ANALYSE DE L'INTÉGRITÉ DU SIGNAL DANS VOTRE PROCESSUS DE CONCEPTION PCB À HAUTE VITESSE

Aujourd’hui, les ingénieurs apprendront que les signaux sont transmis d'un émetteur à un récepteur, de préférence en respectant des théories et des simulations idéales, mais les applications du monde réel nous réservent leurs propres surprises. Le fonctionnement des signaux dans la réalité est souvent très différent des théories enseignées dans les universités. Par conséquent, le passage de la théorie à la pratique peut souvent générer des résultats inattendus.

INTRODUCTION - QU’EST-CE QUE L’INTÉGRITÉ DU SIGNAL ?

Lorsque le courant passe par une piste en cuivre, différents comportements peuvent se manifester en fonction de l'énergie provenant du driver du composant source (émetteur). La simulation de l’intégrité du signal dans une conception PCB à haute vitesse est une approche idéale pour vérifier la qualité du signal sur des composants de pistes en cuivre, et garantir la sécurité et le fonctionnement du système. L'analyse de l'intégrité du signal est un processus de simulation après-routage, qui reflète avec précision ce qui se passe dans la réalité et les comportements pendant l'utilisation quotidienne d'un produit, permettant de concevoir des produits fiables avec une meilleure cohérence.

DE QUOI DOIS-JE ME SOUCIER ?

Sur le marché actuel, l’utilisation des composants à haute vitesse a largement augmenté sur le marché actuel, tandis que l'utilisation de composants à faible vitesse continue de diminuer. Cette tendance se poursuit et renforce les difficultés pour garantir la qualité du signal dans nos systèmes complexes.

Un signal est exposé à diverses interférences, incluant des pertes, la diaphonie, la réflexion, l'effet pelliculaire et bien d'autres perturbations. Ces problèmes de perturbation du signal sont encore plus complexes avec des technologies telles que DDR 2/3/4, où tous les signaux doivent être parfaitement synchronisés pour être lu dans la mémoire tout en gardant la même vitesse d'horloge.

Des drivers rapides à broches sont couramment utilisés pour obtenir une bonne synchronisation des signaux, tout en délivrant suffisamment d'énergie sur toute la piste en cuivre. Alors que ces drivers à broches peuvent minimiser les problèmes de perte d'intégrité du signal, les longues lignes de transmission restent sujettes à des perturbations.

Quelques applications théoriques doivent être connues :

La longueur électrique transitoire (TEL) est définie comme étant le mouvement d'une onde électromagnétique pendant un changement de signal (temps de montée (RT) / temps de descente (FT)) :

• TEL = RT/FT * vitesse du signal

Une piste sur un PCB en FR-4 a une vitesse approximative de :

• 15 cm/ns (6 po/ns)

Si le temps de montée/ descente est de 300 ps :

• TEL = 0,3 ns * 15 cm/ns = 4,5 cm (1,77 po)

Si la piste est plus longue que 20 % TEL, nous obtiendrons une ligne de transmission et les réflexions :

• Début de réflexion = 0,3 ns * 15cm/ns * 0,2 = 9mm (350 mil)

Quelles sont les conséquences pratiques : Les pistes de cuivre d'une longueur supérieure à 9 mm (350 mils) agissent comme des lignes de transmission et nécessitent une attention particulière.

ANALYSES DES RISQUES

Comme il existe différents types de perturbations qui peuvent affecter une piste en cuivre, divers risques et conséquences doivent être pris en compte si vous ne vérifiez pas la qualité du signal de vos systèmes. Examinons, par exemple, un problème de réflexion. Le signal est transmis de l'émetteur au récepteur, mais un excès d'énergie est constaté au niveau de la broche du récepteur, comme le montre la figure 1 ci-dessous.

Figure 1 : Analyse de l’intégrité du signal - Problème de réflexion du signal entre l'émetteur et le récepteur.

Lorsque cet effet est constaté, il peut être accompagné de diverses distorsions du signal, comme une surmodulation qui pourrait brûler la puce ou une sous-modulation qui pourrait commuter deux fois le dispositif. Dans le deuxième cas, nous devrions également prendre note du rappel, qui pourrait également commuter à nouveau le dispositif. Dans les deux cas, les risques sont élevés, et ce problème de qualité du signal engendrera probablement des coûts supplémentaires pour les prototypes et les développements. Il peut même être la cause de pannes de systèmes après commercialisation du produit. Au-delà des simples risques techniques, l'impact sur le budget de l’entreprise doit être pris en compte, car les coûts commencent à s'emballer à chaque série de prototypes fabriqués.

Dans le pire des cas, les problèmes non détectés sur les prototypes arriveront sur le marché, avec des bogues et des problèmes à découvrir. Et dans une telle situation, vous devrez probablement dépenser d’importantes ressources pour réparer ou remplacer des produits renvoyés par des clients. Le rappel de produit est évidemment la dernière chose à laquelle une entreprise veut faire face, avec de graves conséquences en termes de réputation et de budget.

SOLUTIONS POSSIBLES

Comment pouvons-nous éviter les problèmes d'intégrité des signaux et nous préserver de tous ces problèmes potentiels ? La première étape consiste à analyser le problème en profondeur, à prendre de bonnes décisions de conception pendant tout le processus de conception. En d'autres termes, ne démarrez pas un projet sans avoir mis en place un plan de réussite concret.

Quels sont les éléments de ce plan ? L'approche la plus courante consiste à adapter l'impédance de la ligne de transmission. Il est donc nécessaire d’utiliser un routage avec impédance contrôlée. Si une adaptation plus importante est nécessaire, une terminaison peut être ajoutée au signal. L'impédance sera également ajustée, permettant donc d'éviter les pistes d’une largeur excessive sur le PCB. Cette terminaison absorbe l’excès d'énergie sur la ligne de transmission, et protège donc votre récepteur.

La planification du trajet de retour du courant est un des facteurs clés pour éviter les perturbations. Évitez de diviser les plans d’alimentation dans la zone en dessous (ou au-dessus) des signaux critiques. Utilisez également des vias borgnes et encastrées pour ces signaux critiques, car les extrémités des vias traversants peuvent agir comme une antenne et générer des interférences indésirables sur le signal.

COMMENT ALTIUM DESIGNER PEUT-IL VOUS AIDER ?

Altium Designer inclut un outil complet d'analyse de l'intégrité du signal qui peut vous aider à détecter les perturbations et les distorsions des signaux sur votre PCB. En premier lieu, une analyse préalable permet d'évaluer les problèmes qui pourraient survenir dans votre projet. Elle est très utile pour détecter les problèmes de signaux dès le début du processus de conception et pour prendre de meilleures décisions pendant le routage. Bien sûr, à ce stade de la conception, l'analyse ne dispose pas d'informations sur l’empilement réel des couches, et peut seulement estimer les résultats. Lorsque la carte est terminée, avec le routage et toutes les zones de cuivre, l'analyse post-routage peut détecter les perturbations réelles des signaux.

Comme d'habitude, des modèles sont nécessaires pour effectuer les simulations. Pour la simulation d’intégrité du signal, il est nécessaire d’utiliser des modèles IBIS sur tous les circuits imprimés connectés aux signaux qui doivent être simulés. Altium Designer peut gérer les modèles IBIS pour les composants de base, tels que résistances, condensateurs, inductances, connecteurs, transistors, diodes et plus encore... Il ne vous reste qu’à vous occuper des modèles de simulation pour les CI. Ils peuvent généralement être téléchargés sur le site web du fabricant.

Avec le routage de la carte et les modèles IBIS de vos composants, vous pouvez maintenant lancer la simulation d'analyse de l'intégrité du signal. Lancez l'analyse et examinez la qualité de votre signal. Si vous constatez des perturbations inattendues, vous voudrez alors relancer la simulation. Cette fois, utilisez une variation des terminaisons possibles qui peuvent être ajoutées au signal. Altium Designer va générer des signaux avec ces terminaisons sur le même tableau et vous permettra de comprendre le type de terminaison nécessaire pour ajuster le signal critique.

Lorsque vous connaissez le type de terminaison requise, vous pouvez également effectuer une analyse supplémentaire, pour déterminer la valeur du composant et donner aux signaux la meilleure adaptation possible. Cette simulation paramétrique peut faire varier la valeur de la terminaison, et vous permet d’identifier la valeur la plus utile.

Figure 2 : Analyse de l'intégrité du signal - Simulation paramétrique sur la terminaison d’une résistance de rappel vers le niveau bas.

CONCLUSION

Grâce à la simulation et à l’analyse de l'intégrité du signal dans Altium Designer, il est plus facile naviguer avec succès dans les méandres de votre PCB à haute vitesse avant et après son routage. Mais il ne s'agit pas seulement de l'outil de simulation. Il est aussi nécessaire de consacrer suffisamment de temps à la planification du chemin de retour du courant, à la synchronisation des signaux et à l'empilement des couches avant de commencer à router les pistes. Grâce à une combinaison de simulations avant et après le routage, et une planification minutieuse, vous serez en mesure de produire un signal clair à chaque fois.