Contrôle d’impédance dans la conception de circuits imprimés pour circuits numériques à haute vitesse

Les technologies de contrôle d’impédance sont particulièrement importantes dans la conception de circuits numériques à haute vitesse, dans laquelle des méthodes efficaces doivent être adoptées pour garantir les excellentes performances des PCB haute vitesse.

Calcul de l’impédance et contrôle de l’impédance des lignes de transmission à haute vitesse sur PCB

• Modèle équivalent sur les lignes de transmission

La figure 1 montre l’effet équivalent des lignes de transmission sur les PCB, qui est une structure comprenant des condensateurs, résistances et inductances en série et multiples (modèle RLGC).

La valeur typique de la résistance en tandem se situe dans une plage de 0,25 à 0,55 ohm/pied et la valeur de résistance de plusieurs résistances reste généralement assez élevée. Avec la résistance, la capacité et l’inductance parasites ajoutées dans les lignes de transmission du PCB, l’impédance globale sur les lignes de transmission est appelée impédance caractéristique (Z₀). La valeur de l’impédance caractéristique est relativement faible lorsque le diamètre de la ligne est important, que la ligne est proche de l’alimentation/masse ou que la constante diélectrique est élevée. La figure 3 montre le modèle équivalent de la ligne de transmission de longueur dz, sur la base duquel l’impédance caractéristique de la ligne de transmission peut être déduite selon la formule :. Dans cette formule,Lfait référence à l’inductance de chaque unité de longueur sur la ligne de transmission tandis queCdésigne la capacité par unité de longueur sur la ligne de transmission.

• Formule de calcul de l’impédance et du délai des lignes de transmission sur PCB

Lignes de transmission sur PCB	Formule de calcul d’impédance et de délai

Dans les formules ci-dessus,Z₀fait référence à l’impédance (Ohms),Wfait référence à la largeur des lignes (pouce),Tfait référence à l’épaisseur des lignes (pouce),Hfait référence à la distance par rapport au sol (pouce), fait référence à la constante diélectrique relative du substrat, ett_PDfait référence au temps de retard (ps/pouce).

• Règles de disposition de contrôle d’impédance des lignes de transmission

Sur la base de l’analyse ci-dessus, le retard unitaire d’impédance et de signal est indépendant de la fréquence des signaux, mais lié à la structure de la carte, à la constante diélectrique relative du matériau de la carte et aux caractéristiques physiques du routage. Cette conclusion est extrêmement importante à comprendrePCB haute vitesseet pour la conception de circuits imprimés à haute vitesse. De plus, la vitesse de transmission de la ligne de signal sur la couche externe est bien plus rapide que celle sur la couche interne, de sorte que ces éléments doivent être pris en compte pour l’agencement du routage des lignes clés.

Le contrôle d’impédance est le préalable essentiel à la mise en œuvre de la transmission de signaux. Cependant, selon la structure de la carte et la formule de calcul de l’impédance des lignes de transmission, l’impédance ne dépend que deMatériau de PCBetStructure des couches de PCBavec la largeur de ligne et les caractéristiques de routage inchangées pour une même piste. Par conséquent, l’impédance d’une piste ne changera pas sur les différentes couches du PCB, ce qui n’est pas acceptable dans la conception de circuits à haute vitesse.

Une carte PCB haute vitesse et haute densité est conçue pour cet article et la plupart des signaux sur la carte ont des exigences d’impédance. Par exemple, la ligne de signal CPCI doit avoir une impédance de 65 ohms, le signal différentiel de 100 ohms et tous les autres signaux de 50 ohms chacun. SelonRoutage de PCBdans l’espace, un routage d’au moins dix couches doit être utilisé et un plan de conception de PCB à 16 couches est déterminé.

Étant donné que l’épaisseur totale de la carte ne peut pas dépasser 2 mm, il existe certaines difficultés en termes d’empilage, avec quelques problèmes à prendre en compte :

1).Chaque couche de signal possède des plans d’image adjacents pour protéger l’impédance et la qualité du signal.

2).Chaque plan d’alimentation possède une couche de masse complète adjacente, de sorte que les performances de l’alimentation puissent être pleinement garanties.

3).L’empilage des cartes nécessite un bon équilibre, tout en évitant le gauchissement des cartes.

La constante diélectrique du milieu est fixée à 4,3. Sur la base de la conception d’empilement ci-dessus, la largeur de ligne et la distance entre les lignes doivent être définies selon le résultat du calcul afin de garantir l’exigence d’impédance du signal. La largeur de ligne est obtenue selon le résultat suivant :

1).La largeur de la ligne de signal sur la couche de surface est de 5 mils avec une impédance de 58,7 Ohms.

2).La largeur de la ligne de signal CPCI sur la couche de surface est de 4,5 mils avec une impédance de 61,7 Ohms.

3).La largeur de la ligne de signal dans la couche interne est de 4,5 mils avec une impédance de 50,2 Ohms.

4).La largeur des pistes dans la zone BGA, en couche interne et en couche de surface, est de 4 mils, avec une impédance de 64,6 Ohms pour la couche de surface et de 52,7 Ohms pour la couche interne.

5).La largeur de la ligne différentielle en micro-ruban dans la couche interne est de 5 mils, avec une distance entre les lignes de 6 mils et une impédance de 100,54 Ohms.

6).La largeur de la ligne différentielle en stripline dans la couche interne est de 4,5 mils, avec une distance entre les lignes de 10 mils et une impédance de 96,6 Ohms.

La distance entre les lignes est définie comme suit :

1).La distance entre les lignes de signal (5 mils) sur la couche de surface est de 5,0 mils.

2).La distance entre les lignes de signal CPCI (4,5 mils) sur la couche de surface est de 9,0 mils.

3).. La distance entre les lignes de signal (4,5 mils) sur la couche interne est de 7,0 mils.

4).La distance entre les lignes sur la couche de surface et la couche interne est de 4,0 mils.

5).La distance entre les lignes de signal différentiel sur la couche interne, ainsi qu’entre celles-ci et les autres lignes de signal, doit être maintenue à au moins 25 mils.

6).La distance entre les lignes de signal différentiel sur la couche de surface et entre celles-ci et les autres lignes de signal doit être maintenue à au moins 20 mils.

AprèsImpression de circuits imprimés, l’impédance de la carte de test est mesurée à l’aide du testeur d’impédance POLAR-Cits500, avec les résultats présentés dans le tableau suivant. Les données indiquent que l’impédance doit être contrôlée dans la plage de 50 Ohmۯ %, 60 Ohmۯ % et 100 Ohmۯ % au cours du processus de conception et de fabrication de circuits imprimés haute vitesse.

LVDS et son contrôle d’impédance sur les PCB

• LVDS

LVDS est un type de niveau de transmission de signal série haute vitesse présentant les avantages d’une vitesse de transmission élevée, d’une faible consommation d’énergie, d’une forte capacité anti‑interférence, d’une longue distance de transmission et d’une adaptation réalisable. Les domaines d’application de LVDS incluent l’informatique, les télécommunications et l’électronique grand public.

• Conception d’impédance de LVDS

La technologie LVDS présente une amplitude de tension de seulement 350 mV avec une distance de transmission maximale de plus de 10 mètres. Afin de garantir que les signaux ne soient pas influencés par les signaux réfléchis lors de la transmission dans les lignes de transmission, l’impédance de ces lignes doit être maîtrisée, avec une impédance de ligne simple de 50 Ohms et une impédance différentielle de 100 Ohms. En pratique, l’impédance peut être contrôlée en définissant une épaisseur d’empilage et des paramètres de matériau raisonnables, en ajustant la largeur des pistes et la distance entre les lignes, et en calculant l’impédance des lignes simples et différentielles à l’aide de certains outils d’analyse et de simulation haute vitesse.

Cependant, la plupart du temps, il est relativement difficile de satisfaire aux exigences d’impédance en ligne simple et d’impédance différentielle. D’une part, la plage d’ajustement de la largeur de piste W et de la distance entre les pistes S est limitée par l’espace de conception physique. Par exemple, le routage et la largeur de piste dans les connecteurs en bord de carte avec BGA ou DIP sont influencés par la taille et l’espacement des pastilles. D’autre part, la modification de W et de S affectera le résultat de l’impédance en ligne simple et de l’impédance différentielle. Jusqu’à présent, il est facile et pratique de déterminer la relation entre la largeur de piste et la distance entre pistes prédéfinies.

• Règles de routage LVDS

D’une manière générale, le routage des signaux différentiels est mis en œuvre conformément aux règles de conception d’impédance, ce qui permet de garantir la qualité LVDS. Dans le routage pratique, le LVDS doit respecter les règles suivantes :

1).Les paires différentielles doivent être aussi courtes que possible, les lignes doivent être droites et le nombre de trous traversants doit être réduit. La distance entre les lignes de signal dans les paires différentielles doit être identique. Toutes ces règles contribuent à éviter les longs routages et les nombreux changements de direction. En ce qui concerne les changements de direction, il convient d’utiliser des virages à 45 degrés au lieu de 90 degrés.

2).La distance entre les paires différentielles doit être maintenue à plus de 10 fois afin de réduire la diaphonie entre les lignes. Lorsque cela est nécessaire, des vias de masse peuvent être placés entre les paires différentielles pour assurer l’isolation.

3).LVDS ne peut pas être réparti sur différentes surfaces. Bien que deux signaux différentiels soient des chemins de retour mutuels, le chemin de retour du signal ne peut pas être interrompu en raison d’une séparation entre surfaces. Néanmoins, les lignes de transmission peuvent entraîner une discontinuité d’impédance en raison de l’absence de plans d’image.

4).Évitez les signaux différentiels entre les couches. Lors de la fabrication des circuits imprimés, la précision d’alignement de l’empilage entre les couches est bien inférieure à la précision de gravure au sein d’une même couche, à laquelle s’ajoutent les pertes dans le diélectrique pendant l’empilage, ce qui entraîne une variation de l’impédance différentielle entre les paires différentielles.

5).Dans la conception d’impédance, une méthode de couplage doit y être utilisée.

6).Une structure d’empilement de PCB appropriée doit être définie afin d’assurer l’isolation entre les signaux de différents niveaux de tension et le LVDS. Lorsque cela est possible, des signaux tels que le TTL/CMOS haute vitesse peuvent être placés sur des couches différentes, isolés du routage LVDS par les couches de masse et d’alimentation.

7).Les paires de signaux différentiels doivent être compatibles avec la longueur du routage.

La commande d’impédance est utilisée très efficacement dans la conception de circuits numériques à haute vitesse afin de garantir de bonnes performances des PCB haute vitesse. En contrôlant soigneusement la largeur des pistes, l’empilement des couches et les constantes diélectriques, les concepteurs peuvent obtenir les niveaux d’impédance corrects nécessaires pour minimiser au maximum les réflexions de signal et préserver l’intégrité du signal. Un routage et une planification corrects, en particulier pour les signaux LVDS, garantissent également une transmission parfaite du signal, une fiabilité accrue et une propagation sans interférences.

PCBCart est spécialisé dans la conception et la production de circuits imprimés haute vitesse et haute performance pour des applications exigeantes. Notre technologie de pointe et notre expertise avancée garantissent un contrôle précis de l’impédance, des circuits imprimés de haute qualité et une transmission de signal efficace. Grâce à notre procédé de fabrication de pointe et à notre passion pour l’excellence, PCBCart est votre partenaire privilégié pour les projets de circuits imprimés complexes. Demandez dès aujourd’hui un devis à PCBCart et profitez d’un service inégalé en solutions de circuits imprimés haute vitesse, conçues pour propulser votre innovation et votre réussite.

Commencez votre devis pour des circuits imprimés haute vitesse

Ressources utiles
•Éléments influençant l’impédance caractéristique des PCB et solutions
•Considérations de conception d’impédance pour les circuits imprimés flex-rigides
•Comment analyser et réduire l’impédance de l’alimentation sur un PCB haute vitesse
•Contrôle de l’impédance des vias et son influence sur l’intégrité du signal dans la conception de PCB
•Service complet de fabrication de circuits imprimés par PCBCart - Multiples options à valeur ajoutée
•Service avancé d’assemblage de PCB par PCBCart - À partir d’une seule pièce