Avec le développement à venir de la science et de la technologie électroniques, le système électronique composé de circuits intégrés (puces IC) évolue rapidement vers une grande échelle, la miniaturisation et la haute vitesse. Parallèlement, un problème apparaît également : la réduction du volume du système électronique entraîne une augmentation de la densité de routage des circuits, tandis que la fréquence des signaux ne cesse de croître et que le temps de montée/descente des signaux devient plus court. Lorsque le retard d’interconnexion des signaux dépasse de 10 % le temps de transition du signal, les conducteurs de signaux sur la carte présentent un comportement de ligne de transmission, rendant de plus en plus saillants une série de problèmes tels que la réflexion de signal et la diaphonie. L’apparition des problèmes liés aux hautes vitesses pose un défi plus important à la conception matérielle et, si certains schémas considérés comme corrects du point de vue logique ne sont pas traités de manière appropriée, l’ensemble de la conception peut échouer. Par conséquent, la manière de résoudre les problèmes des circuits à haute vitesse est devenue l’un des éléments essentiels déterminant le succès d’un système.
Principes de la réflexion et de son influence
• Principes de réflexion
La raison directe de la réflexion réside dans l’incompatibilité d’impédance des lignes de transmission, ce qui conduit à une absorption incomplète de l’énergie du signal au niveau du terminal. Le problème de réflexion reflète la qualité du signal d’un réseau unique, en lien avec les propriétés physiques du trajet du signal de ce réseau unique et du trajet de retour. Habituellement, les propriétés physiques deRoutage de PCBa une grande influence sur les lignes de transmission, incluant principalement le matériau de routage, la largeur de routage, l’épaisseur de routage, la distance par rapport aux autres plans de routage et aux plans, ainsi que la constante diélectrique du matériau adjacent. Lorsque des signaux sont transmis le long d’un réseau unique, un changement transitoire d’impédance des lignes d’interconnexion sera généré. Si l’impédance d’interconnexion ressentie par les signaux reste inchangée, l’absence de distorsion sera maintenue. Si l’impédance d’interconnexion ressentie par les signaux continue de changer, une distorsion sera générée avec une réflexion produite au point de changement. Le signal réfléchi sera retransmis vers l’extrémité d’émission des signaux et sera à nouveau réfléchi jusqu’à ce qu’il s’atténue avec la diminution de l’énergie. Finalement, la tension et le courant des signaux deviendront stables.
• Calcul du reflet
Lorsque des signaux sont transmis vers l’avant le long de lignes de transmission, une impédance transitoire sera ressentie à tout moment. Si l’impédance ressentie par les signaux est constante, ils seront transmis normalement vers l’avant. Dès que l’impédance ressentie change, une réflexion sera toujours provoquée, quelle qu’en soit la cause. L’indice significatif mesurant la quantité de réflexion est le coefficient de réflexion, qui indique le rapport entre la tension réfléchie et la tension du signal d’origine. Le coefficient de réflexion peut être défini selon la formule
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Dans cette formule, Z1fait référence à l’impédance après modification tandis que Z0l’impédance avant le changement. Supposons que l’impédance caractéristique du routage PCB soit de 50 Ω. Dans le processus de transmission, une résistance de 150 Ω est rencontrée, et alors le coefficient de réflexion est (150-50)/(150+50)=1/2 (dans ce cas, l’influence de la capacité et de l’inductance parasites n’est pas prise en compte, la résistance étant considérée comme une résistance pure idéale). Ce résultat indique que la moitié de l’énergie du signal d’origine est renvoyée vers la borne source. Si la tension des signaux de transmission est de 5 V, la tension de réflexion est de 2,5 V.
• Influence de la réflexion
1). Distorsion du signal causée par la réflexion
Si une liaison n’est pas correctement terminée, l’impulsion de signal provenant de l’extrémité d’émission sera réfléchie au niveau du terminal de réception. Lorsque les signaux réfléchis sont suffisamment forts, la superposition des formes d’onde peut modifier l’état logique, ce qui entraîne des effets inattendus et provoque une distorsion du contour du signal. Lorsque la distorsion devient très marquée, de nombreuses erreurs peuvent survenir et conduire à l’échec de la conception. Par ailleurs, les signaux déformés sont plus sensibles au bruit, ce qui peut également provoquer l’échec de la conception.
2). Surcompensation et sous-compensation causées par la réflexion
Le dépassement fait référence au fait que la première valeur de crête ou de creux dépasse la tension. Pour le front montant, il s’agit du fait que la première valeur de crête dépasse la tension la plus élevée, tandis que pour le front descendant, il s’agit du fait que la première valeur de creux dépasse la tension la plus basse. Un dépassement exagéré peut détruire les diodes de protection, entraînant une défaillance prématurée. Le sous-dépassement fait référence au fait que la crête ou le creux suivant peut générer de faux signaux d’horloge, conduisant à des erreurs de lecture et d’écriture du système.
3). Oscillation
L’oscillation est également un symptôme causé par la réflexion. Ayant la même nature que le dépassement, la répétition de dépassements et de sous-dépassements est appelée oscillation au sein d’un cycle d’horloge. Elle résulte du fait que l’énergie redondante générée par la réflexion ne parvient pas à être absorbée à temps dans les circuits.
Méthode de suppression des reflets
Les principaux éléments provoquant la réflexion comprennent la forme géométrique du routage (largeur, longueur, angles de virage), la conversion d’un même plan de routage de réseau, la transmission à travers un connecteur, la discontinuité entre l’alimentation et la masse, une structure topologique incorrecte et l’incompatibilité de l’extrémité du réseau. Les principales méthodes de suppression seront présentées dans la partie suivante.
• Escalade de la fréquence du système
Le taux de transition du front de signal est réduit dans les situations possibles afin que la réflexion des lignes de transmission atteigne un état stable avant l’établissement de la connexion entre un signal et une ligne de transmission. D’une part, les règles de conception doivent être respectées ; d’autre part, des composants à faible vitesse doivent être choisis afin d’éviter le mélange entre différents types de signaux.
• Optimisation du traitement du signal
En raison d’exigences strictes en matière de séquencement temporel, les composants et les nœuds susceptibles de provoquer des problèmes à haute vitesse doivent être déterminés à l’avance. Toutes sortes d’exigences concernant l’implantation des composants et le routage doivent être ajustées, et l’indice de conception de l’intégrité du signal sera finalement maîtrisé. Les principales méthodes de traitement comprennent :
1).Relativement minceCartes PCBsont appliquées afin de diminuer les paramètres parasites des trous traversants.
2).Le nombre de couches doit être agencé de manière appropriée. Les couches intermédiaires doivent être pleinement exploitées pour définir le blindage afin de mieux mettre en œuvre la mise à la masse adjacente, ce qui réduira efficacement l’inductance parasite, raccourcira la longueur de transmission des signaux et augmentera considérablement la diaphonie entre les signaux.
3).La forme géométrique des lignes de signal sur le PCB doit être contrôlée en réduisant les virages et en minimisant les points de discontinuité d’impédance du routage. En particulier pour le routage dans les circuits haute fréquence, des lignes entièrement droites doivent être utilisées. Lorsque des virages sont nécessaires, des segments brisés ou des arcs de 45° peuvent être appliqués, ce qui réduira le rayonnement externe des signaux haute fréquence et le couplage entre les signaux haute fréquence.
4).Le routage des lignes de signal importantes doit être disposé dans le même plan afin de réduire les trous traversants inutiles.
5).L’intégrité du plan doit être assurée afin de fournir un chemin de refusion à faible impédance pour les lignes de signal. L’objectif est de réduire le couplage d’impédance en mode commun et le bruit de commutation en mode commun, afin de diminuer ou d’éliminer les problèmes d’intégrité du signal liés au système d’alimentation.
6).Application de la structure topologique de routage correcte.
La structure topologique du routage fait référence à la séquence de routage et à la structure d’une ligne de signal. Dans les circuits pratiques, il existe toujours une situation dans laquelle une seule source de pilotage alimente plusieurs charges, et la source de pilotage ainsi que les charges se conforment à la topologie de la structure. Différentes structures topologiques ont une influence manifestement différente sur les signaux. En général, deux types de structures topologiques de base sont appliqués dans le routage PCB, à savoir la topologie en chaîne (daisy chain) et la topologie en étoile, comme illustré à la Figure 1 ci‑dessous.
a. Chaînage en guirlande
Le routage commence depuis le terminal émetteur et atteint successivement chaque terminal récepteur. Si une résistance série est utilisée pour modifier les propriétés du signal, sa position doit être très proche du terminal émetteur. En termes de contrôle des interférences des harmoniques supérieurs, la topologie en guirlande (daisy chain) offre le meilleur effet de routage. Cependant, ce type de routage présente la plus faible routabilité, inférieure à 100 %. Dans les conceptions pratiques, la longueur des branches dans une topologie en guirlande doit être aussi courte que possible. L’espace de routage de cette structure topologique est réduit et une seule résistance peut être utilisée pour assurer la compatibilité avec la terminaison. De plus, ce type de structure de routage entraîne une désynchronisation de la réception du signal entre les différents terminaux récepteurs.
b. Topologie en étoile
Ce type de routage est capable d’éviter efficacement la non-synchronisation des signaux d’horloge, mais il présente l’inconvénient qu’une résistance terminale est requise pour chaque branche. La valeur de la résistance terminale doit être compatible avec l’impédance caractéristique en ligne. Pour les systèmes dont différents signaux doivent arriver simultanément au niveau du récepteur, la topologie en étoile est la plus adaptée.
• Méthodes de résiliation
L’impédance caractéristique sur le chemin de transmission du signal doit rester constante, c’est-à-dire que le coefficient de réflexion est nul, ce qui signifie qu’il n’y a aucune réflexion sur le chemin de transmission. Cette situation est appelée compatibilité d’impédance. À ce moment-là, les signaux se transmettent idéalement jusqu’à la borne terminale. En général, la longueur de la ligne de transmission doit être compatible avec cette condition.
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Dans cette inéquation, L désigne la longueur de la ligne de transmission ;trfait référence au temps de montée des signaux de la borne source ;tpd1fait référence au délai de transmission de charge par unité de longueur sur les lignes de transmission. Lorsque le transfert de niveau intégré a lieu avant que la réflexion n’atteigne l’extrémité éloignée, il est nécessaire d’appliquer une technologie d’adaptation de terminaison. Les principes de connexion de terminaison des lignes de transmission incluent : si le coefficient de réflexion de charge ou le coefficient de réflexion de source est nul, la réflexion sera éliminée. Deux stratégies sont couramment appliquées : l’impédance de la source est rendue compatible avec l’impédance de la ligne de transmission, c’est-à-dire la terminaison côté source, tandis que l’impédance de charge est rendue compatible avec l’impédance de la ligne de transmission, c’est-à-dire la terminaison côté charge.
1). Résiliation de la source
La terminaison côté source est principalement une méthode de terminaison en série mise en œuvre en insérant une résistance en série dans les lignes de transmission à des positions adjacentes à l’extrémité proche de la source. La somme de la valeur de la résistance en série et de la résistance du terminal de commande doit être égale à la valeur de la résistance des lignes de transmission. Le principe de la terminaison en série, qui consiste à éliminer la tension réfléchie depuis le terminal de charge, est d’empêcher la seconde réflexion dans les lignes de transmission, comme illustré à la Figure 2.
2). Terminaison finale
Le principe principal de la terminaison en bout consiste à ajouter une résistance de tirage vers le haut (pull-up) ou vers le bas (pull-down) à des positions adjacentes à la borne de charge afin de réaliser l’adaptation d’impédance. La terminaison en bout peut généralement être divisée en terminaison parallèle à résistance unique, terminaison RC, terminaison de Thévenin et terminaison à diode Schottky, comme illustré à la Figure 3.
La valeur de résistance dans une terminaison parallèle à résistance unique est égale à l’impédance des lignes de transmission. Les valeurs des deux résistances dans une terminaison de Thévenin doivent suivre la formule :Z0=R1R2/(R1+R2). La valeur de la capacité dans la terminaison RC suit la formule :C=3T/Z0dans lequelTfait référence au temps de montée des signaux tandis que Z0fait référence à l’impédance des lignes de transmission.
Du point de vue de la conception du système, la terminaison parallèle doit être choisie en premier, car elle est la plus à même de réduire le bruit, les interférences électromagnétiques (EMI) et les interférences radiofréquences (RFI) par rapport aux trois autres méthodes de terminaison. En fonction des conditions pratiques, la méthode de terminaison appropriée est choisie et, si nécessaire, une conception par simulation doit être mise en œuvre.
Conclusion
Dansconception de PCB haute vitesseles conditions préalables à la réussite incluent une disposition et un routage raisonnables, l’évitement de virages et de vias traversants inutiles, la continuité d’impédance, des plans de référence de signal intégrés et une excellente mise à la terre. Pour optimiser la conception et l’intégrité du signal et obtenir une compatibilité électromagnétique plus élevée, une vérification de la conception par simulation doit être mise en œuvre. Elle aide les concepteurs à traiter les défauts de conception en temps voulu et à compenser les insuffisances dans la conception des PCB.
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