BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Pertumbuhan industri komunikasi pada beberapa dekade di abad ini telah mengalami peningkatan yang luar biasa [1]. Meningkatnya permintaan sistem komunikasi nirkabel menyebabkan meningkatnya produsen telekomunikasi tersebut. Dengan meningkatnya jumlah produsen maka persaingan menjadi semakin kompetitif dan masing-masing produsen menawarkan berbagai macam keunggulan. Keunggulan yang sering ditawarkan adalah ukuran kecil, hemat daya, dan harga yang murah. Peralatan komunikasi yang ahir-ahir ini mengalami peningkatan adalah peralatan yang dapat bekerja pada pita ISM ( Industrial, Scientifict, and Medical) yaitu 902MHz 928MHz, 2,4GHz 2,5GHz, dan 5,725GHz 5,875GHz [2]. Pada sistem komunikasi osilator adalah bagian penting. Osilator berfungsi untuk menghasilkan gelombang pembawa. Gelombang pembawa dimodulasi dengan gelombang informasi agar informasi dapat terpancar dengan jarak yang jauh. Osilator hemat daya dapat meningkatkan kompetitif suatu sistem komunikasi nirkabel. Osilator cincin adalah osilator yang hemat daya dan mempunyai kanal yang lebar. Osilator cincin tersusun atas beberapa tahapan. Pada setiap tahapan terdapat sebuah penguat dan komponen utama sebuah penguat adalah MOSFET. Sirkuit MOSFET yang berukuran dan berdaya rendah sering diidentikkan dengan performa yang buruk, oleh sebab itu perhatian lebih ditujukan pada delay power dan speed power [3]. Topologi osilator yang hemat daya merupakan keunggulan dari osilator cincin. Osilator cincin juga sudah menjadi dasar dari perancangan beberapa rangkaian digital dan sistem komunikasi [4]. Salah satu keunggulan osilator cincin adalah tidak memerlukan induktor yang memerlukan area luas pada substrat silikon dan biasanya mengurangi performa dari LC tank resonator [5]. Murah, hemat daya dan mudah digunakan merupakan alasan kuat
tersebarnya penggunaan osilator cincin dibidang RFID, clock generation subsystem, dan biomedik [6]. Osilator cincin tersusun atas beberapa penguat. Penguat yang mempunyai keunggulan dibidang penghematan daya adalah penguat keluaran tunggal [7]. Dengan keunggulan hemat daya, osilator cincin berpenguat keluaran tunggal banyak dikembangkan oleh peneliti - peneliti. Untuk memperoleh penghematan daya secara maksimal, topologi adalah hal yang pertama kali dipertimbangkan. Untuk memperoleh konsumsi tegangan yang kecil, amplifier harus dirancang sesimpel mungkin [3]. Pertimbangan berikutnya adalah beban yang digunakan. Beban pada penguat berfungsi untuk menentukan nilai penguatan dan pengatur arus. Beban yang umum digunakan adalah resistor akan tetapi, dalam teknologi CMOS resistor sulit diimplementasikan [8]. Komponen pengganti resistor yang dapat mengatur arus dan dapat difungsikan sebagai beban serta dapat terintegrasi dalam VLSI ( Very Large Scale Integrated circuit) adalah CMOS. Penggunaan CMOS sebagai beban pada penguat keluaran tunggal mempunyai keuntungan diantaranya dapat diintegrasikan pada sistem VLSI, tegangan ayun yang maksimal, dan penguatan yang tinggi. Medium yang kecil merupakan aspek yang diperhatikan pada perancangan peralatan komunikasi. Osilator cincin sangat memungkinkan untuk mencapai ukuran yang kecil. Osilator cincin lebih dipilih daripada osilator LC karena rentang tala yang lebih lebar dan ukuran luas area yang lebih kecil sehingga lebih mudah diintegrasikan kedalam sistem chip pada teknologi VLSI [9][10][11]. Hal tersebut karena pembuatan komponen pasif pada sistem chip membutuhkan area yang luas sehingga kurang cocok jika digunakan untuk pembuatan alat komunikasi yang mempertimbangkan ukuran dari alat tersebut. Osilator cincin dengan penguat keluaran tunggal mempunyai keunggulan ukuran yang kecil. Hal tersebut karena penguat keluaran tunggal membutuhkan sedikit MOSFET. Dengan sedikit komponen yang diintegrasikan pada sistem chip maka ukurannya menjadi lebih kecil. Frekuensi ISM mempunyai beberapa kanal. Untuk menjangkau beberapa kanal tersebut osilator harus mempunyai rentang tala yang cukup lebar. Osilator
cincin dapat diandalkan karena mempunyai rentang tala yang lebar. Osilator cincin berpenguat keluaran tunggal dengan beban CMOS complementary mempunyai rentang tala yang lebih lebar dibandingkan dengan beban resistor, diode connected maupun CMOS current source. Oleh karena itu topologi osilator cincin berpenguat keluaran tunggal dengan beban CMOS complementary digunakan untuk perancangan peralatan komunikasi ISM [2][12][13]. Rentang tala lebar namun berdaya kecil dan komponen yang sedikit menimbulkan beberapa konsekuensi. Penggunaan penguat keluaran tunggal mempunyai konsekuensi bentuk gelombang keluaran yang buruk pada frekuensi berorde Giga Hertz dan beda fasa yang buruk pada awal proses osilasinya selain itu penguat keluaran tunggal kurang handal menahan gangguan. Osilator cincin berpenguat beda dengan beban CMOS mempunyai ketahanan lebih terhadap gangguan dibandingkan dengan penguat keluaran tunggal [8][14]. Osilator cincin berpenguat beda dengan beban CMOS complementary dipekerjakan pada penelitian ini. Penguat beda dengan beban CMOS complementary mempunyai beberapa keunggulan dibandingkan dengan topologi penguat beda yang lain. Penguat beda beban CMOS complementary mempunyai tegangan keluaran ayun yang terbesar jika dibandingkan dengan penguat beda dengan beban resistor, diode connected, dan CMOS sumber arus. Selain itu, osilator dengan penguat beda beban CMOS complementary menghasilkan keluaran frekuensi yang tertinggi. Penguatan penguat ini juga yang tertinggi sehingga untuk mencapai penguatan tertentu, medium MOSFET yang digunakan lebih kecil dibandingkan dengan topologi lainnya. Beberapa keunggulan tersebut mendukung perancangan osilator yang hemat daya. Untuk penghematan daya lebih optimal, MOSFET model level 54 digunakan karena hanya memerlukan tegangan minimal 1 V. Selain itu panjang kanal minimal pada model ini adalah 50 nm. Semakin pendek lebar kanal semakin tinggi frekuensi yang dapat dicapainya. Hal tersebut telah dibahas oleh Pangavhane S.M. [12]. Selain itu meningkatkan ukuran MOSFET dapat menambah kapasitas kapasitor load [15] yang berakibat pada lamanya pengisian dan pengosongannya sehingga
frekuensi menurun. Pencapaian frekuensi yang tinggi dengan daya rendah dan medium kecil tentu memiliki dampak negatif pada keluarannya. Walaupun tegangan keluaran ayunnya tinggi, kesetabilan tinggi ayunannya rendah. Hal tersebut diikuti dengan tidak stabilnya arus yang melewati penguat pada setiap tahapannya. Ketidak stabilan arus dan tegangan menyebabkan ketidak stabilan frekuensi yang dihasilkan. Terlebih kesetabilan arus pada awal osilasi. Overshoot arus pada awal osilasi menyebabkan bentuk geombang tidak stabil. Untuk mengatasi hal terebut, cermin arus dipekerjakan untuk membatasi arus yang melewati penguat. Selain itu cermin arus dapat digunakan sebagai pengontrol arus yang berpengaruh pada keluaran frekuensi. Pengontrolan arus pada cermin arus melibatkan tegangan bias sehingga perancangan cermin arus yang mempunyai linieritas antara arus dan tegangan merupakan suatu hal yang penting. Kestabilan arus merupakan hal yang menjadi hal yang penting pada penelitian ini karena arus sangat berpengaruh pada kesetabilan frekuensi dan beda fasa antara kedua keluaran pada penguat beda. Dari penjabaran diatas maka, penulis memutuskan untuk mengambil judul Osilator Cincin Berpenguat Beda yang Berdaya Rendah dengan Cermin Arus Sebagai Pengatur Frekuensi yang Bekerja pada Pita ISM. 1.2. Perumusan masalah Konsumsi daya rendah, ukuran chip kecil, bekerja pada pita frekuensi ISM merupakan tantangan dibidang IC design. Memperkecil daya berakibat pada menurunnya frekuensi dan rentang tala yang dapat dicapai. Sedangkan memperkecil ukuran, berakibat buruk pada kesetabilan tegangan ayun dan frekuensi. Untuk itu, pada penelitian ini akan dicari solusi agar dengan daya yang rendah dan ukuran yang kecil dapat mencakup rentang tala ISM serta mendapatkan kestabilan tegangan ayun dan frekuensi keluaran. 1.3. Keaslian penelitian Peneliti terdahulu merancang osilator dengan topologi penguat keluaran tunggal. Topologi tersebut menggunakan resistor sebagai beban dan sumber arus
[16]. Penggunaan resistor sebagai beban menghasilkan bentuk keluaran gelombang yang simetris, tegangan ayun stabil, dan penguatan yang tinggi. Namun, penguat keluaran tunggal dengan beban resistor mempunyai kelemahan yaitu tegangan keluaran yang dihasilkan kecil serta resistor tidak dapat diimplementasikan pada sistem VLSI [8]. Untuk memperoleh penguatan yang tinggi dan dapat dijadikan sebagai sumber arus maka, resistor diganti dengan menggunakan CMOS yang difungsikan sebagai diode connected [17]. Penggantian resistor dengan diode connected mempunyai kelebihan yaitu dapat diintegrasikan pada sistem VLSI. Akan tetapi tegangan keluarannya dianggap kurang maksimal karena diode connected memerlukan tegangan kerja sebesar. Beban pengganti agar tegangan keluaran lebih maksimal dibandingkan dengan diode connected adalah dengan cara mengganti beban resistor dengan beban CMOS kanal P yang dipekerjakan pada daerah triode. keuntungan dari pengantian tersebut adalah tegangan triode pada beban CMOS kanal P mengkonsumsi tegangan kerja lebih rendah dibanding dengan tegangan kerja menggunakan diode connected [8], sehingga tegangan ayun keluaran menjadi lebih tinggi. Beban dengan CMOS kanal P mempunyai tegangan keluaran yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan diode connected, namun dengan topologi tersebut sulit untuk mencapai frekuensi tinggi, maka untuk mencapai frekuensi tinggi dengan tegangan keluaran maksimal peneliti berikutnya menggunakan penguat keluaran tunggal dengan complementary CMOS sebagai beban [2]. Arus sangat berpengaruh pada frekuensi. Pada osilator cincin berpenguat keluaran tunggal dengan complementary CMOS sebagai bebannya, arus pada awalan proses osilasi mengalami kenaikan sehingga mempengaruhi bentuk gelombang. Bentuk gelombang tidak simetis karena tinggi amplitudo tidak stabil. Selain itu ketahanan terhadap gangguan pada penguat keluaran tunggal tidak terlalu baik.. Ketahanan Osilator cincin penguat keluaran tunggal beban complementary
CMOS terhadap gangguan lebih lemah dibanding dengan osilator cincin penguat keluaran beda beban complementary CMOS [14]. Namun osilator cincin dengan penguat keluaran tunggal atau penguat beda beban complementary CMOS mempunyai masalah yang sama yaitu kenaikan arus secara tiba tiba dalam tempo singkat (overshoot). Untuk menjaga kestabilan arus saat permulaan, cermin arus dapat digunakan untuk meredam overshooting arus, rangkaian cermin arus yang dibahas pada [15][6][18] menggunakan MOSFET kanal P yang difungsikan sebagai diode connected untuk merefleksikan arus ke penguat, serta MOSFET kanal n sebagai pengatur arus yang melalui cermin arus. Topologi tersebut dapat mengurangi overshoot pada awalan osilasi. Topologi cermin arus untuk mengatasi arus yang overshoot dengan mempekerjakan tiga MOSFET yaitu MOSFET kanal n dan p yang difungsikan sebagai diode connected dan satu MOSFET kanal n yang difungsikan sebagai pengatur laju arus pada rangkaian cermin arus telah dibahas oleh G. Jovanovic [4]. Topologi tersebut disebut current starved. Performa terbaik current starved adalah current starved dengan jenis output switching. Dalam hal ketahanan terhadap phase noise, current starved output switching merupakan jenis current starved yang terbaik [4]. Dengan merujuk pada peneliti-peneliti sebelumnya, maka penulis akan merancang osilator yang tersusun dari tiga tahap penguat beda berbeban complementary CMOS yang mempekerjakan cermin arus sebagai pengatur frekuensi dengan tegangan kerja 1 V. Model MOSFET yang digunakan adalah level 54 karena model tersebut hanya memerlukan tegangan sumber 1 V dan panjang kanal minimal 50 nm. Seperti yang telah dibahas oleh Pangavhane S.M. [12], semakin pendek kanal maka semakin tinggi frekuensi yang dapat raih serta pencapaian efisiensi daya menjadi maksimal. 1.4. Tujuan Penelitian 1. Merancang osilator cincin berbasis penguat beda yang bekerja pada pita ISM. 2. Merancang osilator cincin berdaya rendah yang dapat bekerja pada pita ISM.
3. Memperbaiki bentuk gelombang keluaran dari osilator cincin dengan penguat beda berbeban complementary CMOS. 1.5. Hasil yang diharapkan 1. Dari hasil simulasi diperoleh osilator berbasis penguat beda berbeban CMOS complementary dengan konsumsi daya yang rendah dan bekerja pada kanal ISM. 2. Berdasarkan simulasi diketahui topologi yang dapat menghasilkan keluaran ayun yang tertinggi pada penguat keluaran tunggal dan penguat beda. 3. Memperoleh rangkaian pembatas arus pada penguat beda beban CMOS complementary dengan memanfaatkan cermin arus. 4. Diperoleh rangkaian yang dapat menstabilkan beda fasa keluaran pada penguat beda beban CMOS complementary. 5. Dari hasil simulasi diperoleh bukti bahwa cermin arus yang diterapkan pada osilator penguat beda beban CMOS complementary dapat memperkecil harmonis. 6. Memperoleh cara untuk menyamakan arus yang masuk dan keluar pada penguat beda beban CMOS complementary.