Penguat Kelas C

Penguat ini tidak memerlukan fidelitas, yang dibutuhkan adalah frekuensi kerja sinyal dan tidak memperhatikan bentuk sinyal. Penguat kelas C dipakai pada penguat frekuensi tinggi. Untuk membantu kerja biasanya sering ditambahkan sebuah rangkaian resonator LC yang terdiri dari induktor dan condensator. Penguat kelas C mempunyai efisiensi yang tinggi sampai 100 % namun dengan fidelitas yang rendah. Tetapi sebenarnya fidelitas yang tinggi bukan menjadi tujuan dari penguat jenis ini.

Karena posisi dari titik kerja di C yang berada di bawah kaki darikarakteristik transistor, maka arus kolektor ada pada interval yang lebih kecil darisetengah perioda. Efisiensi yang dicapai >85%. Untuk mendapatkan sinyal sinus(dengan band untuk sinyal informasinya) pada output penguat daya kelas C inidipasangkan rangkaian resonansi. Penggunaan tegangan DC yang dipasangkan secara serial dengan teganganRF yang akan diperkuat memungkinkan dipilihnya titik-titik kerja di atas, yangakan mengklasifikasikan masing-masing penguat daya itu sesuai dengannamanya. Di bab ini kita hanya akan membahas penguat daya kelas C, yang jugamerupakan penguat yang dipakai pada perangkat keras transmitter. Mula-mulakita bahas dasar dari terjadinya pembentukan sinyal yang tidak linier akibatpemilihan titik kerja di bawah kaki karakteristik transistor, yang dilanjutkandengan penurunan dari koefisien deret Fourier, yang menggambarkan harmonis-harmonis yang muncul. Penguat kelas C menghasilkan sinyal output kurang dari 180 derajat darisinyal input. Hal ini karena bias yang diberikan kepada transistor terletak dibawah titik cut-off (mati). Untuk transistor NPN adalah dengan memberikantegangan VBE negatip. Efesiensi penguat kelas C menjadi sangat tinggi, karena

hidupnya transistor hanya sebentar saja. Penguat kelas C banyak digunakan padapenguat dengan rangkaian ternala, misalnya pada penguat akhir pemancar.Dengan menggunakan rangkaian ternala pada bagian output penguat kelas C dapatdiperoleh sinyal output bentuk sinus.

Penguat kelas C mirip dengan penguat kelas B, yaitu titik kerjanya berada di daerah cut-off transistor. Bedanya adalah penguat kelas C hanya perlu satu transistor untuk bekerja normal tidak seperti kelas B yang harus menggunakan dua transistor (sistem push-pull). Hal ini karena penguat kelas C khusus dipakai untuk menguatkan sinyal pada satu sisi atau bahkan hanya puncak-puncak sinyal saja.

Ada beberapa aplikasi yang memang hanya memerlukan 1 phase positif saja. Contohnya adalah pendeteksi dan penguat frekuensi pilot, rangkaian penguat tuner RF dan sebagainya. Transistor penguat kelas C bekerja aktif hanya pada phase positif saja, bahkan jika perlu cukup sempit hanya pada puncak-puncaknya saja dikuatkan. Sisa sinyalnya bisa direplika oleh rangkaian resonansi L dan C. Rangkaian L C pada rangkaian tersebut akan ber-resonansi dan ikut berperan penting dalam me-replika kembali sinyal input menjadi sinyal output dengan frekuensi yang sama. Tipikal dari rangkaian penguat kelas C adalah seperti pada rangkaian berikut ini.

Gambar IV.10 Rangkaian dasar penguat kelas C

Rangkaian ini juga tidak perlu dibuatkan bias, karena transistor memang sengaja dibuat bekerja pada daerah saturasi. Rangkaian L C pada rangkaian tersebut akan ber-resonansi dan ikut berperan penting dalam me-replika kembali sinyal input menjadi sinyal output dengan frekuensi yang sama. Rangkaian ini jika diberi umpanbalik dapat menjadi rangkaian osilator RF yang sering digunakan pada pemancar. Kelas C amplifier melakukan kurang dari 50% dari sinyal input dan distorsi pada output yang tinggi. Beberapa aplikasi (misalnya, megafon) dapat mentolerir distorsi. Sebuah aplikasi yang lebih umum untuk penguat kelas C adalah pemancar RF, dimana distorsi tersebut dapat sangat dikurangi dengan menggunakan beban tuned di panggung amplifier. Sinyal input yang digunakan untuk mengaktifkan perangkat kasar penguatan dan mematikan, yang menyebabkan pulsa arus mengalir melalui rangkaian disetel.

Penguat kelas C memiliki dua modus operasi: tuned dan yg tak disetel [11] Diagram menunjukkan gelombang dari rangkaian kelas C sederhana tanpa beban disetel.. Hal ini disebut operasi yg tak disetel, dan analisis bentuk gelombang menunjukkan distorsi besar-besaran yang muncul pada sinyal. Saat beban yang tepat (misalnya, kapasitif murni induktif-filter) yang digunakan, dua hal terjadi. Yang pertama adalah bahwa tingkat bias output adalah dijepit, sehingga variasi output berpusat pada satu-setengah dari tegangan suplai. Inilah sebabnya mengapa operasi disetel kadang-kadang disebut sebuah clamper. Ini tindakan mengangkat tingkat bias memungkinkan gelombang yang akan dikembalikan ke bentuk yang tepat, memungkinkan gelombang lengkap yang akan didirikan kembali meski hanya memiliki persediaan satu-polaritas. Hal ini langsung berkaitan dengan fenomena kedua: gelombang pada frekuensi tengah menjadi jauh lebih sedikit terdistorsi. Distorsi yang hadir tergantung pada bandwidth dari beban yang dicari, dengan frekuensi pusat melihat distorsi sangat sedikit, tetapi lebih besar redaman semakin jauh dari frekuensi yang dicari yang mendapat sinyal.

Analisa rangkaian :

C2 dan C3 pada rangkaian tersebut digunakan sebagai kapasitor

coupling. Fungsinya untuk membatasi arus DC yang akan memasuki dan

keluar rangkaian ini. R1 dan L1 menghasilkan Vb = 0 v. Pada penguat

kelas B, Vb yang dihasilkan harus = 0 V(yaitu Vbe). R3 (Lc) digunakan

untuk menghasilkan Vce.

Prinsip Kerja Power Amplifier Kelas C

Penguat kelas C akan mengalir arus di kolektor kurang dari 180° pada setiap siklusnya (tidak sinusoida), ada rangkaian tangki resonansi, LC seperti ditunjukkan pada gambar diatas. Rangkaian tangki resonansi LC paralel, memiliki frekuensi resonansi sebesar:

Pada saat sinyal input sesuai pada frekuensi fr tegangan output akan maksimum dan bersifat sinusoida, dengan penguatan tegangan sebesar Amax. Untuk menganalisa rangkaian ini, pertama-tama dibuat rangkaian ekivalen DC. Selanjutnya dilakukan pembuatan garis beban ditunjukkan pada gambar berikut.

Untuk menganalisa rangkaian ini, pertama-tama dilakukanRangkaian ekivalen DC. Selanjutnya dilakukan pembuatan garisbeban ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 3 , Penguat kelas C tertala dan tanggapan frekuensinyaPada saat sinyal input tertala pada frekuensi fr tegangan outputakan maksimum dan bersifat sinusoida, dengan penguatan tegangansebesar Amax.

Rangkaian Elivalen DC Dan Garis Beban Power Amplifier kelas C

Transistor pada power amplifier kelas C tidak membutuhkan pem-bias-an

VBE = 0 ; IC = 0 untuk sinyal input < 0,7 V

Titik Q akan cutt-off pada garis beban.

RS : hambatan kolektor DC (resistansi induktor RF); garis beban relatif vertikal karena RS kecil.

Rangkaian ekivalen AC penguat CE ditunjukkan padagambar berikut.

Pada power amplifier kelas C seperti ditunjukan pada gambar diatas berlaku rumusan sebagai berikut :

dan

Pada penguat kelas C, ICQ = 0 dan VCEQ = VCC, sehingga:

dan Ic(sat) = V cc

r c

seperti ditunjukkan pada garis beban di atas, dengan rc : hambatankolektor AC. Jadi pada penguat kelas C swing tegangan sebesar VCCdan arus saturasi sebesar VCC/rc.

Jika sudut penghantar dalam hal ini pergeseran fasa kurang dari 180o, operasi penguat

merupakan Penguat Kelas C. Jenis operasi ini mempunyai mempunyai efesiensi yang

lebih baik dari penguat kelas B tetapi menghasilkan distorsi yang lebih besar dari

penguat kelas A dan B. Keadaan distorsi yang dialami kadang masih bisa ditoleransi

atau dalam keadaan frequency multiplier (pengali frekuensi) yang akan di bahas pada

bagian akhir modul ini. Penguat C digunakan dimana tidak ada variasi dalam amplitude

sinyal dan rangkaian output terdiri dari rangkaian tuned untuk mengfilter semua

harmonisasi dari arus output. Pada beberapa aplikasi seperti pada penguatan sinyal FM,

frekuensi sinyal yang penting dan bukan amplitude. Penguat kelas C biasanya

digunakan untuk aplikasi ini. Gambar 9.5 menunjukkan contoh rangakain penguat

kelas C dengan menggunakan transistor FET dan BJT. Dan gambar 9.6 menunjukkan

arus drain (arus kolektor) dari penguat kelas C yang sudut penghantarnya kurang dari

180o dan level drive (tingkat pergerakan) cukup kecil dimana arus output tidak

disaturasi.

Gambar 9.5 Penguat Kelas C dengan FET(a) dan BJT(b)

Gambar 9.6 Bentuk gelombang arus kolektor dari penguat daya kelas C

Beberapa model yang berbeda bisa diasumsikan untuk arusnya. Untuk memudahkan

diasumsikan bahwa sinyal digambarkan pada ujung dari dari gelombang sinus seperti

yang ditunjukkan pada gambar 9.6.

ic=I psin ωt−I D, θ1 ≤ ωt ≤ θ2……………………..(9.2)

¿0

Sebaliknya I p>¿ ID ¿

Dan I D=I psin θ 1………………………………………………………………………

(9.3)

Dengan demikian arus dc adalah

I C=T−1∫θ1 /w

θ2 /w

¿¿

¿2 I p cosθ1−I D(θ2−θ1)

2 π………………………………..

(9.4)

Untuk kemudahan dalam notasinya, perlu ditentukan sudut penghantarnya sebagai

berikut

2 θ=θ2−θ1atau θ=π2−θ1……………………..(9.5)

Persamaan 9.2 dapat ditulis kembali menjadi

I c=I p

π¿…………………………....(9.6)

Arus dc menentukan daya yang disuplai, jika arus dc pada base (atau gate) lebih kecil

dari arus output, maka :

Pcc=V cc I cc=V cc

πI p ¿……………..(9.7)

Jika output merupakan rangkaian narrowband yang disetel mejadi frekuensi

fundamental (dasar) dari sinyal arus, maka power output akan menjadi :

Po=I 1

2 RL

2……………………………………….…..

(9.8)

Dimana I1 merupakan amplitude dari komponen arus fundamental

I 1=4T∫0

θω

¿¿

Di sini asal dari waktu(t) telah bergeser ke pusat dari sinyal arus untuk kemudahan dari

interasi. Pergeseran waktu tidak akan mengubah amplitude dari komponen frekuensi,

hanya phasanya yang diubah. Sehingga amplitude dari komponen frekuesinya adalah

I 1=I p

2 π[ 2θ−sin 2θ ]……………………………..(9.9)

Jika sudut penghantar tergantung pada amplitude dari input, amplitude arus

fundamental, dan dengan demikian tegangan output merupakan fungsi nonlinier dari

amplitude sinyal output.

Untuk penguat kelas C dengan FET ditunjukkan pada gambar 9.5 a, sehingga tegangan

drain ke sumber adalah

V DSmaks=V cc+(I 1)maks RL ≤2 V cc

Dengan demikian daya output maksimum adalah

η=Po

Pcc

=I 1

2 RL

V cc Icc

=V cc I1

V cc Ic

=2θ−sin 2θ4¿¿

Dimana Ic merupakan nilai dc dari arus (persamaan 9.3). efesiensi sebagai fungsi sudut

hantar yang di tunjukkan pada gambar 9.7. Efesiensi Penguat kelas C dapat dinaikkan

hingga 100% (dalam amplifier yang ideal) dengan mengurangi sudut hantar kea rah nol.

Jika sudutnya θ adalah 90o, operasi menjadi penguat kelas B dan efesiensinya menjadi

78o. Efesiensi meningkat secara monoton sebagai mana penurunan sudut hantar. Factor

efesiensi tinggi ini yang menyebabkan penguat kelas C sering digunakan pada

penguatan daya.

Desain Penguat Daya Kelas C

Untuk penguat daya kelas C, sebagaimana untuk semua penguat daya, parameter desain

yang perlu diperhatikan adalah daya output, disipasi daya transistor, tegangan kolektor

ke emitter( atau drain ke sumber), dan arus output maksimum dari transistor Ip. Untuk

transistor BJT ditunjukkan pada gambar 9.5b, dimana tegangan colektor ke emitter

maksimumnya adalah

¿¿

Arus kolektor maksimumnya adalah dari persamaan 9.1

I Maks (ic )maks=I psinπ2−I D=I p−I p sin θ1

Dan jika θ = π/2 – θ1, maka

I Maks=I p ¿………………………….…..(9.10)

Arus puncak dihubungkan dnegan amplitude (I1) dari komponen frekuensi fundamental

(persamaan 9.8) dengan :

I Maks=2π I1 ¿¿ …………….……….……..(9.11)

Daya output ac dari penguat diperkirakan :

Po=I 1

2 RL

2…………………………………………..

(9.12)

Yang disediakan oleh Q dari rangkaian tuned yang cukup tinggi. Arus puncak output

adalah sebuah fungsi arus kolektor dan daya output. Daya output maksimum terjadi

untuk nilai Ip yang maksimum . Oleh karena itu Daya output rata-rata(maksimum)

adalah ;

Po=I 1

2 RL

2=

V cc2

2 RL…………………………………..

(9.13)

Jika I 1 RL=V ccuntuk power output maksimum.

Disipasi daya (daya yang hilang) pada transistor adalah

PT=Pcc−Po=V cc I p

π¿)

¿V cc I p

πsin θ−θ cos θ

1−cosθ−

V cc2

2 RL…………………..

(9.14)

Untuk nilai resistansi beban tertentu, persamaan 9.12 menentukan tegangan suplai yang

dibutuhkan untuk power output tertentu. Arus maksimum yang sesuai adalah pada

persamaan 9.10 dan 9.13, yakni

I M=2 π V cc ¿¿………………………………...(9.15)

Arus puncak kolektor yang dinormalisasi ditentukan dari

I M' =

I M RL

2π V cc

= 1−cosθ2θ−sin 2θ …………………………...

(9.16)

I M' merupakan fungsi sudut hantar yang ditunjukkan pada gambar 9.8. Untuk daya ouput

pada level yang tetap, nilai puncak dari arus kolektor meningkat jika sudut hantar

menurun.

Disipasi transistor untuk daya output dapat ditunjukkan sebagai sebuah fungsi daya

output dan sudut hantar (dari persamaan 9.14 dan 9.15):

PT=Po ¿……………………..(9.17)

Normalisasi disipasi transistor (PT/Po) digambarkan sebagai fungsi sudut hantar pada

gambar 9.9. Sebagaimana yang dihararkan, disipasi transistor akan meningkat dengan

kenaikan sudut hantar. Untuk PT yang maksimum, sudut hantar harus dibatasi dengan

nilai maksimum untuk daya outout tertentu. Nilai maksimum yang tepat dari arus output

transistor ditentukan dari gambar 9.9. Sebagaimana penurunan sudut maka disipasi

transistor akan menurun tetapi arus output puncak semakin meningkat.

KELEBIHAN

Lebih efisien. Karena dapat memperkuat sinyal hanya pada frekuensi

tertentu saja. Pada penguat kelas C ada rangkaian tambahan berupa

kapasitor dan induktor atau disebut juga sirkuit resonan. Rangkaian

ini fungsinya sebagai filter frekuensi. Nilai C dan L akan

mempengaruhi nilai frekuensi yang akan diperkuat. Jadi hanya satu

jenis frekuensi dan kelipatannya saja yang dapat diperkuat.

KEKURANGAN

* Amplitudo terpotong

* Tidak bagus untuk power besar

* Memotong Modulasi

PENGGUNAAN

Untuk penguat kelas C biasanya digunakan pada rangkaian gelombang

radio, misalnya pada antena untuk memperkuat sinyal yang memiliki

frekuensi tertentu.