Comprendre la réflexion des signaux et le contrôle de l'impédance dans la conception des PCB

Chaque fois qu'un signal est transmis numériquement d'un point à un autre, il modifie l'état d'une ligne de signal. Cette variation d'état peut être décrite comme une onde électromagnétique qui se déplace dans le circuit. Une réflexion du signal se produit lorsqu'une onde électromagnétique rencontre une interface entre deux milieux. Lorsque l'onde atteint cette interface, une partie de l'énergie est transmise sous forme de signal et une autre partie est réfléchie. Le processus se poursuit indéfiniment jusqu'à ce que l'énergie soit absorbée par le circuit ou dissipée dans l'environnement.

Pour les ingénieurs électriciens, le milieu où se produit cette interface est généralement décrit en termes d'impédance électrique; autrement dit, l'interface correspond à une variation d'impédance.

Dans une conception de PCB, les réflexions se produisent lorsqu'un signal électrique rencontre une désadaptation d'impédance en se propageant le long d'une piste. Cette désadaptation entraîne la réflexion d'une partie du signal vers la source. Les réflexions peuvent provoquer des problèmes d'intégrité du signal, tels que de la distorsion, du bruit et des erreurs de données, en particulier dans les circuits numériques haute vitesse ou RF.

Pourquoi le bruit de réflexion pose-t-il problème?

En raison des réflexions dans la ligne de signal, un surplus d'énergie s'accumule dans le chemin, ce qui provoque des problèmes de bruit dans le signal. Le bruit de réflexion pousse le signal vers une valeur imprévisible et transforme la forme globale d'un signal déterministe en signal aléatoire. Le rôle de l'ingénieur est de minimiser la quantité de signal réfléchi et de maximiser la quantité de signal transmis grâce à l'adaptation d'impédance. Ainsi, l'énergie supplémentaire est dissipée avant de s'accumuler et de recouvrir le signal de bruit.

Si l'énergie de l'impulsion réfléchie ne se dissipe pas avant la génération de l'impulsion suivante, elle s'accumule et s'ajoute selon un phénomène appelé superposition. Après la réflexion, si la phase et l'amplitude de l'onde s'alignent sur celles du signal d'origine, des ondes stationnaires se forment. Lorsque des ondes stationnaires apparaissent dans la ligne de transmission, un bruit important est introduit dans le chemin du signal. Heureusement, les signaux s'atténuent lorsqu'ils traversent des éléments résistifs. Une simple résistance en série peut donc contribuer à réduire cet effet parasite. Nous présenterons plus loin dans cet article d'autres méthodes de réduction du bruit.

Analyse du bruit dans les signaux numériques:

Le théorème de Fourier montre qu'une onde numérique peut être représentée sous la forme de composantes décomposées en ondes sinusoïdales et/ou cosinusoïdales harmoniquement liées. Si le temps de montée et de descente est suffisamment court, une seule impulsion peut contenir des dizaines de petites ondes de faible amplitude.

Dans l'image ci-dessous, vous pouvez voir un signal numérique non amorti qui commute entre les états logiques bas et haut. Pour les signaux présentant un intérêt pratique, nous pouvons décomposer la forme d'onde en une série d'ondes sinusoïdales. Comme le montrent les figures précédentes, un signal numérique réel possède une large bande passante et toute portion de cette énergie peut créer une résonance dans votre circuit. Cela contraste avec les signaux RF, qui disposent de bandes passantes très étroitess avec des résonances faciles-à-calculer.

Impédance d'un circuit:

Dans les circuits comportant des résistances, des inductances et des condensateurs, la résistance équivalente totale qui s'oppose à la circulation du courant dans le circuit est appelée impédance. L'impédance se compose d'éléments résistifs et réactifs. Les résistances dissipent l'énergie du circuit sous forme de chaleur. L'énergie récupérable dans un circuit existe dans les champs électromagnétiques qui imprègnent et entourent les conducteurs, les inductances et les condensateurs.

L'impédance est généralement représentée par le symbole "Z" et constitue un nombre complexe, dont la partie réelle est appelée résistance et la partie imaginaire réactance. La réactance capacitive désigne l'impédance offerte par les condensateurs au courant alternatif dans un circuit, tandis que la réactance inductive désigne l'impédance offerte par les inductances au courant alternatif. L'impédance combinée résultant des réactances capacitive et inductive au courant alternatif est appelée impédance. L'unité de l'impédance est l'ohm.

Qu'est-ce que le contrôle de l'impédance dans la conception des PCB?

Les circuits haute-vitesse fonctionnent à des fréquences pouvant atteindre plusieurs GHz. En raison de cette fréquence élevée, les circuits sont davantage exposés au bruit et nécessitent des procédures de conception spécifiques. La carte de circuit imprimé elle-même peut présenter des variations de paramètres de fabrication, entraînant des changements d'impédance et une distorsion du signal. Par conséquent, pour les conducteurs des cartes haute vitesse, les valeurs d'impédance doivent être contrôlées dans une plage spécifique, une pratique appelée "contrôle de l'impédance". Les concepteurs de PCB doivent généralement mettre en œuvre un contrôle de l'impédance pour les PCB utilisés dans les applications numériques haute vitesse, le traitement des signaux haute vitesse et la vidéo analogique haute qualité (par exemple, DDR, USB, SSD, Gigabit Ethernet).

Le comportement des circuits à haute fréquence changes en raison d'effets parasites tels que la capacité de frange et l'inductance. Les pistes de signaux des PCB se comportent également comme des lignes de transmission, et chaque point le long de la piste de signal possède une impédance. Par conséquent, le signal d'origine est déformé et ce qui devait être transmis depuis l'extrémité émettrice peut changer avant d'atteindre l'extrémité réceptrice. Pour obtenir une transmission du signal sans distorsion, les pistes de signaux du PCB doivent donc conserver une impédance constante. Il s'agit de la première étape pour améliorer l'intégrité du signal lors du routage des pistes de PCB.

Comment calculer l'impédance dans la conception d'un PCB:

L'impédance des lignes de transmission est déterminée lors de la création de l'empilage des couches pour votre conception. La possibilité de modifier les attributs suivants des couches de la carte vous permet de contrôler l'impédance, les pertes et le délai de propagation pendant le routage. Lors de la conception d'un empilage de PCB, le concepteur doit définir la disposition et l'épaisseur des couches, puis sélectionner les matériaux de son PCB. Une fois ces décisions prises, il doit déterminer la largeur de piste nécessaire pour atteindre l'impédance requise de la ligne de transmission du PCB.

Les calculateurs de lignes de transmission pour PCB sont très nombreux et fournissent les outils nécessaires pour calculer l'impédance sans pertes, le délai de propagation sans pertes ou des valeurs simples telles que la résistance CC. Ces grandeurs sont utiles, mais elles ne décrivent pas toute la réalité de votre conception. Les calculateurs en ligne sont également connus pour fournir des résultats incorrects lors des calculs d'impédance, notamment parce qu'ils ne peuvent pas prendre en compte des phénomènes fondamentaux tels que la dispersion et la rugosité des lignes de transmission.

Les calculateurs en ligne utilisent généralement les équations de Wadell pour déterminer numériquement l'impédance de la ligne de transmission. Les calculateurs plus simples utilisent les équations IPC-2141, moins précises. Un calculateur de ligne de transmission pour PCB trouvé en ligne ou intégré à de nombreuses applications de conception ne peut pas fournir des valeurs d'impédance précises, car il ne prend pas en compte la tangente de perte ni la dispersion dans ses calculs. Un outil plus précis est donc nécessaire pour ces tâches.

Facteurs qui déterminent l'impédance d'une ligne de transmission:

L'impédance est déterminée par plusieurs facteurs:

● Partie réelle de la constante diélectrique: L'épaisseur du diélectrique est directement proportionnelle à l'impédance. Plus le diélectrique est épais, plus l'impédance est élevée.

● Tangente de perte et dispersion: Dans la conception des PCB, la tangente de perte mesure la perte d'énergie du matériau diélectrique sous forme de chaleur lorsqu'un signal le traverse. Elle affecte l'intégrité du signal, en particulier aux hautes fréquences, et provoque une atténuation du signal. Les matériaux à faible tangente-de perte sont privilégiés pour les conceptions haute vitesse et RF afin de réduire la dégradation du signal.

● Distance entre la piste et le plan de référence voisin: La distance entre deux pistes est inversement proportionnelle à l'impédance. Un espacement approprié est essentiel pour maintenir une impédance contrôlée et garantir l'intégrité du signal dans les circuits haute vitesse et RF.

● Épaisseur et rugosité de la piste en cuivre: L'épaisseur de la feuille de cuivre est inversement proportionnelle à l'impédance. Plus le cuivre est épais, plus l'impédance est faible. L'épaisseur du cuivre peut être contrôlée par galvanoplastie sélective ou par la sélection d'une feuille de cuivre du matériau de base présentant l'épaisseur appropriée.

● Largeur de piste: La largeur de piste est inversement proportionnelle à l'impédance. Les pistes plus fines présentent une impédance plus élevée, tandis que les pistes plus larges présentent une impédance plus faible. Le contrôle de la largeur des pistes dans une tolérance de +/- 10% est nécessaire pour un meilleur contrôle de l'impédance. Pour garantir la précision de la largeur des pistes, une compensation d'ingénierie est appliquée aux photomasques en fonction de la sous-attaque chimique, des erreurs lithographiques et des erreurs de transfert du motif.

Comment réduire le bruit de réflexion:

Plusieurs méthodes permettent de gérer le bruit de réflexion dans votre conception. Voici un aperçu de certaines techniques à votre disposition.

1) Calculer l'impédance de vos pistes

Maintenez une impédance constante après le franchissement par la piste d'un élément, d'un via ou d'une pastille de composant. Pour maintenir une impédance constante, vous devez pouvoir calculer l'impédance de vos pistes. Votre logiciel de conception de PCB devrait permettre cette opération, mais des outils en ligne sont également disponibles. Une fois les largeurs de piste et d'espacement déterminées, conservez-les sur l'ensemble du routage.

2) Uniformité entre les pistes

Pour maintenir une impédance constante dans vos paires différentielles ou vos pistes asymétriques, vous devez conserver une largeur de piste, un espacement et une distance constants par rapport à tous les autres conducteurs. Si vous routez une piste quelconque au-dessus de vos paires à impédance contrôlée, vous modifierez l'impédance et créerez un point de réflexion.

3) Réduire les points de réflexion

Vous pouvez également chercher à réduire dès le départ l'apparition des points de réflexion.

4) Surveiller les vias au bord de la carte

Les vias peuvent poser problème aux concepteurs de circuits haute vitesse. Si le via se prolonge au-delà des pistes de signaux vers des couches inutilisées, l'impédance du circuit change soudainement. À la transition au bord d'une carte, une désadaptation d'impédance apparaît lorsque les pistes quittent le via (~50-150 ohms) et entrent dans l'air (~377 ohms). Cela crée un point de réflexion à cet endroit, qui peut fortement dégrader le signal.

5) Effectuer un back-drilling des vias

La solution consiste à demander au fabricant de PCB d'effectuer un «back-drilling» des vias afin de retirer la partie du via située dans les couches externes inutilisées de la carte. Les vias back-drilled améliorent considérablement les transitions logiques.

Réduire le bruit de réflexion existant:

Une autre technique importante consiste à utiliser des résistances d'amortissement en série à proximité de toutes les sources de signaux pilotes présentant des temps de montée et de descente rapides. On parle parfois de résistance d'amortissement. Toute réflexion du signal est rapidement atténuée à chaque passage dans la résistance. Il s'agit généralement de résistances <100Ω placées près de la source du signal pilote (par exemple, source d'horloge, GPIO, etc…). L'idée générale est de créer un circuit amorti, dans lequel le signal atteint une seule fois le niveau logique approprié sans dépassement ni oscillation excessifs.

Calcul des règles de réflexion dans une conception:

Il existe principalement 3 paramètres utilisés pour caractériser l'impédance et les réflexions:

1) Coefficient de réflexion de tension (VRC)

2) Rapport d'ondes stationnaires en tension (VSWR)

3) Calculateur de perte de retour (RL)

Calculateur du coefficient de réflexion de tension (Γ):

Il s'agit du rapport entre l'amplitude de l'onde réfléchie et celle de l'onde incidente au niveau de la jonction. Le coefficient de réflexion est désigné par le symbole gamma. La valeur absolue du coefficient de réflexion ne dépend pas de la longueur de la ligne, mais uniquement de l'impédance de charge et de l'impédance de la ligne de transmission.

Des calculateurs en ligne permettent de calculer le coefficient de réflexion (Γ) en saisissant la valeur de l'impédance caractéristique Zo (en ohms) et de l'impédance de charge ZL (en ohms). Cette valeur varie de -1 (pour une charge en court-circuit) à +1 (pour une charge ouverte) et devient égale à 0 pour une charge à impédance adaptée.

Où:

V- = Amplitude de l'onde réfléchie en V

V+ = Amplitude de l'onde incidente en V

Trois facteurs sont liés à cet effet: l'importance de la variation d'impédance, le temps de montée du signal et le délai du signal sur la ligne étroite.

Calculateur VSWR:

Le VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) mesure l'efficacité avec laquelle la puissance RF est transmise à une charge. Le VSWR mesure la quantité de signal réfléchie dans le système. Il s'agit du rapport entre les ondes transmises et réfléchies. Un VSWR élevé indique une faible efficacité de la ligne de transmission et une énergie réfléchie importante. Il varie de 1 à l'infini.

Calculateur de perte de retour (RL):

La perte de retour correspond à la quantité de puissance perdue dans la charge et qui ne revient pas dans le système sous forme de réflexion. Elle s'exprime en dB. Une perte de retour élevée signifie qu'une plus grande quantité de puissance est perdue dans la charge. Il s'agit de la valeur en dB du coefficient de réflexion absolu. Cette perte est égale à 0 pour une réflexion de 100% et devient infinie pour une connexion idéale.

Calculateur de perte de retour (à l'aide du VSWR):

Calculateur de perte de retour (à l'aide du VRC):

Outil de calcul d'impédance JLCPCB:

Les lignes de transmission dans la conception des PCB peuvent utiliser des formules différentes. Il n'est donc pas facile d'obtenir des valeurs précises d'adaptation d'impédance avec ce logiciel. La meilleure solution consiste à contacter le fabricant et à calculer l'impédance à l'aide de son outil de calcul d'impédance étalonné.

L'outil de calcul d'impédance JLCPCB est une ressource en ligne fournie par JLCPCB pour aider les concepteurs à calculer l'impédance des pistes de PCB. Cet outil est essentiel pour concevoir des circuits haute fréquence dans lesquels le contrôle de l'impédance est indispensable au maintien de l'intégrité du signal.

Fonctionnalités principales:

1. Sélection du type de piste: Choisissez entre une microruban, une stripline ou des paires différentielles.

2. Paramètres d'entrée: Saisissez la largeur de piste, l'épaisseur de piste, la constante diélectrique et la distance entre la piste et le plan de référence.

3. Calculs instantanés: L'outil fournit en temps réel les calculs de l'impédance caractéristique à partir des paramètres saisis.

4. Propriétés des matériaux: Il vous permet de sélectionner différents matériaux de PCB, qui influencent la constante diélectrique et l'impédance.

Sélectionnez le type de ligne de transmission (par exemple, microruban ou stripline), puis saisissez la constante diélectrique du matériau du PCB. Entrez la largeur et l'épaisseur de la piste ainsi que la distance jusqu'au plan de référence. L'outil calculera et affichera la valeur d'impédance. Cet outil est largement utilisé dans la conception des PCB pour garantir que l'impédance correspond aux spécifications requises, en particulier dans les circuits haute vitesse ou RF. Vous pouvez accéder au calculateur d'impédance JLCPCB depuis le site Web.