PERANCANGAN IC CMOS LOW PASS FILTER SALLEN-KEY ORDE 2 DENGAN MICROWIND

Transkripsi

1 PERANCANGAN IC CMOS LOW PASS FILTER SALLEN-KEY ORDE DENGAN MICROWIND Beauty Anggraheny Ikawanty Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Program Pascasarjana Universitas Brawijaya ABSTRAK Mendesain suatu rangkaian dibutuhkan teknik mendesain yang cepat dengan biaya rendah dan tata letak komponen sehingga didapatkan ukuran yang sekecil mungkin. Pada perancangan penelitian ini dipilih desain layout IC Low Pass Filter dengan menggunakan teknologi CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Hal ini disebabkan karena CMOS memiliki keunggulan pada disipasi daya rendah dan ukurannya yang sangat kecil dan Low Pass Filter CMOS belum banyak digunakan karena selama ini yang banyak tersedia di pasaran berupa microprosessor progammbale dan switched capasitor filter dengan disipasi daya yang sangat besar. Dari hasil pengujian didapatkan % kesalahan dengan hasil perhitungan dibawah 0% untuk parameter penguatan frekuensi rendah, gain bandwidth, R in. Untuk parameter PSRR ayunan tegangan keluaran dan R out menghasilkan % kesalahan di atas 0%. Bila dibandingkan dengan IC dipasaran (MAX 70), IC hasil perancangan ini memiliki keunggulan pada besarnya frekuensi cut off 0, Hz 0 KHz, gain bandwidth op-amp 9,38 Mhz, ayunan tegangan keluaran - V s/d,8 Vdan CMRR 7,9 db. Luas lay out rangkaian adalah, μm 90 μm. Kata kunci: Low Pass Filter, Op-amp, CMOS, frekuensi cut off, gain bandwidth op-amp, ayunan tegangan keluaran, CMRR.. PENDAHULUAN Suatu rangkaian terpadu (integrated circuit - IC) adalah sebuah kristal silikon kecil yang disebut chip mengandung komponen elektronika seperti transistor, dioda, resistor, dan kapasitor. Komponen itu saling dihubungkan dalam chip membentuk suatu rangkaian listrik tertentu. Dengan semakin majunya teknologi rangkaian terpadu, banyaknya peralatan dan komponen yang terkandung dalam sebuah chip silikon juga semakin meningkat. Teknik pembuatan layout IC merupakan hal yang sangat penting bagi kemajuan di bidang elektronika. Dengan adanya layout IC yang menggunakan program Microwind khususnya untuk rangkaian low pass filter, akan menambah pustaka dalam dunia VLSI. Layout IC ini terdiri dari rangkaian op-amp, resistor dan kapasitor. Yang semuanya dirancang dengan menggunakan transistor CMOS. CMOS memiliki keunggulan pada disipasi daya rendah dan ukurannya yang sangat kecil dan Low Pass Filter CMOS belum banyak digunakan karena selama ini yang banyak tersedia di pasaran berupa microprosessor progammbale dan switched capasitor filter dengan disipasi daya yang sangat besar.. METODE PENELITIAN Dalam melaksanakan penelitian ini digunakan suatu metode dan prosedur yang biasa dipakai, sehingga langkah-langkah serta tujuan dari penelitian yang dilakukan dapat sesuai dengan apa yang diharapkan Mulai Studi Pustaka Penentuan Spesifikasi Rangkaian Sistem Filtering Perhitungan dan Perancangan Rangkaian Sistem Filtering Simulasi Rangkaian Analisis Data Kesimpulan Selesai Gambar. Diagram alir metode penelitian. Low Pass Filter Filter adalah sebuah rangkaian yang dirancang agar melewatkan suatu pita frekuensi tertentu dan memperlemah semua sinyal di luar pita ini. Jaringan-jaringan filter bisa bersifat aktif E-

2 maupun pasif. Jaringan-jaringan filter pasif hanya berisi tahanan, induktor, dan kapasitor saja. Induktor jarang digunakan dalam filter-filter aktif, sebab ukurannya besar dan mahal dan bisa memiliki komponen-komponen bertahanan dalam yang besar. Gambar menggambarkan tanggapan frekuensi untuk filter low pass. Filter low pass adalah sebuah rangkaian yang tegangan keluarannya tetap dari dc naik sampai ke suatu frekuensi cutoff f c. Bersama naiknya frekuensi di atas f c, tegangan keluarannya diperlemah (turun). Garis yang penuh dalam Gambar menyatakan tanggapan frekuensi gambar filter ideal, sedangkan garis putus-putus menunjukkan kurva-kurva untuk filter low pass yang praktis. Jangkauan frekuensi yang dipancarkan dikenal sebagai pita lewat. Jangkauan frekuensi yang diperlemah dikenal sebagai pita stop. Frekuensi cutoff, f c juga disebut frekuensi 0,707, frekuensi-3 db, frekuensi pojok atau frekuensi putus. Vo Pita Lewat fc Pita Stop Frekuensi Gambar. Tanggapan Frekuensi Low Pass Filter Ketika mendesain atau menganalisa filter orde dua, selalu terkait dengan frekuensi 3 db, frekuensi kritis, bentuk peredaman, dan penguatan pass band. Tetapi yang harus diperhatikan adalah R, R, C, C, dan Ri. Jika salah satu dari komponen tersebut dirubah, maka akan mengakibatkan ketiga parameter di atas juga berubah. Banyak sekali kombinasi dari komponen-komponen akan menghasilkan performa yang sama. Salah satu cara yang mudah untuk membuat persetujuan untuk mengatasi interaksi kekacauan adalah dengan penguatan filter Sallen-Key. Untuk rumus frekuensi cut off adalah : fo () R C. Dalam Gambar 3 menyatakan rangkaian low pass filter Sallen-Key dengan dipasang komponen dan Ri yang berfungsi sebagai penguat tegangan output. Keuntungan dengan menggunakan konfigurasi Sallen-Key memberikan kemudahan pada perancangan, karena dapat ditetapkan komponen resistor dan kapasitor yang dipasang pada rangkaian dengan nilai yang sama. R R Gambar 3. Rangkaian Low Pass Filter Sallen-Key. Penguat Operasional CMOS Dua Tingkat Salah satu dari kebanyakan rangkaian yang penting dalam desain rangkaian analog adalah penguat operasional. Penggunaan utamanya memberikan penguatan yang cukup untuk menggambarkan dan menerapkan pemrosesan sinyal analog melalui umpan balik negatif. Pemrosesan sinyal analog seperti itu akan memproses penguatan, integrasi dan penjumlahan. Salah satu ukuran kualitas suatu penguat operasional adalah Common Mode Rejection Ratio (CMRR) yang merupakan perbandingan antara penguatan mode diferensial terhadap penguatan mode bersama. CMRR yang ideal haruslah sebesar mungkin, hal tersebut berarti penguatan mode bersama harus sekecil mungkin. Karakteristik lain dari penguat diferensial adalah range input common mode sinyal, yang menentukan jangkauan sinyal mode bersama dimana penguat diferensial masih dapat memperkuat sinyal mode diferensial. Karakteristik yang mempunyai pengaruh unjuk kerja penguat diferensial adalah offset. Penguat dikatakan mempunyai offset bila tegangan diferensial masukan atau arus masukannya nol tetapi keluaran penguat diferensial tersebut tidak nol. Tegangan offset masukan, V OS adalah besarnya sumber tegangan yang dihubungkan pada kedua masukan penguat diferensial sehingga tegangan keluarannya sama dengan nol. V OS akan dianggap variael acak bila besaran dari V OS tersebut tidak dapat diperkirakan selama perancangan dan dapat berubah menurut perubahan kondisi lingkungan. I OS arus offset masukan merupakan perbedaan antara dua sumber arus yang diberikan pada kedua masukan penguat diferensial agar arus keluarannya sama dengan nol. Seperti halnya V OS, I OS dianggap sebagai variabel acak yang banyak dipengaruhi oleh temperatur. VG M3 VGG ID3 ID M VDD M ID ID M C M Iout VG Ri VSS Gambar. Penguat Diferensial MOS Dengan Beban Cermin Arus E-3

3 Gambar merupakan konfigurasi yang banyak digunakan dalam rangkaian terintegrasi adalah dari penguat diferensial yang memakai cermin arus untuk membentuk transistor beban. Keuntungan konfigurasi ini, sinyal keluaran diferensialnya dikonversikan menjadi sinyal keluaran tunggal tanpa memerlukan komponen tambahan. Tegangan atau arus keluaran diambil dari drain M dan M. Saat tegangan diferensial V ID diberikan pada gate-gate transistor masukan sebesar V ID / maka setengahnya diberikan pada gate-source M. hasilnya akan menaikkan I D dan menurunkan I D dengan besar yang sama, I. I yang menaikkan I D dicerminkan melalui M 3 M sebagai kenaikan I pada I D dan penurunan I pada I D, keluaran harus menaik arus I. 3. PERANCANGAN RANGKAIAN Perancangan rangkaian pada penelitian ini diuraikan dalam Gambar, yang terdiri dari satu penguat operasional dengan beberapa komponen resistor, kapasitor dan satu sumber tegangan AC. R R Gambar. Rangkaian Low Pass Filter Sallen-Key Orde dengan tipe Butterworth Ra M8 V M3 M M7 VDD Vss M Gambar. Rangkaian Setara Penguat CMOS Tingkat Dari perhitungan g m3 g m, maka nilai Ra dapat dicari, yaitu Ra () g m Ω 9,8 kω,08.0 Untuk mencari nilai Rb didapat dari persamaan berikut ini: M Rb V C Cc M M Ri Vo Rb g m,9.0 (3) 7 Ω, kω Disipasi daya I (V DD V SS ) (),.0 - ( + ), mw Perhitungan margin fasa adalah sebagai berikut : GB Margin fasa 90 - arctan () f nd arctan,.0 Perhitungan penguatan frekuensi rendah adalah sebagai berikut : - - N. P 0,00.0, K. K I. I /.0.,8.0,.0.,.0 Sehingga dalam satuan db adalah : / () (db) 0 log 0000 (7) 03 db Perhitungan CMRR adalah sebagai berikut CMRR 0 log Ac maka nilai Ac adalah sebagai berikut : Ac P.0,0 K I CMRR 0 log PSRR 0 log Ap,8.0,.0 3,3 (8) (9) db (0) 3, log 03 db () Untuk impedansi keluaran dihitung sebagai berikut : Rout g m 3 g m.(,08.0 ) () 9 Ω kω E-

4 Pada perancangan filter low pass ini, dihitung nilai R dan C nya saja. Karena pada filter ini frekuensi cutt off nya dapat dirubah-rubah, maka nilai R dan C pada rangkaian filter juga berubahubah, sehingga penulis meletakkan komponen R dan C di luar rancangan IC (eksternal). Spesifikasi rangkaian filter yang dirancang adalah sebagai berikut : Frekuensi cut off 0,Hz 0 KHz Kemiringan -0 db/dekade Jenis Filter aktif low pass Butterworth Konfigurasi Sallen Key equal component Penguat kerja Penguat CMOS dua tingkat. HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk mengetahui kebenaran hasil perencanaan, ukuran divais dan nilai komponen R dan C yang diperoleh dari perhitungan secara manual, hasil perhitungan ini disimulasikan dengan menggunakan program PSPICE, bila hasil simulasi tidak sesuai, maka ukuran divais transistor harus diubah. + V R R C Ra V Rb V Cc Ri Gambar 8. Grafik penguatan mode diferensial (db) 0 log () - V Gambar 7. Rangkaian Setara Filter Low Pass Sallen- Key Orde Gambar 7 menyatakan rangkaian filter low pass, yang terdiri dari satu rangkaian penguat CMOS dua tingkat, resistor dan kapasitor. Karena nilai-nilai komponen filter low pass Sallen-Key semua sama, maka : R R R ; C C C Frekuensi cut off pada perancangan ini dapat dirubah-rubah antara 0, Hz sampai 0 khz, sehingga nilai komponen R dan C berubah-ubah sesuai dengan berubahnya frekuensi cut off filter low pass. Diketahui : f O 0, Hz ; C 7 μf Sehingga nilai komponen R adalah : f O. R C C R Ω. (3) Pada perancangan rangkaian filter low pass tipe Sallen-Key orde yang perlu diperhatikan adalah resistor dan kapasitor dengan ukuran sama harus digunakan pada daerah frekuensi yang ditentukan. Besarnya penguatan harus dijaga agar di bawah 3, jika penguatan lebih dari 3 filter menjadi tidak stabil dan berosilasi. Maka dari itu penguatan dipilih. Ao ; Ao + Ri Ri 80 kω () E- 0 log 3 7,9 db Konfigurasi penguatan mode bersama Gambar 9. Grafik penguatan mode bersama Ac (db) Dari analisis simulasi mode diferensial, diperoleh penguatan mode diferensial, diperoleh penguatan mode diferensial (db) 7,9 db, yang merupakan perbandingan antara tegangan keluaran terhadap tegangan masukkan. Sedangkan dari analisis simulasi mode bersama dalam Gambar., perbandingan antara tegangan keluaran di titik terhadap tegangan masukkan di titik 7 adalah 0,77, sehingga kalau dihitung didapatkan : Ac (db) 0 log () 0 log 0,77 -, db Maka CMRR dapat dihitung : CMRR 0 log Ac (db) Ac (db) 7,9 db ( -, db) 7,9 db (7)

5 Konfigurasi PSRR Penguat CMOS Dua Tingkat Konfigurasi untuk simulasi Gain Bandwidth dan Margin fasa φ 80,9,88 Gambar 0. Grafik hasil simulasi PSRR positip Dalam Gambar 0, grafik menunjukkan hasil perbandingan pada tegangan keluaran di titik dengan tegangan V DP pada titik adalah 0,07, maka : Ap + (db) 0 log (8) V DP Gambar. Grafik hasil simulasi gain bandwidth dan margin fasa Simulasi Rangkaian Filter Low Pass 0 log 0,07 -, db Sehingga nilai PSRR positip adalah sebagai berikut : PSRR positip (db) A P + (db) (9) 7,9 db ( -, db) 0, db Konfigurasi Untuk Simulasi Slew Rate Untuk mengetahui slew rate dari suatu penguat kerja ada dua macam, yaitu slew rate pada saat tegangan keluaran berubah naik dan slew rate pada tegangan keluaran berubah turun. konfigurasi rangkaian simulasi slew rate adalah sebagai berikut : Vmaks V min slew rate positip (0) t,0 (,90 ),.0 7,7 V/μs Gambar 3. Grafik magnituda penguatan tegangan dan sudut fase saat fo 0, Hz Tabel. Hasil simulasi rangkaian penguat CMOS dua tingkat Parameter Spesifikasi Hasil simulasi GB SR (slew rate) CMRR PSRR Disipasi daya Margin fasa Rin Rout 03 db MHz V/μs 73 db 03 db, mw, ~ 000 Ω 7,9 db 9,38 MHz 7,7 V/μs 7,9 db 0, db,99 mv, Ω 30 Ω Gambar. Grafik hasil simulasi slew rate positip E-

6 V Gnd V VDD VSS Gambar. Layout IC Low Pass Filter. KESIMPULAN Perancangan IC CMOS low pass filter Sallen-Key orde dua dengan Microwind menunjukkan unjuk kerja yang baik. Bila dibandingkan dengan hasil perancangan didapatkan % kesalahan dengan hasil perhitungan dibawah 0% untuk parameter penguatan frekuensi rendah, gain bandwidth, R in. Untuk parameter PSRR ayunan tegangan keluaran dan R out menghasilkan % kesalahan di atas 0%. Bila dibandingkan dengan IC dipasaran (MAX 70), IC hasil perancangan ini memiliki keunggulan pada besarnya frekuensi cut off 0, Hz 0 KHz, gain bandwidth op-amp 9,38 Mhz, ayunan tegangan keluaran - V s/d,8 Vdan CMRR 7,9 db. Luas lay out rangkaian adalah, μm 90 μm. DAFTAR PUSTAKA Darmawansyah, Agung. 003, Implementasi Teknologi Hibrid Film Tebal Pada Rangkaian Filter High Pass Butterworth Orde-, Tesis UGM, Yogyakarta Elmunsyah, Hakkun. 99, Perancangan Penguat Kerja CMOS Untuk Beban Resistansi Rendah, Penelitian Elektro Unibraw, Malang Febiandari, Riska Low Pass Filter Aktif Dengan Teknologi Hibrida Film Tebal, Penelitian Elektro Unibraw, Malang Geiger, L Randall. Allen, E Phillip. Strader, R Noel VLSI Design Techniques For Analog And Digital Circuits, McGraw-Hill Inc, Singapore Gregorian, Roubik. Temes, C Gabor. 98. Analog MOS Integrated Circuits For Signal Processing, John Wiley & Sons, New York Hodges, David. Jackson, Horace Analisis Dan Desain Rangkaian Terpadu Digital. Erlangga, Jakarta Julius, M. 990, Perancangan Dan Pembuatan Penguat Diferensial NMOS, Tesis Elektro ITB, Bandung Laker, R Kenneth. Sansen, MC Willy. 99. Design Of Analog Integrated Circuits And System, McGraw-Hill, Singapore Mo Kang, Sung. Lebiebici, Yusuf. 99, CMOS Digital Integrated Circuits Analysis And Design, McGraw-Hill Inc, United States E-7