Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Penguataudio Kelas D Tanpatapis LC dengan Modulasi Tigaaras

PENGUAT PENGUAT PENGUAT

PENGUATAUDIOAUDIOAUDIOAUDIO KELASKELASKELASKELAS DDDD TANPATANPA TAPISTANPATANPATAPISTAPISTAPIS LCLCLCLC DENGANDENGANDENGANDENGAN MODULASI

MODULASI MODULASI

MODULASI TIGATIGATIGATIGAARASARASARASARAS

oleh Suryo Santoso

NIM : 612007021

Skripsi

Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer

Universitas Kristen Satya Wacana

INTISARI INTISARI INTISARI 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.

ABSTRACT ABSTRACT ABSTRACT 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.

KATA

KATAKATAKATA PENGANTARPENGANTARPENGANTARPENGANTAR

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!

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

DAFTAR DAFTAR DAFTAR DAFTAR ISIISIISIISI

INTISARI ... i

ABSTRACT...ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI...v

DAFTAR GAMBAR... viii

DAFTAR TABEL... xii

DAFTAR SIMBOL...xiii

BAB I PENDAHULUAN...1

1.1. Latar Belakang Masalah... 1

1.2. Spesifikasi Perancangan Penguat Kelas D Tanpa TapisLC... 5

1.3. Sistematika Penulisan... 5

BAB II DASAR TEORI... 7

2.1. Modulator pada Penguat Kelas D... 8

2.1.1. Modulasi Lebar Pulsa (PWM) dan Modulasi Rapat Pulsa (PDM)... 9

2.1.2.Sigma Delta Modulation(SDM)... 11

2.1.2.1.Pulse Code Modulation(PCM)... 12

2.1.2.2. Pemodelan Secara Linear Modulasi Sigma Delta...15

2.1.3. Noise-Shaping Coding...19

2.2. Tingkat Daya dengan MOSFET... 22

2.2.1. Konsep MOSFET...22

BAB III PERANCANGAN PENGUAT KELAS D TANPA TAPIS LC PADA BAGIAN

KELUARAN DENGAN MODULASI TIGA ARAS...26

3.1. PerancanganLoop FilterG(s) pada Teknik PenyandianNoise-Shaping...28

3.2. Perancangan Bagian Pengkuantisasi...36

3.2.1. Perancangan Komparator dan DFF... 38

3.2.2. PerancanganSwitching LogicdanPre-Drive...40

3.2.2.1.Switching Logic...40

3.2.2.2. RangkaianPre-Drive... 42

3.2.3. Perancangan Bagian Tingkat Daya dengan MOSFET... 44

3.2.4. Gambaran Perancangan Secara Keseluruhan... 46

BAB IV PENGUJIAN PENGUAT KELAS D TANPA TAPIS LC...48

4.1. Pengujian Kinerja Modulator...48

4.1.1. Pengujian Tanggapan Frekuensi NTF dan STF...49

4.1.1.1. Pengujian Tanggapan Frekuensi NTF...49

4.1.1.2. Pengujian Tanggapan Frekuensi STF... 50

4.1.2. Pengujian Kestabilan Modulator...53

4.1.3. Pengujian Pembentukan Derau (Noise-Shaping) yang Terjadi pada Bagian Keluaran Penguat...56

4.2. Pengujian Kinerja Keseluruhan Penguat... 58

4.2.1. Pengukuran Daya Keluaran Maksimum...58

4.2.2. Pengukuran THD...60

4.2.3. Pengukuran Tanggapan Frekuensi...62

4.2.5. PengukuranSignal to Noise Ratio(SNR)... 67

4.2.6. Pengukuran Efisiensi Penguat Kelas D Tanpa Tapis LC...68

BAB V PENUTUP...71

5.1. Kesimpulan... 71

5.2. Saran Pengembangan...72

DAFTAR PUSTAKA ...73

DAFTAR DAFTAR

DAFTARDAFTAR GAMBARGAMBARGAMBARGAMBAR

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 KotakNoise Transfer Function Diagram KotakSignal Transfer Function

Spektrum Isyarat Keluaran Modulator dengan Derau yang Telah Dibentuk pada Frekuensi Tinggi

Noise-Shapingpada SDM untuk Orde 1, 2 dan 3 Diagram KotakNoise-Shaping Coding

Tapis padaNoise-Shaping Coding

Karakteristik Ideal − MOSFET Saluran-n Tipe Peningkatan KonfigurasiHalf Bridge

KonfigurasiFull Bridge

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 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

Kondisi MOSFET padaFull BridgeMOSFET ketika Ada Aliran Arus pada Penyuara

Kondisi MOSFET padaFull BridgeMOSFET 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 BentukObserver Canonicaldengan Rangkaian RC-Opamp Rangkaian dari Tapis yang Dirancang

Rangkaian untuk Mensimulasikan Tanggapan Frekuensi dan

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 RangkaianSwitching Logic

MOSFET yang Dikonfigurasikan Jembatan Penuh

RangkaianTotem Poledengan Transistor Sebagai Rangkaian Pre-Drive

Kondisi MOSFET ketika Keluarannya adalah ’1’

Diagram Kotak Perancangan Penguat Kelas D Keseluruhan

Gambar 4.1 Gambar 4.2 Gambar 4.3 Gambar 4.4 Gambar 4.5 Gambar 4.6 Gambar 4.7 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 Tanggapan Frekuensi NTF Hasil Pengujian TanggapanFrekuensi NTF Gambaran Pengujian Tanggapan Frekuensi STF Hasil Pengujian Tanggapan Frekuensi STF Ilustrasi Keterbatasan Isyarat

Pengujian Isyarat pada Keseluruhan Penguat Kelas D yang Telah Dibuat

Keterbatasan Isyarat yang Diamati dengan Osiloskop

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 UntaiActive Baxandall Tone Control

Bagian FrekuensiBassUntaiActive Baxandall Tone Control Bagian FrekuensiTrebleUntaiActive Baxandall Tone Control

49 50 51 53 54 55 55 56 57 58 59 59 62 64 64 66 67 69 75 75 76

Gambar A.5 Tanggapan UntaiTone Control Baxandallyang 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

Dirancang dan Dibuat

81

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

DAFTAR

DAFTARDAFTARDAFTAR TABELTABELTABELTABEL

Tabel 2.1 Kondisi Tiap MOSFET pada Konfigurasi Full Bridge dan Keluarannya

25

Tabel 3.1 Tabel Kondisi Masukan dan Keluaran Bagian Pengkuantisasi 37 Tabel 3.2 Kondisi Isyarat , dan Kondisi Tiap MOSFET Beserta

Keluarannya

40

DAFTAR

DAFTARDAFTARDAFTAR SIMBOLSIMBOLSIMBOLSIMBOL

= jarak aras kuantisasi (quantization step)

N = banyak bit keluaran pada pengkuantisasi

Q(x) = keluaran pengkuantisasi denganxadalah 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 dariloop filterpada modulasi sigma delta = periode dari frekuensi cuplik

W(s) =loop filterpada modulasi sigma delta G(s) =loop filterpadanoise-shaping coding

e(t) = isyarat error yang telah ditapis oleh tapisW(s)

Ig = arus gerbang yang dibutuhkan MOSFET pada proses

pensaklaran (Ampere)

Qg = total muatan gerbang MOSFET

DAFTAR DAFTAR

DAFTARDAFTAR SINGKATANSINGKATANSINGKATANSINGKATAN