Derau Rangkaian Digital - 19012015 [PDF]

Citation preview

Derau Rangkaian Digital



1



DERAU RANGKAIAN DIGITAL



7.1 Domain Waktu Dan Domain Frekuensi Bandwidth dari sistem digital berkaitan dengan rise time pulsa (tr) :



Tabel 7.1 Rise/Fall Time Dan Bandwidth Dari Berbagai Macam Keluarga Komponen Digital



7.2 Sumber Derau Internal Pada rangkaian analog, derau eksternal menjadi penyebab utama adanya derau. Sedangkan dalam rangkaian digital, sumber derau internal menjadi penyebab utama derau. Internal derau tersebut disebabkan oleh: 1) derau ground bus; 2) derau power bus; 3) refleksi transmission line; 4) crosstalk. Sebuah kasus (Gambar 7.1), misalkan apa yang akan terjadi ketika keluaran gerbang 1 berubah (swich) dari high ke low. Sebelum gerbang 1 berubah, keluarannya high dan kapasitansi parasitic dari pengawatan antara gerbang 1 dan gerbang 2 dimuati sampai tegangan supply. Ketika gerbang 1 switch, kapasitansi parasitic harus dikosongkan sebelum sinyal “low” dapat ditransmisikan dari gerbang 1 ke gerbang 3. Sehingga hal tersebut mengakibatkan arus transient cukup besar mengalir melalui system ground untuk mengosongkan kapasitor parasitic tersebut. Sebagai hasilnya induktan si ground akan menghasilkan pulsa tegangan derau pada terminal ground pada gerbang 1 dan gerbang 2. Jika keluaran gerbang 2 low, maka pulsa derau tersebut akan dikopel ke masukan gerbang 4 (lihat Gambar 7.1) yang dapat menyebabkan gerbang 4 switch. Cara praktis untuk mengurangi besarnya pulsa ground tersebut adalah dengan mengurangi induktans dari system ground. Jalur pengosongan dari kapasitansi parasitic melalui keluaran gerbang 1 dan konduktor ground memiliki resistansi yang kecil. Kombinasi tersebut membentuk rangkaian _ Sony Sumaryo



Derau Rangkaian Digital



2



resonansi dengan Q yang tinggi yang mengakibatkan osilasi yang dapat mengganggu keluaran gerbang 1 (lihat Gambar 7.2). Nilai Q dari rangkaian resonansi seri tersebut adalah:



Gambar 7.1 Pembangkitan Derau Ketika Keluaran Gerbang 1 Berubah dari High Ke Low



_ Sony Sumaryo



Derau Rangkaian Digital



3



Gambar 7.2 Bentuk Tegangan Keluaran Dengan: (A) “bergetar” Karena Kapasitansi Parasitic Dan Induktan Ground, (B) “getaran” Yang Teredam Karena Resistor Output. Untuk meminimalkan derau yang dibangkitkan oleh derau internal seperti yang telah diuraikan sebelumnya, semua rangkaian system digital harus dirancang dengan mempertimbangkan: 1) Sistem ground dengan induktan yang rendah; 2) Sumber pengisian dekat pada setiap gerbang.



7.3 Derau Ground Rangkaian Digital Derau Ground lebih bermasalah daripada derau power-supply. Derau ground dihasilkan oleh arus transient power supply dan arus sinyal balik (signal-return current). Transien power supply dapat dikontrol dengan penggunaan dekopling kapasitor, tetapi arus sinyal diground tidak dapat di bypass atau di-dekopel. Arus transient ground merupakan sumber tegangan derau utama yang dialirakan dan juga yang dipancarkan. Untuk meminimalkan derau tersebut, maka impedansi ground harus diminimalkan. Jika impedansi gound harus minimal maka induktansi harus dikurangi secara signifikan. Pengurangan Induktans Induktansi sebanding secara proporsional dengan panjang konduktor. Untuk konduktor bulat tunggal yang diletakkan di atas lintasan arus balik, nilai induktansinya:



Dimana d adalah diameter kawat dan h adalah tinggi di atas jalur arus balik. Untuk konduktor flat seperti di PCB, maka induktansinya bernilai:



_ Sony Sumaryo



Derau Rangkaian Digital



4



Dimana w adalah lebar konduktor. Jika dua konduktor yang sama diparalel, maka induktansi ekivalennya akan ½ dari nilai masing-masingnya dengan pengabaian adanya induktansi mutual. Jika 4 induktans identik parallel, maka harga induktans totalnya hanya ¼-nya. Karena induktansi berbanding terbalik dengan jumlah jalur parallel, maka memparalelkan induktans akan mengurangi induktansi. Induktansi Mutual Jika dua konduktor diparallel maka efek induktansi mutual harus dipertimbangkan dalam menghitung induktansi total. Induktansi total Lt dari dua konduktor yang diparalel yang membawa arus dalam arah yang sama dapat ditulis:



Jika konduktor sangat berdekatan, maka induktansi mutual akan sama dengan induktansi itu sendiri Lt dan induktansi total sama dengan induktansi konduktort tunggal. Jika konduktor dipisahkan sangat jauh maka induktansi mutualnya dapat diabaikan dan induktansi totalnya sama dengan ½ induktansi konduktor tunggal. Sistem Ground Rangkaian Digital Praktis Rangkaian digital kecepatan tinggi dalam prakteknya harus menyediakan hubungan impedansi rendah antara semua kemungkinan kombinasi IC yang saling berkomunikasi satu sama lain. Salah satu cara praktisnya adalah dengan menyediakan sebanyak mungkin jalur alternative parallel. Metoda lain untuk mengurangi induktansi adalah dengan menggunakan “gridded ground system”. Sistem tersebut terdiri dari jalur ground horizontal dan vertical pada pengawatan PCB, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.3.



Gambar 7.3 Grounding Jenis Grid Pada Sebuah PCB



_ Sony Sumaryo



Derau Rangkaian Digital



5



Penting untuk pertama-tama menempatkan “ground grid” pada board sebelum menempatkan jalur sinyal. Grid dapat mengurangi tegangan derau ground secara signifikan dibandingkan “single– point ground”. Sehingga dapat dikatakan semua PCB rangkaian digital harus memiliki Ground Plane atau Ground Grid. Metoda lain pengurangan induktans adalah dengan meminimalkan luas area dari loop tertutup oleh aliran arus. Salah satu cara efektif pengurangan induktansi adalah dengan menempatkan jalur arus maju dan jalur arus balik sedekat mungkin. Cara ini telah ditempuh dengan menempatkan jalur arus “maju” dan jalur arus balik sedikit mungkin.



7.4 Distribusi Daya Idealnya layout distribusi daya (power) sama dan parallel dengan system ground, tetapi dari segi praktis hal tersebut tidak selalu mungkin atau perlu. Power Supply Decoupling Pada Gambar 7.4A terlihat ketika gerbang logic berubah (switch), terdapat arus transient sebesar dI yang terjadi pada “power-supply lead”. Arus transient tersebut mengalir melalui ground dan system power. Dan induktansi ground telah diminimalkan sebanyak mungkin. Masalah utama sekarang adalah adanya tegangan drop pada induktansi Lp pada jalur power-supply. Arus transient yang melalui induktansi tersebut akan menghasilkan tegangan derau yang besar yang tampak pada terminal Vcc pada gerbang logic. Besarnya tegangan transient power-supply dapat dikurangi dengan pengurangan induktansi Lp dan/atau pengurangan arus transient yang melalui induktansi tersebut. Induktansi dapat dikurangi dengan menggunakan power plane/grid seperti pada system ground. Arus transient dapat diminimalkan dengan supply arus dari sumber lainnya, seperti sebuah kapasitor dekat gerbang (lihat Gambar 7.4B). Sehingga tegangan derau yang melintasi gerbang merupakan fungsi kapasitor dekopling Cd dan pengawatan antara kapasitor tersebut dengan gerbang. Meskipun power grid atau plane telah digunakan, kapasitor dekopling masih perlu dipakai untuk mengontrol emisi radiasi dari arus transient power-supply.



Gambar 7.4 Arus Transien Power Supply Dengan: (A)Tanpa Kapasitor Dekopling, (B) Dengan Kapasitor Dekopling _ Sony Sumaryo



Derau Rangkaian Digital



6



Bulk Decoupling Capacitor Kapasitor IC decoupling harus dikosongkan. Arus pengisian kembali terjadi pada frekuensi yang lebih rendah dan di supply oleh kapasitor bulk decoupling yang diletakkan PCB yaitu pada jalur power muncul pada PCB (lihat Gambar 7.3). Nilai kapasitor bulk adalah tidak kritis, tetapi sebaiknya sepuluh kali lebih tinggi dari jumlah semua nilai kapasitansi kapasitor dekopling. Sebuah kapasitor bulk dekopling untuk sekitar 20 IC. Kapasitor bulk dekopling sebaiknya memiliki induktansi ekivalen seri yang kecil nilainya.Yang sesuai untuk itu misalkan dari bahan Tantalum Electrolytic atau Metalized Polycarbonate. Tipe Dan Nilai Kapasitor Dekopling Kapasitor dekopling harus disupply oleh arus frekuensi tinggi (15-150 MHz), sehingga kapasitor tersebut merupakan kapasitor yang induktansi rendah dan frekuensi tinggi yaitu kapasitor dari disk ceramic atau multilayer ceramic. Kapasitor dekopling harus mampu menyuplai seluruh arus yang diperlukan oleh sebuah IC ketika switch. Nilai minimum kapasitansinya dapat dihitung sebagai:



Dimana dV adalah tegangan drop transient pada tegangan supply yang disebabkan oleh arus transient dI yang terjadi dalam waktu dt. Jenis dan nilai terbaik dari kapasitor dekopling untuk aplikasi tertentu dapat ditentukan dengan pengukuran tegangan derau yang melintasi IC tersebut dengan berbagai macam dan nilai kapasitor yang dipertimbangkan. Penempatan Kapasitor Dekopling Kapasitor dekopling harus diletakkan sedekat mungkin dengan IC-nya. Juga pengawatan harus pendek dan langsung untuk setiap terminal daya IC dan ground. Letak kapasitor dekopling ditunjukkan pada Gambar 7.5. Luas loop antara kapasitor dan IC harus dibuat sekecil mungkin untuk mengurangi induktansi.



Gambar 7.5 Letak Kapasitor Dekopling Sangat penting untuk meminimalkan induktansi konduktor antara IC dengan kapasitor dekopling. Induktansi tersebut terdiri dari tiga komponen yaitu: 1) induktansi kapasitor itu sendiri; 2) induktansi dari hubungan (trace connecting) dari kapasitor ke IC; 3) induktansi di dalam IC (induktansi dari lead frame). _ Sony Sumaryo



Derau Rangkaian Digital



7



Jika jenis kapasitor yang sesuai digunakan, induktansi internal kapasitor dapat diabaikan dibandingkan komponen lainnya. Induktansi dari lead frame IC sekitar 10 sampai 15 nH untuk 14 atau 16 pin DIP. Jalur antara (printed circuit trace) kapasitor dekopling dengan IC dibuat sependek mungkin dan kapasitor dekopling ditempatkan sedekat mungkin ke IC untuk meminimalkan loop area (luas loop).



Gambar 7.6 Rangkaian Ekivalen Untuk Kapasitor Dekopling Yang Dihubungkan Ke IC Untuk Posisi “Better Placement” Pada Gambar 7.5 Untuk IC yang besar ( 24 sampai 40 pin) sering sulit menempatkan kapasitor cukup dekat ke IC secara efektif. Beberapa altenatif metode untuk penempatan antara lain: 1) Use of a different IC package configuration (e.g. a leadless chip carrier). 2) Use of a distributed capacitor that mounts under IC. 3) Use of an IC socket-mounted capacitor. 4) Use of a surface-mounted capacitor on the noncomponent side of the board. 5) Use of a lead-frame capacitor molded into IC package. Untuk mencegah switching yang tak disengaja dan pembangkitan derau, semua pin masukan yang tak dipakai harus dihubungkan ke suatu tempat dan tidak boleh terbuka atau floating point. Hubungan itu penting terutama untuk komponen CMOS yang memiliki impedansi input tinggi.



Sumber: terjemahan dari: “Noise reduction techniques in electronic systems”, Henry W.



Ott, John Wiley & Sons.



_ Sony Sumaryo