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
