Les bases de l'analyse de l'intégrité du signal de votre PCB

Les bases de l'analyse de l'intégrité du signal ne sont pas toujours aussi simple qu'elles peuvent paraître.

Les outils de simulation de l'intégrité du signal sont idéaux pour évaluer le comportement de vos signaux dans différents filets lors de la création des schémas et du layout, mais vous devrez aussi être capable d'interpréter ces résultats. En effet, aussi avancés que puissent être certains outils de simulation de l'intégrité du signal et de l'électromagnétisme, ils ne seront jamais aussi pertinents que des informations obtenues en prenant quelques mesures.

Quelle que soit la méthode choisie pour examiner l'intégrité du signal dans votre carte (on vous conseille d'associer les deux), il existe certaines étapes clés à suivre pour analyser le comportement de vos signaux et identifier les problèmes qui peuvent mettre à mal votre carte.

Débuter avec l'analyse de l'intégrité du signal

L'analyse de l'intégrité du signal commence par des simulations qui seront réalisées avant le layout. Une fois ce dernier terminé, vous pourrez avoir recours à d'autres simulations pour analyser l'intégrité du signal en tenant compte des géométries de votre carte. Bien sûr, ces résultats devront être comparés à des mesures réelles, alors conservez-les bien précieusement.

Les analyses préalables au layout

Ici, il sera principalement question de conception de circuit, de sélection des composants et d'examen de la façon dont les signaux se déplacent entre les E/S de deux composants. Trois analyses clés vous fourniront un certain nombre de renseignements précieux sur le comportement de votre carte.

• Comportement transitoire. Les réponses transitoires sur la connexion entre deux tampons peuvent également être modélisées dans le domaine temporel à l'aide d'une analyse transitoire. Vous pouvez aussi évaluer le comportement des transitoires à partir d'une analyse des pôles et des zéros. Cela vous permettra d'identifier les dépassements et déficits dus à l'oscillation et de savoir comment atteindre le niveau souhaité. Dans le cas de circuits intégrés, les simulations les plus précises ont recours à des modèles IBIS, bien que des sous-circuits SPICE puissent aussi être utilisés pour modéliser des tampons E/S.

• Paramètres S et fonction de transfert. Certains blocs fonctionnels de votre carte peuvent être modélisés en tant que réseaux multiports, ce qui signifie que leur comportement linéaire peut être traduit en termes de paramètres S à une fréquence donnée. Vous pouvez déterminer les paramètres S à partir d'un coefficient de réflexion dans le domaine temporel. Dans le cas des lignes de transmission, on utilise l'impédance d'entrée donnée par la capacité de charge. Vous pouvez calculer la fonction de transfert de votre réseau à partir des paramètres S, et vice versa. Voici un excellent guide qui illustre l'ensemble des formules impliquées.

• Réponse impulsionnelle. Cette simulation comporte deux objectifs : qualifier la causalité des modèles de paramètres S/de la fonction de transfert dans votre bande passante définie, et examiner le comportement de la réponse impulsionnelle pour un temps de montée donné. Les réponses impulsionnelles vous permettent également d'extraire la dispersion et le retard de propagation le long de vos interconnexions. Cela permet donc de qualifier un modèle de canal prévu pour une paire de tampons d'entrée/sortie donnée dans une situation idéale avant de procéder au layout du PCB.

• Diagramme de l'œil. Les modèles de tampons et les interconnexions peuvent être simulés à l'aide d'un diagramme de l'œil. Ce dernier est une composante clé de la conformité des canaux, car il indique le niveau de signal attendu, le dépassement, les interférences intersymboles (ISI), la gigue et le taux d'erreur binaire attendu pour une séquence binaire pseudo-aléatoire.

Pour des canaux plus complexes, l'ensemble des analyses pré-routage ci-dessus peuvent vous aider à qualifier des éléments tels que les transitions de vias planifiées.

Les analyses qui suivent le layout

À ce stade, vous allez devoir évaluer l'impact des parasites sur l'intégrité du signal. Comme celui-ci dépend de la géométrie de votre carte, vous devrez pour cela examiner les problèmes d'intégrité du signal dépendants de la géométrie suivants :

• Diaphonie : redoutée par bon nombre de concepteurs, la diaphonie est liée au couplage inductif et capacitif. Si vous examinez les effets de la diaphonie sur une piste « victime » et une piste « agresseur », vous remarquerez que le couplage capacitif ne se produit que lorsque les deux sont adjacentes. La diaphonie inductive n'est pas limitée par la portée, et toutes les pistes de votre carte peuvent se coupler par l'intermédiaire du champ magnétique.

• Comportement de la ligne de transmission : bien que vous puissiez utiliser des modèles de lignes de transmission pour examiner les pistes de signaux pendant la phase pré-layout, il est préférable de le faire directement à partir de votre schéma de montage. Si l'impédance de vos pistes n'est pas contrôlée, vous devrez évaluer si les réflexions sur la ligne (le cas échéant) dégradent les niveaux de signal au niveau du récepteur et engendrent une réponse en escalier pour les signaux numériques. Dans le cas des signaux analogiques, l'opération peut être plus délicate, car on cherche à identifier toute interférence ou onde stationnaire sur la ligne. Cependant, le bon simulateur d'intégrité du signal sera capable de distinguer les ondes incidentes des ondes réfléchies, ce qui vous permettra d'examiner le comportement de chacune individuellement. Vous pourrez ensuite déterminer le niveau de réflexion et déterminer si le niveau du signal répond à vos exigences.

• Tout ce que vous avez examiné avant le layout ! Le but ici est de vérifier que les parasites, le tressage des fibres, etc. ne modifient pas radicalement le comportement des signaux sur votre carte. Si plusieurs pistes échouent, votre layout devra être modifié. Le point de départ consiste à examiner la géométrie de votre empilage et des pistes.

Les outils pour l'analyse de l'intégrité du signal

Les points ci-dessus peuvent donner l'impression qu'un programme de simulation complexe est essentiel pour créer et mener à bien ces analyses. Les outils exacts dont vous avez besoin dépendront de ce que vous souhaitez simuler et évaluer.

Votre outil de CAO vous permettra de réaliser simplement certaines de ces simulations avec un modèle IBIS, par exemple, alors que des simulations plus complexes impliquant plusieurs réseaux pourront nécessiter un solveur de champs 3D ou un outil de solveur 2D comparable.

Bus asymétriques sans impédance spécifiée

Dans le cas de bus asymétriques plus lents, sans terminaison, il est possible d'observer un comportement transitoire (oscillation) qui peut être dû à la structure de l'interconnexion (sa capacitance et son inductance). Les bus SPI peuvent notamment être concernés lorsque la piste est électriquement courte.

On pourra alors observer l'oscillation avant le layout, tant que vous avez appliqué un modèle de ligne de transmission dans vos schémas et que la spécification des broches est définie (soit le sous-circuit SPICE, soit le modèle IBIS).

Une fois votre bus asymétrique routé, vous pouvez exécuter une simulation post-layout à l'aide de l'analyseur d'intégrité du signal inclus dans vos outils de CAO.

Ces analyseurs utilisent soit une affectation de famille logique soit un modèle IBIS pour les broches/réseaux pertinents afin de simuler :

• Les formes d'onde de diaphonie et pour identifier les régions de couplage fort
• Les formes d'onde de réflexion
• Les autres mesures de comportement du signal (temps de montée/descente, dépassement/déficit, etc.)
• Calculer l'impédance moyenne le long de la piste.

Dans les bus asymétriques à impédance non contrôlée, il est possible d'observer les réflexions à l'extrémité du conducteur lorsque le bus est long, ou encore l'oscillation liée à la capacitance et l'inductance sur le bus. Si cette oscillation engendre un dépassement excessif, alors la réduction de l'inductance de la piste et l'ajout d'atténuation sont les deux principaux moyens de réduire son amplitude.

L'autre approche consiste à augmenter l'atténuation en ajoutant une résistance en série, comme dans le cas d'une sortie de tampon à basse impédance vers une ligne de transmission mal appariée et plus longue.

Bus à impédance contrôlée

Dans les bus à impédance simple et différentielle contrôlée, l'impédance de fin peut être sur la puce. Une simulation post-layout basée sur une famille logique n'est donc pas pertinente, car elle ne décrit pas correctement l'impédance du bus.

La diaphonie peut toujours être simulée, car vous regardez uniquement le couplage entre deux interconnexions en tant que fonction du temps de montée, et la magnitude de la diaphonie sera inversement proportionnelle au temps de montée, même si vous n'attribuez qu'une famille logique.

Dans le cas d'une simulation post-layout des réflexions et des violations d'impédance, celle-ci devra au moins utiliser des modèles IBIS pour définir le comportement du tampon plutôt que de s'appuyer sur les descriptions de familles logiques.

Tant que la description du tampon est connue et disponible, elle peut être appliquée pour modéliser le comportement du composant dans l'éditeur du circuit imprimé. L'outil standard d'intégrité du signal proposé par ce dernier pour les formes d'ondes de diaphonie et de réflexion peut vous aider à qualifier en amont le comportement du signal (temps de montée/descente, dépassement, diaphonie, impédance cohérente et oscillation) avant de passer à un outil d'analyse plus avancé.

Pour simuler des éléments tels que des diagrammes de l'œil, la diaphonie multi-réseaux et les écarts d'impédance le long d'un réseau, des outils externes peuvent être utilisés. Les solveurs de champ sont une option, et bon nombre de ces outils sont disponibles avec différents niveaux de spécialisation.

Un outil comme un solveur de champ à onde pleine n'est pas toujours nécessaire à moins que vous ne souhaitiez simuler des émissions rayonnées, un élément plus complexe lié à l'intégrité du signal et de l'alimentation, ou extraire les paramètres S du réseau simulé.

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