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. Dua jenis lapisan pasimsi atau dielektrik yang umumnya digunakan adalah silikon nitride dan polymide. Silikon nitride di!:,•1makan saat dibutuhkan lapisan dielektrik yang tinggi. Polymide
adalah
lapisan
polimer
yang mempunya1 sifat keplanaran sehingga dapat
mengurangi masalah step cm·emge ji ka interkoneksi dengan logam lapisan ke dua digunakan dan saat cnring temperaturnya rendah, yaitu 200" C - 400" C
145
Tedm6 Jurnalllmiah Elcklroleknika VoL') No.2
Oklob~r
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) 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
146
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 •
(I )
7
1.0
dengan
,,!. s +
s
Iebar strip - tengah . Iebar slot I alur ; dan
w
CCC
E r._•
= konstanta dieletrik relatif.
Rumus empiris
E,
=
211
+1[ 2
adalah
( '
- - tanhl.I,785log
1.1.2.
h !I'
kw( . ·( . )(0,15+k)\l +1,7:YJJ+0,04-0,7A I 0,1 ~::::, ---~-j / h \ 100 J
.
Jalur Transmisi dengan Bentuk Geometri Coplanar strips (CPS) Stmktur coplanar
strips hampir sama dengan saluran transmisi "1wiu
Ragam rambatan gelombang coplanar
strip.~·
sama dengan !win
lead'.
lead yaitu pada
frekuensi tinggi bersifat sebagai non TEM dan pada frekuensi rendah bersifat sebagai Quasi
TEM.
147
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
Zo dengan
k
.Jk'j, ohm
120;r 1 ( l + 2 ,.-;:
= >JEert ,-;:-. · ;r In
(2)
1 Vk
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
II
BEl\Tl/K GEOllJETRI 1/H.UR TRAN,\'/HISI PADA TATA LETAK /C DIGIT4L GaA\ A11dreas Ardiw1 Fehna111o
" ,.. + ---:t_
t
logam
Ground
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 (3)
( Jr(!) \
dengan
k
tanhl- b) ; 2 = konstanta dielek:trik relatif;
w
Iebar "strip" di tengah [em]; dan
b = tebal dielek:trik
[em].
1.3. Jalur Transmisi dengan Bentuk Geometri ~/icrostrip 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 yang kompak.
141)
lcchnc Jurnallhmah
Ekktrot~,;kmka
Vol. 9 No.2
Oktob~:1
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
•
L
-t>f
W
_.
r
F
l::llldasan dielektrik
Gambar 4. Tampang Lintang Microstrip.
plastik
Umumnya
landasan
khusus,
polymide
meliputi
impreK11ated ··.
Teflon
semii11sulati11g
GaAs
dan
seminmluting
alumina, 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
diode,
unsur aktif lainnya pad a keping IC semikonduktor.
Rumus pendekatan impedansi
karah.ieristik "microstnjJ-/ine·· dengan asumst ·
ketebalan strip penghantar t kecil adalah sebagai berikut:
(8h
60 w '\ Zo =---In - + J
..j;;: \.
dan Zo
;/ I
150
120
If'
4h J
fi,~[ ~ + 1,39 +~In( ~1 + 1,44)
untuk w I h
r
untuk l
~ wIh
(4)
( 5).
BEVTUK
+l +-E, -l(l 101.7)-::! +-
2 dengan
2
h
ketebalan landasan dielektrik [em]; dan
w
Iebar
colldltcllllg ·- stnp
w /
(6)
LCIUJ.
2. Analisis I>ua .Jalur Interkoneksi dalam Dua Ragam TEl"t 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".
Gambar 5(a). Simetri A1icrostrip Ragam Genap.
151
Techne Jurnal llnuah Ekktrorckmka Vol.
~;
No. 2 Oktob~1 20 10 Hul I ~5
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 =-1veCo
(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 : \'
Hal
1
4i atas berbeda untuk saluran micros/rip.
(8 ).
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)
152
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 (9)
sedangkan arus pada saluran adalah sebagai berikut : I
( 1())
((X).,-/(!~)
2CEtl a(;-----,
l!
a)
c:i
I
t I I I I
L
Gambar 6(a) dan 6(b) Dua Konfigurasi Persamaan untuk Distribusi Kapasitansi Per Satuan Panjang untuk Interkoneksi Dua Jalur.
2Cab
a
-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 Kapasitansi per satuan pat~ang dianalisa berdasar Gambar 6 (b) yang akan terlihat
sama dengan Gambar 6 (a) untuk impedansi saluran ragam gasal. Saluran a dihitung dengan pemisahan
Cal•
menjadi dua kapasitor seri seperti Gambar 6 (b) dan Gambar 6 {c), dengan
titik d adalah potensial nol untuk ragam gasal. Nilai impedansi ragam gasal untuk saluran a adalah sebagai berikut : 153
T ~:chnt: Jurnal llmiah
El~ktrott:knika
Vol 9 No. 2 Oktob<:i 20 I 0 Hal (.ts
I) 7
1 (I I)
v () ('
" 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
(12).
l'
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: l'
r
=
(IS);
.j
dan dari Ganibar 7( c) tegangan ragam gasal adalah ( 16 ),
154
BEiVTl!K (,£()/lc/ETRI.JA.LUR 1RAA.\'l\JJS/ PAlM TATA LETAK JC J>JGJTAL f1wh Audreas Ardian Febrionto
•2' zb z () o e
-~ •
0
R.3
4
Gambar 7(a). Superposisi Jalur Berpasangan Ragam Genap dan Gasal
Gambar 7(b ). Ja!ur Berpasangan Ragam Genap.
-v 12 G
-'\_, /\
_,-
'~
R"1·
•r zo 2
I•
-----·4
()
Gambar 7(c) Jalur Berpasangan Ragam Gasal.
155
lechne Jurnal Hmiah Elektrotekmka VoL 9 No. 2 Oktober 2010 Hal 145
iS l
~~
Tegangan total pada titik dalam Gambar 7(a) adalah v1
+v:,1 dan memakai
Persamaan (13) dan (14) dengan x =0 maka tegangan pada titik 2 adalah
I\
nl'
Memakai Persamaan ( 15) dan ( 16) didapat sebagai berikut: (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"' -Z,~
dan
I("+ Z,~
I
.
-.,
omjm=lur_,
v'
R -Z" R
=--~=________!!!_ _ .,_
·'
) nm
111
+
zu
(20)
o
Pantulan pertama pada akhir jalur kanan, tegangan total pada titik 3 dan 4 adalah jumlah dari tegangan datang dan pantul dan Gelombang ber:jalan dari
(21)
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)
156
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
2"(Z.~!<-~Jl 2.. l'u L'
\LII
T
1)1
~xi' ~j ,·!) \t
i
j ••
~}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).
DAFTAR PUSTAKA [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.
[3). Soares,Robert,ed, "GaAs ME.S'FET Circuit Design", Artech House Inc, Boston and London. 1988.
157
