La diaphonie est l’un des problèmes les plus insidieux et les plus difficiles à résoudre que l’on rencontre sur les circuits imprimés. Le plus terrible est qu’elle n’apparaît généralement que dans la phase finale d’un projet et, souvent, de manière intermittente ou difficilement reproductible. Il est donc important pour tout concepteur électronique d’éliminer rapidement toutes les sources possibles de diaphonie sur un circuit imprimé. La diaphonie entraîne des effets indésirables sur le signal d’horloge, les signaux périodiques et de contrôle, les lignes de transmission de données et les E/S. À cause d’elle, les niveaux de courant et de tension peuvent dépasser les niveaux de seuil des dispositifs logiques, ce qui crée des états logiques « factices » susceptibles d’affecter le fonctionnement de nombreux circuits. La diaphonie peut également perturber les signaux analogiques en créant des bruits parasites. Dans les paragraphes suivants, nous verrons plus en détail en quoi consiste la diaphonie et comment l’analyser et l’éliminer, notamment lorsque le circuit comporte des signaux à haute fréquence.
On entend par « diaphonie » le couplage électromagnétique indésirable qui se crée entre les pistes d’un circuit imprimé. Une tension ou un courant excessif affectant une piste peut produire des effets indésirables sur une autre piste, sans contact physique entre les deux. Ce phénomène se produit généralement sur les circuits imprimés où les pistes ne sont pas suffisamment espacées. Son origine est très simple à expliquer. Un conducteur parcouru par un flux de charges électriques génère toujours un champ électromagnétique d’une certaine intensité. Plus la vitesse (fréquence) du signal est élevée, plus la probabilité qu’il induise un couplage sur un signal adjacent augmente. Plus précisément, il existe deux types de couplage : le couplage inductif (magnétique) et le couplage capacitif (électrique).
Le passage d’un courant dans un conducteur, par exemple une piste de circuit imprimé, crée un champ magnétique. Lorsque ce champ atteint une piste adjacente, il induit une force électromotrice (tension) selon la deuxième loi d’induction de Faraday. Ce mécanisme est appelé couplage magnétique ou inductif. Il devient problématique lorsque la tension induite est suffisante pour nuire à l’intégrité du signal sur la même piste.
Outre le champ magnétique, le courant qui circule dans une piste de circuit imprimé peut générer un champ électrique. Lorsque celui-ci atteint une piste adjacente, un couplage capacitif se produit, ce qui entraîne une dégradation de l’intégrité du signal. Ce phénomène est également dénommé « capacité parasite ». L’image 1 présente un diagramme de l’œil, l’une des techniques les plus couramment utilisées pour mesurer l’intégrité du signal.
Image 1 : Capture d’écran d’un diagramme en œil.
Outre les pistes adjacentes placées sur la même couche, la diaphonie peut se produire entre des pistes parallèles appartenant à des couches adjacentes. Cet effet, également appelé couplage large, se produit lorsque les deux couches sont séparées par une épaisseur réduite de matériau diélectrique. Cette épaisseur peut être aussi faible que 0,1 mm (4 mils), généralement inférieure à la distance entre deux pistes placées sur la même couche. Comme nous le verrons bientôt, l’une des astuces utilisées pour éviter les problèmes de diaphonie consiste à maintenir un espace suffisant entre les pistes qui acheminent des signaux à haut débit. Une règle empirique consiste à séparer les pistes adjacentes par une distance au moins égale à trois fois leur largeur.
1. Respecter une largeur minimale entre les pistes
Au moment de définir la topologie du circuit imprimé, il est possible de fixer certaines règles dans l’outil de CAO utilisé, comme la distance minimale entre deux pistes et la distance minimale entre chaque piste et les composants présents sur la carte. Il est également possible de définir différentes valeurs de distance liées à une liste d’interconnexions particulière ou à la zone dans laquelle la liste d’interconnexions sera acheminée. Les logiciels de conception de circuits imprimés comportent souvent des fonctions permettant de spécifier la largeur et la distance des paires de signaux différentiels, ou encore les couches de circuits imprimés sur lesquelles les listes d’interconnexions peuvent être acheminées et les directions préférentielles que les pistes peuvent prendre. Il existe également plusieurs calculateurs en ligne capables d’estimer l’importance de la diaphonie sur des pistes microbandes ou à rubans. Le principe général à prendre en compte est que le couplage, tant inductif que capacitif, diminue avec la distance entre les pistes.
2. Maintenir la perpendicularité des pistes sur les couches adjacentes
Les couches du circuit imprimé doivent être configurées de manière à ce que les signaux traversant des couches adjacentes aient des directions perpendiculaires les unes aux autres, en évitant absolument que leurs pistes soient parallèles. On dit également que si les pistes d’une couche suivent la direction « Nord-Sud », les pistes de la couche adjacente doivent suivre la direction « Est-Ouest ». Cette simple précaution permet de minimiser les effets de couplage latéral. L’image 2 montre une représentation graphique de cette technique : à gauche la topologie à éviter, à droite celle à appliquer.
Image 2 : Alternance de la direction des pistes sur les couches adjacentes.
3. Utiliser des plans de masse
Il est conseillé d’insérer un plan de masse (ou un plan d’alimentation) entre deux couches de signaux adjacentes. Cela limite d’autant plus la probabilité de couplage latéral. Cette solution présente le double avantage d’augmenter la distance entre les couches et d’améliorer le retour à la masse nécessaire dans les couches de signaux. L’image 3 montre un circuit imprimé classique à quatre couches, divisé en deux couches de signaux (externes), une couche interne pour le plan de masse (0 V) et une couche interne pour l’alimentation.
Image 3 : Exemple de circuit imprimé multicouche (source : Micron).
4. Utiliser le retour à la masse
Bien que cela puisse sembler contradictoire avec ce qui a été dit précédemment, une autre technique de réduction de la diaphonie consiste précisément à se servir du parallélisme existant entre les pistes, en couplant le retour à la masse avec le signal à haute fréquence. En fait, comme la piste de retour à la masse présente la même amplitude que le signal, mais dans le sens opposé, les effets s’annulent avec pour conséquence une réduction de la diaphonie
5. Utiliser des signaux différentiels
Une autre façon de garantir l’intégrité du signal, en minimisant les effets de la diaphonie, consiste à utiliser des signaux différentiels, c’est-à-dire deux lignes de signaux de même amplitude, mais de polarité opposée qui forment un signal unique à haute vitesse. Dans la mesure où, à la réception, le signal est obtenu par la différence entre les tensions des deux lignes de signaux, et où le bruit électromagnétique affecte également les deux lignes, le signal conserve une grande intégrité même en présence d’un bruit externe important. Il est conseillé de maintenir la plus grande distance possible entre les paires de signaux différentiels et les autres pistes du circuit imprimé. Une règle empirique consiste à respecter une distance au moins égale à trois fois la largeur de la piste.
6. Réduire la largeur des pistes parallèles
Chaque fois qu’il est impossible d’éviter le parallélisme entre les pistes, il convient de s’assurer que leur largeur est aussi courte que possible afin de réduire l’intensité du couplage.
7. Isoler les signaux haute fréquence des autres pistes
Les signaux haute fréquence, tels que les horloges, doivent être acheminés aussi loin que possible des pistes correspondant à d’autres signaux. Dans ce cas également, on peut appliquer la règle empirique en respectant une distance minimale égale à trois fois la largeur de la piste.
8. Isoler les signaux asynchrones
Les signaux asynchrones, comme les lignes de réinitialisation ou d’interruption, doivent utiliser des pistes aussi éloignées que possible des signaux haute fréquence. Très souvent, les signaux asynchrones sont placés à proximité des lignes d’alimentation ou des signaux qui commandent les mises sous tension et hors tension, car il s’agit de signaux utilisés uniquement dans certaines phases du fonctionnement du circuit et non en continu.
La diaphonie peut avoir des conséquences très désastreuses sur le fonctionnement d’un circuit, surtout lorsqu’il utilise des signaux haute fréquence. Le marché de l’électronique a actuellement tendance à exiger des circuits toujours plus petits et plus rapides. Par conséquent, les pistes des circuits imprimés disposent de moins en moins d’espace et sont toujours plus proches les unes des autres. Cette caractéristique accroît la possibilité que le champ électromagnétique généré par une piste interfère avec le signal de l’autre piste, surtout lorsque les pistes sont parallèles. Il est donc important pour le concepteur de circuits imprimés de recourir aux meilleures techniques pour éliminer ou minimiser les problèmes de diaphonie.