IMPLEMENTASI OSILATOR FREKUENSI TINGGI DENGAN KONFIGURASI COLPITT, HARTLEY DAN CLAPP

Tugas Akhir

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Elektro

Disusun oleh :

Nama : Yulianus Futunanembun

NIM : 015114059

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2007

A Final Project

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements To Obtain the Sarjana Teknik Degree

In Electrical Engineering Study Program

By:

Name : Yulianus Futunanembun

Student Number: 015114059

ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

FACULTY OF SIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2007

Kupersembahkan karya tulis ini kepada :

Tuhan Yesus Kristus,

Bapa Antonius Futunanembun dan mama Yosefita Samponu,

Ade-adeku Helni, Koni dan Inra, Nene koleta,

Kaka Ren, usi Au, Intan, Ika, Maria,

Almamaterku Teknik Elektro USD

”Takut akan Tuhan adalah Permulaan Pengetahuan”

(Amsal 1:7a)

”Kamu tidak akan bisa memecahkan permasalahan, Jika kamu sudah percaya

bahwa tidak bisa melakukannya”

gelombang kotak, osilator gelombang segi tiga dan osilator gigi gergaji. Sedangkan beberapa jenis osilator sinus antara lain osilator Colpitt, osilator Hartley, osilator Clapp, osilator geser fase dan osilator kristal. Tujuan tugas akhir ini adalah membuat dan membandingkan unjuk kerja dari osilator sinus yang menggunakan konfigurasi Colpitt, Hartley dan Clapp.

Pada tugas akhir ini, osilator dirancang untuk menghasilkan gelombang sinus dengan frekuensi 50 MHz. Jenis penguat yang digunakan adalah penguat kelas A dengan konfigurasi Common Emmiter. Komponen aktif yang digunakan adalah transistor.

Berdasarkan percobaan dan pengamatan terhadap besar frekuensi Output, besar amplitudo sinyal output, bentuk sinyal Output, spektrum frekuensi, dan perubahan bias DC, disimpulkan bahwa osilator Clapp merupakan osilator yang mempunyai unjuk kerja terbaik.

Kata kunci : Osilator, Colpitt, Hartley, Clapp, osilator sinus.

square wave oscillator, triangle wave oscillator and saw tooth oscillator. Some of sinusoidal oscillator are Colpitt oscillator, Hartley oscillator, Clapp oscillator, crystal oscillator, and phase shift oscillator. This final project goals are making and comparing the performance of sinusoidal oscillator with Colpitt, Hartley, and Clapp configuration.

In this final project, oscillator is designed to produce sinusoidal wave with frequency of 50 MHz. The type of amplifier that is used is A class amplifier with common emitter configuration. The active component that is used is transistor.

Based on experiment and observation of output frequency, output wave form, frequency spectrum and the change of DC bias, it is concluded that Clapp oscillator is the oscillator that has the best performance.

Keyword: Oscillator, Colpitt, Hartley, Clapp, Sinusoidal oscillator.

dan karunia-Nya sehingga tugas akhir dengan judul “Implementasi Osilator Frekuensi Tinggi Dengan Konfigurasi Colpitt, Hartley Dan Clapp” ini dapat diselesaikan dengan baik.

Penulis menyadari bahwa ada banyak pihak yang membantuan sehingga penulisan tugas akhir ini bisa diselesaikan. Oleh karena itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:

1. Romo Ir. Greg. Heliarko, SJ., B.ST., MA., M.Sc, selaku dekan fakultas Sains Dan Teknologi.

2. Bapak Martanto S.T., M.T. selaku dosen pembimbing I yang telah dengan sabar membimbing, memberi semangat yang membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.

3. Bapak Damar Wijaya, S.T., M.T., selaku dosen pembimbing II atas segala saran kepada penulis dalam menyelesaikan tulisan ini.

4. Kedua orang tua penulis, bapa Antonius Futunanembun dan mama Yosefita samponu yang selalu memberikan dukungan, semagnat dan doa sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini.

5. Kaka Ren dan Usi Au, Ade-adeku Helni, Koni dan Inra, keponakanku yang nakal-nakal dan cantik-cantik Intan, Ika dan Maria, dan nene Koleta untuk doa, dukungan dan pengertiannya.

Morris, Frankie, Rikard.

8. Teman-teman kos wisma adi dua Thomas, Agus, Edvan, Cen, Teguh, Ucok, Ipik, Bowo, Andi dan Nano atas candaan dan kebersamaannya.

9. Semua saudaraku Lewen, Inri, Mas Jais, Muhamad Petrus, Kadek Heri, Emi, Leni, Lili, Lia dan Peter atat dukungannya.

10.Sahabat-sahabat ku Morris, Titi dan Cindy, Anel, Tommi, Wiwit, moko, Dian Nusantara FC, Anilop LC atas dukungan dan kebersamaannya.

11.teman-teman kos wisma adi dua yang sudah lulu Lijun, Koko, Kris, Samsul, Anderson, Leo dan Agus atas inspirasinya.

12.Berbagai pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu atas bantuan, bimbingan, kritik dan saran.

Dengan rendah hati penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu berbagai kritik dan saran untuk perbaikan tugas akhir ini sangat diharapkan. Akhir kata, semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak. Terima kasih.

TITLE PAGE...……… ……… ..…… ..ii

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIBING...………...……… … ..…iii

HALAMAN PENGESAHAN…… ………...………. … ..…iv

HALAMAN PERSEMBAHAN... ………...……… … ....…v

HALAMAN MOTO... ………...……… … ...vi

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA…………...……… …...……..vii

INTISARI………..………. ….viii

ABSTRACT………....……ix

KATA PENGANTAR...x

DAFTAR ISI ………...…..xii

DAFTAR TABEL………..xv

DAFTAR GAMBAR……… ………..xvi

BAB I PENDAHULUAN………..……….………… .. ……1

1.1 Latar Belakang dan Permasalahan ………...………… ...…..1

1.2 Batasan Masalah dan Spesifikasi Alat ………2

1.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian……... ………2

1.4 Metode Penelitian ………3

1.5 Sistematika Penulisan………. ……….……3

2.1.2 Kriteria Barkhausen…………...……….7

2.2 Rangkaian Feedback ...…… ………...………… ...…..9

2.3 Rangkaian Tala……… ………..10

2.3.1 Rangkaian Tala Seri…………...………...10

2.3.2 Rangkaian Tala Paralel...……...………...13

2.4 Penguat Kelas A…..………... ………...15

2.5 Osilator Colpitt..…..………... ………...19

2.6 Osilator Hartley.…..………... ………...21

2.7 Osilator Clapp...…..………... ………...23

2.8 Kapasitansi Sambungan..……... ………...………...25

2.9 Stabilitas Frekuensi Osilator ..……... ………...26

BAB III PERANCANGAN ALAT……….………… .. …..28

3.1 Perancangan Osilator Colpitt.………...28

3.1.1 Merancang Frekuensi Resonansi..………...28

3.1.2 Merancang Penguat...………...29

3.2 Perancangan Osilator Hartley.………...34

3.2.1 Merancang Frekuensi Resonansi..………...35

3.2.2 Merancang Penguat...………...36

3.3 Perancangan Osilator Clapp.………...………...43

BAB IV PENGAMATAN DAN PEMBAHASAN…..…….………… .. …...…47

4.1 Nilai DC dan AC ...………...……..48

4.1.1 Osilator Colpitt………..………...….48

4.1.2 Osilator Hartley………..………...…51

4.1.3 Osilator Clapp..………..……….……52

4.2 Pengamatan Sinyal Output……….………...…….54

4.3 Pengamatan Terhadap Perubahan Bias DC...….………...…….57

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN…………..…..…….………… .. …...…59

5.1 Kesimpulan……….……….………...…..….59

5.2 Saran………...……….………...……..60

DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN

Tabel 3-2 Spesifikasi osilator Hartley ………...…...………… ...…..33 Tabel 3-3 Spesifikasi osilator Clapp…...………...………… ...…..39 Tabel 4-1 Nilai DC dan AC berdasar perancangan, pengukuran dan analisis..…48 Tabel 4-2 Data sinyal output osilator ………...……55 Tabel 4-3 Pengamatan terhadap perubahan bias DC...57

Gambar 2-2 Prinsip dasar osilator... ………...…...………… ...…..6

Gambar 2-3 Umpan balik positif yang menghasilkan osilasi...………… ...…..7

Gambar 2-4 Vo jika AB < 1...7

Gambar 2-5 Vo jika AB > 1...8

Gambar 2-6 Vo jika AB = 1...8

Gambar 2-7 Rangkaian feedback tipe T...9

Gambar 2-8 Rangkaian feedback tipe Pi...10

Gambar 2-9 Rangkaian tala seri...11

Gambar 2-10 Rangkaian tala paralel...13

Gambar 2-11 Penguat kelas A...15

Gambar 2-12 Garis beban dan titiki kerja transistor pada penguat kelas A...18

Gambar 2-13 Rangkaian osilator Colpitt...19

Gambar 2-14 Rangkaian osilator Hartley...21

Gambar 2-15 Rangkaian osilatorClapp...24

Gambar 3-1 Garis beban dan titik kerja penguat pada osilator Colpitt...31

Gambar 3-2 Rangkaian lengkap osilator Collpitt...32

Gambar 3-3 Garis beban dan titik kerja penguat pada osilator Hartley...37

Gambar 3-4 Rangkaian lengkap osilator Hartley...38

Gambar 3-5 Garis beban dan titik kerja penguat pada osilator Clapp...44

Gambar 3-6 Rangkaian lengkap osilator Clapp...44

Gambar 4-4 Spektrum frekuensi osiolator Clapp ...54

1.1 Latar Belakang dan Permasalahan

Prinsip komunikasi radio yaitu mentransmisikan sinyal termodulasi melalui transmitter ke receiver. Sinyal termodulasi merupakan sinyal hasil modulasi antara sinyal carrier yang berasal dari osilator dengan sinyal suara manusia yang sudah diubah menjadi sinyal listrik menggunakan microphone. Sinyal carrier sangat penting dalam transmisi informasi jarak jauh, karena sinyal suara manusia yang berasal dari microphone tidak bisa langsung ditransmisikan. Sinyal suara manusia merupakan sinyal listrik dengan frekuensi yang rendah (antara 20 Hz – 20 KHz). Oleh karena itu, suatu sistem komunikasi elektronik tidak bisa bekerja tanpa sinyal carrier, agar suara bisa ditransmisikan dalam jarak yang sangat jauh.

Rangkaian yang digunakan untuk membangkitkan sinyal carrier adalah osilator. Fungsi dari osilator yaitu menghasilkan sinyal output yang mempunyai frekuensi dan amplitudo tertentu. Sinyal output osilator ada dua macam yaitu sinyal sinus dan sinyal nonsinus.

Osilator yang digunakan pada komunikasi radio adalah osilator frekuensi tinggi dengan sinyal output berupa sinyal sinus. Osilator frekuensi tinggi dengan sinyal output berupa sinyal sinus ada beberapa macam antara lain osilator Colpitt, Osilator Hartley dan Osilator Clapp. Karena ada beberapa jenis osilator yang bisa digunakan dalam komunikasi elektronik, maka permasalahannya adalah osilator

apa yang mempunyai unjuk kerja terbaik jika digunakan dalam sistem komunikasi radio.

1.2 Batasan Masalah dan Spesifikasi Alat

Batasan masalah dan spesifikasi alat pada pembuatan tugas akhir ini adalah:

1. Perancangan difokuskan pada frekuensi kerja osilator.

2. Parameter osilator yang akan dibandingkan adalah nilai frekuensi resonansi, amplitudo sinyal output, bentuk sinya output dan pengaqruh perubahan bias DC.

3. Frekuensi output osilator adalah 50 MHz.

4. Komponen aktif yang digunakan adalah transistor. 5. Penguat yang digunakan adalah penguat kelas A.

1.3 Tujuan dan Manfaat Penelitian

Tujuan dari pembuatan tugas akhir adalah merancang, membuat dan membandingkan unjuk kerja osilator frekuensi tinggi dengan konfigurasi Colpitt, konfigurasi Hartley dan konfigurasi Clapp.

1.4 Metode Penelitian

Metode yang digunakan dalam penyusunan tugas akhir ini, dilakukan dalam beberapa tahap yaitu :

1. Studi literatur melalui pembacaan buku-buku teori pendukung di perpustakaan, internet dan dari dosen pembimbing tugas akhir.

2. Merancang, mengumpulkan komponen dan membuat alat sesuai dengan perancangan.

3. Pengujian alat dan pengambilan data hasil pengujian alat.

4. Penyusunan laporan tugas akhir berdasarkan data hasil pengujian alat. 5. Pengambilan kesimpulan berdasarkan data hasil pengujian alat dan analisis.

1.5 Sistematika Penulisan

1. BAB I. PENDAHULUAN.

Bab ini berisi judul, latar belakang dan permasalahan, batasan masalah dan spesifikasi, tujuan dan manfaat, metode penelitian, dan sistematika penulisan. 2. BAB II. LANDASAN TEORI

Bab ini berisi teori-teori penunjang yang mendukung pembuatan alat. 3. BAB III. PERANCANGAN ALAT.

Bab ini berisi perancangan alat.

5. BAB V . KESIMPULAN.

2.1 Osilator

Osilator adalah rangkaian elektronika yang dapat memproduksi sinyal

output berupa sinyal periodik. Input pada osilator adalah catu daya DC seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-1. Osilator juga disebut pembangkit sinyal periodik atau generatorsinyal. Osilator biasanya bekerja pada penguat kelas A, B atau C.

Ada dua jenis osilator yaitu osilator nonsinusoidal dengan sinyal output

berupa sinyal non sinus dan osilator sinusoidal dengan sinyal output berupa sinyal sinus. Output osilator nonsinusoidal bisa berupa sinyal kotak, sinyal gigi gergaji atau sinyal segi tiga seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-1.

Gambar 2-1. Jenis-jenis Osilator.

Asas kerja osilator nonsinusoidal yaitu pada pengisian dan pelepasan muatan kapasitor, sedangkan asas kerja osilator sinusoidal yaitu umpan balik (feedback) positif. Osilator terdiri dari suatu penguat (amplifier) transistor untuk penguatan (gain) dan suatu rangkaian feedback positif yang menghasilkan

pergeseran fase (phase shift) serta menyediakan attenuasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-2.

Gambar 2-2. Prinsip dasar osilasi.

2.1.1 Umpan Balik (Feedback) Positif

Rangkaian feedback positif menghasilkan tegangan umpan balik (Vf) yang

sefase dengan tegangan input (Vin) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-3. Berdasar Gambar 2-3, terlihat bahwa tegangan input yang masuk ke amplifier

akan memberikan gangguan kecil pada amplifier seperti noise atau switching-on

transient yang akan diperkuat. Gangguan tersebut merupakan output amplifier

yang mengalami perubahan fase senilai 1800. Sebagian output amplifier (Vo)

digunakan sebagai input rangkaian feedback.

Sinyal output feedback sebagai input amplifier mengalami perubahan fase senilai 1800. Jadi keseluruhan rangkaian feedback positif akan mengalami perubahan fasa senilai 3600 atau sama dengan 00, yang artinya sinyal input dan

Gambar 2-3. Umpan balik positif yang menghasilkan osilasi.

2.1.2 Kriteria Barkhausen

Agar bisa berosilasi, sebuah osilator bergantung pada perkalian nilai penguatan amplifier (A) dengan nilai atenuasi rangkaian feedback (B). Perkalian nilai penguatan amplifier dan nilai atenuasi rangkaian feedback harus memenuhi kriteria Barkhausen yang dinyatakan dengan

AB = 1 (2-1) dengan A adalah penguatan amplifier dan B adalah atenuasi rangkaian feedback.

Untuk bisa mencapai keadaan ini, nilai A > 1 dan B < 1. Hubungan kriteria Barkhausen dengan sinyal output adalah :

1. Jika AB < 1, maka sinyal osilasi akan mengecil dan menghilang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-4.

Keadaan sinyal ini disebut damping.

2. Jika AB > 1, maka sinyal osilasi akan mengalami penguatan terus menerus melebihi keadaan saturasi sehingga akan terpotong seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-5.

Gambar 2-5. Vo jika AB > 1.

3. Jika AB = 1, maka sinyal osilasi akan tetap konstan selama rangkaian osilator masih terhubung dengan tegangan catu DC seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-6.

Gambar 2-6. Vo jika AB = 1.

Karena rangkaian osilator merupakan rangkaian close loop feedback, sehingga jika sudah didapat AB = 1, maka keadaan ini akan bertahan terus. Karena feedback merupakan rangkaian pasif sehingga untuk bisa mencapai keadaan AB = 1, penguatan amplifier harus berubah terus secara otomatis, dengan cara amplitudo output (Vo) berangsur membesar dan menyebabkan

Pada kenyataannya, saat daya dicatukan mula-mula, nilai AB akan semakin memnilai dan bahkan melebihi 1. Pada saat Vo mencapai level tertentu, harga AB mengecil dengan sendirinya dan menjadi satu, sehingga output menjadi konstan. Berdasarkan penjelasan ini, dasar dari sebuah osilator sinus adalah

1. Rangkaian feedback harus berupa rangkaian feedback positif. Artinya

amplifier dan rangkaian feedback harus dikombinasikan untuk memproduksi

perubahan fase tegangan senilai 3600 (atau 00).

2. Rangkaian harus menerima trigger (pemicu) pada sisi input atau output untuk memulai proses osilasi.

3. Hasil perkalian antara penguatan amplifier (A) dan atenuasi feedback (Vf)

harus sama dengan satu.

2.2

Rangkaian Feedback

Rangkaian feedback merupakan rangkaian yang sangat mendasar dan penting pada osilator sinus karena menentukan frekuensi kerja osilator. Konfigurasi rangkaian feedback ada dua macam yaitu :

1. Rangkaian feedback tipe T.

Rangkaian feedback tipe T merupakan rangkaian yang terbentuk dari impedansi Z1, Z2 dan Z3 dengan konfigurasi berbentuk T seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2-7

2. Rangkaian feedback tipe π.

Rangkaian feedback tipe π merupakan rangkaian yang terbentuk dari impedansi Z1, Z2 dan Z3 dengan konfigurasi berbentuk π seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2-7

Gambar 2-8. Rangkaian feedback tipe π.

Pada osilator frekuensi tinggi, rangkaian feedback yang digunakan adalah rangkaian feedback tipe π yang tersusun dari kombinasi komponen L dan C. Kombinasi L dan C ini disebut juga rangkaian tala LC.

2.3 Rangkaian Tala

2.3.1 Rangkaian Tala Seri

Rangkaian tala seri terdiri dari kombinasi kapasitor dan induktor yang tersusun secara seri seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-9. Pada Gambar 2-9 dapat dilihat bahwa ada penambahan resistansi r yang merupakan resistansi internal induktor. Penambahan resistansi r karena pada kenyataannya, induktor mempunyai nilai resistansi internal tertentu. Reaktansi total dari rangkaian tala seri adalah :

C L

T X X

dengan XL adalah reaktansi induktif dan XC adalah reaktansi kapasitif.

Gambar 2-9. Rangkaian tala seri.

Karena setiap induktor mempunyai resistansi dalam, maka impedansi total dari rangkaian tala seri adalah :

T

jX r

Z = + (2-3)

2 2

T X r

Z = + (2-4)

dengan XT adalah impedansi total dan r adalah hambatan dalam induktor.

Pada rangkaian tala seri, resonansi terjadi jika reaktansi dari impedansi adalah nol. Sehingga impedansi saat resonansi minimum.

Karena

fC X_C

π

2 1

= (2-5)

dengan f adalah frekuensi resonansi, dan π adalah konstanta yang nilai nya 3,14

dan

fL

dengan f adalah frekuensi resonansi, dan π adalah konstanta yang nilai nya 3,14

maka saat resonanasi

L

C X

X =

fL

fC π

π 2

2 1 ₌

(2-7)

LC f

π

2 1

= (2-8)

Unjuk kerja rangkaian tala, tergantung nilai faktor kualitas (faktor Q) rangkaian tala. Makin besar nilai faktor Q, makin bagus unjuk kerja rangkaian tala. Faktor Q merupakan perbandingan reaktansi saat resonansi terhadap resistansi rangkaian tala. Untuk rangkaian tala seri, faktor Q dinyatakan dengan

r fL

Q= 2π (2-9)

fCr Q

π

2 1

= (2-10)

r X

Q= S

(2-11)

dengan f adalah frekuensi resonansi dan Xs adalah reaktansi total rangkaian tala

seri.

Jika diketahui nilai frekuensi resonansi dan faktor kualitas rangkaian tala, maka bandwidth dapat ditentukan dengan

Q f

dengan dengan adalah frekuensi resonansi dan Q adalah faktor kualitas

rangkaian.

f

2.3.2 Rangkaian Tala Paralel

Rangkaian tala parelel terdiri dari kombinasi kapasitor dan induktor yang tersusun secara paralel seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-10.

Gambar 2-10. Rangkaian tala paralel.

Reaktansi total dari rangkaian tala paralel adalah :

C L

C L T

X X

X X X

−

= (2-13)

dengan XL adalah reaktansi induktif dan XC adalah reaktansi kapasitif. Sedangkan

impedansi total dari rangkaian tala paralel adalah :

T

jX r

Z = + (2-14)

2 2

T X r

Z = + (2-15)

Seperti halnya pada rangkaian tala seri, pada rangkaian tala paralel, impedansi total saat terjadi resonansi adalah resistif murni yang disebut resistansi dinamik yang dinyatakan dengan

Cr L

R_D = (2-16)

fLQ

R_D =2π (2-17)

fC Q R_D

π

2

= (2-18)

r Q

R_D = 2 (2-19)

dengan Q adalah faktor kualitas rangkaian, π adalah konstanta 3,14 dan adalah

frekuensi resonansi.

f

Seperti halnya pada rangkaian tala seri, pada rangkaian tala paralel resonansi terjadi jika reaktansi dari impedansi adalah nol. Sehingga impedansi saat resonansi minimum. Frekuensi resonansi rangkaian tala paralel adalah :

LC f

π

2 1

= (2-20)

Untuk rangkaian tala paralel, faktor Q dinyatakan dengan

r fL

Q= 2π (2-21)

fCr Q

π

2 1

= (2-22)

P D X R

dengan RD adalah resistansi dinamik yang menunjukan hambatan saat resonansi, r

adalah hambatan dalam induktor, adalah frekuensi resonansi dan Xf p adalah

reaktansi rangkaian tala paralel.

2.4 Penguat Kelas A

Rangkaian penguat kelas A ditunjukkan pada Gambar 2-11. Nilai arus

collector dan tegangan antara kaki base dan emitter (VCE) digunakan untuk

mengambarkan titik kerja dan garis beban transistor.

Gambar 2-11. Penguat kelas A.

Berdasar Gambar 2-11, persamaan KVL (Kirchoff Voltage Law) pada sisi

input adalah :

0

= −

−

− BQ BQ BE E E

BQ I R V I R

V (2-24)

Nilai arus collector dan emitteradalah

B

E I

I =(β +1) (2-25)

B

C I

dengan IB adalah arus base dan β adalah penguatan transistor.

Jika persamaan (2-25) disubtitusikan ke persamaan (2-24), maka didapat arus base pada titik kerja transistor dengan persamaan

(

)

E

BQ BE BQ BQ R R V V I 1 + + − =

β (2-27)

dengan VCEQ adalah tegangan antara kaki collector dan kaki emitter pada titik

kerja transistor, VBE adalah tegangan antara kaki base dan kaki emitter, VBQ

adalah tegangan Thevenin pada kaki base, RBQ adalah resistansi Thevenin, RE

adalah resistansi pada kaki emitterdan β adalah penguatan transistor.

Resistansi thevenin dinyatakan dengan

2 1 2 1* B B B B BQ R R R R R +

= (2-28)

dengan RB1 dan RB2 adalah resistansi base.

Nilai tegangan Thevenin adalah

CC B B B BQ V R R R V 2 1 2 +

= (2-29)

Persamaan KVL pada sisi output adalah

0

= −

−

− CQ C CEQ E E

CC I R V I R

V (2-30)

Sehingga tegangan antara kaki collector dan kaki emitter pada titik Q adalah

E E C CQ CC

CEQ V I R I R

V = − − (2-31)

dengan Vcc adalah catu daya DC, ICQ adalah arus collector pada titik kerja

transistor, RC adalah hambatan pada kaki collector, RE adalah hambatan pada kaki

Nilai arus collector saturasi DC adalah :

E C

CC

R R

V

+ =

DCM C

I (2-32)

dengan VCC adalah catu daya.

Nilai tegangan pada kaki collector adalah :

E CE

C V V

V = + (2-33)

dengan VE adalah tegangan pada kaki emitter dan VCE adalah tegangan antara kaki

collector dan kaki emitter.

Nilai tegangan pada kaki base transistor adalah :

BE E

B V V

V = + (2-34)

dengan VE adalahtegangan pada kaki emitter dan VBE adalah tegangan antara kaki

base dan kaki emitter yang nilainya senilai 0.7 V. Nilai tegangan pada kaki emitter adalah :

E E

E I R

V = (2-35)

dengan IE adalah arus emitter dan RE adalah hambatan pada kaki emitter.

Pada saat transistor mencapai titik jenuh, VCE sama dengan nol, sehingga

arus collector saturasi AC adalah:

L C

CEQ CQ

sat C

R R

V I

I

||

)

( = + (2-36)

dengan ICQ adalah arus collector pada titik kerja transistor dan VCEQ adalah

tegangan antara kaki collector dan kaki emitter pada titik kerja transistor.

Saat transistor mencapai titik putus ac, IC sama dengan nol, sehingga nilai

(

C L

)

CQ

CQ cut

CE V I R R

V ( ) = + || (2-37)

dengan VCEQ adalah tegangan antara kaki collector dan kaki emitter pada titik

kerja transistor dan ICQ adalah arus collector pada titik kerja transistor.

Titik kerja dan garis beban transistor ditunjukkan pada Gambar 2-12.

Gambar 2-12. Garis beban dan titik kerja transistor pada penguat kelas A.

Saat arus DC melewati kaki emitter, muncul hambatan internal transistor yang dinyatakan dengan

E T e

I V

r = (2-38)

dengan VT adalah tegangan yang tergantung temperatur yang nilai nya 26 mV dan

IE adalah arus pada kaki emitter dalam mA.

Penguatan tegangan penguat kelas A dinyatakan dengan

e L C V

r R R

dengan RC adalah hambatan pada kaki collector dan RL adalah hambatan beban

dan re adalah hambatan internal transistor pada kaki emitter.

2.5 Osilator Colpitt

Osilator Colpitt merupakan rangkaian penguat LC yang menggunakan sepasang kapasitor dan sebuah induktor untuk membentuk feedback regeneratif yang digunakan untuk membangkitkan osilasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-13.

Gambar 2-13. Rangkaian osilator Colpitt.

Frekuensi resonansi ditentukan oleh C1, C2 dan L. Nilai frekuensi

resonansi osilator Colpitt adalah:

L C f

T π 2

1

0 = (2-40)

dengan CT adalah kapasitansi total yang dinyatakan dengan

2 1

2 1

C C

C C CT

+

Nilai tegangan feedback pada osilator Colpitt tergantung nilai B rangkaian feedback. Untuk osilator Colpitt, nilai B merupakan perbandingan antara XC2 dengan XC1 atau

1 2 C C X X

B= (2-42)

dengan XC1 adalah kapasitansi C1 dan XC2 adalah kapasitansi C2. Nilai B juga bisa

dinyatakan dengan:

2 1

C C

B= (2-43)

Nilai penguatan tegangan ditentukan oleh C1 dan C2. Karena nilai

, 1 = AB 2 1 C C

B= , dan * 1 2 1 = C C

A , maka

1 2

C C

A= (2-44)

Nilai transkonduktansi rangkaian osilator Colpitt adalah :

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛

= 1 1 2

1 2 2 1 2 1 C C C C R C C re g D

m _β (2-45a)

Nilai transkonduktansi penguat adalah :

T C m

V I

g = (2-45b)

Agar osilator Colpitt bisa menghasilkan osilasi maka nilai transkonduktansi penguat harus sama dengan nilai transkonduktansi osilator Colpitt, sehingga ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =

= 1 1 2

1 2 2 1 2 1 C C C C R C C re V I gm D T C

dengan β adalah penguatan transistor, re adalah nilai resistansi internal trnasistor

pada kaki emitter, RD adalah resistansi dinamik rangkaian tala, r adalah resistansi

dalam induktor, RC adalah resistansi pada kaki collector transistor, IC adalah arus

collector danVT adalah tegangan yang tergantung suhu (26 mV).

2.6 Osilator Hartley

Osilator Hartley merupakan rangkaian penguat LC yang menggunakan sepasang induktor dan sebuah kapasitor untuk membentuk feedback regeneratif yang dibutuhkan untuk osilasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2-14.

Gambar 2-14. Rangkaian osilator Hartley.

Frekuensi resonansi ditentukan oleh L1, L2 dan C. Nilai frekuensi

resonansi osilator Hartley adalah:

C L f

T π 2

1

0 = (2-47)

2

1 L

L

LT = + (2-48)

Nilai penguatan tegangan ditentukan oleh L1 dan L2. Karena nilai AB=1,

1 2 L L

B= , dan * 1 1 2 = L L

A , maka

2 1

L L

A= (2-49)

Nilai tegangan feedback pada osilator Hartley tergantung nilai B rangkaian feedback. Untuk osilator Hartley, nilai B merupakan perbandingan antara XL2 dengan XL1, atau

1 2 L L X X

B= (2-50)

dengan XL1 adalah induktansi L1 dan XL2 adalah induktansi L2. Nilai B juga bisa

dinyatakan dengan

1 2

L L

B= (2-51)

Nilai transkonduktansi rangkaian osilator Hartley adalah

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛

= 1 1 2

2 1 1 2 1 2 L L L L R L L re g D

m _β (2-52a)

Nilai transkonduktansi penguat adalah

T C m

V I

g = (2-52b)

Agar osilator Hartley bisa menghasilkan osilasi, nilai transkonduktansi penguat harus sama dengan nilai transkonduktansi osilator Hartley, sehingga

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =

= 1 1 2

2 1 1 2 1 2 L L L L R L L re V I gm D T C

dengan β adalah penguatan transistor, re adalah nilai resistansi internal antara

base dan emitter, RD adalah resistansi dinamis rangkaian tala, r adalah resistansi

dalam induktor, RC adalah resistansi pada kaki collector transistor, IC adalah arus

collector, VT adalah tegangan yang tergantung suhu (26 mV) dan gm adalah

transkonduktansi.

2.7 Osilator Clapp.

Osilator Clapp menggunakan sepasang kapasitor (C1 dan C2) serta sebuah

kapasitor (C3) dan induktor untuk membentuk feedback regenaratif yang

digunakan untuk menghasilkan osilasi. Osilator Clapp mirip dengan osilator Colpitt tetapi dengan kapasitor tambahan C3 seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 2-15. Kapasitor tambahan C3 ditempatkan secara seri dengan induktor.

Syarat C3 yaitu harus sangat kecil jika dibandingkan dengan C1 dan C2.

Nilai frekuensi resonansi osilator Clapp adalah

L C f

T π

2 1

0 = (2-54)

dengan CT kapasitor total yang dinyatakan dengan

3 3 2 1

1 1 1

C C C C

C_T = + + = (2-55)

Gambar 2-15. Rangkaian osilatorClapp.

Karena nilai kapasitansi C3 sangat kecil, maka C3 merupakan komponen

yang sangat berpengaruh pada perhitungan frekuensi dari rangkaian osilator Clapp. Pada osilator Clapp, C1 dan C2 tidak berpengaruh pada nilai frekuensi

resonansi. C1 dan C2 tetap dipakai karena berfungsi untuk membuat pergeseran

fase tegangan sebesar 1800 agar bisa membentuk feedback regeneratif. Nilai tegangan feedback pada osilator Clapp tergantung nilai B rangkaian feedback. Untuk osilator Clapp, nilai B merupakan perbandingan antara XC2 dan XC1, atau

1 2

C C

X X

B= (2-56)

dengan XC1 adalah capasitansi C1, XC2 adalah kapasitansi C2. Nilai B juga

dinyatakan dengan

2 1

C C

B= (2-57)

1 2

C C

A= (2-58)

Nilai transkonduktansi rangkaian osilator Clapp adalah :

⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛

= 1 ₂2

2 1

1

2 1 1

1 S D m C C C R C C re C C re g β

β (2-59a)

Nilai transkonduktansi penguat adalah :

T C m

V I

g = (2-59b)

Agar osilator Clapp bisa menghasilkan osilasi maka nilai transkonduktansi penguat harus sama dengan nilai transkonduktansi osilator Clapp, sehingga ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ =

= 1 1 2

2 1 1 2 1 2 L L L L R L L re V I gm D T C

β (2-61)

dengan β adalah penguatan transistor, re adalah nilai resistansi internal antara

base dan emitter, RD adalah resistansi dinamis rangkaian tala, r adalah resistansi

dalam induktor, RC adalah resistansi pada kaki Collector transistor, IC adalah arus

collector dan VT adalah tegangan yang tergantung suhu (26 mV).

2.8 Kapasitansi Sambungan

Kapasitansi akibat sambungan ditunjukkan pada Gambar 2-16. Kapasitansi pada sambungan transistor ada dua yaitu kapasitansi pada sambungan collector

dan emitter (Cce) dan kapasitansi pada sambungan base dan emitter (Cbe).

ce V

in A C

C

M) =

( (2-61)

Gambar 2-16. kapasitansi sambungan.

2.8 Stabilitas Frekuensi Osilator

Walaupun kapasitor dan induktor merupakan komponen utama pembentuk frekuensi, namun komponen rangkaian lainnya juga berpengaruh, seperti kapasitansi sambungan transistor dan suhu. Pengaruh luar tersebut dapat dikurangi dengan memberikan daya ke amplifier dari sumber tegangan teregulasi dan dengan menggunakan buffer amplifier yang mempunyai impedansi masukan yang tinggi. Pengaruh dari suhu dapat dikurangi dengan merancang osilator bekerja pada daya rendah.

dan menempatkan satu titik tap di atas induktor L1 sehingga kapasitansi parasitif

akan terparalel dengan L1.

Pada osiltor Colpitt, sambungan antara kapasitor akan menghasilakan kapasitansi parasitik. Untuk mengatasinya ada dua cara, yaitu perbandingan C/L diperbesar sehingga reaktansi dari kapasitor C jauh lebih nilai dari reaktansi parasitif sehingga pengaruhnya akan mengecil, dan menempatkan satu titik tap di atas kapasitor C1 sehingga kapasitansi parasitif akan terparalel dengan C1.

Pada osilator Clapp, frekuensi resonansi hanya ditentuk oleh kapasitor C3

3.1Perancangan Osilator Colpitt

Osilator Colpitt dirancang berdasarkan Gambar 2-13, dengan spesifikasi yang ditunjukkan pada Tabel 3-1.

Tabel 3-1. Spesifikasi osilator Colpitt.

No Variabel Nilai

1 Frekuensi resonansi ( f0) 50 MHz

2 Penguatan Tegangan (AV) 25

3 Faktor Kualitas (Q) 20

4 ICQ 5 mA

5 VCEQ 2.25 V

6 VCC 5 V

3.1.1 Merancang Frekuensi Resonansi

Pada perancangan frekuensi resonansi osilator Colpitt, nilai induktor ditentukan lebih dulu sebesar 2.2uH. Kapasitansi total (CT) diperoleh dengan

persamaan (2-40)

L f

C_{T 2 2 2}

2 1

π =

) 10 2 , 2 ( ) 10 50 ( 2 1 6 2 6 2 2 − = x x C_T π pF 6 , 4 =

Jika nilai C1 adalah 9,2pF, maka berdasarkan persamaan (2-41), nilai C2 adalah

2 1 2 1 C C xC C CT + = 2 12 2 12 2 , 9 10 2 , 9 6 , 4 C C x pF + = ₋ − pF C2 =9,2

3.1.2 Merancang Penguat

1. Menghitung resistansi beban total.

Resistansi beban RL yang digunakan adalah 220Ω. Nilai resistansi dinamik

rangkaian tala osilator, menurut persamaan (2-17) adalah

fLQ RD =2π

Ω = = − 13823 20 ) 10 2 , 2 )( 10 50 (

2 6 6

x x

R_D π

Resistansi dinamik rangkaian tala paralel dengan resistansi beban rangkaian penguat sehingga resistansi beban total adalah

L D

L R R

R' = ||

Ω = =11382||220 216

'

L R

Menurut data sheet transistor 2n3904, β untuk VCE 2,25V dan ICQ 5mA

adalah 230, sehingga nilai IE menurut persamaan (2-25) dan persamaan (2-26)

adalah C E I I _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = β β 1

(

3

)

10 5 230

1

230 _⎟ −

⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + = x I_E mA 02 , 5 =

Nilai menurut persamaan (2-38) adalah re

( )

mV I V r E T e=

(

)

(

3

)

3 10 02 , 5 10 26 − − = x x re Ω =5,19

3. Menghitung nilai RC.

Nilai RC menurut persamaan (2-39) adalah

(

)

e C V r R R A L ' || = 19 , 5 216 216 25 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = C C R x R Ω =234 C R

Nilai RC yang digunakan adalah 330Ω

Nilai RE dapat dicari menggunakan persamaan (2-31). Dengan

mensubtitusikan nilai IE = 5,02mA, IC = 5mA, RC = 330, VCE = 2,250V dan

VCC = 5V ke persamaan (2-31), maka persamaan (2-31) menjadi

(

)

− − =0

− _{C C CE E E}

CC I xR V I xR

V

(

5 10 330

)

2

(

5,02 10

)

0

5− x −3x − − x −3RE =

Sehingga nilai RE adalah 220Ω.

5. Menghitung RB1 dan RB2.

Dengan mensubtitusikan nilai RE = 220Ω ke persamaan (2-35), didapat

E E

E I R

V =

220 10 02 ,

5 −3

= x

V_E

V

1 , 1

=

Dengan mensubtitusikan nilai VE = 1,1V ke persamaan (2-34), didapat

BE E

B V V

V = +

7 , 0 1 ,

1 +

=

B

V

V

8 , 1

=

Nilai IBQ menurut persamaan (2-27) adalah

βC B

I

I =

230 10 5 −3

= x

IB

A μ

7 , 21

=

Karena VB = 1,8V, VCC yang digunakan 5V, sehingga jika nilai RB2 = 10KΩ,

CC B B B B V R R R V _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = 2 1 1

(

)

5

10 10 8 . 1 ₃ 1 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = x R R B B Ω = K

R_B1 5,625

6. Menggambarkan garis beban dan titik kerja transistor Nilai VCE(Cut) menurut persamaan (2-37) adalah

(

C L

)

CQ CEQ cut

CE V I R R

V ( ) = + ||

(

330||220

)

10 5 25 , 2 3 ) ( − + = x

V_{CE cut}

V

9 , 2

=

Nilai ICDCmaks menurut persamaan (2-32) adalah

E C CC R R V + = DCM C I 220 330 5 ICDCM

+ =

mA

9

=

Dengan mensubtitusikan RC = 330Ω dan RL’ = 216Ω, ICQ = 5mA dan VCEQ =

2,25V ke persamaan (2-36), maka nilai IC(sat) menurut persamaan (2-36) adalah

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = _' ) ( || L C CEQ CQ sat C R R V I I

(

)

_⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = − 216 || 330 25 , 2 10 5 3 ) ( x

ICsat

mA

22

Garis beban dan titik kerja transistor berdasar perancangan ditunjukkan pada Gambar 3-1.

Gambar 3-1. Garis beban dan titik kerja penguat pada osilator Colpitt.

Rangkaian penguat menggunakan tiga kapasitor bias, yaitu CB, CC, dan

CE. Kapasitor bias yang digunakan harus mempunyai impedansi yang sangat kecil

(mendekati 0), akan tetapi harus lebih besar dari nilai kapasitansi rangkaian tala. Berdasarkan persamaan (2-5), didapat nilai kapasitor bias dengan impedansi terkecil dan dengan nilai kapasitansi lebih besar dari rangkaian tala. Nilai kapasitor bias yang digunakan 0,1uF. Rangkai lengkap osilator Colpitt berdasar perancangan, ditunjukkan pada Gambar 3-2.

Nilai transkonduktansi rangkaian osilator Colpitt menurut persamaan (2-45a) adalah ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛

= 1 1 2

1 2 2 1 2 1 C C C C R C C re g D m _β ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _{+ +} + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = 2 1 1 1 1 10 823 , 13 1 1 1 19 , 5 230 1 3 x x g_m mS 127 , 1 =

Nilai transkonduktansi penguat menurut persamaan (2-45b) adalah

( )

(

)

S x x V I g T C

m 0,19

10 26 10 5 3 3 = = = −₋

Terdapat perbedaan antara nilai transkonduktansi osilator Colpitt dan nilai transkonduktansi penguat. Perbedaan ini disebabkan karena adanya penyederhanaan persamaan yang digunakan untuk menghitung nilai transkonduktansi osilator Colpitt. Kerena nilai transkonduktansi osilator Colpitt mendekati nilai transkonduktansi penguat, maka syarat untuk berosilasi terpenuhi, sehingga osilator Colpitt dapat bekerja.

3.2 Perancangan Osilator Hartley

Tabel 3-2. Spesifikasi osilator Hartley.

No Variabel Nilai

1 Frekuensi resonansi ( f₀) _{50 MHz}

2 Penguatan Tegangan (AV) 25

3 Faktor Kualitas (Q) 20

4 ICQ 5 mA

5 VCEQ 2,25 V

6 VCC 5 V

3.2.1 Merancang Frekuensi Resonansi

Pada perancangan frekuensi resonansi osilator Harley, nilai kapasitor ditentukan lebih dulu sebesar 4,6pF. Induktor total diperoleh dengan persamaan (2-47)

C f

L_{T 2 2 2}

2 1

π =

) 10 6 , 4 ( ) 10 50 ( 2

1

12 2

6 2

2 −

=

x x

L_T π

H μ

2 , 2

=

Jika L1 yang digunakan adalah 1,1uH, maka berdasarkan persamaan (2-48), nilai

L2 adalah

2

1 L

L LT = +

6 6

2 2,2 10 1,1 10

− − ₋

= x x

6 10 1 , 1 − = x

3.2.2 Merancang Penguat

1. Menghitung resistansi beban total.

Resistansi beban RL yang digunakan adalah 220Ω. Nilai resistansi dinamik

rangkaian tala osilator, menurut persamaan (2-17) adalah

fLQ RD =2π

20 ) 10 2 , 2 )( 10 50 (

2 6 −6

= x x

R_D π

Ω =13823

Resistansi dinamik rangkaian tala paralel dengan resistansi beban rangkaian penguat sehingga resistansi beban total adalah

L D

L R R

R' ₌ ||

220 || 11382 ' ₌ L R Ω =216

2. Menghitung nilai re

Menurut data sheet transistor 2n3904, β untuk VCE 2,25V dan ICQ 5mA

adalah 230, sehingga nilai IE menurut persamaan (2-25) dan persamaan (2-26)

adalah C E I I _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = β β 1

(

3

)

10 5 230

1

230 _⎟ −

Nilai menurut persamaan (2-38) adalah re

( )

mV I V r E T e=

(

)

(

3

)

3 10 02 , 5 10 26 − − = x x re Ω =5,19

3. Menghitung nilai RC.

Nilai RC menurut persamaan (2-39) adalah

(

)

e C V r R R A L ' || = 19 . 5 216 216 25 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = C C R x R Ω =234 C R

Nilai RC yang digunakan adalah 330Ω.

4. Menghitung nilai RE.

Nilai RE dapat dicari menggunakan persamaan (2-31). Dengan

mensubtitusikan nilai IE = 5,02mA, IC = 5mA, RC = 330, VCE = 2,250V dan

VCC = 5V ke persamaan (2-31), maka persamaan (2-31) menjadi

(

)

− − =0

− C C CE E E

CC I xR V I xR

V

(

5 10 330

)

2

(

5,02 10

)

0

5₋ −3 _{− −} −3 ₌

E R x x

x

5. Menghitung RB1 dan RB2.

Dengan mensubtitusikan nilai RE = 220Ω ke persamaan (2-35), didapat

E E

E I R

V =

220 10 02 ,

5 −3

= x V_E V 1 , 1 =

Dengan mensubtitusikan nilai VE = 1,1V ke persamaan (2-34), didapat

BE E

B V V

V = +

7 , 0 1 , 1 + = B V V 8 , 1 =

Nilai IBQ menurut persamaan (2-27) adalah

βC B I I = 230 10 5 −3

= x IB A μ 7 , 21 =

Karena VB = 1,8V, VCC yang digunakan 5V, sehingga jika nilai RB2 = 10KΩ,

maka nilai RB1 menurut persamaan (2-30) adalah

CC B B B B V R R R V _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = 2 1 1

(

)

5

10 10 8 . 1 ₃ 1 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = x R R B B Ω = K

6. Menggambarkan garis beban dan titik kerja transistor. Nilai VCE(Cut) menurut persamaan (2-37) adalah

(

C L

)

CQ CEQ cut

CE V I R R

V _{( )} = + ||

(

330||220

)

10 5 25 , 2 3 ) ( − + = x

V_{CE cut}

V

9 , 2

=

Nilai ICDCmaks menurut persamaan (2-32) adalah

E C CC R R V + = DCM C I 220 330 5 ICDCM

+ =

mA

9

=

Dengan mensubtitusikan RC = 330Ω dan RL’ = 216Ω, ICQ = 5mA dan VCEQ =

2,25V ke persamaan (2-36), maka nilai IC(sat) menurut persamaan (2-36) adalah

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = _' ) ( || L C CEQ CQ sat C R R V I I

(

)

_⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = − 216 || 330 25 , 2 10 5 3 ) ( x

I_{C sat}

mA

22

=

Gambar 3-3. Garis beban dan titik kerja penguat pada osilator Hartley.

Rangkaian penguat menggunakan tiga kapasitor bias, yaitu CB, CC, dan

CE. Kapasitor bias yang digunakan harus mempunyai impedansi yang sangat kecil

(mendekati 0), akan tetapi harus lebih besar dari nilai kapasitansi rangkaian tala. Berdasarkan persamaan (2-5), didapat nilai kapasitor bias dengan impedansi terkecil dan dengan nilai kapasitansi lebih besar dari rangkaian tala. Nilai kapasitor bias yang digunakan 0,1uF. Rangkap lengkap osilator Hartley berdasar perancangan, ditunjukkan pada Gambar 3-4.

Nilai transkonduktansi rangkaian osilator Hartley menurut persamaan (2-52a) adalah ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛

= 1 1 2

1 2 2 1 2 1 L L L L R L L re g D m _β ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _{+ +} + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = 2 1 1 1 1 10 823 , 13 1 1 1 19 , 5 230 1 3 x x gm mS 127 , 1 =

Nilai transkonduktansi penguat menurut persamaan (2-52b) adalah

( )

T C m V I g =

(

)

3 3 10 26 10 5 − − = x x g_m S 19 , 0 =

Terdapat perbedaan antara nilai transkonduktansi osilator Hartley dan nilai transkonduktansi penguat. Perbedaan ini disebabkan karena adanya penyederhanaan persamaan yang digunakan untuk menghitung nilai transkonduktansi osilator Hartley. Kerena nilai transkonduktansi osilator Hartley mendekati nilai transkonduktansi penguat, maka syarat untuk berosilasi terpenuhi, sehingga osilator Hartley dapat bekerja.

3.3

Perancangan Osilator Clapp

Tabel 3-3. Spesifikasi osilator Clapp.

No Variabel Nilai 1 Frekuensi resonansi ( f₀) 50 MHz

2 Penguatan Tegangan (AV) 25

3 Faktor Kualitas (Q) 20

4 ICQ 5 mA

5 VCEQ 2.25 V

6 VCC 5 V

3.3.1 Merancang Frekuensi Resonansi

Pada perancangan frekuensi resonansi osilator Clapp, nilai induktor ditentukan lebih dulu sebesar 1.9uH. Kapasitansi total diperoleh dengan persamaan (2-54)

L f

CT ₂

0 2 2

2 1

π =

) 10 9 , 1 ( ) 10 50 ( 2

1

6 2

6 2

2 −

=

x x

C_T π

pF

3 , 5

=

Pada osilator Clapp, komponen yang berpengaruh pada frekuensi resonansi adalah L dan C3,maka berdasarkan persamaan (2-55), nilai CT adalah

pF C

C_T = ₃ =5,3

Kapasitor C1 dan C2 berpengaruh pada penguatan tegangan. C1 dan C2 yang

3.3.2 Merancang Penguat

1. Menghitung resistansi beban total.

Resistansi beban RL yang digunakan adalah 220Ω. Nilai resistansi dinamik

rangkaian tala osilator, menurut persamaan (2-17) adalah

fLQ R_D =2π

20 ) 10 2 , 2 )( 10 50 (

2 6 −6

= x x

R_D π

Ω =11382

Resistansi dinamik rangkaian tala paralel dengan resistansi beban rangkaian penguat sehingga resistansi beban total adalah

L D

L R R

R' = ||

220 || 11382

' ₌

L R

Ω =216

Resistansi beban RL yang digunakan adalah 220Ω.

2. Menghitung nilai . re

Menurut data sheet transistor 2n3904, β untuk VCE 2.25V dan ICQ 5mA

adalah 230, sehingga nilai IE menurut persamaan (2-25) dan persamaan (2-26)

adalah

C

E I

I _⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + =

β

β 1

(

_{5 10} 3

)

230 1

230 _⎟ −

⎠ ⎞ ⎜

⎝

⎛ +

= x

I_E

mA

02 , 5

=

( )

mV I V r E T e=

(

)

(

3

)

3 10 02 , 5 10 26 − − = x x r_e Ω =5,19

3. Menghitung nilai RC.

Nilai RC menurut persamaan (2-39 ) adalah

(

)

e C V r R R A L ' || = 19 , 5 216 216 25 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = C C R x R Ω =234 C R

Nilai RC yang digunakan adalah 330Ω.

4. Menghitung nilai RE.

Nilai RE dapat dicari menggunakan persamaan (2-31). Dengan

mensubtitusikan nilai IE = 5,.02mA, IC = 5mA, RC = 330, VCE = 2,250V dan

VCC = 5V ke persamaan (2-31), maka persamaan (2-31) menjadi

(

)

− − =0

− C C CE E E

CC I xR V I xR

V

(

5 10 330

)

2

(

5,02 10

)

0

5− x −3x − − x −3RE =

Sehingga nilai RE adalah 220Ω.

5. Menghitung RB1 dan RB2.

Dengan mensubtitusikan nilai RE = 220Ω ke persamaan (2-35), didapat

E E

E I R

220 10 02 ,

5 −3

= x V_E V 1 , 1 =

Dengan mensubtitusikan nilai VE = 1,1V ke persamaan (2-34), didapat

BE E

B V V

V = +

7 , 0 1 , 1 + = B V V 8 , 1 =

Nilai IBQ menurut persamaan (2-27) adalah

βC B I I = 230 10 5 −3

= x IB A μ 7 , 21 =

Karena VB = 1,8V, VCC yang digunakan 5V, sehingga jika nilai RB2 = 10KΩ,

maka nilai RB1 menurut persamaan (2-30) adalah

CC B B B B V R R R V _⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = 2 1 1

(

)

5

10 10 8 . 1 ₃ 1 1 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = x R R B B Ω = K

R_B1 5,625

6. Menggambarkan garis beban dan titik kerja transistor. Nilai VCE(Cut) menurut persamaan (2-37) adalah

(

C L

)

CQ CEQ cut

CE V I R R

V _{( )} = + ||

(

330||220

)

10 5 25 , 2 3 ) ( − + = x

V

9 , 2

=

Nilai ICDCmaks menurut persamaan (2-32) adalah

E C CC R R V + = DCM C I 220 330 5 ICDCM = +

mA

9

=

Dengan mensubtitusikan RC = 330Ω dan RL’ = 216Ω, ICQ = 5mA dan VCEQ =

2,25V ke persamaan (2-36), maka nilai IC(sat) menurut persamaan (2-36) adalah

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = _' ) ( || L C CEQ CQ sat C R R V I I

(

)

_⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + = − 216 || 330 25 , 2 10 5 3 ) ( x

I_{C sat}

mA

22

=

Garis beban dan titik kerja transistor berdasar perancangan ditunjukkan pada Gambar 3-5. Rangkaian penguat menggunakan tiga kapasitor bias, yaitu CB,

CC, dan CE. Kapasitor bias yang digunakan harus mempunyai impedansi yang

Gambar 3-5. Garis beban dan titik kerja penguat pada osilator Clapp.

Gambar 3-6. Rangkaian lengkap osilator Clapp.

Nilai transkonduktansi rangkaian osilator Clapp menurut persamaan (2-59a) adalah

⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜

⎝ ⎛ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛

= 1 ₂2

2 1

1

2 1 1

1

S D C

m

C C C R C C R C

C re g

(

) (

)

(

)

⎟⎟_⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛

= − _{− 2} −

12 12 12 10 3 , 5 10 10 10 10 11938 1 1 1 19 , 5 230 1 1 1 19 , 5 230 1 x x x x x x g_m mS 25 , 3 =

Nilai transkonduktansi penguat menurut persamaan (2-59b) adalah

( )

T C m V I g =

(

)

3 3 10 26 10 5 − − = x x gm S 19 , 0 =

Bab ini berisi hasil akhir dari perancangan, pengujian osilator dan pengambilan data hasil pengujian osilator. Data yang diamati adalah tegangan DC, bentuk sinyal output, frekuensi resonansi, spektrum frekuensi dan amplitudo sinyal output dari masing-masing osilator. Diagram blok pengujian osilator ditunjukkan pada Gambar 4-1.

Gambar 4-1. Diagram blok proses pengujian osilator.

Cara pengujian osilator yaitu untuk setiap osilator, resistor RB1 yang

digunakan adalah resistor variabel. Setelah catu daya DC dihidupkan, nilai RB1

diubah perlahan sampai diperoleh sinyal output sinus terbaik. Untuk osilator Colpitt, nilai resistansi RB1 agar diperoleh sinyal output terbaik adalah 12.1KΩ.

Untuk osilator Hartley, nilai resistansi RB1 agar diperoleh sinyal output yang

terbaik adalah 12.7KΩ. Untuk osilator Clapp, nilai resistansi RB1 agar diperoleh

sinyal yang terbaik adalah 12.6KΩ.

4.1. Nilai DC dan AC

Nilai DC dan AC berdasarkan perancangan, pengukuran dan analisis untuk sinyal output terbaik dari setiap osilator ditunjukkan pada Tabel 4-1.

Tabel 4-1. Nilai DC dan AC berdasar perancangan, pengukuran dan analisis.

Data yang digunakan untuk analisis, diperoleh dari sekali pengukuran. Terdapat error antara perancangan dengan data dan analisis data. Error ini terutama disebabkan karena perbedaan nilai β transistor pada data sheet dengan

4.1.1 Osilator Colpitt

Berdasarkan data yang diperoleh dari Tabel 4-1, dapat diketahui bahwa nilai VRC 2,06V sehingga besar IC adalah

C RC C R V I = 9 , 238 06 , 2 = C I mA 26 , 6 =

Nilai VB 2,09V, sehingga besar IB(RB2) adalah

2 ) 2 ( B B RB B R V I = 3 ) 2 ( 10 3 , 10 09 , 2 x I_{B RB} =

mA

2029 . 0

=

Nilai VCC yang digunakan saat percobaan 5,03V, maka nilai IBR1 adalah

2 ) 1 ( B B CC RB B R V V

I = −

3 ) 1 ( 10 15 , 12 09 , 2 03 , 5 x

I_{B RB} = −

mA

2419 , 0

=

Nilai IB adalah

2

1 B

B

B I I

I = −

3 3 10 2029 , 0 10 2419 ,

0 − − −

= x x

IB

A μ

39

Nilai β transistor menurut persamaan (2-26) adalah B C I I = β 6 3 10 39 10 26 , 6 − − = x x β 154 =

Nilai VE 1,438V, sehingga nilai IE menurut persamaan (2-35) adalah

E E E R V I = 7 , 218 438 , 1 = E I mA 575 , 6 =

Nilai re menurut persamaan (2-38) adalah

E T e I V r = 3 3 10 57 , 6 10 26 − − = x x r_e Ω =3,96

Nilai resistansi internal induktor 2Ω, maka nilai resistansi dinamik rangkaian tala menurut persamaan (2-16) adalah

Cr L RD =

2 10 6 , 4 10 2 , 2 12 6 x x x

R_{D −}

−

=

Nilai resistansi beban total adalah

D L

L R R

R' ₌ ||

(

3

)

' 10 130 , 239 || 220 x

R_L =

Ω =219,8

Sehingga nilai penguatan tegangan menurut persamaan (2-39) adalah

e L C V r R R

A = ||

(

)

96 , 3 8 , 219 || 9 , 328 − = V A 2 , 33 − =

Nilai transkonduktansi rangkaian osilator Colpitt menurut persamaan (2-45a) adalah ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛

= 1 1 2

1 2 2 1 2 1 C C C C R C C re g D m _β

(

)

(

)

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + + + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛

= ₋− ₋− −₋ 2

10 2 , 17 10 150 10 150 10 2 , 17 10 130 , 239 1 10 150 10 2 , 17 96 , 3 154 1 12 12 12 12 3 12 12 x x x x x x x x g_m mS 27 , 0 =

Pada Tabel 4-1, dapat dilihat bahwa frekuensi resonansi osilator Colpitt 25,69 MHz. Nilai ini sangat jauh dari perancangan. Hal ini karena saat perancangan, penulis tidak memperhitungkan kapasitansi sambungan. Menurut

data sheet 2N3904, nilai Cbe=4pF, nilai Cce=8pF, sehingga nilai kapasitansi pada

1 '

1 C C

C = _ce +

(

12

) (

12

)

'

1 8 10 9,2 10

− − ₊

= x x

C pF 2 , 17 =

nilai kapasitansi pada sisi input adalah

( )M

i

be C

C C

C₂' = ₂ + +

(

12

) (

12

) (

12

)

'

2 9,2 10 4 10 33,2 4 10

− −

− _{+ +}

= x x x x

C

pF

146

=

sehingga nilai kapasitansi total adalah

' 2 ' 1||C

C C_Tot =

(

12

) (

12

)

10 146 || 10 2 ,

17 − −

= x x

C_Tot pF 38 , 15 =

Frekuensi resonansi osilator Colpitt, jika kapasitansi sambungan diikutkan dalam perhitungan adalah L C f Tot π 2 1 0 =

(

) (

)

MHz

x x x

f 27,36

10 2 , 2 10 38 , 15 2 1 6 12

0 = _{− −} =

π

4.1.2 Osilator Hartley

kapasitansi sambungan. Menurut data sheet 2N3904, nilai Cbe=4pF, nilai

Cce=8pF, sehingga kapasitansi pada sisi output adalah

1 ' 1 C C = 12 '

1 8 10

−

= x

C

Nilai kapasitansi pada sisi input adalah

( )M

in

be C

C

C₂' = +

(

12

) (

12

)

'

2 4 10 33,2 4 10

− − ₊

= x x x

C pF 8 , 136 =

Sehingga nilai kapasitansi total adalah

' 2 ' 1||C

C CTot =

(

12

) (

12

)

10 8 || 10 8 ,

136 − −

= x x

C_Tot pF 56 , 7 =

Frekuensi resonansi osilator Hartley, jika kapasitansi sambungan diikutkan dalam perhitungan adalah Tot TotL C f π 2 1 0 =

(

12

) (

6

)

4.1.3 Osilator Clapp

Pada Tabel 4-1, dapat dilihat bahwa frekuensi resonansi osilator Clapp 43,347 MHz. Pada perancangan osilator Clapp, penulis tidak memperhitungkan efek kapasitansi sambungan. Menurut data sheet 2N3904, nilai Cbe=4pF, nilai Cce

= 8pF, sehingga nilai kapasitansi pada sisi output adalah

ce C C C₁' = ₁+

(

12

) (

12

)

'

1 10 10 8 10

− − ₊

= x x

C

pF

18

=

nilai kapasitansi pada sisi input adalah

) (

2 '

2 C Cbe CinM

C = + +

(

x

) (

x

) (

x x

)

pF

C' 10 10 12 4 10 12 33,12 4 10 12 146,48

2 = + + =

− −

−

sehingga nilai kapasitansi total adalah

(

x

) (

x

) (

x

)

pF

C_{Tot =} 18 10−12 || 4,6 10−12 || 146,48 10−12 ₌3,57

Frekuensi resonansi osilator Clapp, jika kapasitansi sambungan diikutkan dalam perhitungan adalah

L C f

Tot π

2 1

0 =

(

12

) (

6

)

0

10 9 , 1 10 57 , 3 2

1

− −

=

x x x f

π

MHz

109 , 61

Pada Tabel 4-1, dapat dilihat bahwa nilai DC dan AC hasil implementasi osilator Clapp sangat mendekati dengan perancangan dibandingan dengan dengan osiator lain dengan nilai error terkecil yaitu 19,3%.

4.2. Pengamatan Sinyal Output

Data pengamatan sinyal output setiap osilator ditunjukkan pada Tabel 4-2. Pada Tabel 4-2, dapat dilihat bahwa, sinyal output osilator Colpitt dan Clapp berbentuk sinus murni sedangkan sinyal output osilator Hartley mendekati sinyal segitiga.

Tabel 4-2. Sinyal output osilator.

Gambar 4-2. Spektrum frekuensi osiolator Colpitt.

Berdasarkan data pada Tabel 4-2, spektrum frekuensi osiolator Hartley, seperti yang di