Distorsi Penguat (Amplifier)
Distorsi pada Penguat/Amplifier ada berbagai macam bentuk seperti Amplitudo, Frekuensi dan Fase Distorsi karena Kliping. Agar penguat sinyal dapat beroperasi dengan benar tanpa ada distorsi pada sinyal output, penguat sinyal memerlukan beberapa bentuk DC Bias pada terminal Base atau Gate-nya.
Bias DC diperlukan agar penguat (amplifier) dapat memperkuat sinyal input pada seluruh siklusnya dengan bias “Q-point” diatur sedekat mungkin ke tengah garis beban. Pengaturan titik-Q bias akan memberi kita konfigurasi amplifikasi tipe "penguat Kelas-A" dengan pengaturan yang paling umum adalah "Common Emitter" untuk transistor Bipolar atau konfigurasi "Common Source" untuk transistor FET unipolar.
Power (Daya), Tegangan atau Arus Gain, (amplifikasi) yang disediakan oleh amplifier adalah rasio dari nilai output puncak dengan nilai input puncaknya (Output ÷ Input). Namun, jika kita salah mendesain rangkaian penguat dan mengatur titik-Q bias pada posisi yang salah pada saluran beban atau menerapkan sinyal input terlalu besar ke amplifier, sinyal output yang dihasilkan mungkin bukan reproduksi yang tepat dari sinyal input asli bentuk gelombang.
Dengan kata lain penguat (amplifier) akan mengalami apa yang biasa disebut Distorsi Penguat (Amplifier). Pertimbangkan rangkaian penguat common-emitter di bawah ini.
Distorsi bentuk gelombang sinyal output dapat terjadi karena:
Penguat atau Amplifier pada dasarnya dirancang untuk memperkuat sinyal input tegangan kecil menjadi sinyal output yang jauh lebih besar dan ini berarti bahwa sinyal output terus berubah oleh beberapa faktor atau nilai, yang disebut gain, dikalikan dengan sinyal input untuk semua frekuensi input. Kita telah melihat sebelumnya bahwa faktor multiplikasi ini disebut Beta, nilai β dari transistor.
Rangkaian transistor tipe common emitter atau bahkan source-emitter bekerja dengan baik untuk sinyal input AC kecil tetapi menderita satu kelemahan utama, posisi dihitung dari bias Q-point dari penguat bipolar tergantung pada nilai Beta yang sama untuk semua transistor.
Namun, nilai Beta ini akan bervariasi dari Transistor dari jenis yang sama, dengan kata lain, titik-Q untuk satu transistor tidak harus sama dengan titik-Q untuk transistor lain dari jenis yang sama karena toleransi manufaktur yang melekat.
Kemudian distorsi penguat terjadi karena penguat tidak linier dan jenis distorsi penguat yang disebut Distorsi Amplitudo akan dihasilkan. Pilihan transistor dan komponen biasing yang hati-hati dapat membantu meminimalkan efek distorsi penguat (amplifier).
Jika titik biasing transistor benar, bentuk gelombang output harus memiliki bentuk yang sama dengan bentuk gelombang input yang lebih besar, (diperkuat). Jika ada bias yang tidak mencukupi dan titik-Q terletak di bagian bawah garis beban, maka bentuk gelombang output akan terlihat seperti yang ada di sebelah kanan dengan setengah negatif dari bentuk gelombang output "cut-off" atau terpotong.
Demikian juga, jika ada terlalu banyak bias dan titik-Q terletak di bagian atas dari garis beban, maka bentuk gelombang output akan terlihat seperti yang ada di sebelah kiri dengan setengah "cut-off" positif atau terpotong. Juga, ketika tegangan bias diset terlalu kecil, selama setengah negatif dari siklus transistor tidak sepenuhnya melakukan sehingga output diatur oleh tegangan supply.
Ketika bias terlalu besar setengah positif dari siklus menjenuhkan transistor dan output turun hampir nol. Bahkan dengan set level tegangan biasing yang benar, masih dimungkinkan untuk bentuk gelombang output menjadi terdistorsi karena sinyal input besar sedang diamplifikasi oleh penguatan rangkaian.
Sinyal tegangan output menjadi terpotong baik di bagian positif dan negatif dari bentuk gelombang dan tidak lagi menyerupai gelombang sinusoidal, bahkan ketika biasnya benar. Jenis distorsi amplitudo ini disebut Kliping dan merupakan hasil dari “over-driving” input dari penguat (amplifier).
Ketika amplitudo input menjadi terlalu besar, kliping menjadi besar dan memaksa sinyal bentuk gelombang output untuk melebihi rel tegangan catu daya dengan puncak (+ ve setengah) dan bagian palung (-ve setengah) dari sinyal gelombang menjadi rata atau " Dipotong-potong ”.
Untuk menghindarinya, nilai maksimum sinyal input harus dibatasi pada tingkat/level yang akan mencegah efek kliping ini seperti yang ditunjukkan di atas.
Distorsi Amplitudo sangat mengurangi efisiensi rangkaian amplifier. Ini "puncak datar" dari bentuk gelombang output terdistorsi baik karena biasing yang salah atau lebih menjalankan input tidak berkontribusi apa pun untuk kekuatan sinyal output pada frekuensi yang diinginkan.
Setelah mengatakan semua itu, beberapa gitaris dan band rock terkenal sebenarnya lebih suka bahwa suara khas mereka sangat terdistorsi atau "overdriven" dengan sangat memotong bentuk gelombang output ke +ve dan -ve power supply rails.
Juga, meningkatkan jumlah kliping pada sinusoidal akan menghasilkan distorsi amplifier yang sangat banyak sehingga pada akhirnya akan menghasilkan bentuk gelombang output yang menyerupai bentuk "gelombang persegi" yang kemudian dapat digunakan dalam rangkaian synthesizer elektronik atau digital.
Kita telah melihat bahwa dengan sinyal DC, tingkat gain penguatan amplifier dapat bervariasi dengan amplitudo sinyal, tetapi juga dengan Distorsi Amplitudo, jenis-jenis distorsi penguat lainnya dapat terjadi dengan sinyal AC di rangkaian penguat amplifier, seperti Distorsi Frekuensi dan Distorsi Fase.
Banyak sinyal input yang akan diperkuat oleh penguat praktis terdiri dari bentuk gelombang sinyal yang diperlukan yang disebut "Frekuensi Dasar" plus sejumlah frekuensi berbeda yang disebut "Harmonik" yang ditumpangkan ke atasnya.
Biasanya, amplitudo harmonik ini adalah sebagian kecil dari amplitudo dasar dan karena itu memiliki efek yang sangat kecil atau tidak sama sekali pada bentuk gelombang output. Namun, bentuk gelombang output dapat menjadi terdistorsi jika frekuensi harmonik ini meningkat dalam amplitudo sehubungan dengan frekuensi dasar. Misalnya, perhatikan bentuk gelombang di bawah ini:
Pada contoh di atas, bentuk gelombang input terdiri dari frekuensi dasar ditambah sinyal harmonik kedua. Bentuk gelombang output yang dihasilkan ditampilkan di sisi kanan.
Distorsi frekuensi terjadi ketika frekuensi dasar bergabung dengan harmonik kedua untuk mendistorsi sinyal output. Oleh karena itu harmonik adalah kelipatan dari frekuensi dasar dan dalam contoh sederhana kami harmonik kedua digunakan.
Oleh karena itu, frekuensi harmonik adalah dua kali dasar, 2*ƒ atau 2ƒ. Maka harmonik ketiga adalah 3ƒ, keempat, 4ƒ, dan seterusnya. Distorsi frekuensi karena harmonik selalu dimungkinkan dalam rangkaian penguat yang mengandung elemen reaktif seperti kapasitansi atau induktansi.
Waktu tunda ini akan tergantung pada konstruksi penguat (amplifier) dan akan meningkat secara progresif dengan frekuensi dalam bandwidth amplifier. Misalnya, perhatikan bentuk gelombang di bawah ini:
Selain dari penguat (amplifier) audio kelas atas, amplifier yang paling praktis akan memiliki beberapa bentuk Distorsi Penguat (Amplifier) menjadi kombinasi dari "Distorsi Frekuensi" dan "Distorsi Fasa", bersama dengan distorsi amplitudo.
Dalam sebagian besar penerapan/aplikasi seperti pada penguat (amplifier) audio atau power amplifier, kecuali distorsi amplifier berlebihan atau parah biasanya tidak akan mempengaruhi operasi atau output suara dari amplifier.
Dalam tutorial selanjutnya tentang Penguat (Amplifier), kita akan melihat Penguat (Amplifier) Kelas A. Penguat Kelas A adalah tipe paling umum dari tahap output penguat sehingga ideal untuk digunakan dalam penguat (amplifier) daya/audio.
Bias DC diperlukan agar penguat (amplifier) dapat memperkuat sinyal input pada seluruh siklusnya dengan bias “Q-point” diatur sedekat mungkin ke tengah garis beban. Pengaturan titik-Q bias akan memberi kita konfigurasi amplifikasi tipe "penguat Kelas-A" dengan pengaturan yang paling umum adalah "Common Emitter" untuk transistor Bipolar atau konfigurasi "Common Source" untuk transistor FET unipolar.
Power (Daya), Tegangan atau Arus Gain, (amplifikasi) yang disediakan oleh amplifier adalah rasio dari nilai output puncak dengan nilai input puncaknya (Output ÷ Input). Namun, jika kita salah mendesain rangkaian penguat dan mengatur titik-Q bias pada posisi yang salah pada saluran beban atau menerapkan sinyal input terlalu besar ke amplifier, sinyal output yang dihasilkan mungkin bukan reproduksi yang tepat dari sinyal input asli bentuk gelombang.
Dengan kata lain penguat (amplifier) akan mengalami apa yang biasa disebut Distorsi Penguat (Amplifier). Pertimbangkan rangkaian penguat common-emitter di bawah ini.
Penguat (Amplifier) Common Emitter
Distorsi bentuk gelombang sinyal output dapat terjadi karena:
- Amplifikasi mungkin tidak terjadi pada seluruh siklus sinyal karena level biasing yang salah.
- Sinyal input mungkin terlalu besar, menyebabkan transistor penguat dibatasi oleh tegangan supply.
- Amplifikasi mungkin bukan sinyal linier pada seluruh rentang frekuensi input.
Penguat atau Amplifier pada dasarnya dirancang untuk memperkuat sinyal input tegangan kecil menjadi sinyal output yang jauh lebih besar dan ini berarti bahwa sinyal output terus berubah oleh beberapa faktor atau nilai, yang disebut gain, dikalikan dengan sinyal input untuk semua frekuensi input. Kita telah melihat sebelumnya bahwa faktor multiplikasi ini disebut Beta, nilai β dari transistor.
Rangkaian transistor tipe common emitter atau bahkan source-emitter bekerja dengan baik untuk sinyal input AC kecil tetapi menderita satu kelemahan utama, posisi dihitung dari bias Q-point dari penguat bipolar tergantung pada nilai Beta yang sama untuk semua transistor.
Namun, nilai Beta ini akan bervariasi dari Transistor dari jenis yang sama, dengan kata lain, titik-Q untuk satu transistor tidak harus sama dengan titik-Q untuk transistor lain dari jenis yang sama karena toleransi manufaktur yang melekat.
Kemudian distorsi penguat terjadi karena penguat tidak linier dan jenis distorsi penguat yang disebut Distorsi Amplitudo akan dihasilkan. Pilihan transistor dan komponen biasing yang hati-hati dapat membantu meminimalkan efek distorsi penguat (amplifier).
Distorsi Amplitudo
Distorsi amplitudo terjadi ketika nilai-nilai puncak dari gelombang frekuensi dilemahkan menyebabkan distorsi karena pergeseran titik-Q dan amplifikasi mungkin tidak terjadi pada seluruh siklus sinyal. Non-linearitas bentuk gelombang output ini ditunjukkan di bawah ini.Distorsi Amplitudo Karena Biasing Salah
Jika titik biasing transistor benar, bentuk gelombang output harus memiliki bentuk yang sama dengan bentuk gelombang input yang lebih besar, (diperkuat). Jika ada bias yang tidak mencukupi dan titik-Q terletak di bagian bawah garis beban, maka bentuk gelombang output akan terlihat seperti yang ada di sebelah kanan dengan setengah negatif dari bentuk gelombang output "cut-off" atau terpotong.
Demikian juga, jika ada terlalu banyak bias dan titik-Q terletak di bagian atas dari garis beban, maka bentuk gelombang output akan terlihat seperti yang ada di sebelah kiri dengan setengah "cut-off" positif atau terpotong. Juga, ketika tegangan bias diset terlalu kecil, selama setengah negatif dari siklus transistor tidak sepenuhnya melakukan sehingga output diatur oleh tegangan supply.
Ketika bias terlalu besar setengah positif dari siklus menjenuhkan transistor dan output turun hampir nol. Bahkan dengan set level tegangan biasing yang benar, masih dimungkinkan untuk bentuk gelombang output menjadi terdistorsi karena sinyal input besar sedang diamplifikasi oleh penguatan rangkaian.
Sinyal tegangan output menjadi terpotong baik di bagian positif dan negatif dari bentuk gelombang dan tidak lagi menyerupai gelombang sinusoidal, bahkan ketika biasnya benar. Jenis distorsi amplitudo ini disebut Kliping dan merupakan hasil dari “over-driving” input dari penguat (amplifier).
Ketika amplitudo input menjadi terlalu besar, kliping menjadi besar dan memaksa sinyal bentuk gelombang output untuk melebihi rel tegangan catu daya dengan puncak (+ ve setengah) dan bagian palung (-ve setengah) dari sinyal gelombang menjadi rata atau " Dipotong-potong ”.
Untuk menghindarinya, nilai maksimum sinyal input harus dibatasi pada tingkat/level yang akan mencegah efek kliping ini seperti yang ditunjukkan di atas.
Distorsi Amplitudo Karena Kliping
Distorsi Amplitudo sangat mengurangi efisiensi rangkaian amplifier. Ini "puncak datar" dari bentuk gelombang output terdistorsi baik karena biasing yang salah atau lebih menjalankan input tidak berkontribusi apa pun untuk kekuatan sinyal output pada frekuensi yang diinginkan.
Setelah mengatakan semua itu, beberapa gitaris dan band rock terkenal sebenarnya lebih suka bahwa suara khas mereka sangat terdistorsi atau "overdriven" dengan sangat memotong bentuk gelombang output ke +ve dan -ve power supply rails.
Juga, meningkatkan jumlah kliping pada sinusoidal akan menghasilkan distorsi amplifier yang sangat banyak sehingga pada akhirnya akan menghasilkan bentuk gelombang output yang menyerupai bentuk "gelombang persegi" yang kemudian dapat digunakan dalam rangkaian synthesizer elektronik atau digital.
Kita telah melihat bahwa dengan sinyal DC, tingkat gain penguatan amplifier dapat bervariasi dengan amplitudo sinyal, tetapi juga dengan Distorsi Amplitudo, jenis-jenis distorsi penguat lainnya dapat terjadi dengan sinyal AC di rangkaian penguat amplifier, seperti Distorsi Frekuensi dan Distorsi Fase.
Distorsi Frekuensi
Distorsi Frekuensi adalah jenis lain dari distorsi penguat yang terjadi dalam penguat transistor ketika tingkat amplifikasi bervariasi dengan frekuensi.Banyak sinyal input yang akan diperkuat oleh penguat praktis terdiri dari bentuk gelombang sinyal yang diperlukan yang disebut "Frekuensi Dasar" plus sejumlah frekuensi berbeda yang disebut "Harmonik" yang ditumpangkan ke atasnya.
Biasanya, amplitudo harmonik ini adalah sebagian kecil dari amplitudo dasar dan karena itu memiliki efek yang sangat kecil atau tidak sama sekali pada bentuk gelombang output. Namun, bentuk gelombang output dapat menjadi terdistorsi jika frekuensi harmonik ini meningkat dalam amplitudo sehubungan dengan frekuensi dasar. Misalnya, perhatikan bentuk gelombang di bawah ini:
Distorsi Frekuensi karena Harmonik
Pada contoh di atas, bentuk gelombang input terdiri dari frekuensi dasar ditambah sinyal harmonik kedua. Bentuk gelombang output yang dihasilkan ditampilkan di sisi kanan.
Distorsi frekuensi terjadi ketika frekuensi dasar bergabung dengan harmonik kedua untuk mendistorsi sinyal output. Oleh karena itu harmonik adalah kelipatan dari frekuensi dasar dan dalam contoh sederhana kami harmonik kedua digunakan.
Oleh karena itu, frekuensi harmonik adalah dua kali dasar, 2*ƒ atau 2ƒ. Maka harmonik ketiga adalah 3ƒ, keempat, 4ƒ, dan seterusnya. Distorsi frekuensi karena harmonik selalu dimungkinkan dalam rangkaian penguat yang mengandung elemen reaktif seperti kapasitansi atau induktansi.
Distorsi Fasa
Distorsi Fasa atau Distorsi Tunda (delay) adalah jenis distorsi penguat yang terjadi pada penguat transistor non-linier ketika ada penundaan waktu antara sinyal input dan penampilannya pada output. Jika kita mengatakan bahwa perubahan fasa antara input dan output adalah nol pada frekuensi dasar, penundaan sudut fasa yang dihasilkan akan menjadi perbedaan antara harmonik dan dasar.Waktu tunda ini akan tergantung pada konstruksi penguat (amplifier) dan akan meningkat secara progresif dengan frekuensi dalam bandwidth amplifier. Misalnya, perhatikan bentuk gelombang di bawah ini:
Distorsi Fase karena Keterlambatan (delay)
Selain dari penguat (amplifier) audio kelas atas, amplifier yang paling praktis akan memiliki beberapa bentuk Distorsi Penguat (Amplifier) menjadi kombinasi dari "Distorsi Frekuensi" dan "Distorsi Fasa", bersama dengan distorsi amplitudo.
Dalam sebagian besar penerapan/aplikasi seperti pada penguat (amplifier) audio atau power amplifier, kecuali distorsi amplifier berlebihan atau parah biasanya tidak akan mempengaruhi operasi atau output suara dari amplifier.
Dalam tutorial selanjutnya tentang Penguat (Amplifier), kita akan melihat Penguat (Amplifier) Kelas A. Penguat Kelas A adalah tipe paling umum dari tahap output penguat sehingga ideal untuk digunakan dalam penguat (amplifier) daya/audio.