DIY Audio Buffer / Preamp 1 Transistor

Buffer

Dalam bahasa yang sederhana, yang dimaksud Buffer di sini adalah sebuah penguat arus, tanpa ada penguatan tegangan, yang digunakan untuk mencegah rangkaian-beban(kedua) terlalu membebani rangkaian-sumber(pertama) hingga membuat operasi yang diinginkan menjadi terganggu.

Buffer 1 transistor biasanya ter-rangkai sebagai Emitter Follower dan non-inverting. Linearitasnya tergolong bagus untuk sebuah sirkuit yang sederhana. Dengan penguatan tegangan biasanya antara 0.90~0.98, tergantung dari hFE(beta) dari transistor dan arus operasinya.

Salah satu contoh dimana buffer perlu digunakan adalah, misalnya ada kasus seperti ini :

Anda memiliki sebuah amplifier yang terdapat Low-Pass-Filter (LPF) yang terbentuk dari R1 dan C1, yang diperhitungkan memiliki titik potong di 159kHz. Jika Rangkaian sumbernya (misalnya sebuah Digital Music Player) adalah sebuah rangkaian yang mempunyai output impedance rendah, maka titik potong LPF tersebut tidak akan melenceng jauh. Kemudian, Anda memutuskan untuk menambahkan sebuah potensiometer volume (P1 50k) di depan amplifier.

Jika potensiometer volume berada dalam posisi putaran penuh (100%), maka titik potong LPF juga tidak melenceng jauh. Masalah timbul jika potensiometer berada dalam posisi tidak penuh. Misalnya, hanya terputar setengah (50%), hal ini akan membuat titik potong LPF menjadi jauh lebih rendah dari seharusnya. Hal ini disebabkan karena impedansi dari potensiometer P1 ikut berinteraksi dengan LPF.

Dengan nilai R1 1k, C1 1nF, dan potensio 50k, jika potensiometer berada pada setengah putaran, maka impedansi potensionya adalah 12k5. Yang mana total resistansi LPF tidak lagi hanya R1 1k, tapi juga +12k5. Sehingga titik potong LPF akan turun menjadi 11.8kHz, itu terlalu rendah!

Untuk mengakalinya, Anda perlu menurunkan nilai C1, atau menurunkan nilai P1, atau, dengan mengisolasi impedansi potensio-volume dari inputan amplifier (dalam hal ini, bagian LPF-nya). Untuk mengisolasi impedansi potensio inilah Anda memerlukan sebuah Buffer diantara pot-volume dan input amplifier.

Untuk membuat buffer dengan 1 buah transistor (bahkan JFET) yang pertama perlu Anda ketahui adalah tegangan supply yang akan digunakan dan berapa beban yang akan terhubung. Untuk buffer sinyal audio rendah, tegangan supply 12~30V seharusnya sudah memadai.

Misalnya, bebannya adalah sebuah amplifier dengan input impedance 20k. Anda dapat secara kasar memperkirakan bahwa R3 mempunyai nilai sekitar 5-10x lebih rendah agar buffer bekerja dengan "semestinya". Di sini saya gunakan nilai 3k3. Dengan "memperkirakan" bahwa tegangan bias pada output(emitor) adalah setengah dari tegangan suplai, maka arusnya adalah 6V/3k3 = 1.8mA

Untuk memilih nilai R1 (dan R2) kita perlu mengetahui impedance di base Q1.

Pertama kita perlu mengetahui impedance di emiter (Ze).

Ze = (R3×RL) / (R3+RL)
Ze = (3k3×20k) / (3k3+20k) = 2k83

Kemudian, untuk mendapatkan nilai impedance di base (Zb) kita gunakan rumus ini :

Zb = (Ze+re) × hFE

dimana, re adalah nilai tahanan(resistor) intrinsik(di dalam) transistor yang nilainya tergantung dari arus di emitor, yaitu 26/Ie (mA). Namun nilai re biasanya sangat kecil dan kadang bisa diabaikan. Sedangkan hFE adalah Penguatan arus dari tansistor yang digunakan (2SC945).

jadi, re = 26/1.8mA = 14Ω

Zb = (2k83+14)×200 = 570k

Dengan mengetahui nilai Zb, Anda bisa menentukan nilai R1 (dan R2) agar bisa memenuhi kebutuhan arus ke base Q1. Gunakanlah nilai antara 3~10x lebih rendah dari nilai Zb. Di sini saya gunakan nilai 150k.

Maka sekarang kita bisa mendapatkan nilai input impedance buffer (Zin) ini, yaitu :

Zin = 1 / ( (1/R1)+(1/R2)+(1/Zb) )
= 1 / ( (1/150k)+(1/150k)+(1/570k) )
= 1 / 0.01509
Zin = 66kΩ

Dengan mengetahui nilai Zin, sekarang Anda bisa mengetahui (atau menentukan) titik potong High Pass Filter (HPF) pada input yang ditentukan oleh besarnya nilai C1 dan Zin.

HPF = 1 / (2×pi×C1×Zin)
= 1 / (2×pi×1µF×66k)
= 2.4 Hz

Sedangkan untuk impedance output nilainya (kurang-lebih) sama dengan total impedance di base dibagi penguatan arus (hFE). Ini berarti, output impedance juga bergantung dari impedance sumber. Ketergantungan seperti ini terjadi pada semua sirkuit transistor yang simpel, dimana input bergantung pada output, dan juga sebaliknya. Merubah salah satu sisi akan merubah yang lainnya.

Walaupun nilai R1 dan R2 adalah sama (150k), Anda mungkin berpikir bahwa tegangan di base Q1 seharusnya adalah setengah dari tegangan suplai, tetapi tidak, karena arus diantara R1 dan R2 juga ada yang menuju ke base Q1.

Jadi, kenyataanya, tegangan di base Q1 bukanlah Vs × (R2/(R1+R2)), melainkan Vs × ((Zb|R2)/(R1+(Zb|R2))). Jadi baiknya R1 perlu menggunakan nilai yang sedikit lebih rendah agar tegangan pada output (Emitor) juga lebih mendekati setengah dari tegangan supply, misalnya 100k atau 120k. Jika mau sedikit lebih presisi, maka Anda juga perlu menambahkan tegangan VBE, biasanya sekitar 0.55~0.65V. Sehingga, perhitungan-perhitungan di atas tadi lebih tepat.

Saya mensimulasi rangkaian ini dan mendapatkan nilai THD sebesar 0.037897% saat R1 150k, dan 0.024251% jika R1 100k (output lebih mendekati ½VS).

Anda bisa menurunkan THD-nya dengan mengganti R3 dengan N-channel Junction Field Effect Transistor (N-JFET) J202, K30, dsb, tapi kemudian hal ini tidak lagi sesuai judul 😁, Buffer 1 transistor. Jika menggunakan J202, THD turun menjadi 0.000545%.

Untuk menjaga kestabilan sirkuit dari beban kapasitif (misalnya kabel yang sangat panjang), sebaiknya pada output ditambahkan sebuah resistor (secara seri) agar transistor Q1 terisolasi dari beban kapasitif itu, nilainya sekitar 47~100Ω biasanya sudah cukup.

Preamp

Jika Buffer adalah penguat-arus tanpa penguatan-tegangan, maka Preamp adalah keduanya. Preamp dapat menguatkan arus dan menguatkan tegangan. Maka preamp juga termasuk buffer, tetapi buffer belum tentu preamp.

Contoh dimana Anda memerlukan preamp adalah misalnya, Anda memiliki sebuah Chip Amp TDA1554Q, dan sumber audionya adalah sebuah HP. Dan ternyata suara yang dihasilkan terlalu lirih. Ini disebabkan karena TDA1554Q memiliki penguatan tegangan hanya 10x (20dB) per kanal. Sedangkan TDA1554Q memiliki penguatan tegangan yang tetap, tidak dapat ditingkatkan lagi karena jalur NFB-nya ada di dalam IC. Untuk itu, Anda memerlukan sebuah preamp untuk meningkatkan tegangan sinyal yang akan masuk.

Kalkulator Buffer & Preamp 1 Transistor (Excel)

Saya telah membuat sebuah formula dalam tabel Excel, silakan download untuk mempermudah perhitungan. Harusnya Google Spreadsheet juga bisa membuka&edit file ini.
Baris kuning adalah parameter untuk di isi, baris biru adalah hasil kalkulasi.

Sheet pertama untuk buffer, Sheet kedua untuk preamp.

Catatan

• Baik buffer maupun preamp 1 transistor ini hampir tak memiliki rejeksi tegangan suplai, maka diperlukan pasokan tegangan suplai yang bersih dan stabil.

• Untuk preamp 1 transistor, perlu diingat bahwa outputnya adalah inverted, jadi, entah Anda menambah sirkuit inverting lainnya, atau mudahnya, tukar saja kabel + & - speaker agar ayunan speaker menjadi seharusnya.

• Perubahan impedansi pada input (maupun output) pada sirkuit 1 transistor ini, dapat sedikit mempengaruhi dari kinerja yang diharapkan.

• Meninggikan tegangan supply kemungkinan akan meningkatkan dinamika, tapi akhirnya semua perlu dihitung ulang.