BAB III - 101344013.pdf

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

1/28

BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT

KRIST ARISTOTELIUS, 101344013 34

LAPORAN TUGAS AKHIR TAHUN 2014

BAB III

PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT

Pada bab ini akan dibahas mengenai proses perancangan dan realisasi

penguat daya RF pada pengirim MS-GSM (890-915 MHz). Penguat daya RF ini

menggunakan transistor BJT seri BFG541 produk Phillips Semiconductorsyang

memiliki data teknis seperti ditunjukan pada spesifikasi berikut ini.

3.1 Spesifikasi Alat

Berikut ini adalah spesifikasi teknis untuk penguat daya RF yang akan

direalisasikan:

Frekuensi kerja: 890-915 MHz

Bandwidth: 25 MHz

Penguatan: sebesar-besarnya

Parameter Kestabilan (K) K 1

3.2 Diagram Blok Penguat RF

Gambar 31 Blok Diagram Penguat RF

Dalam realisasi penguat daya RF ini mengacu kepada blok seperti yang

ditunjukkan pada gambar 31. Secara keseluruhan penguat daya RF ini terdiri dari

dua blok diagram yaitu rangkaian biasing dan rangkaian RF. DC biasing

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

2/28




berfungsi untuk mengeset tegangan dan arus DC pada transistor agar transistor

dapat bekerja. Nilai tegangan dan arus tersebut sudah dispesifikasikan pada

datasheettransistor yang akan digunakan.

Penguat daya RF ini juga menggunakan rangkaian penyesuai impedansi

inputdan output. Rangkaian matching tersebut berfungsi agar terjadi transfer daya

maksimum, yaitu tidak ada daya yang dipantulkan kembali ke sumber sehingga

daya input dapat ditransmisikan seluruhnya ke beban. MN 1 adalah matching

network input yang berguna menyesuaikan impedansi sumber dengan impedansi

inputtransistor, sedangkan MN 2 adalah matching network outputdengan fungsi

yang sama dengan MN 1, hanya bedanya berfungsi untuk bagian output.

3.3 Proses Perancangan

Untuk mempermudah proses realisasi alat diperlukan langkah-langkah

perancangan yang sistematis, diantaranya adalah sebagai berikut ini.

3.3.1 Pemilihan Komponen

Dari spesifikasi yang diinginkan diatas, maka komponen aktif yang dipilih

adalah transistor jenis BJT tipe BFG541, karena memiliki spesifikasi yang

dibutuhkan untuk perancangan dan realisasi RF power amplifier 900 MHz. Hal

yang harus diperhatikan adalah noise figure, gain, ketersediaan dan kemudahan

pesanan di pasaran. Sesuai dengan pertimbangan diatas, maka transistor yang

dipilih adalah BFG541 dengan DC biasVCE= 8 V dan IC= 40 mA. Komponen

pasif kapasitor, resistor, dan induktor yang digunakan semuanya bertipe SMD.

3.3.2 Gummel PoonModel Transistor BFG541Dalam simulasi kita memerlukan suatu model transistor yang mewakili

karakteristik riil dari transistor yang digunakan secara keseluruhan. Pada ADS

2011 setiap transistor dimodelkan dengan metode pemodelan Gummel Poon

Model/SPICE model. Gummen Pool model tersebut berisi parameter-parameter

elektrikal dari transistor beserta model komponen parasitiknya. Gambar 33

merupakangummel poonmodel dari transistor BFG541

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

3/28




Gambar 32 BFG541 BJT Package Symbol

Gambar 33 BFG541 Gummel PoonModel

Gambar 32 adalah BJT package symbol dari transistor BFG51 yang

digunakan dalam simulasi. Dalam package symbol tersebut berisi gummel poon

model dari transistor BFG541. Dapat dilihat pada gambar 33 terdapat komponen

induktor dan kapasistor yang merupakan model parasitic component transistor.

Pada gambar 33 juga terdapat beberapa nilai-nilai yang merupakan parameter-

parameter elektrikal dari transistor BFG541.

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

4/28




3.3.3 Pemilihan PCB dan Saluran Transmisi

Untuk memperoleh kualitas transmisi sinyal yang baik dalam rangkaian

maka digunakan PCB dengan tipe Roger 4003C dengan r=3.38 dan tebal

dielektrik d=1.524. Konstruksi jalur transmisi yang digunakan adalah saluran

mikrostrip. Pada mikrostrip, saluran terdiri dari konduktor strip (line) dan sebuah

konduktor bidang tanah yang dipisahkan oleh medium dielektrik dengan

konstanta dielektrik r. Di atas strip adalah udara sehingga jika tanpa shielding

sebagian medan elektromagnetik akan meradiasi, dan sebagian lagi ada yang

masuk kembali ke dalam substrat dielektrik. Jadi ada dua dielektrik yang

melingkupi strip: udara dengan konstanta dielektrik satu dan substrat dengan

konstanta dielektrik r1. Konstruksi saluran mikrostrip ditunjukan oleh gbr.34

d

W

r

Gambar 34 Konstruksi Saluran Transmisi Mikrostrip

3.3.4 BiasingDC BJT

Dalam perancangan penguat daya RF ini digunakan small signal analysis,

maka pada proses perancangan matching akan bertumpu pada analisis S

parameter. Pada umumnya datasheet transistor akan memuat data S parameter

yang spesifik untuk setiap nilai DC bias tertentu. Berdasarkan data S parameter

yang akan digunakan maka nilai DC biasyang biperlukan untuk transistor antara

lain:

Ic = 40 mA

Vce= 8V

Metode biasyang digunakan adalah fixed biasdengan feedback pathdari

collectorke basis transistor. Dari datasheetdidapatkan data-data yang digunakan

dalam perhitungan DC biasing sehingga nilai-nilai Vce dan Ic diatas dapat

terpenuhi, yaitu:

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

5/28




=120 (typical)

Vbe=0.7 V (silikon)

Gambar 35 topologi DC biasyang diterapkan dalam rangkaian penguat:

Gambar 35 Topologi BiasingDC Transistor

Kemudian dilakukan perhitungan biasing dengan menggunakan hukum

Ohm untuk mendapatkan nilai komponen RT, Rb, dan Rc pada topologi di atas.

Ketiga resistor tersebut akan mengatur jumlah arus yang mengalir dan nilai

tegangan pada node tertentu sehingga nilai-nilai Vce dan Ic yang telah

dispesifikasikan sebelumnya dapat dicapai. Berikut ini adalah perhitungan biasing

yang digunakan pada penguat

Ditetapkan terlebih dahulu tegangan pada nodeA yaitu sebesar 12 Volt, Ic

= 40mA dan Vce = Vc = 8V

Rc=

Ib= 0.33 mA

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

6/28




Setelah nilai-nilai komponen didapatkan kemudian dilakukan DC

Simulationpada ADS 2011 untuk menguji apakah perhitungan biassudah sesuai

dengan desain atau belum.

3.3.5 DC SimulationADS 2011

Komponen-komponen yang didapatkan pada hasil perhitungan

sebelumnya disubstitusikan ke dalam topologi DC bias (Gambar 35) kemudian

dilakukan DC simulation pada ADS 2011 untuk mengecek berapa nilai Ic dan

Vce. Berikut ini (gambar 36) hasil simulasi DCsimulation ADS 2011

Gambar 36 DC Simulation ADS 2011

Dari hasil simulasi pada gambar 36 dapat dilihat bahwa nilai yang didapat

Ic adalah 43.5 mA sedangkan tegangan Vce sebesar 8.03 V. Nilai-nilai tersebut

sudah memenuhi nilai-nilai perancangan yang diinginkan.

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

7/28




3.3.6 Mikrostrip

Penguat daya RF ini menggunakan mikrostrip sebagai saluran

transmisinya. Jenis PCB yang digunakan adalah Roger 4003C dengan r=3.38 dan

tebal dielektrik d=1.524. Mikrostrip ini menggunakan impedansi karakteristik 50

Ohm. Untuk perhitungannya menggunakan persamaan sebagai berikut

Diketahui:

r=3.38

d=1.524 mm

Zo=50 Ohm

rr

rrZA

11,023,0

1

1

2

1

60

0

38.3502

377

2

377

0 xZB

r

Jadi lebar jalur untuk 50 adalah sebesar 1.9 mm.

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

8/28




3.3.7 Matching Network

Sebuah rangkaian penyesuai impedansi merupakan suatu elemen yang

sangat penting agar terjadinya suatu transfer daya maksimum. Untuk perancangan

penguat ini, penyesuai impedansi yang digunakan adalah tipe phi.

3.3.7.1 S Parameter Transistor

Dalam perancangan matching network penguat daya RF dengan analisis

small signal, parameter S transistor adalah hal pertama yang musti diperhatikan

karena hal ini akan menjadi penentu metode perancanganmatching. Seperti yang

telah dijelaskan sebelumnya, transistor BFG541 sudah memiliki model yang

mewakili karakteristik transistor secara seluruhnya. Pada ADS 2011 kita dapat

melakukan pengukuran S parameter dari transistor BFG541 yang telah

dimodelkan melalui S Parameters simulation. Gambar 37 set-up simulasi

pengukuran S parameter transistor pada ADS 2011

Gambar 37 Simulasi Pengukuran S Parameter BFG541

Pada simulasi tersebut dapat dilihat bahwa parameter S transistor diukur

dengan kondisi transistor diberi biasDC sesuai dengan yang telah dirancang pada

langkah sebelumnya. Pengukuran dilakukan dengansweepfrekuensi 800 MHz s.d

1 GHz. Tabel 1 menunjukkan hasil simulasi pengukuran S parameter BFG541

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

9/28




Tabel 1 Hasil Simulasi Pengukuran S Parameter Transistor BFG541

3.3.7.2 Kestabilan Transistor

Sebelum dilakukan perancangan matching impedance, kita perlu

memeriksa kestabilan transistor. Hal ini diutamakan karena jika ternyata transistor

tidak stabil maka proses simultaneous conjugate matching tidak bisa dilakukan.

Kestabilan transistor dapat diketehui nilainya melalui perhitungan manual biasa

menggunakan rumus berdasarkan data-data S parameter (S11,S21,S12,S22) pada

frekuensi 900 MHz. Akan tetapi ADS 2011 memberikan fasilitas simulasi

penghitungan nilai kestabilan transistor yang hasilnya akan sama dengan

perhitungan manual biasa menggunakan rumus. Untuk mempersingkat waktu

pendesainan penguat maka pemeriksaan kestabilan transistor dilakukan dengan

bantuan fasilitas ADS 2011. Gambar 38 adalah simulasi penghitungan nilai

kestabilan transistor pada ADS 2011 menggunakan StabFact simulation

Gambar 38 StabFact SimulationADS 2011 untuk Menghitung Kestabilan

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

10/28




Hasil simulasi perhitungan kestabilan transistor BFG541 adalah sebagai

berikut

Tabel 2 Hasil Simulasi Perhitungan Kestabilan StabFact ADS 2011

Dari tabel 2 hasil simulasi perhitungan disimpulkan bahwa transistor stabil

pada frekuensi 890-915 MHz sehingga metode matching simultaneousconjugate

matchingbisa diterapkan dalam perancangan penguat.

Untuk lebih yakin dalam melakukan perancangan, ada baiknya jika kita

melakukan perbandingan hasil antara perhitungan simulasi dan perhitungan. Dari

datasheet (lihat lampiran I) dengan nilai biasing Vce 8 V dan Ic 40 mA

didapatkan data-data S parameter sebagai berikut:

S11 = 0,303162,50

S21 = 5,05274,20

S12 = 0,11270,70

S22 = 0,125 -54,30

Dengan menggunakan rumus (29) maka didapat sebesar

= [(0,303162,50)( 0,125 -54,30)][(5,05274,20)(0,11270,70)]

= 0.533-32.67

Sehingga harga adalah

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

11/28




Dari parameter S yang dihasilkan dari biasing DC, dapat dihitung nilai

kestabilan transistor tersebut. Nilai K > 1, artinya transistor stabil.

3.3.7.3 Zin dan Zout

L

Vs

Zs

in

ZLK-4

outs

bs

b1

b2a1

a2

Gambar 39 Refleksi pada Kutub 4

Setelah mendapatkan data S parameter dan kestabilan pada frekuensi kerja

transistor maka tahap selanjutnya adalah menghitung nilai impedansi Zin dan

Zout transistor. Nilai impedansi Zin dan Zout bisa diperoleh melalui perhitungan

manual menggunakan rumus berdasarkan data S parameter (S11,S12,S21,S22)

pada frekuensi 900 MHz. Akan tetapi padasoftwareADS 2011 terdapat fasilitas

simulasi untuk menghitung nilai impedansi Zin dan Zoutyang nilainya akan sama

dengan hasil penghitungan manual menggunakan rumus. Untuk mempersingkat

waktu pendesainan penguat maka nilai Zin dan Zout diperoleh melalui bantuan

ADS 2011. Gambar 40 simulasi untuk memperoleh nilai Zindan Zoutpada ADS

2011 menggunakan smZ1 (Simultaneous-Match Input Impedance) dan smZ2

(Simultaneous-Match Output Impedance)simulation

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

12/28




Gambar 40 Simulasi Perhitungan Zin & Zout ADS 2011

Tabel 3 merupakan hasil simulasi perhitungan nilai impedansi Zin dan

Zout transistor BFG541

Tabel 3 Hasil Simulasi Perhitungan Zin& ZoutADS 2011

Dari hasil simulasi tersebut didapatkan Zin=20.302+j5.214 dan

Zout=81.958-j21.141.

3.3.7.5 Perancangan Matching Network I nput

Zsource= 50 Ohm

Zin= 20.302+j5.214 Ohm

Sebelum perancangan matching network tipe Phi dilakukan, kita harus

memiih resistansi virtual (Rv) yang mana nilainya Rv

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

13/28




perancangan kali ini R yang diambil adalah 5 Ohm (5

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

14/28




Gambar 42 Smith Chart Util ityADS 2011

2. Gunakan fasilitas Auto 2-Element Match agar proses penyesuaian

impedansi secara grafis pada smith chart dilakukan secara otomatis oleh

ADS (gambar 43).

Gambar 43 Hasil Simulasi Auto 2 Element M atchADS 2011

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

15/28




3. Gunakan fasilitasBuildADS Circuituntuk membentuk rangkaian topologi

L berdasarkan solusi grafis pada smith chart oleh ADS pada langkah

sebelumnya. Gambar 44 adalah rangkaian topologi L yang berhasil didapat

Gambar 44 Penyesuai Impedansi InputTipe L Kanan

4. Dengan bantuan Smitch Chart Utility software ADS 2011 kita lakukan

proses matching L kiri untuk menyesuaikan Rv 5 Ohm ke Zsource 50

Ohm. Inputkan nilai Rv 5 Ohm ke ZL padaNetwork Schematicsedangkan

nilai Zsource50 Ohm diinputkan ke ZS padaNetwork Schematic


5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

16/28






ADS (gambar 46).


6. Gunakan fasilitasBuildADS Circuituntuk membentuk rangkaian topologi


sebelumnya. Gambar 47 rangkaian topologi L yang berhasil didapat

Gambar 47 Penyesuai Impedansi InputTipe L Kiri

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

17/28




7. Tahap terakhir pembentukan matching impedance input topologi Phi

adalah menyatukan kedua matching tipe L yang telah didapatkan

sebelumnya. Gambar 48 merupakan rangkaian matching impedanceinput

tipe phi yang berhasil dirancang

Gambar 48 Penyesuai Impedansi Input Topologi Phi

3.3.7.6 Perancangan Matching Network Output

Zload= 50 Ohm

Zout= 81.958-j21.141 Ohm

Sebelum perancangan matching network tipe phi dilakukan, kita harus

memiih resistansi virtual (Rv) yang mana nilainya Rv

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

18/28




Gambar 49 Rangkaian Topologi L Ekivalen

Berikut ini akan dijelaskan proses perancangan matching output dengan

bantuan software ADS 2011


prosesmatchingL kiri untuk menyesuaikan impedansi Zout ke Rv 8 Ohm.

Inputkan nilai impedansi Zoutke ZL pada Network Schematic sedangkan

nilai Rv diinputkan ke ZS padaNetwork Schematic


5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

19/28






ADS (gambar 51)


3. Gunakan fasilitasBuild ADS Circuituntuk membentuk rangkaian topologi



Gambar 52 Penyesuai Impedansi OutputTipe L Kiri

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

20/28





proses matching L kanan untuk menyesuaikan Rv 8 Ohm ke Zload 50

Ohm. Inputkan nilai Rv 8 Ohm ke ZL padaNetwork Schematicsedangkan

nilai Zload50 Ohm diinputkan ke ZS padaNetwork Schematic




ADS (gambar 54).

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

21/28





6. Gunakan fasilitasBuild ADS Circuituntuk membentuk rangkaian topologi



Gambar 55 Penyesuai Impedansi OutputTipe L Kanan

7. Tahap terakhir pembentukan matching impedance output tipe phi adalah

menyatukan kedua matching tipe L yang telah didapatkan sebelumnya.

Gambar 56 rangkaian matching impedance output tipe phi yang berhasil

dirancang

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

22/28




Gambar 56 Penyesuai Impedansi Output Topologi Phi

3.4 Diagram Skematik Rangkaian

Gambar 57 merupakan diagram skematik rangkaian penguat secara

keseluruhan yang terdiri dari transistor, biasDC, RF Choke, DCBlock, matching

network input, dan matching network output.

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

23/28




Gambar 57 Diagram Skematik Rangkaian Penguat Keseluruhan

3.5 Simulasi ADS 2011

Sebelum direalisasikan, penguat daya RF ini disimulasikan terlebih dahulu

menggunakan software ADS 2011 untuk mengetahui gambaran nilai gain

penguat, VSWR, Kestabilan, dan parameter-parameter lainnya. Hal ini dilakukan

untuk mengecek bilamana terjadi kesalahan dalam pendesainan rangkaian

penguat.

Gambar 58 Tampilan Schematic Simulation ADS 2011

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

24/28




Pada simulasi ini digunakan model transistor BFG541 yang di-download

langsung dari situs nxp serta memiliki versi paling baru. Semua komponen pasif

yang digunakan diset ideal dan jalur tidak meredam.

3.5.1 Simulasi Gain

(a)

(b)

Gambar 59 Grafik Hasil Simulasi Gain(Pin: Biru|Pout: Merah)

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

25/28




Gambar 59 menunjukkan hasil simulasi Gainrangkaian penguat daya RF

yang telah dirancang pada ADS 2011. Gambar 59a menunjukkan hasil simulasi

pada frekuensi 890-915 MHz sedangkan gambar 59b pada frekuensi 600 MHz-1.1

GHz. Dapat dilihat bahwa penguat menghasilkan penguatan 13 dB pada frekuensi

900 MHz.

3.5.2 Simulasi VSWR

Gambar 60 Hasil Simulasi Pengukuran VSWR ADS 2011

Hasil simulasi pengukuran VSWR (gambar 60) tersebut menunjukkan

bahwa nilai VSWR1 input dan VSWR2 output penguat cukup baik (nilai

mendekati 1).

3.5.3 Simulasi Kestabilan

Tabel 4 Hasil Simulasi Perhitungan Kestabilan StabFactADS 2011

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

26/28




Hasil pengukuran (tabel 4) menunjukkan penguat stabil pada frekuensi

kerjanya (Stabfact 1).

3.5.4 Simulasi Pengukuran S11 dan S22 (dB)

Gambar 61 Hasil Simulasi Pengukuran S11 dan S22 ADS 2011

S11(dB) menunjukkan return loss sedangkan S22(dB) menunjukkan

return lossoutput. Hasil simulasi pengukuran (gambar 61) tersebut menunjukkan

nilai return loss input dan output sudah cukup baik (-20dB). Frekuensi

pengukuran 600 MHz-1.1 GHz.

3.6 Implementasi Alat

Implementasi dari rangkaian penguat daya RF ini terdiri dari implementasi

perangkat keras dan implementasi mekanik. Setelah desain selesai, maka hasil

desain tersebut diimplementasikan dalam bentuk yang lebih baik.

Dalam implementasi perangkat keras ini ada beberapa tahapan yang

dilakukan, yaitu :

1. PembuatanLay Out PCB

Setelah mendesain amplifier, selanjutkan membuat lay outPCB untuk

rangkaian amplifier. Pembuatan lay out PCB menggunakan bantuan

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

27/28




softwareAltium 13.1. Ukuran dan desain dari lay out PCB rangkaian

amplifier tersebut berdasarkan jumlah komponen dan bentuk footprint

dari masing-masing komponen yang digunakan dan diletakkan.

Gambar 62 adalah hasil lay outPCB rangkaian amplifieryang dibuat.

Gambar 62 Lay OutPCB Rangkaian Amplifier

2. Pencetakan PCB dan Penyolderan

Untuk proses pencetakan PCB tersebut, penulis menggunakan jasa

cetak PCB Multikarya. PCB yang dibuat menggunakan double layer,

dimana bagian atas (top layer) adalah garis jalur dan penempatan

komponen dan bagian bawah (bottom layer) adalah bagian grounding,

yang dihubungkan dengan through hole yang terdapat pada setiap kaki

komponen yang terhubung keground.

Peletakan komponen dibuat serapat mungkin, dikarenakan untuk

menghindari berubahnya frekuensi atau besarnya jumlah redaman yang

ditimbulkan dari bahan PCB tersebut. Bahan PCB yang digunakan adalah

Rogers RO4003C. Komponen yang digunakan adalah Komponen Surface

5/20/2018 BAB III - 101344013.pdf

28/28




Mount, yang diharapkan memiliki toleransi yang baik, karena bekerja pada

frekuensi tinggi.

Setelah jalur PCB selesai dibuat, maka dilakukan pengecekan jalur.

Pengecekan ini dibagi menjadi dua tahap, yaitu sebelum menjadi PCB dan

sesudah menjadi PCB. Hal ini dimaksudkan untuk menghindari terjadinya

kesalahan-kesalahan jalur yang dapat merusak kinerja komponen yang

akan dipasang.

Penyolderan dilakukan dengan solder biasa. Karena penyolderan

dilakukan pada permukaan PCB maka dibutuhkan ketelitian dan

kesebaran, sehingga timah yang menempel tidak menggumpal dan

rangkaian tetap kelihatan rapi.

Realisasi alat dilengkapi juga dengan heatsink yang ukurannya

disesuaikan dengan kebutuhan. Heatsink juga pada realisasi penguat daya

RF ini sangat dibutuhkan untuk menyalurkan panas karena disipasi daya.

Gambar 63 Rangkaian Amplifier setelah dipasang Komponennya

BAB III - 101344013.pdf

Documents

Transcript of BAB III - 101344013.pdf