CROSSTALK PCB : DIAPHONIE OU COUPLAGE
QU'EST-CE QUE LA DIAPHONIE ?
Les mots "diaphonie" et "couplage" désignent l'injection d'énergie électromagnétique depuis une ligne de transmission vers une autre passant à proximité. Dans les cartes de circuits imprimés, la diaphonie peut exister entre deux pistes côte à côte dans la même couche ou superposées dans des couches adjacentes. Cette énergie couplée apparaît sous forme de bruit sur la piste victime et peut provoquer des dysfonctionnements si l'amplitude est trop importante. Découvrez comment ce bruit est transféré de piste en piste, et les méthodes pour l'empêcher.
DIAPHONIE OU COUPLAGE
Les mots "diaphonie" "couplage" ou encore “Crosstalk” de PCB désignent l'injection d'énergie électromagnétique d'une ligne de transmission à une autre qui passe à proximité. Dans les cartes de circuits imprimés, la diaphonie est généralement constituée de deux pistes côte à côte dans la même couche ou superposées dans des couches adjacentes. Cette énergie couplée apparaît sous forme de bruit sur la piste victime et peut provoquer des dysfonctionnements si l'amplitude est trop importante. Bien que le couplage inductif (Crosstalk PCB), ou la diaphonie de champ magnétique, puisse se produire dans des PCB, la diaphonie provient généralement du couplage capacitif basé sur le champ électrique. Cette section décrit comment ce bruit est transféré de piste en piste, et les méthodes pour l'empêcher.
Figure 1 : Schéma de couplage capacitif sur deux lignes de transmission côte à côte. La ligne de transmission supérieure est affichée en train de commuter et la ligne inférieure est inactive. Vous remarquez qu'il y a deux formes d'onde le long de la ligne victime. L'une se trouve à l'extrémité des lignes où le driver se trouve sur la ligne conduite, et l'autre à l'extrémité opposée ou à l'extrémité éloignée. Notez aussi que les formes d’ondes sont différentes. La fréquence et la forme d’onde à l'extrémité driver de la ligne victime sont généralement appelées "diaphonie proche" ou arrière ou "NEXT" ; et la forme d’onde à l'extrémité éloignée de la ligne victime est appelée "diaphonie lointaine" ou avant ou "FEXT".
L'aspect exact de ces deux formes de fréquences d'ondes dépend de ce qui se trouve aux quatre extrémités des lignes de transmission. Les possibilités sont les suivantes : un court-circuit, une terminaison ou un circuit ouvert. La référence 1 à la fin de cette section décrit en détail comment ces terminaisons génèrent une diaphonie qui affectent les signaux vus sur la ligne victime. Il ressort de ce document que le pire des cas intervient lorsque les extrémités des deux lignes sont des circuits ouverts et que l'extrémité proche de la ligne victime est un court-circuit. Ce cas de figure correspond au fonctionnement de la plupart des circuits CMOS. Dans ces conditions, les formes d'onde observées sur la ligne victime ressembleront beaucoup à celles de la Figure 1.
Dans cette discussion, l'analyse sera faite en utilisant cet ensemble de conditions du "pire des cas".
Figure 1 : Crosstalk PCB : Deux lignes de transmission côte à côte en interaction
Figure 2 : Deux formes de diaphonie par couplage capacitif (proche et lointain) varient au fur et à mesure que la longueur des deux lignes de transmission côte à côte s'allonge. Remarquez que la diaphonie lointaine augmente plus lentement que la diaphonie proche à mesure que la longueur couplée s'allonge. Remarquez également qu'il arrive un moment où la diaphonie proche n'augmente pas avec les augmentations de la longueur couplée. C'est ce qu'on appelle la "longueur critique" ou la longueur à laquelle la diaphonie proche cesse d’augmenter ou saturer.
La diaphonie lointaine augmente beaucoup plus lentement que la diaphonie proche et ne devient pas un facteur dans les circuits imprimés car la longueur de la course parallèle est trop courte. Cette forme de diaphonie était un problème majeur pour les opérateurs téléphoniques lorsque les lignes étaient longues de plusieurs mètres. Cette section portera sur les moyens de contrôler la diaphonie proche.
Figure 2. Couplage PCB : Diaphonie lointaine et proche en fonction de la longueur couplée
Méthodes de contrôle de la diaphonie proche avec routage côte à côte
Lorsque les lignes de transmission sont côte à côte, le mécanisme de couplage capacitif est dominé par la composante magnétique du champ électromagnétique. Avec un routage de pistes superposées, le champ électrique dominera.
Plusieurs méthodes ont été proposées pour contrôler la diaphonie proche. Parmi elles :
- Limitation de la longueur des lignes de transmission côte à côte
- Insertion de "pistes de garde" entre les deux lignes de transmission
- Rangées de vias "de masse" des deux côtés d'un signal sensible
Limitation de la longueur du parcours parallèle
La méthode la plus courante proposée pour contrôler la diaphonie par couplage capacitif est de limiter la longueur de deux lignes de transmission côte à côte. Il existe même des routines dans plusieurs routeurs de PCB qui permettent au concepteur de sélectionner une valeur de longueur. L'outil peut alors empêcher que le routage dépasse cette valeur pour réduire la capacité de couplage PCB (Crosstalk PCB). Pour que cette méthode fonctionne, cette longueur doit être inférieure à la longueur critique indiquée dans la Figure 2. Si une parallèle atteint la longueur critique, on constate qu’au delà de ce point elle n'entraîne pas une augmentation de la diaphonie. Figure 3 : Représentation graphique de la longueur critique en fonction du temps de montée du signal. Les trois courbes sur le graphique correspondent à trois constantes diélectriques différentes (er). Deux correspondent au Teflon, trois à la plupart des câbles rubans et quatre à la plupart des diélectriques typiques des PCB.
Comme on peut le constater, plus les temps de montée sont rapides, plus la longueur critique est courte. Avec un temps de montée de 1,4 nSec, la longueur critique est d'environ 6 pouces ou 15 cm. Si le routeur était réglé pour autoriser une parallèle de 7,5 cm, il serait possible d'effectuer la plupart des connexions dans la plupart des modèles sans manquer d'espace sur la carte ou de couches. Malheureusement, très peu de circuits intégrés modernes sont aussi lents. Actuellement, des temps de montée aussi rapides que 100 picosecondes sont très courants. Figure 3 : La longueur critique à 100 picosecondes est inférieure à un demi-pouce ou environ 1,5 cm. Avec ces temps de montée, le contrôle de la longueur ne fonctionne pas. Elles sont bien connues depuis très longtemps dans l'industrie des supercalculateurs, mais elles n’ont pas été utilisées pour contrôler la diaphonie proche.
Figure 3. Crosstalk PCB : Longueur critique en fonction du temps de montée du signal.
Si le contrôle de la longueur pour limiter la diaphonie ne fonctionne pas, quelle méthode utiliser ?
Dans la Figure 2, une fois la longueur critique atteinte, continuer le routage parallèle n'augmente pas la diaphonie. À ce stade, seuls deux paramètres influencent le niveau de la diaphonie. Il s'agit de la hauteur par rapport au plan le plus proche et de la séparation bord à bord. Figure 4 : Ce graphique montre comment la diaphonie varie selon la hauteur au-dessus du plan le plus proche et la séparation bord à bord lorsque la longueur critique est atteinte.
Figure 4.Couplage PCB : Diaphonie proche en fonction de la hauteur au-dessus du plan et de la ligne ruban (stripline
Figure 4 : Ligne ruban “Offcenter”. Cela signifie que les lignes de transmission passent entre deux plans, sans être centrées entre eux. C'est typique des PCB qui ont deux couches de signal entre deux plans. Remarquez que la diaphonie diminue considérablement lorsque la hauteur au-dessus du plan le plus proche est réduite. Elle diminue aussi encore plus rapidement lorsque les pistes s'éloignent les unes des autres. Figure 5 : Tracé des valeurs correspondant aux couches de signaux du micro-ruban à l'extérieur d'un PCB.
Figure 5. Couplage PCB : Diaphonie proche en fonction de la hauteur au-dessus du plan et du micro-ruban
Pistes de Garde
De nombreuses règles empiriques ont recommandé l'insertion de "pistes de garde" entre les lignes de transmission comme méthode de contrôle de la diaphonie capacitive. Si ça marche, comment ça fonctionne ? Et si cela fonctionne, y a-t-il un inconvénient à utiliser cette méthode ? La "pratique courante" dans de nombreuses entreprises est de router avec des lignes de 5 mil et des espaces de 5 mils. En se référant à la Figure 4, si un PCB était acheminé selon ces règles et que la hauteur au-dessus du plan le plus proche était de 5 mils (ce qui est également courant), la diaphonie serait d'environ 8%. Si cela était jugé excessif et qu'une piste de garde était ajoutée, quelles seraient les conséquences ? Pour faire place à la piste de garde, il faut ajouter un espace de 5 mil et une piste de 5 mil. Maintenant, les séparations bord à bord sont de 15 mils au lieu de 5 mils et la diaphonie est inférieure à 1%. Ce n'est pas la piste de garde qui a causé cette diminution. C’est la séparation.
Les inconvénients de l'ajout de pistes de garde sont : Cela rend le routage beaucoup plus difficile. La piste de garde n'est pas une barrière. Il s'agit d'un circuit résonnant qui peut améliorer la diaphonie en créant un filtre passe-bande.
La séparation est la seule bonne méthode pour contrôler la diaphonie dans le routage côte à côte.
Des rangées de vias « de masse »
Certains gourous et des notes d'application proposent une règle qui consiste à placer des vias « de masse » de part et d'autre d'une piste critique pour protéger une ligne de transmission sensible. Cette règle n'est soutenue par aucune preuve valable. Si vous demandez combien de vias il faut utiliser et à quel intervalle, vous n’obtenez que des réponses vagues. Si une telle règle était utile et nécessaire, aucun des serveurs et routeurs que nous concevons chaque jour ne serait réalisable puisque nous n’aurions jamais assez d’espace pour placer tous ces vias. Cette règle est donc fausse et ne doit pas être utilisée. Les règles de conception valables offrent des preuves directes. Cette règle n’en a aucune.
Méthodes de contrôle de la diaphonie proche avec routage de pistes superposées
Lorsqu’un routage de pistes superposées est terminé, qu’une ligne de transmission se trouve dans une couche et une autre dans la couche supérieure ou inférieure, le couplage PCB (Crosstalk PCB) est dominé par le champ électrique, comme si un petit condensateur avait été connecté entre les deux lignes de transmission. Les formes d'onde couplées ont cette apparence. Avec les bords rapides d’une logique moderne, la quantité d'énergie couplée augmente si vite avec le chevauchement entre deux pistes, qu'elle dépasse les limites autorisées sur des distances très courtes.
Le seul moyen sûr de contrôler la diaphonie avec les couches de signaux adjacentes est de router les pistes d’une couche dans le sens X, et dans le sens Y dans l'autre couche. La plupart des systèmes d’agencement des PCB permettent de spécifier une couche comme X et l'autre comme Y pour éviter ce genre de chevauchement. Malheureusement, comme beaucoup d'entre eux enfreignent occasionnellement cette contrainte, le concepteur doit procéder à une double vérification après le routage pour s'assurer que cette règle a été respectée.
Calcul de la diaphonie
De nombreuses règles empiriques circulent sur la façon d'espacer les pistes afin de contrôler la diaphonie pour différentes fréquences d'ondes et la conception des circuits imprimés. Par exemple : trois fois la hauteur au-dessus du plan le plus proche ; deux fois la largeur de la piste et quatre fois la largeur de la piste. Ces règles empiriques sont en fait arbitraires. Afin de déterminer l'espacement nécessaire, la première question consiste à déterminer le niveau de bruit de diaphonie acceptable. Cette question est importante parce que les concepteurs de PCB doivent tenir compte de nombreux éléments, de la taille des circuits imprimés, de l'intégrité du signal ou de l'impédance, pour n'en citer que quelques-uns. Cela dépend de plusieurs facteurs, notamment : la piste victime se trouve-t-elle à côté d'une autre piste d'une amplitude beaucoup plus élevée, ou se trouve-t-elle à côté d'une autre piste ayant le même signal d'amplitude ?
Déterminer le niveau de bruit acceptable
À la fin de cette section (réf. 2), nous parlons de la création des règles de conception à l'aide des analyses des marges de bruit. Dans cette section, il apparaît que le budget bruit d'une famille logique est consommé par plusieurs sources de bruit. Avec des CMOS, nous avons quatre sources de bruit principales. Ce sont : la diaphonie, les réflexions, l’ondulation ("ripple") Vdd et le rebond de masse et Vdd dans les packages CI. Lorsque le niveau de bruit des trois dernières sources a été calculé, cette valeur est soustraite de la marge de bruit de la famille logique pour obtenir la diaphonie acceptable.
Méthode analytique pour déterminer la diaphonie
Des outils analytiques permettent de calculer la diaphonie générée par la géométrie proposée entre deux lignes de transmission. Figure 6 : Capture d'écran dans Hyperlynx® montrant une paire de lignes de transmission qui sera utilisée pour calculer la diaphonie pour une géométrie proposée. Sur ces deux circuits CMOS, le circuit supérieur est actif et le circuit inférieur est à 0 logique.
Figure 6. Diagramme de circuit utilisé pour calculer la diaphonie
Figure 7 : Capture d’écran montrant comment la séparation entre les pistes est spécifiée, ainsi que la largeur et la hauteur des pistes au-dessus du plan. Il convient de noter que la largeur des pistes n'a aucune incidence sur la diaphonie. Seules la séparation bord à bord et la hauteur au-dessus du plan le plus proche sont concernées une fois que les lignes de transmission ont été acheminées au-delà de la "longueur critique".
Figure 7. Capture d’écran montrant la géométrie de la paire couplée dans la Figure 6
Figure 8 : Formes d'onde provenant de la ligne conduite passant de 1 logique à 0 logique. La forme d'onde rouge est le signal au niveau du driver sur la ligne conduite. La forme d'onde violette est le signal au niveau du récepteur sur la ligne conduite. La ligne jaune plate est la sortie de la ligne victime (0 logique). La forme d'onde avec la bosse est l'extrémité réceptrice de la ligne victime.
Figure 8. Formes d'ondes lorsque la ligne conduite de la Figure 6 commute.
Le bruit sur la ligne victime apparaît à l'extrémité "avant" ou réceptrice de cette ligne et ne semble pas être une diaphonie arrière qui devrait apparaître à l'extrémité "arrière" de la ligne victime. L’extrémité driver de la ligne victime est 0 logique, qui est un court-circuit. Dans la section sur les lignes de transmission, on observe que les courts-circuits n'absorbent pas l'énergie. Ils la reflètent comme une forme d'onde inverse (Figure 8). La deuxième observation dans la section des lignes de transmission indique que les circuits ouverts n'absorbent pas non plus l'énergie mais la renvoient doublée, comme c'est le cas dans la Figure 8.
L'amplitude de la diaphonie dans la Figure 8 est d'environ 1 volt sur une ligne de signal de 3,3 volts. C’est évidemment excessif. La solution consiste à revenir à l'écran de réglage de la hauteur et de l'espacement, et d’ajuster l'un ou l'autre ou les deux jusqu'à ce que la diaphonie retrouve une valeur acceptable selon la conception. Sur la base de cette analyse, les règles de diaphonie obtenues seront précises et ne seront pas le résultat d'une quelconque règle arbitraire.
RÉFÉRENCES DE CONCEPTION À HAUT DÉBIT
- « 90 Degree Corners, The Final Turn » Doug Brooks, etal, Printed Circuit Design, janvier 1998.
- SIGNAL INTEGRITY- SIMPLIFIED, Eric Bogatin, Prentice Hall, 2004.
- « Reflections and Crosstalk in Logic Circuit Connections » John A DeFalco, IEEE Spectrum, July 1970.
- « Right the First Time, a Practical Handbook on High Speed PCB and System Design, Volumes 1 & 2 » Zasio et Ritchey, Speeding Edge 2003 et 2006.
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