Comment éviter les problèmes courants d'intégrité du signal dans vos conceptions

Faites-vous tout ce que vous pouvez pour résoudre les problèmes d'intégrité du signal dans vos conceptions à haut débit ? Poursuivez votre lecture pour découvrir comment éviter la plupart des problèmes d'intégrité du signal avec les solutions d'empilage et de routage de PCB pour Altium Designer^®.

Les conceptions à haute performance se différencient par des défis uniques dans le monde de la conception électronique.

La naissance de la conception à haute performance

Au fil des ans, la multiplication des conceptions pour signaux à haute fréquence est étroitement liée à l'augmentation constante des performances des systèmes électroniques. Au fur et à mesure que les performances systèmes augmentent, les challenges des PCB s'intensifient. Les matrices sont de plus en plus petites, les circuits imprimés sont de plus en plus compacts et nous recherchons constamment des puces qui consomment le moins d'énergie possible. Avec la rapidité de ces progrès technologiques, nous sommes arrivés au cœur de la conception à haute performance, avec toute sa complexité et problèmes.

Prenons du recul pour mieux comprendre

Beaucoup de choses ont changé dans la conception des PCB au cours des 30 dernières années. En 1987, nous pensions que la technologie 0,5 micron avait posé une limite insurmontable. Mais aujourd'hui, nous sommes arrivés au même point avec la technologie 22 nm ! En 1985, les hauts débits qui repoussaient les limites de la complexité des PCB (typiquement 30ns) font aujourd’hui piètre figure par rapport aux vitesses actuelles (1ns).

Des progrès freinés par la diversité des problèmes

Le progrès ne vient pas sans poser des problèmes. Avec l'augmentation de la performance des systèmes et l'adoption de pratiques de conception à haute vitesse, nous avons rencontré plusieurs problèmes qui doivent être traités dans l'environnement de conception. Résumons ces challenges :

Qualité du signal

La décision des fabricants de PCB d’abaisser les tensions de noyau et d’augmenter les fréquences opérationnelles a entraîné une forte augmentation des vitesses. Ces vitesses peuvent créer des problèmes de réflexion et de qualité du signal en l’absence de terminaison complète.

Diaphonie

Les conceptions basées sur des signaux à haute vitesse, avec une densité de pistes très élevée, génèrent souvent un niveau supérieur de diaphonie, un phénomène associé au couplage accidentel des fréquences électromagnétiques entre les pistes d’un circuit imprimée. 

La diaphonie peut être couplée en périphérie sur la même couche, ou peut être couplée en largeur par les pistes des couches adjacentes. Le couplage est tridimensionnel. Les pistes routées en parallèle et en largeur causent plus de diaphonie que celles routées côte à côte.

Émissions rayonnées

Des vitesses plus élevées dans les anciennes conceptions, avec la même fréquence et la même longueur de piste qu’avant, produisent maintenant une interférence sur la ligne de transmission non terminée. Il en résulte des émissions rayonnées radicalement plus élevées, dépassant de loin les limites FCC/CISPR de classe B pour une ligne de transmission non terminée.

Solutions de conception

Comme les problèmes d'intégrité du signal et de l'alimentation ont tendance à se manifester par intermittence, leur diagnostic peut être souvent difficile. Il est toujours préférable de rencontrer et de résoudre ces problèmes au cours du processus de conception à haute vitesse et de les éliminer à la source, plutôt que d'essayer de les résoudre à un stade ultérieur, ce qui retarde toujours la production. Avec un outil de planification d'empilage, il est beaucoup plus facile de résoudre les problèmes d'intégrité du signal.

Planification de l’empilage du circuit imprimé

L’empilage des circuits imprimés est incontestablement la première chose à déterminer pour créer votre conception à haute vitesse. Le substrat est le composant le plus critique de l'assemblage, et ses spécifications doivent être soigneusement planifiées pour éviter les discontinuités d'impédance, le couplage des signaux et les émissions électromagnétiques excessives. Concernant l’empilage du PCB, gardez ces conseils et recommandations à l'esprit pour votre prochain design :

• Toutes les couches de signaux doivent être adjacentes à un plan de référence continu, et étroitement couplées à celui-ci, ce qui crée un trajet de retour dégagé et élimine la diaphonie latérale.

Substrat avec chaque couche de signal adjacente à un plan de référence

• Il y a une bonne capacité planaire pour réduire l'impédance CA aux hautes fréquences. Les plans étroitement couplés réduisent l'impédance CA à l'extrémité supérieure et réduisent considérablement le rayonnement électromagnétique.

• Les signaux à haute vitesse doivent être routés entre les plans pour réduire le rayonnement.

• Réduire la hauteur diélectrique entraînera une réduction importante de votre diaphonie sans avoir un impact négatif sur l'espace disponible sur votre PCB.

• Le substrat doit accepter un certain nombre de technologies différentes. Par exemple : 50/100 ohm digital, 40/80 ohm DDR4, 90 ohm USB.

Routage et flux

Après avoir soigneusement planifié votre empilage, il est maintenant temps de passer au routage de votre PCB. Avec une configuration minutieuse de vos règles de conception et de votre espace de travail, vous serez bien équipé pour créer un routage optimal de votre PCB. Suivez ces conseils pour faciliter le routage de votre PCB tout en évitant les problèmes de diaphonie, de rayonnement et de qualité du signal :

• Simplifiez votre vue pour afficher facilement les plans divisés et les tracés de retour actuels. Pour ce faire, déterminez les relations entre les plans de cuivre (masse ou alimentation) et les couches de signal. Ensuite, activez cette couche de signal et la couche plane pour les afficher simultanément. Ceci vous permet de voir facilement les tracés qui traversent les plans divisés.

• Si les signaux numériques doivent traverser une fente dans le plan de référence d'intégrité d’alimentation, vous pouvez placer un ou deux condensateurs de découplage (100nF) à proximité des signaux en question. Ceci fournira une voie pour le courant de retour entre les deux alimentations.

• Évitez de router des pistes en parallèle et en largeur parce qu’elles causent plus de diaphonie que celles routées côte à côte.

• Gardez les segments de pistes parallèles aussi courts que possible pour réduire la diaphonie, sauf si vous utilisez un bus synchrone. Espacez les groupes de signaux de manière à ce que l'adresse et l'espacement des données soient trois fois supérieurs à la largeur de la piste.

• Prenez des précautions appropriées si vous utilisez des couches microbandes sur le dessus et le dessous de votre BPC. Cela peut générer de la diaphonie causée par des pistes routées sur des couches adjacentes, et pourrait compromettre l'intégrité du signal.

• Toujours router l'horloge (ou le stroboscope) sur le délai le plus long du groupe de signaux. Ceci permet aux données de se stabiliser avant d'être lues par l'horloge.

• Le routage des signaux incorporés entre les plans aide à minimiser les émissions rayonnées, tout en ajoutant une protection contre les décharges électrostatiques (ESD).

Clarté du signal

La complexité de la conception électronique continuera sans aucun doute de s'accroître à long terme, générant un nouvel ensemble de défis que les concepteurs de circuits imprimés devront relever. S'assurer que l'empilage, l'impédance et les tracés de courant de retour sont correctement configurés pour donner une base stable à votre conception. Ceci complète les nouvelles fonctionnalités de conception à haute vitesse d'Altium Designer, tels que xSignals^®, en vous permettant d'implémenter une correspondance des signaux critiques plus précise avec la vérification d'un solveur de champ 2D.

Quels outils utilisez-vous pour vos conceptions à signaux haute vitesse ? Essayez Altium. 

Reference: Pour aller plus loin que la conception : Signal Integrity 1-3 - PCB Design Magazine.