Intégrité du Signal dans les Conceptions PCB Rigides Haute Vitesse | JLCPCB

Nous utilisons souvent le terme "intégrité du signal", mais qu'est-ce que cela signifie réellement ? Est-ce lié aux paramètres du signal ou aux paramètres du système ? En termes simples, lorsqu'un signal traverse un fil ou une ligne de transmission, certains paramètres changent entre le point de transmission et celui de réception. Dans le cas des signaux haute vitesse, la perte de signal est encore plus importante, ce qui conduit à des problèmes de perte de données et de corruption du signal. Quel type de signal est perturbé et comment change-t-il ? Nous avons discuté des 4 principaux phénomènes qui modifient les propriétés du signal pendant la transmission.

En ce qui concerne la deuxième question, quel type de signal : en gros, si la fréquence est élevée, il devrait y avoir des zéros et des uns qui changent à un rythme plus rapide. Si un 0 devient un 1 et un 1 devient un 0, il y aura une perte de données. Oui, il existe des techniques de correction de code, mais cela est un sujet pour un autre jour. Pour résoudre ce problème, il est nécessaire de prendre en compte des facteurs tels que la conception du stackup et le contrôle de l'impédance. Les équipes de conception peuvent améliorer l'intégrité du signal en optant pour des dispositifs de plus en plus compacts, ce qui réduit également les effets parasites sur le signal. Dans cet article, nous verrons les bases de l'intégrité du signal, les stratégies de mise en page et les moyens de résoudre ou d'éliminer complètement ce problème.

1. Bases de l'Intégrité du Signal :

Les traces agissent comme des connexions simples à basse fréquence. Cependant, à haute fréquence, ces mêmes traces fonctionnent comme des lignes de transmission, ce qui provoque des oscillations, des réflexions, des interférences (crosstalk) et d'autres conséquences indésirables. Pour assurer une communication fiable entre les circuits intégrés haute vitesse, il est essentiel de maintenir une intégrité du signal appropriée.

Plusieurs facteurs, regroupés en différentes catégories, peuvent entraîner la détérioration de la qualité d'un signal sur un circuit imprimé. Tous ces critères sont abordés dans d'autres articles ici également. Vous devez être conscient des quatre principales causes de mauvaise intégrité du signal :

1) Interférence Électromagnétique (EMI)

L'EMI est un type d'interférence causée par des impulsions électriques indésirables, selon les principes de base de la conception PCB. Si les transmissions haute vitesse ne sont pas contrôlées correctement, elles peuvent entraîner des interférences électromagnétiques (EMI) et des pertes de signal. En essence, il s'agit d'un effet d'antenne, où l'interférence électromagnétique d'un circuit interfère avec celle d'un autre, et cela persiste dans toutes les conceptions. L'absence de voies de retour est la cause de ce genre de problème. Pour en savoir plus, consultez notre article approfondi sur l'EMI.

2) Couplage Électromagnétique Involontaire (Crosstalk)

Les interactions involontaires entre les signaux sur des fils routés de manière rapprochée peuvent entraîner des interférences croisées (crosstalk), ce qui pourrait provoquer une interférence d'un signal avec un autre. Imaginez deux discussions qui se déroulent à côté l'une de l'autre. Les orateurs peuvent devenir distraits si leurs conversations sont trop proches et se surentendent. De manière similaire, des interférences peuvent se produire lorsque les traces d'un circuit imprimé sont trop proches, car un signal peut "entendre" accidentellement un autre.

3) Bruit de Commutation Simultanée (Ground Bounce)

Lorsqu'un circuit imprimé contient de nombreux composants alternant entre les états haut et bas, le niveau de tension peut ne pas revenir au potentiel de masse comme il se doit lorsqu'il devient bas. Si la tension du niveau bas "rebondit" trop haut, l'état bas peut être interprété à tort comme un état haut. Lorsque plusieurs de ces événements se produisent simultanément, le circuit peut mal fonctionner, provoquant des commutations erronées ou dupliquées.

4) Inadéquation d'Impédance

Selon les principes de base 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 trace. Cela est particulièrement important pour les signaux haute vitesse qui entrent ou sortent d'un circuit intégré. Les réflexions du signal causées par cette discordance entraînent une distorsion du signal. Pour en savoir plus, consultez notre article approfondi sur l'inadéquation d'impédance.

2. Quand S'inquiéter de l'Intégrité du Signal ?

Techniquement, toute conception rencontrera certains problèmes d'intégrité du signal, mais à moins que vous ne travailliez avec des signaux numériques haute vitesse, ces problèmes n'affecteront généralement pas le fonctionnement d'un produit ou ne provoqueront pas de bruit excessif. Tous les PCB ne doivent pas être conçus avec des méthodes haute vitesse. Pour savoir si votre conception relève de 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 taux de transfert de données est supérieur à 20 Mbps

- En utilisant l'approximation : Fm ≈ 0,5/Tr

3. 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 d'œil à l'aide d'un flux de bits de test standard sont deux des tests les plus importants pour les systèmes numériques, bien qu'il existe d'autres tests pouvant être effectués pour évaluer l'intégrité du signal. Bien qu'un oscilloscope soit souvent utilisé pour les calculs du taux d'erreur de bits et les diagrammes d'œil, certains analyseurs VNA sont capables de produire des diagrammes d'œil.

Pour évaluer les canaux numériques, les mesures des diagrammes d'œil et les taux d'erreur de bits extraits sont essentiels. Ils offrent une évaluation globale permettant de quantifier les pertes, l'ISI (Inter-Symbol Interference) causée par les réflexions du signal, le jitter et la nécessité d'ajustements de l'égalisation.

4. Analyse du Diagramme d'Œil

Oui, c'est la méthode pour observer l'intégrité du signal dans les systèmes réels. Ce qu'elle fait, c'est qu'elle prend le signal émetteur comme référence et compare le signal reçu à celui-ci. Elle aligne les deux signaux et trace la sortie à l'aide d'un "œil". Quel type d'œil est-ce ? Comment mesurer et calculer l'intégrité du signal à partir de ce diagramme ? Toutes ces questions sont abordées dans un blog récent sur les diagrammes d'œil.

Ici, on peut simplement dire que si le signal présente plus de distorsion, l'œil sera plus fermé. Si le signal est le même que l'entrée, nous obtenons un œil parfaitement ouvert. Pour référence, j'ai inclus un diagramme ci-dessus où vous pouvez voir les deux phénomènes.

5. Comment Résoudre les Problèmes d'Intégrité du Signal ?

Définir clairement la masse et maintenir la masse proche des lignes cruciales pendant le routage sont des éléments clés pour maintenir l'intégrité du signal. La plupart des problèmes d'EMI et d'intégrité du signal peuvent être résolus avec un stackup bien conçu, le choix des plans d'alimentation et de masse, et l'identification des couches de signal. Un stackup bien conçu a également un impact positif important sur l'intégrité de l'alimentation.

Une configuration courante comprend des couches de masse, d'alimentation et des couches de signal alternées. En plus d'empêcher les réflexions, un chemin de retour à faible impédance avec une impédance de trace bien définie et une masse proche des signaux réduit également l'émission et la réception de l'EMI et offre un blindage contre les signaux sur différents niveaux. Voici quelques remarques rapides et des conseils pour résoudre le problème :

- Utiliser des routes courtes et directes pour les signaux haute vitesse.

- Éviter les angles aigus dans le routage des traces pour minimiser les variations d'impédance.

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

- Faire correspondre la longueur des paires différentielles pour minimiser le skew.

- Minimiser les transitions de couches et utiliser des microvias lorsque cela est possible.

Conclusion :

En conclusion, l'intégrité du signal restera un élément crucial des performances des PCB rigides à mesure que les systèmes électroniques évoluent, en particulier pour les conceptions haute vitesse. Les ingénieurs peuvent garantir une connectivité fiable et rapide dans leurs conceptions en régulant soigneusement l'impédance, en réduisant les réflexions, en limitant le crosstalk et en choisissant les matériaux appropriés. Les appareils électroniques modernes offrent de meilleures performances, sont plus fiables et arrivent sur le marché plus rapidement lorsque l'analyse de l'intégrité du signal est intégrée tôt dans le processus de conception des PCB. La corruption des données, les taux d'erreur de bits élevés (BER) ou la non-conformité aux normes de compatibilité électromagnétique (EMC) sont tous des signes d'une mauvaise intégrité du signal.