04-penguat rf.pdf

8/19/2019 04-Penguat RF.pdf

1/30

1

Penguat

RF Sinyal

Kecil

(Small Signal RF Amplifier)

ET3006 -

Elektronika

Frekuensi

Radio

Program Studi

Teknik

Telekomunikasi

Sekolah

Teknik

Elektro

dan

Informatika

Institut Teknologi Bandung


2/30

2

Silabus

•

Materi

yang akan

dipelajari

dalam

bab

Filter:

–

Faktor

penguatan

dan

definisinya

•

Transducer Power Gain (GT

)

•

Operating Power Gain (GP

)

•

Available Power Gain (G A

)

–

Kemantapan

Penguat

•

Penentuan

daerah

kemantapan

•

Simultaneous Conjugate Match

–

Perancangan

penguat

RF sinyal

kecil

•

Lingkaran

GP

konstan

•

Lingkaran

G A

konstan•

Lingkaran

VSWR konstan

•

Lingkaran

faktor

derau

konstan


3/30

3

Faktor

Penguatan

Penguat

RF

•

Definisi

faktor

penguatan

1.


)

2.


)

3.


)

RPIM RPIK

PL

ZLESZS

P AVNPINP AVS

a1

b1 b2a2

IN S L OUT

sinyalsumber padatersediayangDaya

bebankediberikanyangDaya

AVS

LT

P

PG

penguatkediberikanyangDaya bebankediberikanyangDaya

IN

LP

P

PG

sinyalsumber padatersediayangDaya

penguatdaritersediayangDaya

AVS

AVN

A

P

PG


4/30

Faktor

Penguatan

Penguat

...cont’d-1•

Persamaan

parameter S untuk

penguat

RF tersebut

adalah:

2121111 aS aS b

2221212 aS aS b

2

2

b

a L 22 ba L

2221212 bS aS b L LS

aS 22121

1

2121111 bS aS b L 122

2112111

1a

S

S S aS

L

L

1

1

a

b IN

L

L IN

S

S S S

22

2112

11

1

02

2

S E

OUT a

b11S 0untuk ba E S

2121111 aS bS b S

2221212 aS bS b S S S

aS

11

212

1

2222

11

2112

1aS a

S

S S

S

S

02

2

S E

OUT a

b22

11

2112

1S

S

S S

S

S

22

121

2

121

2

121 1 IN IN aba P


5/30

PIN

dan

PL•

Persamaan

untuk

rangkaian

masukan:

2

22

21

1

1

IN S

IN

S IN b P

S S S Z I E V 1I1

ESZS

a1b

1

IN S

V1

0

11

Z

V a

bila0

11

Z

V b

0

0

Z Z

Z E bS

S

S

0

0

Z Z

Z Z

S

S S

maka

11 bba S S 11 ab IN

11

aba IN S S

IN S

S b

1

sehingga

daya

yang tersedia:

Daya

yang tersedia

pada

sumber

sinyal

(P AVS

) = Daya

masukan

(PIN

), bila*

S IN maka

2

2

21

1 S

S

IN AVS

b P P

atau

2

22

1

11

IN S

IN S

AVS IN P P

S AVS IN M P P 2

22

1

11

IN S

IN S

S M

dimana


6/30

PIN

dan

PL ...cont’d-1•

Persamaan

untuk

rangkaian

keluaran:

IL

ETH

ZTHb2a2

L OUT

VL

2

22

21

1

1

LOUT

L

TH L b P

OUT LTH L Z I E V

0

2 Z V a L

bila

0

2 Z V b L

0

0

Z Z

Z E b

OUT

TH

TH

0

0

Z Z Z Z

OUT

OUT OUT

maka22

abbOUT TH

22 ba L

22 bbb LOUT TH

LOUT

TH b

1

sehingga

daya

pada

beban:

Daya

tersedia

dari

penguat

(P AVN

) = Daya

pada

beban

(PL

), bila *

OUT L

maka2

2

21

1*

OUT

TH

L AVN

b P P

OUT L

atau

2

22

1

11

OUT L

OUT L

AVN L P P

L AVN L M P P 2

22

1

11

OUT L

OUT L

L M

dimana


7/30

Power Gain (Resume)

•


) = 22

121

22

221

1

1

IN

L

IN

L

a

b

P

P

dengan LS

aS b

22

12121

2

22

2

2

2121

1

1

1

L

L

IN

P

S S G

•


) = S P AVS

IN P

AVS

IN

IN

L

AVS

L M G

P

P G

P

P

P

P

P

P

2

22

2

2

212

2

1

1

1

1

L

L

IN S

S

T

S S G

2

2

2

212

11

2

1

1

1

1

LOUT

L

IN

S S

S

•


) =

L

T

L

ANN

AVS

L

AVS

AVN

M

G

P

P

P

P

P

P

22

212

11

2

11

1

1

OUT IN

S A S

S G


8/30

Kemantapan

Penguat

RF•

Dua

jenis

kemantapan

penguat

RF

1.

Mantap

tanpa

syarat

(uncondit ionally stable), bila

| IN

| < 1 dan

| OUT

| < 1 untuk

SEMUA harga

impedansi

sumber

dan

beban

pasif

(| S

| < 1 dan

| L

| < 1)

2.

Mantap

bersyarat

(conditionally stable, potentially unstable), bila

| IN

| < 1 dan

| OUT

| < 1 untuk

SEJUMLAH harga

impedansi

sumber

dan

beban

pasif.

•

Osilasi

terjadi

pada

penguat

jika

pada

terminal masukan

(input terminal)

atau

terminal keluaran

(output terminal) terdapat

resistansi

negatif

yaitu

bila

(| IN

| > 1 atau

| OUT

| > 1)

Sebagai

contoh, jika

impedansi

masukan

ZIN

= -RIN

+ jXIN

, maka:

resistansi negatif

0

0

Z jX R Z jX R

IN IN

IN IN IN

1

2

1

22

0

22

0

IN IN

IN IN

X R Z

X Z R

ESZS

I

ZIN

ZL

S IN IN S S

X X j R R

E I


9/30

Kemantapan

Penguat

RF …cont’d-1

•

Pada

satu

frekuensi

tertentu

bisa

terjadi

0 S IN X X

0 IN S R R

Meskipun

ES

= 0 tetapi

derau

thermal pada

masukan

penguat

dapat

memicu

I =∞

sehingga

penguat

akan

berosilasi.

1 L1S 11 11

2112

22

S

S OUT

S

S S S 1

1 22

2112

11

L

L IN

S

S S S

Pada

penguat

mantap

bersyarat, harga

S

dan

L

yang memberikan

kemantapan

dapat

ditentukan

dengan

prosedur

grafis

pada

Smith Chart.

Tempat

kedudukan

S

dan

L

yang menghasilkan

| IN

| = 1 dan

| OUT

| = 1

ditentukan

terlebih

dahulu:

22

22

2112

22

22

**

1122

S

S S

S

S S L

11 22

211211

L

L IN

S

S S S

•

Dari koefisien

refleksi, penguat

akan

mantap

tanpa

syarat

jika

memenuhi:

dimana

22

22

2112

S S S r L

21122211 S S S S

2222

**

1122

S S S C L

merupakan

persamaan

lingkaran

beban

(tempat

kedudukan L untuk | IN| = 1

titik

pusat jari-jari


10/30

Penetuan

Daerah

L

•

Jika

ZL

= Z0

maka 11 S Γ IN 00

0 Z Z Z Z

L

L

•

Jadi

jika

|S11

|

< 1 maka

| IN

|

< 1 untuk

L

= 0 sehingga

daerah

yang

mengandung

titik

pusat

Smith Chart adalah

daerah

mantap.

|CL

|

Smith Chart

|

IN

| < 1

|

IN

| > 1

| IN

| = 1

lingkaran

kemantapan

beban

CL

r L

|S11

| < 1

Daerah

yang diarsir

adalah

daerah

mantap

L

22

22

2112

S S S r L

22

22

**

1122

S

S S C L

dimana 21122211 S S S S


11/30

Penetuan

Daerah

L

…cont’d-1

•

Jika

|S11

|

> 1 maka

| IN

|

< 1 untuk

L

= 0 dan

daerah

yang mengandung

titik

pusat

Smith Chart adalah

daerah

TIDAK mantap.

|CL

|

Smith Chart

| IN

| < 1

| IN

| > 1

| IN

| = 1

lingkaran

kemantapan

beban

CL

|S11

| > 1

Daerah

yang diarsir

adalah

daerah

mantap

L r L

22

22

2112

S

S S r L

22

22

**

1122

S

S S

C L



12/30

Penetuan

Daerah

L

…cont’d-2•

Jika

|S22

|

< 1 maka

| OUT

|

< 1 untuk

S

= 0 dan

daerah

yang mengandung

titik

pusat

Smith Chart adalah

daerah

mantap.

|CS

|

Smith Chart| OUT

| < 1

| OUT

| > 1

| OUT

| = 1

lingkaran

kemantapan

sumber CS

r S

|S22

| < 1

Daerah

yang diarsir

adalah

daerah

mantap

S

22

11

2112

S

S S r S

22

11

**

2211

S

S S C S



13/30

Penetuan

Daerah

L

…cont’d-3

•

Jika

|S22

|

> 1 maka

| OUT

|

< 1 untuk

S

= 0 dan

daerah

yang mengandung

titik

pusat

Smith Chart adalah

daerah

TIDAK mantap.

|CS

|

Smith Chart

| OUT

| < 1

| OUT

| > 1

| OUT

| = 1

lingkaran

kemantapan

sumber

CS

|S22

| > 1

Daerah

yang diarsir

adalah

daerah

mantap

S r S

22

11

2112

S

S S r S

22

11

**

2211

S

S S

C S



14/30

Kondisi

Mantap•

Kondisi

mantap

tanpa

syarat

untuk

semua

sumber/beban

dapat

ditulis:

1 S S r C 1 L L r C untuk untuk 122 S 111 S

|CL

|

CLr L

Smith Chart

|S11

| < 1

|CS

|CSr S

Smith Chart

|S22

| < 1

atau 1

2

1

2112

2

22

2

11

S S

S S K

2112

2

111 S S S

2112

2

221 S S S


15/30

Kondisi

Mantap

…cont’d-1•

Untuk

memperoleh

kemantapan

tanpa

syarat

maka:

1 K 2

112112 1 S S S

2

222112 1 S S S 111 S

122 S

atau

cukup

dengan 1 K 1dan

1.

Pembebanan

resistif

2.

Umpan

balik

R

R

R

R

R

R

•

Untuk

mengubah

kondisi

suatu

penguat

dari

kondisi

tidak

mantap

menjadi

kondisi

mantap

tanpa

syarat

dapat

dilakukan

dengan:


16/30

Simultaneous Conjugate Match

•

Pada

saat:

RPIMESZS RPIK

IN

S

L

OUT

ZL

*

S IN *

LOUT

Diperoleh

penguatan

daya

transducer maksimum

dengan

syarat

penguat

transistor mantap

tanpa

syarat.

L

LS

S

S S S

22

211211

*

1

S

S L

S

S S S

11

2112

22

*

1

1

2

1

2

11

max2C

C B BS

2

2

2

2

22

max2C

C B B L

22

22

2

111 1 S S B22

11

2

222 1 S S B

dimana:

*22111

S S C *

11222 S S C

2

max22

2

max2212

max

max,

1

1

11

L

L

S

T

S S G

1

2

12

21max, K K S

S GT atau

Maka:


17/30

Lingkaran

GP

Konstan

•

Kasus

kemantapan

tanpa

syarat

2

22

22

22

11

2

Re21

1

C S S g

L L

L

P

P

L

L

IN

P g S S

S G 2

212

22

2

2

2121

1

1

1

dimana21122211 S S S S

*

11222 S S C

211222222 11Re21 S g C g S g P L P P L

22

22

*

2

1

S g

C g C

P

P P

22

22

2

11

22

22

*

2

*

22

22

22

1

11

11

S g

S g

S g

C g

S g

C g

P

P

P

L P

P

L P L

22

22

2

1

22

21122112

1

21

S g

g S S g S S K r

P

P P

P

titik

pusat jari-jari


18/30

Lingkaran

GP

Konstan

…cont’d-1•

GP

maksimum

terjadi

pada

r P

= 0

11 2

2112max,

K K S S g P

012max,2112

2

2112

2

max, P P g S S K S S g

•

Prosedur

menggunakan

lingkaran

GP

konstan

12

12

21

max, K K S

S

G P atau

1.

Untuk

GP

yang ditentukan, hitung

titik

pusat

dan

jari-jari

lingkaran

GP

konstan.2.

Pilih

L

yang diinginkan

(pada

lingkaran

tersebut)

3.

Dengan

L

tersebut, daya

keluaran

maksimum

diperoleh

dengan

melakukan

conjugate match pada

masukan, yaitu

S

= IN

*, S

ini

memberikan

GT

= GP•

Contoh Latihan Soal

Sebuah

transistor: S11

= 0.641 -171.3o

S12

= 0.057 16.3o

S21

= 2.058 28.5o

S22 = 0.572 -95.7o

Rancang

sebuah

penguat

RF

yang mempunyai

GP

= 9 dB.


19/30

Lingkaran

GP

Konstan

…cont’d-2•

Penyelesaian

Dari data transistor dapat

dihitung:

K = 1.504 ||

= 0.3014 C2

= 0.3911 -103.9o

|S21| = (2.058)2

= 4.235 gP

= GP

/|S21

|2

= 1.875

r P

= 0.431

CP

= 0.508 -103.9o

0.431

103.9o A

| L

|

SC

Tempat

kedudukan

L

yangmemberikan

GP

= 9dB

Pilih

titik

L

= 0.36 47.5o

(titik

A)

S

yang memberikan

daya

keluar

maksimum

:

0

51.175629.0

*

22

2112

11

*

1

L

L IN S

S

S S S


20/30

Lingkaran

GP

Konstan

…cont’d-3•

Kasus

mantap

bersyaratDengan

transistor yang mantap

bersyarat, prosedur

perancangan

untuk

GP

tertentu

adalah

sebagai

berikut:1.

Untuk

GP

yang diinginkan, gambar

lingkaran

GP

konstan

dan

lingkaran

kemantapan

beban. Pilih

L

yang terletak

pada

daerah

mantap

dan

tidak

terlalu

dekat

dengan

lingkaran

kemantapan.2.

Hitung

IN

dan

tentukan

apakah


masukan

dimungkinkan. Untuk

itu

gambar

lingkaran

kemantapan

sumber

dan

periksa

apakah

S

= IN

* terletak

pada

daerah

mantap.

3.

Jika

S

= IN

* tidak

terletak

pada

daerah

mantap

atau

terletak

pada

daerah

mantap

namun

terlalu

dekat

dengan

lingkaran

kemantapan

sumber, pilih

L

yang lain dan

ulangi

langkah

(1) dan

(2).

Nilai

S

dan

L

sebaiknya

tidak

terlalu

dekat

dengan

lingkaran

kemantapan

karena

ketidak-mantapan

(osilasi) dapat

terjadi

karena

variasi

nilai

komponen

S

dan

L

yang masuk

ke

daerah

tidak

mantap.

•

Contoh Latihan Soal

Sebuah

transistor: S11

= 0.5 180o S12

= 0.08 30o

S21

= 2.5 70o S22

= 0.8 100o

Rancang sebuah penguat RF dengan GP = 10 dB.


21/30

Lingkaran

GP

Konstan

…cont’d-4•

Penyelesaian

Dari data transistor dapat

dihitung:

K = 0.4

r P

= 0.473

CP

= 0.572 97.2o

97.2o

A

SC

Lingkaran

GP

= 10 dB konstan

Pilih

titik

A sehingga

L

= 0.1 97.2o

S

yang memberikan

daya

keluar

maksimum

:

032.17952.0

*

22

211211

*

1

L

L IN S

S

S S S

= 0.223 -2.12o Transistor mantap

bersyarat

GP

= 10

r L

= 0.34

CL

= 1.18 97.2odan

Lingkaran

kemantapan

beban

Oleh

karena

|S11

| < 0, daerah

mantap

berada

di

luar

lingkaran

kemantapan

beban


22/30

Lingkaran

GP

Konstan

…cont’d-5•

Lingkaran

kemantapan

sumber:

r S

= 1.0

CS

= 1.67 171o

S

diatas

harus

diperiksa

apakah

berada

pada

daerah

mantap

atau

tidak.

Daerah

mantap

berada

di

luar

lingkaran

kemantapan

sumber

dan

S

berada

di

daerah

mantap

maka

S

dapat

digunakan.

1VSWR IN *

IN S

018.97934.0

*

11

2112

221

S

S OUT

S S S S

b

b

OUT11VSWR

918.0b

5.23


23/30

Lingkaran

G A

Konstan

•

Kasus

kemantapan

tanpa

syarat

1

22

11

22

22

2

2

21 21

1

C RS S S

G g

S eS

S A A

A

OUT S

S

A g S S S

G 2

212

2

212

11

2

1

1

1

1

dimana21122211

S S S S *

22111 S S C

2211

*

1

1

S g

C g C

A

A A

22

11

2

1

2221122112

1

21

S g

g S S g S S K r

A

A A

A

titik

pusat

jari-jari

Dengan

cara

yang sama, diperoleh

Semua

S

pada

lingkaran

memberikan

satu

G A

yang diinginkan.

Untuk

satu

G A

tertentu, daya

keluaran

maksimum

diperoleh

dengan L = OUT* dimana

L ini

memberikan

GT = G A.


24/30

Lingkaran

G A

Konstan

…cont’d-1•

Kasus

mantap

bersyarat

Dengan

transistor yang mantap

bersyarat, prosedur

perancangan

untuk

G A

tertentu

adalah

sebagai

berikut:

1.

Untuk

G A

yang diinginkan, gambar

lingkaran

G A

konstan

dan

lingkaran

kemantapan

beban. Pilih

S

yang terletak

pada

daerah

mantap

dan

tidak

terlalu

dekat

dengan

lingkaran

kemantapan.

2.

Hitung

OUT

dan

periksa

apakah


masukan

dimungkinkan. Untuk

itu

gambar

lingkaran

kemantapan

sumber

dan

periksa

apakah

L

= OUT

* terletak

pada

daerah

mantap.3.

Jika

L

= OUT

* tidak

terletak

pada

daerah

mantap

atau

terletak

pada

daerah

mantap

namun

terlalu

dekat

dengan

lingkaran

kemantapan

sumber, pilih

S

atau

G A

yang lain dan

ulangi

langkah

(1) dan

(2).

Nilai

S

dan

L

sebaiknya

tidak

terlalu

dekat

dengan

lingkaran

kemantapan

karena

ketidak-mantapan

(osilasi) dapat

terjadi

karena

variasi

nilai

komponen

S

dan

L

yang masuk

ke

daerah

tidak

mantap.


25/30

VSWR•

VSWR Masukan

RPIMESZS

IN

(ZIN

)

S

(ZS

) a

(Za

)

a

a IN VSWR

1

1

0

0

Z Z

Z Z

a

aa

21 a AVS IN P P

21 aS M

S AVS IN M P P S a M 1

2

22

1

11

1 IN S

IN S

a

S IN

S IN a

1

*

2

22

1

11

IN S

IN S

S M

•

VSWR Keluaran

RPIK

L

(ZL

)

OUT (ZOUT)

ZL

b (Zb)

21 b L M

2

22

1

111

OUT L

OUT L

b

LOUT

LOUT

1

*

2

22

1

11

OUT L

OUT L

L M

Lb M 1


26/30

Lingkaran

VSWR Konstan

Dapat

diturunkan

lingkaran

VSWRIN

konstan:

RPIMESZS

IN

(ZIN

)

S

(ZS

) a

(Za

)

a

a IN VSWR

1

1

0

0

Z Z

Z Z

a

a

a

2

2*

1

1

a IN

a IN

ViC

2

2

1

1

a IN

aa

Vir

(titik

pusat)

(jari-jari)Pada

kasus

mantap

tanpa

syarat

dan

beberapa

kasus

mantap

bersyarat, S

dapat

dipilih

= IN

* untuk

memperoleh

VSWRIN

= 1.

2

2*

11

bOUT

bOUT VoC

2

2

11

bOUT

bbVor

(titik

pusat) (jari-jari)

Bila

VSWRIN

= 1 maka

| a

| = 0 sehingga

CVi

= IN*

dan

r Vi

= 0.

Dengan

cara

yang sama, lingkaran

VSWROUT

konstan

dapat

diturunkan:

Jadi

S

= IN

* memberikan

| a

| = 0 VSWRIN

= 1


27/30

Contoh

Soal

•

Tentukan

a

dan

VSWRIN

dari

rangkaian

di

bawah:

RPIME1

ZS = 50

a

S

= 0.614 160o

IN

= 0.4 145o

•

Penyelesaian:

00

00*

160614.01454.01

160614.01454.0

1

S IN

S IN a

327.01

327.01

1

1

a

a

IN

VSWR

327.0

97.1


28/30

Lingkaran

Faktor

Derau

Konstan

•

Faktor

derau

untuk

rangkaian

penguat

di

atas

dapat

dituliskan

RPIMES

ZS = Z0

RPIK

IN

S

L

OUT

ZL= Z0

222

min

11

4

opt S

opt S nr F F

0 Z

Rn

dimana:

Fmin

= faktor

derau

minimum komponen

aktif r m

= equivalent normalized noise resistance

opt

= koefisien

refleksi

sumber

yang dapat

menghasilkan

faktor

derau

minimum


29/30

Lingkaran

Faktor

Derau

…cont’d-1

•

Ambil

satu

harga

F = Fi

2min

2

2

141

opt

n

i

S

opt S

r

F F

2

min 14

opt

n

ii

r

F F N

konstan

= Ni

maka

2* S iiopt S opt S N N 2

2

1 S

opt S

i N

iopt opt S iS N N 2

*2Re21

ii

i

opt

opt S i

S N

N

N N

11Re

1

22

*2

Persamaan

di

atas

merupakan

persamaan

lingkaran

di

bidang

S

dan

dapat

ditulis

menjadi:

2

222

1

1

1i

opt ii

i

opt

S N

N N

N


30/30

Lingkaran

Faktor

Derau

…cont’d-2

•

Untuk

Ni

tertentu, diperoleh

lingkaran

faktor

derau

Fi

konstan

Lingkaran

Faktor

Derau i

opt

Fi N

C

1

2

2 111 opt ii

i

Fi N N N

r

(titik

pusat)

(jari-jari)•

Contoh Latihan Soal

Sebuah

transistor: S11

= 0.552 169o

S12

= 0.049 23o

S21

= 1.681 26o

S22

= 0.839 -67o

Tentukan

lingkaran

faktor

derau

F = 2.8 dB konstan.

•

Penyelesaian 2min 1

4 opt

n

ii

r

F F N

905.1dB8.2 i F

07.050

5.3

0

Z

Rr nn

778.1dB5.2min F 0

166475.0 opt F

i

opt

Fi N

C

1

22 11

1opt ii

i

Fi N N N

r

1378.0 0

166417.0

opt

= 0.475 166oFmin

= 2.5dB

Rn

= 3.5

Z0

= 50

312.0

04-penguat rf.pdf

Documents