DTG2D3
ELEKTRONIKA TELEKOMUNIKASI Small-Signal RF Amplifier (RF Current Amplifier)
By : Dwi Andi Nurmantris
Small-Signal RF Amplifier Agenda
• 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 Model Sistem (Linear) KUTUB-4:
PENGUAT FILTER FREK KONVERTER RECEIVER
Small-Signal RF Amplifier Penguat frekuensi tinggi SATU TAHAP dapat dimodelkan sebagai berikut : Komponen Aktif Zg Eg
IMC in
Transistor
Impedance Matching Circuit input/output
Sumber sinyal/ tahap sebelumnya
IMC out
ZL
beban/tahap berikutnya
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. I1 V1
I2 Kutub 4
V2
Parameter Kutub 4 : 1. Parameter Z, Y, H, ABCD (frekuensi rendah) 2. Parameter S (frekuensi rendah sampai tinggi)
Small-Signal RF Amplifier Parameter Z, Parameter Y, Parameter H, dan Parameter ABCD
V Z V Z 1
Parameter Z
2
Parameter H
11
21
Z Z
12
22
i . i 1
2
V1 h11 h12 i1 i2 h21 h22 . V2
Parameter Y
i1 Y11 Y12 V1 Y21 Y22 . V2 i2
V A B V i C D . - i 1
Parameter ABCD
1
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)
2
2
Small-Signal RF Amplifier Parameter S Maka digunakan Parameter S (Scattering Parameter):
Gambar ai dan bi
Signal flow graph
ai Vi gelombang datang Zoi
Dimana: i = 1(port 1) atau 2 (port 2)
Vi bi gelombang pantul Zoi
Small-Signal RF Amplifier Parameter S a1 V1
Zo1
a2 "Parameter S" Zo2
b1
b2
S S 11
i
S S 21
f
S S 22
o
S S 12
r
→ koefisien refleksi masukan dengan keluaran K-4 ditutup beban sesuai (match)
b1 a1
a2 0
b2 a1
a2 0
b2 a2
a1 0
b1 a2
V2
b1 S11 S12 a1 b2 S21 S22 . a2
a1 0
→ koefisien transmisi maju dengan keluaran K-4 ditutup beban sesuai → koefisien refleksi keluaran dengan masukan K-4 ditutup beban sesuai → koefisien transmisi balik dengan masukan K-4 ditutup beban sesuai
Small-Signal RF Amplifier Hubungan parameter s dan parameter y
Small-Signal RF Amplifier Hubungan parameter s dan parameter z
Small-Signal RF Amplifier Hubungan parameter s dan parameter h
Small-Signal RF Amplifier Denormalisasi parameter h, y dan z
Small-Signal RF Amplifier FAKTOR PENGUATAN PENGUAT RF PAVS Zg
IMC in
Es
PIN
PAVN
a1
a2
b1
S
PL IMC out
b2
IN
OUT
L
Faktor Penguatan :
1. Transducer Power Gain (GT)
GT
PL Daya yang diberikan ke beban PAVS Daya yang tersedia pada sumber sinyal
2. Operating Power Gain (GP)
PL Daya yang diberikan ke beban GP PIN Daya yang diberikan ke transistor 3. Available Power Gain (GA)
G A
P P
AVN
AVS
Daya tersedia dari transistor Daya yang tersedia pada sumber sinyal
ZL
Small-Signal RF Amplifier FAKTOR PENGUATAN PENGUAT RF PAVS Zg
IMC in
Es
PIN
PAVN
a1
a2
b1
S
PL IMC out
b2
IN
OUT
ZL
L
S .a b = S .a + S . .b = 1- S b S .a S .a S .S b S .a S .a b = S .a + S . .b = S .a + .a 1- S a a .b b S S b S a 1- S 21
2
1
11
1
12
21
1
22
L
1
2
22
2
12
2
21
1
22
2
1
11
1
12
L
2
11
2
L
2
2
1
IN
12.
IN
b a Es 0 2
2
ES = 0 → a1 = S.b1
21.
L
22.
L
L
11
1
L
1
22.
L
OUT
21.
1
2
L
S .a b 1 - S . 12
b1 = S11.S.b1 + S12.a2 →
2
1
11
S
Small-Signal RF Amplifier FAKTOR PENGUATAN PENGUAT RF PAVS
PIN
PAVN
Zg
a1
a2
Es
IMC in
b1
S
OUT
IMC out
b2
IN
OUT
b2 = S21.S.b1 + S22.a2 =
PL ZL
L
S12.S21.S a2 S22.a2 1 - S11.S
b S .S . S a Es 0 1 - S . 2
12
21
S
11
S
22
2
PIN = ½ |a1|2 - ½ |b1|2 = ½ |a1|2.( 1 - |ΓIN|2 )
Small-Signal RF Amplifier FAKTOR PENGUATAN PENGUAT RF RANGKAIAN MASUKAN :
V1 = ES + I1.ZS
IN
I1 ZS
Bila : a1
V1
a1 bS 1
S
aS
S
IN
V1
Z -Z Z Z
ZO
S
S
a1 bs
1
a1
1
IN
S
IN
P
AVS
S
IN
S
P P
2
b P * 1 IN
1 - . 1 - . 2
1 2
IN
AVS
2
S
IN
1 - .
2
S
S
2
IN
1 - . 1 - 2
atau PIN = PAVS . MS
dimana:
M S
2
S
IN
1 - . S
M = Source Mismatch Factor
O
s. .a bs 1-
Daya yang tersedia pada sumber sinyal (PAVS) = Daya masukan transistor (PIN), bila
IN = S*, sehingga :
O
S
.b b .a 2 1 - IN 2 1 PIN 2 bS . 2 1 - S.IN
b1 bS
b1
ZO
ES ZO bS ZS ZO
a1
ES
V1-
IN
2
1
Small-Signal RF Amplifier FAKTOR PENGUATAN PENGUAT RF RANGKAIAN KELUARAN:
a2
ZOUT
b2
ETH
Bila : VL
b2
a2
VL-
ETH ZO bTH ZOUT ZO
aTH OUT + OUT.L.b2 dimana
L . b2 = a2
→b 2
OUT
PL
1 2
b2 -
a2
1 2
Daya tersedia dari Kutub-4: PAVN = PL, bila L = OUT*
1 2
b 1- .
AVN
2
L
AVN
L
OUT
1- 1 b * 1
1 - . 1 - .
1 2
2
b
TH
1 2
L
L
OUT
1 - . OUT
O
L
.
OUT
2
TH
2
OUT
2
L
O
L
OUT
P
2
P P
Z -Z Z Z
TH
P
b2 . (1 - L ) 2
P
2
Daya yang diberikan ke BEBAN : 2
ZO
OUT
OUT
2
VL
ZO
ZL
L
bTH
b2 = bTH
VL = ETH – IL . ZOUT
IL
atau
2
L
dimana
1 - . 1 - 2
M L
ML = Load Mismatch Factor
PL = PAVN . ML
2
L
OUT
1 - . OUT
L
2
L
2
Small-Signal RF Amplifier FAKTOR PENGUATAN PENGUAT RF OPERATING POWER GAIN (GP):
P G P
b . (1 - ) a . (1 - ) 2 1 - L S .a 2 1 → GP b 2 S21 2 1 - S .r 1 - IN 1 S22.L
L
1 2
IN
1 2
P
2
2
2
L
2
2
1
IN
21
1
2
22
L
TRANDUCER POWER GAIN
2
PL PL PIN PIN GT . GP . GP.MS PAVS PIN PAVS PAVS
1- G 1 - S . 11
PAVN PL PAVN GT GA . PAVS PAVS PL ML
2
21
IN
22
2
L
2
S
L
2
21
S
AVAILABLE POWER GAIN
2
S
L
2
S
T
S
1- 1 S . 2
S
1- 1 .
2
atau
1- 1 - .
OUT
2
L
1- G 1 - S . 2
S
A
11
S
2
S
2 21
1 1
OUT
2
Small-Signal RF Amplifier Contoh Soal
• Transistor microwave mempunyai parameter “S” pada 10 GHz, dengan impedansi referensi (ZO) 50 sbb.: S11=0,45 <1500 S12=0,01 <-100 S21=2,05 <100 S22=0,40 <-1500
Jika digunakan hambatan sumber ZS=20 dan Hambatan beban sebesar ZL=30 , hitunglah Operating power Gain, Available Power Gain, dan Transducer Power Gain!
Solusi: S=-0.429, L=-0.250 IN 0.4551500 dan OUT 0.408 1510 GP 5.94 G A 5.85 GT 5.49
Small-Signal RF Amplifier VSWR MASUKAN
PAVS Zi=Zo Ei
1 a VSWR 1 a
ZIN(IN)
PIN
IN
IMC in
Za - Z a Za Z
O
Za
ZS
(a)
O
P P .(1 - a ) P P .M 2
(S)
IN
M (1 - a )
AVS
2
S
IN
AVS
S
(1 - ) . (1 - ) a 1 1- - * a 1- 2
a 1 - M (1 - ) . (1 - ) M 1- S
2
2
S
IN
S
2
S
IN
2
S
IN
2
S
IN
S
IN
S
IN
Small-Signal RF Amplifier CONTOH SOAL
IN = 0,4 <-145° PAVS Zi=50 Ei
PIN
ZIN(IN)
IMC in
Za
(a)
ZS
(S)
S = 0,614 <160° Hitunglah :
a. |a|
(0.326)
b. VSWRIN
(1.985)
Small-Signal RF Amplifier VSWR KELUARAN
PL = PAVN . ML
PAVN
PL IMC out ZOUT
ZL
(OUT)
VSWR
OUT
(L)
1 b 1 b
ZL=Zo Zb
(b)
Zb - Z b Zb Z
O
O
(1 - ) . (1 - b 1 1- - * b 1- 2
b 1 - M (1 - ) . (1 - M 1- L
2
L
L
2
OUT
L
2 OUT
)
L
2
OUT
OUT
L
OUT
L
L
2 OUT
)
Small-Signal RF Amplifier KEMANTAPAN PENGUAT RF 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. (-RIN = resistansi negatif) Sebagai contoh, jika impedansi masukan : ZIN = - RIN + jXIN
- R jX - Z (R Z ) X - R jX Z (Z - R ) X
1
2
IN
IN
O
IN
O
IN
IN
Zin
O
O
2
1
IN
2
IN
2
IN
2
IN
Zout
E I (R - R ) j(X X ) S
ZS ZL
Es
S
S
IN
OUT
L
IN
IN
S
Small-Signal RF Amplifier KEMANTAPAN PENGUAT RF Pada satu frekuensi tertentu bisa terjadi :
RS RIN 0 I XIN XS 0
Berdasarkan kepada koefisien refleksi, penguat yang MANTAP TANPA SYARAT akan terpenuhi bila : 3. . OUT
1. │S│< 1
S .S . 1 1 - S .
S
12
22
21
S
11
S
S .S . S 1 1 - S . Pada penguat MANTAP BERSYARAT, harga│S│dan│L│yang memberikan kemantapan 2. │L│< 1
4. .IN
12
21
L
22
L
11
dapat ditentukan dengan menggunakan PROSEDUR GRAFIS pada SMITH CHART.
Tempat kedudukan S dan L yang menghasilkan │OUT│=1 dan │IN│=1 ditentukan dulu :
S .S . S 1 1 - S . 12
IN
11
L
2
22
L
22
L
11
(S - .S *) * S .S S - S - 22
21
12
2
2
22
21
2
dimana S .S - S .S 11
22
12
21
Small-Signal RF Amplifier Persamaan diatas merupakan persamaan lingkaran beban
S .S R S - C (S - .S *) * S - 12
L
(tempat kedudukan L untuk│IN│=1):
2
jari - jari
2
titik pusat lingkaran
21
2
22
22
11
L
2
22
Lingkaran Kemantapan Beban
Bagaimana menentukan daerah L yang MANTAP ?
CL
L
CL
Z=
Jika
1 IN
Smith Chart
Z -Z Z Z 0 S Z Z L
L
R
O
O
L
IN
L
O
11
Small-Signal RF Amplifier Jadi bila│S11│< 1, maka│IN│< 1, untuk L = 0 (ZL=ZO) → daerah yang mengandung titik pusat Smith Chart adalah daerah mantap
Lingkaran Kemantapan Beban S11 1
R
CL
L
1 IN
CL
1 IN
Z=
Z=0 Pusat Smith Chart
daerah tidak mantap
1 IN
Smith Chart
Daerah yang diarsir adalah daerah MANTAP L
Small-Signal RF Amplifier Jadi jika│S11│> 1, maka│IN│> 1 untuk L = 0 (ZL=ZO) → daerah yang mengandung titik pusat Smith Chart adalah daerah tidak mantap
Lingkaran Kemantapan Beban
S11 1 CL
1 IN
R
L
CL
1 IN
Daerah mantap
Smith Chart
Small-Signal RF Amplifier
Figure 11-5 (p. 544) rd
Microwave Engineering, 3 Edition, by David M Pozar Load (Output) stability circles for a conditionally stable device. (a) |S11| < 1. (b) |S11| > 1.
OUT
S .S . S 1 - (S - .S *) * S .S S - S - 1 - S . 12
21
S
22
11
22
S
11
S
2
12
2
21
2
11
2
dimana : S .S - S .S 11
22
12
21
11
S .S Persamaan diatas merupakan persamaan R jari - jari S - lingkaran sumber (tempat kedudukan S untuk│OUT│=1): C (S - .S *) * titik pusat lingkaran S - 12
S
21
2
2
11
11
22
S
2
2
11
S22 1
1 OUT
CS
R C
S
S
Smith Chart 28
OUT
OUT
1
1
Daerah arsiran adalah daerah mantap S
Small-Signal RF Amplifier
S22 1
CS
R
OUT
1
S
CS Lingkaran Kemantapan Sumber
OUT
1
daerah mantap S Smith Chart
OUT
1
Small-Signal RF Amplifier Kondisi mantap ”TANPA SYARAT” untuk semua sumber atau beban dapat ditulis dengan :
C - R 1 L
untuk
L
S 1 11
S11 1 CL
R CL
C R L
L
Smith Chart
L
Small-Signal RF Amplifier
C - R 1 S
S
untuk S 1 22
S22 1
R CS
S
CS
Smith Chart
Small-Signal RF Amplifier FAKTOR KEMANTAPAN K
1 - S11 - S22 2
K
1 - S11
2
2
2 S12.S21 2
1
S12.S21
dimana S11.S22 - S12.S21
1 - S22
2
S12.S21
kondisi cukup dan perlu untuk memperoleh KEMANTAPAN TANPA SYARAT :
K 1
S11 1
S22 1
1 - S11
2
1 - S22
S12.S21 2
S12.S21
1 atau cukup dengan :
dan
K 1
Small-Signal RF Amplifier KONDISI TIDAK MANTAP → KONDISI MANTAP TANPA SYARAT : 1. dengan pembebanan resistif
R R
R
R
2. dengan umpan balik
R R
Small-Signal RF Amplifier LATIHAN SOAL 1.
Suatu transistor jenis GaAs MESFET dengan parameter s, diukur pada Vds = 5 V dan Ids = 40 mA, f = 9 GHz, referensi 50 ohm:
S11=0,65 <-1540 S12=0,02 <400 S21=2,04 <1850 S22=0,55 <-300 Γs = 0,38 <250 Tentukan: 1. factor Delta ∆ 2. Faktor stabilitas K 3. Koefisien refleksi keluaran Γout 4. GA (Available Power Gain)
(0,332 < 1710) (4,72) (0,56 < -40,70) (6,94dB)
Ref: Microwave Circuit Analysis & Amplifier Design, by Samuel Y.Liao, Exp. 3-4-2.
Small-Signal RF Amplifier LATIHAN SOAL (LANJUTAN) 2.
Parameter S untuk HP HFET-102 GaAs FET pada frekuensi 2 GHz, dicatu dengan tegangan biasing Vgs = 0 dengan Z0=50 sebagai berikut: S11=0.894 <-60.60 S12=0,020 <62.40 S21=3.122 <123.60 S22=0,781 <-27.60 Tentukan kestabilan transistor tersebut dengan menghitung K dan , kemudian plot-kan daerah kestabilannya ! Solusi: = 0.696 < -830 CL = 1.363<470 CS = 1.132<680
K = 0,607 potentially unstable RL = 0.50 RS = 0.199
Ref: Microwave Engineering, 2nd Edition, by David M Pozar, Exp 11.2
•
Plot lingkaran kestabilan sumber dan beban
36
Small-Signal RF Amplifier PERANCANGAN UNTUK GAIN MAKSIMUM (CONJUGATE MATCHING) PAVS Zg Es
IMC in
PIN
PAVN
a1
a2
b1
PL IMC out
b2
S
IN
OUT
ZL
→ syarat transistor mantap tanpa syarat
L
IN S * diperoleh penguatan daya transducer (GT) maksimum OUT L * S12.S21.S S12.S21.L L * S 22 S * S11 1 - S11.S 1 - S22.L
Jika dipilih :
B1 B1 - 4 C1 2
SM
2
LM
2
2
GT, MAX
1 - SM
2
S21
2
1 - LM
2
2
1 S22.LM
atau 2
2
B2 1 S22 - S11 -
C2 S22 - .S11 *
C1 S11 - .S22 *
1
2
2
2 C2
2 C1 B1 1 S11 - S22 -
dimana :
B2 B2 2 - 4 C2
GT, MAX
S21 S12
(K - K 2 - 1)
2
Small-Signal RF Amplifier LATIHAN SOAL
• Rancanglah suatu penguat dengan gain maximum pada frekuensi 4 GHz menggunakan single-stub matching! Transistor GaAs FET mempunyai parameter S dengan Z0=50 sebagai berikut: S11=0.72 <-1160 S12=0,03 <570 S21=2.60 <760 S22=0,73 <-540 Ref: Microwave Engineering, 2nd Edition, by David M Pozar, Exp 11.3
Solusi:
= 0.488 < -1620 SM = 0.872 < 1230 GT,max = 16.7 dB
K = 1,195 unconditionally stable ΓLM = 0.876 < 610
Perhatikan rangkaian penyesuai impedansi sbb:
Circuit design and frequency response for the transistor amplifier of Example 11.3. (a) Smith chart for the design of the input matching network.
(b) RF circuit. (c) Frequency response.
Small-Signal RF Amplifier PERANCANGAN PENGUAT DENGAN GP DITENTUKAN: Lingkaran Gp (Operating Power Gain) Konstan a. KASUS KEMANTAPAN TANPA SYARAT
GP
dimana:
1 1 - IN
gP
2
S21
1 - L
2
2 2
1 S22.L
2
C2 S22 - .S11* S11.S22 - S12.S21
1 - S11 L .( S22 - ) - 2 ReL.C2
2
L →
2
1 - L 2
2
2
L - 1 g P . S22 - 2
S21 . g P
2
g P .C2.L
2
2
- 2.g .Re .C 1 - g 1 - S 2
L
P
-
2
11
P
2
g P .C2 * .L *
1 - g P (1 - S11 )
1 g P ( S22 - ) 1 g P ( S22 - ) 1 g P ( S22 - ) 2
titik pusat lingkaran :
jari-jari lingkaran :
2
CP
RP
2
2
2
2
g P .C2 * 1 g P ( S22 - ) 2
1 - 2K. S
2
.S21.g P S12.S21 .g P 2
12
1 g P .( S22 - ) 2
2
1 2 2
Small-Signal RF Amplifier GP maksimum terjadi pada RP = 0; artinya :
gP,MAX . |S12.S21|² – 2K.|S12.S21|.gP,MAX + 1 = 0 G 1 g K - K 2 - 1 P,MAX 2 P, MAX S12.S21 S21
sehingga
G P,MAX
S21 S12
K -
K2 -1
Prosedur menggunakan lingkaran GP konstan : 1) Untuk GP yang ditentukan, hitung titik pusat dan jari-jari lingkaran GP konstan 2) Pilih ΓL yang diinginkan (di lingkaran tersebut) 3) Dengan ΓL tersebut, daya keluaran maksimum diperoleh dengan
melakukan conjugate match pada masukan, yaitu ΓS = ΓIN*
ΓS ini akan memberikan GT = GP Contoh : Transistor (f 6GHz)
S11 0,641 - 171,3o
S21 2,058 28,5o
S12 0,057 16,3o
S22 0,572 - 95,7 o
Rancanglah sebuah penguat RF yang mempunyai GP = 9 dB Ref: Gonzalez, Guillermo; Microwaves Transistor Amplifier: Analysis & Design; Prentice Hall, 1984
Small-Signal RF Amplifier Solusi
0,3014
K = 1,504
2
→ mantap tanpa syarat
S21 (2,058) 2 4,235 g P
GP S21
2
7,94 1,875 4,235
C2 0,3911 - 103,9 o
CP 0,508 103,9o →
RP = 0,431 gambar tempat kedudukan ΓL yang memberikan GP = 9 dB tempat kedudukan L yang memberikan GP = 9dB
31 4 , 0
A 103,9 o
Kita pilih L 0,3647,5o (titik A)
S yang memberikan daya keluar maksimum S12.S21.L S IN * S11 1 - S22L S 0,629175,51o
*
Small-Signal RF Amplifier LATIHAN SOAL 1.
Suatu transistor jenis GaAs MESFET dengan parameter s, diukur pada Vds = 5 V dan Ids = 40 mA, f = 9 GHz, referensi 50 ohm:
S11=0,65 <-1540 S12=0,02 <400 S21=2,04 <1850 S22=0,55 <-300 Tentukan: 1. factor Delta ∆ (0,332 < 1710) 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 PERANCANGAN PENGUAT DENGAN GP DITENTUKAN: Lingkaran Gp (Operating Power Gain) Konstan 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 ΓL yang berada pada daerah mantap dan tidak terlalu dekat dengan lingkaran kemantapan beban. 2) Hitung ΓIN dan tentukan apakah conjugate match pada masukan mungkin. Untuk itu gambar lingkaran kemantapan sumber dan periksa apakah ΓS = ΓIN* terletak pada daerah mantap. 3) Jika ΓS = ΓIN* tidak terletak pada daerah mantap atau terletak pada daerah
mantap namun terlalu dekat dengan lingkaran kemantapan sumber, pilih ΓL yang lain dan ulangi langkah 1) dan 2) Catt: nilai ΓS dan ΓL sebaiknya tidak terlalu dekat dengan lingkaran kemantapan, karena ketidakmantapan (OSILASI) dapat terjadi oleh variasi nilai komponen yang digunakan sehingga ΓL dan ΓS masuk ke daerah tidak mantap.
Contoh : Transistor (f 6 GHz)
S11 0,5 - 180o
S21 2,5 70o
S12 0,08 30o
S22 0,8 - 100o
Rancanglah sebuah penguat RF yang mempunyai GP = 10 dB Ref: Gonzalez, Guillermo; Microwaves Transistor Amplifier: Analysis & Design; Prentice Hall, 1984
Small-Signal RF Amplifier 0,223 62,120
GP 10dB
K = 0,4
→ transistor mantap bersyarat
CP 0,572 97,2o RP 0,473 CL 1,18 97,2o RL 0,34
CL
Lingkaran kemantapan beban
RL
Solusi : CP
R
Lingkaran GP = 10dB konstan
P
A 97,2o
Smith Chart 46
Small-Signal RF Amplifier Oleh karena |S11| < 1, daerah MANTAP berada diluar lingkaran kemantapan BEBAN Pilih titk A → L 0,1 97,2o → S IN * 0,52 179,32o Lingkaran kemantapan sumber :
CS 1,67 171o
RS = 1,0
ΓS diatas harus diperiksa apakah berada di daerah MANTAP
Daerah mantap berada di luar lingkaran kemantapan sumber →
ΓS
berada di
daerah mantap, maka ΓS dapat digunakan
Zs = 50 Es
IMC in
S = IN* IN
IMC out
OUT
L
ZL = 50
Small-Signal RF Amplifier PERANCANGAN PENGUAT DENGAN GA DITENTUKAN: Lingkaran Ga (Available Power Gain) Konstan a) KASUS MANTAP TANPA SYARAT
GA
gA
1 1 - OUT
GA S21
2
2
S21
1 - S
2
2
S21 . g A 2
1 S11.S 2 1 - S 2
C1 S11 - .S22 *
1 - S22 S .( S11 - ) - 2 ReS.C1 2
2
2
2
Dengan cara yang sama seperti lingkaran GP konstan, diperoleh : Lingkaran GA konstan : g A .C1 * titik pusat lingkaran : CA 2 2
1 g A ( S11 - )
jari-jari lingkaran
:
R
A
1 - 2K S .S 12
21
g S .S .g 2
1 g ( S A
12
A
2 11
21
2 A
1 2
- ) 2
Semua ΓS pada lingkaran, memberikan suatu GA yang diinginkan. Untuk GA tertentu, daya keluaran maksimum diperoleh dengan ΓL = ΓOUT* →
ΓL ini memberikan GT = GA
Small-Signal RF Amplifier PERANCANGAN PENGUAT DENGAN GA DITENTUKAN: Lingkaran Ga (Available Power Gain) Konstan b) KASUS MANTAP BERSYARAT
1. Untuk GA yang diinginkan, gambar lingkaran GA konstan dan lingkaran kemantapan sumber. Pilih ΓS yang berada di daerah mantap dan tidak terlalu dekat dengan lingkaran kemantapan sumber. 2. Hitung ΓOUT dan periksa apakah conjugate match mungkin, untuk itu gambar lingkaran kemantapan beban dan periksa apakah ΓL = ΓOUT* berada di daerah mantap. 3. Jika ΓL = ΓOUT* tidak berada pada daerah mantap atau terlalu dekat dengan lingkaran kemantapan beban, pilih ΓS (atau GA) yang lain dan ulangi langkah 1) dan 2). Catt: nilai ΓS dan ΓL sebaiknya tidak terlalu dekat dengan lingkaran kemantapan, karena ketidakmantapan (OSILASI) dapat terjadi oleh variasi nilai komponen yang digunakan sehingga ΓL dan ΓS masuk ke daerah tidak mantap.
Small-Signal RF Amplifier LATIHAN SOAL
Contoh : Transistor (f 6 GHz)
S11 0,5 - 180o
S21 2,5 70o
S12 0,08 30o
S22 0,8 - 100o
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 PERANCANGAN PENGUAT DENGAN VSWR DITENTUKAN:
• VSWRIN konstan
IN Zi=50 E1
IMC in
Za
S
(a)
VSWR IN
1 a
IN - S * a 1 - a 1 - IN.S
dapat diturunkan lingkaran VSWR IN konstan
Small-Signal RF Amplifier PERANCANGAN PENGUAT DENGAN VSWR DITENTUKAN: Lingkaran VSWRIN konstan : titik pusat lingkaran :
jari-jari lingkaran
a . (1 - ) Rvi 1 a. 2
IN * . (1 - a ) 2
Cvi
1 a.IN
:
IN
2
2
IN
Pada kasus mantap tanpa syarat dan beberapa kasus mantap bersyarat,
ΓS dapat dipilih =ΓIN* ; untuk memperoleh VSWRIN = 1. Cvi * Bila VSWRIN = 1 → a 0 Rvi 0 IN
Jadi ΓS = ΓIN* memberikan a 0 → VSWRIN = 1
Small-Signal RF Amplifier PERANCANGAN PENGUAT DENGAN VSWR DITENTUKAN:
• VSWRout konstan DENGAN CARA YANG SAMA :
1 b
OUT - L * VSWR OUT b 1 - b 1 - OUT.L Lingkaran VSWROUT konstan : titik pusat lingkaran :
jari-jari lingkaran :
OUT * . (1 - b ) 2
Cvo
1 b.OUT
2
b . (1 - Rvo 1 b.
2
OUT
OUT
2
)
Small-Signal RF Amplifier PERANCANGAN PENGUAT DENGAN NOISE FIGURE DITENTUKAN: Lingkaran Noise figure/Faktor Derau Konstan: Zs = Zo Es
IMC in
IMC out
S = IN* IN F FMIN
OUT
r
L
4 n S - opt
2
1 - .1 opt 2
ZL = Zo
2
S
dimana: FMIN = faktor derau minimum komponen aktif
rn Γopt
= equivalent normalized noise resistance (= RN/ZO) = koefisien refleksi sumber yang dapat menghasilkan faktor derau minimum
Small-Signal RF Amplifier S - opt Ambil satu harga F = Fi
1 - S
2
2
Fi - FMIN 2 .1 opt 4 rn
S - opt Fi - FMIN 2 Ni .1 opt konstan Ni 2 4 rn 1 - S
2
(ΓS - Γopt).(ΓS* - Γopt) = Ni – Ni |ΓS|² |ΓS|².(1 + Ni) – 2Re[ΓS.Γopt*] + |Γopt|² = Ni
S 2
opt
2
2 Ni ReS.opt * 1 Ni 1 Ni 1 Ni
→ merupakan persamaan lingkaran di bidang ΓS dan dapat ditulis menjadi :
Ni2 Ni 1 - opt opt S 1 Ni 1 Ni2 2
2
untuk Ni tertentu, diperoleh lingkaran faktor derau Fi konstan. Lingkaran faktor derau: titik pusat lingkaran op t :
CFi
1 Ni
1 jari-jari lingkaran : R Ni Ni 1 - opt Ni 1 2
Fi
2
Small-Signal RF Amplifier LATIHAN SOAL Suatu transistor dengan parameter S sebagai berikut :
S11 0,552 169o
FMIN 2,5dB
S12 0,049 23o
opt 0,475 166o
S21 1,681 26o
Rn 3.5
S22 0,839 - 67 o Tentukan lingkaran faktor derau Fi = 2,8dB konstan Solusi :
Fi - FMIN 2 .1 opt 4 rn Rn 3,5 rn 0,07 Z 50
Ni
Lingkaran F konstan
RF
i
O
Fi = 2,8dB = 1,905 FMIN = 2,5 dB = 1,778 → Ni = 0,1378
CFi
opt 0,417 166o 1 Ni
RFi = 0,312
166 o
Z0
Z
0,417 Smith Chart
