Analyse, réduction et élimination du diaphonie dans la conception des PCB

Que vous conceviez une carte numérique avec un grand nombre de pistes, ou une carte RF fonctionnant à des fréquences très élevées, tout dispositif électronique avec des signaux en propagation va expérimenter du diaphonie. C'est simplement une question de savoir si cette diaphonie est si extrême que le système échoue à fonctionner, ou si la diaphonie est dans une limite acceptable. Il n'y a pas de niveau universel de diaphonie "acceptable", mais si vous découvrez par simulation et mesure que vous avez un problème, il existe des méthodes très simples qui peuvent être utilisées pour réduire la diaphonie.

Dans cet article, nous voulons examiner quelques moyens infaillibles de réduire la diaphonie dans vos conceptions à haute vitesse. Je vais décrire trois méthodes qui sont simples et qui produisent toujours des résultats favorables. Il existe une autre méthode qui peut apporter des améliorations, mais elle nécessite une analyse ou une simulation supplémentaire pour vous assurer de ne pas créer un nouveau problème d'intégrité de signal.

Qu'est-ce que la Diaphonie dans la Conception de PCB?

Défini très simplement, le diaphonie est un phénomène où un interconnecteur transportant un signal (l'agresseur) va coupler inductivement ou capacitivement ce signal dans un interconnecteur voisin (la victime). Cela est bidirectionnel : la victime et l'agresseur pourraient être inversés, et toutes choses étant égales, on s'attendrait à ce que la diaphonie se produise dans les deux directions. La diaphonie ne se produit que lorsque un signal change, c'est-à-dire pendant le taux de variation d'un signal numérique ; pour les signaux analogiques/RF, une réplique déphasée peut se produire sur les interconnexions voisines parce que le signal sur l'agresseur change toujours. Les signaux purement DC ne causent pas de diaphonie, mais ils peuvent être victimes de diaphonie.

Une illustration simple montrant la diaphonie et les équations qui déterminent la force d'un signal de diaphonie sur une interconnexion victime sont présentées ci-dessous. La diaphonie, telle qu'illustrée ici, est subdivisée en deux types:

• La diaphonie en bout proche (NEXT, courbe rouge), parfois appelée diaphonie de fond

• La diaphonie en bout éloigné (FEXT, courbe verte), parfois appelée diaphonie avant

Les deux types de diaphonie sont médiés par l'inductance mutuelle (Lm) et la capacité mutuelle (Cm) entre les deux pistes. Ensemble, ces deux effets déterminent la diaphonie observée du côté de l'émetteur et du côté du récepteur d'une ligne victime.

Si vous vous intéressez aux mathématiques régissant la diaphonie, vous remarquerez que le FEXT pourrait être éliminé dans les cas idéaux, ce qui est indiqué par le signe négatif dans l'équation du FEXT. Une stripline idéalement parfaitement symétrique aurait un FEXT nul, bien qu'en réalité la diaphonie ne soit jamais nulle.

Maintenant que nous avons couvert cette introduction de base, examinons les techniques de réduction de la diaphonie les plus simples.

Techniques de Réduction de la Diaphonie que Vous Pouvez Utiliser dans Altium Designer

Si vous concevez un PCB qui utilise des signaux numériques, et que ces signaux ont un taux de montée suffisamment rapide pour créer une diaphonie notable, alors vous devriez toujours router ces signaux au-dessus d'un plan de masse. Cela signifie, au minimum, que vous devriez utiliser un empilement SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR pour les conceptions numériques, particulièrement lorsque le temps de montée du signal se réduit à la gamme des ns ou moins.

Le routage au-dessus d'un plan de masse dans ce type d'empilement fournit une impédance définie qui peut être réglée à 50 Ohms si nécessaire, de sorte qu'il peut prendre en charge des interfaces à terminaison unique et différentielle normalisées avec des exigences d'impédance spécifiées. Cela définira la largeur de la piste à une valeur spécifique, qui pourra ensuite être utilisée pour définir une valeur d'espacement entre les pistes.

Augmentation de l'espacement entre les pistes pour la réduction du diaphonie

La manière la plus simple et la plus efficace de réduire l'intensité de la diaphonie reçue sur une piste victime est d'augmenter l'espacement entre les pistes. Lorsque les pistes sont plus proches les unes des autres, les champs électriques et magnétiques autour de la piste agresseur seront plus forts, donc toute diaphonie sur la piste victime sera plus forte. Par conséquent, augmenter l'espacement créera certainement une réduction de la diaphonie entre les lignes.

Il existe une règle de base de conception de PCB connue sous le nom de règle "3W", qui stipule que:

• L'espacement entre deux pistes doit être au moins 3 fois la largeur des pistes.

L'intention derrière cette règle est de fournir une valeur très conservatrice qui permet généralement de réduire le diaphonie dans les limites de marge de bruit qui s'appliquent à la plupart des familles logiques. Cette règle est appropriée pour les traces à haute vitesse au-dessus d'un plan de masse, mais avec une couche diélectrique plus épaisse que celle qui était utilisée dans les constructions traditionnelles avant l'avènement du HDI. Je vais expliquer plus en détail ci-dessous pourquoi cela est important.

Pour mettre cela en œuvre dans Altium Designer, vous pouvez faire ce qui suit:

1. Créer une classe de réseau contenant les réseaux à haute vitesse qui pourraient être des agresseurs de diaphonie.

2. Appliquer une règle de largeur aux traces dans votre classe de réseau qui définit la largeur souhaitée. Si ces traces sont contrôlées par impédance, appliquez le profil d'impédance depuis le gestionnaire de pile de couches.

3. Définir une règle d'espacement trace à trace dans la section Clearance de l'Éditeur de Règles et Contraintes PCB. Appliquer le plus grand espacement uniquement à votre classe de réseau.

Cela garantira que vos règles d'espacement sont définies spécifiquement pour les traces à haute vitesse que vous souhaitez séparer sans imposer la même règle à toutes les autres traces.

Qu'en est-il de l'espacement entre les paires différentielles? C'est un domaine où l'utilisation d'un couplage serré est bénéfique car cela garantit que le diaphonie dans une paire différentielle est reçue au maximum comme un bruit de mode commun. Cependant, comme je le discute ci-dessous, il y a plus d'avantages à un couplage lâche par rapport à un couplage serré, et il peut y avoir de meilleures stratégies lorsque des paires différentielles sont impliquées.

Minimiser les longueurs de traces parallèles pour réduire la diaphonie

La diaphonie entre deux traces est pondérée par le produit scalaire des vecteurs orthogonaux entre les deux traces couplées. En termes non mathématiciens, cela signifie que la diaphonie entre deux traces est maximisée lorsque les deux traces sont parallèles l'une à l'autre. Par conséquent, une stratégie simple pour réduire la diaphonie est de minimiser la longueur sur laquelle deux traces sont parallèles l'une à l'autre.

Si vous avez créé des canaux de routage dans des directions uniques, alors cela est plus facile à dire qu'à faire. Cependant, c'est la base du routage orthogonal sans plan de masse, où les traces sur deux couches différentes courent perpendiculairement l'une à l'autre. Cela fonctionne jusqu'à ce que vous atteigniez des taux de transition très rapides; lisez plus sur le routage orthogonal dans cet article.

Si vous souhaitez appliquer cette pratique dans vos outils de routage, vous pouvez utiliser la règle ParallelSegment dans l'éditeur de règles et de contraintes PCB, comme montré ci-dessous. Notez que la règle ParallelSegment applique également une distance minimale de dégagement, tout comme vous le feriez avec la règle de dégagement montrée ci-dessus.

Utilisez une distance plus courte jusqu'au sol pour réduire la diaphonie

La règle des 3W mentionnée ci-dessus est un repère approprié pour les traces routées sur des couches diélectriques plus épaisses. Cependant, il existe une méthode alternative qui peut être utilisée pour réduire la diaphonie: rapprocher la masse des traces. Si vous routez sur des couches plus minces, il est également possible de réduire la distance par rapport à la règle des 3W, et vous pourriez toujours observer la même amplitude de diaphonie que vous auriez vue sur des couches plus épaisses en routant avec la règle des 3W.

Par exemple, examinons les résultats de simulation ci-dessous. Ces courbes montrent les résultats de diaphonie en utilisant des paramètres S à 4 ports pour des lignes en ruban dans un empilement construit avec des laminés Megtron 7. Le graphique du haut montre ce qui se passe dans une situation typique de lignes fines sur une couche de 4 mil, où l'espacement et la largeur de ligne entre nos lignes en ruban sont égaux. Si nous rapprochons simplement les plans de masse en diminuant l'épaisseur diélectrique de 50%, puis redimensionnons les pistes pour atteindre le même objectif d'impédance, nous voyons que nous obtenons une réduction significative de la diaphonie nominale sans avoir à effectuer de reroutage.

Dans cet exemple, le redimensionnement des pistes peut être réalisé en régénérant le profil d'impédance dans le Gestionnaire de pile de couches dans Altium Designer, suivi par la régénération des règles de conception pour ces réseaux. Le processus prend quelques minutes et ne nécessite aucun reroutage. Nous pourrions également échanger avec une constante diélectrique différente pour obtenir de meilleures améliorations.

Si votre conception est déjà terminée et que vous vous préparez pour la fabrication, remplacer une couche diélectrique est un simple changement de matériaux qui peut être mis en œuvre par votre fabricant. Si vous êtes encore en plein milieu de votre conception, vous pouvez changer l'empilement dans votre fichier de disposition de PCB, puis changer les largeurs de pistes pour des pistes à impédance contrôlée ; aucun reroutage ne serait nécessaire. Les deux options offrent des avantages considérables pour le diaphonie.

Devriez-vous utiliser le remplissage de cuivre et les pistes de garde pour la réduction de la diaphonie?

Enfin, une méthode que les concepteurs pourraient souvent essayer d'employer est l'utilisation d'un remplissage de cuivre entre deux pistes, ou le routage d'une piste de garde entre vos deux pistes de signal. Je ne conseille pas de compter sur cela comme méthode pour réduire la diaphonie, et de nombreux autres experts sont du même avis. Il y a plusieurs raisons à cela:

1. Pour insérer une piste de garde ou un remplissage de cuivre entre deux pistes couplées, vous devez les espacer, typiquement d'au moins 3W

2. Rapprocher la masse des pistes peut produire la même réduction de diaphonie que vous pourriez essayer d'atteindre en routant une piste de garde

3. Il n'existe pas de moyen automatisé pour router rapidement une piste de garde, vous devez la router et placer sa masse manuellement avec des vias

4. Le report de cuivre agit essentiellement comme une piste de garde et peut être placé de manière automatisée, mais l'ajout de vias de liaison peut en réalité augmenter le diaphonie en créant une cavité résonante ouverte entre les deux pistes couplées; c'est la même raison pour laquelle on observe une perte de puissance extrême sur certains guides d'ondes coplanaires comme montré ici.

5. Utiliser du report de cuivre avec des vias de liaison nécessite un certain calcul ou une simulation avant la mise en œuvre pour bien faire les choses

Le point n°1 est le plus important: pour même envisager de faire de la place pour un report de cuivre appréciable ou des pistes de garde, vous devez déjà prévoir suffisamment d'espace pour atteindre au moins un espacement de 3W. Cela fournira une protection significative contre la diaphonie tant qu'un plan de masse est présent sur la couche suivante.

Par conséquent, avant d'utiliser la méthode de report de cuivre et de pistes de garde, considérez d'abord les autres points mentionnés ci-dessus car ils peuvent apporter des améliorations significatives qui rendront vos interconnexions conformes. Pour en savoir plus à ce sujet, regardez la vidéo suivante.

Dans la vidéo, je présente un ensemble de résultats de simulation d'Eric Bogatin et Bert Simonovich, qui révèlent l'efficacité des traces de garde sur la réduction du diaphonie pour les traces à extrémité unique. Étant donné que l'utilisation de traces de garde continue d'apparaître dans des situations avec des conceptions à haute vitesse, il est utile d'examiner comment les traces de garde affectent la diaphonie avec des traces à extrémité unique de 50 Ohms, car celles-ci seraient normalement mises en œuvre comme la norme dans les bus à haute vitesse et les interconnexions RF (par exemple, dans SDRAM/DDR). Dans d'autres cas avec SPI ou PPI, il n'y a pas de spécification d'impédance, mais de très longues traces pourraient être conçues à 50 Ohms et avoir une terminaison appliquée.

Le résultat important trouvé par Bogatin et Simonovich est que le niveau de diaphonie trouvé dans les simulations dépendait de si les traces étaient routées comme des striplines ou microstrip, ainsi que si les traces sont court-circuitées, ouvertes, ou connectées à une terminaison de 50 Ohms à chaque extrémité. Pour plus de commodité, je montre ci-dessous leurs résultats en domaine temporel, qui montrent l'efficacité relative ou l'inefficacité des traces de garde dans les deux configurations.

Les résultats sont très clairs: la seule configuration de piste de garde efficace se trouve en stripline avec les deux extrémités reliées à la terre, spécifiquement pour le NEXT. Pour le FEXT, il semble y avoir une réduction du diaphonie pour une piste de garde court-circuitée en stripline, mais la diaphonie était de toute façon déjà très faible.

Les résultats présentés ici sont valables pour des traces à 50 Ohms en mode simple, mais les mêmes résultats peuvent être observés pour une paire différentielle séparée par des pistes de garde. La différence est que nous examinerions la diaphonie différentielle, où un signal différentiel peut créer à la fois du bruit en mode différentiel et en mode commun sur l'interconnexion victime.

Pour lire l'étude complète et en savoir plus sur ce problème avec les traces en mode simple, lisez l'article suivant dans le Signal Integrity Journal:

• Guard Traces: Love Them or Leave Them?

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