## PERANCANGAN PREAMPLIFIER PITA LEBAR UNTUK PENERIMA OPTIK
Oleh: Lilik Eko Nuryanto
Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro – Politeknik Negeri Semarang Jl.Prof. H. Soedarto. SH, Tembalang Semarang – 50275

## Abstrak
Perancangan  ini  menunjukkan  Penguat  Awal  transimpedansi  pita  lebar  (wideband  transimpedance preamplifier)  untuk  penerima  optik.  Pengaruh  dari  boostrapping  pada  pita  lebar  dan  sumber  noise (khususnya  noise  panas  yang  dihasilkan  oleh  tahanan  umpan  balik  (feedback  resistor),  Rf)  telah diobservasi. Juga telah diobservasi bahwa resistansi seri umpan balik negatif (Rem) dapat meningkatkan bandwidth  penerima  (receiver).  Resistansi  umpan  balik  (R f )  dan  I C2 shot  noise  pada  frekuensi  tinggi menjadi  sumber  dominan  noise.  Hasil  perkiraan  komputer  dibandingkan  dengan  perhitungan  secara teori difokuskan pada pita lebar dari penerima (receivers). Tingkat kesensitifan dari penerima (receiver) juga telah dihitung untuk tingkat kesalahan 10 -9 . Kata Kunci : Wideband, Preamplifier, receivers, optik, noise

## 1. Pendahuluan
1.1. Penerima Optik
Tujuan  dari  suatu  penerima  ( receiver ) dalam sistem komunikasi fiber optik adalah untuk meng-ekstrak informasi dari pembawa  optik  yang  menyimpang  pada detektor.  Pada  sistem  digital,  penerima tersebut  harus  menghasilkan  urutan  pulsa elektrik  ("satu"  dan  "nol")  yang  dengan tepat  mereproduksi  informasi  digital  yang terkesan  pada  sinyal  cahaya  pemancar ( transmitter ).Dalam sistem modulasi analog, penerima harus  memperkuat  output detektor  dan  men-demodulasi  informasi analog dari gelombang yang diperkuat.
Penerima terdiri dari detektor yang mengubah  cahaya  yang  masuk  menjadi sinyal  listrik,  diikuti  oleh  amplifier  yang cocok  yang  kemudian  diikuti  oleh  tahap tertentu  lainnya  tergantung  pada  aplikasi. Detektor  dalam  makalah  ini  akan  menjadi PIN  -  fotodioda  dan  ini  diumpankan  ke preamplifier  yang  mempekerjakan  BJT ( Bipolar Junction Transistor ).
Tujuan  dari  makalah  ini  adalah  untuk merancang  dan  mensimulasikan  (dengan komputer)  "Preamplifier  Pita  Lebar  untuk Penerima  Optik"  berdasarkan  penguat diferensial  ( ECL atau  pasangan  ekor panjang)  dengan  keseluruhan  umpan  balik negatif  paralel  ( shunt  negative  feedback )- dinamakanpenguat  transimpedansi  (Z T ).
Boostrapping juga  akan  dipertimbangkan untuk  mengurangi  efek  dari  kapasitansi photodioda  C d ,  sehingga  memungkinkan nilai  R f (resistor  umpan  balik)  menjadi meningkat,  jadi  mengurangi  kebisingan ( noise )yang diperkenalkan oleh preamplifier  tersebut.  Diagram  blok  yang lebih  rinci  dari  penerima  optik  standar ditunjukkan  pada  Gambar  1.1  dan  Gambar 1.2.

## Gambar 1.1. Komponen Penerima Optik Dasar
Konfigurasi  ini  berguna  untuk  kedua aplikasi  analog  maupun  digital,  tapi  untuk sistem  digital  suatu  sirkuit  keputusan  juga akan  diperlukan.  Masing-masing  blok  akan dijelaskan lebih rinci.
Gambar 1.2. Diagram Blok Penerima Optik

## Standar

## 1.1.1. Detektor Cahaya (Photodetector)
Dalam  kebanyakan  sistem  serat  optik, detektor  cahaya  ( photodetector )  adalah  p-i- n  atau  longsoran  fotodioda,  meskipun  pada
prinsipnya  sebuah phototransistor atau photomultiplier dapat digunakan.
Dalam operasi photodioda, yang dibias arah mundur, menyerap radiasi insiden, menghasilkan  pasangan  elektron-lubang yang  melayang  ke  elektroda  detektor menghasilkan  arus  dalam  sirkuit  eksternal. Rangkaian  ekuivalen  detektor  tersebut ditampilkan pada Gambar 1.3.
Gambar 1.3. Rangkaian Ekivalen Untuk Photodioda Yang Dibias Arah Mundur
Konduktansi  paralel  kecil,  Gd,  merupakan kemiringan  karakteristik  pembiasan  arah mundur. Rs adalah resistansi dari semikonduktor  massal  dan  kontak,  dan biasanya  kurang  dari  sepuluh  ohm.  Kedua parameter tersebut dapat diabaikan meninggalkan  Cd,  kapasitansi  sambungan p-n, disebut kapasitansi penipisan lapisan.

## 1.1.2. Preamplifier dan Postamplifier
Photocurrent yang  dihasilkan  oleh  detektor harus  dikonversi  ke  sinyal  yang  dapat digunakan  untuk  diproses  lebih  lanjut dengan jumlah minimum noise ditambahkan. Preamplifier dapat didefinisikan  sebagai  tahap  pertama  atau tahap  amplifikasi  mengikuti  photodetektor. Dengan  demikian  akan  menjadi  sumber dominan noise yang  ditambahkan  ke  sinyal dan  karenanya  perancangan  akan  menjadi faktor utama dalam menentukan sensitivitas dari penerima ( receiver ).
Postamplifier,  ditunjukkan  pada  Gambar 1.2,  memberikan  sisa  penguatan  sinyal.  Ini bisa  mendahului  atau  mengikuti equalizer atau dapat dimasukkan ke dalam fungsi dari equalizer dan filter .  Karena  tidak  akan memberikan kontribusi noise yang signifikan  dalam  sistem  yang  dirancang dengan  baik,  hal  tersebut  ditunjukkan
secara skematik terletak antara preamplifier dan equalizer .
Postamplifier dapat berisi fitur seperti automatic  level  control untuk  menjaga tingkat sinyal output konstan serta menjepit sirkuit  untuk  referensi  sinyal  ke  tingkat tegangan tertentu.
1.1.3 Equalizer dan Filter
Fungsi transfer dari kombinasi preamplifier - postamplifier mungkin  seperti  bentuk gelombang  sinyal  terdistorsi,  atau  sinyal insiden  mungkin  terdistorsi  karena  efek dispersif  dalam  medium  serat.  Peran equalizer  adalah  untuk  menghilangkan) distorsi  sinyal  linear  tersebut,  memberikan bentuk pulsa yang wajar untuk filter akhir.
Elemen  terakhir  di  penerima  adalah filter . Filter tersebut  akan  beroperasi  pada  kedua sumber sinyal dan sumber noise , dan fungsi utamanya  adalah  untuk  memaksimalkan rasio signal-to-noise sambil  menjaga  fitur penting dari sinyal.
1.2. Konfigurasi Rangkaian

## Preamplifier
Dua  bentuk  yang  paling  umum  digunakan konfigurasi  rangkaian  untuk  preamplifier adalah  penguat  FET common  source dan penguat  bipolar commonemitor. Dalam makalah  ini,  hanya  konfigurasi amplifier bipolar common emitor yang dipertimbangkan. Pilihan konfigurasi rangkaian  untuk preamplifier sebagian besar  tergantung  pada  aplikasi  sistem,  dan masing-masing konfigurasi memiliki karakteristik yang akan memberikan kontribusi  untuk  konfigurasi preamplifier
tertentu. Dua konfigurasi preamplifier yang digunakan secara komersial adalah preamplifier impedansi tinggi dan preamplifier transimpedansi.

## 1.2.1 Preamplifier Impedansi Tinggi
Pendekatan  ini  menawarkan  sensitivitas tinggi  dengan  mengurangi  semua  sumber noise menjadi minimum. Noise panas dikurangi  dengan  menggunakan  resistor
bias  detektor  besar,  sehingga  membentuk impedansi  tinggi.  Ketika  resistansi  input besar,  atmitansi  input  didominasi  oleh kapasitansi  input  dan  output  detektor terintegrasi secara efektif. Sehingga,
Ekualisasi diperlukan seperti yang ditunjukkan  dengan preamplifier pada Gambar  1.4,  di  mana  Ri  adalah  resistansi masukan dan Ci adalah kapasitansi masukan. Preamplifier ini  juga  mengalami pengurangan dynamic
range yang
tergantung  pada  jumlah  integrasi  dan ekualisasi    selanjutnya  yang  digunakan. ( Ref .1)

## 1.2.2. Preamplifier Transimpedansi
Transimpedansi  atau  penguat  umpan  balik paralel  ( shunt  feedback  amplifier )adalah perancangan front  end yang  paling  umum digunakan dalam aplikasi serat optik. Preamplifier Transimpedansi sebagian besar mengatasi kelemahan dari pendekatan impedansi tinggi. Ditunjukkan secara skematis  pada  Gambar  1.5,  di  mana  R f adalah  resistansi  umpan  balik,  pada dasarnya adalah konverter arus ke tegangan dan  impedansi front  end dikurangi  dengan umpan  balik  negatif.  Hal  ini  dapat membuat bandwidth lebar, memberikan rentang dinamis yang lebih besar dibandingkan dengan pendekatan impedansi  tinggi  dan  garis coding tidak diperlukan ketika menggunakan preamplifier transimpedansi.
Tidak  diperlukan  ekualisasi.  Kinerja noise tergantung  pada  ketahanan  umpan  balik, menjadi  sumber  utama noise panas. Menambah nilai resitansi umpan balik akan mengurangi  kontribusi noise tetapi  tidak dapat  ditingkatkan  tanpa  batas  karena masalah  stabilitas  dalam  lingkaran  tertutup ( close  loop )  dan  karena bandwidth -nya akan berkurang.
Break-frekuensi (f b ) dari rangkaian ditunjukkan  pada  Gambar  1.5  dapat  ditulis sebagai berikut:
dimana :
dan  tahap  pertama  terdiri  dari  pengaturan cascode .
Gambar 1.4. Representasi Sederhana dari Amplifier Impedansi Tinggi dengan
Ekualisasi
Gambar 1.5. Representasi Sederhana dari Preamplifier Transimpedansi

## 2. Perancangan Preamplifier
Seperti  disebutkan  dalam  bagian  1  penguat transimpedansi  akan  digunakan  untuk merancang  konfigurasi front  end yang menggunakan  BJT.  Sebuah  perancangan transimpedansi menawarkan bandwidth yang lebar, besar jangkauan sinyal dinamis- nya  dan  dapat  digunakan  dalam  sistem  di mana  garis  coding  tidak  diizinkan.  Hal  ini juga  memiliki  keunggulan,  dibandingkan dengan  amplifier  impedansi  tinggi,  adalah bahwa  hal  itu  tidak  memerlukan equalizer .
Perancangan  yang  disajikan  di  sini  adalah versi  akhir  dan  telah  dibantu  oleh penggunaan
simulasi komputer menggunakan SPICE(Simulation  Program with Integrated Circuit Emphasis) . Kebutuhan bandwidth telah  ditetapkan menjadi sekitar 35 MHz.
(1)

## 2.1. Penerima  Optik  (Optical  Receiver) Yang Diterapkan
Gambar  2.1  menunjukkan  perancangan penerima berdasarkan pada penguat diferensial dengan keseluruhan umpan balik negatif  paralel  ( shunt  negative  feedback ). Penerima  pada  dasarnya  terdiri  dari fotodioda  diikuti  oleh  preamplifier. Self- biasing dicapai  dengan  cara  menggunakan umpan  balik  negatif  melalui  R f (resistansi umpan balik).
Boostrapping diperkenalkan dengan menghubungkan  C B ,  (kapasitor boostrap ), untuk mengurangi efek dari dioda kapasitansi
Cd,
dan karenanya
memungkinkan nilai R f ditingkatkan, sehingga mengurangi noise yang diperkenalkan  oleh preamplifier tersebut. Pengikut emitor ( Emitter Folowers ) digunakan  sebagai  tahap  ketiga  dan keempat  memungkinkan  jalur boostrapping dan  umpan  balik  menjadi  terhubung. Penguat  diferensial  menerapkan  sepasang ekor panjang ( long  tail  pair ) dengan beban cascode ( cascode amplifier : Q 2 / Q 4 adalah tahap common emitor  yaitu  dipasangkan langsung  ke  tahap common basis  yang dibentuk oleh Q 1 / Q 3 ).
Keuntungan utama dari pengaturan cascode adalah  bahwa  ia  memiliki  kapasitansi masukan kecil, suatu  pertimbangan penting dalam amplifier frekuensi tinggi.
Kapasitansi  input  kecil  karena  penguatan tegangan dari Q 2 / Q 4 (tahap common emitor) adalah kecil (mendekatisatu), yang berarti bahwa kapasitansi Miller diminimalkan.
Kebanyakan  penguatan  tegangan  dicapai dalam  tahap  common-basis.  Penguatan tegangan dari Q 2 / Q 4 kecil karena resistansi beban  efektif  dalam  rangkaian  kolektor adalah  resistansi  masukan  kecil  dari  tahap common -basis.
R 5 dan R 6 memungkinkan tegangan V 1 dan V o2 sama  dengan  satu  dan  karenanya menghilangkan kapasitansi dioda, Cd.
R 10 dan  R 11 mengontrol  nilai  arus  kolektor di  setiap  sisi  penguat  diferensial  harus seimbang.

## 2.2. Perancangan Preamplifier BJT
Transistor Q 1 , Q 2 , Q 3 , Q 4 , Q 5 , dan Q 6 adalah perangkat
BFT25 yang dipilih. Pemilihan  nilai  komponen  adalah  sebagai berikut :
Arus  kolektor  Q 1 dan  Q 3 dipilih  untuk memiliki  arus  seimbang  0,5  mA.  Sehingga total arus yang mengalir melalui R E1 adalah1 mA.
Nilai  R E1 dipilih  sebesar  2KΩ.  Hal  ini memberikan  tegangan  R E1 sebesar  2  V. Untuk  mendapatkan  nilai  R 2 ,  tegangan kolektor-emitor  dari  Q 1 dan  Q 2 harus diasumsikan memiliki nilai wajar.
Katakanlah  Vce 1 = 1,5 V dan Vce 2 = 2 V
Kemudian
1 1 2 1 2 Ic V Vce vce Vcc R RE     Sehingga        k x R 1 10 5 . 0 2 2 5 . 1 6 3 2
Nilai  R 3 dan  R 4 kemudian  dapat  dihitung sebagai berikut:
Ve 1 = Vc 2 = 4 V Vbe 1 =  0,8  V,  tegangan  maju  basis-emitor dari Q 1 Sehingga :
Vb 1 = Ve 1 + Vbe 1 = 4 + 0,8 = 4,8 V
Dengan  menerapkan  metode  pembagi tegangan:
Gambar 2.1 Penerima Optik BJT Menggunakan Preamplifier Transimpedansi
1 3 4 4 Vb xVcc R R R   Karena itu : V x R R R 8 . 4 6 3 4 4   Mengambil R 3 = 10 KΩ, maka
     k R x K R R 40 8 . 4 6 10 4 4 4
Metode  yang  sama  digunakan  untuk menemukan  R 9 dan  (R 10 +  R 11 )  tapi  Vb 4 = 2,8 V. Mengambil  R 9 =  10  KΩ,  maka  (R 10 +  R 11 ) = 8,75 KΩ.
Karena  identik  sirkuit,  nilai  berikut  dapat dibuat :
R 7 = R 3 R 8 = R 4 R E2 = R E3 R 5 + R 6 = R 2 R B1 = R B2
Nilai  R 1 sebesar  57  Ω  dipilih  untuk memungkinkan kapasitor boostrapping , C B , untuk dihubungkan ke katoda PIN- Photodioda.
Seperti  disebutkan  sebelumnya  bahwa  R 5 dan  R 6 dipilih  sedemikian  rupa  sehingga penguatan  tegangan  Avo 2 =  1  dan
karenanya memungkinkan untuk menghilangkan Cd. Juga R 10 dan R 11 dipilih untuk  mengontrol  arus  kolektor  dari penguat diferensial menjadi seimbang.
Ditemukan bahwa selama simulasi komputer  bahwa  R 5 dan  R 6 masing-masing harus 192.5Ω dan 807.5Ω untuk memenuhi kebutuhan boostrapping .  Dan  R 10 dan  R 11 masing-masing  harus  6,8  KΩ  dan  613  Ω untuk menjaga agar arus kolektor seimbang.
Tahap  pengikut  emitor  diberi  resistor  80 kΩ,  R B2 ,  memberikan  arus  basis  yang memadai  dan  dirancang  untuk  memiliki arus kolektor sebesar 1,2 mA.
Nilai  R B2 dan  R E3 di  pengikut  emitor  telah dihitung sebagai berikut:
B C FE I I h  ; penguatan arus DC
h FE = 40  A mA h I I FE C B  30 40 2 . 1   
sedangkan,
Ve 6 =  Vb 2 =  2,8  V  dan  Vb 6 =  2,8  +  0,8  = 3.6V
Karena itu,
     k I vb vcc R B B 80 10 x 30 3.6 - 6 6 - 6 2      k x Ic Ve R E 33 . 2 10 2 . 1 8 . 2 3 6 6 3 C 1 , C 2 , C 3 , C 4 , dan C 5 telah dipilih masing- masing  10  nF,  nilai  kapasitansi  chip  yang tersedia.  C B dipilih  menjadi  100  nF. Kapasitansi,  Cs,  dan  kapasitansi  umpan balik, C f , masing-masing diasumsikan 1 pF dan 0,1 pF.
R f dapat  ditentukan  dari  ekspresi  untuk frekuensi, f b dari Persamaan (1):
Namun, R f sebesar 30 KΩ adalah nilai akhir yang dipilih sebagai hasil simulasi komputer  dari  sirkuit. Ini mencapai bandwidth 33 MHz.
Rincian perancanganditunjukkan pada Tabel 1 sebagai berikut :
Table 1. Rincian Perancangan Preamplifier BJT Q 1 , BFT25 Ic 1 = Ic 3 = 0.5 mA Q 2 , BFT25 Ic 5 = Ic 6 = 0.5 mA
Q 3 , BFT25 Q 4 , BFT25 Q 5 , BFT25 Q 6 , BFT25 Vcc = 6V
R 1 = 57Ω R B1 = 80 kΩ R 2 = 1Ω R B2 = 80 kΩ R 3 = 10Ω R f = 30 kΩ R 4 = 40Ω R 5 = 192.5Ω Cd = 6   pf R 6 = 807.5Ω C 1 = 10 nF R 7 = 10Ω C 2 = 10 nF R 8 = 40Ω C 3 = 10 nF
R 9 = 10Ω C 4 = 10 nF R 10 = 6.8Ω C 5 = 10 nF
R 11 = 613Ω C s = 10  pF Rem 1 = 1Ω C f = 0.1 pF
Rem 2 = 1Ω CB = 100 nF
R E1 = 2 KΩ R E2 = 2.33 KΩ R E3 = 2.33 KΩ
Rancangan PenerimaOptik BJT Menggunakan Preamplifier Transimpedansi tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.1.

## 3. Hasil Pengukuran Receiver
Penerima  ( receiver )  telah  dirancang  dan kinerja relatifnya ditentukan dengan simulasi komputer. Sekarang tetap membangun receiver dan melihat bagaimana penerima tersebut bekerja dalam praktek. Untuk memfasilitasi/ memudahkan pengujian, pulsa yang sesungguhnya dikirim dari laser yang digunakan. Pengukuran  tegangan  DC  tersebut  telah ditemukan  benar/  sesuai,  tetapi  ketika  laser
diterapkan,  penerima  tersebut  ditemukan tidak bekerja sebagaimana mestinya. Karena kekurangan waktu, proses
debugging belum selesai. Sehingga pembahasan ini terutama dari hasil simulasi komputer.
Penerima  tersebut  diberi  daya  dan  tingkat tegangan DC pada setiap  titik/ node diukur dan  dibandingkan  terhadap  nilai  prediksi komputer. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 2.  Hal  ini  dapat  dilihat  bahwa  nilai  yang diukur  mendekati  dengan  nilai-nilai  yang diprediksi.
Table 2. Level Pembiasan DC dari Receiver Node Tegangan Prediksi [V] Tegangan Pengukuran [V] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 —3.4913 —4.2438 —4.2443 —4.2438 —3.4913 —5.7925 —3.1702 —2.3906 0.0000 —3.1588 —2.3793 —1.2836 —2.0355 —0.4179 —0.0804 —1.2835 —2.0354 —0.4177 0.0000 —3.495 —4.278 —4.278 —4.278 —3.497 —5.796 —3.285 —2.464 0.000 —3.120 —2.320 —1.319 —2.096 —0.408 —0.093 —1.309 —2.080 —0.408 0.000
Pergeseran fasa  yang diperoleh dari node 7 dan  10  ditunjukkan  pada  Gambar  3.1. Dapat  dilihat  bahwa node 7  memiliki pergeseran  fasa  180 o dan node 10  memiliki pergeseran fasa nol, seperti yang diharapkan.
Gambar 3.1 Pergeseran fasa yang diperoleh dari node 7 dengan referensi ke node 1 untuk (R 5 +R 6 )= 1 KΩ

## 4. Penutup
Sebuah preamplifier pita  lebar  yang menggunakan BJT telah  dirancang  dan disimulasikan  dengan  komputer.  Dalam perancangan preamplifier pita lebar tersebut telah ditemukan bahwa
dengan
memperkenalkan boostrapping kapasitor (C B )  ke  dalam  rangkaian,  efek  kapasitansi dioda  (Cd)  bisa  dihilangkan.  Hal  ini memungkinkan nilai resistansi umpan balik (Rf)  ditingkatkan  (untuk  mempertahankan bandwidth yang  dibutuhkan)  dan  dengan demikian  mengurangi noise diperkenalkan oleh preamplifier.
Juga telah diobservasi bahwa resistansi seri umpan balik negatif (Rem) dapat
meningkatkan
bandwidth penerima ( receiver ).
Resistansi  umpan  balik  (R f )  dan  I C2 shot noise pada frekuensi tinggi menjadi sumber dominan noise .
Sensitivitas  dari  penerima  telah  dihitung dari komputer diprediksi respon kebisingan dan ditemukan untuk menjadi -37,685 dBm.

## DAFTAR PUSTAKA
Bar-Lev,  A,  1993, Semiconductor  and Electronic  Devices ,  New  York  : Prentice  Hall  International,  Chap.  15, 301 - 306.
Getreu,  I,  1976, Modelling  The  Bipolar Transistor ,  New  York  :  Tektronix,
Inc., Chap. 3, 169 - 175.
Senior, J., 1985, Optical Fiber Communications , New York : Prentice  Hall  International,  Chap.  10, 427 - 438. Smith, R.G. Personick, S.D., 1980, Receiver  Design  For  Optical  Fiber Communication Systems , New York :
Springer-Verlag, 97 - 126.