Intégrité du signal dans les conceptions de circuits imprimés rigides à haute vitesse

Nous utilisons souvent le terme intégrité du signal, mais qu’est-ce que c’est réellement ? S’agit-il de paramètres du signal ou de paramètres du système ? En termes simples, lorsqu’un signal traverse un fil ou une ligne de transmission, certains paramètres changent entre l’endroit où il est émis et celui où il est reçu. Dans le cas des signaux à haute vitesse, la perte de signal est encore plus importante, ce qui entraîne des problèmes de perte de données et de corruption du signal. Alors, quel type de signal est perturbé et comment est-il modifié ? Nous avons discuté des 4 phénomènes principaux qui expliquent pourquoi le signal change ses propriétés pendant la transmission.

En ce qui concerne la deuxième question, quel type de signal : en gros, s’il s’agit d’une haute fréquence, il doit y avoir des 0 et des 1 qui commutent à une vitesse élevée. Si un 0 devient 1 ou un 1 devient 0, il y aura une perte de données. Oui, il existe aussi des techniques de correction de code, mais c’est un sujet pour un autre jour. Pour résoudre ce problème, nous devons prendre en compte des facteurs comme la conception de l’empilement (stackup) et le contrôle d’impédance. Les équipes de conception peuvent améliorer l’intégrité en recherchant des dispositifs de plus en plus compacts. Cela réduit également les effets parasites du signal. Dans cet article, nous verrons les fondamentaux de l’intégrité du signal, les stratégies de routage et les moyens de résoudre ou d’éliminer complètement ce problème.

Les bases de l'intégrité du signal :

À basse fréquence, les pistes agissent comme de simples connexions. Cependant, à haute fréquence, ces mêmes pistes fonctionnent comme des lignes de transmission, provoquant des oscillations, des réflexions, du diaphonie et d’autres effets indésirables. Pour assurer une communication fiable entre circuits intégrés à haute vitesse, il est essentiel de maintenir une intégrité du signal appropriée.

Plusieurs facteurs, répartis en différentes catégories, peuvent dégrader la qualité d’un signal sur une carte de circuit imprimé. Tous ces critères sont abordés dans d’autres articles ici également. Voici les quatre principaux domaines à surveiller pour une mauvaise intégrité du signal :

1) Interférence électromagnétique (EMI) :

L’EMI est un type d’interférence causé par des impulsions électriques indésirables, selon les principes de base de la conception de PCB. Si les transmissions à haute vitesse ne sont pas correctement contrôlées, elles peuvent entraîner des interférences électromagnétiques et une perte de signal. Il s’agit essentiellement d’un effet d’antenne, où l’interférence électromagnétique d’une puce perturbe celle d’une seconde puce, et ce dans toutes les conceptions. Ce type de problème est causé par l’absence de chemins de retour. Consultez notre article approfondi sur l’EMI pour en savoir plus.

2) Couplage électromagnétique involontaire (diaphonie) :

Des interactions involontaires entre signaux sur des pistes routées trop près les unes des autres peuvent entraîner de la diaphonie, ce qui peut amener un signal à interférer avec un autre. Imaginez deux conversations ayant lieu côte à côte. Les interlocuteurs peuvent être distraits s’ils sont trop proches et s’entendent mutuellement. De la même manière, une interférence peut se produire lorsque des pistes sur une carte de circuit imprimé sont trop proches, car un signal peut « entendre » involontairement un autre.

3) Bruit de commutation simultanée (rebond de masse) :

Lorsqu’une carte de circuit imprimé contient de nombreux composants qui basculent entre les états haut et bas, le niveau de tension peut ne pas revenir au potentiel de masse comme il le devrait lorsqu’il passe à l’état bas. L’état bas du signal peut être erronément interprété comme un état haut si le niveau de tension de l’état bas rebondit trop haut. Lorsque plusieurs de ces événements se produisent simultanément, le circuit peut mal fonctionner et provoquer des commutations erronées ou multiples.

4) Inadéquation d’impédance :

Selon les principes fondamentaux de l’intégrité du signal, une inadéquation d’impédance se produit lorsqu’il y a des variations de la résistance électrique (impédance) le long d’une piste. Cela est particulièrement important pour les signaux à haute vitesse qui entrent ou sortent d’un circuit intégré. Cette différence provoque des réflexions du signal, entraînant une distorsion. Visitez notre article approfondi ici pour en savoir plus sur l’inadéquation d’impédance.

Quand se préoccuper de l’intégrité du signal ?

Techniquement, toute conception présentera certains problèmes d’intégrité du signal, mais sauf si vous travaillez avec des signaux numériques à haute vitesse, ces problèmes n’affectent généralement pas le fonctionnement d’un produit ni ne génèrent un bruit excessif. Tous les PCB ne nécessitent pas une conception à haute vitesse. Pour savoir si votre conception entre dans cette catégorie, suivez ces étapes :

⦁ La fréquence maximale (Fm) dépasse 50 MHz

⦁ Le temps de montée/descente le plus rapide (Tr) est inférieur à 10 ns

⦁ Le débit de transfert de données est supérieur à 20 Mbps

⦁ En utilisant l’approximation : Fm ≈ 0,5/Tr

Comment tester l’intégrité du signal :

Les mesures des paramètres S à l’aide d’un analyseur de réseau vectoriel (VNA) et les tests de diagramme de l’œil à l’aide d’un flux de bits de test standard sont deux des tests les plus cruciaux pour les systèmes numériques, bien que d’autres puissent être réalisés pour évaluer l’intégrité du signal. Bien qu’un oscilloscope soit souvent utilisé pour les calculs du taux d’erreur binaire et les diagrammes de l’œil, certains VNA peuvent également générer des diagrammes de l’œil.

Pour évaluer les canaux numériques, les mesures du diagramme de l’œil et les taux d’erreur binaire extraits sont essentiels. Ils offrent une évaluation globale qui permet de quantifier les pertes, l’ISI causée par les réflexions du signal, le jitter, et la nécessité d’un ajustage de l’égalisation.

Analyse du diagramme de l’œil :

Oui, c’est la méthode pour observer l’intégrité du signal dans les systèmes réels. Elle prend le signal de l’émetteur comme référence et le compare au signal reçu. Elle superpose les deux et trace la sortie sous la forme d’un œil. De quel type d’ŒIL s’agit-il ? Comment pouvons-nous mesurer et calculer l’intégrité du signal à partir de cela ? Toutes ces questions sont traitées dans un récent article de blog sur les diagrammes de l’œil.

Ici, nous ne pouvons que dire que si le signal est plus distordu, la forme de l’œil est plus fermée. Si le signal est identique à l’entrée, nous obtenons un œil parfaitement ouvert. Pour référence, j’ai un diagramme ci-dessus où vous pouvez voir les deux phénomènes.

Comment résoudre les problèmes d’intégrité du signal :

Définir clairement la masse et la maintenir proche des lignes critiques pendant le routage sont des éléments clés pour préserver l’intégrité du signal. La majorité des problèmes d’EMI et d’intégrité du signal peuvent être résolus avec un empilement bien conçu, un bon choix des plans d’alimentation et de masse, et une identification correcte des couches de signal. Des empilements correctement construits ont également un impact positif important sur l’intégrité de l’alimentation.

Une configuration courante inclut des couches de masse, d’alimentation et de signal alternées. En plus de prévenir les réflexions, un chemin de retour à faible impédance avec une impédance de piste bien définie et une masse proche des signaux réduit également les émissions et réceptions d’EMI et offre un blindage contre les signaux sur différentes couches. Voici quelques remarques rapides et un guide pour résoudre le problème :

⦁ Utiliser des trajets courts et directs pour les signaux à haute vitesse.

⦁ Éviter les angles aigus dans le routage des pistes pour minimiser les variations d’impédance.

⦁ Utiliser des plans de masse solides sous les couches de signal pour des chemins de retour stables.

⦁ Apparier les longueurs des paires différentielles pour minimiser le décalage.

⦁ Minimiser les transitions de couches, utiliser des microvias lorsque possible.

Conclusion :

En conclusion, l’intégrité du signal restera un composant crucial des performances des PCB rigides à mesure que les systèmes électroniques évolueront, en particulier pour les conceptions à haute vitesse. Les ingénieurs peuvent garantir une connectivité rapide et fiable dans leurs conceptions en contrôlant soigneusement l’impédance, en réduisant les réflexions, en limitant la diaphonie et en choisissant les matériaux appropriés. Les appareils électroniques modernes performent mieux, sont plus fiables et arrivent plus rapidement sur le marché lorsque l’analyse SI est intégrée dès le début du processus de conception des PCB. La corruption des données, des taux d’erreur binaire (BER) élevés ou le non-respect des normes de compatibilité électromagnétique (CEM) sont des signes d’une mauvaise SI.