48776_pt2123_05_osilator.pdf

Modul 5 PT 21 2123 23 Elektronika Komunikasi

OSILATOR Program Studi D3 Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro - Sekolah Tinggi Teknologi Telkom Bandung – 2006

Definisi :

•

•

Osilator merupakan rangkaian elektronik yang didesain sebagai penghasil sinyal carrier Ada 2 metode pembangkitan: 1.

2.

Menggunakan M k feed f db back, k osilator il t menggunakan komponen feed back LC sebagai resonator penghasil gelombang sinusoidal. Menggunakan rangkaian resistansi negatif

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

2

A. Prinsip Dasar Oscillator menggunakan metode feedback

Vo(t)= Cos (2πfot+900)

ƒRangkaian mempunyai penguatan arah maju yang negatif (-A) dan penguatan arah balik ((feed feed back back)) β

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

3

Prinsip Dasar Oscillator „

„

„ 1. 2.

Tegangan feedBack : Vf = β . Vo = Vi Tegangan Output : Vo = -A . Vi Maka diperoleh p : Vf = -A.β.Vi = Vi ⇒ (1 + A.β).Vi = 0 Jika Vo merupakan tegangan tertentu (tdk = 0), maka Vi tidak sama dengan nol atau 1 + Aβ = 0 Aβ = -1 + j 0 Dari persamaan di atas, atas ada 2 indikasi yang diperlukan supaya osilasi terjadi: Magnitude |A.β| = 1, B Besarnya pergeseran fasa f yang mengelilingi lili i loop l harus 1800 atau kelipatan 2π. (Kriteria Barkausen) PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

4

Syarat Osilasi

Jika |A.β| > 1 : berosilasi tetapi tidak linier (sinyal mengalami cacat) „ Jika |A.β| < 1 : tdk terjadi osilasi „ Supaya berosilasi dan stabil: mula mula² dipilih |A.β| > 1 untuk memicu osilasi, kemudian dipilih |A.β| |A β| = 1 supaya osilasi stabil. „

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

5

Rangkaian Osilasi dengan FeedBack “Reaktansi” Reaktansi

Gambar Rangkaian : Av

Keterangan : • Av : p penguatan g op p amp p ; Ro : hambatan dalam Op.Amp p p

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

6

Rangkaian Osilasi dengan FeedBack “Reaktansi” Reaktansi

Beban mempunyai impedansi : Zp = Z2 // (Z1+Z3) „ Penguatan tegangan : A=Vo/Vi „

Vo =

Zp Z p + Ro

A = −

⋅ −V i ⋅ Av

Av ⋅ Z Z

p

p

+ Ro

penguatan Inverting, sehingga

Z 2 (Z 1 + Z 3 ) Av ⋅ Z1 + Z 2 + Z3 = − Z 2 ⋅ (Z 1 + Z 3 ) + R0 Z1 + Z 2 + Z3

Av ⋅ Z 2 ( Z 1 + Z 3 ) = − ZPT2123 Z 1 + Z 3 )R o + Z 3 )Komunikasi + (Z 2 - +Osilator 2 (Z- 1Elektronika

7

Penguatan Umpan Balik (β = Vi / Vo ) „

Gambar Rangkaian ( dan Vo thd ground): (Vi )

Vo Z3 Vi Z2

Z1

Z1 Z1 −Vi = ⋅Vo ⇒ β = − (Z1 + Z3 ) Z1 + Z3 Av ⋅ Z2 ⋅ Z1 A⋅ β = = −1 (Z1 + Z2 + Z3 )Ro+Z2 (Z1 + Z3 )

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

8

„

Jika Impedansi yang digunakan adalah Reaktansi murni ( Kapasitif/ Induktif ) yaitu

Z 1 = jX 1 ; Z 2 = jX 2 ; Z 3 = jX 3 : j = −1 2

„

Maka:

A⋅ β =

− Av ⋅ X1 ⋅ X 2 = −1 (bil riilsaja / bagianimajiner= 0) jRo ( X1 + X 2 + X 3 ) − X 2 ( X1 + X 3 )

X1 + X 2 + X 3 = 0 ⇒ X 2 = −( X1 + X 3 )

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

9

Bila X3 induktif; maka 2 komponen lainnya p ((X1,,X2) kapasitif „ Bila salah satu kapasitif X3; maka 2 komponen lainnya Induktif (X1,X X 2) „

Av ⋅ X 1 A⋅β = = −1 (X 1 + X 3 ) X1 + X Av = − X1

3

X2 = X1

⎛ C1 L2 ⎞ ⎜⎜ = ⎟⎟ atau = L1 ⎠ ⎝ C2

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

10

AV X2

X1

Jenis – Jenis Osilator:

X3

Frekuensi osilasi untuk semua jenis rangkaian adalah :

fo = 1/(2π√LC) J i Jenis

X1

X2

X3

K t Keterangan

Hartley Collpits

L1 C1

L2 C2

C L

L = L1 + L 2 C = C1C2 / (C1+C2)

Clapp

C1

C2

seri LC3 C C=C C3

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

11

1. OSILATOR HARTLEY Vcc

Vo Vi

L1

L2 C

Keterangan : X3 = kapasitif, X1 & X2 = Induktif PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

12

Contoh lain osilator Hartley

Keterangan : X3 = kapasitif, kapasitif X1 & X2 = Induktif Ind ktif PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

13

2. OSILATOR COLLPITS

Keterangan : X3 = Induktif, X1 & X2 = Kapasitif PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

14

Contoh lain osilator collpits

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

15

Analisa rangkaian osilator Collpitts

Rangkaian g p pengganti gg frekuensi tinggi gg : (dari gambar rangkaian collpits yang pertama)

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

16

Keterangan :

1 ⇒ diabaikan hoe hoe ≈ 0 mho 1 ≈ ∞ Ω (Open circuit) hoe s = jω = j 2πf

Dari Rangkaian Pengganti : V o (s ) = Arus

x Impedansi

I 1 (s ) ⎛ I 2 (s ) ⎞ ⎜⎜ 1 − ⎟⎟ ; V 0 (s ) = sC 1 ⎝ I 1 (s ) ⎠

1 = [I 1 (s ) − I 2 (s )]⋅ sC

1

I 1 (s ) = − g gm ⋅ V be (s )

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

17

Penguatan Tegangan : V o (s ) A (s ) = V i (s )

− gm A (s ) = sC C1

dimana

Vi (s ) = Vbe (s )

⎛ I 2 (s ) ⎞ ⎜⎜ 1 − ⎟⎟ I 1 (s ) ⎠ ⎝

Penguatan g Umpan p Balik V be (s ) β = − V o (s )

V be (s ) = I 3 (s ) ⋅ h ie ; Sehingga S hi − h ie ⋅ I 3 (s ) β = I 1 (s ) ⎛ I (s ) ⎞ ⎟⎟ ⋅ ⎜⎜ 1 − 2 sC 1 ⎝ I 1 (s ) ⎠

Di Diperoleh l h

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

:

18

I 3 (s ) A ⋅ β = − 1 = gm ⋅ h ie ⋅ I 1 (s ) Perhatikan pembagian arus berikut:

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

19

Dilihat dari rangkaian Pengganti 1 sC2 I 3 (s ) = ⋅ I 2 (s ) 1 + hie sC2

I 3 (s ) 1 = I 2 (s ) 1 + sC2 ⋅ hie

1 sC1

I 2 (s ) = I1(s) ⎛ 1 ⎞ ⎛ ⎞ 1 ⎜⎜ ⎟⎟ + ⎜⎜ sL + // hie ⎟⎟ sC2 ⎝ sC1 ⎠ ⎝ ⎠ 1 + hiei I 2 (s ) 1 sC2 = I1(s) ⎡ 1 ⎛ 1 ⎞⎤ × 1 + h 1 sC1 ⎢ + sL + ⎜⎜ ⋅ hie + hie ⎟⎟⎥ sC ie 2 sC2 ⎝ sC2 ⎠⎦ ⎣ sC1 1 + hie × sC2 sC2 = C2 ⎧⎛ 1 ⎞⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞⎫ × sC sC1 ⎨⎜⎜ + sL⎟⎟ ⋅ ⎜⎜ + hie ⎟⎟ + ⎜⎜ ⋅ hie ⎟⎟⎬ ⎠ ⎝ sC2 ⎠ ⎝ sC2 ⎠⎭ ⎩⎝ sC1 1+ sC2 ⋅ hie = 1+ s2C1L ⋅ (1+ hie ⋅ sC2 ) + hie ⋅ sC1 ×

(

)

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

20

1 + sC 2 hie I 2 (s ) = 3 I 1 (s ) s C1 ⋅ C 2 ⋅ L ⋅ hie + s 2 ⋅ C1 ⋅ L + s (C1 + C 2 )hie + 1 I 3 (s ) I 3 (s ) I 2 (s ) 1 = = 3 I1 (s ) I 2 (s ) I1 (s ) s C1C2 L ⋅ hie + s 2C1 L + s (C1 + C2 )hie + 1 Sehingga :

gm ⋅ hie A⋅ β = 3 = −1 2 s C 1C2 ⋅ hie ⋅ L + s C1 L + s (C1 + C2 )hie + 1 A⋅β =

(1 − C

1

Lω

2

)

gm ⋅ h ie = −1 2 + j ω ⋅ h ie (C 1 + C 2 ) − ω ⋅ L ⋅ C 1 ⋅ C 2

[

]

Imajiner j sehingga

= o

1 − C1 ⋅ L ⋅ω 2 : = −1 gm h ⋅ ie PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

21

Frekuensi Osilasi diperoleh dengan syarat Im =0 0 C

ω

1

2

+ C

2

= ω

2

⋅ L ⋅C

C1 + C 2 = = L ⋅C 1 ⋅C 2

1

⋅C

2

(2 π f )

2

= 4π

2

f

2

Jadi Frekuensi osilasi : fo =

1 2π

C1 + C2 1 = L ⋅ C1 ⋅ C2 2π

1 fo = 2π

1 ⎡ C1 ⋅ C2 ⎤ L⎢ ⎥ ( ) C + C 2 ⎦ ⎣ 1

1 L (C 1 serii C 2 ) PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

22

3. OSILATOR KRISTAL

„

Dasarnya adalah osilator Collpitts yang sudah diperbaiki menjadi “Osilator Pierce/clap” dgn gbr sbb: bb Vcc

Vo Vi

Perhatikan Gambar Osilator Pierce C1

C2 C

L

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

23

C << C1 Syarat { C << C2

Sehingga diperoleh Frekuensi Osilasinya menjadi

X 1 ⇒ C1 ; X 2 ⇒ C2 ; X 3 ⇒ C ; X ⇒ L X 1 + X 2 + X 3+ X = 0

1 fo = 2π

1 1 1 + + jωL + =0 jωC1 jωC2 jωC Karena:

C1 & C 2 >> C

maka:

1 L(C1seriC2seriC )

1 1 fo ≅ 2π LC

Dengan demikian osilator pierce diatur hanya oleh L & C saja, penguatan Av tidak berubah, karena penguatan arah maju hanya diatur oleh besarnya C1 dan C2

C1 Av = C2

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

24

Model feedback osilator Pierce

Model feedback osilator X’Tal

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

simbol X’Tal

25

Karakteristik X’Tal (jika R=0)

ω − ωs j jX = − x 2 ωC ' ω − ω p 2 2

2

ωp = Resonansi paralel ω

ω p = 2πf p

1 2π

fp = Syarat

ωs 2πf s

2 π f

=

p

p

1 L (C seri C ' )

C ' >> C

ωs= Resonansi Seri 2 π f

f

s

=

1 2π

s

1 L ⋅ C

f s < f osilasi < f p PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

26

Latihan soal: 1. 2.

Cari frekuensi Resonansi Seri dari osilator X’tal jika 5 MHz sebagai frek resonansi paralel! Diketahui C=6 pF dan C’=24 pF Perhatikan g gambar osilator collpits(ÎClap) p ( p) berikut:

Gambarkan sinyal keluarannya Vo(t) Vo(t), jika: Vin (t)=A A.Cos(2Πf Cos(2Πfmt) dan i (t) fo >> fm PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

27

Osilator Resistansi Negatif: (untuk gel. Mikro)

⇒ dengan d metode t d tahanan t h negatif tif 2 portt

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

28

Osilator gelombang mikro (frekuensi tinggi)

„

Syarat terjadi osilasi : … K<1 … ГIN

. ГL = 1 … ГOUT . ГT = 1

S12S21ΓT S11 − ΔΓT ΓIN = S11 + = 1− S22ΓT 1− S22ΓT 1− S22.ΓT 1− S11.ΓL ⇒ ΓL = ⇒ ΓT = S11 − Δ.ΓT S22 − Δ.ΓL

S22 − ΔΓL ΓOUT = 1− S11ΓL

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

29

Prosedur perancangan Osilator tahanan negative 2 port :

1 1. 2.

Pilih transistor t i t yang mantap t bersyarat b t (K<1)pada (K<1) d frekuensi f k i osilasi il i ωo Mengambarkan lingkaran kemantapan terminasi titik pusat:

jari-jari: 3. 4 4.

CT =

(S22 − ΔS11*))*

RT =

2

S22 − Δ

2

S12xS21 2

S22 − Δ

2

Rancang rangkaian terminasi untuk menghasilkan │ГIN│ > 1 (pilih ГT di daerah tidak mantap) Rancang rangkaian beban untuk beresonansi dengan Zin dan penuhi kondisi syarat mula osilasi, yaitu: Rin X L (ω0 ) = − X in (ω0 ) ; RL = 3 PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

30

Contoh perancangan:

1 1.

Rancanglah R l h ttransistor i t yang akan k di digunakan k sebagai b i osilator tahanan negatif yang bekerja pd f=8GHz dengan parameter”s” sbb: S11 =0,98 < 163o S12 =0,39 < -54o S21 =0,675 =0 675 < -161 161o S22 =0,465 < 120o

Ref: Microwave Transistor Amplifier Analysis & Design, Guillermo Gonzales, Example 5.3.1

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

31

Solusi :

1. 2. 3.

K = 0,529 < 1(mantap bersyarat) CT = 1,35 < -156o dan RT = 0,521 plotkan ke smith chart, arsir daerah tidak mantap Pilih ГT di daerah yang tidak mantap(│ГIN│ > 1 ) misal i l titik A ―› ГT = 1 < -163 163o

ZT / Z O − 1 ΓT = = 1∠ − 1630 ⇒ ZT = − j 4.5Ω ZT / Z O + 1 ⇒ Γin = 12.8∠ − 16.6 ⇒ Z in = −58 − j 2.6 0

4.

Rangkaian beban: ZL=19 + j2,6 PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

32

Gambar rangkaian

=12.8<-16.60

=1<-1630

19+j2.6=

Zin = −58− j2.6

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

33

Example 11.9 ( “Microwave Engineering 2nd Edition” David M. Pozar)

2 2.

Desainlah D i l h ttransistor i t sebagai b i osilator il t pada d 4GH 4GHz menggunakan k FET GaAs Common gate configuration, untuk meningkatkan “instability” gunakan induktor 5 nH dipasang seri pada kaki gate. Pilihlah rangkaian terminasi untuk menyepadankan beban 50 Ω. (gunakan saltran/stub). Diketahui parameter S transistor dengan konfigurasi common source sbb, : S11 = 0 0,72 72 < -116 116o S12 = 0,03 < 57o S21 = 2,60 < 76o S22 = 0,73 < -54o pada Zo = 50 Ω

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

34

Solusi: „

K Konversi i parameter t S ke k konfigurasi k fi i common gate: t S’11 = 2.18 < -35o S’12 = 2.75 < 96o S’21 = 1.26 <18o S’22 = 0,52 < 155o

„

I S’11 I > I S11 I ⇒ konfigurasi common gate lebih tidak stabil (mudah berosilasi)

„

CT=1.08<330 dan RT=0.665

„

Pilih ΓT yang menghasilkan I Γin I besar, misalkan ΓT =0.59<-1040 ⇒ZT=20-j35Ω

„

⇒Γin 3.96< 96<-2 2.4 40 ⇒Zin 84 j1.9Ω 9Ω i =3 i =-84-j1

„

⇒ZL=28+j1.9Ω Terakhir Rancanglah IMC-in dan IMC-out

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

35

Plot pada Smith Chart:

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

36

Rangkaian lengkap:

PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

37

Kerjakan, dikumpulkan besok Senin 12 Mei 08 pukul 09.00 WIB

3.

Desainlah transistor sebagai g osilator p pada 3 GHz menggunakan gg FET GaAs Common Source configuration dicatu pada sisi Drain. Diketahui parameter S transistor sbb pada Zo = 50 Ω :

S11 = 0.40 ∠-600 S21 = 2.00 ∠400 S12 = 0.10 0 10 ∠550 S22 = 0.91 ∠-430 a. b. c. d. e.

Hitung faktor Δ dan faktor kestabilan K, dari hasil tersebut apakah kesimpulan anda! Hitung dan Plot lingkaran kemantapan teminasi Pilih ГT dan d ZT untuk k menghasilkan h ilk │ГIN│ >>1 1 ((pilih ilih di daerah d h tidak id k mantap) ÎTIAP MAHASISWA HARUS BERBEDA, JIKA SAMA NILAI DIBAGI RATA) Hitung g ГL dan ZL supaya p y transistor tetap p berosilasi Rancanglah rangkaian terminasi dan rangkaian beban (gunakan saltran &/ stub paralel-open circuit). PT2123 - Elektronika Komunikasi - Osilator

38