Contrôle de l’impédance des PCB : garantir l’intégrité du signal dans les circuits haute fréquence

L’impédance mesure l’opposition d’un circuit électrique lorsqu’un courant alternatif lui est appliqué. Elle est la combinaison de la capacité et de l’induction d’un circuit électrique à haute fréquence. L’impédance se mesure en ohms, comme la résistance. Si les impédances sont différentes, des réflexions et des atténuations se produisent, ce qui détériore le signal.

Pour les circuits analogiques ou numériques à haute fréquence, il est essentiel de protéger les signaux qui se propagent sur le PCB afin qu’ils ne soient pas endommagés. En effet, les signaux au-dessus de 100 MHz sont impactés par l’impédance des pistes qui, si elle n’est pas correctement prise en compte, peut provoquer des erreurs inattendues, particulièrement difficiles à analyser. Heureusement, le contrôle de l’impédance permet aux concepteurs et aux fabricants de PCB de gérer ce phénomène.

Qu’est-ce que le contrôle d’impédance et le couplage de signaux

Le contrôle d’impédance ajuste les dimensions et l’emplacement des pistes de PCB en fonction des propriétés du matériau de substrat afin de maintenir le signal sans bruit et sans atténuation pendant la transmission. Ainsi, les pistes d’un circuit imprimé (PCB) ne peuvent plus être considérées comme de simples connexions point à point. Elles doivent être considérées comme des lignes de transmission et le couplage d’impédance devient nécessaire pour réduire ou éliminer l’impact sur l’intégrité du signal. En suivant de bonnes pratiques de conception, de nombreux problèmes potentiels d’intégrité du signal peuvent être évités ou atténués.

Ici, nous allons discuter de l’importance du contrôle d’impédance, des causes des problèmes d’intégrité du signal et des moyens de les éviter.

Facteurs déterminant l’impédance des lignes de transmission :

En général, l’impédance des pistes varie entre 25 et 125 ohms et dépend des facteurs suivants :

● 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.

● Tangent de perte et dispersion : La tangent de perte dans la conception PCB mesure l’énergie dissipée par le matériau diélectrique sous forme de chaleur lorsque le signal le traverse. Elle impacte l’intégrité du signal, surtout à haute fréquence, en provoquant une atténuation du signal. Les matériaux à faible tangent de perte sont préférés pour les conceptions à grande vitesse et RF afin de réduire la dégradation du signal.

● Distance entre la piste et le plan de référence proche : La distance entre deux pistes est inversement proportionnelle à l’impédance. Un espacement approprié est crucial pour maintenir une impédance contrôlée et assurer 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 électroplaquage des motifs ou en choisissant une feuille de cuivre de substrat avec l’épaisseur appropriée.

● Largeur de la piste : La largeur de la piste est inversement proportionnelle à l’impédance. Des pistes plus fines entraînent une impédance plus élevée, tandis que des pistes plus larges entraînent une impédance plus faible. Il est nécessaire de contrôler la largeur des pistes avec une tolérance de +/- 20 % pour un meilleur contrôle de l’impédance. Pour garantir la précision de la largeur des pistes, une compensation d’ingénierie est effectuée sur les photomasques en tenant compte du sous-décapage de gravure, des erreurs lithographiques et des erreurs de transfert de motif.

Le concepteur du circuit doit donc s’assurer que, pour les signaux haute fréquence, le choix des pistes et de l’empilage permet d’atteindre une valeur d’impédance cible, avec une certaine tolérance. Les outils CAO électroniques les plus avancés calculent cela automatiquement.

Pourquoi le couplage d’impédance est-il nécessaire ?

La fonction d’une piste PCB est de transférer la puissance du signal de l’appareil émetteur vers l’appareil récepteur. La puissance doit se propager sur toute la longueur de la piste. Cependant, la puissance maximale du signal ne peut être atteinte qu’avec un couplage d’impédance correct sur le PCB. Selon le théorème du transfert maximal de puissance, lorsque l’impédance des deux appareils correspond, un flux de puissance maximal peut être observé entre eux. Si aucune précaution particulière n’est prise lors de la conception du PCB, les signaux haute fréquence se dégraderont inévitablement lorsqu’ils se propagent du driver vers le récepteur.

Une idée reçue est que la vitesse d’horloge du circuit détermine si le circuit fonctionne à haute vitesse. En réalité, les signaux haute vitesse sont liés au temps de montée/descente d’un signal d’horloge, c’est-à-dire à la rapidité avec laquelle un signal passe d’un état à un autre (Logique 0 et Logique 1).

Comment calculer l’impédance d’une piste PCB ?

Comme mentionné précédemment, de nombreux facteurs interviennent dans la détermination de l’impédance d’une piste PCB. Les lignes de transmission dans les PCB peuvent nécessiter des formules différentes, il n’est donc pas facile d’obtenir des valeurs précises avec des logiciels open-source. Le mieux est de contacter le fabricant et de calculer l’impédance à partir de leur outil calibré de calcul d’impédance.

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 PCB. Cet outil est essentiel pour concevoir des circuits haute fréquence où le contrôle de l’impédance est critique pour maintenir l’intégrité du signal.

Principales fonctionnalités :

1. Sélection du type de piste : Choisissez entre microstrip, stripline ou paires différentielles.

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

3. Calcul instantané : L’outil fournit des calculs en temps réel de l’impédance caractéristique selon les paramètres saisis.

4. Propriétés du matériau : Il permet de sélectionner différents matériaux de PCB, qui influencent la constante diélectrique et l’impédance.

Sélection du type de ligne de transmission. Sélectionnez le type de ligne de transmission (par exemple, microstrip ou stripline) et saisissez la constante diélectrique du matériau du PCB. Entrez la largeur de la piste, son épaisseur et la distance jusqu’au plan de référence. L’outil calculera et affichera la valeur de l’impédance. Cet outil est largement utilisé dans la conception de 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 via le site web.

Quels calculs une méthode de contrôle d’impédance effectue-t-elle sur un PCB ?

Plus la piste est longue ou plus la fréquence est élevée, plus l’adaptation de l’impédance est nécessaire. Tout manque de rigueur à cette étape peut augmenter le temps de commutation d’un dispositif électronique ou d’un circuit et provoquer des erreurs inattendues. Une impédance non contrôlée est difficile à analyser une fois les composants montés sur le circuit. Les composants ont des tolérances différentes selon leur lot de fabrication. Une méthode de contrôle d’impédance effectue les calculs de longueur critiques en fonction de la vitesse du signal.

C’est pourquoi les impédances des pistes et leurs tolérances doivent être vérifiées dès les premières étapes de la conception du PCB. Les concepteurs doivent travailler en étroite collaboration avec le fabricant pour garantir la conformité des valeurs des composants.

Méthodes pour obtenir un couplage d’impédance :

Une impédance bien contrôlée signifie que l’impédance de la piste reste constante à chaque point du trajet sur le PCB. Cela implique que, partout où la piste circule, même si elle change de couche, l’impédance doit rester la même, de la source à la destination.

Il existe quelques critères de conception importants à prendre en compte. Gardez à l’esprit que de nombreux problèmes liés aux réflexions et aux EMI peuvent être évités grâce à de bonnes techniques de conception de PCB.

1) Matériau avec faible constante diélectrique :
Dans le passé, le FR4 était généralement spécifié. Mais pour les conceptions haute vitesse, l’utilisation du bon stratifié est cruciale. Il est conseillé et préférable d’utiliser un matériau avec une constante diélectrique (Dk) plus faible. Cela garantit non seulement les meilleures performances du signal, mais minimise également toute distorsion ou jitter de phase du signal. Il est donc nécessaire de sélectionner le matériau le plus adapté à votre application et de le spécifier dans vos notes de fabrication.

2) Chemins de retour du signal :
Inclure des plans d’alimentation pouvant fournir un chemin de retour du signal sous chaque piste est une étape essentielle pour contrôler l’impédance. En évitant les discontinuités (comme une coupure ou un trou dans le plan d’alimentation sous une piste critique), le courant de retour circulant à travers le plan suivra le même chemin physique que la piste sur la couche de signal.

3) Empilement des couches (Layer Stack-up) :
L’empilement des couches fait référence à l’organisation des différentes couches d’un PCB, y compris les couches de signal, les plans de masse, les plans d’alimentation et les matériaux diélectriques. L’empilement joue un rôle significatif dans le contrôle de l’impédance des pistes, ce qui est crucial pour l’adaptation d’impédance. Un arrangement correct des couches est essentiel ; les couches de signal sont généralement placées à proximité des plans de référence (plan de masse ou plan d’alimentation), ce qui aide à stabiliser et contrôler l’impédance.

Les pistes à impédance contrôlée, telles que les microstrips ou les striplines, sont conçues avec un contrôle précis de l’impédance en ajustant la largeur des pistes, l’empilement des couches et les propriétés diélectriques.

Attention particulière à :

• Les pistes doivent être aussi courtes que possible et réduire les longueurs inutiles.
• Le choix et la quantité de condensateurs de découplage ainsi que la disposition des boucles de routage.
• Les branches mortes (stubs) et discontinuités qui dégradent la qualité du signal doivent être évitées.
• Pour les paires différentielles, s’assurer que les deux pistes ont la même longueur.
• Plan de référence de masse et chemins de retour du courant.
• Inductances causées par un mauvais empaquetage des composants.
• Envisager l’utilisation d’une finition de surface en argent par immersion plutôt qu’ENIG. Le nickel dans ENIG est très dissipatif et, en raison de l’effet de peau, il n’est pas recommandé pour les conceptions haute vitesse.

Vérification du contrôle d’impédance :

Le contrôle d’impédance peut être vérifié après la fabrication du PCB en utilisant des coupons de test (un coupon de test est un PCB utilisé pour tester la qualité du processus de fabrication. Les coupons sont fabriqués sur le même panneau que les PCB, généralement sur les bords, et permettent de vérifier l’alignement des couches, la connectivité électrique et la section transversale). Ensuite, un TDR (Time-Domain Reflectometer) peut être utilisé pour tester l’impédance. Un rapport est ensuite généré pour indiquer si l’impédance caractéristique a été atteinte sur votre PCB.

La performance globale et le comportement CEM des équipements électroniques ne dépendent pas seulement de la conception des circuits et de la géométrie du PCB, mais aussi du réseau d’alimentation.

Conclusion :

Les signaux d’impédance sur un PCB réel peuvent fortement différer de la valeur idéale calculée à partir d’un schéma. La principale raison est l’existence du substrat et la disposition des pistes sur la carte. Cela entraîne des conséquences comme le diaphonie (crosstalk), qui dévie des niveaux d’impédance souhaités. Des problèmes d’intégrité de l’alimentation, tels que le ringing, peuvent survenir lorsque les circuits changent à haute fréquence. À des fréquences plus élevées, l’impédance du réseau d’alimentation divergera également du comportement capacitif optimal, ce qui peut provoquer des problèmes d’intégrité de signal et d’alimentation.

En comprenant les facteurs causaux des désadaptations d’impédance et en appliquant les bonnes pratiques de conception pour les réduire ou les éliminer, le concepteur de PCB peut créer une solution véritablement optimisée : une conception robuste pouvant être fabriquée en un PCB fiable et performant.