Universitas Bina Nusantara
Jurusan Sistem Komputer Skripsi Sarjana Komputer Semester Genap tahun 2003/2004
PERANCANGAN SWITCHING AMPLIFIER DENGAN TEKNIK DIGITAL PULSE WIDTH MODULATION BERBASISKAN FPGA
HERWIN
0400530390
DIAN FEBRIANTY MURAD
0400531134
TIRTA AKIMFOA
0400528436
Abstrak Untuk dapat menerima informasi melalui media suara secara elektronik maka diperlukan perangkat audio salah satunya adalah penguat daya / power amplifier. Penguat daya yang umum digunakan adalah penguat kelas A, kelas B dan kelas AB. Semua penguat tersebut merupakan linear amplifier dengan efisiensi daya tertinggi secara teoritis 78,5%. Penguat kelas D termasuk ke dalam jenis switching amplifier yang secara teoritis efisiensinya mencapai 100%. Efisiensi yang lebih tinggi memungkinkan amplifier dibuat dengan ukuran lebih kecil dan ringan karena tidak membutukan penyerap panas/ heatsink berukuran besar dan berat. Penguat kelas D dapat dirancang menggunakan teknik bipolar maupun unipolar Pulse Width Modulation. Pada penelitian ini digunakan teknik unipolar PWM yang diimplementasikan secara digital dengan iii
menggunakan Field Programmable Gate Array (FPGA). Implementasi ke dalam FPGA dilakukan dengan VHDL (VHSIC – Hardware Description Language); (VHSIC : Very High Speed Integrated Circuit). Frekuensi switching yang dicapai sebesar 352,11 KHz. Efisiensi daya yang dicapai sebesar 84%. Disipasi daya relatif kecil sehingga pada penelitian ini MOSFET tidak memerlukan heatsink.
Kata Kunci : switching amplifier, unipolar PWM, digital PWM, FPGA, VHDL
iv
PRAKATA
Segala puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan atas kasih dan karunia-Nya, serta kepada orang tua penulis yang telah memberikan semangat dan dukungan baik moril maupun materiil serta doa sehingga penulisaan skripsi ini dapat diselesaikan tepat pada waktunya. Skripsi ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat kelulusan pada jenjang studi S1 (Strata-1) pada jurusan Sistem Komputer - Fakultas Ilmu Komputer Universitas Bina Nusantara, Jakarta. Skripsi dengan judul “Perancangan Switching Amplifier Dengan Teknik Digital Pulse Width Modulation Berbasiskan FPGA” ini disusun atas bantuan dan dukungan secara langsung maupun tidak langsung dari berbagai pihak. Oleh sebab itu penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Ibu Dr. Theresia Widia Suryaningsih, MM. selaku Rektor Universitas Bina Nusantara yang telah memberikan kesempatan kepada penulis untuk dapat mengenyam pendidikan di Universitas Bina Nusantara. 2. Bapak Iman H. Kartowisastro, Ph.D., selaku Ketua Jurusan Sistem Komputer yang telah memberikan pengarahan yang berguna serta memberikan kepercayaan kepada penulis untuk menyelesaikan skripsi ini. 3. Bapak Roby Saleh, S. Kom., selaku Sekretaris Jurusan Sistem Komputer yang telah memberikan bantuan dalam penyusunan skripsi ini. 4. Ibu Jurike V. Moniaga, S. Kom yang telah memberikan masukan bagi penulis terutama pada awal penulisan skripsi.
v
5. Bapak Handi Muljoredjo, Ir., selaku Dosen Pembimbing yang telah banyak memberikan ide, saran, dorongan, dan bimbingan kepada penulis untuk menyelesaikan penyusunan skripsi ini. 6. Bapak Wiedjaja, S. Kom, selaku Kepala UPT Lab. Perangkat Keras yang telah memberikan kesempatan untuk menggunakan fasilitas lab. 7. Segenap Dosen dan staff yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu yang telah memberikan ide, saran, dan pengetahuan serta dukungan moril sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi ini. 8. Teman – teman asisten lab perangkat keras dan segenap rekan-rekan di jurusan Sistem Komputer yang telah memberikan bantuan tenaga, pikiran dan dukungan moril kepada penulis, sehingga penulisan skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik. 9. Pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang telah memberikan dukungan baik secara materiil maupun moril sehingga terselesaikan penyusunan skripsi ini.
Akhir kata, penulis mengharapkan skripsi ini dapat berguna bagi pihak-pihak yang bersangkutan maupun pihak lain serta dapat memberikan informasi juga sebagai bahan acuan untuk penulisan skripsi sejenis di masa depan.
Jakarta, Juni 2004
Penulis
vi
DAFTAR ISI
Halaman Judul Luar Halaman Judul Dalam Halaman Persetujuan Hardcover………………………………………………...
i
Halaman Pernyataan Dewan Penguji…………………………………………….
ii
Abstrak …………………………………………………………………………..
iii
Prakata …………………………………………………………………………..
v
Daftar Isi…………………………………………………………………………. vii Daftar Gambar …………………………………………………………………... xi Daftar Tabel ……………………………………………………………………... xiii Daftar Rumus…………………………………………………………………….
xiv
Daftar Lampiran………………………………………………………………….
xv
BAB 1. PENDAHULUAN ……………………………………………………… 1 1.1
Latar Belakang …………………………………………………………..
1
1.2
Tujuan Manfaat ………………………………………………………….
3
1.3
Ruang Lingkup ………………………………………………………….
3
1.4
Metodologi Penelitian …………………………………………………..
4
1.5
Sistematika Penulisan …………………………………………………… 4
vii
BAB 2. LANDASAN TEORI ………………………………………………….. 6 2.1
Amplifier ………………………………………………………………… 6 2.1.1
Linear Amplifier …………………………………………………. 6
2.1.2
Non Linear / Switching Amplifier ……………………………….. 6
2.2
EPROM ………………………………………………………………….. 8
2.3
Noise Shaping …………………………………………………………… 9
2.4
Pulse Width Modulation (PWM) ………………………………………..
12
2.4.1
Bipolar PWM ……………………………………………………
13
2.4.2
Unipolar PWM …………………………………………………..
13
2.4.3
Digital PWM …………………………………………………….
14
MOSFET ………………………………………………………………...
17
2.5.
2.5.1. Driver MOSFET ………………………………………………… 19 2.5.2. H-Bridge MOSFET ……………………………………………… 19 2.6.
LC Filter …………………………………………………………………. 20
2.7.
Xilinx Spartan FPGA ……………………………………………………. 21 2.7.1. Adder/Substractor ……………………………………………….. 21 2.7.2. Comparator ………………………………………………………. 22 2.7.3. Counter …………………………………………………………… 22 2.7.4. Data Register …………………………………………………….. 22 2.7.5. Multiplexer ………………………………………………………. 22
BAB 3. PERANCANGAN SISTEM ………………………………………….. 23 3.1
Perancangan Modul Input………………………………………………... 23 3.1.1 EPROM…………………………………………………………... 24 viii
3.2
Perancangan Modul FPGA………………………………………………. 25 3.2.1
Data Buffer………………………………………………………. 25
3.2.2
Noise Shaper……………………………………………………… 26
3.2.3. Permasalahan Dalam Implementasi Unipolar PWM…………….. 28 3.2.4
Modifikasi Unipolar Pulse Width Modulator……………………. 28
3.2.5. Perhitungan Frekuensi Switching………………………………… 30 3.2.6. Realisasi MUPWM (Modified Unipolar Pulse Width Modulator)... 31 3.3
Perancangan Modul Output………………………………………………. 35 3.3.1
Driver MOSFET………………………………………………….. 36
3.3.2
H-Bridge MOSFET……………………………………………….. 37
3.3.3
Output Filter……………………………………………………… 37
3.3.4
Speaker…………………………………………………………… 40
BAB 4. IMPLEMENTASI DAN EVALUASI…………………………………. 41 4.1
Prosedur Pengoperasian Sistem………………………………………….. 41
4.2
Implementasi Sistem……………………………………………………... 42
4.3
Evaluasi Sistem…………………………………………………………..
4.4
Evaluasi Modul FPGA…………………………………………………..... 42
42
4.4.1
Proses Noise Shaping Secara Teoritis Dengan Data Konstan……. 42
4.4.2
Proses MUPWM Secara Teoritis…………………………………. 44
4.4.3
Evaluasi Modul FPGA Secara Praktis Dengan Menggunakan Data Konstan……………………………………… 46
ix
4.5
4.6
Evaluasi Modul Output…………………………………………………… 49 4.5.1
Evaluasi Pada MOSFET Driver………………………………….. 49
4.5.2
Evaluasi H-Bridge MOSFET Dengan Data Konstan…………….. 51
4.5.3
Evaluasi Output Filter……………………………………………. 55
Evaluasi Efisiensi Daya Switching Amplifier……………………………. 57
BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN………………………………………… 58 5.1
Kesimpulan………………………………………………………………. 58
5.2
Saran……………………………………………………………………... 58
DAFTAR PUSTAKA…………………………………………………………… 60 RIWAYAT HIDUP PENULIS…………………………………………………
62
LAMPIRAN……………………………………………………………………... 65
x
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1 Ilustrasi Analog Pulse Width Modulation........................................... 2 Gambar 2.1 Rangkaian Buck Converter.................................................................. 7 Gambar 2.2 Grafik Noise Level terhadap frekuensi……………………………… 10 Gambar 2.3 Perbandingan orde noise shaping…………………………………… 10 Gambar 2.4. (a) Sinyal PWM (b) Spektrum Frekuensi Dari Sinyal PWM............
12
Gambar 2.5. Bipolar PWM……………………………………………………… 13 Gambar 2.6. Unipolar PWM…………………………………………………….. 13 Gambar 2.7 Timing diagram Bipolar PWM …………………………………….. 16 Gambar 2.8 Timing diagram Unipolar PWM …………………………………… 17 Gambar 2.9
(a) Kurva Penguras MOSFET jenis pengisian ………………….
18
(b) Simbol MOSFET jenis pengisian tipe N……………………… 18 Gambar 2.10. Rangkaian H-Bridge MOSFET…………………………………… 19 Gambar 3.1 Blok Diagram Keseluruhan ………………………………………… 23 Gambar 3.2 (a) Layout Pin IC 27C1001 (b) Logic Diagram……………………... 24 Gambar 3.3 Blok Modul Data Buffer…………………………………………….. 25 Gambar 3.4 Blok Modul Noise Shaper…………………………………………… 26 Gambar 3.5 Struktur Noise Shaper orde 2……………………………………….. 27 Gambar 3.6 Respon Pasangan MOSFET dengan keadaan awal Low……………. 28 Gambar 3.7 Contoh Output dengan Modifikasi Unipolar PWM………………… 29 Gambar 3.8 Skematik Lengkap Modul MUPWM………………………………. 32 Gambar 3.9 Rangkaian H-Bridge MOSFET……………………………………..
37
Gambar 3.10 (a) Rangkaian Output Filter (b) Rangkaian ekuivalen……………. 38 xi
Gambar 4.1 Grafik Input dan Output Noise Shaper………………………………… 43 Gambar 4.2 Timing Diagram Output MUPWM dengan data input = 0 …………… 44 Gambar 4.3 Timing Diagram Output MUPWM dengan data input = 64 ………….. 44 Gambar 4.4 Timing Diagram Output MUPWM dengan data input = 127 ………… 45 Gambar 4.5 Timing Diagram Output MUPWM dengan data input = -64 …………. 45 Gambar 4.6 Timing Diagram Output MUPWM dengan data input = -127 ………... 46 Gambar 4.7. Output FPGA CH-1 = POA, CH-2 = POB, untuk D = 0……………... 46 Gambar 4.8 Output FPGA untuk D = 64…………………………………………... 47 Gambar 4.9 Output FPGA untuk D = 127…………………………………………. 47 Gambar 4.10 Output FPGA untuk D = -64……………………………………….... 48 Gambar 4.11 Output FPGA untuk D = -127……………………………………….. 48 Gambar 4.12 Output POA dari FPGA dengan D = 0 ……………………………... 49 Gambar 4.13 Output MOSFET Driver untuk low side MOSFET A……………….. 50 Gambar 4.14 Output MOSFET Driver untuk high side MOSFET A……………... 50 Gambar 4.15 Output VA dari pasangan MOSFET A dengan D = 0………………... 51 Gambar 4.16 Output H-Bridge MOSFET untuk D = 0……………………………. 52 Gambar 4.17 Output H-Bridge MOSFET untuk D = 64…………………………... 52 Gambar 4.18 Output H-Bridge MOSFET untuk D = 127…………………………. 53 Gambar 4.19 Output H-Bridge MOSFET untuk D = -64…………………………. 53 Gambar 4.20 Output H-Bridge MOSFET untuk D = -127………………………... 54 Gambar 4.21 Vout saat Pulsa Inisial ……………………………………………... 54 Gambar 4.22 Grafik Tanggapan Frekuensi Output Filter………………………….. 55 Gambar 4.23 Vout H-Bridge dengan Data Gelombang Sinus…………………….. 56 Gambar 4.24 Output LC Filter……………………………………………………... 56 xii
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1 Daftar Pin IC 27C1001…………………………………………………… 24 Tabel 3.2a State Table untuk POA………………………………………………..... 35 Tabel 3.2b State Table untuk POB…………………………………………………. 35 Tabel 4.1 Hasil Perhitungan Noise Shaper Dengan Input Konstan………………... 43 Tabel 4.2 Perbandingan frekuensi dengan Gain(dB)………………………………. 55
xiii
DAFTAR RUMUS
Persamaan 2.1 ……………………………………………………………………… 8 Persamaan 2.2 ……………………………………………………………………... 11 Persamaan 2.3 ……………………………………………………………………... 11 Persamaan 2.4 ……………………………………………………………………... 11 Persamaan 2.5 ……………………………………………………………………... 14 Persamaan 2.6 ……………………………………………………………………... 14 Persamaan 3.1 ……………………………………………………………………... 30 Persamaan 3.2 ……………………………………………………………………... 40 Persamaan 3.3 ……………………………………………………………………... 40
xiv
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A – ASM CHART ASM chart untuk POA dari MUPWM………………………………………
LA-1
ASM chart untuk POB dari MUPWM………………………………………
LA-2
LAMPIRAN B – SKEMATIK RANGKAIAN Skematik rangkaian MOSFET driver dan H-Bridge MOSFET.....................
LB-1
Skematik Rangkaian Output filter beserta beban............................................
LB-1
Rangkaian Pada Modul Input..........................................................................
LB-2
LAMPIRAN C – LISTING VHDL Listing VHDL modul FPGA…………………………………………………. LC-1
LAMPIRAN D – DATASHEET IC / KOMPONEN Datasheet EPROM 27C1001...........................................................................
LD-1
Datasheet MOSFET driver LM2725...............................................................
LD-17
Datasheet MOSFET IRF540N........................................................................
LD-26
Datasheet Digilent 2E System Board Reference Manual……………………
LD-34
LAMPIRAN E – FOTO ALAT Modul Input, Modul FPGA………………………………………………….. LE-1 Modul Output, Speaker………………………………………………………. LE-2 Power Supply, Modul keseluruhan…………………………………………… LE-3
xv
