Maîtriser la conception PCB numérique haute vitesse : 9 conseils essentiels pour le contrôle d'impédance

Comprendre les facteurs de base du contrôle d'impédance

Les fils de connexion dans les PCB remplissent plus d'une fonction. Outre le passage du courant, ils jouent également un rôle dans les lignes de transmission de signal. Cette multifonctionnalité aide à maximiser la sortie à partir de petites tailles et de la numérisation.

Il est crucial d'empêcher la réflexion de la transmission de signal dans les PCB. Le contrôle d'impédance, l'alignement et l'adaptation d'impédance peuvent réduire les pertes de transmission dans les circuits. L'impédance est une caractéristique des circuits AC. C'est la résistance que les boucles parallèles et les plans d'alimentation offrent au passage du courant alternatif.

Diverses raisons peuvent affecter l'impédance caractéristique de votre conception PCB. De nombreuses erreurs proviennent de lignes de transmission défectueuses.

L'impédance caractéristique peut également varier en d'autres causes. Les facteurs possibles incluent :

1. Épaisseur de la piste de circuit.

2. Valeurs diélectriques du préimprégné autour de la piste de circuit.

3. L'épaisseur de l'isolant joue également un rôle.

Choisir les bons diélectriques

La constante diélectrique peut affecter l'impédance caractéristique de manière significative. Il est nécessaire de calculer le montant d'impédance contrôlée de votre conception PCB. L'impédance caractéristique est proportionnelle à la largeur du matériau diélectrique. Plus la largeur de l'isolant diélectrique est grande, plus la valeur d'impédance est élevée.

Les fabricants utilisent des diélectriques dans les circuits PCB à des fins d'isolation. Un ingrédient dans les plaques de substrat – choisissez parmi un grand nombre de matériaux de composants. Les plus populaires incluent FR-4 – un stratifié époxy-verre. Il est également ignifuge – une propriété utile au cas où les PCB surchauffent. Selon votre conception, vous pouvez également choisir des matériaux FLEX flexibles.

La constante diélectrique est variable par rapport à la fréquence. Choisissez des matériaux ayant une valeur constante cohérente sur une large gamme de fréquences. Ils conviennent aux applications haute fréquence de votre carte PCB.

Éviter le croisement de pistes sur des plans de masse séparés

Les experts suggèrent de router les signaux haute vitesse/fréquence sur un plan de masse de référence. Cherchez à éviter de router le câblage de piste à travers des plans séparés à tout moment. La seule exception est si vous souhaitez augmenter l'impédance contrôlée.

Il y a plusieurs aspects négatifs au croisement de pistes sur des plans séparés. Certains d'entre eux incluent :

1. Retard de transmission du signal dû à l'inductance série.

2. Perturbation et interférence du signal.

3. Une diminution de l'intégrité du signal.

Une alternative au croisement est l'utilisation de condensateurs de raccordement (stitching capacitors) à travers les plans séparés. Ils fournissent un chemin de retour approprié pour le courant. Cela entraîne une réduction de la zone de boucle de courant. De cette façon, vous pouvez obtenir le contrôle d'impédance souhaité.

Toujours maintenir un plan de masse de référence

Nous devons nous référer au chemin de masse comme chemin de retour pour le courant alternatif. La majeure partie de la surface non occupée par les pistes de circuit constitue le plan de masse de référence. La grande surface permet le retour de grands courants sans chute de tension significative. Pour les PCB fonctionnant à des niveaux de radiofréquence, le plan de masse réduit les perturbations du signal. Il diminue également les interférences par boucles de masse.

Le plan de masse est également essentiel pour le contrôle d'impédance. De plus, il empêche le diaphonie entre 2 pistes de circuit côte à côte. Il empêche également une chute de tension significative lors du changement d'état du circuit. Les alimentations ou pistes de masse à haute impédance peuvent provoquer un rebond de masse (ground bounce).

Cela perturbe les fonctions d'autres composants du circuit. La grande surface du plan de référence a moins d'impédance. En conséquence, les impulsions de courant causent moins de dommages.

Connaître les limitations du préimprégné

Le préimprégné (abrégé de pre-impregnated) trouve ses utilisations dans la fusion des cœurs gravés. Son autre application : attacher un fil de cuivre à la base. Le composant de renforcement peut avoir plusieurs matériaux constitutifs. En général, il se compose généralement de fibre de verre et d'un matériau résine époxy. Le pressage des deux couches à haute température crée l'épaisseur requise.

Les experts recommandent d'utiliser au maximum trois types différents de préimprégné lors d'un empilement de cœurs (core stack-up). Chaque couche doit être inférieure à 10 millimètres pour éviter les variations d'épaisseur.

Évitez les préimprégnés à faible teneur en résine. Ils peuvent entraîner une famine de résine pendant le temps de stratification. Les cartes doivent être symétriques dans la conception. Pour un meilleur contrôle d'impédance, l'uniformité de la constante diélectrique est nécessaire. Une plus grande cohérence est également souhaitable.

De plus, les constantes diélectriques dans les matériaux préimprégnés fusionnés varient. Elles diffèrent généralement par rapport aux matériaux de cœur d'origine. Optez pour des matériaux préimprégnés comparables au CTE du cuivre (Coefficient de dilatation thermique).

Taille des pistes pour le contrôle d'impédance

Les pistes sont utiles pour déterminer l'impédance contrôlée de votre carte PCB haute vitesse. Calculez le contrôle d'impédance en utilisant les dimensions des pistes. Les quatre mesures nécessaires pour ce calcul sont :

● H : Hauteur de la piste.

● Er : Valeur diélectrique.

● T : Épaisseur de la piste.

● W : Largeur de la piste.

L'impédance de la piste varie avec un changement dans chacune des unités suivantes. Il est donc essentiel de déterminer ces dimensions au préalable. Une différence drastique dans la largeur de la piste peut entraîner des connexions défectueuses. Dans les cas extrêmes, cela peut détruire le PCB. Mieux vaut éviter les dimensions de pistes standardisées. Elles peuvent ou non fonctionner selon votre conception PCB.

Utiliser un calculateur d'impédance sécurisé

Calculer le niveau d'impédance est crucial à plusieurs étapes. Il est particulièrement nécessaire pendant l'étape de conception PCB. Trouvez la valeur de l'impédance contrôlée dans votre conception PCB. Ensuite, vous pouvez décider des modifications ou du niveau de tolérance accepté.

Le principal problème est le calcul lui-même. L'équation de valeur d'impédance implique une série d'équations complexes fastidieuses. Outre les dimensions, vous auriez également besoin des valeurs des constantes diélectriques. Vous devriez connaître les valeurs logarithmiques précises, les valeurs de fonctions, et bien plus. Il n'est pas non plus possible d'avoir une calculatrice scientifique à portée de main en tout temps.

Des options en ligne pour calculer l'impédance sont disponibles de nos jours. Plusieurs sites effectuent la partie calcul pour vous. Présentez les dimensions de la piste et la valeur de la constante diélectrique. Vous aurez la valeur d'impédance en un rien de temps.

Un bon outil de conception PCB est essentiel

Avec le progrès technologique, de nombreuses options d'aide sont maintenant disponibles. Les outils et logiciels pour la conception PCB étaient inconnus il y a quelques décennies. Certains ont même des composants intégrés pour les estimations de coûts de matériaux. Essayez parmi les plusieurs options disponibles et choisissez un favori.

Les concepteurs PCB essaient leurs favoris parmi Altium Designer, PowerPCB, ORCAD, Autodesk Eagle. D'autres options incluent KiCAD EDA, Solidworks PCB, et bien d'autres. Chacun a quelques avantages et inconvénients. Pensez à la compatibilité avec votre système actuel avant d'acheter.

Effectuer une analyse d'intégrité du signal

Il est judicieux d'exécuter un test d'analyse d'intégrité du signal avant de passer votre commande. La procédure est également logique si vous fabriquez les PCB vous-mêmes.

Découvrir d'éventuelles erreurs au stade du test est la bonne façon d'économiser des coûts. Cela évite également la redondance, le gaspillage de matériaux de composants, les essais et les échecs. Vous pouvez découvrir si les niveaux de contrôle d'impédance correspondent à votre cible souhaitée. Suggérez au fabricant les niveaux de tolérance acceptables de l'ordre de travail PCB.

Résumé

Nous espérons que vous êtes maintenant au courant des méthodes pour assurer le contrôle d'impédance de vos conceptions de cartes PCB. Considérez les matériaux diélectriques potentiels et les dimensions des pistes à l'étape de conception PCB.

La prévention du croisement de pistes sur les plans séparés est une excellente pratique de conception. Il en va de même pour le maintien d'un plan de masse de référence. Ces pratiques sont bénéfiques à long terme.

1. Essayez d'éviter d'utiliser plus de trois préimprégnés différents dans l'empilement.

2. Il existe un grand nombre d'outils et de logiciels disponibles.

3. Utilisez tout ce qui est nécessaire pour obtenir le meilleur résultat souhaité.

4. Vérifiez l'intégrité du signal avant de passer la commande finale.

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