Susetyo G. Pratomo: Rangkuman Amplifier Elektronika Telekomunikasi

Amplifier Linear, Kelas C dan Pengganda Frekuensi

Terdapat 2 tipe pada power amplifier yang digunakan pada transmitter yaitu linear dan kelas c. linear amplifier menghasilkan sinyal output yang identik dan mengalami perbesaran. Kedua tipe amplifier ini memiliki output yang berbanding lurus dengan inputannya tetapi dengan power yang lebih besar. Linear amplifier bekerja pada kelas a, b dan ab. Penggunaan kelas yang berbeda menunjukkan bagaimana sinyal tersebut akan dibiaskan. Kelas A amplifier dibiaskan terus menerus, kelas B amplifier dibiaskan pada daerah cutoff sehingga tidak ada tegangan collector yang mengalir jika inputannya nol dan Kelas AB amplifier dibiaskan disekitar daerah cutoff dengan sedikit arus collector mengalir. Amplifier kelas A merupakan amplifier linear tetapi berfungsi kurang efisien. Amplifier ini menghasilkan power output yang lemah.

Kelas B dan C amplifier lebih efisien karena arus mengalir hanya untuk sebagian sinyal inputan. Kedua amplifier ini menghasilkan power output yang kuat, dan kelas C menjadi amplifier yang paling efisien. Karena Amplifier kelas B dan C mendistorsi sinyal input, diperlukan teknik khusus untuk mengurangi atau meminimalisir distorsi tersebut seperti mengggunakan teknik push-pull untuk kelas B dan menggunakan rangkaian LC untuk kelas C. Pada amplifier kelas A, hanya mampu menghasilkan tingkat efisiensi sampai dengan 50 persen, ini berarti hanya 50 persen dari tegangan DC yang dirubah menuju RF dan sisanya hilang di transistor. Hampir semua transistor RF power memiliki power limit yang berkisar ratusan watt, untuk menghasilkan power lebih, biasanya dihubungkan 2 atau lebih rangkaian dalam konfigurasi parallel.

Gambar 6-8. Sebuah amplifier kelas B menggunakan teknik push pull.

Sinyal RF diberikan pada Q1 dan Q2 melewati trafo input T1 dan menghasilkan impedansi yang sama antara Q1 dan Q2 dan sinyal basis terhadap Q1 Q2 berbanding 180 derajat. Untuk kelas B amplifier, Q1 dan Q2 harus di biaskan tepat pada titik cutoff. Transistor emitter base tidak akan bekerja sampai dengan 0.6 hingga 0.8 volt tegangan karena daerah aktif transistor ada di rentang tersebut. Hal ini menyebabkan transistor dibiaskan diatas daerah cutoff, bukan pada daerah cutoff.

Sirkuit kunci pada sebagian besar transmitter AM dan FM adalah amplifier kelas C, amplifier ini digunakan untuk penguatan pada driver, pengganda frekuensi dan penguat akhir. Penguat kelas C ini dibiaskan sehingga menghasilkan sinyal yang kurang dari 180 derajat terhadap inputannya, biasanya berkisar antar 90 sampai 150 derajat. Hal ini berarti bahwa arus mengalir melalui pulsa-pulsa pendek. Seperti pada gambar 6-10 :

Cara pembiasan yang lain seperti pada gambar 6-11. Rangkaian ini dikenal sebagai metode self-bias. Saat arus mengalir pada transistor, tegangan dihasilkan pada R1, kapasitor C1 diberikan beban dan menahan tegangan konstan. Hal ini menyebabkan emitter akan lebih positif daripada basenya dimana nilainya sama dengan tegangan negative pada base.

Pulsa-pulsa pendek pada amplifier kelas C terdiri dari harmonic kedua, ketiga, keempat, kelima dan seterusnya. Pada transmitter tegangan tinggi, sinyal akan diradiasikan pada frekuensi-frekuensi harmonic tersebut. Tetapi radiasi dari harmonic tersebut bisa menyebabkan interferensi diluar dari lebar pita. Perlu diingat bahwa bandwidth dan Q pada sebuah rangkaian memiliki persamaan BW=fr/Q dan Q = Fr/BW. Jika Q pada rangkaian terlalu tinggi, bisa menyebabkan bandwidth terlalu sempit dan beberapa frekuensi samping yang lebih tinggi akan hilang.

Efisiensi pada kebanyakan amplifier kelas C berkisar antara 60 sampai 85 persen. Tegangan input adalah rata-rata power yang dipakai oleh sirkuit tersebut. Secara sederhana hal ini dapat dikaitkan dengan persamaan P = V.I dimana Pout pada rangkaian ini dapat dihitung dengan Pout= V^2/RL dimana V adalah tegangan RF output pada collector dan RL adalah tahanan beban.

Amplifier Pada Receiver

Pada receiver yang menggunakan frekuensi di atas 100 MHz, biasanya memakai amplifier RF. Tujuannya untuk menguatkan amplitude sinyal lemah yang nanti akan masuk ke mixer. Amplifier RF pada receiver biasanya adalah kelas A dan menggunakan transistor FET atau transistor bipolar pada rangkaiannya.

Bagian penting lainnya dari receiver superheterodyne adalah amplifier IF. Amplifier IF adalah suatu amplifier dimana mayoritas gain dihasilkan. Pemilihan sebuah amplifier IF sangat berpengaruh terhadap desain dari receiver. IF merupakan perpaduan antara selektivitas dan stabilitas yang bagus, yang didapatkan pada frekuensi rendah, dan image rejection yang bagus, yang didapatkan pada frekuensi tinggi.

Seperti amplifier RF, amplifier IF merupakan amplifier kelas A tertala yang dapat menghasilkan gain dalam rentang 10 – 30 Db. Biasanya 2 atau lebih amplifier IF digunakan untuk menghasilkan receiver gain yang memadai. Kebanyakan dari amplifier IF menggunakan transistor bipolar. Selektivitas pada amplifier IF diperoleh dari rangkaian tertala sedangkan rangkaian tertala cascading menyebabkan keseluruhan bandwidth rangkaian menjadi lebih sempit.

Pada receiver FM, digunakan 1 atau lebih amplifier IF sebagai limiter. Limiter berfungsi untuk menghilangkan berbagai variasi amplitude pada sinyal FM sebelum masuk ke demodulator. Namun, semua amplifier akan bertindak sebagai limiter jika sinyal input cukup tinggi. Dengan sinyal input yang sangat besar diberikan ke sebuah transistor, transistor akan didorong antara saturasi dan cutoff. Sebagai contoh, pada amplifier kelas A bipolar, memberikan sinyal input positif yang sangat besar akan menyebabkan bias pada basis transistor meningkat, dengan demikian arus kolektor akan meningkat. Ketika diberikan jumlah tegangan input yang cukup, transistor akan aktif secara maksimum dimana basis-emitter dan basis-kolektor menjadi forwad bias. Pada titik ini, transistor akan tersaturasi dan tegangan antara basis dan kolektor menurun sampai kurang dari 0.1 V. Pada saat tersebut, output amplifier biasanya sama dengan tegangan jatuh DC sepanjang resistor emitter yang mungkin digunakan pada rangkaian.

Cara yang lebih efektif untuk sinyal yang besar adalah dengan menyertakan rangkaian Automatic Gain Control (AGC). AGC adalah sebuah system umpan balik yang secara otomatis mengatur penguatan pada receiver berdasarkan amplitude sinyal yang diterima. Level sinyal yang sangat rendah menyebabkan gain receiver menjadi tinggi. Sinyal input yang tinggi menyebabkan gain pada receiver berkurang.

Penggunaan AGC menghasilkan receiver mempunyai jangkauan dinamis yang lebar (dynamic range). Dynamic range adalah pengukuran kemampuan receiver untuk menerima sinyal yang sangat kuat dan sangat lemah tanpa menyebabkan distorsi dan merupakan perbandingan sinyal terbesar yang dapat ditangani antara sinyal terendah, satuannya adalah decibel. Dynamic range pada receiver dengan AGC biasanya adalah 60-100 Db.

Rangkaian pengontrol umpan balik lainnya yang mirip dengan AGC yang digunakan pada receiver frekuensi tinggi adalah Automatic Frequency Control (AFC). Tujuan dari AFC adalah menjaga LO pada frekuensinya. Pada receiver yang beroperasi pada frekuensi di atas 100 MHz, timbul masalah pada kestabilan osilator. Perubahan frekuensi osilator terjadi karena perubahan suhu. Meskipun osilator dapat diatur pada frekuensi tertentu, tetapi frekuensi tersebut dapat bergeser karena perubahan suhu atau kondisi lainnya. Jika frekuensi bergeser terlalu jauh, mixer tidak akan mengkonversi sinyal yang masuk menjadi nilai IF yang pas. Hasilnya adalah sinyal yang diinginkan tidak akan diambil atau receiver mengalami mistuned sehingga hanya sebagian kecil sinyal yang dapat lewat. Hal ini dapat mengakibatkan distorsi.

Rangkaian lainnya yang sering ditemukan pada receiver adalah squelch circuit. Squelch circuit adalah sebuah rangkaian yang membuat amplifier audio dimatikan sampai sinyal RF muncul pada bagian input receiver. Jika sinyal RF muncul, amplifier audio akan aktif. Gambar 9. Menujukkan konsep dasar dari squelch circuit. Kehadiran sinyal pada input dideteksi dengan memantau garis tegangan AGC. Tegangan AGC dikuatkan oleh sebuah amplifier DC dan diberikan kepada basis transistor Q1 yang bertindak sebagai switching inverter.

Amplifier Common-Emitter

Amplifier CE dengan rangkaian output dan input tertala ditunjukkan dengan gambar dibawah ini :

C3 dan C4 adalah kapasitor pemblokir DC dengan reaktans yang dapat diabaikan pada frekuensi tinggi. Resistor Pbias memasuk arus bias ke base, dan ini dapat juga dianggap mempunyai pengaruh yang dapat diabaikan terhadap kinerja pada frekuensi tinggi. Sumber sinyalnya ditunjukkan sebagai pembangkit arus ekivalen is dan Rs. Rangkaian ekivalennya, yang menggunakan rangkaian ekivalen hybrid-pi untuk transistor, ditunjukkan dalam gambar dibawah ini, dimana rb’b telah dianggap dapat diabaikan.

Kalau inductor output mempunyai resistans seri r2 dan induktans L2, maka seperti yang ditunjukkan dalam gambar dibawah. Komponen sisi outputnya dapat dikelompokkan dalam satu bentuk admittans sebagai :

Admitans Y1 melambangkan admitans-nya Rs’, rb’e, dan Cb’e yang parallel dengan rangkaian tertala input, dan Y2 adalah admittans output sebagaimana didefinisikan terdahulu. Umpan balik admitan-nya adalah Yf = jwCcb’. Persamaan arus untuk simpul outputnya adalah :

Dari ini gain voltage-nya adalah

Karena transistor akan dioperasikan pada frekuensi w < wt untuk mengurangi pengaruh umpan balik, dan karena Cb’c > Ccb’, maka gm > |Yf|, dan ekspresi untuk gain menjadi

Dimana Yo = Y2 + Yf. Penguatannya maksimum ketika Yo beresonan, yang berarti bahwa Ccb’ harus dimasukkan dalam penalaan output (output tuning). Ada juga pergeseran fasa 180 derajat di dalam penguat dalam kondisi ini.

Admitans keluarannya dapat ditulis dalam bentuk persamaan :

dimana

Efek redam resistans output dan resistans beban transistor diperhitungkan dalam perhitungan resistans dinamis efektif RD2 eff. Faktor Q efektif rangkaian output adalah

Jadi gain dapat ditulis sebagai

Kembali ke rangkaian masukan, pada keadaan resonans, resistans dinamiknya diperoleh dari

dimana RD1 merupakan resistans dinamik rangkaian masukan yang tertala sendiri. Begitu juga, dengan anggapan bahwa Miller admittance konstan terhadap jangkauan frekuensi bandwith -3db nya, maka factor Q rangkaian masukan adalah

Dalam hubungannya dengan sumber generator arus ekivalen, emf adlah vs = is.Rs, atau is = vs.Gs. Oleh sebab itu, dari persamaan simpul masukan,

Penguatan mengacu kepada sumber emf maka :

Amplifier Common-Base

Efek kapasitor umpan balik Ccb’ dapat dinol-kan sama sekali dengan menghubungkan transistor dalam konfigurasi common-base, rangkaian ekivalen sinyal kecil ditunjukkan dalam gambar dibawah :

dengan ragam pengoperasian ini, Ccb’ tampak parallel dengan kapasitans output Cc dan karena itu tidak menyumbang keapda kapasitans input. Input resistans-nya :

alpha0 = Bo/(Bo+1)=1

Oleh karena itu maka resistans input untuk rangkaian CB jauh lebih kecil dariapda yang untuk rangkaian CE yang diberikan oleh Bo/gm. Kapasitans input-nya adalah Ceb’ = Cb’e. Resistans output untuk rangkaian CE timbul diantara kolektro dan emitter. Ini lebih tinggi daripada resistans ouput CE dan dapat ditunjukkan diberikan oleh rcCB = BoRcCE. Karena nilainya yang sangat tinggi, resistans output dapat diabaikan bagi kebanyakan maksud praktis. Rangkaian ekivalen disederhanakan itu ditunjukkan dalam gambar dibawah.

Dengan menerapkan hubungan pendek pada terminal output gambar diatas dan ditentukannya arus seperti yang ditunjukkan, arus output hubungan pendeknya ic = -gmVeb dan arus inputnya = (1/reb + jwCeb)Veb. Karena itu gain arus hubung pendek untuk amplifier CB adalah

dimana frekuensi -3db untuk gain rangkaian hubung pendek tahap CB adalah Wa = 1/rebCeb. Kini karena Ceb= Cb’e dan Cb’e > Ccb’ dan reb = 1/gm, maka mudah menunjukkan bahwa

ωa = ωr

Jadi, frekuensi -3dB itu hampir (sangat mendekati) sama dengan fr, yaitu gain unity frekuensi transisi. Ini lebih tinggi dari frekuensi -3dB untuk hubungan CB oleh factor β_0.

Penguatan Daya yang Tersedia

Penguatan daya tinggi tersedia diperlukan untuk mempertahankan factor noise rendah dengan amplifier cascade. Perkiraan mengenai penguatan daya amplifier CB dan CE tersedia itu dapat dibuat sbb :

Daya tersedia dari sumber adalah :

Daya tersedia pada keluaran :

Penguatan daya tersedia :

Untuk kedua rangkaian CB maupun CE, I₀²=g_m²V_in² dan karenanya :

Karena resistans output transistornya tinggi dalam kedua kasus itu, maka resistans output kedua kasus itu akan merupakan yang ada pada rangkaian tertala kolektor (dengan beban actual diputus hubungannya). Maka ratio dari penguatan daya tersedia menjadi :

Dan dapat disederhanakan menjadi :

Ini menunjukkan bahwa penguatan daya tersedia untuk amplifier CE lebih besar dari pada amplifier CB. Oleh sebab itu maka amplifier CE lebih disukai untuk tahap masukan pesawat penerima low-noise.

Amplifier Cascode

Amplifier common-emitter dan common-base dapat dikombinasikan untuk membentuk sebuah unit amplifier yang mempunyai penguatan daya tinggi dan stabil. Unit kombinasi inin dikenal sebagai amplifier cascade. Secara keseluruhan amplifier ini memiliki ciri-ciri kinerja yang serupa dengan yang dimiliki oleh amplifier CE tetapi memiliki kestabilan yang lebih tinggi dan tidak ada perubahan fase 180 sehingga penguatan yang tersedia tinggi.

Rangkaian Ekivalen Hybrida-π untuk FET

Dalam banyak hal, FET lebih sederhana daripada bipolar junction transistor karena tingginya impedansi input yang diberikan oleh gerbang control. Di rangkaian inim eksternal terminal diberi label G untuk gate, S untuk source, dan D untuk drain. Gambar dibawah ini menunjukkan bentuk amplifier CS sederhana, dimana komponen bias dibuang demi kesederhanaan :