Conseils de mise en page à grande vitesse

La plupart des conceptions de PCB commencent avec un schéma correct et vérifié en main. Le travail acharné de conversion de la conception schématique en un PCB final doit alors être entrepris. Très souvent, le PCB ne fonctionnera pas même si la conception du circuit d'origine a été réalisée avec soin. Même si un schéma a été vérifié à l'aide d'une simulation, ce que la simulation de la conception ne tient pas compte, c'est que les spécificités de la disposition du PCB peuvent insérer des sources d'erreur imprévues dans une implémentation de conception. Cela est particulièrement vrai lorsqu'il s'agit d'utiliser des composants plus récents et plus rapides avec leurs vitesses d'horloge plus élevées associées dans une conception. De plus, les vitesses de transfert de données entre les appareils augmentent également continuellement et sont sujettes aux mêmes types de sources d'erreurs. Ces augmentations de vitesse permettent à de petites valeurs de capacité et d'inductance inhérentes aux configurations de circuits imprimés d'entraîner l'échec de la mise en œuvre d'une conception sur circuit imprimé.

En plus de s'assurer qu'un PCB est fonctionnel, des exigences supplémentaires concernant la tolérance de vos conceptions au bruit rayonné et la quantité de bruit rayonné qu'il contribue sont d'une grande importance pour faire approuver une conception finale. En tant que tel, lors du développement de votre prochaine application PCB qui inclut des signaux à haute vitesse, vous devez faire très attention pour atténuer les problèmes d'interférence électromagnétique.

Des exemples de signaux à grande vitesse comprennent des signaux d'horloge et des ports de communication à grande vitesse. Avec quelques règles simples, l'intégrité du signal et les niveaux d'interférence électromagnétique de votre prochaine conception peuvent être améliorés - pas besoin de modèles mathématiques complexes ou d'outils de simulation coûteux et compliqués. Cet article présentera un certain nombre de ces règles simples qui peuvent être suivies pour assurer le succès de votre prochaine conception avec des signaux à haute vitesse.

Contexte

Dans cette section, nous discuterons de certaines des sources d'erreurs de mise en page à grande vitesse et des concepts associés, la section suivante fournissant des règles générales pour atténuer ces sources d'erreurs.

1. Interférences électromagnétiques et compatibilité électromagnétique

Les interférences électromagnétiques sont des bruits de radiofréquence qui interfèrent avec le fonctionnement d'un appareil. D'autre part, la compatibilité électromagnétique fait référence à la limitation des niveaux d'interférences électromagnétiques émises par un appareil. Tous les appareils émettent un certain degré d'interférence électromagnétique et en même temps absorbent une certaine quantité d'interférence électromagnétique. L'objectif d'un concepteur de PCB devrait être de réduire les deux quantités à des niveaux raisonnables. Il convient également de noter qu'il existe des normes FCC et CISPR établies pour le niveau d'EMI que les appareils sont autorisés à émettre.

2. Signaux d'horloge

Les signaux d'horloge, couramment utilisés pour piloter les microprocesseurs et les ports de communication, devraient être une onde carrée parfaite, mais ils ne le sont pas en réalité. Il s'agit en fait d'une combinaison des signaux à la fréquence d'horloge nominale et des fréquences harmoniques supérieures à la fréquence d'horloge. En tant que tel, l'EMI doit être pris en compte à la fois à la fréquence de l'horloge utilisée dans une conception et aux harmoniques de la fréquence d'horloge au-dessus de la fréquence d'horloge nominale.

3. Lignes de transmission

À des fréquences plus élevées, les effets de la ligne de transmission commencent à entrer en jeu même au niveau de la carte PCB. Chaque fois que la fréquence d'une ligne de signal amène ledit signal à avoir une longueur d'onde de l'ordre de la piste PCB associée, l'impédance caractéristique de la piste doit être prise en compte afin d'éviter les réflexions dues aux désadaptations d'impédance. Dans le sens le plus général, le concepteur de PCB doit prendre le temps de faire correspondre l'impédance des pistes associées aux émetteurs-récepteurs que ces pistes connectent. L'utilisation d'une microbande (une trace d'une largeur définie sur un plan d'alimentation) ou d'une stripline (une trace d'une largeur définie entre deux plans d'alimentation) sont des moyens courants de contrôler l'impédance d'une ligne de transmission au niveau des PCB.

Il est également courant que les émetteurs-récepteurs aient des entrées à haute impédance. Dans ce cas, la piste de connexion doit être terminée de manière à correspondre à l'impédance caractéristique de la ligne de transmission à laquelle elle est connectée. Il existe plusieurs techniques de terminaison courantes, mais leur recherche sera laissée au lecteur, car elles dépassent le cadre de cet article.

4. Diaphonie

Lorsque deux pistes sont situées l'une à côté de l'autre, elles sont couplées de manière inductive et capacitive (communément appelée diaphonie) d'une manière qui peut permettre à l'une de compromettre le fonctionnement de l'autre. Le moyen le plus simple d'éliminer ce type de bruit est de séparer les traces par une plus grande distance. La diaphonie peut également être atténuée par l'utilisation de plans de puissance pour supprimer les niveaux de diaphonie.

5. Signaux différentiels

Une autre façon de gérer le bruit dans un chemin de communication consiste à utiliser des signaux différentiels. Les signaux différentiels sont égaux et opposés en potentiel. En conséquence, deux traces sont responsables du transport d'un signal entre les appareils et la valeur du signal est déterminée par la différence de potentiel sur les deux traces, et non par le potentiel absolu des traces individuelles. Cela laisse les signaux différentiels insensibles à la diaphonie et efficacement insensibles au bruit rayonné.

6. Renvoyez les zones de courant et de boucle

Lors de l'examen des dispositions à haute fréquence, le chemin de retour d'un signal doit également être pris en compte. Lorsque vous travaillez avec des circuits à courant continu, le chemin de retour sera le chemin de la résistance la plus faible, mais lors de l'examen des signaux CA, le chemin de retour sera le chemin de l'impédance la plus faible. Le résultat est que le chemin de retour d'un signal haute fréquence sera directement à côté de la trace dudit signal. Normalement, la différence de chemin de retour n'est pas un problème lorsque la trace du signal est acheminée sur un plan de masse, mais cela peut être un problème lorsque le plan de masse est rompu sous la trace du signal. Le résultat est une rupture dans le chemin de retour du signal sera une boucle. Les boucles doivent être évitées, car elles sont des radiateurs EMI beaucoup plus efficaces et auront un impact négatif sur la CEM d'une conception.

Conseils de conception pratiques

Maintenant que nous avons présenté une brève discussion sur les sources de bruit de signal à grande vitesse, nous pouvons passer à des conseils de mise en page plus spécifiques.

Avant d'entreprendre votre prochaine conception de PCB haute vitesse, vous devez d'abord examiner les exigences générales de la conception. Les bonnes questions à se poser sont :Quelle est la fréquence la plus élevée du système ? Aurez-vous besoin d'utiliser un micro-ruban ou une ligne à ruban pour atteindre le niveau de suppression du bruit requis par la conception ? Quels sont les signaux sensibles dans votre conception ? Quelles sont les tolérances minimales requises par le fabricant de PCB ? Existe-t-il des interconnexions sensibles entre les groupes fonctionnels de la conception ? Avec ces réponses en main, une vue générale de l'empilement et de la composition du tableau peut être déterminée.

1. Empilage du tableau

L'empilement de PCB est l'une des considérations les plus fondamentales pour une nouvelle conception de circuit. S'il n'y a pas de signaux sensibles à protéger, vous pouvez utiliser un PCB standard à 2 couches. Si vous devez acheminer des signaux sous forme de lignes à ruban, vous devrez utiliser un empilement à 6 couches. Un PCB à 4 couches peut également être une bonne option intermédiaire.

Une autre considération est que si vous pouvez créer l'empilement de sorte que les plans d'alimentation soient très proches les uns des autres, vous pouvez réduire le besoin d'utiliser des condensateurs de découplage de petite valeur dans votre conception. Enfin, si vous pouvez localiser les sources et les puits de votre signal à grande vitesse à proximité les uns des autres sur le PCB, vous pourrez éliminer une grande partie des EMI et EMC liés à ces signaux.

2. Plans d'alimentation et de masse

L'exigence la plus fondamentale pour une conception à grande vitesse est la mise en œuvre d'un plan de masse complet. Il peut également être très avantageux d'inclure un plan d'alimentation complet, mais cela nécessite que la conception soit basée sur un empilement à quatre couches ou plus. Il est également avantageux de localiser les traces de signal très près des plans d'alimentation, ce qui devrait également informer l'empilement utilisé dans la conception finale.

Lors de la séparation de parties d'un plan d'alimentation, il est également important de se rappeler que les signaux à grande vitesse ont un courant de retour qui suit le chemin de la plus faible impédance et non de la résistance. Veillez à ne pas interrompre le chemin de retour d'un signal à grande vitesse entre sa source et son puits. Si vous devez casser un plan de masse, essayez de ne pas exécuter de traces de signal sur cette cassure. Dans le cas où vous le feriez, envisagez de reconnecter le plan de masse le long de la trace du signal avec une résistance de 0 Ohm. Plus succinctement, utilisez des plans de masse et de puissance aussi uniformes et ininterrompus que possible dans votre conception.

3. Sujets supplémentaires

Les condensateurs de découplage sont importants pour créer des chemins à faible impédance vers la terre et l'alimentation pour les signaux haute fréquence. En général, vous devrez utiliser un certain nombre de valeurs de condensateur différentes pour supprimer le bruit haute fréquence sur une plage de fréquences. Lorsque vous placez des condensateurs, placez le condensateur de valeur la plus faible le plus proche de l'appareil que vous protégez, puis procédez avec des plafonds de valeur de plus en plus grands. Assurez-vous également que le condensateur est placé entre l'appareil et le plan d'alimentation que le condensateur découple. Cela garantira que l'appareil est en fait découplé par le condensateur.

Voici d'autres conseils généraux :
• Arrondir les coins des traces peut réduire le niveau d'EMI rayonné par un signal. En effet, les changements brusques dans les traces entraînent des niveaux de capacité plus élevés et provoquent également des réflexions de signal à grande vitesse.
• Pour minimiser la diaphonie entre les traces de signal, y compris celles sur différents plans, assurez-vous qu'elles se croisent à droite angles.
• Éviter les vias dans les traces de signal. Les vias modifient l'impédance caractéristique de la trace et peuvent provoquer des réflexions. De plus, si vous devez utiliser des vias avec des traces de signal différentiel, envisagez de les placer dans les deux traces pour vous assurer que leur effet est égal dans les deux traces.
• Considérez le stub créé par l'utilisation de vias. Envisagez d'utiliser des vias borgnes ou ébarbés à la place des vias conventionnels.
• Tenez compte des retards lors de l'utilisation d'une solution d'horloge distribuée. Évitez les branches et faites correspondre les longueurs de trace de l'horloge aux appareils connectés. Il est souvent conseillé d'utiliser un pilote d'horloge.

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