La norme IEEE P370 pour les interconnexions de PCB à haute vitesse

Les interconnexions PCB à haute vitesse continuent de représenter un défi actif en matière de modélisation et de simulation, particulièrement lorsqu'il s'agit de signaux à large bande. La norme IEEE P370 constitue un pas en avant pour relever les défis auxquels de nombreux concepteurs sont confrontés pour déterminer les paramètres S à large bande pour des structures à haute vitesse jusqu'à 50 GHz. Bien que cette norme soit en développement depuis 2015, elle a finalement été approuvée par le conseil et apparaît comme un projet de norme actif.

Alors, quels sont les défis abordés par cette norme, et comment les ingénieurs en intégrité des signaux en bénéficieront-ils ? Si vous êtes comme moi, vous abordez les problèmes d'intégrité des signaux d'une manière différente de quelqu'un comme Heidi Barnes ou Jason Ellison. Un aspect de l'intégrité des signaux est la prédiction à partir de modèles empiriques ou de formules analytiques, tandis que l'autre aspect concerne l'évaluation et la caractérisation à partir de mesures du comportement des signaux. L'IEEE P370 aborde les défis du côté des tests et des mesures, en particulier pour la collecte de mesures spécifiques à partir de structures de test complexes sur les PCB.

Examiner en détail la norme IEEE P370

La norme IEEE P370 concerne les procédures de test et de mesure pour la caractérisation des interconnexions électriques jusqu'à 50 GHz. Dans le cadre des tâches de test et de mesure pour un dispositif à l'essai à hautes fréquences, tout instrument doit s'interfacer avec le DUT. Les instruments à haute fréquence tels que les réflectomètres de domaine temporel (TDR) et les analyseurs de réseau vectoriels (VNA) utilisent typiquement un connecteur coaxial pour recueillir des mesures précises, mais de nombreuses structures réelles sur un PCB ou d'autres emballages électroniques ne sont pas coaxiales une fois qu'elles créent une interface avec le DUT.

Dans le cadre de la norme, l'IEEE P370 vise à aborder les défis de modélisation et de caractérisation des interconnexions dans trois domaines clés de la conception à haute vitesse :

• Conception de dispositif de test. Les dispositifs de test qui font l'interface entre un instrument et le DUT (dans ce cas, une interconnexion électrique) provoquent que les paramètres S mesurés du DUT soient différents des paramètres S réels. Cela s'applique également à d'autres ensembles de paramètres utilisés dans la caractérisation du dispositif.
• Désincorporation. Le processus pour récupérer les paramètres S de l'objet à tester se fait par désincorporation. Malheureusement, différents instruments et outils logiciels ont différents algorithmes pour la désincorporation. Une partie du problème est que l'objet à tester et ses dispositifs de test forment un réseau N-port en cascade, et les paramètres S ne se cascadenet pas de manière aussi simple que les paramètres ABCD.
• Assurer la qualité des paramètres S. Les trois principaux problèmes de qualité des paramètres S sont d'assurer la réciprocité, la passivité et la causalité.

En standardisant les deux premiers points, nous nous rapprochons d'une certaine standardisation dans le troisième point. Ce troisième domaine de modélisation d'interconnexion à haute vitesse reste un défi même pour les ingénieurs les plus expérimentés en raison de la nature intrinsèquement limitée en bande des mesures à large bande. L'IEEE P370 vise à adresser ces incohérences avec les solutions décrites dans le tableau suivant.

Examinons de plus près chacun de ces domaines pour voir comment les choses pourraient bientôt changer pour les ingénieurs en intégrité des signaux.

Structures de Test

Cette partie de la norme IEEE P370 est divisée en deux grands domaines : la conception de structures de test et l'étalonnage. En utilisant des structures de test et des structures d'étalonnage standardisées, nous pouvons être raisonnablement assurés que deux ingénieurs différents avec deux instruments différents (mais comparables) peuvent produire les mêmes résultats de paramètres S pour un DUT donné en utilisant une procédure standard. La structure de test 2x-thru est recommandée sous P370; jetez un œil à cet article du Signal Integrity Journal pour en savoir plus sur la structure 2x-thru et comment elle est utilisée dans le dés-emboîtement.

Il existe deux structures normalisées dans l'IEEE P370 qui peuvent être utilisées pour la calibration et la vérification du désencapsulation des fixtures : les standards de ligne et de Beatty. La structure de ligne est simplement une ligne de transmission, pour laquelle les paramètres S peuvent être déterminés à partir des paramètres ABCD de la ligne. La structure de Beatty est une cavité résonante située au centre d'une ligne de transmission, qui présente un spectre particulier de perte de retour et de perte d'insertion pour une longueur donnée. Cette structure (voir ci-dessous) peut être placée sur un coupon de test ou un prototype pour la calibration d'instrument puisque ses paramètres S sont bien connus.

Désencapsulation

La procédure de désencapsulation utilise une bibliothèque en accès libre de paramètres S de référence pour des structures de test standard spécifiées dans la norme IEEE P370. Étant donné que les paramètres S de la structure de test sont connus ou fournis par la norme, alors les paramètres S de la structure de test peuvent être retirés des paramètres S (DUT + structure de test). Cela donne juste les paramètres S du DUT, comme montré dans l'exemple ci-dessous.

Qualité des paramètres S

La qualité d'une matrice de paramètres S est définie dans les trois domaines suivants :

• Causalité. Lorsqu'elle est utilisée pour construire une réponse impulsionnelle avec une méthode standardisée, les paramètres S ne devraient pas produire d'artefacts causaux dans la réponse en domaine temporel.
• Réciprocité. Si le DUT (Dispositif Sous Test) en question est effectivement réciproque, alors les paramètres S doivent également être réciproques, c'est-à-dire que la matrice des paramètres S est égale à sa propre transposée.
• Passivité. Cela est lié à la réciprocité dans le sens où un réseau réciproque doit également être un réseau passif. Les paramètres S doivent être évalués pour la passivité, signifiant qu'ils ne sont pas des fonctions de la puissance du signal d'entrée.

En fixant des limites sur ces métriques de qualité, les concepteurs qui reçoivent des données de paramètres S pour leurs composants ou qui placent des structures passives sur leurs PCBs peuvent être assurés que leurs simulations seront précises. Cela résout un problème majeur de données de paramètres S incohérentes.

Placer des Structures de Test sur Votre PCB

Les normes décrites ici ne concernent que les normes de conception et d'analyse dans le cadre des tests et mesures, qui aideront finalement à la simulation dans les solveurs de champs. Lorsque vous êtes prêt à créer votre PCB avec les structures de test présentées ici, les utilitaires avancés de mise en page PCB que vous trouverez dans Altium Designer peuvent être utilisés pour créer des structures de test précises pour les PCB à haute vitesse. Vous pourrez également préparer rapidement vos cartes pour la fabrication et l'assemblage.

Une fois que vous avez créé votre carte ou coupon de test avec des structures de test conformes à IEEE P370, vous pouvez partager vos données de conception sur la plateforme Altium 365, vous offrant ainsi un moyen facile de travailler avec une équipe à distance et de gérer vos données de conception. 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 approfondie des fonctionnalités ou l'un des Webinaires à la Demande.