4.11.a

Gambar 4.11.b

Gambar 4.12

Gambar 4.13

Gambar 4.14

Gambar 4.15

Gambar 4.16

Gambar 4.17

Gambar A.1

Gambar A.2

Gambar A.3

Gambaran Pengujian Tanggapan Frekuensi NTF

Hasil Pengujian TanggapanFrekuensi NTF

Gambaran Pengujian Tanggapan Frekuensi STF

Hasil Pengujian Tanggapan Frekuensi STF

Ilustrasi Keterbatasan Isyarat

Pengujian Isyarat pada Keseluruhan Penguat Kelas D yang Telah

Dibuat

Keterbatasan Isyarat yang Diamati dengan Osiloskop

Gambaran Pengujian Pembentukan Derau yang Terjadi pada Bagian

Keluaran Penguat Kelas D Tanpa Tapis LC yang Telah Dibuat

Spektral Derau yang Terbentuk pada Keluaran Penguat Kelas D Tanpa

Tapis LC yang Dirancang

Gambaran Pengukuran Daya Keluaran dari Penguat Audio

Spektrum Keluaran Penguat Ketika Tegangan Keluaran Sebesar 5,3

Volt.

Spektrum Keluaran Penguat Ketika Tegangan Keluaran Sebesar 5,7

Volt.

Grafik THD vsfrekuensi

Skema Rangkaian yang Digunakan untuk Pengujian Tanggapan

Frekuensi

Gambaran Metode Pengukuran Tanggapan Frekuensi dari Penguat

Kelas D

Grafik Tanggapan Frekuensi dari Penguat Kelas D Tanpa Tapis LC

yang Dirancang

Gambaran Pengujian SNR dari Penguat Audio Kelas D Tanpa Tapis

LC

Gambaran Pengukuran Efisiensi Penguat Kelas D TanpaTapis LC

Untai Active Baxandall Tone Control

Bagian Frekuensi Bass Untai Active Baxandall Tone Control

Bagian Frekuensi Treble Untai Active Baxandall Tone Control

49

50

51

53

54

55

55

56

57

58

59

59

62

64

64

66

67

69

75

75

76

Gambar A.4 Untai Tone Control Baxandall Keseluruhan 78

Gambar A.5 Tanggapan Untai Tone Control Baxandall yang Dirancang 78

Gambar B.1 Penguat Audio Kelas D TanpaTapis LC Tampak Depan 80

Gambar B.2 Penguat Audio Kelas D TanpaTapis LC Tampak Belakang 80

Gambar B.3 Rangkaian Penguat Audio Kelas D Tanpa Tapis LC yang Telah

Dirancang dan Dibuat

81

Gambar C.1 Rangkaian Tapis Lolos Rendah (LPF) Orde 4 Tanggapan Butterworth 82

Gambar C.2

Gambar C.3

Tanggapan Tapis Lolos Rendah yang Dirancang (Frekuensi Penggal

30 kHz)

Rangkaian Keseluruhan yang Digunakan untuk Pengukuran

82

82

DAFTARDAFTARDAFTARDAFTAR TABELTABELTABELTABEL

Tabel 2.1 Kondisi Tiap MOSFET pada Konfigurasi Full Bridge dan

Keluarannya

25

Tabel 3.1 Tabel Kondisi Masukan dan Keluaran Bagian Pengkuantisasi 37

Tabel 3.2 Kondisi Isyarat , dan Kondisi Tiap MOSFET Beserta

Keluarannya

40

Tabel 3.3 Tabel Logika Keluaran Switching Logic 42

DAFTARDAFTARDAFTARDAFTAR SIMBOLSIMBOLSIMBOLSIMBOL

= jarak aras kuantisasi (quantization step)

N = banyak bit keluaran pada pengkuantisasi

Q(x) = keluaran pengkuantisasi dengan x adalah isyarat masukan

A = amplitudo dari isyarat sinusoidal

fs = frekuensi pencuplikan (Hz)

fb = lebar pita frekuensi audio (20 kHz)

OSR = oversampling ratio

Q(.) = pengkuantisasi

k = orde dari loop filter pada modulasi sigma delta

= periode dari frekuensi cuplik

W(s) = loop filter pada modulasi sigma delta

G(s) = loop filter pada noise-shaping coding

e(t) = isyarat error yang telah ditapis oleh tapisW(s)

Ig = arus gerbang yang dibutuhkan MOSFET pada proses

pensaklaran (Ampere)

Qg = total muatan gerbang MOSFET

ttransition = waktu transisi MOSFET dari kondisi ’low’ menuju ’high’ atau

sebaliknya

DAFTARDAFTARDAFTARDAFTAR SINGKATANSINGKATANSINGKATANSINGKATAN

PWM Pulse Width Modulation

PDM Pulse Density Modulation

SDM Sigma Delta Modulation

PCM Pulse Code Modulation

NTF Noise Transfer Function

STF Signal Transfer Function