Le transfert de bruit est ennuyeux dans les PCBs, apprenez comment contenir le diaphonie avec l'expert Lee Ritchey

Les termes diaphonie et couplage sont utilisés pour décrire l'injection d'énergie électromagnétique d'une ligne de transmission à une autre située à proximité. Sur les cartes de circuits imprimés, la diaphonie concerne généralement deux pistes se déroulant côte à côte sur la même couche ou l'une au-dessus de l'autre dans des couches adjacentes. Cette énergie couplée apparaît comme du bruit sur la piste victime et peut provoquer des dysfonctionnements si l'amplitude est trop grande. Découvrez comment ce bruit est transféré de piste à piste et les méthodes pour l'empêcher de se produire.

Pour des applications plus pratiques de ces concepts, cliquez ci-dessous pour regarder la vidéo et apprendre à calculer l'impédance pour une ligne de transmission simple et différentielle dans Altium Designer^®.

DIAPHONIE OU COUPLAGE

Les termes diaphonie et couplage sont utilisés pour décrire l'injection d'énergie électromagnétique d'une ligne de transmission à une autre située à proximité. Sur les cartes de circuits imprimés, la diaphonie concerne généralement deux pistes se déroulant côte à côte sur la même couche ou l'une au-dessus de l'autre dans des couches adjacentes. Cette énergie couplée apparaît comme du bruit sur la piste victime et peut provoquer des dysfonctionnements si l'amplitude est trop grande. Cette section décrira comment ce bruit est transféré de piste à piste et les méthodes pour l'empêcher de se produire.

La figure 1 est un schéma montrant deux lignes de transmission se déplaçant côte à côte. La ligne de transmission supérieure est représentée en commutation et l'inférieure est inactive. Remarquez qu'il y a deux formes d'onde à côté de la ligne victime. L'une se trouve à l'extrémité des lignes où le conducteur est sur la ligne entraînée et l'autre est à l'extrémité opposée ou extrémité lointaine. Notez que les formes d'onde sont différentes. La forme d'onde à l'extrémité du conducteur de la ligne victime est généralement appelée diaphonie arrière ou « diaphonie en proche extrémité », « NEXT » et la forme d'onde à l'extrémité lointaine de la ligne victime est « diaphonie avant ou « diaphonie en extrémité lointaine », « FEXT ».

L'apparence exacte de ces deux formes d'onde dépend de ce qui se trouve aux quatre extrémités des lignes de transmission. Les possibilités sont : un court-circuit, une terminaison ou un circuit ouvert. La référence 1 à la fin de cette unité décrit en détail comment ces terminaisons affectent les signaux observés sur la ligne victime. De ce document, il sera observé que le pire cas est lorsque les extrémités éloignées des deux lignes sont des circuits ouverts et que l'extrémité proche de la ligne victime est un court-circuit. Cela se trouve être la manière dont la plupart des circuits CMOS fonctionnent. Dans ces conditions, les formes d'onde vues sur la ligne victime ressembleront beaucoup à celles montrées dans la Figure 1.

Dans cette discussion, l'analyse sera faite en utilisant cet ensemble de conditions de "pire cas".

Figure 1 Deux Lignes de Transmission Côte à Côte Interagissant

La Figure 2 montre comment les deux formes de diaphonie (avant et arrière) varient à mesure que la longueur que les deux lignes de transmission parcourant côte à côte s'allonge. Remarquez que la diaphonie avant augmente plus lentement que la diaphonie arrière à mesure que la longueur couplée s'allonge. Aussi, remarquez qu'il vient un point où la diaphonie arrière n'augmente pas avec les augmentations de la longueur couplée. Cela est appelé la "longueur critique" ou la longueur à laquelle la diaphonie arrière ne continue pas à augmenter ou à saturer.

Le crosstalk direct augmente beaucoup plus lentement que le crosstalk inverse et ne devient pas un facteur dans les circuits imprimés car la longueur de la course parallèle est trop courte. Cette forme de crosstalk était un problème majeur pour les compagnies téléphoniques lorsque les lignes étaient longues de plusieurs mètres. Cette section se concentrera sur les moyens de contrôler le crosstalk inverse.

Figure 2. Crosstalk Direct et Inverse en Fonction de la Longueur Couplée

Méthodes pour Contrôler le Crosstalk Inverse avec un Routage Côte à Côte

Lorsque les lignes de transmission sont exécutées côte à côte, le mécanisme de couplage est dominé par la composante magnétique du champ électromagnétique. Dans un routage superposé, le champ électrique dominera.

Plusieurs méthodes ont été proposées pour contrôler le crosstalk inverse. Parmi celles-ci figurent :

• Restreindre la longueur que les lignes de transmission parcourent côte à côte
• Insérer des "traces de garde" entre les deux lignes de transmission
• Rangées de "vias de masse" des deux côtés d'un signal sensible

Restreindre la Longueur de la Course Parallèle

La méthode la plus couramment proposée pour contrôler le diaphonie consiste à limiter la longueur sur laquelle deux lignes de transmission se déroulent côte à côte. Il existe même des routines dans plusieurs routeurs de PCB qui permettent d'insérer un nombre de longueur et autorisent l'outil de routage à éviter de router sur une longueur supérieure à cette valeur. Pour que cette méthode fonctionne, cette longueur doit être inférieure à la longueur critique montrée dans la Figure 2. Si la longueur d'un parcours parallèle atteint la longueur critique, on peut voir que continuer à courir en parallèle au-delà de ce point ne résulte pas en une diaphonie accrue. La Figure 3 est un graphique de la longueur critique en fonction du temps de montée du signal. Il y a trois courbes sur le graphique correspondant à trois constantes diélectriques différentes (er). Deux correspond au Téflon, trois correspond à la plupart des câbles rubans et quatre correspond à la plupart des diélectriques trouvés dans les PCBs.

Comme on peut le voir, à mesure que les temps de montée deviennent plus rapides, la longueur critique devient plus courte. Avec un temps de montée de 1,4 nSec, la longueur critique est d'environ 6 pouces ou 15 cm. Si le routeur était réglé pour permettre une course parallèle de trois pouces, il serait possible de réaliser la plupart des connexions dans la plupart des conceptions sans manquer d'espace sur le circuit imprimé ou de couches. Malheureusement, très peu de circuits intégrés modernes sont aussi lents. Actuellement, des temps de montée aussi rapides que 100 picosecondes sont très courants. En regardant la Figure 3, on peut voir que la longueur critique à 100 picosecondes est de moins de la moitié d'un pouce ou environ 1,5 cm. À ces temps de montée, le contrôle de la longueur ne fonctionnera pas. Cela est bien connu dans l'industrie des superordinateurs depuis très longtemps et n'a pas été la méthode utilisée pour contrôler le diaphonie arrière.

Figure 3. Longueur Critique en Fonction du Temps de Montée du Signal

Si le contrôle de la longueur pour limiter la diaphonie ne fonctionne pas, quelle méthode fonctionne ?

En se référant à la Figure 2, on peut voir qu'une fois la longueur critique atteinte, continuer à router en parallèle ne résulte pas en un crosstalk supplémentaire. À ce stade, il n'y a que deux paramètres qui affectent la quantité de diaphonie. Ce sont la hauteur par rapport au plan le plus proche et la séparation bord à bord. La Figure 4 est un graphique montrant comment la diaphonie varie avec la hauteur au-dessus du plan le plus proche et la séparation bord à bord une fois la longueur critique atteinte.

Figure 4. Diaphonie arrière en fonction de la Hauteur au-dessus du Plan et de la Séparation, Stripline

La Figure 4 est intitulée "Stripline Décentré". Cela signifie que les lignes de transmission se trouvent entre deux plans mais ne sont pas centrées entre ces deux plans. C'est typique des PCBs qui ont deux couches de signaux entre une paire de plans. Remarquez que la diaphonie diminue substantiellement lorsque la hauteur au-dessus du plan le plus proche est réduite. Elle diminue également encore plus rapidement lorsque les pistes sont éloignées l'une de l'autre. La Figure 5 est un tracé montrant ces valeurs pour micro-stripline, des couches de signal qui se trouvent à l'extérieur d'un PCB.

Figure 5. Diaphonie arrière en fonction de la Hauteur au-dessus du Plan et de la Séparation, Micro-stripline

Traces de Garde

De nombreuses règles empiriques ont recommandé l'insertion de « pistes de garde » entre les lignes de transmission comme méthode pour contrôler le diaphonie (crosstalk). Si cela fonctionne, pourquoi cela fonctionne-t-il ? Et si cela fonctionne, y a-t-il des inconvénients à utiliser cette méthode ? La « pratique standard » dans de nombreuses entreprises consiste à router avec des lignes de 5 mils et des espaces de 5 mils. En se référant à la Figure 4, si un PCB était routé selon ces règles et la hauteur au-dessus du plan le plus proche était de 5 mils (également), la diaphonie serait d'environ 8%. Si cela était jugé excessif et qu'une piste de garde était ajoutée, en quoi cela consisterait-il ? Pour faire de la place pour la piste de garde, un espace de 5 mils et une trace de 5 mils doivent être ajoutés. Maintenant, la séparation bord à bord est de 15 mils au lieu de 5 mils et la diaphonie est inférieure à 1%. Ce n'était pas la piste de garde qui a causé cette diminution. C'était la séparation.

Les inconvénients de l'ajout de pistes de garde sont : Cela rend le routage beaucoup plus difficile. La piste de garde n'est pas une barrière. C'est un circuit résonant qui peut augmenter la diaphonie en créant un filtre passe-bande.

La méthode appropriée pour contrôler la diaphonie dans le routage côte à côte est uniquement la séparation.

Rangées de Vias « Masse »

Une méthode proposée par certaines notes d'application et gourous consiste à placer des vias de "masse" des deux côtés d'une trace "critique" pour protéger une ligne de transmission sensible. Ce type de règle n'est pas accompagné de preuve attestant de sa validité. Elle s'accompagne également de réponses vagues lorsqu'on demande combien de vias utiliser et à quelle distance. Si cela était utile et nécessaire, aucun des serveurs et routeurs que nous concevons chaque jour ne serait possible, car il n'y aurait pas assez de place pour tous ces vias. C'est une règle fallacieuse qui ne devrait pas être utilisée. Une observation prédominante est que les règles de conception valides sont accompagnées de preuves directes. Ce n'est pas le cas ici.

Méthodes pour contrôler le diaphonie arrière avec un routage superposé

Lorsqu'un routage superposé est effectué, où une ligne de transmission se trouve dans une couche et l'autre dans la couche au-dessus ou en dessous, le couplage est dominé par le champ électrique, un peu comme si un petit condensateur avait été connecté entre les deux lignes de transmission. Les formes d'onde couplées ont cette apparence. Avec les fronts rapides de la logique moderne, la quantité d'énergie couplée augmente si rapidement avec le chevauchement entre deux traces qu'elle dépasse les limites admissibles avec de très courtes distances.

La seule manière sûre de contrôler le diaphonie avec les couches de signaux adjacentes est de router les pistes dans une couche dans la direction X et dans l'autre couche dans la direction Y. La plupart des systèmes de disposition de PCB ont la capacité de spécifier une couche comme X et l'autre comme Y pour éviter ce type de chevauchement. Malheureusement, beaucoup d'entre eux violeront cette contrainte de temps à autre, donc il est nécessaire de vérifier à nouveau après le routage pour s'assurer que cette règle a été suivie.

Calcul de la Diaphonie

Il existe de nombreuses règles empiriques concernant l'espacement des pistes pour contrôler la diaphonie. Parmi celles-ci figurent : trois fois la hauteur au-dessus du plan le plus proche ; deux fois la largeur de la piste et quatre fois la largeur de la piste. Cela semble un peu arbitraire et c'est le cas. Pour déterminer quel doit être l'espacement, la première question à répondre est : quelle quantité de bruit de diaphonie est acceptable ? Cela dépend de plusieurs facteurs, y compris si la piste victime est à côté d'une autre piste avec une amplitude beaucoup plus élevée ou si elle est à côté d'une autre piste avec un signal d'amplitude similaire.

Déterminer Quelle Quantité de Bruit est Acceptable

En référence 2 à la fin de cette section, il y a un chapitre sur la création de règles de conception utilisant l'analyse de la marge de bruit. Dans cette section, il est montré que le budget de bruit d'une famille logique est consommé par plusieurs sources de bruit. Pour les CMOS, il y a quatre sources principales de bruit. Ce sont : le diaphonie, les réflexions, l'ondulation sur Vdd et le rebond de tension entre Vdd et la masse dans les boîtiers de circuits intégrés. Une fois la quantité de bruit des trois dernières calculée, celle-ci est soustraite de la marge de bruit de la famille logique pour arriver à la quantité de diaphonie qui peut être tolérée.

Une Méthode Analytique pour Déterminer la Diaphonie

Il existe des outils analytiques qui permettent de calculer la diaphonie qui résultera d'une géométrie proposée entre deux lignes de transmission. La figure 6 est une capture d'écran dans Hyperlynx^® d'une paire de lignes de transmission qui sera utilisée pour calculer la diaphonie pour une géométrie proposée. Il s'agit de deux circuits CMOS avec le circuit supérieur actif et le circuit inférieur réglé sur un état logique 0.

Figure 6. Schéma du Circuit utilisé pour Calculer la Diaphonie

La figure 7 est un écran montrant comment la séparation entre les pistes est spécifiée ainsi que la largeur et la hauteur des pistes au-dessus du plan. Il convient de noter que la largeur de la piste n'a aucune incidence sur le diaphonie, seule la séparation bord à bord et la hauteur au-dessus du plan le plus proche sont impliquées une fois que les lignes de transmission ont été routées au-delà de la « longueur critique ».

Figure 7. Écran montrant la géométrie de la paire couplée dans la figure 6

La figure 8 est un ensemble de formes d'onde qui résultent lorsque la ligne pilotée passe d'un logique 1 à un logique 0. La forme d'onde rouge est le signal au niveau du pilote sur la ligne pilotée et la forme d'onde pourpre est le signal au niveau du récepteur sur la ligne pilotée. La ligne jaune plate est la sortie de la ligne victime qui est à un logique 0 et la forme d'onde avec la bosse dessus est l'extrémité réceptrice de la ligne victime.

Figure 8. Formes d'onde lorsque la ligne pilotée dans la figure 6 bascule

Le bruit sur la ligne victime apparaît à l'extrémité « avant » ou réceptrice de la ligne victime et ne semble pas être un diaphonie arrière qui devrait apparaître à l'extrémité « arrière » de la ligne victime. La raison en est que l'extrémité entraînée de la ligne victime est un logique 0, ce qui est un court-circuit. Dans la section sur les lignes de transmission, il a été observé que les courts-circuits n'absorbent pas l'énergie. Au lieu de cela, ils la reflètent sous forme d'une onde inversée comme cela a été montré dans la Figure 8. La seconde observation dans la section des lignes de transmission est que les circuits ouverts n'absorbent pas non plus l'énergie mais la reflètent en la doublant, comme c'est le cas dans la Figure 8.

L'amplitude de la diaphonie dans la Figure 8 est d'environ 1 volt sur une ligne de signal de 3.3 volts. C'est clairement trop important. La solution est de revenir à l'écran où la hauteur et l'espacement sont définis et d'ajuster l'un ou les deux jusqu'à ce que la diaphonie qui en résulte soit dans la fenêtre de conception. Une fois cette analyse effectuée, les règles de diaphonie qui en résultent seront précises et non le résultat de quelque règle empirique.

RÉFÉRENCES POUR LA CONCEPTION À HAUTE VITESSE

• « 90 Degree Corners, The Final Turn » Doug Brooks, et al., Printed Circuit Design, janvier 1998.
• INTÉGRITÉ DU SIGNAL - SIMPLIFIÉ, Eric Bogatin, Prentice Hall, 2004.
• « Réflexions et diaphonies dans les connexions de circuits logiques », John A DeFalco, IEEE Spectrum, juillet 1970.
• « Bien du premier coup, un manuel pratique sur la conception de PCB et de systèmes à haute vitesse, Volumes 1 & 2 », Zasio et Ritchey, Speeding Edge 2003 et 2006.

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