## PENGUAT AUDIO KELAS D DENGAN UMPAN BALIK TIPE BUTTERWORTH
Gunawan Dewantoro * , Franciscus Dalu Setiaji, Tio Pragustha Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana
* Corresponding author, e-mail : gunawan.dewantoro@staff.uksw.edu
Abstrak —Proses  penguatan  sinyal  pada  penguat  kelas  D  idealnya  tidak  terdapat  derau  dan  distorsi sehingga  penguat  kelas  D  dapat  menghasilkan  efisiensi  hingga  100  %  dan  THD  ( Total  Harmonic Distortion )  0%.  Namun  pada  praktisnya,  penguat  kelas  D  memiliki  beberapa  kekurangan  yang menyebabkan keluaran penguat kelas D menjadi tidak linear sehingga mengakibatkan naiknya THD. Oleh karena permasalahan tersebut, diberikan sutau  mekanisme umpan  balik negatif  yang dapat memperbaiki kualitas THD dari penguat. Beberapa teknik umpan balik negatif menggunakan tapis orde 1 pada umpan balik  untuk  mendapatkan  frekuensi  audio.  Penelitian  ini  merancang  teknik  umpan  balik  negatif menggunakan  tapis  orde  2  dengan  pendekatan  Butterworth.  Penguat  daya  diwujudkan  menggunakan penguat  jembatan  penuh  dengan  MOSFET  yang  dapat  menghasilkan  daya  lebih  besar.  Penguat  kelas  D yang dibuat mempunyai spesifikasi antara lain: daya keluaran maksimum mencapai 32,6 Watt pada beban 8 Ω, dengan kepekaan penguat 90 mV/W, memiliki tanggapan frekuensi 20 Hz – 20 kHz dengan toleransi ± 1 dB, THD dengan umpan balik mencapai 1,1 % , SNR hingga 90,16 dB serta efisiensi penguat mencapai 82,1%.
Kata Kunci : Penguat Kelas D, Umpan Balik, Butterworth, Total Harmonic Distortion
Abstract —A class D amplifier would, in ideal sense, amplify signals without any noises and distortions which yield 100% efficiency and 0% Total Harmonic Distortion (THD). However, class D amplifiers have some  drawbacks  that  lead  to  nonlinearity  and  increasing  THD.  Therefore,  a  feedback  mechanism  was employed to enhance THD performance of amplifier. Some feedback techniques have been using first order filter  in  the  feedback  path  to  retrieve  audio  signals.  This  research  proposed  a  second  order  filter  with Butterworth  approach.  A  power  amplifier  was  realized  using  full-bridge  amplifier  with  MOSFETs  to provide  greater power. This class D amplifier was designed to meet following specifications:  maximum output power up to 32.6 W with an 8 Ω load, sensitivity of 90 mV/W, frequency response ranging from 20 Hz – 20 kHz with tolerance ± 1 dB, THD as low as 1.1 %, SNR up to 90.16 dB, and efficiency of 82.1 %.
Keywords : Class D Amplifier, Feedback, Butterworth, Total Harmonic Distortion
Copyright © 2016 JNTE. All rights reserved

## 1. PENDAHULUAN
Penguat  kelas  D  yang  ideal  tidak  terdapat distorsi  dan  tidak  ada  derau  pada  pita  audio. Akan  tetapi  pada  praktisnya  penguat  kelas  D terdapat distorsi dan derau yang dihasilkan pada proses penyaklaran yang tidak ideal diakibatkan pada  bagian  MOSFET  atau  transistor  bekerja tidak  pada  daerah  linearnya.  Secara  teori semakin linear penguat maka semakin berkurang distorsi dengan kata lain distorsi harmonik (THD) yang dihasilkan semakin kecil [1], [2]. Salah satu teknik  untuk  menghasilkan  penguat  kelas  D dengan  THD  kecil  adalah  penggunaan  umpan balik digital yang telah dilakukan oleh Nielsen,
teknik  modulasi  dengan  sigma  delta  [3],  [4], teknik  bitstream  converter  yang  membutuhkan oversampling  yang  tinggi  (256x)  dan  lain sebagainya [5]. Beberapa faktor yang mempengaruhi  kualitas  audio  adalah  distorsi (THD)  dan  derau  (SNR)  [6].  Masalah  pada penguat  kelas  D  tanpa  umpan  balik  adalah kerentanan  modulator  dan  penguat  penyaklaran pada ketidaklinearan akibat distorsi dan derau.
Oleh  karena  itu,  pada  penelitian  ini dirancang  sebuah  penguat  kelas  D  yang  dapat memperbaiki kualitas THD dengan memberikan umpan  balik  negatif.  Sinyal  masukan  umpan balik  memiliki  karakteristik  frekuensi  tinggi karena terdiri dari sinyal audio dengan frekuensi
rendah  dan  sinyal  pembawa  yang  merupakan frekuensi  tinggi.  Untuk  mendapatkan  sinyal audio  ini  diberikan  tapis  lolos  bawah  pada umpan  balik  dan  tapis  yang  dirancang  adalah tapis lolos bawah orde 2 dengan tipe Butterworth. Tapis lolos bawah tipe Butterworth ini memiliki kelebihan  yaitu  penguatan  yang  rata  pada  pita lolosnya  atau  pada  frekuensi  rendah.  Semakin tinggi orde dari tapis maka semakin baik umpan balik  dapat  menekan  frekuensi-frekuensi  tinggi pada umpan balik.

## 2. PERANCANGAN
Pada  penelitian  ini,  penguat  audio  kelas  D dirancang  dengan  memberikan  umpan  balik negatif    yang  dapat  dilihat  pada  Gambar  1. Umpan  balik  negatif  pada  penguat  kelas  D  ini terdiri  dari  penguat  selisih,  tapis  lolos  bawah orde 2 tipe Butterworth dan integrator penjumlah.
Gambar 1. Penguat Kelas D dengan Umpan Balik Tipe Butterworth.
Pada  penguat  kelas  D  tersebut  terdapat penguat  selisih  (G FB )  karena  masukan  umpan balik berasal dari keluaran penguat daya dengan konfigurasi jembatan penuh. Kemudian keluaran dari  penguat  selisih  ditapis  dengan  tapis Butterworth  untuk  kemudian  dibandingkan dengan sinyal audio aslinya dengan menggunakan integrator penjumlah.
Penggunaan  integrator  dikarenakan  integrator biasanya merupakan tapis lolos bawah sehingga keluaran  dari  tapis  Butterworth  frekuensi- frekuensi tinggi dapat jauh lebih ditekan.

## 2.1.  Penguat Selisih
Kestabilan penguat kelas D dengan umpan balik  akan  tercapai  jika  penguatan  dari  umpan balik < 1 [7]. Sehingga perancangan penguatan dari umpan balik G FB harus < 1. Penguatan PWM
pada  bagian  modulator  kelas  D  adalah  G PWM = 8,27  yang  didapatkan  dari  perbandingan penguatan  tegangan  pada  bagian  penguat  daya (24 V) dengan amplitudo sinyal segitiga (2,9 V). Untuk mendapatkan penguatan umpan balik < 1 sinyal umpan balik perlu dilemahkan sebesar 8,4 kali, sehingga besar G FB = 0,12. Hal ini bertujuan agar  penguatan  kelas  D  pada  rentang  spektrum audio  sama  untuk  penguat  dengan  umpan  balik atau tanpa umpan balik.
Penguatan  umpan  balik  dirancang  dengan menggunakan  penguat  selisih,  karena  sinyal masukan  umpan  balik  berasal  dari  keluaran MOSFET jembatan penuh. Untuk mendapatkan pelemahan sebesar 0,12 kali maka perancangan bati  umpan  balik  dengan  penguat  selisih  dapat dilihat pada Gambar 2 sebagai berikut :
Gambar 2. Penguat Selisih dengan Pelemahan Sebesar 0,12.
Penguatan  dari  penguat  selisih  dapat dituliskan sebagai berikut:
  12 , 0 5 4 _      R R V V V A inv inv non out diff v (1)

## 2.2.  Tapis Butterworth
Terdapat 2 cara untuk dapat lebih menekan frekuensi  tinggi  dari  umpan  balik  yaitu  dengan membesarkan  bati  dari  penguatan  umpan  balik atau  menaikkan  orde  dari  tapis  umpan  balik. Perancangan  penguat  kelas  D  dengan  umpan balik  ini  ditekankan  pada  perancangan  tapis lolos  bawah  orde  2  tipe  Butterworth.  Pada penelitian  ini  dirancang  tapis  aktif  lolos  bawah orde  2  tipe Butterworth  dengan  topologi  Sallen Key.  Tapis  aktif  dipilih  pada  umpan  balik tujuannya  agar  penguatan  dari  tapis  dalam umpan balik dapat diatur. Penggunaan topologi Sallen  Key  dikarenakan  memliki  akurasi penguatan  dan  tepat  untuk  aplikasi  yang memiliki  faktor  kualitas  di  bawah  3  (Q  <  3). Tapis  yang  dibuat  dapat  dilihat  pada  Gambar  3
non-inverting
inverting V_diff_out LM833 R5 100k R4 12k R4 12k R5 100k
berikut.
Gambar 3. Tapis Lolos Bawah Orde Dua dengan Topologi Sallen Key.
Pendekatan  tapis  Butterworth  orde  2 memiliki koefisien tapis a 1 = 1,4142 dan b 1 = 1. Pendekatan Butterworth digunakan karena tapis ini  memliki  penguatan  yang  rata  pada  pita lolosnya dan memiliki respon fase sangat  halus karena hal ini penting ketika mempertimbangkan distorsi  [8].  Untuk  menentukan  nilai  dari komponen  tapis  Butterworth  yaitu  dengan menentukan  frekuensi  penggalnya.  Tapis  yang dirancang memiliki frekuensi penggal sebesar 28 kHz  dengan  penguatan  sama  dengan  1  ( unity- gain ).  Tujuannya  agar  besar  penguatan  pada frekuensi  20  Hz  –  20  kHz  tetap  sama  dan mencegah  ketidak  stabilan  sistem  umpan  balik. Perhitungan  nilai  komponen  pada  Gambar  3, ditentukan terlebih dahulu nilai kapasitor C 1 = 1 nF, maka nilai C 2 berdasarkan persamaan (2).
  nF C a b C C 2 4142 , 1 1 4 10 1 4 2 9 2 2 1 1 1 2        (2)

## 2.3.  Integrator
Hasil  keluaran  dari  tapis  umpan  balik kemudian  dijumlahkan  dengan  sinyal  audio aslinya dengan menggunakan integrator.
Integrator biasanya merupakan tapis lolos bawah, sehingga  frekuensi-frekuensi  tinggi  dapat  lebih ditekan. Sinyal keluaran setelah tapis Butterworth  memiliki  beda  fase  90º  terhadap sinyal sinyal audio. Sehingga proses penjumlahan  masukan  sinyal  dari  integrator ( summing  integrator )  efektifnya  mengurangi sinyal  keluaran  integrator  untuk  mendapatkan sinyal  kesalahan  [9].  Bentuk  rangkaian  dari integrator penjumlah dapat dilihat pada Gambar 4  berikut.  Frekuensi  penggal  dari  integrator dibuat  28  kHz  sama  dengan  tapis  Butterworth
tujuannya agar beda fasenya kecil antara sinyal umpan balik dan sinyal audio aslinya. Penguatan dari  integrator  juga  dibuat  1  untuk  menjaga kestabilan dari umpan balik.
Gambar 4. Integrator Penjumlah.
Perhitungan nilai komponen dari integrator jika frekuensi penggal yang diinginkan  28  kHz  dengan  besar  C int =  330pF maka,
   k Cf R C 2 , 17 2 1  (3)

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian  ini  bertujuan  untuk  mengukur kinerja dari penguat kelas D dengan umpan balik tipe Butterworth. Pengujian dan pengukuran dari penguat kelas D menggunakan acuan Guidelines for Measuring Audio Power Amplfier
Performance  [10]  dan  Audio  Power  Amplifier Operation  and  Measurement  [11].  Pengukuran kinerja dari penguat kelas menggunakan beban 8
Ohm.  Beberapa  pengujian  dan  pengukuran penguat  kelas  D  yang  dibuat  adalah  sebagai berikut:

## 3.1.  Tanggapan Frekuensi
Pengukuran  tanggapan  frekuensi  sinyal menggunakan bantuan perangkat lunak SpectraLab  v4.32.17.    Sinyal  uji  berupa  derau putih ( white noise) alasannya karena derau putih memiliki  spektrum  daya  yang  sama  besar  pada rentang  frekuensi  audio.  Hasil  tanggapan frekuensi  penguat  kelas  D  yang  dibuat  dapat dilihat pada Gambar 5.
LPF Out V_diff_out C2 1nF R1 4k R2 4k LM833 C1 1nF Vin-audio Vin-umpan balik Vout-int Cint 330pF -12V +V V7 12V + TL072 R3 17.2k Rin 17.2k Rf 17.2k
Gambar 5. Grafik Tanggapan Frekuensi (Merah: Sinyal Acuan dan Biru: Sinyal Keluaran).
Sinyal  acuan  yang  dihasilkan  pada loopback kartu  bunyi  digambarkan  dengan warna  merah,  dan  hasil  sinyal  keluaran digambarkan  dengan  warna  biru.  Dari  hasil pengujian  tersebut  tanggapan  frekuensi  dari sinyal keluaran cukup rata dengan toleransi ± 1 dB.

## 3.2. Daya Keluaran
Pengukuran daya  keluaran maksimum dari penguat  kelas  D  menggunakan  multimeter digital  (DMM  FLUKE  26III)  dan  osiloskop (GDS-820S). Sinyal masukan berupa sinusoidal dengan frekuensi 1 kHz dengan amplitudo yang diubah-ubah untuk mendapatkan daya maksimum. Hasil pengukuran dapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 6. Pengukuran Daya Keluaran.
Dari  hasil  pengukuran  pada  Gambar  6 tegangan  rms  maksimum  pada  beban  adalah 16,15  V rms .  Daya  maksimum  yang  dihasilkan adalah  32,6  Watt  dengan  perhitungan  sebagai berikut :
W R V W P beban rms o o 6 , 32 8 ) 15 , 16 ( ) ( 2 2 ) (    (4)

## 3.3.  Efisiensi
Pengukuran efisiensi adalah total daya pada yang  diterima  oleh  beban,  pada  daya  yang diberikan  oleh  catu  daya.  Pengukuran  efisiensi dilakukan  pada  saat  daya  keluaran  maksimum. Penguat  kelas  D  yang  dibuat  menggunakan  2 buah catu daya yaitu catu daya ±12 V dan 24 V. Catu  daya  ±  12V  digunakan  untuk  komponen- komponen sebelum penguat daya seperti bagian modulator,  integrator,  pembangkit  gelombang segitiga,  penguat  Op-Amp, switching  logic dan driver  MOSFET.  Sedangkan  catu  daya  24  V digunakan  untuk  MOSFET  sebagai  penguat daya  yang  dikonfigurasikan  dengan  jembatan penuh.  Hasil  pengukuran  daya  masukan  dapat ditabelkan sebagai berikut.
Tabel 1.   Hasil Pengukuran Daya Masukan
Catu Daya (V) Arus Keluaran (A) Daya (W) + 12 0,12 1,44 - 12 0,04 0,48 + 24 1,574 37,78 Total Daya 39,69
Sehingga,  besar  efisiensi  yang  didapat ketika daya keluaran maksimum adalah:
% 11 , 82 % 100 69 , 39 6 , 32
% 100 (%)      in out P P  (5)

## 3.4.  Kepekaan (Sensitivity)
Pengukuran  kepekaan  adalah  pengukuran amplitudo  masukan  yang  dibutuhkan  penguat untuk  menghasilkan  daya  keluaran  maksimum ketika  tingkat  kekerasan  penguat  (volume) maksimum. Hasil pengukuran dapat dilihat pada Gambar 7.
Gambar 7. Pengukuran Masukan Ketika Daya Maksimum.
Berdasarkan  hasil  pengukuran  didapatkan tegangan  masukan  sebesar  3,04  V,  artinya kepekaan  penguat  adalah  0,093  V/W  atau  93 mV/W.

## 3.5.  Total Harmonic Distortion (THD)
Pengukuran  THD  adalah  pengukuran  total tegangan  rms  dari  harmonisa  yang  dihasilkan penguat  terhadap  tegangan  rms  fundamental yang  dihasilkan  penguat.  Pengukuran  THD menggunakan  sinyal  sinusoidal  sebagai  sinyal uji.  Pengukuran  THD  dari  penguat  dilakukan dalam 2 tahapan yaitu pengukuran penguat tanpa umpan balik dan dengan  umpan balik. Masing- masing  tahapan  dilakukan  2  kali  pengukuran, pertama  yaitu  pengukuran  THD  terhadap frekuensi  pada  daya  keluaran  1  Watt  dengan frekuensi  masukan  yang  diubah-ubah.  Yang kedua  adalah  pengukuran  THD  terhadap  daya keluaran  pada  frekuensi  1  kHz.  Pengukuran THD  menggunakan  sinyal  sinusoidal  sebagai sinyal  uji.  Hasil  pengukuran  THD  terhadap frekuensi dapat dilihat pada Gambar 8 berikut.
Gambar 8. Grafik Pengukuran THD Terhadap Frekuensi.
Dari  Gambar  8  didapatkan  bahwa  THD dapat  berkurang  dengan  memberikan  umpan balik.  Pada  frekuensi  kurang  dari  4  kHz,  THD yang  dihasilkan  <  0,5  %  dan  THD  mulai  naik untuk  frekuensi  di  atas  5  kHz.  Besar  THD terbesar  yang  terukur  adalah  1,08  %  pada frekuensi  18  kHz.  Pengukuran  yang  kedua adalah pengukuran THD terhadap daya keluaran ketika  frekuensi  sinyal  masukan  1  kHz.  Hasil pengukuran dapat dilihat pada Gambar 9 berikut.
Gambar 9. Grafik Pengukuran THD Terhadap Daya Keluaran.

## 3.6.  Signal to Noise Ratio (SNR)
Pengukuran SNR bertujuan untuk mendapatkan  karakteristik  penguat  kelas  D terhadapat  derau  yang  timbul.  Pengukuran dilakukan  2  kali  yaitu  dengan  memberikan masukan  berupa  sinyal  sinusoidal  1  kHz  dan masukan  yang  ditanahkan  ketika  daya  keluaran maksimum. Hasil pengukuran SNR dapat dilihat pada gambar berikut.
Gambar 10. Pengukuran Tegangan Keluaran saat Masukan Ditanahkan.
Berdasarkan hasil pengukuran di atas, maka besar SNR yang penguat adalah:
  dB dB SNR 19 , 90
10 5 , 0 16 , 16 log 20 ) ( 3     (6)

## 4. KESIMPULAN
Penguat  audio  kelas  D  dengan  umpan  balik tipe  Butterworth  telah  berhasil  direalisasikan.
Berdasarkan  hasil  pengujian,  penguat  kelas  D mempunyai spesifikasi sebagai berikut ini:
1.  Tanggapan frekuensi penguat 20 Hz – 20 kHz dengan toleransi ± 1 dB.
2.  Daya maksimum 32,6 Watt pada beban 8 Ω.
3.  Efisiensi penguat 82,11 %.
4.  Kepekaan penguat 0,093 V/W.
5.  Mempunyai  THD  <  1,08  %  pada  daya keluaran 1 Watt.
6.  SNR sebesar 90,16 dB.
Berdasarkan  pengujian  dapat  dilihat  bahwa umpan  balik  dapat  memperbaiki  kualitas  THD dari  penguat  audio.  Beberapa  faktor  yang menyebabkan  THD  masih  cukup  besar  adalah penggunaan komponen yang kurang baik dalam perancangan  penguat  kelas  D  ini  akan  tetapi dengan  THD  sebesar  1,08  %  sudah  mencukupi untuk bidang audio analog.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Honda,  J.,  and  Adams  J., Class  D  Audio Amplifier Basics , El Segundo, California: International Rectifier (2005).
[2] Honda,  J.,  and  Adams  J., Class  D
Amplifier  Design  Basic  II  Rev  1.0 ,  El
Segundo, California: International Rectifier (2009).
[3] Santoso, S., Penguat Audio Kelas D tanpa
Tapis  LC  dengan  Modulasi  Tiga  Aras ,
Skripsi  S1  Universitas  Kristen  Satya Wacana (2012).
[4] Morey, B.,Vasudeyan, R., and Woloschin I., Class D Audio Ampliﬁer: The Design of A  Live  Audio  Class  D  Audio  Ampliﬁer with  Greater  Than  90%  E ﬃ ciency  and Less  Than  1%  Distortion ,  A  Major
Qualifying  Project,  Faculty  of  the Worcester Polytechnic Institute    (2008).
[5] Oliva, A. R., Ang, S. S., and Vo, T. V., A multi-loop voltage-feedback filterless class-D  switching  audio  amplifier  using unipolar  pulse-width-modulation ,  IEEE T.  Consum.  Electronics 50 ,  no.  1,    312- 319 (2004).
[6] Foong, H. C. and Tan, M. T., An analysis of  THD  in  class  D  amplifier ,  IEEE  Asia
Pacific  Conference  on  Circuit  and
Systems (2006).
[7] Chang, J. S., Gwee, B. H.,  Lon, Y. S. and Tan,  M.  T., A  novel  low-power  low- voltage  class  D  amplifier  with  feedback for improving THD, power efficiency and
gain linearity , IEEE International
Symposium  on  Circuit  and  Systems,
(2001).
[8] Quek,  Y.  B., Class  D  LC  Filter  Design ,
Dalas, Texas: Texas Instrument (2008).
[9] Leach, W. M., Introduction to Electroacoustic  and  Audio  Amplifier Design ,  ed. 2 ,  Iowa,  USA:  Kendal/Hunt Publishing Co. (2001).
[10] Palmer,  R., Guidelines  for  Measuring Audio  Power  Amplifier  Performance ,
Dalas, Texas: Texas Instrument (2001).
[11] Crump, S., Audio Power Amplifier (APA)
Operation  and  Measurement,  Audio Power  Amplifier  Application ,  Dalas, Texas: Texas Instrument (2010).

## Biodata Penulis
Gunawan Dewantoro, ST, M.Sc.Eng , lahir  di Yogyakarta   pada   tahun   1985.   Menamatkan pendidikan  S1  di  Teknik  Elektro  Universitas Gadjah  Mada,  Yogyakarta  pada  tahun  2008. Pendidikan  S2 diselesaikan  di  National Taiwan University  of  Science  and  Technology  pada tahun 2011 dengan bidang automasi dan kendali. Masuk sebagai dosen tetap di UKSW pada tahun 2012.
Ir.  F.  Dalu  Setiaji,  MT ,  menamatkan    S1    di Universitas    Kristen    Satya  Wacana    (UKSW), Salatiga  pada  tahun  1996.    Pendidikan    S2 diselesaikan  di  Teknik  Elektro  Universitas Gadjah  Mada    pada    tahun    2006.    Bidang peminatannya adalah untai mikroelektronika dan sistem adaptif.
Tio  Pragustha,  ST ,  menerima    gelar    sarjana dari Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas   Kristen   Satya   Wacana   (UKSW) Salatiga  pada  tahun  2014.  Bidang  keahliannya adalah teknik elektronika dan elektroakustika.