Méthode de suppression de la réflexion du signal dans l'agencement de circuits imprimés à grande vitesse

Avec le développement à venir de la science et de la technologie électroniques, le système électronique composé d'une puce IC se développe rapidement vers une grande échelle, une miniature et une vitesse élevée. Simultanément, un problème se pose également selon lequel la réduction du volume du système électronique conduit à l'élargissement de la densité de routage du circuit tandis que la fréquence du signal augmente constamment et que le temps de rotation du signal devient court. Lorsque le délai d'interconnexion des signaux est supérieur de 10 % au temps de rotation du signal, les conducteurs de signal à bord afficheront l'effet des lignes de transmission, ce qui entraînera une série de problèmes tels que la réflexion du signal et la diaphonie de plus en plus saillantes. L'avènement du problème à grande vitesse pose un plus grand défi à la conception matérielle et si certaines conceptions considérées comme correctes du point de vue de la logique ne sont pas traitées de manière appropriée, l'ensemble de la conception souffrira d'un échec. Par conséquent, comment résoudre les problèmes des circuits à grande vitesse est devenu l'un des éléments essentiels déterminant le succès du système.

Principes de réflexion et son influence

• Principes de réflexion

La raison directe de la réflexion réside dans l'incompatibilité d'impédance des lignes de transmission qui conduit à l'absorption incomplète de l'énergie du signal au niveau du terminal. Le problème de réflexion reflète la qualité du signal d'un réseau unique, lié aux propriétés physiques du chemin du signal du réseau unique et du chemin de retour. Habituellement, les propriétés physiques du routage des PCB ont une grande influence sur les lignes de transmission, notamment le matériau de routage, la largeur de routage, l'épaisseur de routage, la distance entre les autres plans et plans de routage et la constante diélectrique du matériau adjacent. Lorsque des signaux sont transmis sur un réseau unique, un changement d'impédance transitoire des lignes d'interconnexion sera généré. Si l'impédance d'interconnexion ressentie par les signaux reste inchangée, la non-distorsion sera maintenue. Si l'impédance d'interconnexion ressentie par les signaux ne cesse de changer, une distorsion sera générée avec une réflexion produite au point de changement. Le signal de réflexion sera retransmis à l'extrémité d'émission des signaux et sera réfléchi à nouveau jusqu'à ce qu'il rétrécisse avec la réduction de l'énergie. Enfin, la tension et le courant des signaux deviendront stables.

• Calcul de la réflexion

Lorsque les signaux sont transmis vers l'avant le long des lignes de transmission, l'impédance transitoire se fera sentir à tout moment. Si l'impédance ressentie par les signaux est constante, elle sera transmise normalement. Tant que l'impédance ressentie change, la réflexion sera toujours provoquée, quelles qu'en soient les causes. L'indice significatif mesurant la quantité de réflexion est le coefficient de réflexion indiquant le rapport entre la tension de réflexion et la tension du signal d'origine. Le coefficient de réflexion peut être défini selon la formule .

Dans cette formule, Z₁ fait référence à l'impédance après changement tandis que Z₀ l'impédance avant changement. Supposons que l'impédance caractéristique du routage PCB est de 50Ω. Dans le processus de transmission, une résistance de 150Ω est rencontrée puis le coefficient de réflexion est (150-50)/(150+50)=1/2 (Dans ce cas, l'influence de la capacité et de l'inductance parasites n'est pas prise en compte avec résistance comme une résistance pure idéale). Ce résultat indique que la moitié de l'énergie du signal d'origine est retransmise au terminal source. Si la tension des signaux de transmission est de 5 V, la tension de réflexion est de 2,5 V.

• Influence de la réflexion

1). Distorsion du signal causée par la réflexion

Si une dérivation n'est pas terminée correctement, l'impulsion de signal provenant de l'extrémité motrice sera réfléchie sur la borne de réception. Lorsque les signaux réfléchis sont assez forts, la forme d'onde empilée peut modifier la condition logique qui conduit à un effet imprévu, provoquant une distorsion du contour du signal. Lorsque la distorsion devient si évidente, de nombreuses erreurs peuvent être causées par l'échec de la conception. Pendant ce temps, les signaux avec distorsion sont plus sensibles au bruit, ce qui entraînera également un échec de conception.

2). Dépassement et sous-dépassement causés par la réflexion

Le dépassement fait référence au fait que la première valeur de crête ou la valeur de vallée dépasse la tension. Pour le front montant, cela fait référence au fait que la première valeur de crête dépasse la tension la plus élevée tandis que pour le front descendant, cela fait référence au fait que la première valeur de vallée dépasse la tension la plus basse. Un dépassement exagéré détruira éventuellement les diodes de protection, entraînant une défaillance précoce. Le sous-dépassement fait référence au fait que la prochaine valeur de vallée ou la valeur de crête générera éventuellement de faux signaux d'horloge, entraînant une mauvaise lecture et une mauvaise écriture du système.

3). Oscillation

L'oscillation est également un symptôme causé par la réflexion. Avec la même propriété avec dépassement, la répétition du dépassement et du sous-dépassement est appelée oscillation dans un cercle d'horloge. C'est le résultat du fait que l'énergie redondante générée par la réflexion ne parvient pas à être absorbée dans le temps dans les circuits.

Méthode de suppression de réflexion

Les principaux éléments à l'origine de la réflexion comprennent la forme géométrique du routage (largeur, longueur, angles de virage), la conversion du même plan de routage du réseau, la transmission via le connecteur, la discontinuité entre l'alimentation et la terre, la structure topologique incorrecte et l'incompatibilité de l'extrémité du réseau. Les principales méthodes de suppression seront introduites dans la partie suivante.

• Augmentation de la fréquence du système

Le taux de transformation du bord du signal est diminué dans des situations possibles de sorte que la réflexion des lignes de transmission atteindra l'état stable avant la connexion entre un signal et une ligne de transmission. D'une part, les règles de conception doivent être respectées; d'autre part, les composants à vitesse lente doivent être captés pour éviter le mélange entre différents types de signaux.

• Optimisation du traitement du signal

En raison d'exigences strictes en termes de séquencement temporel, les composants et les nœuds susceptibles de causer des problèmes de vitesse élevée doivent être déterminés à l'avance. Toutes sortes d'exigences concernant la disposition et le routage des composants doivent être ajustées et l'indice de conception de l'intégrité du signal sera finalement contrôlé. Les principales méthodes de traitement comprennent :
1). Des cartes PCB relativement minces sont appliquées afin de diminuer les paramètres parasites des trous traversants.
2). Le nombre de couches doit être disposé de manière appropriée. Les couches intermédiaires doivent être pleinement utilisées pour définir le blindage afin de mieux mettre en œuvre la mise à la terre adjacente, ce qui réduira efficacement l'inductance parasite, raccourcira la longueur de transmission des signaux et augmentera considérablement la diaphonie entre les signaux.
3). La forme géométrique des lignes de signal sur le PCB doit être contrôlée avec des tours réduits et des points de discontinuité d'impédance de routage minimisés. En particulier pour le routage dans les circuits haute fréquence, des lignes entièrement droites doivent être appliquées. Lorsque des virages sont nécessaires, des lignes brisées ou un arc de 45° peuvent être appliqués, ce qui réduira le rayonnement externe des signaux haute fréquence et le couplage entre les signaux haute fréquence.
4). Le routage des lignes de signal importantes doit être disposé dans le même plan afin de réduire les trous traversants inutiles.
5). L'intégrité du plan doit être assurée pour fournir un chemin de refusion à faible impédance pour les lignes de signal. Cela vise à réduire le couplage d'impédance de mode commun et le bruit de commutation de mode commun pour diminuer ou éliminer les problèmes d'intégrité du signal concernant le système d'alimentation.
6). Application de la structure topologique de routage correcte.

La structure topologique du routage fait référence à la séquence de routage et à la structure d'une ligne de signal. Dans les circuits pratiques, il existe toujours une situation dans laquelle une seule source d'entraînement entraîne plusieurs charges et la source d'entraînement et les charges sont conformes à la topologie de la structure. Différentes structures topologiques ont évidemment une influence différente sur les signaux. Habituellement, deux types de structures topologiques de base sont appliqués dans le routage des PCB, c'est-à-dire la topologie en guirlande et la topologie en forme de début, comme illustré à la figure 1 ci-dessous.

un. Chaîne en guirlande

L'acheminement commence à partir du terminal conducteur et arrive séquentiellement à chaque terminal récepteur. Si une résistance série est appliquée pour modifier les propriétés du signal, la position de la résistance série doit être proche de la borne de commande. En termes de contrôle des interférences harmoniques supérieures, la connexion en guirlande offre le meilleur effet de routage. Cependant, ce type de routage présente la plus faible routabilité, inférieure à 100 %. Dans les conceptions pratiques, la longueur des branches en guirlande doit être aussi courte que possible. L'espace de routage de cette structure topologique est petit et une seule résistance peut être appliquée pour la compatibilité avec la terminaison. De plus, ce type de structure de routage rend la réception du signal désynchronisée sur différents terminaux de réception de signal.

b. Topologie en étoile

Ce type de routage est capable d'éviter efficacement la non-synchronisation des signaux d'horloge mais il présente l'inconvénient qu'une résistance terminale est requise par chaque branche. La valeur de résistance de la résistance terminale doit être compatible avec l'impédance caractéristique en ligne. Pour les systèmes dont les différents signaux ont des exigences simultanées au niveau du terminal de réception, la topologie en étoile est la plus appropriée.

• Méthodes de résiliation

L'impédance caractéristique sur le chemin de transmission du signal doit être maintenue constante, c'est-à-dire que le coefficient de réflexion est de 0, ce qui signifie qu'il n'y a pas de réflexion sur le chemin de transmission. Cette situation est appelée compatibilité d'impédance. À ce moment, les signaux transmettent l'idée de masse au terminal. Généralement, la longueur de la ligne de transmission doit être compatible avec la condition .

Dans cette inéquation, L fait référence à la longueur de la ligne de transmission; t_r fait référence au temps de montée des signaux de la borne source ; t_pd1 fait référence au délai de transmission de charge à chaque unité de longueur sur les lignes de transmission. Lorsque le transfert de niveau intégré a lieu avant que la réflexion n'arrive au terminal éloigné, la technologie d'adaptation de terminal doit être appliquée. Les principes de connexion des bornes des lignes de transmission incluent :si le coefficient de réflexion de la charge ou le coefficient de réflexion de la source est nul, la réflexion sera éliminée. Généralement, deux stratégies sont appliquées :l'impédance de la source est rendue compatible avec l'impédance de la ligne de transmission, c'est-à-dire la terminaison de la source, tandis que l'impédance de charge est rendue compatible avec l'impédance de la ligne de transmission, c'est-à-dire la terminaison de l'extrémité.

1). Terminaison de la source

La terminaison de source est principalement une méthode de terminaison en série mise en œuvre en branchant une résistance en série dans les lignes de transmission à des positions adjacentes à l'extrémité proche de la source. La somme de la valeur de résistance de la résistance série et de la borne de commande doit être égale à la valeur de résistance des lignes de transmission. Le principe de la terminaison en série est l'élimination de la tension réfléchie de la borne de charge pour arrêter la deuxième réflexion des lignes de transmission, comme illustré à la figure 2.

2). Terminer la résiliation

Le principe principal de la terminaison d'extrémité réside dans l'ajout d'une résistance pull-up ou pull-down aux positions de la borne de charge adjacente afin de mettre en œuvre l'adaptation d'impédance. La terminaison d'extrémité peut être généralement divisée en une terminaison parallèle à résistance unique, une terminaison RC, une terminaison Thevenin et une terminaison de diode Schottky, comme le montre la figure 3.

La valeur de résistance dans une terminaison parallèle à résistance unique est égale à l'impédance des lignes de transmission. Les valeurs de deux résistances dans la terminaison Thevenin doivent suivre la formule :Z₀ =R₁ R₂ /(R₁ +R₂ ). La valeur de la capacité dans la terminaison RC suit la formule :C=3T/Z₀ dans laquelle T fait référence au temps de montée des signaux tandis que Z₀ fait référence à l'impédance des lignes de transmission.

Du point de vue de la conception du système, la terminaison parallèle doit être choisie en premier car elle est la plus capable de réduire le bruit, les EMI et les RFI par rapport aux trois autres méthodes de terminaison. Selon les circonstances pratiques, la méthode de terminaison appropriée est choisie et, si nécessaire, une conception de simulation doit être mise en œuvre.

Conclusion

Dans la conception de circuits imprimés à grande vitesse, les conditions préalables réussies incluent une disposition et un routage raisonnables, l'évitement des virages et des vias inutiles, la continuité de l'impédance, des plans de référence de signal intégrés et une excellente mise à la terre. Pour optimiser la conception et l'intégrité du signal et obtenir une meilleure compatibilité électromagnétique, une vérification par simulation de conception doit être mise en œuvre. Il aide les concepteurs à gérer les défauts de conception à temps et à combler les lacunes dans la conception des circuits imprimés.

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