Impédance des paires différentielles : Concevoir votre PCB avec une calculatrice pour cartes imprimées.

J'ai suivi divers cours d'informatique au lycée et je me suis toujours demandé pourquoi les conducteurs des câbles Ethernet étaient torsadés les uns autour des autres. Je ne savais pas qu'il s'agissait d'une méthode de conception simple qui garantit que les signaux atteignent leur destination sans interférer les uns avec les autres. Parfois, les meilleures solutions à des problèmes complexes sont en fait les plus simples.

Le routage par paires différentielles ne se limite pas aux câbles Ethernet. C'est l'une des principales techniques de routage et de conception des circuits imprimés à haut débit. Les concepteurs de PCB discutent souvent de l'impédance des lignes de transmission en termes de pistes simples, plutôt que de pistes à paires différentielles, mais une bonne compréhension et des calculs affûtés de l’impédance des paires différentielles sont essentiels pour vous assurer un contrôle optimal de l'impédance sur toute votre carte. 

Quand l’impédance différentielle entre-t-elle en jeu ?

Tout décalage de l'impédance dans les circuits imprimés à hautes débits/hautes fréquences peut faire des ravages sur vos signaux. Des problèmes comme l'oscillation due à la résonance du signal surviennent lorsqu'il y a un décalage d'impédance important sur une piste simple. Il en va de même pour les paires différentielles, à l'exception des paires terminées connectées à une charge à haute impédance d'entrée (par exemple, LVDS). Tout comme l'impédance simple, l'impédance des paires différentielles est importante lorsque la piste se comporte comme une ligne de transmission différentielle, qui dépend alors du délai de transmission sur une piste donnée.

Lorsque la montée du signal est très courte, l'impédance des paires différentielles doit correspondre aux composants de la source et de la charge. La concordance d'impédance n'est normalement pas nécessaire, sauf si l'écart entre une piste et ses composants en amont et en aval est important. Vous devrez déterminer la longueur critique au-delà de laquelle la concordance d'impédance est effectuée en examinant le décalage d'impédance autorisé pour votre norme de signalisation. Cette longueur effective peut être convertie en un temps de montée pour un signal numérique, ou en une fraction de la longueur d'onde sur la paire pour un signal analogique.

Si le temps de montée du signal est inférieur au double de la transmission aller-retour sur la longueur de la piste, la piste doit être traitée comme une ligne de transmission. Si vous voulez être prudent, vous devez toujours faire correspondre l'impédance des circuits imprimés à haute vitesse et à haute fréquence lorsque les bandes passantes s'étendent dans la gamme des GHz, simplement parce que les longueurs d'onde de votre signal/le délai de propagation seront de l'ordre de quelques centimètres. Une règle industrielle plus conservatrice consiste à traiter une piste comme une ligne de transmission si le délai de transmission de la piste est supérieur à 10 % du délai de transmission critique aller-retour défini par la durée de la montée ou la période d'oscillation. En cas de doute, il est plus sûr de faire correspondre l'impédance afin d'éviter les problèmes de réflexion du signal.

_{Routage de paire différentielle et vias sur un PCB}

Calculer le différentiel ou impédance simple

L'impédance des pistes (simple et différentielle) est normalement calculée en ignorant toutes les pistes voisines, qu'elles contiennent ou non un signal de propagation. En outre, l'impédance simple est normalement calculée comme l'impédance caractéristique plutôt que l'impédance d'entrée ; nous ne nous soucions pas du type de composant (fermé, ouvert ou charge) auquel la piste est connectée. Dans les paires différentielles, où nous supposons qu'une piste voisine propage un courant de retour dans la direction opposée à celle de la piste du signal, la valeur de l'impédance différentielle est déterminée par le couplage capacitif et inductif entre chaque piste de la paire.

Les paires différentielles des striplines et des microstrips ont des valeurs d'impédance différentes causées par la présence du substrat, tout comme dans les pistes simples. Les striplines symétriques et asymétriques ou les microstrips intégrés ont également des valeurs d'impédance différentes par rapport à un microstrip de surface ou à un stripline unique. Le diélectrique et la géométrie du substrat déterminent la constante diélectrique effective vue par les signaux sur une piste microstrip, ce qui modifie également le temps de retard critique et détermine si la piste simple agit comme une ligne de transmission.

_{Couplage dans une paire différentielle, qui détermine l'impédance différentielle.}

Pour l'impédance de paire différentielle, il existe quelques formules simples que vous pouvez utiliser pour estimer l'impédance de la paire (lorsqu'elle n'est pas connectée à une charge) en utilisant uniquement l'impédance caractéristique et la force de couplage. Regardez ce webinaire avec Ben Jordan pour en savoir plus sur ce calcul et pour voir une formule simple pour les microstrips différentielles.

Pour les signaux numériques et les signaux analogiques à large bande, nous devons prendre en compte le spectre de fréquence du signal lors du calcul de l'impédance différentielle. Pour les mathématiciens, le contenu en fréquences d'un signal numérique peut être représenté comme une somme de fréquences analogiques, et chaque partie analogique d'un signal numérique aura une constante diélectrique légèrement différente en raison de la dispersion chromatique dans le diélectrique. Cela signifie que le couplage dans une paire différentielle qui transporte des signaux numériques varie sur l'ensemble du spectre de fréquences d'un signal numérique ou d'un signal analogique à large bande.

Par conséquent, le calcul de l'impédance des paires différentielles et de l'impédance des pistes à une extrémité devient plus difficile, à moins de disposer d'un modèle définissant la dispersion dans le diélectrique. Si vous n'aimez pas résoudre des équations différentielles partielles couplées (voir les équations du télégraphiste), la bonne calculatrice pour cartes impriméesd'impédance différentielle peut vous aider à déterminer la bonne largeur de piste, la bonne séparation et la bonne distance par rapport au plan de référence pour la valeur d'impédance différentielle souhaitée.

Calculatrice pour cartes imprimées d’impédance différentielle

Pour travailler avec de nombreux calculatrice pour cartes imprimées d'impédance différentielle, il faut connaître au préalable la constante diélectrique de la piste. Cela nécessite un autre calculateur adapté à votre géométrie spécifique, ou vous devrez calculer manuellement la constante diélectrique à chaque fréquence dans votre substrat PCB. Une fois connue la constante diélectrique, et lorsque vous avez choisi l’agencement des traces, vous pouvez effectuer des calculs pour déterminer la bonne géométrie. Vous pouvez jouer avec les paramètres géométriques jusqu'à obtenir le niveau d'impédance souhaité, ou vous pouvez contraindre la géométrie et utiliser la valeur d'impédance calculée pour la concordance de l'impédance dans votre PCB.

La valeur d'impédance différentielle donnée par la plupart des calculatrice pour cartes impriméess est égale à la somme des impédances de chaque piste (y compris les contributions du couplage). En prenant cette valeur et en la divisant par 2, on obtient la valeur d'impédance en mode impair de chaque piste. Comme exemple de cas limite, le réglage de la séparation entre les pistes joue un rôle essentiel pour converger l'impédance d'une piste vers l'impédance caractéristique d'une piste simple ayant la même géométrie.

L'un des inconvénients de nombreux calculateurs d'impédance différentielle en ligne est de ne pas pouvoir calculer l'impédance en fonction de la fréquence. Certains calculateurs RF n'effectuent des calculs qu'à une fréquence spécifique, généralement 2,4 GHz, ou ils vous obligent à choisir une seule fréquence. L'impédance des paires différentielles et ses paramètres S dépendent de la fréquence liée à la dispersion (comme mentionné ci-dessus) et de l'effet d'un composant de charge sur l'impédance d'entrée dans les pistes modérément longues. Les calculateurs d'impédance des paires différentielles que j'ai vus en ligne ne tiennent pas tous compte de ces faits. Ils calculent simplement l'impédance d'une paire différentielle isolée.

_{La calculatrice pour cartes imprimée d’Altium facilite l’agencement des paires différentielles dans les PCBs à haute vitesse ou haute fréquence.}

Pour la concordance d'impédance, l'impédance d'entrée est importante, car c'est l'impédance vue par un signal entrant dans la paire différentielle. Dans le domaine des fréquences, le spectre d'impédance d'entrée est défini par une valeur minimale sur les fréquences moyennes en relation avec la résonance, puis augmente à la fois aux fréquences basses et aux fréquences élevées. Dans le domaine temporel, une valeur minimale est définie sur une période d'oscillation/durée de montée particulière, suivi d'une augmentation monotone de l'impédance lorsque la période/durée de montée du signal augmente jusqu'au délai aller-retour. Les puissants logiciels de conception et les excellents outils de simulation prennent ici toute leur importance.

Contrôle de l'impédance des paires différentielles avec un résolveur de champ intégré

Lorsque vos outils de routage sont construits sur un solveur de champ intégré, vous serez en mesure de définir un profil d'impédance simple ou différentiel pour vos pistes. Vous pourrez également vérifier le routage de votre paire différentielle par rapport à vos tolérances d'impédance, pendant la création de votre agencement. Vous n'aurez pas à calculer manuellement les dimensions ou l'espacement des pistes grâce aux calculatrices pour cartes imprimées d'impédance. Ces valeurs dépendant de la fréquence lorsque vous créez l’empilage du PCB.

Un excellent logiciel de conception de PCB comme Altium Designer facilite l’agencement des paires différentielles dans votre prochaine conception à haute vitesse ou haute fréquence. L'outil ActiveRoute, l'outil xSignals et le solveur de champ intégré peuvent vous aider à router facilement des paires différentielles à impédance différentielle contrôlée. Vous disposerez des outils nécessaires pour analyser et prévenir les problèmes de signaux qui peuvent survenir en raison d'une mauvaise correspondance des impédances. Si vous souhaitez en savoir plus sur Altium Designer, veuillez contacter un expert Altium.