Conseils et directives pour la conception de PCB haute vitesse

Dans cet article, nous examinerons quelques conseils et directives pour les conceptions de cartes de circuits imprimés à haute vitesse.

Lorsqu'il s'agit de conceptions à haute vitesse, nous sommes généralement préoccupés par deux domaines. Le premier est l'intégrité du signal (SI), et les problèmes liés au diaphonie en raison de l'espacement des pistes, des réflexions dues aux désadaptations d'impédance, de l'atténuation du signal, et des problèmes tels que le ringing. Bien sûr, nous aimerions minimiser ces problèmes du mieux que nous pouvons. Deuxièmement, nous sommes préoccupés par l'interférence électromagnétique (EMI).

Avant de commencer, je dois recommander une vidéo fantastique sur la chaîne YouTube d'Altium par Rick Hartley sur la conception de PCB appropriée et comment réaliser une mise à la terre correcte. Les sujets couverts en détail dans cette vidéo sont particulièrement importants pour les conceptions numériques à haute vitesse et les conceptions analogiques à haute vitesse. Assurez-vous de consulter la vidéo ici.

Qu'est-ce qu'une conception de PCB "à haute vitesse" ?

Avant de nous plonger dans ces conseils de conception et de mise en page de PCB à haute vitesse, jetons un œil à quand nous devons réellement nous préoccuper de tout cela !

Disons, par exemple, que nous avons un signal d'horloge de 100 MHz dans notre conception, et supposons naïvement qu'il s'agit de la fréquence la plus élevée apparente dans notre système. Il s'avère que le problème n'est pas réellement que le signal d'horloge a une fréquence fondamentale de 100 MHz, mais plutôt que nos problèmes de conception proviennent des temps de montée et de descente de ce signal d'horloge presque carré.

Ces transitions nettes passant du bas niveau numérique au haut niveau numérique (ou vice-versa) contiennent un contenu en fréquence bien plus élevé que la fondamentale. Étant donné les temps de montée et de descente d'un signal (selon lequel d'entre eux est le plus rapide), nous pouvons calculer la fréquence maximale dans le signal (ou plutôt la bande passante) approximativement en utilisant la formule suivante :

Par exemple, pour un signal d'horloge de 100 MHz avec un temps de montée de 1 ns, la bande passante de ce signal est de 500 MHz—une différence assez significative !

Lorsqu'une longueur de trace de PCB dépasse 1/12ème de la longueur d'onde dans le diélectrique, nous devons commencer à considérer notre conception de PCB de manière beaucoup plus détaillée. C'est le moment où nos traces commencent à ressembler à des lignes de transmission de longueur distribuée, et non plus à des éléments groupés. Nous appelons cette longueur la « longueur critique ».

Conseil n°1 : Plans de Référence

Nous voulons toujours avoir un plan de masse ou un plan d'alimentation pertinent adjacent à un plan de signal, directement sur la couche en dessous (ou au-dessus) d'une couche portant une trace. Dans certains cas, vous pouvez utiliser un plan d'alimentation pertinent au lieu d'un plan de masse comme référence. Ici, pertinent signifie que la tension du plan de référence est la même que celle du signal dérivé. Les plans de référence sont importants non seulement pour maintenir des chemins de retour appropriés et pour minimiser la propagation du champ électromagnétique, mais aussi lorsqu'il est nécessaire d'avoir des traces à impédance contrôlée. 

Pour les signaux AC, tout ce qui est au-dessus de quelques kHz, et le chemin de retour se trouve en fait directement en dessous de la trace du signal dans le plan de référence en dessous. Une règle très importante est qu'il ne devrait y avoir aucune coupure dans le plan de référence sous les traces.

Conseil n°2 : Empilement des couches

Nous voulons avoir un plan de masse non seulement adjacent à un plan de signal mais aussi adjacent à un plan d'alimentation. Il est également judicieux d'avoir un diélectrique mince entre les plans, ce qui nous donne un couplage serré et nous permet également d'utiliser des traces plus fines pour des conceptions plus denses.

Les traces plus fines nous donnent également plus d'espace pour travailler, et plus d'espace entre les traces. Cependant, gardez à l'esprit que la fabrication de traces fines peut être plus difficile.

Astuce n°3 : Traces à impédance contrôlée

Dès que la longueur de notre trace dépasse la longueur critique discutée dans l'introduction de cet article, nous devons contrôler l'impédance de nos traces. C'est-à-dire que nous devons ajuster la largeur de notre trace—en fonction de notre empilement de PCB et de sa construction—pour obtenir une certaine impédance de ligne de transmission. Typiquement, cela sera de 50 Ohms pour les signaux à terminaison unique. Altium Designer dispose d'un puissant solveur de champ 2D qui peut calculer les largeurs de trace requises en fonction de votre empilement et de votre construction en quelques secondes !

Astuce n°4 : Longueur des traces, espacement et la règle des 3h

Nous devons garder les traces à haute vitesse aussi courtes que possible—cela aide pour l'EMI et l'IS. De plus, nous voulons garder les différentes traces à haute vitesse aussi éloignées les unes des autres que possible pour minimiser le diaphonie.

De plus, veillez à éloigner les traces à haute vitesse des composants tels que les inducteurs ou les sections d'alimentation d'un circuit. Une règle générale typique est la règle des 3h, ce qui signifie que les traces doivent être séparées d'au moins trois fois la hauteur du diélectrique entre la couche de signal et la prochaine couche de masse ou de référence.

Pour des conceptions à haute performance, à haute vitesse, nous avons souvent besoin d'outils de simulation pour vérifier que nous respectons les performances requises en termes d'intégrité de signal et d'EMI.

Altium Designer sur Altium 365 offre un niveau d'intégration sans précédent à l'industrie électronique, jusqu'alors relégué au monde du développement logiciel, permettant aux concepteurs de travailler depuis chez eux et d'atteindre des niveaux d'efficacité inédits. Il existe également de multiples tutoriels de conception de PCB à haute vitesse regorgeant de directives supplémentaires pour la conception et la mise en page de PCB à haute vitesse dont vous pouvez profiter.

Nous n'avons fait qu'effleurer la surface de ce qu'il est possible de faire avec Altium Designer sur Altium 365. Vous pouvez consulter la page du produit pour une description plus détaillée des fonctionnalités ou l'un des Webinaires à la Demande pour plus d'informations sur les techniques de conception et de mise en page de PCB à haute vitesse.