Conception de circuits imprimés pour améliorer l’intégrité des signaux

Les énormes progrès réalisés dans le domaine de l’électronique ont entraîné une croissance exponentielle des fréquences des signaux numériques transitant par de nombreux types de circuits imprimés, conformément aux prévisions de la loi de Moore. Compte tenu de la généralisation des interfaces Ethernet et des commutateurs réseau dans les applications automobiles, industrielles et IoT, cette tendance devrait se poursuivre avec des débits de transmission supérieurs ou égaux à 1 Gbit/s. L’accroissement du débit de transmission des données, associé à la miniaturisation progressive de la plupart des applications électroniques (par exemple, produits portables et appareils électromédicaux), nécessite de bien concevoir le circuit, à commencer par le PCB, afin de garantir l’intégrité du signal dans toutes les conditions de fonctionnement. Les taux élevés de transmission des signaux, les affaiblissements d’insertion et les faibles marges d’erreur ne sont que quelques-uns des éléments que les concepteurs doivent prendre en compte dans ce type d’applications. Il est impératif de garantir l’intégrité du signal. Elle est essentielle au fonctionnement des circuits imprimés utilisant des signaux à haute fréquence.

En quoi consiste l’intégrité du signal ?

Par intégrité du signal, on entend l’ensemble des activités de conception, d’analyse et de vérification dont l’objectif principal est de préserver l’intégrité des signaux électriques qui circulent sur les pistes d’un circuit imprimé, c’est-à-dire leurs valeurs de tension, de courant et leur évolution dans le temps. Cet aspect joue un rôle fondamental dans les circuits imprimés numériques qui comportent des lignes de transmission (signaux ou horloges) à haute fréquence facilement affectées par le bruit et les interférences. Dans les circuits électroniques récents, il n’est pas difficile de trouver des signaux ayant des fronts montants ou descendants de l’ordre de quelques dizaines de picosecondes. Pour éviter les distorsions du signal, les pistes du circuit imprimé doivent donc être conçues de manière à offrir une large bande passante et à ne pas altérer les composantes spectrales du signal. L’une des principales sources de diaphonie est l’augmentation ou la diminution très rapide des fronts montants et descendants du signal. C’est pourquoi il est nécessaire de bien en tenir compte. Si, par le passé, l’intégrité du signal n’était essentielle qu’à certaines applications particulières (militaire, avionique, télécom et médicale), il s’agit aujourd’hui d’une exigence courante pour les circuits électroniques qui utilisent des composants numériques à haut niveau d’intégration, tels que les microprocesseurs, les FPGA, les SoC, les bus à grande vitesse et les mémoires DDR.

Intégrité du signal et interférences électromagnétiques

Quiconque conçoit des dispositifs à vocation industrielle ou, dans tous les cas, devant être homologués par des organismes certifiés avant de pouvoir être commercialisés, sait combien il est nécessaire de tenir compte, dès les premières étapes du développement des circuits imprimés, des problèmes potentiels liés aux interférences électromagnétiques (EMI). Afin de réussir les tests de compatibilité électromagnétique (EMC), il convient de s’assurer que les signaux traversant le circuit imprimé garantissent une forte immunité contre les interférences électromagnétiques produites par des sources externes, tout en limitant les émissions par conduction (CE) et les émissions par rayonnement (RE) produites par le circuit lui-même.

Par ailleurs, l’intégrité du signal vise à éviter la dégradation de la qualité du signal afin d’éviter toute possibilité de distorsion ou d’erreur dans la transmission des signaux numériques entre le point d’origine et le point d’arrivée. En ce qui concerne la nécessité de garantir l’intégrité des signaux, l’objectif est de concevoir des circuits imprimés présentant des signaux clairs et offrant des marges de fonctionnement appropriées (liées aux variations possibles de la fréquence d’horloge, de la tension d’alimentation ou des conditions ambiantes). Parmi les principaux problèmes rencontrés, citons les réflexions de signaux, la diaphonie, les rebonds de tension et les phénomènes de couplage. Les éventuelles distorsions subies par le signal sont généralement de l’ordre de quelques millivolts ou milliampères. L’image 1 montre un exemple de distorsion de signal (dans ce cas, produite sur les fronts montants et descendants d’un signal carré) susceptible de compromettre l’intégrité du signal.

Image 1 : Exemple de distorsion d’un signal carré.

En ce qui concerne les interférences électromagnétiques, les valeurs des signaux impliqués sont de l’ordre de quelques µV ou µA pour les émissions, et de quelques kilovolts ou ampères pour l’immunité. On peut en déduire que les valeurs des paramètres nécessaires pour respecter les exigences en matière d’intégrité du signal sont nettement supérieures à celles requises pour passer les tests EMC relatifs aux émissions (par rayonnement et par conduction), mais inférieures à celles requises en matière d’immunité aux interférences électromagnétiques. Bien que les notions d’intégrité du signal et d’interférence électromagnétique soient différentes, les techniques de conception de circuits imprimés employées afin de respecter les exigences correspondantes sont communes.

Comment améliorer l’intégrité du signal

Définition de l’empilage

Le nombre, le type et la disposition des différentes couches du circuit imprimé doivent être déterminés de façon à trouver le meilleur compromis entre le coût, la taille du dispositif et l’intégrité du signal. En règle générale, il convient d’insérer des plans d’alimentation et de masse capables de fournir un retour à la masse pour chaque signal afin de bien ajuster les impédances. Dans la mesure du possible, ces plans doivent être répartis uniformément dans l’empilage, de sorte qu’au moins l’un d’entre eux soit adjacent à chaque couche de signal et qu’il ne présente aucun vide ni aucune discontinuité susceptible de modifier le trajet du signal. Les propriétés des matériaux utilisés jouent également un rôle important. Il est donc nécessaire de déterminer avec soin l’épaisseur du cuivre, l’épaisseur du diélectrique et la constante diélectrique. L’utilisation de matériaux standard, tels que le traditionnel FR-4, ne constitue pas toujours le choix le plus judicieux pour les circuits dont la vitesse de propagation des signaux est élevée. Dans ces cas, il est préférable de choisir des laminés à faible constante diélectrique (Dk) en mesure de réduire les distorsions et les variations de phase du signal, par exemple les laminés Rogers, tels que le Rogers RO4350. Par rapport au FR-4, les matériaux de ce type présentent des propriétés particulières adaptées aux hautes fréquences, bien que leur coût soit plus élevé.

Ajustement des impédances

L’ajustement des impédances consiste à trouver le bon couplage entre la taille/le placement des pistes du circuit imprimé et les propriétés du substrat, en s’assurant que la puissance du signal respecte les limites prédéterminées le long des pistes. Plus la puissance du signal est élevée, meilleur est le couplage. À l’inverse, un mauvais couplage entraîne des pertes de puissance et, par conséquent, des problèmes d’intégrité du signal.

Pour obtenir un bon couplage d’impédance, la géométrie des circuits imprimés doit être uniforme afin de garantir une constante diélectrique constante sur toute la longueur des pistes. Le concepteur peut vérifier la valeur de l’impédance en jouant sur la largeur de la piste à l’aide d’un calculateur spécialisé, également disponible en ligne. Si le concepteur néglige cet aspect, des réflexions du signal peuvent se produire, provoquant un retour du signal vers le point d’origine. Il en résulte une perte de puissance du signal au point d’arrivée, ainsi que la production d’interférences électromagnétiques. Il convient de prêter une attention particulière aux circuits imprimés multicouches dans lesquels il peut arriver qu’une piste sur une couche ayant une impédance, par exemple, de 40 Ω doive se poursuivre sur une couche adjacente ayant une impédance de 50 Ω. Cet écart d’impédance entraîne une réflexion du signal. Un ajustement des impédances approprié doit veiller à la constance de l’impédance en tout point de la piste, y compris lorsqu’elle traverse différentes couches.

Le diagramme en œil est un outil intéressant permettant d’évaluer de manière rapide et intuitive la qualité d’un signal numérique. Il permet de visualiser les éventuelles distorsions subies par le signal le long de la ligne de transmission. L’image 2 montre un exemple de diagramme en œil dans un cas où l’intégrité du signal est excellente (image de gauche) et dans un cas où l’intégrité du signal est mauvaise (image de droite).

Image 2 : Exemple de diagramme en œil.

Topologie du circuit imprimé

Pour garantir l’intégrité du signal, les concepteurs doivent accorder une attention particulière aux pistes transportant des signaux à haute vitesse, notamment aux trajets des signaux entre le point d’origine et le point d’arrivée, ainsi qu’aux trajets de retour à la masse. Les principales règles à respecter pour obtenir un routage efficace des signaux sont les suivantes :

• Évitez les angles droits sur les pistes, car ils augmentent les capacités parasites dans cette partie du circuit et entraînent des variations d’impédance ainsi que des réflexions du signal. Il est préférable de prévoir des angles de 45 ° ou, mieux encore, des sections courbes.
• Ne prévoyez pas trop de via, pour les mêmes raisons qu’au point précédent. Ils augmentent également la longueur de la piste.
• Séparez les signaux à haute vitesse des signaux à basse vitesse, ainsi que les signaux numériques des signaux analogiques. Sur des couches adjacentes, acheminez les signaux à haute vitesse perpendiculairement les uns aux autres afin de réduire les phénomènes de diaphonie.

Diaphonie

La diaphonie se caractérise par un couplage indésirable (inductif ou capacitif) entre des signaux traversant des pistes adjacentes du circuit imprimé. Dans le cas des signaux à haute vitesse, la diaphonie peut dégrader considérablement la qualité du signal. Ce phénomène est souvent très difficile à détecter de manière déterministe et répétitive. Ce problème est généralement résolu en espaçant de manière adéquate les pistes à haute vitesse/fréquence, en utilisant éventuellement l’espace intermédiaire en excès des pistes moins critiques. L’augmentation de l’espacement offre un avantage immédiat, car les effets de couplage sont inversement proportionnels au carré de la distance entre les pistes.