ELEKTRONIKA TELEKOMUNIKASI

(1)

Small-Signal RF Amplifier

(RF Current Amplifier)

DTG2D3

ELEKTRONIKA

TELEKOMUNIKASI

(2)

• Model penguat

• Definisi parameter s dan konversi dari parameter y, z, h ke

parameter s

• Definisi faktor-faktor penguatan

• Kemantapan penguat RF

• Lingkaran/daerah kemantapan penguat pada Smith Cart

• Perancangan Penguat dengan Gain Maksimum

• Perancangan Penguat dengan Operating Power Gain Ditentukan

• Perancangan Penguat dengan Available Power Gain Ditentukan

• Perancangan Penguat dengan VSWR Ditentukan

• Perancangan Penguat dengan Noise Figure Ditentukan

Small-Signal RF Amplifier

(3)

KUTUB-4: PENGUAT FILTER FREK KONVERTER RECEIVER  

Small-Signal RF Amplifier

(4)

Komponen Aktif Eg Zg IMC in IMC out Transistor _Z_L Sumber sinyal/ tahap sebelumnya beban/tahap berikutnya Impedance Matching Circuit input/output

Tampak bahwa sistem dapat dipandang sebagai hubungan kaskade

dari kutub-4, sehingga pada umumnya metoda analisis yang dapat

digunakan untuk mempelajari perilaku suatu penguat adalah dengan

menggunakan parameter satu kutub empat.

V

2

V

1

Kutub 4

I

1

I

2

Parameter Kutub 4 :

1. Parameter Z, Y, H, ABCD (frekuensi

rendah)

2. Parameter S (frekuensi rendah

sampai tinggi)

Small-Signal RF Amplifier

(5)







































2 1 22 21 12 11 2 1

V

.

h

V

i

Parameter H

Parameter ABCD







































2 2 1 1

i

-V

.

D

C

B

A

i

V

Parameter-parameter tersebut diatas mudah diukur pada frekuensi rendah, karena pengukurannya membutuhkan BEBAN HUBUNG SINGKAT dan/atau BEBAN

TERBUKA, yang mudah diperoleh pada frekuensi RENDAH.

Pada frekuensi tinggi, parameter Z(impedansi), H(hybrid), Y(admitansi) atau ABCD sangat sulit (tidak mungkin) DIUKUR, karena :

1. Penggunaan beban terbuka/tertutup (hubung singkat) dapat menyebabkan komponen aktif yang digunakan tidak stabil (OSILASI)

2. Pada frekuensi tinggi sulit memperoleh beban TERBUKA/TERTUTUP dengan range bidang frekuensi yang lebar (wilayah operasi frekuensi yang lebar)

Parameter Z







































2 1 22 21 12 11 2 1

i

.

Z

V

Parameter Y







































2 1 22 21 12 11 2 1

V

.

Y

i

Small-Signal RF Amplifier

(6)

datang

gelombang

Zoi

Vi

i

a







gelombang

pantul

Zoi

-Vi

i

b



Gambar a_i dan b_i

Signal flow graph _{Dimana: i = 1(port 1) atau 2 (port 2)}

Small-Signal RF Amplifier

Parameter S

(7)







































2

1

22

21

12

11

2

1 a

a

.

S

b

a

b

0 a

1 1 2 i 11

S



→ koefisien refleksi masukan dengan keluaran K-4

ditutup beban sesuai (match)

a

b

0 a

1 2 2 f 21

S



→ koefisien transmisi maju dengan keluaran K-4

_{ditutup beban sesuai}

a

b

0 a

2 2 1 o 22

S



→ koefisien refleksi keluaran dengan masukan K-4

ditutup beban sesuai

a

b

0 a

2 1 1 r 12

S



→ koefisien transmisi balik dengan masukan K-4

ditutup beban sesuai

Zo2 Zo1 b1 "Parameter S" a1 a2 b2 V2 V1

Small-Signal RF Amplifier

Parameter S

(8)

Small-Signal RF Amplifier

(9)

Small-Signal RF Amplifier

(10)

Small-Signal RF Amplifier

(11)

Small-Signal RF Amplifier

(12)



L



OUT



IN



S

a

1

b

1

Es

Z

g

IMC

in

Z

L

IMC

out

a

2

b

2

P

AVS

_P

_IN

_P

_AVN

_P

L Faktor Penguatan :

1. Transducer Power Gain (GT)

sinyal

sumber

pada

tersedia

yang

Daya

beban

ke

diberikan

yang

Daya

P

G

AVS L T



2. Operating Power Gain (GP)

r

transisto

ke

diberikan

yang

Daya

beban

ke

diberikan

yang

Daya

P

G

IN L P



3. Available Power Gain (GA)

sinyal

sumber

pada

tersedia

yang

Daya

r

transisto

dari

tersedia

Daya

P

G

AVS AVN A



Small-Signal RF Amplifier

(13)

L 22. L 21. 12. 11 IN 1 1 IN 1 L 22. L 21. 12 1 11 2 L 12 1 11 1 L 22 1 21 2 L 22 1 21 2 2 L 2 2 2 L 2 22 1 21 2 2 12 1 11 1

S

-1

S

b

.

S

-1

.S

S

+

.

S

=

.b

.

S

+

.

S

=

b

S

-1

.

S

=

.b

.

S

+

.

S

=

b

.b

b

.

S

.

S

b

.

S

.

S

b

a













































2 2 OUT

a

b

0 E

s





E

S

= 0 → a

1

=



S

.b

1

b

₁

= S

₁₁

.



_S

.b

₁

+ S

₁₂

.a

₂

→

S 11 2 12 1

.

S

-1

.

S

b

a







L



OUT



IN



S

a

1

b

1 Es Zg IMC in ZL IMC out

a

2

b

2 PAVS _P_IN _P_AVN _P L

Small-Signal RF Amplifier

(14)

P

_IN

= ½ |a

₁

|

2 - ½ |b

₁

|

2 = ½ |a

₁

|

2 .( 1 - |Γ

_IN

|

2 )

b

₂

= S

₂₁

.



_S

.b

₁

+ S

₂₂

.a

₂

=

2 22 2 S 11 S 21. 12

a

S

.

S

-1

.S

S





S 11 S 21 12 22 2 2 OUT

.

S

-1

.

.S

S

a

b

0 Es









L



OUT



IN



S

a

1

b

1

Es

Z

g

IMC

in

Z

L

IMC

out

a

2

b

2

P

AVS

_P

_IN

_P

_AVN

_P

L

Small-Signal RF Amplifier

(15)



S

V

1

b

S

a

S

b

1

a

1



IN

I

1

Z

S

E

S V₁ = E_S + I₁.Z_S Bila :

O 1 1 Z -V

a

 O 1 1

Z

V

b





O S O S S Z Z Z E b   _S _O O S S

Z

-Z







-1

bs

.

s.

bs

.

b

.b

b

IN S 1 1 IN 1 1 IN 1 1 S S 1

a





























2 IN S 2 IN 2 S 2 1 IN

.

-1

.

b

P





Daya yang tersedia pada sumber sinyal (PAVS) = Daya masukan transistor (PIN), bila



IN =



S*, sehingga : 2 S 2 S 2 1 IN S IN AVS

1 b

P

_*

P

















 

2



IN S 2 IN 2 S AVS IN

.

-1

.

-1

.

P





atau P_IN = P_AVS . M_S dimana:



 



2 IN S 2 IN 2 S S

.

-1

.

-1

M





Small-Signal RF Amplifier

FAKTOR PENGUATAN PENGUAT RF

RANGKAIAN MASUKAN :

(16)

OUT L VL bTH aTH b2 a2 IL ZOUT ETH ZL V_L = E_TH – I_L . Z_OUT Bila :

O L 2

Z

-V

b



O L 2

Z

V

a





O OUT O TH TH

Z

E

b





O OUT O OUT OUT

Z

-Z







b₂ = b_TH + _OUT._L.b₂ dimana _L . b₂ = a₂ → L OUT TH 2

.

-1

b





Daya yang diberikan ke BEBAN :

)

-(1

.

b

-b

P

L2 2 2 2 1 2 2 2 1 2 2 2 1 L



a





2 L OUT 2 L 2 TH 2 1 L

1 -1

.

b

P









Daya tersedia dari Kutub-4:

PAVN = PL, bila



L=



OUT

*

2

OUT 2 TH 2 1 L OUT L AVN

1 b

P

*

P

















 



2 L OUT 2 OUT 2 L AVN L

.

-1

.

-1

.

P





atau PL = PAVN . ML dimana



 



2 L OUT 2 OUT 2 L L

.

-1

.

-1

M





Small-Signal RF Amplifier

FAKTOR PENGUATAN PENGUAT RF

RANGKAIAN KELUARAN:

(17)

)

-(1

.

a

)

-(1

.

b

P

G

2 IN 2 1 2 1 2 L 2 2 2 1 IN L P





L 22 1 21 2

r

.

S

-1

.

S

b



a

→

₂ L 22 2 L 2 21 2 IN P

.

S

1 -1

S

-1

1 G









.M

G

P

.

G

P

.

P

G

P S AVS IN P AVS IN IN L AVS L T



2 L 22 2 L 2 21 2 IN S 2 S

.

S

1 -1

S

1 -1

.

-





atau 2 L OUT 2 L 2 21 2 S 11 2 S T

.

1 -1

S

.

S

1 -1

G

-







M

G

P

.

P

G

L T L AVN AVS L AVS AVN A



2 OUT 2 21 2 S 11 2 S A

1

1 S

.

S

1 -1

G

-









OPERATING POWER GAIN (GP):

TRANDUCER POWER GAIN

AVAILABLE POWER GAIN

Small-Signal RF Amplifier

(18)

• Transistor microwave mempunyai parameter “S” pada 10

GHz, dengan impedansi referensi (Z

_O

) 50



sbb.:

S

₁₁

=0,45 <150

0

S

₁₂

=0,01 <-10

0

S

₂₁

=2,05 <10

0

S

₂₂

=0,40 <-150

0

Jika digunakan hambatan sumber Z

_S

=20



dan Hambatan

beban sebesar Z

_L

=30



, hitunglah Operating power Gain, Available

Power Gain, dan Transducer Power Gain!

Solusi:



_S

=-0.429,



_L

=-0.250

49 .

5

85 .

5

94 .

5

151

408 .

0 dan

150

455 .

0

0 _OUT 0 IN





























T A P

G

Small-Signal RF Amplifier

Contoh Soal

(19)

ZIN(



IN) Za (



a) ZS (



S) Ei Zi=Zo IMC in PAVS PIN

a

1 a

1 VSWR

IN











O O

Z

Za

Z

-Za

a







)

a

-(1

M

.M

P

)

a

-.(1

P

2 S S AVS IN 2 AVS IN

















-1

*

-a

-1

)

-(1

.

)

-(1

1 a

-1

)

-(1

.

)

-(1

M

-1

a

S IN S IN 2 IN S 2 IN 2 S 2 IN S 2 IN 2 S S S



























Small-Signal RF Amplifier

VSWR MASUKAN

(20)

Z

IN

(



IN

)

Za

(



a

)

Z

S

(



S

)

Ei

Z

i=

50 IMC

in

P

AVS

P

IN



_{S = 0,614 <160}

°



_{IN = 0,4 <-145}

°

Hitunglah :

a.

|



a

|

(0.326)

b. VSWR

_IN

(1.985)

Small-Signal RF Amplifier

CONTOH SOAL

(21)

ZL (



L) ZOUT (



OUT) ZL=Zo IMC out PAVN PL Zb (



b)

PL = P

_AVN

. ML

b b

1

1 VSWR

OUT











O O

Z

Zb

Z

-Zb

b







-1

*

-1

)

-(1

.

)

-(1

1 -1

)

-(1

.

)

-(1

M

-1

L OUT L OUT 2 L OUT 2 OUT 2 L 2 L OUT 2 OUT 2 L L L b b b



























Small-Signal RF Amplifier

VSWR KELUARAN

(22)

1. Mantap tanpa syarat (Unconditionally Stable)

Suatu penguat dinyatakan MANTAP TANPA SYARAT, bila terpenuhi │



IN│< 1

dan │



OUT│< 1; untuk SEMUA harga impedansi sumber dan beban PASIF

(│



S│< 1 dan │



L│< 1)

2. Mantap bersyarat (Conditionally Stable, Potentially Unstable)

Suatu penguat

dinyatakan

MANTAP BERSYARAT, bila

terpenuhi

│



IN│< 1

dan │



OUT│< 1; untuk SEJUMLAH harga impedansi sumber dan beban PASIF

OSILASI terjadi pada penguat, jika pada terminal masukan atau keluarannya, terdapat RESISTANSI NEGATIF, yaitu bila │



IN│> 1 atau │



OUT│> 1.

Sebagai contoh, jika impedansi masukan : ZIN = - RIN + jXIN

(-RIN = resistansi negatif)

1 X

)

R

-Z

(

X

)

Z

(R

Z

jX

R

Z

-jX

R

-

2 1 2 IN 2 IN O 2 IN 2 O IN O IN IN O IN IN IN













)

X

j(X

)

R

-(R

E

I

S IN IN S S







L



OUT



IN



S Es ZS ZL Zout Zin

Small-Signal RF Amplifier

KEMANTAPAN PENGUAT RF

(23)

Pada satu frekuensi tertentu bisa terjadi :



















I

0 X

X

0 R

R

S IN IN S

Berdasarkan kepada koefisien refleksi, penguat yang MANTAP TANPA SYARAT akan terpenuhi bila :

1. │



S│< 1 2. │



L│< 1

1 .

S

-1

.

.S

S

L 22 L 21 12 11 IN











1 .

S

-1

.

.S

S

S 11 S 21 12 22 OUT











4. .

Pada penguat MANTAP BERSYARAT, harga│



S│dan│



L│yang memberikan kemantapan

dapat ditentukan dengan menggunakan PROSEDUR GRAFIS pada SMITH CHART.

Tempat kedudukan



S dan



L yang menghasilkan │



OUT│=1 dan │



IN│=1 ditentukan dulu :

1 .

S

-1

.

.S

S

L 22 L 21 12 11 IN











21 12 22 11 2 2 22 21 12 2 2 22 11 22 L

dimana

S

.S

-

S

.S

-S

.S

S

-S

*

*)

.S

-(S

-













3. .

Small-Signal RF Amplifier

KEMANTAPAN PENGUAT RF

(24)

Persamaan diatas merupakan persamaan lingkaran beban

(tempat kedudukan



L untuk│



IN│=1):























lingkaran

pusat

titik

-S

*

*)

.S

-(S

C

jari

-jari

-S

.S

S

R

2 2 22 11 22 L 2 2 22 21 12 L Z=



IN



1

Smith Chart CL CL

R

L Lingkaran Kemantapan Beban

Bagaimana menentukan daerah



L yang

MANTAP ? Jika 11 IN O L O L L O L

0 S

Z

-Z

Z



















Small-Signal RF Amplifier

(25)

Z= Z=0 

1

IN





Smith Chart CL CL

R

L Lingkaran Kemantapan Beban

Pusat Smith Chart

1

IN





daerah tidak mantap

1

IN





Daerah yang diarsir adalah daerah MANTAP



L

1 S11 

Jadi bila│S11│< 1, maka│



IN│< 1, untuk



L = 0

(Z

_L

=Z

_O

)

→ daerah yang mengandung titik pusat Smith Chart adalah daerah mantap

(26)

1

IN





Smith Chart CL L

R

Lingkaran Kemantapan Beban

1

IN





Daerah mantap L C

1 S

11



Jadi jika│S11│> 1, maka│



IN│> 1 untuk



L = 0 (Z_L=Z_O)

→ daerah yang mengandung titik pusat Smith Chart adalah daerah tidak mantap

(27)

Figure 11-5 (p. 544)

Microwave Engineering, 3

rd

_{Edition, by David M Pozar}

Load (Output) stability circles for a conditionally stable device.

(a) |S

₁₁

| < 1. (b) |S

₁₁

| > 1.

(28)

28

Persamaan diatas merupakan persamaan lingkaran sumber (tempat kedudukan



S

untuk│



OUT│=1):























lingkaran

pusat

titik

-S

*

*)

.S

-(S

C

jari

-jari

-S

.S

S

R

2 2 11 22 11 S 2 2 11 21 12 S

1

OUT





Smith Chart

1

OUT





Daerah arsiran adalah

daerah mantap



S

1 S

2

2 

S

C

CS

S

R

1

OUT





1 .

S

-1

.

.S

S

S 11 S 21 12 22 OUT











₂ ₂ 11 22 12 21 11 21 12 2 2 11 22 11 S

dimana

:

S

.S

-

S

.S

-S

.S

S

-S

*

*)

.S

-(S

-













(29)

1

OUT





Smith Chart

Lingkaran

Kemantapan Sumber

1

OUT





daerah mantap



S

1 S

2

2 

S

C

S S

R

1

OUT





Small-Signal RF Amplifier

(30)

Kondisi mantap ”TANPA SYARAT”

untuk semua sumber atau beban

dapat ditulis dengan :

1 S

untuk

1 -C

L

R

L



11



Smith Chart

1 S

1

1 

L

C

L L

R

L L

C



R

Small-Signal RF Amplifier

(31)

Smith Chart

1 S

2

2 

S

C

S S

R

1 S

untuk

1 -C

S

R

S



22



Small-Signal RF Amplifier

(32)

21 12 22 11 21 12 2 2 22 2 11

.S

S

-.S

S

dimana

1 .S

S

2 S

-S

-1

K













21

12

2

11 S

.S

S

-1



1 -

S

22

2 

S

12 .S

21 kondisi cukup dan perlu untuk memperoleh KEMANTAPAN TANPA SYARAT :

1 K



S

11 

1

1 -

S

112



S

12

.S

21

1 S

22 

1 -

S

22

2 

S

12 .S

21 atau cukup dengan :

1 K



dan

1 



Small-Signal RF Amplifier

FAKTOR KEMANTAPAN K

(33)

KONDISI TIDAK MANTAP → KONDISI MANTAP TANPA SYARAT :

1. dengan pembebanan resistif

R

_R

R

2. dengan umpan balik

R

(34)

1. Suatu transistor jenis GaAs MESFET dengan parameter s, diukur pada V

_ds

=

5 V dan I

_ds

= 40 mA, f = 9 GHz, referensi 50 ohm:

S

₁₁

=0,65 <-154

0

S

₁₂

=0,02 <40

0

S

₂₁

=2,04 <185

0

S

₂₂

=0,55 <-30

0

Γ

_s

= 0,38 <25

0

Tentukan:

1. factor Delta ∆

(0,332 < 171

0

)

2. Faktor stabilitas K (4,72)

3. Koefisien refleksi keluaran

Γ

_out

(0,56 < -40,7

0

)

4. GA (Available Power Gain) (6,94dB)

Ref: Microwave Circuit Analysis & Amplifier Design, by Samuel Y.Liao, Exp. 3-4-2.

Small-Signal RF Amplifier

(35)

2. Parameter S untuk HP HFET-102 GaAs FET pada frekuensi 2 GHz, dicatu

dengan tegangan biasing V

_gs

= 0 dengan Z

₀

=50



sebagai berikut:

S

₁₁

=0.894 <-60.6

0

S

₁₂

=0,020 <62.4

0

S

₂₁

=3.122 <123.6

0

S

₂₂

=0,781 <-27.6

0

Tentukan kestabilan transistor tersebut dengan menghitung K dan



, kemudian

plot-kan daerah kestabilannya !

Solusi:



= 0.696 < -83

0

_{K = 0,607}



_{potentially unstable}

C

_L

= 1.363<47

0

_R

L

= 0.50

C

_S

= 1.132<68

0

_R

S

= 0.199

Ref: Microwave Engineering, 2

nd

_{Edition, by David M Pozar, Exp 11.2}

Small-Signal RF Amplifier

(36)

36

• Plot lingkaran

kestabilan sumber

dan beban

(37)

Jika dipilih :

_diperoleh

_penguatan

_daya

_transduce

_r

_(G

₎

_maksimum

*

T L OUT S IN

















→ syarat transistor mantap tanpa syarat

L 22 L 21 12 11 S

.

S

-1

.

.S

S

*









S 11 S 21 12 22 L

.

S

-1

.

.S

S

*









1 2 1 2 1 1 SM

C

2 C

4 -B

B









2 2 2 2 2 2 LM

C

2 C

4 -B

B









dimana :

_B

₁



₁



_S

₁₁2

_-

_S

₂₂ 2

_-



2

*

S

.

S

C

1



11



22 2 2 11 2 22 2

1 S

-

S

-

B







*

S

.

-S

C

2



22



11



L



OUT



IN



S a1 b1 Es Zg IMC in ZL IMC out a2 b2 PAVS _P_IN _P_AVN _P_L atau 2 LM 22 2 LM 2 21 2 SM MAX T,

.

S

1 -1

S

-1

1 G









(K

-

K

-

1 )

S

G

2 12 21 MAX T,



Small-Signal RF Amplifier

(38)

• Rancanglah suatu penguat dengan gain maximum pada frekuensi 4

GHz menggunakan single-stub matching! Transistor GaAs FET

mempunyai parameter S dengan Z

₀

=50



sebagai berikut:

S

₁₁

=0.72 <-116

0

S

₁₂

=0,03 <57

0

S

₂₁

=2.60 <76

0

S

₂₂

=0,73 <-54

0

Ref: Microwave Engineering, 2nd _{Edition, by David M Pozar, Exp 11.3}

Solusi:

_

_{= 0.488 < -162}

₀

_{K = 1,195}

_

_{unconditionally stable}

_SM = 0.872 < 1230 Γ

LM = 0.876 < 610

G_T,max = 16.7 dB

Perhatikan rangkaian penyesuai impedansi sbb:

Small-Signal RF Amplifier

(39)

Circuit design and frequency response for the transistor amplifier of

Example 11.3. (a) Smith chart for the design of the input matching

(40)

(41)

a. KASUS KEMANTAPAN TANPA SYARAT P . 2 21 2 L 22 2 L 2 21 2 IN P

S

g

.

S

1 -1

S

-1

1 G











dimana:



.C



Re

2 -)

-S

.(

S

-1

g

2 L 2 2 22 2 L 2 11 2 L P













21 12 22 11 11 22 2

.S

S

-.S

S

.S

-S

C

*







→















2



11 P 2 L P 2 2 22 P 2 L

-

1 

g

.

S

-



-

2.g

.Re



.C



1 -

g

1 -

S



)

-S

(

g

1 )

S

-1

(

g

-1

)

-S

(

g

1 *

.

*

.C

g

-)

-S

(

g

1 .

.C

g

-

₂ ₂ 22 P 2 11 P 2 2 22 P L 2 P 2 2 22 P L 2 P 2 L



















titik pusat lingkaran :

)

-S

(

g

1 *

.C

g

C

₂ ₂ 22 P 2 P P







jari-jari lingkaran :





)

-S

.(

g

1 g

.

.S

S

.g

.S

S

2K.

-1

R

2 2 22 P 2 1 2 P 2 21 12 P 21 12 P







Small-Signal RF Amplifier

PERANCANGAN PENGUAT DENGAN GP DITENTUKAN: Lingkaran Gp (Operating Power Gain) Konstan

(42)

GP maksimum terjadi pada

R

P = 0; artinya :

g

P_,MAX. |S12.S21|

²

– 2K.|S12.S21|.

g

P,MAX + 1 = 0





2 21 MAX P, 2 21 12

S

G

1 -K

-K

.S

S

1 g

MAX P,



sehingga



_K

_-

_K

_-

₁



S

G

2 12 21 MAX P,



Prosedur menggunakan lingkaran GP konstan :

1) Untuk GP yang ditentukan, hitung titik pusat dan jari-jari lingkaran GP konstan

2) Pilih

Γ

L yang diinginkan (di lingkaran tersebut)

3) Dengan

Γ

L tersebut, daya keluaran maksimum diperoleh dengan

melakukan conjugate match pada masukan, yaitu

Γ

S =

Γ

IN*

Γ

S ini akan memberikan GT = GP

o 22 o 12 o 21 o 11

95,7

-0,572

S

16,3

0,057

S

Hz)

6 (f

28,5

2,058

S

171,3

-0,641

S

Transistor

:

Contoh

















G

Rancanglah sebuah penguat RF yang mempunyai GP = 9 dB

Ref: Gonzalez, Guillermo; Microwaves Transistor Amplifier: Analysis & Design; Prentice Hall, 1984

(43)

Solusi

0,3014





K = 1,504 → mantap tanpa syarat

1,875

4,235

7,94

S

G

g

4,235

(2,058)

S

2 21 P P 2 2 21







o 2

0,3911

-

103,9

C





R

_P = 0,431

→ gambar tempat kedudukan

Γ

L yang memberikan GP = 9 dB

o 9 , 103 A 0,431 tempat kedudukan



L yang memberikan GP = 9dB A) (titik 47,5 0,36 pilih Kita L  o



S yang memberikan daya keluar maksimum

o S L 22 L 21 12 11 IN S 175,51 0,629 * S -1 . .S S S *               o P

0,508

103,9

C





Small-Signal RF Amplifier

(44)

1. Suatu transistor jenis GaAs MESFET dengan parameter s, diukur pada V

_ds

=

5 V dan I

_ds

= 40 mA, f = 9 GHz, referensi 50 ohm:

S

₁₁

=0,65 <-154

0

S

₁₂

=0,02 <40

0

S

₂₁

=2,04 <185

0

S

₂₂

=0,55 <-30

0

Tentukan:

1. factor Delta ∆

(0,332 < 171

0

₎

2. Faktor stabilitas K (4,72)

3. Carilah



_L

dan



_S

Yang manghasilkan Gp = 10 dB !

4. Rancanglah IMC input dan IMC output-nya untuk Hambatan

sumber dan beban 50



!

Small-Signal RF Amplifier

(45)

b. KASUS MANTAP BERSYARAT

Dengan transistor mantap bersyarat, prosedur perancangan untuk GP

tertentu adalah sebagai berikut:

1) Untuk GP yang diinginkan, gambar lingkaran GP konstan dan lingkaran

kemantapan beban. Pilih

Γ

L yang berada pada daerah mantap dan tidak

terlalu dekat dengan lingkaran kemantapan beban.

2) Hitung

Γ

IN dan tentukan apakah conjugate match pada masukan mungkin.

Untuk itu gambar lingkaran kemantapan sumber dan periksa apakah

Γ

S =

Γ

IN*

terletak pada daerah mantap.

3) Jika

Γ

S =

Γ

IN* tidak terletak pada daerah mantap atau terletak pada daerah

mantap namun terlalu dekat dengan lingkaran kemantapan sumber, pilih

Γ

L yang

lain dan ulangi langkah 1) dan 2)

Catt: nilai

Γ

S dan

Γ

L sebaiknya tidak terlalu dekat dengan lingkaran kemantapan,

karena ketidakmantapan (OSILASI) dapat terjadi oleh variasi nilai komponen yang digunakan sehingga

Γ

L dan

Γ

S masuk ke daerah tidak mantap.

o 22 o 12 o 21 o 11

100 -0,8

S

30 0,08

S

GHz)

6 (f

70 2,5

S

180 -0,5

S

Transistor

:

Contoh

















Rancanglah sebuah penguat RF yang mempunyai GP = 10 dB

Ref: Gonzalez, Guillermo; Microwaves Transistor Amplifier: Analysis & Design; Prentice Hall, 1984

Small-Signal RF Amplifier

PERANCANGAN PENGUAT DENGAN GP DITENTUKAN: Lingkaran Gp (Operating Power Gain) Konstan

(46)

46 Solusi :

0

62,12

0,223







K = 0,4 → transistor mantap bersyarat

























0,34

R

97,2

1,18

C

0,473

R

97,2

0,572

C

10dB

G

L o L P o P P CL o 2 , 97 A Lingkaran GP = 10dB konstan

R

P

R

L CP Lingkaran kemantapan beban Smith Chart

Small-Signal RF Amplifier

(47)

 Oleh karena |S11| < 1, daerah MANTAP berada diluar lingkaran

kemantapan BEBAN

 Pilih titk A →



L



0,1



97,2

o →



S





IN

*



0,52



179,32

o

 Lingkaran kemantapan sumber : o S

1,67

171 C





R_S = 1,0

Γ

S diatas harus diperiksa apakah berada di daerah MANTAP

 Daerah mantap berada di luar lingkaran kemantapan sumber →

Γ

S berada di

daerah mantap, maka

Γ

S dapat digunakan



L



OUT



IN



S

=



IN

*

Es

Z

s

= 50

IMC

in

Z

L

= 50

IMC

out

Small-Signal RF Amplifier

(48)

a) KASUS MANTAP TANPA SYARAT A . 2 21 2 S 11 2 S 2 21 2 OUT A

S

g

.

S

1 -1

S

-1

1 G













.C



Re

2 -)

-S

.(

S

-1

S

G

g

1 S 2 2 11 2 S 2 22 2 S 2 21 A A













_C

1



_S

11

_-



_.S

22

_*

Dengan cara yang sama seperti lingkaran GP konstan, diperoleh :

Lingkaran GA konstan :

titik pusat lingkaran :

)

-S

(

g

1 *

.C

g

C

₂ ₂ 11 A 1 A A







jari-jari lingkaran :





)

-S

(

g

1 g

.

.S

S

g

.S

S

2K

-1

R

2 2 11 A 2 1 2 A 2 21 12 A 21 12 A







Semua

Γ

S pada lingkaran, memberikan suatu GA yang diinginkan. Untuk GA tertentu,

daya keluaran maksimum diperoleh dengan

Γ

L =

Γ

OUT*

→

Γ

L ini memberikan GT = GA

Small-Signal RF Amplifier

PERANCANGAN PENGUAT DENGAN GA DITENTUKAN:

(49)

b) KASUS MANTAP BERSYARAT

1. Untuk GA yang diinginkan, gambar lingkaran G

_A

konstan dan

lingkaran kemantapan sumber. Pilih

Γ

_S

yang berada di daerah

mantap dan tidak terlalu dekat dengan lingkaran kemantapan

sumber.

2. Hitung Γ

_OUT

dan periksa apakah conjugate match mungkin, untuk itu

gambar lingkaran kemantapan beban dan periksa apakah

Γ

_L

= Γ

_OUT

*

berada di daerah mantap.

3. Jika

Γ

_L

=

Γ

_OUT

* tidak berada pada daerah mantap atau terlalu dekat

dengan lingkaran kemantapan beban, pilih

Γ

_S

(atau G

_A

) yang lain dan

ulangi langkah 1) dan 2).

Catt: nilai

Γ

S dan

Γ

L sebaiknya tidak terlalu dekat dengan lingkaran kemantapan,

karena ketidakmantapan (OSILASI) dapat terjadi oleh variasi nilai komponen yang digunakan sehingga

Γ

L dan

Γ

S masuk ke daerah tidak mantap.

Small-Signal RF Amplifier

PERANCANGAN PENGUAT DENGAN GA DITENTUKAN:

(50)

o 22 o 12 o 21 o 11

100 -0,8

S

30 0,08

S

GHz)

6 (f

70 2,5

S

180 -0,5

S

Transistor

:

Contoh

















Rancanglah sebuah penguat RF yang mempunyai GA = 10 dB!

Rancang pula IMC-in dan IMC-out dengan menggunakan stub paralel-open circuit!

Small-Signal RF Amplifier

(51)

• VSWR

_IN

konstan



IN

Za

(



a

)



S

E

1

Z

i=

50 IMC

in

konstan

VSWR

lingkaran

diturunkan

dapat

.

-1

*

-a

a

-1

a

1 VSWR

IN S IN S IN IN

















Small-Signal RF Amplifier

(52)

Lingkaran VSWR

_IN

konstan :

2 IN 2 IN

a.

1 )

a

-(1

.

*

Cvi









jari-jari lingkaran : 2 IN 2 IN

a.

1 )

-(1

.

a

Rvi









Pada kasus mantap tanpa syarat dan beberapa kasus mantap bersyarat,

Γ

S dapat dipilih =

Γ

IN* ; untuk memperoleh VSWRIN = 1.

Bila VSWRIN = 1 →















0 Rvi

*

Cvi

0 a

IN Jadi

Γ

S =

Γ

IN* memberikan



a



0

→ VSWRIN = 1

Small-Signal RF Amplifier

(53)

• VSWR

_out

konstan

DENGAN CARA YANG SAMA :

.

-1

*

-1

1 VSWR

L

OUT

L

OUT

b















Lingkaran VSWR

_OUT

konstan :

titik pusat lingkaran :

2 OUT 2 OUT

.

1 )

-(1

.

*

Cvo

b









jari-jari lingkaran :

2 OUT 2 OUT

.

1 )

-(1

.

Rvo

b b









Small-Signal RF Amplifier

(54)

Lingkaran Noise figure/Faktor Derau Konstan:



2



2 S 2 S MIN

opt

1 .

-1

opt

-n

4 F

F

r











dimana: F

_MIN

= faktor derau minimum komponen aktif

r

n = equivalent normalized noise resistance (= R

_N

/Z

_O

)

Γ

_opt

= koefisien refleksi sumber yang dapat menghasilkan faktor

derau minimum



L



OUT



IN



S =



IN* Es Zs = Zo IMC in ZL = Zo IMC out

Small-Signal RF Amplifier

(55)

Ambil satu harga F = Fi 2 MIN 2 S 2 S

opt

1 .

n

4 F

-Fi

-1

opt

-r





















.

1 opt

konstan

Ni

n

4 F

-Fi

Ni

MIN 2

r

1 -opt -2 S 2 S    (

Γ

S -

Γ

opt).(

Γ

S* -

Γ

opt) = Ni – Ni |

Γ

S|

²

|

Γ

S|

²

.(1 + Ni) – 2Re[

Γ

S.

Γ

opt*] + |

Γ

opt|

²

= Ni





Ni

1 Ni

Ni

1 opt

*

opt

.

Re

Ni

1

2

-2 S 2 S

















→ merupakan persamaan lingkaran di bidang

Γ

S dan dapat ditulis menjadi :









2 2 2 2 S

Ni

1 opt

-1

Ni

1 opt

-











untuk Ni tertentu, diperoleh lingkaran faktor derau Fi konstan. Lingkaran faktor derau: