Comment la capacité de charge sur une ligne de transmission affecte vos signaux

Si vous avez déjà lu des informations sur les lignes de transmission et les fiches techniques de circuits intégrés, vous avez probablement rencontré cette quantité apparemment mystérieuse appelée capacité de charge. Cette valeur dépend de la géométrie de la patte du composant connectée à la ligne de transmission, ainsi que du matériau du substrat et de la distance par rapport au plan de référence sur la puce du circuit intégré. Lorsque vous travaillez avec des lignes de transmission, la capacité de charge d'un composant a des effets importants sur le comportement du signal observé au niveau du récepteur, et il est important de comprendre comment vous pouvez influencer la capacité de charge dans votre PCB.

Lorsque vous devez analyser le comportement d'un signal sur une ligne de transmission pour un composant de charge donné, la capacité de charge affectera les paramètres S et la fonction de transfert de la ligne de transmission, donc elle doit être incluse dans l'analyse des signaux à haute vitesse/haute fréquence. De plus, l'impédance d'entrée réelle à la charge est déterminée par la capacité de charge à des fréquences suffisamment élevées. Voici comment vous pouvez mieux comprendre votre capacité de charge et déterminer comment elle affecte les signaux dans une ligne de transmission sur votre PCB.

Qu'est-ce que la Capacité de Charge ?

La capacité de charge sur un circuit intégré est un élément parasitaire entre la broche d'entrée et le plan de référence le plus proche. En d'autres termes, le pad d'entrée connecté au composant et la ligne de transmission verront une capacité de dérivation vers la référence de masse commune (en supposant que la ligne de transmission et le CI partagent le même plan de masse).

Cela se produit parce que le pad connecté à la ligne de transmission est porté à une certaine tension lorsqu'un signal atteint le récepteur, mais il est séparé du plan de masse par le substrat du PCB et le die du circuit intégré. Notez que l'inductance du boîtier de la broche a été omise pour le moment, qui se situerait comme un élément en série entre la ligne de transmission et le pad. La capacité parasitaire entre le pad/plan de masse en parallèle avec le plan de masse de la broche/die donne la capacité de charge totale. Ceci est illustré dans le schéma de circuit ci-dessous :

Pour le cas ci-dessus d'un canal différentiel, la terminaison appliquée est représentée comme une simple résistance en parallèle pour simplifier l'image impliquant des signaux différentiels. Cependant, les circuits de terminaison réels appliqués pour un récepteur différentiel peuvent être plus complexes, comme je l'ai discuté dans cet article, et ils visent à préserver un décalage tout en s'adaptant aux lignes de transmission individuelles dans le canal, plutôt qu'à s'adapter à l'impédance différentielle.

Terminaison

Dans l'exemple ci-dessus, la solution naturelle pour aborder le désaccord d'impédance inhérent est d'appliquer une terminaison. Considérez une terminaison en dérivation à l'impédance caractéristique (soit intégrée dans le CI soit appliquée avec une résistance externe). À basses fréquences, l'impédance de charge semble être l'impédance terminée. Cependant, à hautes fréquences, l'impédance de charge semble être entièrement due à la capacité de charge. La leçon à retenir ici est : vous ne pouvez faire correspondre l'impédance que sur une bande passante limitée en raison de la capacité de charge.

Capacité en bout de source

On pourrait naturellement se demander, qu'en est-il de la capacité du côté source de la ligne de transmission ? En effet, il existe une certaine capacité source qui détermine l'impédance de sortie du pilote en raison de la présence d'une pastille. Cela est normalement ignoré lors de la modélisation parce que le signal qui est émis par le système (pilote + ligne de transmission) n'est mesuré qu'à l'extérieur du pilote. Par conséquent, nous ne nous préoccupons pas vraiment de la manière dont le signal est arrivé là, juste que nous pouvons mesurer ce qu'il est. Nous devons seulement nous préoccuper de l'impédance d'entrée du système (ligne de transmission + charge).

Fonction de Transfert avec Impédance de Charge

Tout signal lancé dans la ligne de transmission sera affecté par la capacité de charge. Cela est ensuite quantifié avec une fonction de transfert. Intuitivement, si vous regardez le schéma ci-dessus, la capacité agit comme un élément de shunt à la terre pour les composantes de haute fréquence du signal. Par conséquent, une ligne de transmission connectée à un vrai CI agit comme un filtre passe-bas, même avant que le signal n'atteigne la charge !

L'intuition, c'est bien, mais comment pouvons-nous quantifier cela ? Heureusement, vous pouvez examiner la réponse en fréquence de la ligne de transmission avec une fonction de transfert. Cela vous montre, soit dans le domaine de Laplace soit dans le domaine fréquentiel, comment l'impédance de charge et l'impédance caractéristique de la ligne de transmission affectent un signal dans le domaine fréquentiel. Vous pouvez ensuite revenir au domaine temporel avec une transformée de Fourier pour comparer le signal de lancement initial et le signal reçu à la charge.

Pour ce faire, il est de loin le plus simple d'utiliser les paramètres ABCD pour une ligne de transmission. Ceux-ci sont liés aux paramètres S (perte d'insertion et perte de retour) pour une ligne à extrémité unique. La matrice ABCD pour une ligne à extrémité unique est définie en termes d'impédance caractéristique de la ligne et a une signification similaire aux paramètres S :

Insérez maintenant ces valeurs dans la formule générale suivante pour la fonction de transfert pour un réseau à deux ports avec une impédance de source et de charge définies (notez que l'impédance de charge est indiquée ci-dessus) :

Si nous supposons que la source est adaptée à la ligne de transmission, nous avons la fonction de transfert suivante pour la ligne de transmission. Je l'ai écrite dans le domaine de Laplace pour le moment :

Notez qu'une équation très similaire est présentée dans la littérature sur la conception de circuits intégrés pour une ligne électriquement longue (c'est-à-dire plus longue que la longueur critique). Cette équation vous indique exactement comment le signal est affecté par l'impédance d'une ligne de transmission et la capacité de charge. Notez que, en général, les quantités dans cette équation sont complexes (y compris la constante de propagation) et s'appliquent dans le cas où la ligne présente un niveau quelconque de perte.

Pour utiliser cette équation pour l'analyse, vous devez inclure tous les effets possibles qui peuvent créer de la distorsion et des pertes dans le système. Cela inclut :

• La dispersion et les pertes dans le diélectrique
• La rugosité du cuivre
• Les pertes par effet de peau en relation avec la rugosité du cuivre

Consultez cet article pour en savoir plus sur ces sources de distorsion et de perte dans vos lignes de transmission et comment les modéliser analytiquement.

Analyser les Effets de la Capacité de Charge

L'utilisation d'une fonction de transfert facilite grandement l'analyse des effets de la capacité de charge sur la ligne de transmission et tout signal se propageant. Ceci est mieux résumé dans un graphique. Le tracé ci-dessous montre l'amplitude et la phase de la fonction de transfert pour une ligne de transmission sur FR4 (stripline de 10 cm, épaisseur entre plans de 0,48 mm / largeur de 0,198 mm, sans dispersion, Dk = 4.4, tangente de perte = 0.02) avec une impédance caractéristique de 50 Ohms avec terminaison parallèle. Le comportement passe-bas jusqu'à 1-10 GHz est clairement visible dans le tracé supérieur.

À partir de ce tracé, nous voyons que, à mesure que la capacité de charge diminue, la coupure passe-bas ne se produit pas avant des fréquences plus élevées. Nous pouvons obtenir quelques GHz supplémentaires de marge juste en utilisant un composant avec une capacité de charge plus petite. Il y a moins de distorsion aux fréquences moyennes (en dessous de la première inversion de phase) car la courbe de phase est plus plate jusqu'à ~10 GHz. Les deux tracés devraient illustrer la difficulté d'adapter l'impédance jusqu'à des fréquences élevées dans la bande passante du signal. Ici, nous n'avons même pas inclus la rugosité du cuivre, les effets de tissage de fibre, ou l'effet pelliculaire dans ces calculs.

Lorsque vous travaillez sur des conceptions à haute vitesse/haute fréquence, vous ne pouvez contrôler la capacité de charge parasite vue sur une ligne de transmission que du côté du PCB. Le circuit intégré que vous choisissez aura une capacité d'entrée définie qui ne peut pas être modifiée. Cependant, il existe 3 leviers que vous pouvez actionner pour contrôler la capacité de charge totale vue par une ligne de transmission :

• Épaisseur du stratifié de la couche de surface. La contribution parasitaire du PCB à la capacité de charge est proportionnelle à l'épaisseur de la couche, donc utiliser un stratifié plus mince pour la couche de surface avec un plan de masse adjacent aide à repousser le rolloff vers des fréquences légèrement plus élevées.
• Constante diélectrique du stratifié.La contribution du PCB à la capacité de charge totale est proportionnelle à la valeur Dk du stratifié, donc utiliser un stratifié à faible Dk pour la couche de surface fournit une capacité de charge totale plus faible.
• Composants. Un composant avec une taille de patte plus petite aura tendance à avoir une capacité de charge plus petite. Gardez cela à l'esprit lors de la sélection des composants si vous devez maintenir l'intégrité du signal jusqu'à des fréquences très élevées (~10’s de GHz).

Lignes de transmission courtes ? Utilisez un simulateur de circuit

Lorsque la ligne est électriquement petite, nous n'avons pas besoin d'adopter une approche par ondes progressives et nous pouvons simplement utiliser la théorie des circuits pour décrire une ligne de transmission. Cela forme effectivement un réseau Pi désadapté, qui présente également un comportement de passe-bas à haute fréquence. La différence ici est que des résonances et des transitoires peuvent se produire, tout comme vous le verriez dans un circuit RLC standard. Pour examiner ce type de système, vous pouvez utiliser les outils de simulation de circuit dans votre logiciel de conception schématique pour comprendre le comportement du signal et concevoir le comportement du signal pour qu'il soit critique amorti.

Temps de montée à la charge pour les lignes à extrémité unique, non contrôlées par impédance

Sur un bus comme SPI, ou avec un format de signalisation équivalent sur des GPIOs avec une commande push-pull, le temps de montée sur un bus électriquement court dépendra de la capacité de charge. Par exemple, si vous regardez les données pour le temps de montée d'un pilote SPI, le temps de montée dépendra de la capacité de charge. Ces données peuvent être disponibles dans les fiches techniques du composant de commande, et la capacité de la broche d'entrée devrait être disponible pour votre composant de charge.

Un exemple de tableau de données pour la signalisation XTAL avec le ADUC847 est présenté ci-dessous. Le tableau spécifie un temps de montée typique de 9 ns pour une capacité de charge de 80 pF (marquée dans des cadres rouges). Vous trouverez des exemples similaires pour les bus SPI/QSPI sur d'autres composants, tels que les ASICs DSP, les ADCs, les MCUs et une multitude d'autres composants numériques/analogiques mixtes.

Dans l'exemple de composant ci-dessus, il existe des interfaces logiques qui pourraient être utilisées avec une gamme de temps de montée de signal numérique possibles. En fait, si vous regardez à la page 91 de la fiche technique du ADUC847, vous verrez la recommandation suivante du fabricant :

Si l'utilisateur prévoit de connecter des signaux logiques rapides (temps de montée/descente ajouter une résistance en série à chaque ligne pertinente pour maintenir les temps de montée et de descente supérieurs à 5 ns aux broches d'entrée du dispositif.

Au cas où vous ne seriez pas sûr, il est important de réaliser qu'ils vous indiquent spécifiquement l'une des principales fonctions d'une résistance de terminaison en série : ralentir la vitesse de transition du signal. Cela peut être utilisé pour contrôler l'amortissement sur des lignes de transmission courtes qui présentent des oscillations sous-amorties excessives (en raison du rebond de masse et d'une faible capacité de charge), ainsi que pour adapter la terminaison.

• En savoir plus sur l'utilisation des résistances en série pour l'amortissement et l'adaptation d'impédance

Quel circuit utiliser pour la simulation d'un bus court ?

Pour tenir compte de manière exhaustive de la capacité de charge dans une simulation avec un tampon d'entrée/sortie, vous avez besoin de quelques éléments dans votre circuit :

• Un circuit tampon simple qui inclut les parasitiques FET
• Une valeur de capacité de charge
• Une valeur de condensateur de dérivation
• L'inductance totale de la ligne
• La capacité de la ligne
• Les valeurs d'inductance pour tous les vias connectant les réseaux d'alimentation, de masse et de condensateur

Un exemple de circuit est présenté ci-dessous. Il s'agit du type de circuit qui serait utilisé pour simuler le rebond de masse. Il est important de comprendre que la capacité de charge contribuera aux caractéristiques du signal mesurées dans cet exemple, et elle déterminera toute terminaison en série que vous pourriez devoir appliquer sur ces courtes lignes afin d'adapter l'impédance et d'amortir le signal simultanément.

Cet exemple serait implémenté dans vos schémas et réalisé avec SPICE. Vous n'avez pas besoin de modèles SPICE complexes pour votre composant de commande, vous avez seulement besoin de modèles SPICE raisonnablement précis pour les FET utilisés dans le circuit tampon. L'alternative est de spécifier la famille logique utilisée dans votre composant dans une simulation 2D BEM/MoM. Un exemple peut être trouvé ailleurs sur le blog.

• Voir une simulation de résistance en série pour une ligne de transmission à extrémité unique

Chaque fois que vous avez besoin de modéliser le comportement d'une ligne de transmission en pré-agencement ou de simuler le comportement du signal après agencement, vous pouvez utiliser l'ensemble complet d'outils CAO dans Altium Designer®. Le solveur de champ EM intégré dans Altium Designer et le simulateur d'intégrité du signal vous permettent d'examiner comment la capacité de charge des familles logiques standard affecte le comportement du signal sur les lignes à impédance contrôlée dans votre PCB. Vous disposerez d'un ensemble complet de fonctionnalités de simulation pour votre prochaine carte.

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