DTG2D3 ELEKTRONIKA TELEKOMUNIKASI. Rangkaian Resonator Stop Band. f 4. f 3 f 1. By : Dwi Andi Nurmantris

Transkripsi

1 DTG2D3 ELEKTRONIKA TELEKOMUNIKASI Rangkaian Resonator Penguatan( db ) 0-3 Insertion Loss Ripple Ultimate attenuation - 60 Stop Band f 3 f 1 f c f 2 Stop Band Pass Bandwidth Bandwidth ( - 60 db) f 4 Frekuensi(Hz ) By : Dwi Andi Nurmantris

2 Ruang Lingkup Materi RANGKAIAN RESONATOR Rangkaian resonator paralel (Loss less components) Resonator dengan L dan C mempunyai rugi-rugi/komponen Losses Transformator Impedansi Tujuan: Menaikkan Q dengan menaikkan Rs (atau R L ) Rangkaian Resonator paralel ganda Tujuan: Untuk memperbaiki shape faktor.

3 Fungsi Rangkaian Resonator Memilih / meloloskan sinyal pada frekuensi tertentu, meredam secara significant di luar frekuensi yang diinginkan. Jadi rangkaian resonator: Rangkaian yang dapat meloloskan frekuensi tertentu dan menghentikan frekuensi yang tidak diinginkan

4 Karakteristik Respon Ideal Rangkaian Resonator Penguatan (db) - -

5 Respon Rangkaian Resonator Praktis Penguatan( db ) 0 Insertion Loss Ripple -3 Ultimate attenuation - 60 f 3 f 1 Stop Band f c f 2 Pass Bandwidth Bandwidth ( - 60 db) f 4 Sto Ban p d Frekuensi (Hz )

6 Beberapa Definisi RANGKAIAN RESONATOR Resonansi : kondisi dimana komponen reaktansi dari suatu impendansi berharga nol pada frekuensi tertentu. Bandwidth / lebar pita : Perbedaan antara frekuensi atas dan frekuensi bawah (f 2 f 1 ), respon amplitudonya -3 db dibawah respon passband. Jadi yang diloloskan hanya diantara f 1 dan f 2, diluar frekuensi tersebut diredam secara signifikan. Faktor kualitas (Q) : parameter untuk mengukur tingkat selektivitas rangkaian. Q fc BW 3 db fc f 2 f 1

7 Beberapa Definisi RANGKAIAN RESONATOR Faktor bentuk ( Shape Factor = SF ) : Perbandingan BW 60dB (redaman besar)terhadap BW 3 db (redamankecil ) pada rangkaian resonator (seberapa miring terhadap ideal). SF BW BW 3 60dB db Ultimate Attenuation :Redaman minimum akhir yang diinginkan/dikehendaki rangkaian resonansi diluar passband. Ripple / Riak :Ukuran dari kerataan passband rangkaian resonansi yang dinyatakan dalam db. f f 2 4 f3 f 1

8 Beberapa Definisi RANGKAIAN RESONATOR Insertion Loss : loss yang ditimbulkan oleh pemasangan suatu rangkaian (komponen tidak ideal) antara sumber tegangan dan suatu beban. R S VS RL Vout = R L / (R L +R S ).V S = 0.5 V S (Misal) (tanpa C dan L) Vout = R L / (R L +R S ).V S = V S (Misal) (dengan penambahan C dan L) Tuning/ penalaan : pengaturan harga L dan C agar dapat beresonansi pada frekuensi kerjanya.

9 db/octave dan db/decade db/octave RANGKAIAN RESONATOR an octave is a doubling or halving of a frequency The distance between the frequencies 20 Hz and 40 Hz is 1 octave. Example :An amplitude of 52 db at 4 khz decreases as frequency increases at 2 db/octave, what is the amplitude at 13 khz? db/decade One decade is a factor of 10 difference between two frequency (an order of magnitude difference) measured on a logarithmic scale. The distance between the frequencies 10 Hz and 100 Hz is 1 decade. Example :An amplitude of 0 db at 4,7 MHz decreases as frequency increases at 20 db/decade, what is the amplitude at 3,2 GHz? 9 3,2 10 number of decade Log10 2,83decade 6 4,7 10 0dB 2,83decade 20dB/ decade Mag,2Ghz 56,6dB 3

10 Rangkaian resonator paralel (Loss less components)

11 Rangkaian Paralel Single-Pole BPF V s R s Switch Vo Z p Z p R s V s X C C 1 jc L X L jl Rangkaian LC parallel dapat dimodelkan sebagai ideal band pass filter, dimana : Induktor ideal Kapasitor ideal Beban dibuka / open

12 Respon Vo/Vs Jika Menggunakan C kecil dan L Besar 20.LogV 0 / V s (db) Penguatan (db) 0-3 V V o s XL X R R s dan L ( switch ke kanan ) L s V V Rs & C (switch ke kiri ) o s XC X R C s 6 db/octav Frek ( Hz) f 2 f r f 1

13 Respon Vo/Vs Jika C diperbesar dan L diperkecil 20.LogV 0 / V s (db) Penguatan Gab :Rs,L, C -3 Rs & C Rs& L V V V V o s o s X X total total X R total s X X jl C XL X 2 R R LC jl s s C L f1 f2

14 Rangkaian Resonansi Resonansi seri Resonansi parallel Z tot R jl 1 jc Frekuensi resonansi seri Frekuensi resonansi paralel

15 Rangkaian Resonator saat R L Open Saat rangkaian resonansi Xc = XL = X Paralel 1 2fL 2fC Rs X C X L Sehingga f r f c 1 2 LC Q f BW c 3dB f 2 fr f 1 R X paralel paralel Dan nilai Q R X paralel paralel Rs 2f L r 1 Rs 2f C r 2f CRs r

16 Rangkaian Resonator saat Beban Rl (< ~ ),L dan C ideal RS C L RL Rp Rs // Rl Rs Rs RL RL Vs Sehingga Q Rp Xp Rp 2frL 2frCRp C L Rp

17 Respon Rangkaian Resonator RANGKAIAN RESONATOR 0 Penguatan (db) Q = 5 Q= Q = Q = Frekuensi (F/Fr)

18 Contoh Soal 1. Suatu generator dengan R S = 50 Ώ, C dan L tanpa rugi-rugi. C= 25 pf dan L= 0,05 μ H, R L = open circuit. Tentukanlah nilai : a. fc = fr =? b. Q =? c. Bw 3dB..? 2. a. jika soal no.1 diatas nilai R S = 1000 Ω hitung nilai Q b. Jika soal 2.a diatas diberi nilai R L = 1000 Ω hitung nilai Q

19 Contoh Soal 3. Rancanglah suatu rangkaian resonator yang mempunyai spesifikasi sbb : R S = 150 Ω ; R L = 1 k Ω ; C dan L ideal Respon sbb : Penguatan ( db ) 0-3 example 2-1 RF Circuit design 48, ,25 f( M Hz )

20 Resonator dengan L dan C mempunyai rugirugi/komponen Losses

21 Kapasitor dengan Rugi-rugi RANGKAIAN RESONATOR Capacitor Equivalent Circuit C equals the capacitance, Rs, is the heat-dissipation loss Rp, is the insulation resistance, and L is the inductance of the leads and plates Power Factor In a perfect capacitor, the alternating current will lead the applied voltage by 90". This phase angle will be smaller in a real capacitor due to the total series resistance Effective Series Resistance (ESR), this resistance is the combined equivalent of Rs and Rp and is the ac resistance of a capacitor. Dissipation Factor-The DF is the ratio of ac resistance to the reactance of a capacitor Q (Quality Factor) used as a measure of the quality of the capasitor The Q of most capacitors is quite high over their useful frequency range, and the equivalent shunt resistance they present to the circuit is also quite high and can usually be neglected

22 Induktor dengan Rugi-rugi RANGKAIAN RESONATOR Inductor Equivalent Circuit L is Inductance, Rs, is the heat-dissipation loss Cd is an aggregate of the individual parasitic distributed capacitances of the coil Q (Quality Factor) used as a measure of the quality of the inductor. If the inductor were wound with a perfect conductor, its Q would be infinite and we would have a lossless inductor. Of course, there is no perfect conductor and, thus, an inductor always has some finite Q At low frequencies, the Q of an inductor is very good because the only resistance in the windings is the dc resistance of the wire-which is very small But as the frequency increases, skin effect and winding capacitance begin to degrade the quality of the inductor

23 Akibat dari komponen Losses / ada rugi-rugi komponen : Q tidak mungkin lebih besar dari Q untuk Lossless komponen Respon resonator mengalami redaman pada frekuensi resonansi Frekuensi resonansi sedikit tergeser dengan adanya Losses / rugi

24 Pengertian dan Model L dan C dengan rugi-rugi : L Ideal L L praktis dengan rugi-rugi L R Menyimpan seluruh energi dalam Medan Magnet C Ideal Ada energi yang dibuang / dilepas berupa panas di resistor C praktis dengan rugi-rugi C C R Menyimpan seluruh energi dalam Medan Listrik Ada sebagian energi yang dilepas berupa panas di resistor

25 Tingkat rugi-rugi pada L/C dinyatakan dalam factor kualitas Q Untuk L/C seri dengan R : Rseri Rs Ls Rs Cs Rs Qs 1 Xs X s 2.. f. Ls 2fCs Untuk L/C paralel dengan R : (Kadang Induktor L atau Kapasitor C dengan rugirugi juga dimodelkan sebagai rangkaian paralel dengan R-nya) X p Rparalel Rp Lp R L p 2fLp X p Cp R C p 1 2fC p Q p R X X s Rs Lp p R X Cp p

26 Konversi dari seri ke paralel ekivalennya, jika Rs dan Xs diketahui maka Xp dan Rp bisa dicari Untuk Q < 10, Untuk Q > 10, Rp X p Rs Q 2 1 Q Q s Rp Qp Q p Qp Q s R p X p X s Rs R p Q 2. Rs X p X s Seri Rs Rp Xp Xs Paralel Ekivalen Qp, Qs, Q :Faktor kualitas Komponen

27 Contoh Soal RANGKAIAN RESONATOR 1. Suatu inductor 50 nh dengan hambatan rugi-rugi yang disusun secara seri sebesar 10. Pada f = 100 MHz. Carilah besarnya L dan R baru jika ditransformasikan ke rangkaian ekivalen Paralelnya! example 2-2 RF Circuit design

28 Solusi RANGKAIAN RESONATOR

29 Rangkaian Resonator menggunakan L dan C dengan rugi-rugi R s V s L C R L R Ls R Cs

30 Rangkaian Ekivalen untuk menentukan Q (Vs short): Rs L C RL Rs Lp RLp Cp RCp RL RLs RCs Q sistem f BW c 3dB R X p p R LP X p = 2 fl p atau X p = // R X S P // R 1 2fC p L Lp C p R p

31 Perbandingan Respon LC untuk 3 kondisi: Penguatan(dB) 0 db -3dB Insertion loss Beban + Losses Component ( Praktis) Beban + Lossless Component Open circuit + Lossless Compnent (Ideal) Frekuensi (Hz)

32 Pengaruh Komponen Losses (Q komponen) terhadap insertion Loss Penambahan rangkaian resonansi dengan komponen L tidak ideal Akibatnya seolah-olah muncul impedansi paralel Rp yang mengakibatkan Insertion Loss 0,45 IL 20log 0, 9dB 0,5

33 Contoh Soal RANGKAIAN RESONATOR 1. Rancanglah rangkaian resonansi sederhana supaya menghasilkan BW3dB = 10 MHz pada frekuensi tengah 100 MHz!! Komponen yang dipakai sebagai berikut : a. Hambatan sumber dan beban masing-masing 1000, Kapasitor yang digunakan Ideal (Lossless C) b. Sedangkan Induktor mempunyai factor Q = 85 Kemudian Carilah besarnya Insertion Loss rangkaian tersebut! example 2-3 RF Circuit design

34

35 Kesimpulan RANGKAIAN RESONATOR Faktor Kualitas Q dari rangkaian resonator (Loaded Q) ditentukan oleh : Impedansi Sumber (Source Resistance) R S Impedansi Beban (Load Resistance) R L Pemilihan Besar Nilai Komponen L dan C Faktor Kualitas dari Komponen

36 Transformator Impedansi Tujuan: Menaikkan Q dengan menaikkan Rs (atau R L )

37 TRANSFORMATOR IMPEDANSI low values of source and load impedance tend to load a given resonant circuit down and, thus, tend to decrease its loaded Q and increase its bandwidth This makes it very difficult to design a simple LC high Q resonant circuit for use between two very low values of source and load resistance even if we were able to come up with a design on paper, it most likely would be impossible to build due to the extremely small (or negative) inductor values that would be required One method of getting around this potential design problem is to make use of one of the impedance transforming circuits that will fool the resonant circuit into seeing a source or load resistance that is much larger than what is actually present the impedance transforming circuits are useful for designs that need loaded Q s that are greater than 10

38 TRANSFORMATOR IMPEDANSI Tapped Capacitor Transformasi Impedansi dengan kapasitor yang di-tapped di tengah AC R S C 2 C 1 L RL Rs' Rs Rangkaian ekivalen untuk mencari Q Rs = RL transfer daya maximum R S C T L R L Rs' C T Rs 1 C C C 1 1 C C C

39 TRANSFORMATOR IMPEDANSI RANGKAIAN RESONATOR Transformasi Impedansi dengan Induktor yang ditapped AC R S n 1 n 2 C R L Rangkaian ekivalennya R S C L T R L Rs' Rs n n 2 1 2

40 Contoh Soal Rancang suatu Resonator dengan spesifikasi sbb: Q = 20 pada fc = 100 MHz Rs = 50 ohm, R L = 2000 ohm Gunakan rangkaian transformasi impedansi C tapped dengan asumsi Q L = 100 pada 100 MHz example 2-4 RF Circuit design

41

42 Rangkaian Resonator paralel ganda (Coupling Mechanism)

43 Rangkaian Resonator Paralel Ganda In many applications where steep passband skirts and small shape factors are needed, a single resonant circuit might not be sufficient In situations such as this, individual resonant circuits are often coupled together to produce more attenuation at certain frequencies than would normally be available with a single resonator, that s called Coupling Mechanism of Resonant Circuit The most common forms of coupling are: Capacitive Coupling Inductive Coupling transformer (mutual) Coupling active (transistor) coupling The coupling mechanism that is used is generally chosen specifically for each application, as each type of coupling has its own peculiar characteristics that must be dealt with.

44 Respon Resonator ganda RANGKAIAN RESONATOR Penguatan 0 db -3 db Resonator tunggal [Q a] Resonator ganda [ Q tot ] - 60 db f 1 f 1 ' ' f R f 2 f 2 f Pada Q total kondisi critical coupling Q ganda 0,707 Q a

45 Capacitive Coupling AC R S C12 L C L C R L Advantages : Simplicity and Inexpensive Resonator 1 Resonator 2 C12 C Qa Qa Q awal Q single Q a = faktor kualitas rangkaian single resonator

46 Inductive Coupling RANGKAIAN RESONATOR AC R S L C L C R L L 12 L 12 Q a L Q a Q awal Q single Qa = faktor kualitas rangkaian single resonator

47 Active Coupling +8V High Loaded Q/ Very Narrow bandwidth 3dB Q 1 : faktor kualitas resonator tunggal L V IN C L C L C n : banyaknya rangkaian resonator kaskade Q akhir Q total 2 Q 1 1 n 1

48 Contoh Soal: example 2-5 RF Circuit design Desainlah suatu rangkaian resonator yang terdiri dari 2 buah resonator identik yang dihubungkan seri dengan kopling induktor (diset pada kondisi critical coupling), sehingga terpenuhi spesifikasi sbb: fc = 75 MHz ; BW 3dB = 3,75 MHz ; Rs = 100 ohm R L = 1000 ohm ; Asumsikan Q L = 85 pada fc Terakhir gunakan transformasi impedansi C yang di tapped (di sumber) untuk menaikkan Q! AC L R 12 S C 2 RL C 1 L C L

49

50

51