Routage contrôlé de l'impédance pour les cartes réalisées dans Altium Designer

Les exigences et applications informatiques nécessitent que les données soient traitées à des vitesses toujours plus élevées. Alors que les bandes de communication commencent à se remplir et que de nouveaux composants arrivent sur le marché, les PCB devront fonctionner à des débits de données et des fréquences plus élevés. Les applications de réseautage et de centres de données comme l'Ethernet à 100G et plus rapide, ainsi que les protocoles sans fil avancés comme la 5G et la 6G, continueront de fonctionner bien dans le régime des ondes millimétriques et au-delà.

Ces faits signifient que les problèmes d'intégrité du signal tels que le diaphonie, l'EMI, le tintement et le contrôle de l'impédance deviennent de plus en plus critiques dans les conceptions de PCB avancées. Les outils d'analyse doivent être capables d'identifier et de fournir un aperçu pour compenser les problèmes d'intégrité du signal dans les PCB pendant la phase de conception. Personne ne veut recevoir son circuit imprimé fini d'un fabricant, seulement pour le tester et découvrir que les taux d'erreur binaire sont extrêmement élevés. C'est là que les outils de simulation deviennent cruciaux en vous permettant de trouver les sources de problèmes d'intégrité du signal avant que votre produit n'atteigne le marché.

L'environnement de conception dans Altium Designer^® inclut désormais un solveur de champ 3D avancé qui s'intègre à votre gestionnaire de pile de couches pour un contrôle précis de l'impédance, l'extraction parasitaire et le calcul des retards de propagation. Si vous n'êtes pas familier avec l'utilisation des formules d'impédance dans les méthodes d'optimisation avancées, vous pouvez déterminer la géométrie de la piste dont vous avez besoin pour un routage contrôlé par l'impédance avec cet outil de conception intégré. Voici comment cela fonctionne dans le flux de travail de conception piloté par les règles d'Altium Designer et comment tirer le meilleur parti de l'utilitaire de solveur de champ 3D intégré.

Calculs d'Impédance : Formules vs. Solveurs de Champ

Dans les conceptions avancées avec des signaux à large bande, tels que les canaux à haut débit de données sur des stratifiés à faible perte, la dispersion dans le diélectrique est une source de difficulté dans les conceptions de PCB à haute vitesse. Les formules d'impédance pour les géométries standard peuvent fournir un excellent point de départ pour déterminer la largeur de piste dont vous avez besoin pour un routage contrôlé par l'impédance. Les équations les plus précises sont dérivées avec une cartographie conforme et nécessitent une technique numérique pour extraire la largeur de piste pour une impédance donnée.

Le problème de l'utilisation de ces équations est qu'elles rendent difficile la détermination de la largeur de piste optimale à utiliser pour le routage des signaux à large bande. Vous pouvez inclure la dispersion dans une équation d'impédance, mais la largeur de piste que vous obtiendrez sera alors une fonction de la fréquence, ce qui crée un problème d'optimisation complexe pour déterminer la meilleure piste afin de minimiser les écarts par rapport à l'impédance cible. Pour cette raison, la plupart des outils de conception de PCB vous obligent à choisir une fréquence représentative pour calculer la largeur de piste (généralement la fréquence de Nyquist). Ces autres outils de conception et calculatrices en ligne peuvent ne pas inclure le facteur de perte tangentiel, les pertes par effet de peau et la capacité de charge lors du calcul de l'impédance.

Ajoutez à cela d'autres problèmes qui surviennent lors de la conception de lignes de transmission pour des signaux à haute vitesse, comme la rugosité du cuivre. Une meilleure méthode pour déterminer la largeur de piste parfaite qui correspond à une impédance cible est d'utiliser un solveur de champ intégré qui inclut la dispersion à large bande, la rugosité du cuivre et les pertes par effet de peau. Votre routeur interactif placera alors des pistes de la largeur appropriée de sorte que vos pistes auront la valeur d'impédance définie dont vous avez besoin.

Configuration des calculs d'impédance

Le routage contrôlé par impédance dans Altium Designer utilise un solveur de champ intégré de Simberian. Cela commence après que vos schémas soient terminés mais avant de commencer l'agencement de votre carte. Vous voudrez configurer cette fonctionnalité lors de la conception de l'empilement de votre PCB. Après avoir créé un fichier PcbDoc vierge, vous pouvez aller dans le menu « Conception » et cliquer sur « Gestionnaire de pile de couches ». Après avoir fini de créer votre empilement, vous pouvez commencer à exécuter des calculs d'impédance pour différentes paires de couches. Pour obtenir la valeur d'impédance dont vous avez besoin pour différentes paires de couches, vous devrez cliquer sur l'onglet Impédance en bas de la fenêtre du Gestionnaire de pile de couches.

Création de profils d'impédance

À partir de là, vous pouvez créer des profils d'impédance à terminaison unique et des profils d'impédance différentielle pour différentes paires de couches dans votre empilement. Un profil d'impédance vous permet de définir une impédance spécifiée, et l'outil retournera la largeur de piste qui fixe l'impédance à la valeur souhaitée. Pour les signaux différentiels, vous pouvez créer un profil différentiel et spécifier l'espacement des pistes entre les paires différentielles, et le profileur d'impédance retournera la largeur de piste dont vous avez besoin. Vous pouvez également ajuster l'espacement à la valeur que vous souhaitez, et le profileur d'impédance ajustera la largeur de piste en réponse.

Utilisation de l'outil profileur d'impédance pour un PCB de 10 couches dans Altium Designer.

Impédance combinée simple et différentielle

Sous les normes de signalisation différentielle à haute vitesse, vous aurez souvent besoin de définir l'impédance différentielle à une valeur spécifique tout en réglant également l'impédance simple de chaque trace dans la paire à sa propre valeur (Ethernet est un exemple). Pour ce faire, vous pouvez créer deux profils d'impédance pour les signaux concernés ; un profil simple et un autre différentiel. Cela se déroule selon le processus suivant :

1. Créez un profil d'impédance simple pour déterminer la largeur requise pour le contrôle de l'impédance dans les réseaux simples.
2. Créez un profil d'impédance différentielle et définissez les valeurs d'impédance et de tolérance souhaitées.
3. Copiez la largeur que vous avez déterminée à partir du profil simple dans le profil différentiel sur la même couche.
4. Ajustez manuellement l'espacement jusqu'à ce que l'impédance différentielle atteigne la valeur souhaitée.

L'image ci-dessous montre ce type de contrôle d'impédance, où l'impédance différentielle et l'impédance simple pour le profil différentiel sont assorties à 85 Ohms et 50 Ohms, respectivement.

Définition de profils de routage contrôlés par l'impédance simple et différentielle dans Altium Designer.

Maintenant que les profils d'impédance pertinents ont été définis, il est temps de les activer comme règles de conception pour le routage à impédance contrôlée.

Utilisation des règles de conception pour le contrôle de l'impédance

Réseaux à terminaison unique

Les règles de conception que vous définirez ensuite spécifieront la largeur requise pour maintenir votre impédance requise. Pour commencer à configurer vos règles de conception, ouvrez l'éditeur "PCB Rules and Constraints Editor". Cliquez sur le menu "Design", puis sur l'option "Rules". Si vous regardez la liste sur le côté gauche de l'éditeur, vous verrez une entrée pour "Routing". Cliquez sur l'option Routing -> Width. Dans l'image ci-dessous, le profil d'impédance à terminaison unique est activé (le profil nommé S50), ce qui forcera le routeur à placer des traces avec la largeur définie dans votre profil d'impédance.

Configuration du routage contrôlé par impédance dans Altium Designer.

Il y a deux points importants dans cette boîte de dialogue. Premièrement, vous pouvez choisir d'appliquer le contrôle d'impédance aux traces dans des couches de signal spécifiques ou avec des réseaux de signal spécifiques. Ici, cela a été appliqué à "NetR_BIAS_1", qui est un réseau à terminaison unique (sélectionné près du haut de la boîte de dialogue). Deuxièmement, vous pourriez également appliquer le profil d'impédance comme une règle de conception générale à tous les réseaux sur toutes les couches en sélectionnant l'option "All Nets". Vous pouvez également appliquer cette option à une classe de réseau, ce qui appliquera automatiquement la règle à plusieurs réseaux dans une seule classe.

Notez que, dans le tableau en bas de la boîte de dialogue, vous pouvez voir quelles couches sont activées dans le profil d'impédance. Ici, la règle s'appliquera uniquement à TopLayer et BottomLayer lors du routage. Pour activer d'autres couches de signal, retournez dans le Gestionnaire de pile de couches et ouvrez l'onglet Impédance. À partir de là, vous pouvez activer d'autres couches où vous souhaitez appliquer cette règle de conception.

Paires Différentielles

Pour appliquer le profil d'impédance différentielle, allez dans l'option Routage -> Routage de Paires Différentielles dans l'éditeur de Règles et Contraintes PCB. À partir de là, vous pouvez activer le profil d'impédance différentielle que vous avez configuré dans le gestionnaire de pile de couches. Dans ce cas, lorsque vous utilisez le routeur interactif pour les paires différentielles, le routeur imposera la largeur de trace et l'espacement requis que vous avez définis dans le profil d'impédance.

Une image de l'éditeur de Règles et Contraintes PCB est montrée ci-dessous, où un profil d'impédance différentielle a été appliqué pour définir l'impédance de toutes les paires dans une Classe de Paire Différentielle à 90 Ohms.

Tout comme la règle peut être appliquée à des réseaux unifilaires spécifiques ou à des classes de réseaux, le routage contrôlé par impédance différentielle peut être appliqué à des paires différentielles spécifiques ou à des classes de paires différentielles comme montré ci-dessus. Vous pouvez sélectionner les réseaux ou les classes spécifiques où cette règle s'appliquera en haut de la boîte de dialogue Règles et Contraintes du PCB. Vous pouvez également activer des couches spécifiques où la règle de contrôle d'impédance différentielle sera appliquée, tout comme cela a été fait pour les réseaux unifilaires.

Il est temps de commencer le routage

Maintenant que la pile de couches est terminée et que le contrôle d'impédance est activé via vos règles de conception, vous pouvez commencer le routage dans la disposition du PCB. Lorsque vous utilisez le routeur interactif, vous remarquerez que "[Largeur à partir de : Règle Préférée]" apparaît dans la barre d'état en bas de l'écran lorsque vous routez. Vos pistes apparaîtront sur votre carte avec une largeur prédéfinie (et un espacement défini pour les paires différentielles).

Le contrôle d'impédance définit automatiquement la largeur de votre piste pendant le routage

Lorsque vous utilisez les outils de routage sur des réseaux à impédance contrôlée (à la fois en mode simple et différentiel), l'outil de routage donnera la priorité à la largeur que vous avez définie dans les règles de conception automatiquement. Il n'est pas nécessaire d'ajuster manuellement la largeur. Cependant, si vous souhaitez appliquer une largeur différente, plusieurs options sont disponibles, telles que la définition de contraintes de priorité alternatives par couche ou la définition de contraintes basées sur des zones pour des réseaux spécifiques. Cela vous permettrait de changer la contrainte de largeur dans différentes régions du PCB, qui serait appliquée automatiquement par le routeur interactif.

Enfin, le routage contrôlé par impédance dans votre PCB n'est pas précis à moins que vous n'exécutiez des simulations d'intégrité de signal pour déterminer la largeur appropriée pour vos pistes. Certains de ces aspects peuvent être examinés dans Altium Designer, tandis que d'autres nécessitent une application logicielle externe. Certains des indicateurs d'intégrité de signal importants que vous pouvez considérer sont :

• La forme d'onde de réflexion TDR
• La forme d'onde de réponse à un seul bit
• Les paramètres S (S11 et S21)
• Les diagrammes de l'œil pour des taux de données sérielles élevés
• La conversion de mode (pour les paires différentielles)

Dans Altium Designer, il est possible d'examiner de grands désaccords d'impédance à l'extrémité de réception d'une interconnexion en regardant la forme d'onde de réflexion. Cela correspondrait à la forme d'onde de réponse à un seul bit mentionnée ci-dessus. Cela permet d'identifier le ringing et le potentiel de dépassement des limites de tension haute/basse pour l'état logique HAUT. Faire cela correctement nécessite de décrire avec précision l'interface pour vos broches de signal, ce qui nécessite la connaissance de la famille logique de la broche ou l'utilisation d'un modèle IBIS. Certains fabricants mettent à disposition des modèles IBIS pour téléchargement et utilisation dans des analyseurs d'intégrité de signal en domaine temporel, tels que la fonctionnalité Analyse d'Intégrité de Signal dans Altium Designer.

Le moteur de conception basé sur des règles dans Altium Designer facilite la mise en œuvre d'un schéma de routage contrôlé par l'impédance. Si vous avez un design existant qui présente des problèmes d'intégrité de signal, le simulateur d'intégrité de signal peut itérer à travers des schémas de terminaison possibles et vous montrer les résultats, vous permettant de sélectionner le bon schéma pour terminer vos pistes.

Parlez dès aujourd'hui à un expert Altium pour en savoir plus sur les outils de routage et d'intégrité de signal dans Altium Designer.