Routage de PCB : signaux de paires différentielles et asymétriques

Parfois, la distinction entre un signal « lent » ou « rapide » peut sembler arbitraire, et peut également dépendre de votre interlocuteur. Un sujet connexe est de savoir si une piste de PCB est considérée comme électriquement « courte » ou « longue ».

En effet, ce sujet ne fait pas l'unanimité. Mais que vous ayez besoin de router des signaux lents ou rapides dans votre circuit imprimé, vos pistes devront suivre certaines règles de routage afin de s'assurer que votre carte fonctionne comme prévu.

Comme beaucoup d'autres programmes, Altium Designer® facilite ce processus, mais va un peu plus loin en séparant les règles de routage des PCB pour les signaux lents et rapides dans leurs propres catégories.

Avant de commencer le routage des signaux entre les composants, vous devez examiner vos règles de conception et les adapter à vos normes de transmission.

Voici les principales règles de routage que vous devez définir avant de commencer à router des signaux dans votre PCB.

Règles de routage de PCB pour les signaux asymétriques

Le point le plus important à noter concernant les règles de routage des PCB est peut-être que les normes de routage ne sont pas nécessairement qualifiées comme « basse vitesse » ou « haute vitesse ».

Cette distinction a été largement diffusée par les concepteurs de PCB, et elle est en grande partie due aux problèmes d'intégrité du signal qui surviennent lorsque les temps de montée du signal deviennent très rapides (moins de ~ 1 ns).

Par conséquent, il est plus essentiel de comprendre les contraintes de vos normes de transmission lors de la configuration de vos règles de conception, que vous ayez à gérer des vitesses de signal lentes ou rapides.

Pour commencer, cherchez les règles de conception dans la documentation de vos normes de transmission. Ces informations sont accessibles gratuitement sur Internet. À mesure que vous créerez des dessins et modèles, vous vous familiariserez avec ces normes et vous saurez quelles règles établir dans vos conceptions.

Voici certaines des règles de routage de PCB les plus courantes qui s'appliquent à de nombreuses normes pour les signaux asymétriques :

• Correspondance des longueurs : pour les normes de bus ou le routage de données parallèles avec une synchronisation à la source, vous devrez imposer une correspondance de longueur pour tous les signaux d'un groupe dans une certaine tolérance. Lors du routage, cette opération est réalisée en ajoutant des structures de réglage des longueurs à un signal. 
• Transitions des vias : certaines normes recommandent de limiter le nombre de transitions des vias pour éviter les pertes excessives, les réflexions et autres effets parasites. 
• Longueur maximale : la longueur maximale d'un signal est parfois indiquée pour une valeur de tangente de perte donnée afin d'éviter une atténuation excessive du signal. Si vous utilisez un stratifié à faible perte, vous pouvez augmenter la longueur en fonction de la différence des valeurs de tangente de perte. 
• Espacements : les pistes doivent être séparées des autres objets qui ne font pas partie du réseau (pads, composants, plans, etc.). Cette procédure garantit la fiabilité de la fabrication, réduit les parasites et protège contre les décharges électrostatiques dans la conception à haute tension.
• Largeur et impédance : ces deux valeurs sont interdépendantes et sont utilisées pour contrôler l'impédance dans la conception à haute vitesse. Consultez cet article (en anglais) pour savoir comment spécifier l'impédance et la largeur des pistes en tant que règles de routage des circuits imprimés. 

Toutes ces règles de conception et bien d'autres sont accessibles dans l'éditeur de règles et de contraintes de PCB d'Altium Designer.

Si vous devez attribuer les mêmes règles de routage PCB à un groupe de filets (ce qui est très fréquent pour les groupes de signaux asymétriques), le moyen le plus rapide consiste à affecter tous les filets d'un groupe à une classe de filets.

Vous pouvez accéder à cette fonctionnalité à partir de l'option Conception → Classes (voir ci-dessous) dans la fenêtre de l'éditeur de PCB.

Après avoir affecté des filets à des classes, vous pouvez ensuite utiliser l'éditeur de règles et de contraintes de PCB pour affecter des règles de conception à des nets individuels ou à une classe de nets.

D'autres règles de routage de PCB, qui ne s'appliquent pas nécessairement à des normes de transmission spécifiques, sont utilisées pour vous aider à organiser votre conception. La topologie de routage et la restriction de la couche de routage en sont deux exemples.

Pour les conceptions plus abouties, telles que les composants avec empreinte BGA, vous pouvez utiliser des règles de conception pour configurer votre stratégie de sortance.

L’utilisation de paires différentielles nécessite son propre ensemble de règles de conception, tel qu'indiqué dans la section suivante.

Règles de routage des paires différentielles

Les paires différentielles sont uniques, car les signaux lents et rapides peuvent être routés sous forme de paires différentielles.

Que les signaux soient lents ou rapides, vos paires différentielles doivent systématiquement respecter certaines règles de conception généralement appliquées aux signaux asymétriques.

Voici quatre règles de conception qui doivent être prises en compte :

• La tolérance d'impédance : même si votre routage est inférieur à la longueur critique, il est préférable de ne pas hésiter et de créer un profil d'impédance pour vos paires différentielles, à moins que votre norme de signalisation n'indique le contraire. Les autres contraintes géométriques dépendent de la variation d'impédance autorisée le long de la paire différentielle.
• Longueur maximale découplée : cette valeur indique la distance la plus longue sur laquelle les deux côtés d'une paire différentielle peuvent rester découplés (c'est-à-dire séparés par une grande distance). Ce paramètre est essentiel, car la section découplée ressemblera à une discontinuité d'impédance, elle doit donc être suffisamment courte.
• Correspondance de longueur : rappelez-vous qu'un signal différentiel est lu en prenant la différence entre les deux signaux, qui doivent donc parvenir simultanément au récepteur. Les signaux plus rapides requièrent des tolérances de correspondance de longueur plus faibles. 
• Longueur maximale des nets : tout comme les signaux asymétriques, les normes de transmission différentielles peuvent avoir une contrainte de longueur maximale. Prenons l'exemple du bus CAN. Même s'il s'agit d'une norme à vitesse lente, la longueur maximale de la liaison (pistes du PCB + câble) dépend du débit de données que vous utiliserez dans votre système. 

Dans Altium Designer, vous pouvez configurer des règles de conception pour les deux premiers éléments ci-dessus dans la zone "Routing" → "Differential Pairs Routing" de l'éditeur de règles et de contraintes de PCB.

Les deux derniers points peuvent être abordés dans la zone "High speed". C'est ce que montre l'image ci-dessous :

Si vous travaillez avec des paires différentielles à haute vitesse, toutes les autres règles standard de conception décrites ci-dessus peuvent être appliquées aux paires différentielles.

Notez que la méthode la plus simple consiste à affecter les paires différentielles pertinentes à une classe de nets de paires différentielles, puis à sélectionner la classe qui sera régie par chaque règle de conception.

Si une règle de conception n'est pas configurée pour accepter une classe de nets de paires différentielles dans le menu déroulant « Where The Object Matches », vous pouvez créer une requête personnalisée à l'aide du générateur de requêtes.

L'exemple ci-dessous illustre l'attribution d'une longueur maximale à une classe de signaux de paires différentielles (disponible dans la zone "High speed" de l'éditeur de règles et contraintes du PCB).

Comme pour les signaux asymétriques, lisez la documentation relative à votre norme de signalisation avant de commencer à définir les règles de routage des PCB.

C'est là que vous trouverez les informations sur les règles de conception pertinentes pour les normes de transmission différentielles (généralement dans la section « Couche physique de la norme »).

Consultez cet article (en anglais) pour savoir comment créer un profil d'impédance, attribuer des filets à des classes de filets de paires différentielles et définir certaines règles de conception pour ces classes, avant de commencer à router des paires différentielles.

Nous n'avons toujours pas examiné les règles d'intégrité des signaux rapides, et vous avez probablement remarqué qu'Altium Designer inclut des contraintes de conception spécifiquement destinées à résoudre les problèmes d'intégrité du signal.

Vous pouvez affecter ces règles de routage de PCB en suivant le même processus que celui suivi pour ajouter des règles de conception aux signaux asymétriques et aux paires différentielles. Ces fonctionnalités d'Altium Designer vous permettent un contrôle total sur votre conception et vous aident à réussir votre routage.

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