Défis de conception de PCB haute vitesse en matière d’intégrité du signal et leurs solutions

Avec les progrès constants des technologies électroniques, l’augmentation de la fréquence élevée de l’horloge dans les systèmes numériques et la réduction toujours plus importante du temps de montée, le système de PCB est devenu une structure à haute performance, bien plus qu’une simple plateforme de support des composants. Du point de vue des performances électriques, l’interconnexion entre signaux à haute vitesse n’est plus rapide ni transparente et l’influence de l’interconnexion entre conducteurs surPCB haute vitesseet les propriétés du plan de carte ne peuvent plus être négligées. Traiter avec succès les problèmes d’intégrité du signal, y compris la réflexion, la diaphonie, le retard, l’appel et l’adaptation d’impédance causés par l’interconnexion de signaux à haute vitesse, et garantir la qualité de la transmission du signal détermine le succès de la conception.

Théorie de base de l’intégrité du signal des circuits imprimés

• Circuit à grande vitesse et son principe de détermination

Le terme définissant un circuit haute vitesse se présente principalement sous deux formes. D’une part, dans un circuit, lorsque le retard des signaux numériques sur les lignes de transmission dépasse 20 % du temps de montée, ce circuit peut être considéré comme un circuit haute vitesse. D’autre part, dans un circuit, lorsque la fréquence du circuit numérique analogique atteint ou dépasse 45 MHz à 50 MHz, le circuit est considéré comme un circuit haute vitesse.

Fondamentalement, siL(la longueur des pistes) est supérieure àT_r, le circuit est considéré comme un circuit haute vitesse ; siLest inférieur àT_r, le circuit est considéré comme un circuit basse vitesse. Ici,T_rfait référence au temps de montée du front montant de l’impulsion.

• Vitesse de transmission du signal et temps de montée du front d’impulsion

La vitesse de transmission du signal dans l’air est de 3 x 10⁸m/s ; la constante diélectrique du FR4, qui est le matériau du PCB, est notée ε_rc’est-à-dire 4. La vitesse de transmission du signal dans un PCB peut être calculée à l’aide de la formule.

V_pest égal à 15 cm/ns, soit environ 6 pouces/ns. Temps de montée du front d’impulsionT_r=1/(10 xf_clk) et le temps de montée du signal de 100 MHz est de 1 ns. Lorsque le retard des signaux sur le routage du PCB dépasse 20 % du temps de montée, un appel évident se produira sur les signaux. Pour une onde carrée dont le temps de montée est de 1 ns (100 MHz), lorsque la longueur de routage du PCB dépasse 0,2 ns x 6 = 1,2 pouce, un appel sérieux se produira sur les signaux. Par conséquent, la longueur critique est de 1,2 pouce (environ 3 cm).

• Impédance caractéristique

L’impédance caractéristique est un paramètre important dans l’adaptation d’impédance qui influence la réflexion, l’appel, le dépassement supérieur et inférieur, et est directement liée à l’intégrité de la transmission de signaux à haute vitesse, ce qui est très important dans la conception à haute vitesse.

Les signaux se propagent le long des lignes de transmission, dont le rapport entre la tension et le courant est considéré comme l’impédance transitoire. L’impédance transitoire sur les lignes de transmission est calculée par la formule. Dans cette formule,C_lfait référence à la capacité par unité de longueur dont l’unité est pF/pouce (elle est généralement de 3,3 pF/pouce). Lorsque l’impédance transitoire le long des lignes de transmission est une valeur constante, cette valeur est considérée comme l’impédance caractéristique des lignes de transmission. Pour les microstrips et les strip-lines sur PCB, leur impédance caractéristique peut être déterminée à l’aide de l’outil de conception de lignes de transmission Polar Si9000, comme illustré à la Figure 1.

Éléments influençant l’intégrité du signal et solutions

• Adaptation d’impédance

L’adaptation d’impédance est requise dans la conception de circuits à haute vitesse afin de garantir une transmission de données rapide et correcte. Le système d’acquisition de données est généralement composé d’un capteur, d’un instrument de conditionnement de signal, d’une puce d’acquisition de données AD, d’un FPGA et d’une SDRAM, comme le montre la Figure 2.

L’AD9649 est utilisé comme puce AD avec une alimentation de 1,8 V et un échantillonnage parallèle via une ligne de données sur 14 bits. La fréquence d’échantillonnage est réglée à 20 M. Le PCI9054 est choisi comme puce d’interface PCI, prenant en charge la transmission de données DMA. Le 93LC66B est choisi comme puce de configuration PCI. Le HY57V561620FTP-H est utilisé comme mémoire de stockage des données, composée de 4 BANKs dont chacun possède un espace mémoire de 4M x 16 bits, 13 lignes d’adresses de rangée et 9 lignes d’adresses de colonne. L’EP1C6F256C8 est choisi comme FPGA avec une tension de terminaison de 3,3 V et une tension de cœur de 1,5 V. La largeur du bus PCI est de 32 bits avec une horloge de 33 MHz choisie comme horloge d’écriture et de lecture, et la vitesse maximale d’écriture et de lecture atteint 132 MByte par seconde, ce qui permet de prendre en charge la transmission à haute vitesse des données accumulées.

Les éléments suivants doivent être pris en considération dans le processus de conception des circuits imprimés :

a.En tant que partie mixte numérique et analogique, l’AD est l’un des points clés de la conception de PCB. En raison de la haute fréquence de la partie numérique, la partie analogique est très sensible aux interférences. Si un traitement approprié n’est pas mis en œuvre, les signaux numériques auront tendance à perturber les signaux analogiques, ce qui entraînera des problèmes de CEM. Les principes corrects que les concepteurs doivent suivre sont les suivants : premièrement, la masse numérique et la masse analogique doivent être séparées sur le PCB comportant des signaux mixtes ; deuxièmement, les composants électroniques analogiques et numériques sont classés, avec la masse analogique répartie dans la zone analogique et la masse numérique répartie dans la zone numérique ; troisièmement, la masse analogique et la masse numérique sont reliées par des perles magnétiques autour de la zone de segmentation. Ces mesures permettent de réaliser la séparation entre la masse numérique et la masse analogique.

b.La SDRAM est appliquée dans le système d’accumulation de données et le manuel indique clairement que les lignes de données connectées au FPGA doivent être configurées avec une adaptation d’impédance de 50 Ω afin de garantir la transmission à haute vitesse, comme le montre la Figure 3.

Après que le FPGA a écrit les données accumulées dans la SDRAM, un rafraîchissement doit être effectué en continu afin de conserver les données, et la période de rafraîchissement de chaque ligne doit être inférieure à 64 millisecondes.

Les étapes d’adaptation d’impédance avec le logiciel Polar Si9000 sont présentées comme suit :

a.Les lignes de signaux à haute vitesse doivent traverser la surface supérieure du PCB et les trous doivent être évités autant que possible. Le modèle de structure de ligne micro-ruban est sélectionné dans le logiciel, comme illustré à la Figure 4.

L’adaptation d’impédance de 50 Ω est généralement réalisée sur un routage à terminaison simple, et l’adaptation d’impédance de 90 Ω est généralement réalisée sur un routage différentiel (comme USB2.0 D+, D-).

b.Valeur d’adaptation d’impédance nécessaire et valeurs spécifiques deFabrication de circuits imprimésLa technique est renseignée sur l’interface logicielle avec des paramètres incluant l’épaisseur du diélectrique, la constante diélectrique du matériau de PCB, l’épaisseur du cuivre, l’épaisseur du vernis épargne et la constante diélectrique du vernis épargne.

Les paramètres spécifiques de la technique de fabrication peuvent être connus grâce à la communication avecFabricant de circuits imprimésafin que la largeur des pistes puisse être déterminée. Pour les lignes microstrip différentielles, la distance entre les pistes (S1) doit également être déterminée.

c.Si la largeur calculée des pistes est relativement importante et que le routage du PCB ne peut pas être terminé, il est nécessaire de communiquer davantage avec les fabricants de PCB afin d’ajuster les paramètres de la technique de fabrication tout en respectant les exigences de conception.

• Diaphonie

La diaphonie désigne une interférence de bruit de tension inattendue sur des lignes de transmission adjacentes, résultant du couplage électromagnétique lorsque des signaux sont transmis sur des lignes de transmission. Une diaphonie excessive peut entraîner un déclenchement intempestif du circuit, de sorte que le système ne parvient pas à fonctionner normalement. La diaphonie est générée par le couplage électromagnétique, et le couplage se divise en couplage capacitif et couplage inductif. Le premier correspond en réalité à une interférence électromagnétique provoquée par un courant induit résultant de la variation de tension à la source d’interférence, tandis que le second correspond à une interférence électromagnétique provoquée par une tension induite résultant de la variation de courant à la source d’interférence. À mesure que l’état de la source d’interférence change, une série d’impulsions d’interférence est générée sur les objets perturbés, ce qui est très courant dans les systèmes à haute vitesse.

Les mesures pour traiter la diaphonie sont présentées comme suit :
a.L’orthogonalité doit être maintenue pour les directions de routage entre les plans adjacents. Il convient d’éviter la même direction dans des plans adjacents portant des lignes de signal différentes afin de réduire la diaphonie. En particulier lorsque la vitesse des signaux est relativement élevée, il faut envisager d’utiliser la masse pour séparer les plans de routage, et les lignes de signal doivent être séparées par des lignes de masse.
b.Afin de réduire la diaphonie entre les lignes, l’espacement entre les lignes doit être suffisamment important. Lorsque la distance entre les centres des lignes est au moins trois fois la largeur de la ligne, 70 % du champ électrique peut être empêché de s’interférer mutuellement, ce qui correspond au principe des 3W.
c.Dans la situation où les lignes de signaux à haute vitesse répondent aux exigences, une adaptation peut être appliquée à la borne de jonction afin de réduire ou d’éliminer la réflexion et de diminuer la diaphonie.

Application de la méthode de conception d’intégrité du signal

Dans le processus de conception de PCB, de nombreuses règles de conception ont été résumées sur la base de la théorie de l’intégrité du signal. En se référant à cesRègles de conception de PCB, l’intégrité du signal peut être mieux obtenue. Dans le processus de conception de PCB, les informations de conception doivent être connues en détail, y compris :
a.Positionnement de l’agencement des composants, et indication d’éventuelles exigences particulières concernant les composants de forte puissance et de dissipation thermique parmi les composants montés sur puce.
b.Classification des signaux, vitesse de transmission, direction de transmission et exigence d’adaptation d’impédance.
c.Capacité de conduite du signal, signal clé et mesures de protection.
d.Types de puissance, de masse, exigences de limitation du bruit pour l’alimentation et la masse, configuration du plan d’alimentation et du plan de masse, ainsi que leur division.
e.Type et vitesse des lignes d’horloge, source des lignes d’horloge, direction, exigence de délai de l’horloge et exigence maximale de routage.

L’innovation en électronique exige des conceptions de PCB sophistiquées pour maintenir l’intégrité du signal à haute vitesse, en résolvant des problèmes tels que la réflexion et la diaphonie. Un routage précis, un placement adéquat des composants et une adaptation correcte de l’impédance sont essentiels pour garantir des performances irréprochables.

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Ressources utiles :
•3 Techniques de routage pour la conception de circuits de signaux haute vitesse sur PCB
•Méthode de suppression de la réflexion du signal dans le routage de PCB haute vitesse
•Analyse de l’intégrité du signal et conception de PCB pour circuits mixtes numérique-analogique à haute vitesse
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