Strategi Desain Crosstalk Antara Dua Garis Micro-strip Paralel pada PCB Berdasarkan Analisis Simulasi
Teori Crossstalk
Berdasarkan teori elektromagnetik, crosstalk mengacu pada decoupling elektromagnetik antara dua garis sinyal. Ini adalah jenis kebisingan yang disebabkan oleh kapasitas bersama dan impedansi timbal balik antara saluran sinyal.
Pada Gambar 1, di antara dua garis paralel, satu garis memiliki sumber sinyal (VS ) dan impedansi internal (ZOG ) di salah satu ujung saluran dan impedansi beban (ZLG ) di sisi lain, membentuk loop tertutup melalui tanah. Jalur lainnya hanya memiliki hambatan (ZOR dan ZLR ) dengan struktur kawat tunggal ke tanah. Pada gambar ini, kabel dengan sumber sinyal disebut jalur emisi atau jalur interferensi sedangkan jalur lainnya disebut jalur penerima atau jalur interferensi.
Ketika sinyal penggerak (1) melewati garis emisi, sinyal interferensi akan dihasilkan dengan arah yang berlawanan sebagai akibat dari kapasitansi parasit antara saluran emisi dan saluran penerima. Sementara itu, ketika melewati garis emisi, sinyal penggerak akan menghasilkan medan magnet yang berubah yang menginduksi arus interferensi dengan arah yang berlawanan dengan sinyal penggerak setelah melintasi garis penerima. Arus interferensi (2) dan (3) adalah sinyal crosstalk yang dipisahkan dari jalur emisi ke jalur penerima oleh sinyal penggerak. Beginilah cara crosstalk dibuat.
Crosstalk dapat diklasifikasikan menjadi crosstalk kapasitif dan crosstalk induktansi berdasarkan penyebab yang berbeda. Crosstalk kapasitif mengacu pada tegangan yang dipisahkan yang dihasilkan oleh kapasitansi yang dipisahkan bersama, sedangkan crosstalk induktansi mengacu pada arus yang dipisahkan yang dihasilkan oleh induktansi yang dipisahkan bersama.
Berdasarkan tempat terjadinya crosstalk, crosstalk dapat diklasifikasikan menjadi crosstalk dekat dan crosstalk jauh. Pada Gambar 1, crosstalk dekat-ujung adalah sinyal interferensi yang dihasilkan oleh sinyal penggerak (1) di ujung dekat saluran penerima, menambahkan crosstalk kapasitif (3) dan crosstalk induktansi (2). Crosstalk ujung jauh adalah sinyal interferensi yang dihasilkan oleh sinyal penggerak (1) di ujung terjauh saluran penerima, berbanding terbalik dengan crosstalk kapasitif (3) dan crosstalk induktansi (2).
Crosstalk dihasilkan antara dua lead karena decoupling elektromagnetik. Analisis crosstalk adalah menghitung tegangan interferensi dari induktansi sinyal penggerak ke kedua sisi saluran penerima dengan sinyal penggerak yang disediakan. VR (0) ditetapkan sebagai tegangan interferensi pada saluran penerima ketika X sama dengan 0 sedangkan VR (L) adalah tegangan interferensi pada saluran penerima ketika X sama dengan L. Maka dua rumus dapat diperoleh:
Model Simulasi Analisis Crosstalk Antara Dua Garis Micro-strip Paralel
Pada artikel ini, papan sirkuit tercetak yang digunakan dalam model simulasi memiliki ukuran 20x60mm (lebar x panjang) dengan bahan substrat serat kaca laminasi epoksi FR-4 yang konstanta dielektriknya adalah 4,7. Gambar 2 menunjukkan tampilan bagian dari model simulasi.
Pada Gambar 2, lapisan atas adalah bidang perkabelan (bidang garis mikro-strip) sedangkan lapisan bawah adalah bidang gambar. Garis mikro-strip adalah konduktor yang ideal sedangkan bidang gambar adalah bidang konduktor yang ideal. Parameter dua garis mikro-strip paralel dapat diatur sebagai:L=40mm, W=0.5mm, H=0.3mm. Menurut rumus impedansi karakteristik saluran mikro-strip ( 
), impedansi karakteristik saluran mikro-strip adalah 50Ω.
Catatan:0.38mm
Pada Gambar 3, port pertama (P1) dari jalur emisi adalah port sumber interferensi. Setiap port saluran emisi dan saluran penerima dihubungkan oleh impedansi karakteristik (50Ω), sehingga sinyal crosstalk akan diserap ketika mencapai ujung dekat dan ujung jauh dari saluran penerima dan tidak akan kembali mempengaruhi crosstalk. Akibatnya, dua jalur mikro-strip membentuk jaringan 4-port yang parameter S13 dan S14 dapat dihitung masing-masing:
, 
.
TR0 mengacu pada crosstalk garis emisi ke ujung dekat garis penerima sementara TRL mengacu pada crosstalk garis emisi ke ujung garis penerima.
Hasil Simulasi dan Pembahasan
• Intensitas crosstalk dengan perubahan frekuensi
Sinyal biasa adalah hasil dari penambahan gelombang sinus dengan frekuensi dan rentang yang berbeda sehingga penting untuk mempelajari bagaimana crosstalk dua garis mikro-strip berubah dengan frekuensi gelombang sinus tunggal.
Untuk lebih mencerminkan aturan, Gambar 4 diperoleh dengan jarak kabel (D) dengan nilai 1mm dan 3mm, menampilkan bagaimana crosstalk berubah dengan frekuensi.
Dapat disimpulkan bahwa dalam rentang frekuensi rendah, intensitas crosstalk memiliki hubungan linier dengan frekuensi sinyal, tidak peduli crosstalk jarak jauh atau crosstalk dekat. Dalam rentang frekuensi tinggi, crosstalk jarak dekat (S13 ) menunjukkan getaran periodik yang kuat dengan peningkatan frekuensi sementara crosstalk ujung-jauh berperilaku sebaliknya. Ini terutama bergantung pada jarak yang berbeda antara crosstalk kapasitif dan ujung dekat/jauh, antara crosstalk induktansi dan ujung dekat/jauh. Dalam rentang frekuensi rendah, fase sebagian besar sama dari dua jenis crosstalk dan port ini dan fase relatif dari sinyal terintegrasi memiliki sedikit pengaruh pada jangkauan. Namun, dalam rentang frekuensi tinggi, di bawah frekuensi yang berbeda, fase memiliki perbedaan besar dari dua jenis sinyal dan port crosstalk ini ketika tingkat kedua jenis interferensi ini sinyal terintegrasi akan berubah secara berkala dengan perubahan fase, yang mengarah ke getaran periodik yang jelas dari tingkat frekuensi.
• Intensitas crosstalk dengan perubahan jarak kabel
Saat jarak wiring (L) adalah 40mm, ketebalan substrat (H) 0.3mm dan frekuensi sinyal 2GHz dan 5GHz, hasil simulasi intensitas crosstalk dengan perubahan jarak kabel ditunjukkan pada Gambar 5.
Dalam gambar ini, crosstalk jarak dekat dan crosstalk jarak jauh berkurang seiring jarak kabel menjadi lebih besar. Ketika jarak kabel mulai meningkat dari 1mm, crosstalk berkurang dengan cepat tetapi dengan bertambahnya jarak, penurunan crosstalk menjadi lambat. Jelas, ketika jarak lebih besar dari tiga kali lebarnya, crosstalk antar garis tidak dapat ditingkatkan dengan memperbesar jarak antar garis. Ini karena ketika dua jalur mikro-strip terlalu dekat, baik kapasitansi dan induktansi timbal balik akan menjadi sangat menonjol sehingga crosstalk akan meningkat secara substansial.
• Intensitas crosstalk dengan perubahan panjang kabel
Ketika jarak kabel (D) adalah 2.0mm, ketebalan substrat (H) 0.3mm dan frekuensi sinyal 1GHz dan 5GHz, hasil simulasi intensitas crosstalk dengan perubahan panjang ditunjukkan pada Gambar 6.
Menurut Gambar 6, ketika frekuensi sinyal adalah 1GHz, intensitas crosstalk dekat dan ujung jauh meningkat dengan perpanjangan panjang paralel. Ketika frekuensi sinyal mencapai 5GHz, intensitas crosstalk jarak dekat meningkat dengan perpanjangan panjang paralel dan intensitas crosstalk ujung jauh bergetar dengan perpanjangan panjang paralel. Hal ini karena panjang kabel listrik lebih besar pada frekuensi 5GHz daripada frekuensi 1GHz dan fase crosstalk kapasitif dan crosstalk induktansi secara substansial berbeda di port ujung jauh.
• Intensitas crosstalk dengan perubahan jarak antara garis mikro-strip dan bidang gambar
Untuk mempertahankan impedansi karakteristik saluran mikro-strip pada 50Ω, nilai W/H harus dijaga 1,82. Oleh karena itu, dalam model simulasi, rasio antara lebar garis dan tinggi bidang gambar tetap 1,82 juga.
sebuah. Ketika panjang kabel (L) adalah 40mm, jarak antara dua garis dan tepinya 1,0mm dan frekuensi sinyal 2GHz dan 5GHz, intensitas crosstalk dengan perubahan ketebalan bidang gambar ditunjukkan pada Gambar 7.
Menurut Gambar 7, intensitas crosstalk meningkat dengan perpanjangan jarak, terutama ketika jarak berada di kisaran 0 sampai 0.4mm, intensitas crosstalk naik begitu cepat dan kecepatan cenderung melambat dengan perpanjangan terus menerus dari ketinggian. . Ketika H lebih dari 0.5mm, intensitas crosstalk pada dasarnya tetap diam. Ini karena ketika garis mikro-strip terlalu dekat dengan bidang gambar, pemisahan antara kabel dan bidang gambar menjadi sangat terintegrasi sementara pemisahan antara kabel sangat kecil. Ketika jarak antara garis mikro-strip dan bidang gambar bertambah, pemisahan antara pengkabelan dan bidang gambar menjadi lemah sementara pelepasan sambungan antara pengkabelan meningkat. Namun, dengan bertambahnya jarak antara garis mikro-strip dan bidang gambar, pemisahan antara pengkabelan dan bidang gambar menjadi sangat lemah sehingga memiliki sedikit pengaruh terhadap pelepasan sambungan antara pengkabelan. Berdasarkan analisis di atas, jarak antara saluran transmisi dan bidang gambar harus dipendekkan semaksimal mungkin sehingga dapat mengurangi crosstalk dengan lebih baik.
b. Ketika panjang kabel (L) adalah 40mm, jarak antara garis dua kali lebar garis dan frekuensi sinyal 2GHz dan 5GHz, intensitas crosstalk dengan perubahan ketebalan bidang gambar ditunjukkan pada Gambar 8.
Menurut Gambar 8, intensitas crosstalk berubah sedikit dengan jarak antara dua garis kelipatan dari lebar garis.
Berdasarkan perbandingan antara kedua keadaan tersebut, dapat disimpulkan bahwa dengan bertambahnya jarak antara garis mikro-strip dan bidang gambar, jika jarak antar garis tetap, intensitas crosstalk akan diperbesar dan jika jaraknya kelipatan stabil. lebar garis, intensitas crosstalk hampir tidak berubah.
Strategi Desain PCB
Berdasarkan hasil analisis di atas, beberapa strategi ditampilkan di bawah ini untuk mengurangi crosstalk antar saluran transmisi:
a. Untuk PCB digital berkecepatan tinggi, komponen yang kecepatan naik dan turunnya jam relatif lambat harus diambil sehingga frekuensi sinyal dapat diturunkan.
b. Tata letak paralel jarak jauh harus dihindari.
c. Jarak antara dua garis harus diperbesar.
d. Desain PCB multilayer harus digunakan sehingga ketinggian antara saluran transmisi dan bidang gambar dapat dikurangi. Jika PCB dengan bidang gambar yang lebih tinggi harus digunakan, jarak antara saluran transmisi harus diperbesar.
Sumber Daya Bermanfaat
• 3 Teknik Perutean pada PCB Desain Sirkuit Sinyal Kecepatan Tinggi
• Teknik Perutean PCB Berkecepatan Tinggi untuk Mengurangi Pengaruh EMI
• Metode Supresi Pemantulan Sinyal pada PCB Kecepatan Tinggi Layout
• Kesalahpahaman dan Strategi Desain PCB Kecepatan Tinggi
• 7 Masalah Umum Fabrikasi PCB Multilayer Frekuensi Tinggi dan Kecepatan Tinggi serta Solusinya
• Layanan Pembuatan PCB Fitur Lengkap dari PCBCart - Beberapa opsi Nilai tambah
• Layanan Perakitan PCB Tingkat Lanjut dari PCBCart - Mulai dari 1 buah
