5 conseils pour mieux planer

Kerry Chayka | 25 mai 2023

La conception de circuits à grande vitesse est l'un des domaines les plus fondamentaux, mais les plus difficiles, de la conception électronique. Les circuits à haute vitesse sont couramment utilisés aujourd'hui, car des normes telles que USB, HDMI et PCIe exigent que la plupart des ingénieurs électriciens professionnels se plongent dans le monde de la haute vitesse. En ce qui concerne l'avenir, nous constatons une tendance générale à l'augmentation des fréquences d'horloge dans tous les domaines, ce qui signifie que les signaux à grande vitesse deviendront encore plus courants. Si vous êtes un concepteur en électronique aujourd'hui, il n'y a tout simplement pas moyen d'éviter la haute vitesse.

Les signaux à grande vitesse introduisent une complexité supplémentaire et des défis techniques uniques qui rendent la conception du matériel moins simple. L'une de ces considérations techniques est l'adaptation d'impédance, un domaine unique et moins connu de la conception de circuits. Dans cette contribution, je couvrirai les bases de l'adaptation d'impédance et partagerai 5 conseils pour garantir que toute conception de circuit à grande vitesse fonctionne comme prévu.

Pour comprendre comment concevoir des circuits à grande vitesse, nous devons d'abord examiner la théorie des lignes de transmission.

Tous les conducteurs d'un circuit électrique ont une impédance caractéristique compte tenu des contributions agrégées de la capacité, de l'inductance et de la résistance parasites. Dans la plupart des systèmes à faible vitesse, l'impact de ces parasites est négligeable car les effets de l'inductance et de la capacité évoluent avec la fréquence. Cependant, une fois que les fréquences commencent à monter suffisamment, ces parasites ne sont plus négligeables et les effets de la ligne de transmission entrent en jeu.

Plus précisément, cela se produit lorsque la longueur d'onde d'un signal devient comparable à la longueur physique du conducteur. Alternativement, lorsque la longueur de l'interconnexion en pouces est supérieure à deux fois le temps de montée du signal en nanosecondes, les effets de la ligne de transmission seront pertinents.

Un circuit soumis aux effets de la ligne de transmission est caractérisé par son impédance caractéristique, communément notée Z0, qui est une abstraction mathématique du comportement de la ligne de transmission qui est déterminé par la géométrie de la ligne. Dans les circuits à grande vitesse, l'impédance caractéristique est pertinente car s'il y a un décalage entre l'impédance de charge (ou de source) et l'impédance caractéristique de la ligne, le circuit subira des réflexions de signal. En d'autres termes, si l'impédance de la charge (ou de la source) n'est pas exactement égale à l'impédance caractéristique de la ligne, une partie de l'énergie du signal sera réfléchie le long de la ligne. La proportion de réflexion du signal est définie par l'équation (Zl-Z0/Zl+Z0).

Les réflexions sont extrêmement préjudiciables aux performances du circuit car elles entraînent une distorsion du signal et des modèles d'ondes stationnaires le long de la ligne de transmission. Lorsque le signal est déformé, son intégrité est compromise, la qualité du signal se dégrade et les données sur le bus peuvent être corrompues. Si une attention particulière n'est pas accordée aux effets de la ligne de transmission, les circuits à grande vitesse peuvent échouer complètement.

Pour atténuer les effets des réflexions du signal dans les circuits à grande vitesse, nous devons contrôler les impédances que le signal rencontrera tout au long de notre conception.

L'adaptation d'impédance, ou contrôle d'impédance, est une technique de conception de cartes de circuits imprimés (PCB) dans laquelle vous concevez de manière sélective vos pistes de PCB de sorte que les réflexions de signal soient réduites au minimum.

Dans la plupart des cas, l'impédance cible de votre signal sera définie par le protocole et les parties qui implémentent ce protocole. Par exemple, l'USB nécessite généralement une impédance différentielle cible de 90 ohms, tandis que de nombreux protocoles asymétriques standard spécifient 50 ohms comme cible.

Un concepteur est capable de contrôler l'impédance de ses traces en choisissant judicieusement la géométrie de la trace et en faisant correspondre ces dimensions aux propriétés du matériau du substrat. Les principales variables géométriques ici sont la largeur de trace, l'épaisseur et la distance aux plans de masse, qui ont toutes un impact direct sur l'impédance d'un signal. D'autres variables basées sur le matériau incluent les propriétés du substrat telles que la constante diélectrique. En pratique, ces valeurs seront déterminées grâce à l'utilisation d'un calculateur de PCB souvent externe à l'outil de conception de PCB.

L'adaptation d'impédance variera également en fonction du type de signal que vous avez et de la façon dont il est acheminé. Par exemple, lorsque vous travaillez avec des signaux différentiels, vous devez tenir compte du couplage entre les signaux dans les calculs d'impédance. Ici, la distance entre les traces sera également une variable importante dans le contrôle de l'impédance. Dans de nombreux cas, les signaux à grande vitesse seront acheminés sous forme de paires différentielles.

Avec une compréhension plus approfondie du comportement des circuits à grande vitesse et de l'adaptation d'impédance, nous allons maintenant explorer certaines considérations essentielles pour la conception de circuits à grande vitesse. Les 5 conseils suivants sont des choses que j'ai apprises au cours de ma carrière en tant que concepteur de matériel. Si vous implémentez ces 5 considérations dans vos conceptions à grande vitesse, vous pouvez être assuré que votre circuit fonctionnera comme prévu.

Comme indiqué précédemment, si vous travaillez à des vitesses de signal élevées, il est nécessaire d'avoir des impédances contrôlées et adaptées dans votre conception. Votre impédance cible sera définie par le type de bus avec lequel vous travaillez (par exemple, USB 90 ohms), et vous devez utiliser la largeur et l'espacement de trace corrects pour atteindre votre impédance cible et vous assurer que l'impédance est cohérente sur tout le chemin.

Les signaux à grande vitesse sont sensibles au bruit et créent également un bruit qui a un impact sur les signaux à proximité. Pour minimiser les effets de ce bruit dans votre circuit, il est judicieux d'utiliser des blindages de masse (GND) des deux côtés du signal. Par exemple, si votre signal est sur la couche PCB 2, assurez-vous que les couches 1 et 3 entourent le signal avec une masse solide. N'oubliez pas que la distance de votre signal à GND est ce qui définit son impédance, donc ne modifiez pas le positionnement GND sans tenir compte de son impact sur l'impédance. Des références de masse incohérentes entraîneront également des discontinuités d'impédance.

Généralement, il est conseillé d'éviter d'utiliser des vias lors du routage de signaux à grande vitesse, mais ce n'est pas toujours possible. Lorsque l'utilisation de vias est inévitable, rappelez-vous que lorsque votre paire de signaux change de couche, votre référence de masse doit également changer de couche. L'impédance caractéristique du signal est définie par le signal et son chemin de retour. Par conséquent, pour maintenir une impédance constante et éviter les réflexions, vous devez vous assurer que votre courant de retour GND a un chemin aussi propre que le signal lui-même. Cela signifie que si votre paire de signaux est référencée sur une couche GND donnée et que la paire de signaux est décalée vers une autre couche, la couche GND référencée d'origine doit être décalée en conséquence. Sinon, les chemins de retour seront discontinus et votre impédance caractéristique sera hors spécifications.

Au-delà de l'adaptation d'impédance, un autre concept important dans la conception de circuits à grande vitesse est l'adaptation de longueur. Les signaux ont des retards de propagation qui déterminent combien de temps il faut pour qu'un signal se déplace de l'émetteur au récepteur. Pour s'assurer que les signaux arrivent au bon moment, la longueur des traces de signal doit être adaptée en conséquence. Une règle générale est qu'un signal sur un PCB voyagera ~ 6 mil/picoseconde. La correspondance de longueur peut prendre deux formes : correspondance P/N et correspondance de bus. La correspondance P/N signifie que vous devez vous assurer que les traces pour les deux P et N signaux dans une paire différentielle sont adaptés à la même longueur. S'ils ne le sont pas, les signaux deviennent sensibles au bruit et au rayonnement qui ont un impact négatif sur la reconstruction au niveau des bits du signal.

L'adaptation de bus signifie que, dans les signaux référencés à une horloge, les signaux de données doivent arriver au récepteur en même temps que le signal d'horloge, ou aussi près que possible. Pour ce faire, les traces du signal de bus doivent être de longueur égale au signal d'horloge.

Une astuce moins connue consiste à adoucir les discontinuités d'impédance dans un circuit à grande vitesse. Si vous avez une instance où votre trace n'est pas aussi large que le pad auquel elle se connecte, le point où la trace et le pad se rencontrent représente une discontinuité d'impédance (différentes largeurs = différentes impédances !) Pour adoucir cette discontinuité, une astuce du métier est d'annuler le plan GND sous le pad (qui a une largeur plus grande que la trace) et de référencer à la place le pad à un plan GND une couche plus bas. En faisant cela, vous augmenterez la distance entre le pad et GND, et compenserez efficacement l'impact de l'augmentation de la largeur sur l'impédance. Cette compensation limitera les désadaptations d'impédance.

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