Comment faire : Adaptation d'impédance et terminaison de charges capacitives

Pour ceux d'entre vous qui suivent les chaînes Youtube d'Altium, vous savez que l'intégrité du signal est un sujet brûlant qui génère beaucoup de questions. J'ai récemment reçu une question intéressante d'un spectateur qui demandait comment terminer des charges capacitives :

Je vois qu'il y a beaucoup de super vidéos sur l'adaptation d'impédance et la conception de la largeur des pistes pour correspondre à l'impédance de tout câble entrant, mais qu'en est-il de l'adaptation des charges capacitives ?

Les MOSFETs de génération actuelle et les GaN HEMTs sont capables de commuter en moins de 100 ns à ce stade et donc j'ai l'impression que l'adaptation à la grille d'un dispositif de puissance va devenir un problème bien plus important à l'avenir...

Comme je l'expliquerai ci-dessous, l'idée d'une charge purement capacitive est en quelque sorte une illusion. Oui, les condensateurs existent, mais tous les condensateurs sont non-idéaux, et c'est cette déviation par rapport à une capacité théorique qui détermine comment adapter l'impédance d'une charge qui présente un comportement capacitif. Examinons cet aspect important de la conception d'interconnexion et voyons ce que cela signifie réellement de terminer une charge capacitive.

Qu'est-ce qu'une Charge Capacitive ?

Très simplement, les charges purement capacitives n'existent pas. Même les bancs de condensateurs ne sont pas réellement des charges « capacitives », du moins d'un point de vue de la puissance réactive. En électronique, et spécifiquement dans les PCBs, une charge qui semble être capacitive ne le sera que dans une certaine plage de fréquences, et la capacité peut ne pas résulter de condensateurs placés intentionnellement.

Plutôt, en électronique, lorsque nous disons qu'une charge est capacitive, nous faisons le plus souvent référence à l'impédance d'un composant, ou spécifiquement à son impédance d'entrée. Une impédance d'entrée capacitive diminue généralement avec l'augmentation de la fréquence et provoque une avance du courant par rapport à la tension en phase. Quelques exemples incluent :

• les circuits RC ou certains circuits RLC
• les E/S sur les circuits intégrés
• le terminal de grille sur les MOSFETs
• les stubs sur les lignes de transmission, selon leur longueur et leur terminaison
• les réseaux d'adaptation d'impédance

En d'autres termes, l'élément est approximé comme un condensateur, même s'il ne se comporte pas exactement comme tel. Avec cela à l'esprit, explorons deux cas principaux où l'impédance capacitive et la terminaison sont considérées : les signaux analogiques à bande étroite et les signaux numériques à large bande.

Signaux Analogiques

Si vous travaillez uniquement à une fréquence spécifique, ou dans une plage de fréquences très étroite, alors vous voudrez utiliser un circuit de filtrage LC standard. Plus précisément, un groupe de deux condensateurs ou un filtre L sera normalement utilisé pour déterminer cela. La clé ici est la suivante : la partie réelle de l'impédance de charge doit être supérieure à zéro. Cela reflète le fait que, pour une charge réelle, elle ne sera pas purement capacitive.

Pour adapter entièrement l'impédance d'un interconnect complet, vous devriez utiliser le processus suivant :

1. Déterminez le circuit de filtrage LC nécessaire pour régler l'impédance équivalente (charge + filtre) à l'impédance cible. Cela se fait facilement avec une transformation série/parallèle et en résolvant pour les valeurs de L et C.
2. Calculez l'impédance d'entrée pour votre ligne de transmission particulière telle qu'elle est vue à l'extrémité d'entrée en utilisant la formule standard.
3. Réglez l'impédance de source pour qu'elle corresponde à l'impédance d'entrée calculée à l'étape 2.

Les différentes impédances utilisées pour une charge capacitive sont présentées ci-dessous. Typiquement, le réseau d'adaptation sera un réseau en L ou une paire de condensateurs/inductances dans un arrangement en pi avec la charge. Le concepteur peut choisir une fonctionnalité passe-haut ou passe-bas dans le réseau d'adaptation et appliquer l'analyse de circuit pour obtenir Zeq.

L'étape 1 est fondamentale dans l'analyse de circuit, donc je ne vais pas montrer une explication complète ici, je couvrirai probablement cela dans un autre article. Vous pouvez trouver un excellent tutoriel à ce lien (à partir de la page 3). À l'étape 2, l'impédance équivalente (cible) que vous avez calculée à l'étape 1 devient la charge utilisée dans le calcul de l'impédance d'entrée à l'étape 2. Enfin, à l'étape 3, vous devrez peut-être appliquer un réseau d'adaptation supplémentaire pour adapter l'impédance de la source à l'impédance d'entrée (ligne + filtre).

Adaptation à l'impédance d'entrée de la ligne de transmission

J'ai mentionné plus haut que la source pourrait devoir être adaptée à l'entrée. Ce que je veux dire, c'est que si la ligne est légèrement plus longue que la limite pour une ligne électriquement courte et qu'il reste une certaine inadéquation résiduelle, l'impédance d'entrée (ligne + filtre) peut être assez différente de l'impédance caractéristique de la ligne de transmission. Par conséquent, vous devez régler l'impédance de sortie de la source pour correspondre à l'impédance d'entrée de la ligne à la fréquence requise. Cela se fait avec un autre réseau d'adaptation (voir ci-dessous). Cela pourrait être aussi simple qu'une résistance en série, bien que dans les circuits réactifs avec une ligne de transmission, il soit parfois judicieux d'utiliser également un circuit LC pour l'adaptation d'impédance à la fréquence requise.

Vous pourriez penser : pourquoi puis-je utiliser uniquement des inducteurs et des condensateurs pour m'adapter à une charge capacitive arbitraire si j'ai besoin d'avoir une impédance de charge réelle ? La vérité est que l'impédance de charge aura une partie réelle très petite. Même pour les composants imprimés ou les impédances arbitraires, le circuit de charge aura toujours une certaine résistance parasite quelque part dans le circuit. Cela apparaîtra sur les fils des composants, les pistes du PCB, et toute autre structure dans la disposition du PCB utilisée pour faire une connexion.

Lignes Courtes

Si la ligne de transmission est courte, alors les choses sont beaucoup plus simples. Dans ce cas, vous n'avez pas besoin du réseau d'adaptation d'entrée montré ci-dessus. Avec une ligne courte, l'impédance de source Zs ne voit que la charge, donc vous pouvez utiliser l'impédance de source comme votre cible d'impédance en concevant le bloc de circuit d'Adaptation de Sortie. Dans les circuits RF, ce n'est pas ce que vous voyez typiquement, il y a propagation vers un autre bloc de circuit (câble, émetteur, etc.), donc il y aura une certaine déviation de l'impédance d'entrée à considérer.

Circuits Logiques à Haute Vitesse

Nous n'abordons pas toujours ce sujet lors de la discussion sur les circuits logiques à haute vitesse, mais les entrées des circuits logiques CMOS ont une certaine capacité qui est déterminée par les dimensions du transistor et de l'emballage du récepteur. Tous les circuits logiques basés sur des transistors sont capacitifs, tout comme les traces qui sont utilisées pour guider le signal vers les entrées. La trace et l'emballage ensemble ont une certaine capacité parasite qui doit être chargée afin que le signal en propagation soit interprété comme l'état logique désiré.

La différence entre une ligne de transmission et une charge capacitive est qu'une ligne de transmission est réellement un circuit LC groupé (en réalité un circuit RLC) avec une constante diélectrique complexe. Par conséquent, son impédance est approximativement réelle. Cependant, la capacité de charge crée des effets réels ; les valeurs typiques de capacité de charge peuvent varier de 1 pF à 100 pF pour les composants numériques modernes, en fonction du conditionnement et du nœud technologique. La capacité de charge est en parallèle avec un circuit logique à haute impédance (de l'ordre de 1 MOhm), donc ensemble, ils agissent comme un circuit RC une fois qu'ils reçoivent l'onde entrante. Par conséquent, nous nous préoccupons uniquement de l'application d'une terminaison comme si tout était composé de résistances ; nous nous soucions uniquement des fréquences jusqu'aux limites où la capacité de charge prend le dessus.

De toute évidence, c'est une charge « capacitive ». Dans les circuits numériques, nous reconnaissons que la capacité de charge est un facteur limitant la bande passante ; cela devient important seulement lorsque vous atteignez des fréquences GHz élevées, ce qui signifie que cela nous concerne uniquement lorsque la plage de fréquence de coupure pour cette impédance d'entrée chevauche une fraction significative de la bande passante du signal numérique. Il n'est pas pratique d'appliquer une terminaison large bande dans ces circuits pour supprimer totalement les réflexions. Il y aura toujours une certaine réflexion qui se produit lorsque le signal en déplacement atteint la charge.

Par conséquent, l'industrie s'est concentrée sur des éléments comme l'égalisation et les systèmes de signalisation multiniveaux pour récupérer les signaux et augmenter les débits de données pour un temps de montée donné. Dans tous les cas, l'élément de terminaison peut être présent sur la puce du composant, à moins que de la logique spécialisée ne soit utilisée. Un exemple avec une terminaison parallèle est montré ci-dessous.

Une alternative ici est l'utilisation d'une terminaison RC au niveau du récepteur, mais cela est moins courant et nécessiterait une paire de composants externes. L'idée ici est de ralentir le temps de montée, qui serait normalement limité par la construction du dispositif sur la puce (normalement une entrée à haute impédance). La terminaison RC n'est généralement pas préférée à cette fin car il est mieux de ralentir le signal au niveau du pilote plutôt qu'au niveau du récepteur. Cependant, vous pourriez ne pas avoir le choix dans certains cas, par exemple lorsque le pilote n'est pas situé sur votre PCB et que vous n'avez que l'option de placer une terminaison RC au niveau du récepteur.

La conclusion est la suivante : pour les circuits intégrés numériques, nous ne nous préoccupons pas nécessairement de la terminaison capacitive car nous essayons de réaliser une adaptation d'impédance sur la plus large bande passante possible plutôt qu'à une fréquence spécifique. Cela met l'accent sur la conception physique du canal pour assurer que les pertes de retour soient minimales sur les canaux courts et que les pertes d'insertion soient minimales dans les canaux longs. Si nous nous souciions uniquement de l'adaptation à une fréquence spécifique, nous pourrions perdre la majorité de la puissance du signal et celui-ci pourrait être complètement perdu.

Résumé

Pour résumer, voici quelques points importants :

• Il n'y a pas de charge purement capacitive. Même les condensateurs cessent de se comporter comme des condensateurs idéaux à une fréquence suffisamment élevée. Les charges réelles peuvent se comporter de manière approximativement capacitive.
• Les signaux analogiques peuvent être adaptés en impédance à une charge capacitive avec un circuit filtre LC standard.
• Dans les circuits numériques, nous ne pouvons pas vraiment terminer la capacité de charge en raison de la nature à large bande des signaux numériques.

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