Intégrité du signal sur PCB multi-cartes : Un guide complet

La conception de PCB multi-cartes semble très simple en surface. Vous concevez un assemblage de plusieurs cartes et les reliez ensemble avec des câbles, des connexions par les bords, des connecteurs mezzanine, des broches pogo, etc. Les PCB multi-cartes présentent un ensemble de défis d'intégrité de signal qui ne se trouvent pas toujours dans les systèmes qui n'ont qu'un seul PCB. Que vous ayez une seule carte ou un assemblage de plusieurs cartes, l'intégrité du signal doit être maintenue, surtout dans les systèmes avancés trouvés dans des domaines comme le militaire, l'aérospatiale, le HPC et l'IA.

Où applique-t-on alors les principes d'intégrité de signal dans un assemblage de plusieurs PCB ? Il y a quelques domaines où l'intégrité du signal doit être maintenue et souvent qualifiée expérimentalement :

• Les brochages et interfaces des connecteurs
• Les conceptions de câbles et de faisceaux
• Les connexions de retour vers un boîtier, par exemple, un boîtier métallisé

Les problèmes d'intégrité de signal dans ces domaines peuvent également se transformer en problèmes d'EMI/EMC, et cela est particulièrement vrai dans les PCB multi-cartes.

Dans ce guide, je vais m'efforcer d'illustrer comment sélectionner des composants et concevoir des interconnexions de manière à maintenir l'intégrité du signal sur plusieurs cartes. Ces étapes n'éliminent toujours pas le besoin d'intégrité du signal sur la carte PCB elle-même ; les deux domaines sont importants dans les systèmes et aident à prévenir les problèmes d'EMI.

Signaux et Émissions sur les Interconnexions Multi-Cartes

Lorsqu'on parle de conception de PCB multi-cartes, nous transférons évidemment des signaux entre deux PCB, donc nous devrions connaître quelque chose sur les signaux et les émissions potentielles qu'ils peuvent créer. Cette référence aux émissions est l'un des liens fondamentaux entre EMI/EMC et la conception de PCB multi-cartes.

Le type d'émissions et de bruit que vous pouvez attendre dépend du type de signal que vous devez envoyer entre deux PCBs :

• Signaux différentiels, qui sont auto-référencés
• Signaux à terminaison unique, qui nécessitent une référence
• Signaux sinusoïdaux ou à bande étroite, qui sont généralement à terminaison unique

Le type de signal et la vitesse de transition détermineront la conception de votre brochage, en supposant qu'un brochage ne vous ait pas été prédéterminé. Si vous pouvez concevoir votre brochage de manière appropriée et sélectionner le connecteur approprié, vous pouvez assurer l'intégrité du signal à travers l'interface du connecteur.

En plus de la conception du brochage, le connecteur lui-même peut être responsable de problèmes d'intégrité de signal. Le principal problème d'intégrité de signal qui peut survenir dans les connexions carte-à-carte est un excès de réflexion, qui conduit à la radiation. Dans le champ proche, la radiation peut être directement attribuée au corps du connecteur lui-même, notamment en raison de l'absence d'une référence de masse cohérente qui contiendrait un signal. Enfin, bien qu'un connecteur particulier puisse avoir un brochage approprié et être évalué pour un certain débit de données, une entrée de trace incorrecte dans le corps du connecteur ou des restes de stubs peuvent créer une perte excessive.

Premièrement, examinons le type de connecteurs qui seraient nécessaires dans des situations où l'intégrité du signal est une préoccupation majeure.

Meilleurs types de connecteurs pour l'intégrité du signal

Les principaux fournisseurs de connecteurs ont développé plusieurs systèmes d'interconnexion carte-à-carte qui ont été prouvés pour une utilisation à des débits de données très élevés. En d'autres termes, ces systèmes de connecteurs ont été démontrés comme fonctionnant avec succès jusqu'à des largeurs de bande de canal très élevées telles que déterminées à partir des paramètres des dispositifs. Quelques exemples de ces types de connecteurs incluent :

• Connecteurs de carte à carte à montage en bordure avec contacts à broches coulissantes
• Connecteurs à lame (verticaux et à montage en bordure)
• Systèmes de connecteurs à lame ou à fente à montage traversant, comme dans les systèmes VPX
• Systèmes de connecteurs à broches coulissantes
• Connecteurs de type coaxial pour réseaux de connecteurs
• Connecteurs à montage BGA haute densité

Un excellent exemple de pièce pouvant supporter ces taux de signaux très élevés est la paire de connecteurs d'accouplement Samtec à 40 broches QTE/QSE, mieux connue sous le nom de connecteur SYZYGY.

Numéro de pièce : Samtec QTE-020-01-F-D-A

Dans le domaine des systèmes RF, en particulier les systèmes mm-ondes, il existe également des produits de connecteurs coaxiaux groupés qui peuvent être montés sur un PCB et interfacer avec un câble. Par exemple, le connecteur SMPM groupé ci-dessous.

Numéro de pièce : TE Connectivity 2441485-1

Enfin, j'aime toujours présenter un exemple de connecteur traversant que l'on peut trouver dans les fonds de panier VPX afin d'illustrer l'utilité de ces connecteurs, même dans les interconnexions à haute vitesse. Bien que le connecteur soit monté comme un composant traversant, l'interface carte-à-carte n'utilise pas de broches comme celles que l'on trouverait dans un connecteur mâle. Ce sont plutôt des connecteurs à contact glissant qui sont compatibles avec des taux de données très élevés.

Connecteurs d'accouplement Amphenol SpaceVPX VITA 78

Parce que ce connecteur particulier est monté en traversant dans un circuit imprimé, vous devriez mettre en œuvre le perçage arrière sur les broches à la plus haute vitesse, ou vous devriez router à travers tout le stack-up. Une autre option est d'utiliser des vias en boomerang, mais typiquement les cartes dans lesquelles ce type de connecteur est utilisé n'utilisent pas de couches de construction HDI en raison de préoccupations concernant la fiabilité.

Par conséquent, si des connecteurs montés en traversant doivent être utilisés pour transporter des signaux dans des canaux numériques à haute vitesse, assurez-vous de planifier soigneusement les routes afin que vous puissiez router les signaux à travers le stack-up. C'est là que la planification des brochages deviendra également importante comme nous le verrons dans un instant.

Conception de brochage pour les interconnexions multi-cartes à haute vitesse

Les brochages pour les interconnexions multi-cartes prenant en charge des signaux à haute vitesse doivent inclure une référence à la terre à travers une interconnexion carte-à-carte. Cela s'applique que l'on utilise des connexions directes carte-à-carte ou des connexions carte-à-câble. Tout comme dans un empilement de PCB, où nous attribuons certaines couches aux plans de masse, nous voudrions attribuer certaines broches à la terre dans un brochage de connecteur.

Une règle très simple est de mettre à la terre les broches entre les signaux numériques. Un des exemples courants que je montre se trouve dans un autre article sur le routage dans les fonds de panier, spécifiquement les fonds de panier VPX. L'image ci-dessous montre le routage de paires différentielles dans un brochage fonctionnant à plusieurs gigabits par seconde. Notez que ce connecteur est un composant monté verticalement à travers le trou, et les traces entrantes sont proches de la couche arrière afin de laisser un moignon résiduel minimal.

Ces broches différentielles Gbps sont disposées en diagonale dans ce brochage et elles sont séparées les unes des autres par la terre. Bien que vous pourriez faire passer beaucoup plus de signaux à travers ce connecteur, attribuer de nombreuses broches à la terre est essentiel pour supprimer le diaphonie différentielle et les émissions rayonnées.

Directives de Brochage

Suivez ces directives simples pour la conception de brochage afin d'aider à assurer l'intégrité du signal:

• Utilisez des broches de masse entrelacées lorsque cela est possible
• Placez les broches à signal unique à côté des broches de masse
• Sur les paires différentielles, placez les broches positive et négative l'une à côté de l'autre
• Évitez de superposer les broches différentielles sur plusieurs rangées
• Si certaines broches ne sont pas utilisées, connectez-les toutes à GND

Pourquoi nous entrelaçons la masse sur les broches

Dans les exemples ci-dessus, vous pouvez voir que les broches de signal entrant sont entourées de broches de masse. Cela est fait pour trois raisons :

• Pour minimiser le diaphonie entre les broches
• Pour établir une impédance d'entrée constante dans le connecteur
• Pour supprimer les émissions rayonnées des signaux
• Pour contenir le bruit en mode commun sur les broches différentielles

Ce sont les raisons fondamentales pour lesquelles nous incluons des broches de masse sur les interconnexions à signal unique et les interconnexions différentielles entrant dans un connecteur multi-broches. La raison principale est de fournir une masse pour les signaux à signal unique, ce qui réduira les émissions rayonnées et le diaphonie indépendant, surtout si un signal est routé sur un câble. La deuxième raison est que la masse est souvent nécessaire dans les câbles afin de définir l'impédance du câble, ce qui est vrai pour les câbles standardisés avec des câbles à paires torsadées, tels que les câbles USB.

Il en va de même pour les connecteurs et les câbles avec des signaux différentiels. Bien qu'il soit vrai que les paires différentielles sont auto-référencées, la présence de la terre modifie le champ électrique autour de la paire différentielle, et c'est pourquoi cela impacte le potentiel de diaphonie différentielle.

Introduction de ligne de transmission

Les connecteurs pour signaux à haute vitesse peuvent ne pas avoir de recommandations spécifiques pour l'entrée de ligne de transmission dans la fiche technique du composant lorsque les pistes sont sur la même couche que les broches du connecteur. Le connecteur aura une certaine impédance d'entrée en regardant dans votre câble ou connecteur correspondant, et cela doit être adapté à l'impédance de la ligne de transmission. Normalement, il s'agit simplement d'une impédance de 50 ohms pour les traces à terminaison unique ou d'une impédance différentielle de 100 ohms pour les traces différentielles.

Une note importante sur les traces différentielles : une impédance différentielle de 100 ohms dans ce cas correspond vraiment à une impédance de mode impair de 50 ohms. Si l'interconnexion est différentielle, assurez-vous que vous correspondez à l'impédance différentielle du connecteur.

Un exemple d'entrée de ligne sur un connecteur haute densité à deux rangées est trouvé ci-dessous. Dans l'image, nous avons des traces à terminaison unique et des traces différentielles.

Dans cette image d'entrée de trace, les paires différentielles éloignées du connecteur sont écartées, mais les traces se rapprochent lors de l'entrée dans le connecteur. Il est approprié de rapprocher ces traces à mesure que le parcours entre dans les broches du connecteur, tout comme vous le feriez si vous entriez dans les broches d'un circuit intégré. L'autre caractéristique notable de ce connecteur est le contact central, qui est attribué à GND et cela permet l'utilisation de plusieurs paires différentielles au sein du groupe de broches.

Ensuite, remarquez que les largeurs de trace sont similaires à la taille du pad. Il est possible d'avoir une trace plus large que la taille du pad, mais vous devrez peut-être réduire cette trace en entrant dans le pad. Cela peut être nécessaire car à mesure que les traces se rapprochent près des broches, vous pourriez violer les dégagements, et une réduction serait requise. Rappelez-vous, ce sont des traces à impédance contrôlée, donc si vous avez besoin d'avoir des traces plus étroites, vous devrez rendre le substrat plus mince ou utiliser une valeur de constante diélectrique plus élevée.

Enfin, nous pouvons avoir une entrée de trace à travers des vias, et cela pourrait être fait comme via dans le pad ou une transition plus éloignée des broches du connecteur. Selon le pas des broches, vous devrez peut-être espacer les vias afin d'éviter une erreur de DRC de dégagement.

Rappelez-vous que nous avons affaire à un connecteur conçu pour des signaux à haute vitesse, donc la transition par l'intermédiaire doit également être intentionnellement conçue. L'intention est de faire correspondre l'impédance caractéristique de l'intermédiaire à l'impédance d'entrée des broches du connecteur, avec comme résultat final que l'impédance d'entrée combinée vue au niveau de l'intermédiaire correspond à l'impédance de votre ligne de transmission. Cela signifie dimensionner correctement les éléments suivants :

• Taille de l'antipad
• Diamètre de l'intermédiaire
• Taille du pad d'atterrissage de l'intermédiaire
• Présence ou suppression des NFPs
• Emplacement et nombre de intermédiaires de liaison

C'est généralement l'approche que vous adopteriez lors de la gestion d'une transition à extrémité unique ou différentielle nécessitant une large bande passante de canal. Cela commence à être important lorsque vous travaillez au-dessus d'environ 3 GHz, ce que j'ai détaillé dans un autre article.

Analyser les liaisons à haute vitesse avec des connecteurs en utilisant les paramètres S

Tout comme d'autres liaisons à haute vitesse, les paramètres S peuvent être utilisés pour analyser les lignes de transmission avec connecteurs et câbles comme partie de l'interconnexion. Bien sûr, il est possible de construire une géométrie d'interconnexion complète en utilisant un modèle 3D du corps du connecteur, et même un modèle 3D du câble ; vous utiliseriez alors un solveur de champ électromagnétique 3D pour déterminer les paramètres S pour l'ensemble de la liaison. Évidemment, c'est une tâche très chronophage, qui nécessite beaucoup de puissance de calcul ainsi que des logiciels spécialisés.

Heureusement, les fournisseurs de connecteurs qui commercialisent leurs produits pour une utilisation dans des liaisons numériques à haute vitesse ou des liaisons RF à haute fréquence fournissent souvent des données de paramètres S pour leurs produits dans des fichiers Touchstone. Vous pouvez alors utiliser les données du fournisseur de connecteurs pour créer un modèle de réseau linéaire pour l'interconnexion et ensuite déterminer les paramètres S en cascade.

Des outils d'analyse comme Simbeor, MATLAB et Keysight ADS peuvent ensuite déterminer les paramètres S en cascade pour ce modèle. Cela vous indique alors la transmission de puissance et les pertes le long de l'interconnexion entière. Vous pouvez maintenant prédire comment le lien fonctionnera en fonction d'autres paramètres de votre conception que vous pouvez contrôler, notamment la conception de la ligne de transmission et la conception de l'entrée du connecteur. Dans ce réseau, les paramètres S pour chaque section individuelle doivent être connus, puis le simulateur peut calculer le réseau en cascade et ses paramètres S.

Et pour le problème inverse, où vous ne connaissez pas les paramètres S du connecteur ? Dans ce cas, vous auriez besoin d'utiliser des mesures pour désimbriquer les paramètres S pour le connecteur. Dans ce cas, le connecteur forme le DUT dans le réseau linéaire, et vos paramètres S du connecteur sont déterminés à partir des paramètres S du réseau en cascade en utilisant la désimbrication. Les mêmes programmes d'analyse listés ci-dessus peuvent également être utilisés pour désimbriquer les paramètres S pour le connecteur tant que les paramètres S pour les autres composants dans le réseau linéaire sont connus.

Pour en savoir plus, regardez la vidéo suivante de Ben Jordan.