ART Andreas Ardian Febrianto Bentuk geometri Full text

(1)

BEJ\TUK GEOAJETRI JALUR TRA.NSAflSI PAlM TATA LETAK ICJ>I(iJTAL Ga.h Andreas Ardian Fehrianto

BENTUK GEOMETRI JALUR TRANSMISI PADA

TATA LETAK IC DIGITAL GaAs

Andreas Ardian Febrianto

Program Studi Teknik Flektro

Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer - UKSW

Jalan Diponegoro 52-60, Salatiga 50711

Intisari

Tata letak keping JC GaAs memerlukan interkoneksi untuk keperluan konsumsi

daya dan transmisi sinyal. Penerapan tata letak keping IC GaAs dijelaskan dengan beberapa

struktur ragam TEM (transverse electromaRnetic) seperti micros/rip, coplanar strip (CPS), atau coplanar waveguide (CPW). dan stripline Jalur interkoneksi yang terjadi pada GaAs dapat dianalisis dengan menggunakan dua ragam TEM (ragam genap dan ragam gasal) untuk model micros/rip dan stripline sehingga dapat dianalisis berdasarkan perbedaan impedansi dan perbedaan kecepatan. Selain itu dapat juga dianalisis dengan mode

superposisi untuk model coplanar.

Kata kunci: Jalur transmisi: Tata letak IC Digital GaAs

l.

Bentuk .Jalur Transmisi pada IC GaAs

Lapisan logam jamak adalah teknologi yang digunakan IC GaAs. Strukn1r yang

dihasilkan keping IC GaAs bersifat tidak planar sehingga menghasilkan step coverage oleh jalur logam. Masalah muncul jika komponen-komponen yang digunakan dalam fabrikasi

untai terintegrasi disusun tidak dalam satu lapis melainkan dalam beberapa lapis ke atas.

(2)

Tedm6 Jurnalllmiah Elcklroleknika VoL') No.2 ｏｫｬｯ｢ｾｲ＠ 20JU Hal 145 157

lnterkoneksi antara dua jalur transmisi dapat terjadi jika impedansinya match. Nilai

impedansi dari jalur transmisi dapat dihitung salah satunya dengan menggunakan

perhitungan impedansi dari bentuk geometri serupa yang sering diperoleh pada tata letak

dari IC GaAs. Bentuk geometri serupa tersebut adalah c:oplauar wavet,'1ride, copla11ar strips. micro.wrip. stripline.

1.1.

Jalur Tt·ansmisi dengan Bentuk Geometri Copla11ar

I .I.

I.

Jalur Transmisi dengan Bentuk Geometri Coplanar Waveguide

(CPW)

[image:2.509.50.508.216.598.2]

Pandu gelombang cop/auar tersusun dari "couductiiiJ? strip" di tengah, diletakkan pada substrat dielektrik dan di paralel dengan dua coplanar ground seperti gambar berikut ini.

Gambar 1. Tampang Lintang Coplanar Waveguide .

Keuntungan peranti ini adalah bahwa komponen untai pasif atau ak1if dapat

dihubungkan dengan peranti ini, baik secara seri atau paralel. Pandu gelombang coplwwr ini dipakai sebagai unsur untai dan sebagai saluran interkoneksi

(3)

BtJ\TUK (i£0ll/ETRI JA.LUR TRA!V.\'AI/SI P-"J/).4 TAT-t LETAK IC DUi/1A/, GaA"

Am/reus Ardiau Fehria111o

Rumus pendekatan impedansi karakteristik pandu gelombang coplanar dengan

asumsi t kccil . 0 · k I dan h • w adalah •

dengan

7

1.0

!.

,,

s + 211

s = Iebar strip - tengah .

w CCC Iebar slot I alur ; dan

E _{r._•}= konstanta dieletrik relatif.

Rumus empiris adalah

(I )

E, +1[ ( h

J

kw( . ·( .. )(0,15+k)\l - - tanhl.I,785log +1,7:Y

J+-

0,04-0,7A I 0,1 ｾＺＺＺＺＬ＠ＭＭＭｾＭｪ＠

.

2 ' !I' / h \ 100

J

1.1.2.

Jalur Transmisi dengan Bentuk Geometri Coplanar strips (CPS)

Stmktur coplanar strips hampir sama dengan saluran transmisi "1wiu lead'. Ragam rambatan gelombang coplanar ｳｴｲｩｰＮｾﾷ＠ sama dengan !win lead yaitu pada

frekuensi tinggi bersifat sebagai non TEM dan pada frekuensi rendah bersifat sebagai Quasi

(4)

Tl:chne Junwl llmiah Ekktwtekmka Vol (J N0 '1 Oktober 201!1 Hal 14"' ·· !:'7

I

_,;

Gambar 2 Tampang Lintang ( 'oplanar Strips

Dua strip dianggap terpisah dari kondukior yang berdekatan pada permukaan Rumus pendekatan impedansi karakteristik untuk jarak antara coplanar - strips dan konduktor terdekat sebesar 10 b dan, 0 :; k < 0,707, adalah

120;r 1 ( l

+

.Jk'j,

Zo

= ,-;:--

.. ··

;r In 2 ,.-;: ohm

>JEert 1 V k

(2)

dengan k a

b

2 , dan

E," adalah konstanta dielektrik relatif

1.2. Jalur T•·ansmisi dengan Bentuk Geometri Stripline

Stripline ini cocok untuk untai berpita (BW) Iebar. Kerugiannya adalah sekali dibuat, untai tidak dapat dimodifikasi karena "strip" di tengah logam tersebut ditutup oleh dielektrik yang diapit oleh dua logam. Ragam rambatan gelombang sfripline adalah TEM.

148

I

[image:4.509.55.485.73.554.2]

(5)

BEl\Tl/K GEOllJETRI 1/H.UR TRAN,\'/HISI PADA TATA LETAK /C DIGIT4L GaA\

A11dreas Ardiw1 Fehna111o

Ground logam

" ,.. +

[image:5.515.42.487.217.481.2]

---:t_ t

Gambar :i Tampang Lintang .)'trip/inc

NiJai pendekatan impedansi karak:teristik <;fripline diperoleb dengan menganggap

"couducting smp" di tengah sangat kecil dan 0,2 < k <3, sehingga diperoleh nilai

pendekatan seiJagai berih1t

dengan k

( Jr(!) \

tanhl-2b) ;

= konstanta dielek:trik relatif;

w Iebar "strip" di tengah [em]; dan

b = tebal dielek:trik [em].

1.3. Jalur Transmisi dengan Bentuk Geometri

ｾＯｩ｣ｲｯｳｴｲｩｰ＠

(3)

Saluran micro.\'tnjJ terdiri dari konduktor dan dipisahkan oleh dielek:trik dari bidang

tanah. Pada pengf,'Unaan landasan dielektrik dengan nilai yang dipakai tinggi, garis - garis

medan listri k akan terkonsentrasi pad a bahan dielektrik tersebut dan menghasilkan untai

(6)

lcchnc Jurnallhmah ｅｫｫｴｲｯｴｾＬ［ｫｭｫ｡＠ Vol. 9 No.2 ｏｫｴｯ｢ｾＺＱ＠ 2010 llat !-l:' !"'7

Konstanta dielekirik efektif ( E",) lebih rendah daripada konstanta dielektrik

landasan itu sendiri ( ) karena banyak garis medan yang sesungt::,'lJhnya, berada di luar

landasan sepe11i pad a Gambar 1.

kPUdllhfOI -t>f W

r

F l::llldasan dielektrik

• L _.

Gambar 4. Tampang Lintang Microstrip.

Umumnya landasan meliputi Teflon impreK11ated ··. alumina, plastik khusus, polymide semii11sulati11g GaAs dan seminmluting Si pada beberapa kasus. Empat yang awal adalah landasan yang sering dipakai karena cocok dan

berguna untuk mikro gelombang dan elemen logika kecepatan tinggi. GaAs dan Si dipakai

untuk untai mikrogelombang monolitik dan diintegrasikan dengan silikon

transistor dan unsur unsur aktif lainnya pad a keping IC semikonduktor.

diode,

Rumus pendekatan impedansi karah.ieristik "microstnjJ-/ine·· dengan asumst · ketebalan strip penghantar t kecil adalah sebagai berikut:

60

(8h

w '\ Zo =---In - + J

..j;;: \.

If' 4h J

untuk w I h

dan Zo 120

ｦｩＬｾ｛＠

ｾ＠

+ 1,39

ＫｾｉｮＨ＠

ｾ

Ｑ＠

+ 1,44)

r

untuk l

ｾ＠

w I h

150

;/

I

(4)

[image:6.507.42.496.162.601.2]

(7)

BEVTUK <iEOilJETRI .IALUR TRAS.C.,i\JISI PADA TA1:4 LETAK TC D/UI7:4L Ga,h Andreas Ardian Fehrianto

Nilai ｾ］ＺＬＬ＠ dinyatakan sebagai berikut :

dengan

I

+l

+ - - + -

E,

-l(l

101.7)-::!

2

w /

h ketebalan landasan dielektrik [em]; dan w Iebar colldltcllllg ·- stnp LCIUJ.

2.

Analisis I>ua .Jalur Interkoneksi dalam Dua Ragam

TEl"t

(6)

Nilai impedansi dapat juga dianalisis dengan mengbrunakan menggunakan dua ragam

TEM dan teon jalur transmisi seperti yang dijelaskan pada bab tiga. lnterkoneksi yang baik

tldak hanya unpedansinya yang diperhatikan tetapt perlu mengatur catu

dayH

dan

perancangan bumi serta mengurangi cakap silang yang dihasilkan dari jalur berpasangan.

Dua ragam TEM yang digunakan untuk mencari impedansi yang match adalah ragam

genap dan ragam gasal.

teori jalur transmisi

yang

dijelaskan dibab sebelumnya berlaku untukjalur transmisi

tunggaL jika jalur transmisi berpasangan maka dianalisis dengan dua ragam TEM.

Interkoneksi antar saluran GaAs dianalisis dengan menggunakan dua ragam TEM yang

secara umum dikenal dengan ragam "genap dan gasal".

[image:7.515.44.486.237.591.2]

(8)

Techne Jurnal llnuah Ekktrorckmka Vol. ｾ［＠ No. 2 ｏｫｴｯ｢ｾＱ＠ 20 10 Hul I ｾＵ＠ i : : :

J.::

+

i

t '

//J:/:t.LV'/;-;::/u//;-:;.--j'.r.u..(m..///u.u////LL/.//"jJ

Gambar 5(b ). Simetri Micros/rip Ragam Gasal.

Impedansi ragam genap dan ragam gasal interkoneksi salman dijelaskan sebagai

impedansi saluran tunggal dalam kondisi yang berbeda ketika saluran dijalankan dalam

ragam genap dan gasal secara berturut - turut Hal itu dapat dilihat dalam Gambar 5( a)

untuk ragam genap dan Gambar 5(b) untuk ragam gasal.

2.1.

Analisis Dua Jalur Transmisi dalam Ragam Genap

Kapasitansi per satuan panjang dianalisis berdasarkan Gambar 6 (a). Pada saluran

ragam genap, Cab tidak berpengaruh, sehingga impedansi ragam genap untuk saluran

menjadi sebagai berikut :

Z''

_o

=-1-veCo

(7)

simetri dengan impedansi ragam genap untuk saluran b, dengan vc adalah kecepatan ragam genap unmk saluran a.

Kecepatan gel om bang (

1•")

untuk ragam genap dengan adalah konstama

dielektrik efektif untu k ragam genap, adalah sebagai berik'Ut :

1

\' _{(8 ).}

Hal

4i

atas berbeda untuk saluran micros/rip. karena saluran micros/rip mempunyai

I

dua dielekirik yang berbeda Ragam genap saluran nucrostrip ditunjukkan pada Gambar 5(a). Pada kasus ragam genap, dua saluran mempunyai tanggapan potensial vang sama

terhadap bidang bumi yang ditunjukkan dalam Gambar S(a)

[image:8.509.40.491.224.597.2]

(9)

BENTUK GEOMETR1 JALUR TRAN.\'1141.\'1 PA1JA TATA LETAK 1C D1U1TAL (luA,\ Audreas Ardian Fehrianto

Tegangan ragam genap pada saluran a di titik x yang dihubungkan ke saluran b

untuk titik x yang sama dinyatakan sebagai berikut

sedangkan arus pada saluran adalah sebagai berikut :

a(;---,

i

c:-L

I ＨＨｘＩＮＬＭＯＨＡｾＩ＠

a)

2CEtl

l

! I t I I I I

Gambar 6(a) dan 6(b) Dua Konfigurasi Persamaan untuk Distribusi Kapasitansi Per

Satuan Panjang untuk Interkoneksi Dua Jalur.

a

2Cab

-j' ,----·

----l:

d

I I I I I _______ _j I I I

Gambar 6(c). Bagian Kontigurasi Gambar 6(b)

2.2. AnaJisis Dua Jalur Transmisi

dalam Ragam Gasal

(9)

( 1 ())

[image:9.515.63.491.219.590.2]

(10)

T ｾＺ｣ｨｮｴＺ＠ Jurnal llmiah ｅｬｾｫｴｲｯｴｴＺｫｮｩｫ｡＠ Vol 9 No. 2 Oktob<:i 20 I 0 Hal

(.ts

I) 7

1

v () ('

"

( I I )

dengan v" adal.ah kecepatan ragam gasal, nilai ini juga berlaku untuk saluran b.

Kecepatan gelombang ( l'0 ) untuk ragam genap dengan

E::,,

adalah konstanta

l' _(12).

Hal di atas berbeda untuk saluran microsfrip karena saluran microstrip mempunyai

dua dielektrik yang berbeda. Perbedaan ragam genap untuk saluran microstrip dapat dianggap seperti Gam bar 5 (b) Pada kasus ragam gasaL tanggapan potensial dari satu saluran terhadap bumi negatif saluran lain ditunjukkan dalam Gambar 5 (b).

Tegangan ragam gasal pada saluran a di titik x yang dihubungkan ke sa!uran b

untuk titik x yang sama dinyatakan sebagai berikut

(13)

sedangkan arus pada saluran adalah .

(14).

3. Analisis Dua Jalur lnterkoneksi dengan Ragam Superposisi

Superposisi ragam genap (Gambar 7(b)) dan ragam gasal (Gambar 7(c)) dapat

dilihat dari Gambar 7(a) Wakiu ragam genap dilambangkan dengan Te dan waktu ragam

gasaJ dilambangkan dengan To, jika Vg mulai pada t .::c 0 untuk t < 2 Te dan 2To maka tidak

ada gelombang yang dipantulkan ke input

Tegangan ragam genap dalam Gambar 7(b) pada waktu titik I adalah:

r

l'

=

(IS);

.j

dan dari Ganibar 7( c) tegangan ragam gasal adalah

( 16 ),

(11)

BEiVTl!K (,£()/lc/ETRI.JA.LUR 1RAA.\'l\JJS/ PAlM TATA LETAK JC J>JGJTAL f1wh Audreas Ardian Febrionto

•

2'

z

b

Ｍｾ＠

•

0

z ()

4

o e

R.3

Gambar 7(a). Superposisi Jalur Berpasangan Ragam Genap dan Gasal

Gambar 7(b ). Ja!ur Berpasangan Ragam Genap.

-v

_G

12

-'\_, /\ _,-Ｇｾ＠

R"1·

•r

2

zo

---·4

I•

( ) [image:11.515.77.464.86.585.2]

(12)

lechne Jurnal Hmiah Elektrotekmka VoL 9 No. 2 Oktober 2010 Hal 145 iS l

Tegangan total pada titik dalam Gambar 7(a) adalah

v

1 ｾｾ＠

+v:,

1 dan memakai

Persamaan (13) dan (14) dengan x =0 maka tegangan pada titik 2 adalah I\

Memakai Persamaan ( 15) dan ( 16) didapat sebagai berikut:

nl'

(J 7)

Gelumbang pantul pada ujung jalur tidak

ada

untuk t· :2Te dan 2To sehingga

diperoleh persamaan berikut berdasar Persamaan ( 17)·

(18)

Tegangan dating ragam genap dan gasal pada titik tiga adalah wabu tunda

tegangan transmisi ragam genap dan ragam gasal pada titik 1 maka:

(19)

Koefisien pantul untuk ragam genap dan ragam gasal pada titik 1 dan 3 adalah :

R"' ＭｚＬｾ＠

dan I . -., ］ＭＭｾ］｟｟｟｟｟｟｟｟ＡＡＡ＠ v' R -Z" _ _ .,_

omjm=lur_, ·' R

zu

) nm 111

+

o

(20) I("+ ｚＬｾ＠

Pantulan pertama pada akhir jalur kanan, tegangan total pada titik 3 dan 4 adalah

jumlah dari tegangan datang dan pantul

dan (21)

Gelombang ber:jalan dari ke x= 1 dan kembali N kali, total tegangan pada titik 1 dan 2 adalah penjumlahan gelombang datang ditambah JUmlah dari semua gelombang

pantul pada

x=

I pada ujung jalur dan pantulan kembali pada x=O. Hasilnya adalah

sebagai berikut

(22)

(13)

BENTUK GEOit.fETRI.IALUR TRA.N.\'l\.1/Sl P4DA T4 T4 T.ETAK /C JJJ(i/TAI"

GuA."

Andreas Ardiau Fehriamo

dengan N adalah t mak.J (2Tsm), tn}(lb adalah nilai maksimum dari t dan Ts•n lebih kecil dari

T"' dan To. Bagaimanapun Persamaan (22) lebih tepat jika persamaan semakin sedikit

Hasilnya hubungan untuk x= 1 pad a ujung jalur adalah:

I

ＲＢＨｚＮｾＡ＼Ｍｾｊｬ＠

2..

l'u

L'

\LII T 1)1

ｾｸｩＧ＠

ｾｪ＠

,·!)

\t

i j ••

ｾｽｉ＠

\ - .l ).

4. Kesimpulan

Analisis secara periodik interkoneksi jalur transmisi sinyal dan jalur distribusi daya

yang terdapat pada keping JC GaAs. dapat dilihat seperti struknu- sepasang microstrip. stripliue maupun.coplauar Interkoneksi pada tata letak keping IC GaAs berupa sepasang microstrip, stripliue maupun coplanar dapat dianalisis dengan metode superposisi dua ragam TEM (ragam genap dan ragam gasal).

DAFT AR PUST AKA

[1]. Harrold, S.l, "An Introduction to (jaAs f(' Oesign" , Prentice Hall International, New York. 1993.

[2] .Long, Stephen I, "GaAs Digital JC Design'', Me Graw Hill Book Company, Singapore, 1990.