Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Penguataudio Kelas D Tanpatapis LC dengan Modulasi Tigaaras T1 612007021 BAB I
BAB I
PENDAHULUAN
Pada tugas akhir ini penulis akan merancang dan membuat penguat audio kelas D
tanpa tapis induktor-kapasitor (LC) yang memanfaatkan modulasi tiga aras. Pada bab I,
penulis akan menjelaskan latar belakang masalah, tujuan, spesifikasi perancangan penguat
audio kelas D tersebut dan sistematika penulisan di dalam pembahasan tugas akhir ini.
Pada latar belakang masalah, penulis akan menjelaskan penguat kelas D secara
umum yang selalu membutuhkan tapis LC pada bagian keluarannya. Pada kebutuhan yang
sangat portabel seperti cell phone, USB speaker, LCD TV dan notebook PC, penguat kelas
D dengan tapis LC ini tidak dapat digunakan karena ukuran dari tapis LC yang relatif besar.
Selanjutnya, penulis akan menjelaskan mengenai pengembangan dari penguat audio kelas
D yaitu pengeliminasian tapis LC pada bagian keluaran untuk mengatasi permasalahan
tersebut.
1.1. Latar Belakang Masalah
Penguat audio merupakan perangkat yang bertujuan untuk memperkuat isyarat
audio pada bagian masukan menjadi isyarat audio keluaran yang mampu mengemudikan
penyuara pada aras daya yang relatif besar. Terdapat berbagai jenis penguat audio antara
lain penguat kelas A, B, AB dan D. Penguat kelas A, B dan AB (penguat konvensional)
masuk ke dalam kategori penguat audio yang linear sedangkan penguat kelas D
dikategorikan ke dalam penguat audio yang non-linear. Pada penguat konvensional,
transistor atau MOSFET pada bagian keluaran dari penguat akan dioperasikan pada daerah
linearnya, sehingga terjadi disipasi daya pada transistor atau MOSFET yang digunakan.
Pada penguat kelas D, transistor atau MOSFET pada bagian keluaran akan dioperasikan
sebagai saklar. Transistor atau MOSFET hanya bekerja dalam keadaan saturasi atau cut-off
saja (tidak bekerja dalam daerah linearnya, oleh karena itu penguat kelas D dikatakan
sebagai penguat yang non-linear), sehingga secara ideal tidak ada disipasi daya pada
komponen transistor atau MOSFET yang digunakan.
1
Penguat audio kelas D mempunyai kelebihan pada efisiensi dayanya yang sangat
besar (dapat mencapai 90% - 95% [1]) jika dibandingkan penguat konvensional linear
lainnya. Penguat audio kelas D mempunyai keunggulan yang signifikan pada berbagai
aplikasi seperti produksi panas yang berkurang sehingga mengurangi heat-sink yang
dibutuhkan. Oleh karenanya, secara otomatis menyebabkan modul penguat audio kelas D
akan mempunyai ukuran lebih kecil dibandingkan penguat konvensional. Selain itu, pada
aplikasi yang portabel penguat audio kelas D akan mempunyai waktu pakai baterai yang
lebih panjang dikarenakan efisiensi dayanya yang besar [2].
Penguat kelas D umumnya mempunyai blok diagram yang dapat dilihat pada
Gambar 1.1.
Gambar 1.1. Blok diagram kelas D secara umum [2].
Isyarat audio masukan akan disandikan oleh bagian modulator menjadi pulsa-pulsa
pada bagian keluaran yang dapat berupa isyarat termodulasi lebar pulsa (pulse width
modulation, PWM) atau isyarat termodulasi rapat pulsa (pulse density modulation, PDM).
PWM didapatkan dengan melakukan proses perbandingan antara isyarat audio dengan
isyarat segitiga yang mempunyai frekuensi lebih tinggi dari frekuensi audio (5 hingga 50
kali lebih tinggi dari frekuensi audio [3]). Sedangkan PDM merupakan hasil keluaran pulsa
dari teknik modulasi sigma delta yang akan dijelaskan pada bab II. Pada PDM banyaknya
pulsa tiap periode clock pada keluaran akan sebanding dengan rata-rata dari amplitudo
isyarat audio masukan [4].
Pulsa-pulsa ini mempunyai komponen frekuensi yang terdiri dari frekuensi isyarat
masukan dan frekuensi switching yang lebih tinggi dari frekuensi sinyal audio. Pulsa-pulsa
hasil modulator ini akan diperkuat pada bagian tingkat daya. Kemudian, keluaran dari
2
tingkat daya akan ditapis oleh tapis lolos rendah dengan induktor-kapasitor (LC) sehingga
hanya didapatkan komponen frekuensi isyarat audio.
Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa penguat kelas D mempunyai efisiensi
yang besar sehingga modul penguat kelas D akan berukuran lebih kecil jika dibandingkan
penguat konvensional lainnya. Meskipun demikian, pada aplikasi yang sangat portabel
seperti pada cell phone, USB speaker, LCD TV dan notebook PC penguat kelas D dengan
tapis LC sulit digunakan. Hal ini disebabkan tapis LC memerlukan tempat yang relatif luas.
Pada penguat kelas D yang umum, tapis LC menghabiskan sekitar 75% dari luas PCB yang
dipakai. Selain itu, tapis LC menghabiskan sekitar 30% dari total biaya [5].
Oleh karena permasalahan di atas, dikembangkan suatu penguat audio kelas D yang
tidak menggunakan tapis LC pada bagian keluaran. Hal ini akan memberikan keuntungan
utama berkurangnya area PCB yang digunakan dalam pembuatan penguat selain
berkurangnya pula biaya pembuatan penguat. Oleh karena ukurannya yang akan menjadi
sangat kecil, penguat audio kelas D tanpa tapis LC dapat digunakan pada berbagai aplikasi
yang sangat portabel yang telah disebutkan sebelumnya.
Modulator pada penguat audio kelas D pada umumnya (penguat kelas D yang
menggunakan tapis LC) akan menghasilkan dua aras tegangan pada keluarannya.
Keluarannya mempunyai dua kondisi saja yaitu positif atau negatif. Contoh bentuk
keluaran dari dua aras keluaran hasil modulasi dapat dilihat pada Gambar 1.2. (a). Pada
penguat audio kelas D dengan dua aras keluaran ini tapis LC selalu dibutuhkan untuk
menapis frekuensi tinggi pensaklaran (switching) pada keluaran.
Penguat audio kelas D tanpa menggunakan tapis LC dapat diwujudkan dengan
menggunakan modulasi tiga aras. Dimana keluaran dari modulator akan mempunyai tiga
aras keluaran seperti dapat dilihat pada Gambar 1.2. (b). Keluaran dari modulator penguat
kelas D dengan tiga aras keluaran dapat mempunyai tiga kondisi, yaitu positif, negatif atau
nol.
3
Gambar 1.2. (a). Bentuk Gelombang dengan Dua Aras Keluaran. (b). Bentuk Gelombang
dengan Tiga Aras Keluaran. Sinyal input (merah), sinyal keluaran (biru) [6].
Keunggulan dari penguat kelas D dengan tiga aras keluaran dibanding dua aras
keluaran dapat dilihat ketika tidak diberikannya isyarat masukan pada penguat. Pada
penguat audio ketika tidak diberikan isyarat masukan, maka tidak ada keluaran pula pada
penguat. Pada penguat kelas D dengan dua aras keluaran, ketika tidak ada isyarat masukan,
keluaran dari bagian modulator adalah isyarat kotak dengan duty cycle sebesar 50% dengan
frekuensi adalah frekuensi switching yang digunakan. Modulator akan melakukan proses
switching dari aras positif ke negatif dan sebaliknya secara terus-menerus. Tapis LC selalu
digunakan pada penguat audio dengan dua aras keluaran untuk menapis frekuensi tinggi
switching pada keluaran modulator tersebut.
Sedangkan pada penguat kelas D dengan tiga aras keluaran, ketika tidak ada isyarat
masukan, keluarannya dapat berada pada aras nol (Gambar 1.3), sehingga modulator tidak
perlu melakukan proses switching karena keluarannya sudah nol. Idealnya, pada penguat
kelas D dengan tiga aras keluaran, ketika tidak ada isyarat masukan, tidak ada beda
potensial pada penyuara dan arus yang melewati penyuara pun tidak ada. Sehingga tapis LC
dapat dieliminasi pada penguat kelas D dengan tiga aras keluaran.
4
Gambar 1.3. Keluaran Modulator pada Penguat Kelas D Dua Aras Keluaran ketika Tidak
Diberikan Isyarat Masukan (OUT+ dan OUT- Terhubung ke Penyuara).
Dalam tugas akhir ini, penulis akan merancang dan membuat modul prototipe
penguat audio kelas D tanpa tapis LC pada bagian keluaran dengan menerapkan modulasi
dengan tiga aras keluaran. Modulasi tiga aras pada tugas akhir ini akan direalisasikan
dengan teknik penyandian noise-shaping coding yang merupakan pengembangan dari
teknik modulasi sigma delta atau sigma delta modulation. Teknik penyandian noise-
shaping coding yang digunakan pada tugas akhir ini akan dijabarkan secara lebih jelas pada
Bab II.
1.2. Spesifikasi Perancangan Penguat Kelas D tanpa Tapis LC
Spesifikasi perancangan penguat kelas D tanpa tapis LC yang akan dibuat ini
didasarkan pada spesifikasi penguat kelas D yang telah dibuat sebelumnya dan penguatpenguat kelas D yang ada dipasaran. Spesifikasi penguat kelas D yang dirancang tersebut
meliputi [7], [8]:
1. Berdaya keluaran maksimum 20 Watt pada beban 4 Ohm.
2. Mempunyai efisiensi > 85%.
3. Mempunyai THD < 0.5%.
4. S/N > 97 dB.
5. Kepekaan penguat: 0.1 V/W pada beban 4 ohm.
6. Mempunyai tanggapan frekuensi yang rata pada frekuensi 20 – 20 kHz dengan
toleransi ± 0.5 dB.
5
7. Jangkauan pengatur nada atau tone control yang ditambahkan pada masukan
penguat kelas D, memiliki pengatur nada dengan penguatan dan pelemahan
terhadap sinyal masukan sebesar +/-12.5dB dengan frekuensi penggal untuk
Bass = 100 Hz, Treble = 10 kHz.
Spesifikasi di atas merupakan spesifikasi yang hendak dicapai dari perancangan
penguat audio kelas D tanpa tapis LC.
1.3. Sistematika Penulisan
Tugas akhir ini terdiri dari lima bab dengan susunan pembahasan sebagai berikut.
Bab satu berupa pendahuluan yang berisi tentang latar belakang masalah, tujuan,
spesifikasi perancangan penguat kelas D dan sistematika penulisan laporan tugas akhir.
Bab dua berisi dasar teori yang berkaitan langsung dengan tugas akhir ini. Dasar
teori yang akan dibahas meliputi penguat audio kelas D tanpa tapis LC kemudian
dilanjutkan teknik penyandian modulasi tiga aras yang digunakan pada pengerjaan tugas
akhir ini. Sebelum membahas teknik penyandian pembentukan bising (noise-shaping
coding), akan dijelaskan terlebih dahulu mengenai modulasi sandi pulsa (pulse code
modulation) yang kemudian dilanjutkan dengan modulasi sigma delta (sigma delta
modulation). Kedua teknik modulasi ini erat kaitannya dengan teknik penyandian
pembentukan bising. Selanjutnya, bab ini akan ditutup dengan penjelasan mengenai piranti
MOSFET daya dan konfigurasi penguat jembatan penuh dengan MOSFET.
Bab tiga membahas perancangan penguat kelas D tanpa tapis LC dengan tiga aras
keluaran yang diwujudkan dengan teknik penyandian noise-shaping coding berdasarkan
konsep-konsep yang telah dibahas pada bab dua.
Dalam bab empat penulis akan menjelaskan pengujian penguat yang dirancang dan
dibuat untuk mengetahui spesifikasi dan unjuk kerja dari penguat audio yang telah dibuat.
Uraian akan berisi penjelasan tentang metode pengujian, susunan perangkat pengujian dan
hasil-hasil pengujian.
Bab lima berisi kesimpulan yang dapat ditarik dari tugas akhir ini serta beberapa
saran perbaikan maupun pengembangan lebih lanjut yang berhubungan dengan tugas akhir
ini.
6
PENDAHULUAN
Pada tugas akhir ini penulis akan merancang dan membuat penguat audio kelas D
tanpa tapis induktor-kapasitor (LC) yang memanfaatkan modulasi tiga aras. Pada bab I,
penulis akan menjelaskan latar belakang masalah, tujuan, spesifikasi perancangan penguat
audio kelas D tersebut dan sistematika penulisan di dalam pembahasan tugas akhir ini.
Pada latar belakang masalah, penulis akan menjelaskan penguat kelas D secara
umum yang selalu membutuhkan tapis LC pada bagian keluarannya. Pada kebutuhan yang
sangat portabel seperti cell phone, USB speaker, LCD TV dan notebook PC, penguat kelas
D dengan tapis LC ini tidak dapat digunakan karena ukuran dari tapis LC yang relatif besar.
Selanjutnya, penulis akan menjelaskan mengenai pengembangan dari penguat audio kelas
D yaitu pengeliminasian tapis LC pada bagian keluaran untuk mengatasi permasalahan
tersebut.
1.1. Latar Belakang Masalah
Penguat audio merupakan perangkat yang bertujuan untuk memperkuat isyarat
audio pada bagian masukan menjadi isyarat audio keluaran yang mampu mengemudikan
penyuara pada aras daya yang relatif besar. Terdapat berbagai jenis penguat audio antara
lain penguat kelas A, B, AB dan D. Penguat kelas A, B dan AB (penguat konvensional)
masuk ke dalam kategori penguat audio yang linear sedangkan penguat kelas D
dikategorikan ke dalam penguat audio yang non-linear. Pada penguat konvensional,
transistor atau MOSFET pada bagian keluaran dari penguat akan dioperasikan pada daerah
linearnya, sehingga terjadi disipasi daya pada transistor atau MOSFET yang digunakan.
Pada penguat kelas D, transistor atau MOSFET pada bagian keluaran akan dioperasikan
sebagai saklar. Transistor atau MOSFET hanya bekerja dalam keadaan saturasi atau cut-off
saja (tidak bekerja dalam daerah linearnya, oleh karena itu penguat kelas D dikatakan
sebagai penguat yang non-linear), sehingga secara ideal tidak ada disipasi daya pada
komponen transistor atau MOSFET yang digunakan.
1
Penguat audio kelas D mempunyai kelebihan pada efisiensi dayanya yang sangat
besar (dapat mencapai 90% - 95% [1]) jika dibandingkan penguat konvensional linear
lainnya. Penguat audio kelas D mempunyai keunggulan yang signifikan pada berbagai
aplikasi seperti produksi panas yang berkurang sehingga mengurangi heat-sink yang
dibutuhkan. Oleh karenanya, secara otomatis menyebabkan modul penguat audio kelas D
akan mempunyai ukuran lebih kecil dibandingkan penguat konvensional. Selain itu, pada
aplikasi yang portabel penguat audio kelas D akan mempunyai waktu pakai baterai yang
lebih panjang dikarenakan efisiensi dayanya yang besar [2].
Penguat kelas D umumnya mempunyai blok diagram yang dapat dilihat pada
Gambar 1.1.
Gambar 1.1. Blok diagram kelas D secara umum [2].
Isyarat audio masukan akan disandikan oleh bagian modulator menjadi pulsa-pulsa
pada bagian keluaran yang dapat berupa isyarat termodulasi lebar pulsa (pulse width
modulation, PWM) atau isyarat termodulasi rapat pulsa (pulse density modulation, PDM).
PWM didapatkan dengan melakukan proses perbandingan antara isyarat audio dengan
isyarat segitiga yang mempunyai frekuensi lebih tinggi dari frekuensi audio (5 hingga 50
kali lebih tinggi dari frekuensi audio [3]). Sedangkan PDM merupakan hasil keluaran pulsa
dari teknik modulasi sigma delta yang akan dijelaskan pada bab II. Pada PDM banyaknya
pulsa tiap periode clock pada keluaran akan sebanding dengan rata-rata dari amplitudo
isyarat audio masukan [4].
Pulsa-pulsa ini mempunyai komponen frekuensi yang terdiri dari frekuensi isyarat
masukan dan frekuensi switching yang lebih tinggi dari frekuensi sinyal audio. Pulsa-pulsa
hasil modulator ini akan diperkuat pada bagian tingkat daya. Kemudian, keluaran dari
2
tingkat daya akan ditapis oleh tapis lolos rendah dengan induktor-kapasitor (LC) sehingga
hanya didapatkan komponen frekuensi isyarat audio.
Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa penguat kelas D mempunyai efisiensi
yang besar sehingga modul penguat kelas D akan berukuran lebih kecil jika dibandingkan
penguat konvensional lainnya. Meskipun demikian, pada aplikasi yang sangat portabel
seperti pada cell phone, USB speaker, LCD TV dan notebook PC penguat kelas D dengan
tapis LC sulit digunakan. Hal ini disebabkan tapis LC memerlukan tempat yang relatif luas.
Pada penguat kelas D yang umum, tapis LC menghabiskan sekitar 75% dari luas PCB yang
dipakai. Selain itu, tapis LC menghabiskan sekitar 30% dari total biaya [5].
Oleh karena permasalahan di atas, dikembangkan suatu penguat audio kelas D yang
tidak menggunakan tapis LC pada bagian keluaran. Hal ini akan memberikan keuntungan
utama berkurangnya area PCB yang digunakan dalam pembuatan penguat selain
berkurangnya pula biaya pembuatan penguat. Oleh karena ukurannya yang akan menjadi
sangat kecil, penguat audio kelas D tanpa tapis LC dapat digunakan pada berbagai aplikasi
yang sangat portabel yang telah disebutkan sebelumnya.
Modulator pada penguat audio kelas D pada umumnya (penguat kelas D yang
menggunakan tapis LC) akan menghasilkan dua aras tegangan pada keluarannya.
Keluarannya mempunyai dua kondisi saja yaitu positif atau negatif. Contoh bentuk
keluaran dari dua aras keluaran hasil modulasi dapat dilihat pada Gambar 1.2. (a). Pada
penguat audio kelas D dengan dua aras keluaran ini tapis LC selalu dibutuhkan untuk
menapis frekuensi tinggi pensaklaran (switching) pada keluaran.
Penguat audio kelas D tanpa menggunakan tapis LC dapat diwujudkan dengan
menggunakan modulasi tiga aras. Dimana keluaran dari modulator akan mempunyai tiga
aras keluaran seperti dapat dilihat pada Gambar 1.2. (b). Keluaran dari modulator penguat
kelas D dengan tiga aras keluaran dapat mempunyai tiga kondisi, yaitu positif, negatif atau
nol.
3
Gambar 1.2. (a). Bentuk Gelombang dengan Dua Aras Keluaran. (b). Bentuk Gelombang
dengan Tiga Aras Keluaran. Sinyal input (merah), sinyal keluaran (biru) [6].
Keunggulan dari penguat kelas D dengan tiga aras keluaran dibanding dua aras
keluaran dapat dilihat ketika tidak diberikannya isyarat masukan pada penguat. Pada
penguat audio ketika tidak diberikan isyarat masukan, maka tidak ada keluaran pula pada
penguat. Pada penguat kelas D dengan dua aras keluaran, ketika tidak ada isyarat masukan,
keluaran dari bagian modulator adalah isyarat kotak dengan duty cycle sebesar 50% dengan
frekuensi adalah frekuensi switching yang digunakan. Modulator akan melakukan proses
switching dari aras positif ke negatif dan sebaliknya secara terus-menerus. Tapis LC selalu
digunakan pada penguat audio dengan dua aras keluaran untuk menapis frekuensi tinggi
switching pada keluaran modulator tersebut.
Sedangkan pada penguat kelas D dengan tiga aras keluaran, ketika tidak ada isyarat
masukan, keluarannya dapat berada pada aras nol (Gambar 1.3), sehingga modulator tidak
perlu melakukan proses switching karena keluarannya sudah nol. Idealnya, pada penguat
kelas D dengan tiga aras keluaran, ketika tidak ada isyarat masukan, tidak ada beda
potensial pada penyuara dan arus yang melewati penyuara pun tidak ada. Sehingga tapis LC
dapat dieliminasi pada penguat kelas D dengan tiga aras keluaran.
4
Gambar 1.3. Keluaran Modulator pada Penguat Kelas D Dua Aras Keluaran ketika Tidak
Diberikan Isyarat Masukan (OUT+ dan OUT- Terhubung ke Penyuara).
Dalam tugas akhir ini, penulis akan merancang dan membuat modul prototipe
penguat audio kelas D tanpa tapis LC pada bagian keluaran dengan menerapkan modulasi
dengan tiga aras keluaran. Modulasi tiga aras pada tugas akhir ini akan direalisasikan
dengan teknik penyandian noise-shaping coding yang merupakan pengembangan dari
teknik modulasi sigma delta atau sigma delta modulation. Teknik penyandian noise-
shaping coding yang digunakan pada tugas akhir ini akan dijabarkan secara lebih jelas pada
Bab II.
1.2. Spesifikasi Perancangan Penguat Kelas D tanpa Tapis LC
Spesifikasi perancangan penguat kelas D tanpa tapis LC yang akan dibuat ini
didasarkan pada spesifikasi penguat kelas D yang telah dibuat sebelumnya dan penguatpenguat kelas D yang ada dipasaran. Spesifikasi penguat kelas D yang dirancang tersebut
meliputi [7], [8]:
1. Berdaya keluaran maksimum 20 Watt pada beban 4 Ohm.
2. Mempunyai efisiensi > 85%.
3. Mempunyai THD < 0.5%.
4. S/N > 97 dB.
5. Kepekaan penguat: 0.1 V/W pada beban 4 ohm.
6. Mempunyai tanggapan frekuensi yang rata pada frekuensi 20 – 20 kHz dengan
toleransi ± 0.5 dB.
5
7. Jangkauan pengatur nada atau tone control yang ditambahkan pada masukan
penguat kelas D, memiliki pengatur nada dengan penguatan dan pelemahan
terhadap sinyal masukan sebesar +/-12.5dB dengan frekuensi penggal untuk
Bass = 100 Hz, Treble = 10 kHz.
Spesifikasi di atas merupakan spesifikasi yang hendak dicapai dari perancangan
penguat audio kelas D tanpa tapis LC.
1.3. Sistematika Penulisan
Tugas akhir ini terdiri dari lima bab dengan susunan pembahasan sebagai berikut.
Bab satu berupa pendahuluan yang berisi tentang latar belakang masalah, tujuan,
spesifikasi perancangan penguat kelas D dan sistematika penulisan laporan tugas akhir.
Bab dua berisi dasar teori yang berkaitan langsung dengan tugas akhir ini. Dasar
teori yang akan dibahas meliputi penguat audio kelas D tanpa tapis LC kemudian
dilanjutkan teknik penyandian modulasi tiga aras yang digunakan pada pengerjaan tugas
akhir ini. Sebelum membahas teknik penyandian pembentukan bising (noise-shaping
coding), akan dijelaskan terlebih dahulu mengenai modulasi sandi pulsa (pulse code
modulation) yang kemudian dilanjutkan dengan modulasi sigma delta (sigma delta
modulation). Kedua teknik modulasi ini erat kaitannya dengan teknik penyandian
pembentukan bising. Selanjutnya, bab ini akan ditutup dengan penjelasan mengenai piranti
MOSFET daya dan konfigurasi penguat jembatan penuh dengan MOSFET.
Bab tiga membahas perancangan penguat kelas D tanpa tapis LC dengan tiga aras
keluaran yang diwujudkan dengan teknik penyandian noise-shaping coding berdasarkan
konsep-konsep yang telah dibahas pada bab dua.
Dalam bab empat penulis akan menjelaskan pengujian penguat yang dirancang dan
dibuat untuk mengetahui spesifikasi dan unjuk kerja dari penguat audio yang telah dibuat.
Uraian akan berisi penjelasan tentang metode pengujian, susunan perangkat pengujian dan
hasil-hasil pengujian.
Bab lima berisi kesimpulan yang dapat ditarik dari tugas akhir ini serta beberapa
saran perbaikan maupun pengembangan lebih lanjut yang berhubungan dengan tugas akhir
ini.
6