Mengoptimalkan Crosstalk pada Garis Mikrostrip Paralel di PCB: Strategi Desain Berbasis Simulasi

Teori Crosstalk

Berdasarkan teori elektromagnetik, crosstalk merujuk pada decoupling elektromagnetik antara dua garis sinyal. Ini adalah jenis kebisingan yang disebabkan oleh kapasitansi saling dan impedansi saling antara garis sinyal.

Pada Gambar 1, di antara dua garis paralel, satu garis memiliki sumber sinyal (V_S) dan impedansi internal (Z_OG) di satu ujung garis dan impedansi beban (Z_LG) di ujung lainnya, membentuk loop tertutup melalui ground. Garis lainnya hanya memiliki resistansi (Z_OR dan Z_LR) dengan struktur satu kawat ke ground. Pada Gambar ini, kawat dengan sumber sinyal disebut garis emisi atau gangguan sementara garis lainnya disebut garis penerima atau yang terganggu.

Saat sinyal penggerak (1) melewati garis emisi, sinyal gangguan akan dihasilkan dengan arah yang berlawanan sebagai akibat dari kapasitansi parasit antara garis emisi dan garis penerima. Sementara itu, saat melewati garis emisi, sinyal penggerak akan menghasilkan medan magnet yang berubah yang menginduksikan arus gangguan dengan arah yang berlawanan dengan sinyal penggerak setelah melewati garis penerima. Arus gangguan (2) dan (3) adalah sinyal crosstalk yang terdecouple dari garis emisi ke garis penerima oleh sinyal penggerak. Inilah cara crosstalk dihasilkan.

Crosstalk dapat diklasifikasikan menjadi crosstalk kapasitif dan crosstalk induktif berdasarkan penyebab yang berbeda. Crosstalk kapasitif merujuk pada tegangan yang terdecouple yang dihasilkan oleh kapasitansi decoupling saling sementara crosstalk induktif merujuk pada arus yang terdecouple yang dihasilkan oleh induktansi decoupling saling.

Berdasarkan tempat di mana crosstalk terjadi, crosstalk dapat diklasifikasikan menjadi crosstalk near-end dan crosstalk far-end. Pada Gambar 1, crosstalk near-end adalah sinyal gangguan yang dihasilkan oleh sinyal penggerak (1) di ujung dekat garis penerima, menambahkan crosstalk kapasitif (3) dan crosstalk induktif (2). Crosstalk far-end adalah sinyal gangguan yang dihasilkan oleh sinyal penggerak (1) di ujung jauh garis penerima, menambahkan secara terbalik crosstalk kapasitif (3) dan crosstalk induktif (2).

Crosstalk dihasilkan antara dua kawat karena decoupling elektromagnetik. Analisis crosstalk adalah untuk menghitung tegangan gangguan dari induktansi sinyal penggerak ke kedua sisi garis penerima dengan sinyal penggerak disediakan. V_R(0) diatur sebagai tegangan gangguan pada garis penerima ketika X sama dengan 0 sementara V_R(L) adalah tegangan gangguan pada garis penerima ketika X sama dengan L. Kemudian dua rumus dapat diperoleh:

Model Simulasi Analisis Crosstalk Antara Dua Garis Mikrostrip Paralel

Dalam artikel ini, papan sirkuit cetak yang digunakan dalam model simulasi memiliki ukuran 20x60mm (lebar x panjang) dengan kaca serat lapis epoksi FR-4 sebagai bahan substrat yang konstanta dielektriknya 4,7. Gambar 2 menunjukkan tampilan penampang model simulasi.

Pada Gambar 2, lapisan atas adalah lapisan kabel (lapisan garis mikrostrip) sementara lapisan bawah adalah lapisan citra. Garis mikrostrip adalah konduktor ideal sementara lapisan citra adalah lapisan konduktor ideal. Parameter dari dua garis mikrostrip paralel dapat diatur sebagai: L=40mm, W=0,5mm, H=0,3mm. Menurut rumus impedansi karakteristik garis mikrostrip (), impedansi karakteristik garis mikrostrip adalah 50Ω.

Catatan: 0,38mm

Pada Gambar 3, port pertama (P1) garis emisi adalah port sumber gangguan. Setiap port garis emisi dan garis penerima dihubungkan oleh impedansi karakteristik (50Ω), sehingga sinyal crosstalk akan diserap ketika mencapai ujung dekat dan jauh garis penerima dan tidak akan kembali untuk mempengaruhi crosstalk. Akibatnya, dua garis mikrostrip membentuk jaringan 4-port yang parameter S13 dan S14 dapat dihitung masing-masing: , .

TR₀ merujuk pada crosstalk garis emisi ke ujung dekat garis penerima sementara TR_L merujuk pada crosstalk garis emisi ke ujung jauh garis penerima.

Hasil dan Diskusi Simulasi

• Intensitas crosstalk dengan perubahan frekuensi

Sinyal biasa adalah hasil dari penambahan gelombang sinus dengan frekuensi dan rentang yang berbeda jadi bermakna untuk mempelajari bagaimana crosstalk dari dua garis mikrostrip berubah dengan frekuensi gelombang sinus tunggal.

Untuk lebih baik 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, baik crosstalk far-end maupun near-end. Dalam rentang frekuensi tinggi, crosstalk near-end (S₁₃) menunjukkan getaran periodik yang kuat dengan peningkatan frekuensi sementara crosstalk far-end berperilaku sebaliknya. Ini terutama bergantung pada jarak yang berbeda antara crosstalk kapasitif dan near/far end, antara crosstalk induktif dan near/far end. Dalam rentang frekuensi rendah, fase sebagian besar sama dari kedua jenis crosstalk ini dan port dan fase relatif dari sinyal terintegrasi memiliki sedikit pengaruh pada tingkatnya. Namun, dalam rentang frekuensi tinggi, di bawah frekuensi yang berbeda, fase memiliki perbedaan besar dari kedua jenis sinyal crosstalk ini dan port ketika tingkat dari kedua sinyal gangguan terintegrasi ini akan berubah secara periodik dengan perubahan fase, yang mengarah pada getaran periodik yang jelas tingkatnya oleh frekuensi.

• Intensitas crosstalk dengan perubahan jarak kabel

Saat jarak kabel (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.

Pada Gambar ini, baik crosstalk near-end maupun far-end menurun seiring bertambahnya jarak kabel. Ketika jarak kabel mulai meningkat dari 1mm, crosstalk menurun cepat tetapi seiring bertambahnya jarak, penurunan crosstalk menjadi lambat. Jelas, ketika jarak lebih besar dari tiga kali lebar, crosstalk antara garis tidak dapat diperbaiki dengan memperbesar jarak antara garis. Ini karena ketika dua garis mikrostrip terlalu dekat, baik kapasitansi saling maupun induktansi akan menjadi begitu mencolok sehingga crosstalk akan meningkat secara substansial.

• Intensitas crosstalk dengan perubahan panjang kabel

Saat 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, saat frekuensi sinyal adalah 1GHz, intensitas baik crosstalk near-end maupun far-end meningkat dengan perluasan panjang paralel. Ketika frekuensi sinyal mencapai 5GHz, intensitas crosstalk near-end meningkat dengan perluasan panjang paralel dan intensitas crosstalk far-end getar dengan perluasan panjang paralel. Ini karena panjang listrik kabel lebih besar pada frekuensi 5GHz daripada pada frekuensi 1GHz dan fase crosstalk kapasitif dan induktif sangat berbeda pada port far-end.

• Intensitas crosstalk dengan perubahan jarak antara garis mikrostrip dan lapisan citra

Untuk mempertahankan impedansi karakteristik garis mikrostrip pada 50Ω, nilai W/H harus dipertahankan 1,82. Oleh karena itu, dalam model simulasi, rasio antara lebar garis dan tinggi lapisan citra juga dipertahankan 1,82.

a. 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 lapisan citra ditunjukkan pada Gambar 7.

Menurut Gambar 7, intensitas crosstalk meningkat dengan perluasan jarak, terutama ketika jarak dalam rentang 0 hingga 0,4mm, intensitas crosstalk naik sangat cepat dan kecepatan cenderung melambat dengan terus bertambahnya tinggi. Ketika H lebih dari 0,5mm, intensitas crosstalk dasarnya tetap stabil. Ini karena ketika garis mikrostrip terlalu dekat dengan lapisan citra, decoupling antara kabel dan lapisan citra menjadi begitu terintegrasi sementara decoupling antara kabel sangat kecil. Ketika jarak antara garis mikrostrip dan lapisan citra meningkat, decoupling antara kabel dan lapisan citra menjadi lemah sementara decoupling antara kabel meningkat. Namun, seiring bertambahnya jarak antara garis mikrostrip dan lapisan citra, decoupling antara kabel dan lapisan citra telah begitu lemah sehingga memiliki sedikit pengaruh terhadap decoupling antara kabel. Berdasarkan analisis di atas, jarak antara garis transmisi dan lapisan citra harus dikecilkan sebanyak mungkin untuk 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 lapisan citra ditunjukkan pada Gambar 8.

Menurut Gambar 8, intensitas crosstalk berubah sedikit dengan jarak antara dua garis yang merupakan kelipatan lebar garis.

Berdasarkan perbandingan antara dua kondisi, dapat disimpulkan bahwa dengan meningkatnya jarak antara garis mikrostrip dan lapisan citra, jika jarak antara garis tetap tidak berubah, intensitas crosstalk akan diperbesar dan jika jarak adalah kelipatan stabil dari lebar garis, intensitas crosstalk hampir tetap tidak berubah.

Strategi Desain PCB

Berdasarkan hasil analisis di atas, beberapa strategi ditampilkan di bawah ini untuk mengurangi crosstalk antara garis transmisi:
a. Untuk PCB digital kecepatan tinggi, pilih komponen yang kecepatan tepi naik dan turun jam relatif lambat sehingga frekuensi sinyal dapat dikurangi.
b. Hindari tata letak paralel jarak jauh.
c. Perbesar jarak antara dua garis.
d. Gunakan desain PCB multi-lapis sehingga tinggi antara garis transmisi dan lapisan citra dapat dikurangi. Jika PCB dengan lapisan citra yang lebih tinggi harus digunakan, perbesar jarak antara garis transmisi.

Sumber Daya Berguna
• 3 Teknik Routing pada Desain Sirkuit Sinyal Kecepatan Tinggi PCB
• Teknik Routing PCB Kecepatan Tinggi untuk Mengurangi Pengaruh EMI
• Metode Penahanan Pantulan Sinyal dalam Tata Letak PCB Kecepatan Tinggi
• Kesalahpahaman dan Strategi pada Desain PCB Kecepatan Tinggi
• 7 Masalah Umum Pembuatan PCB Multi-lapis Frekuensi dan Kecepatan Tinggi dan Solusinya
• Layanan Pembuatan PCB Full Feature dari PCBCart - Banyak Opsi Nilai Tambah
• Layanan Assembly PCB Lanjutan dari PCBCart - Mulai dari 1 potong