BAB 7 Modulator FM Analog Communication Trainer 7-1 : Tujuan Kurikulum 1. Untuk memahami karakteristik dioda varactor. 2. Untuk memahami teori dasar voltage controlled oscillator (VCO). 3. Untuk merancang dan mengimplementasikan modulator frekuensi dengan menggunakan voltage controlled oscillator. 4. Untuk merancang dan mengimplementasikan modulator frekuensi dengan menggunakan MC4046. 5. Untuk merancang dan mengimplementasikan modulator frekuensi dengan menggunakan LM556. 7-2 : Teori Kurikulum 7-1 Dasar Teori Modulasi FM Pada modulasi frekuensi (FM), kita menggunakan amplitudo sinyal audio untuk memodulasi frekuensi sinyal pembawa. Sinyal frekuensi tinggi dan rendah yang ditransmisikan akan mengikuti sinyal audio yang diterima, yang memiliki frekuensi berbeda yang terus berubah. Modulasi frekuensi dapat dinyatakan sebagai berikut : X FM (t) = Ac cos θ(t) = Ac cos [ 2πfc t + 2πf∆ ∫ x(λ) dλ ] (7-1) Jika x(λ) = Am cos ( 2πfm λ ), Maka XFM (t) = Ac cos [ 2πfc t + sin ( 2 fmt ) ] = Ac cos [ 2 fc t + sin ( 2 fm t ) ] 7-2 (7-2) BAB 7 Modulator FM Dimana (t) : Frekuensi termodulasi sesaat fc : Frekuensi sinyal pembawa fm : Frekuensi modulasi atau frekuensi sinyal audio : Indeks modulasi, = Am (f∆ / fm ) f∆ : Selisih frekuensi Selisih frekuensi dari FM xFM(t) ditunjukkan seperti di bawah ini F = (t) = [ 2 fc t + β sin ( 2πfm t ) ] = fc + fm β cos ( 2πfm t ) = fc + Am . f∆ . cos ( 2πfm t ) (7-3) Dari persamaan (7-3), kita tahu bahwa ketika amplitudo dari sinyal modulasi berubah, frekuensi FM juga akan berubah, dan menggunakan titik tengah frekuensi pembawa untuk mencapai selisih frekuensi. Dari aturan Carson, bandwidth (BW) dari sinyal termodulasi dapat dinyatakan sebagai berikut : BW 2(β + 2). fm = 2 ( ). fm = 2 ( Amf∆ + 2fm ) Jika sinyal FM adalah amplitudo terbesar dan frekuensi terbesar (i.e. Am=1 dan fm = W), maka bandwidth dari FM dapat disederhanakan sebagai berikut : BW 2 ( f∆ + W ) 7-2 Dioda Varactor Dioda Varactor juga disebut sebagai tuning diode. Dioda Varactor adalah sebuah dioda, yang kapasitansinya dapat divariasikan dengan menambahkan tegangan bias balik ke pn junction. Ketika tegangan bias balik meningkat, wilayah penipisan menjadi lebar, ini akan menyebabkan nilai kapasitansi menurun; namun 7-3 Analog Communication Trainer ketika tegangan bias balik menurun, daerah penipisan akan berkurang. Hal ini akan menyebabkan nilai kapasitansi meningkat. Dioda varactor juga dapat divariasikan dari amplitudo sinyal AC. Jika sinyal AC ditambahkan ke dioda varactor, variasi kapasitansi dioda varactor akan mengikuti amplitudo sinyal modulasi. Gambar 7-1 adalah diagram analog kapasitansi dioda varactor. Ketika dioda varactor tidak memiliki bias, konsentrasi akan berbeda dari pembawa minor di pn junction. Maka operator ini akan berdifusi dan menjadi wilayah penipisan. Daerah deplesi tipe p membawa ion positif elektron, maka daerah deplesi tipe pembawa ion negatif. Kita dapat menggunakan pelat paralel kapasitor untuk merepresentasikan wilayah penipisan. Gambar 7-1 Diagram analog kapasitansi dioda varactor. Kapasitansi transisi pn junction dari pelat dapat dinyatakan sebagai C= 7-4 (7-4) BAB 7 Modulator FM Dimana ɛ = 11.8 ɛo (konstanta dielektrik silikon). ɛo = 8.85x10-12 A : luas area PN junction d : jarak antar pelat Ketika tegangan bias balik meningkat, lebar daerah penipisan d akan meningkat tetapi area penampang A tetap, oleh karena itu nilai kapasitansi akan berkurang. Di sisi lain, nilai kapasitansi akan meningkat ketika tegangan bias balik menurun. Dioda Varactor dapat setara dengan rangkaian kapasitor, resistor (Rs) dan induktor (Ls) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7-2. Dari Gambar 7-2, Cj adalah kapasitor junction dari semikonduktor, yang hanya keluar di pn junction. Rs adalah jumlah resistor massal dan resistor kontak bahan semikonduktor, yang terkait dengan kualitas dioda varactor (umumnya di bawah beberapa ohm). Ls adalah induktor setara dari bahan kawat dan semikonduktor. Tuning rasio, TR adalah rasio nilai kapasitansi di bawah dua bias yang berbeda untuk dioda varactor. Gambar ditampilkan sebagai berikut. Gambar 7-2 Diagram sirkuit ekivalen dioda varactor TR = (7-5) Dimana TR : Tuning Ratio CV1: Nilai kapasitansi dioda varactor di V1. CV2: Nilai kapasitansi dioda varactor di V2. 7-5 Analog Communication Trainer Dari percobaan ini, karakteristik dioda varactor ISV55 ditunjukkan sebagai berikut C3V = 42 pF (Kapasitansi dioda varactor pada bias 3 V). TR = 2.65 (3 v ~ 30 V). Gambar 7-3 Diagram blok dari MC4046. 7-3 Implementasi Modulator FM menggunakan PLL MC4046 MC4046 adalah IC phase locked loop (PLL). Gambar 7-3 adalah diagram struktur internal MC4046. Pin 1, pin 10 dan pin 15 berada dalam mode N.C. Pin 5 adalah input dari INH, yang terletak di level tegangan rendah. Frekuensi osilasi VCO MC4046 ditentukan oleh tegangan input pada pin 9, kapasitansi pada pin 6 dan pin 7, resistansi pada pin 11 dan pin 12. Gambar 7-4 adalah diagram sirkuit modulator FM dengan menggunakan MC4046. Dengan mengatur variabel resistor VR1 (level DC), kita dapat mengontrol frekuensi output pada pin 4, yang merupakan frekuensi fo; kapasitor C2, resistor R6 dan R7 menentukan osilasi fo; kapasitor C2 dan resistor R6 7-6 BAB 7 Modulator FM menentukan frekuensi maksimum fo; kapasitor C2 dan Resistor R7 menentukan frekuensi minimum fo, yaitu bandwidth modulasi. Gambar 7-4 Diagram rangkaian modulator FM MC4046 7-4 Implementasi Modulator FM menggunakan VCO LM566 LM566 adalah IC osilator yang dikendalikan tegangan. Gambar 7-5 adalah diagram struktur internal LM566. Gambar 7-6 menunjukkan diagram sirkuit modulator FM dengan menggunakan LM566. Kita biarkan SW1 menjadi open circuit dan sirkuit adalah osilator yang dikendalikan tegangan. Frekuensi sinyal output dikendalikan oleh C3, VR1 dan terminal tegangan input sinyal audio. C2 digunakan untuk menghilangkan osilasi parasit. Jika C3 dan VR1 tetap konstan, kemudian frekuensi sinyal keluaran dan perbedaan tegangan antara pin 8 dan pin 5 (V8-V5) adalah sebanding. Dengan kata lain, ketika tegangan sinyal masukan (V5) meningkat, perbedaan tegangan (V8-V5) antara pin 8 dan pin 5 akan menurun, frekuensi sinyal output akan menurun dengan baik. Tetapi ketika tegangan sinyal input (V5) menurun, frekuensi dari sinyal output akan meningkat. Faktor lain yang mempengaruhi frekuensi sinyal output adalah nilai VR1 frekuensi sinyal output dan VR1 C3, C3 terbalik secara proporsional. Ketika VR1 7-7 Analog Communication Trainer C3 nilainya semakin besar, frekuensi sinyal output semakin kecil. Tetapi ketika VR1 C3 nilainya semakin kecil maka frekuensi sinyal output semakin meningkat. Dari gambar 7-6, ketika SW1 short circuit, maka R1 Dan R2 memberikan tegangan bias DC sebagai level DC dari sinyal audio input. Frekuensi tengah (fo) dapat disesuaikan dengan menggunakan VR1. Jika terminal input sinyal audio dimasukkan dengan sinyal AC, frekuensi sinyal output VCO akan mengikuti perubahan tegangan input sinyal audio, dengan sinyal FM menyimpang. Gambar 7-5 Diagram struktur internal dari LM566 Gambar 7-6 Diagram rangkaian modulator FM LM566 7-8 BAB 7 Modulator FM 7-3 : Bahan Percobaan Percobaan 1: Modulator FM MC4046 1. Lihat diagram rangkaian pada gambar 7-4 atau gambar ACS7-1 pada modul ACT-17300-04. 2. Dengan menggunakan osiloskop, amati bentuk gelombang sinyal output dari modulasi sinyal FM (FM O/P). Sesuaikan variabel resistor VR1 sehingga sinyal output adalah 20 kHz gelombang persegi. Kemudian catat hasil pengukuran pada table 7-1. 3. Pada input port sinyal audio (Audio I/P), masukkan amplitudo 300 mV dan frekuensi gelombang sinus 1 kHz. Dengan menggunakan osiloskop, amati bentuk gelombang sinyal output dari FM O/P, kemudian catat hasil pengukuran pada table 7-2. 4. Sesuai dengan sinyal input pada tabel 7-2, ulangi langkah 3 dan catat hasil pengukuran pada tabel 7-2. Percobaan 2: Modulator FM LM556 1. Lihat diagram rangkaian pada gambar 7-6 atau gambar ACS7-2 pada modul ACT-17300-04. 2. Biarkan J1 menjadi short cicuit, i.e. rangkaian adalah modulator FM. J3 menjadi short circuit dan J2 menjadi open circuit, i.e. kapasitor yang dipilih adalah C4 = 10 nF. Sesuaikan variabel resistor VR1 sehingga frekuensi pada port output FM termodulasi ( FM O/P ) adalah 20 kHz gelombang persegi. Kemudian catat hasil pengukuran pada table 7-3. 3. Pada input port sinyal audio (Audio I/P), masukkan amplitudo 300 mV dan frekuensi gelombang sinus 1 kHz. Dengan menggunakan osiloskop, amati bentuk gelombang sinyal output dari FM O/P, kemudian catat hasil pengukuran pada table 7-4. 4. Sesuai dengan sinyal input pada tabel 7-4, ulangi langkah 3 dan catat hasil pengukuran pada tabel 7-4. 7-9 Analog Communication Trainer 7-4 : Hasil Pengukuran Tabel 7-1 Hasil Pengukuran MC4046 FM O/P 7-10 BAB 7 Modulator FM Tabel 7-2 Hasil pengukuran Modulator FM MC4046 ( f = 1 kHz, Vm = 300 mV ) FM O/P 7-11 Analog Communication Trainer Tabel 7-2 Hasil pengukuran Modulator FM MC4046 ( Lanjutan ) ( f = 1 kHz, Vm = 300 mV ) FM O/P 7-12 BAB 7 Modulator FM Tabel 7-3 Hasil Pengukuran LM566 FM O/P 7-13 Analog Communication Trainer Tabel 7-4 Hasil pengukuran Modulator FM LM566 ( f = 1 kHz, Vm = 300 mV ) FM O/P 7-14 BAB 7 Modulator FM Tabel 7-4 Hasil pengukuran Modulator FM LM566 ( Lanjutan ) ( f = 1 kHz, Vm = 300 mV ) FM O/P 7-15 Analog Communication Trainer 7-5 : Diskusi Masalah 1. Jelaskan teori dasar dari modulasi FM. 2. Jelaskan penerapan dari modulator FM dengan menggunakan MC4046. 3. Jelaskan penerapan dari modulator FM dengan menggunakan LM556. 7-16
