La plupart des conceptions de circuits imprimés commencent avec un schéma correct et vérifié en main. Le travail difficile consistant à convertir ensuite la conception du schéma en un circuit imprimé final doit alors être entrepris. Très souvent, le circuit imprimé ne fonctionnera pas même si la conception du circuit d’origine a été réalisée avec soin. Même si un schéma a été vérifié à l’aide d’une simulation, ce que la simulation de la conception ne parvient pas à prendre en compte, ce sont les spécificités de laRoutage de PCBpeuvent introduire des sources d’erreur imprévues dans la mise en œuvre d’une conception. Cela est particulièrement vrai lorsqu’il s’agit d’utiliser, dans une conception, des composants plus récents et plus rapides avec leurs fréquences d’horloge plus élevées associées. De plus, les vitesses de transfert de données entre les dispositifs augmentent également en continu et sont soumises aux mêmes types de sources d’erreur. Ces augmentations de vitesse permettent aux faibles valeurs de capacité et d’inductance inhérentes aux routages de PCB de provoquer l’échec de la mise en œuvre sur PCB d’une conception.
En plus de s’assurer qu’un PCB est fonctionnel, des exigences supplémentaires concernant la tolérance de vos conceptions au bruit rayonné et la quantité de bruit rayonné qu’elles génèrent sont d’une importance capitale pour faire approuver un design final. Ainsi, lors du développement de votre prochaine application PCB incluant des signaux à haute vitesse, il est essentiel de prendre grand soin pour atténuer les problèmes de compatibilité électromagnétique.
Parmi les signaux à haute vitesse, on trouve notamment les signaux d’horloge et les ports de communication à grande vitesse. En suivant quelques règles simples, l’intégrité des signaux et les niveaux d’interférences électromagnétiques de votre prochain projet peuvent être améliorés, sans qu’il soit nécessaire de recourir à des modèles mathématiques complexes ni à des outils de simulation coûteux et sophistiqués. Cet article présentera un certain nombre de ces règles simples qui peuvent être suivies pour assurer le succès de votre prochain projet utilisant des signaux à haute vitesse.
Contexte
Dans cette section, nous aborderons certaines des sources d’erreurs de routage à haute vitesse ainsi que des concepts associés, la section suivante fournissant des règles générales pour atténuer ces sources d’erreurs.
1. Interférences électromagnétiques et compatibilité électromagnétique
Les interférences électromagnétiques sont des bruits de radiofréquence qui perturbent le fonctionnement d’un appareil. En revanche,compatibilité électromagnétiquefait référence à la limitation des niveaux d’interférences électromagnétiques qu’un appareil émet. Tous les appareils émettent un certain degré d’interférences électromagnétiques et, en même temps, absorbent une certaine quantité d’interférences électromagnétiques. L’objectif d’un concepteur de PCB doit être de réduire ces deux quantités à des niveaux raisonnables. Il convient également de noter qu’il existe des normes établies de la FCC et du CISPR concernant le niveau d’EMI que les appareils sont autorisés à émettre.
2. Signaux d’horloge
Les signaux d’horloge, couramment utilisés pour piloter les microprocesseurs et les ports de communication, devraient être des ondes carrées parfaites, mais ils ne le sont pas en réalité. Ils sont en fait une combinaison de signaux à la fréquence d’horloge nominale et aux fréquences harmoniques au‑dessus de la fréquence d’horloge. En conséquence, les EMI doivent être prises en compte à la fois à la fréquence de l’horloge utilisée dans une conception et aux harmoniques de la fréquence d’horloge au‑dessus de la fréquence d’horloge nominale.
3. Lignes de transmission
À des fréquences plus élevées, les effets de ligne de transmission commencent à entrer en jeu même sur lesCarte PCBniveau. Chaque fois que la fréquence d’une ligne de signal fait que ce signal ait une longueur d’onde de l’ordre de grandeur de la piste de PCB associée, l’impédance caractéristique de cette piste doit être prise en compte afin d’éviter les réflexions dues aux désadaptations d’impédance. De façon générale, le concepteur de PCB doit prendre le temps d’adapter l’impédance des pistes associées aux émetteurs-récepteurs que ces pistes relient. L’utilisation d’une microstrip (une piste de largeur définie au-dessus d’un plan d’alimentation) ou d’une stripline (une piste de largeur définie entre deux plans d’alimentation) constitue un moyen courant de contrôler l’impédance d’une ligne de transmission au niveau du PCB.
Il est également courant que les émetteurs-récepteurs aient des entrées à haute impédance. Dans ce cas, la piste de connexion doit être terminée de manière à correspondre à l’impédance caractéristique de la ligne de transmission à laquelle elle est reliée. Il existe plusieurs techniques de terminaison courantes, mais leur étude sera laissée au lecteur, car elles dépassent le cadre de cet article.
4. Diaphonie
Lorsque deux pistes sont situées l’une à côté de l’autre, elles sont couplées inductivement et capacitivement (communément appelé diaphonie) d’une manière qui peut permettre à l’une de perturber le fonctionnement de l’autre. La méthode la plus simple pour éliminer ce type de bruit consiste à séparer les pistes par une plus grande distance. La diaphonie peut également être atténuée par l’utilisation de plans d’alimentation afin de réduire les niveaux de diaphonie.
5. Signaux différentiels
Une autre façon de gérer le bruit dans un chemin de communication consiste à utiliser des signaux différentiels. Les signaux différentiels sont égaux et opposés en potentiel. En conséquence, deux pistes sont responsables du transport d’un signal entre les dispositifs et la valeur du signal est déterminée par la différence de potentiel entre les deux pistes, et non par le potentiel absolu des pistes individuelles. Cela rend les signaux différentiels insensibles à la diaphonie et pratiquement insensibles au bruit rayonné.
6. Retour du courant et zones de boucle
Lorsqu’on envisage des routages à haute fréquence, il faut également prendre en compte le chemin de retour d’un signal. Dans les circuits en courant continu, le chemin de retour sera celui présentant la plus faible résistance, mais pour les signaux en courant alternatif, le chemin de retour sera celui présentant la plus faible impédance. Il en résulte que le chemin de retour d’un signal haute fréquence se trouvera directement à côté de la piste de ce signal. En général, cette différence de chemin de retour ne pose pas de problème lorsque la piste du signal est routée au‑dessus d’un plan de masse, mais cela peut devenir problématique lorsque le plan de masse est interrompu sous la piste du signal. Il en résulte qu’une rupture dans le chemin de retour du signal formera une boucle. Les boucles sont à éviter, car elles constituent des radiateurs EMI bien plus efficaces et auront un impact négatif sur la CEM d’une conception.
Conseils pratiques de conception
Maintenant que nous avons présenté une brève discussion sur les sources de bruit des signaux à haute vitesse, nous pouvons passer à des conseils de routage plus spécifiques.
Avant de vous lancer dans votre prochainconception de PCB à haute vitessevous devez d’abord examiner les exigences globales de la conception. De bonnes questions à poser sont : Quelle est la fréquence la plus élevée dans le système ? Devrez-vous utiliser une micro‑ligne ou une stripline pour atteindre le niveau de suppression du bruit requis par la conception ? Quels sont les signaux sensibles dans votre conception ? Quels sont lestolérances minimalesexigé par le fabricant de circuits imprimés ? Existe-t-il des interconnexions sensibles entre les groupes fonctionnels de la conception ? Avec ces réponses en main, une vue générale de l’empilement et de la composition de la carte peut être déterminée.
1. Empilement de cartes
L’une des considérations les plus fondamentales pour une nouvelle conception de circuit est laEmpilement de PCB. S’il n’y a pas de signaux sensibles à protéger, vous pouvez très bien utiliser un circuit imprimé standard à 2 couches. Si vous devez router des signaux en tant que lignes en bande (strip lines), vous devrez utiliser une empilement à 6 couches. Un circuit imprimé à 4 couches peut également être une bonne option intermédiaire.
Un autre aspect à prendre en compte est que, si vous pouvez concevoir l’empilage de couches de manière à ce que les plans d’alimentation soient très proches les uns des autres, vous pouvez réduire le besoin d’utiliser des condensateurs de découplage de faible valeur dans votre conception. Enfin, si vous pouvez placer les sources et les récepteurs de vos signaux haute vitesse à proximité les uns des autres sur le PCB, vous pourrez éliminer une grande partie des EMI et EMC liées à ces signaux.
2. Plans d’alimentation et de masse
La condition la plus fondamentale pour une conception à haute vitesse est la mise en œuvre d’un plan de masse complet. Il peut également être très bénéfique d’inclure un plan d’alimentation complet, mais cela exige que la conception soit basée sur un empilement à quatre couches ou plus. Il est également avantageux de placer les pistes de signaux très près des plans d’alimentation, ce qui devrait également guider le choix de l’empilement utilisé dans la conception finale.
Lors de la division de parties d’un plan d’alimentation, il est également important de se rappeler que les signaux à haute vitesse ont un courant de retour qui suit le chemin de plus faible impédance et non de plus faible résistance. Veillez à ne pas interrompre le chemin de retour d’un signal à haute vitesse entre sa source et sa charge. Si vous devez interrompre un plan de masse, essayez de ne pas faire passer de pistes de signaux au-dessus de cette coupure. Dans le cas où vous le feriez, envisagez de reconnecter le plan de masse le long de la piste de signal avec une résistance de 0 Ohm. Plus succinctement, utilisez dans votre conception des plans de masse et d’alimentation aussi uniformes et ininterrompus que possible.
3. Sujets supplémentaires
Les condensateurs de découplage sont importants pour créer des chemins à faible impédance vers la masse et l’alimentation pour les signaux haute fréquence. En général, vous devrez utiliser plusieurs valeurs de condensateurs différentes pour supprimer le bruit haute fréquence sur une plage de fréquences. Lors du placement des condensateurs, placez le condensateur de plus faible valeur le plus près possible du composant que vous protégez, puis disposez les condensateurs de valeur de plus en plus élevée. Assurez-vous également que le condensateur est placé entre le composant et le plan d’alimentation que le condensateur découple. Cela garantira que le composant est effectivement découplé par le condensateur.
Autres conseils généraux :
• L’arrondissement des angles des pistes peut réduire le niveau d’EMI rayonné par un signal. En effet, les changements brusques dans les pistes entraînent des niveaux plus élevés de capacité et provoquent également des réflexions de signaux à haute vitesse.
• Pour minimiser la diaphonie entre les pistes de signal, y compris celles situées sur différents plans, veillez à ce qu’elles se croisent selon des angles appropriés.
• Évitez les vias dans les pistes de signal. Les vias modifient l’impédance caractéristique de la piste et peuvent provoquer des réflexions. De plus, si vous devez utiliser des vias avec des pistes de signaux différentiels, envisagez d’en placer dans les deux pistes afin de vous assurer que leur effet soit identique sur chacune d’elles.
• Tenez compte du stub créé par l’utilisation de vias. Envisagez d’utiliser des vias borgnes ou enterrés à la place des vias conventionnels.
• Tenez compte des délais lorsque vous utilisez une solution d’horloge distribuée. Évitez les dérivations et faites correspondre les longueurs de pistes entre l’horloge et les dispositifs connectés. Il est souvent recommandé d’utiliser un pilote d’horloge.
