MODULASI TIGA ARAS. oleh Suryo Santoso

Transkripsi

1 PENGUAT AUDIO KELAS D TANPA TAPIS LC DENGAN MODULASI TIGA ARAS oleh Suryo Santoso NIM : 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

2

3

4 INTISARI 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%.

5 ABSTRACT 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 = db, frequency response 20 Hz - 20 khz with a tolerance of 0,5 db and the efficiency of the amplifier is 65.03%.

6 KATA PENGANTAR 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 yang telah menjadi bagian dari kehidupan penulis selama di elektro yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu. Terimakasih!

7 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

8 DAFTAR ISI INTISARI... i ABSTRACT...ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI...v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... xii DAFTAR SIMBOL...xiii BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang Masalah Spesifikasi Perancangan Penguat Kelas D Tanpa TapisLC Sistematika Penulisan... 5 BAB II DASAR TEORI Modulator pada Penguat Kelas D Modulasi Lebar Pulsa (PWM) dan Modulasi Rapat Pulsa (PDM) Sigma Delta Modulation (SDM) Pulse Code Modulation (PCM) Pemodelan Secara Linear Modulasi Sigma Delta Noise-Shaping Coding Tingkat Daya dengan MOSFET Konsep MOSFET MOSFET konfigurasi Jembatan Penuh (Full Bridge)...24

9 BAB III PERANCANGAN PENGUAT KELAS D TANPA TAPIS LC PADA BAGIAN KELUARAN DENGAN MODULASI TIGA ARAS Perancangan Loop Filter G(s) pada Teknik Penyandian Noise-Shaping Perancangan Bagian Pengkuantisasi Perancangan Komparator dan DFF Perancangan Switching Logic dan Pre-Drive Switching Logic Rangkaian Pre-Drive Perancangan Bagian Tingkat Daya dengan MOSFET Gambaran Perancangan Secara Keseluruhan BAB IV PENGUJIAN PENGUAT KELAS D TANPA TAPIS LC Pengujian Kinerja Modulator Pengujian Tanggapan Frekuensi NTF dan STF Pengujian Tanggapan Frekuensi NTF Pengujian Tanggapan Frekuensi STF Pengujian Kestabilan Modulator Pengujian Pembentukan Derau (Noise-Shaping) yang Terjadi pada Bagian Keluaran Penguat Pengujian Kinerja Keseluruhan Penguat Pengukuran Daya Keluaran Maksimum Pengukuran THD Pengukuran Tanggapan Frekuensi Pengukuran Kepekaan Penguat... 66

10 Pengukuran Signal to Noise Ratio (SNR) Pengukuran Efisiensi Penguat Kelas D Tanpa Tapis LC...68 BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran Pengembangan...72 DAFTAR PUSTAKA...73 LAMPIRAN...75

11 DAFTAR GAMBAR 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 SDM Menggunakan 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

12 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 Kondisi MOSFET pada Full Bridge MOSFET ketika Ada Aliran Arus pada Penyuara Kondisi MOSFET pada Full Bridge MOSFET 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 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 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

13 Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.5 Gambaran Pengujian Tanggapan Frekuensi NTF Hasil Pengujian TanggapanFrekuensi NTF Gambaran Pengujian Tanggapan Frekuensi STF Hasil Pengujian Tanggapan Frekuensi STF Ilustrasi Keterbatasan Isyarat Gambar 4.6 Pengujian Isyarat pada Keseluruhan Penguat Kelas D yang Telah 55 Dibuat Gambar 4.7 Keterbatasan Isyarat yang Diamati dengan Osiloskop 55 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 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 Gambar A.4 Untai Tone Control Baxandall Keseluruhan 78

14 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 81 Dirancang dan Dibuat 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

15 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Kondisi Tiap MOSFET pada Konfigurasi Full Bridge dan 25 Keluarannya Tabel 3.1 Tabel Kondisi Masukan dan Keluaran Bagian Pengkuantisasi 37 Tabel 3.2 Kondisi Isyarat, dan Kondisi Tiap MOSFET Beserta 40 Keluarannya Tabel 3.3 Tabel Logika Keluaran Switching Logic 42

16 DAFTAR SIMBOL = 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 tapis W(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

17 DAFTAR SINGKATAN PWM PDM SDM PCM NTF STF Pulse Width Modulation Pulse Density Modulation Sigma Delta Modulation Pulse Code Modulation Noise Transfer Function Signal Transfer Function