Intégrité du signal : connaître les principes de base

La plupart des guides de routage utilisés aujourd'hui dans le domaine des circuits imprimés (PCB), même pour les appareils et les signaux à vitesse modérée, ont pour objectif de garantir l'intégrité du signal.

Si vous débutez dans la conception de PCB et que vous n'avez jamais rencontré de problèmes d'intégrité du signal, cette notion peut vous sembler obscure.

Les circuits imprimés modernes sont sujets à de nombreux problèmes qui peuvent être résolus ou évités grâce à de simples pratiques de routage. Les techniques visant à garantir l'intégrité du signal se concentrent sur l'identification et la résolution de ces problèmes lors du routage des PCB. Ainsi, un signal numérique ou analogique ne sera pas déformé lors de sa transmission et pourra être récupéré au cours de son transport sur une interconnexion.

Dans ce guide, nous vous présentons un bref aperçu des problèmes d'intégrité du signal qui touchent souvent les circuits imprimés, ainsi que certaines des solutions de base pour les résoudre.

En mettant en œuvre certaines de ces pratiques élémentaires dès la phase de conception, il vous sera beaucoup plus facile de garantir l'intégrité du signal une fois le circuit routé.

• Les principes de base de l'intégrité du signal
• L'importance de l'impédance et du routage
• L'identification des problèmes d'intégrité du signal

Les principes de base de l'intégrité du signal

Fondamentalement, la mise en œuvre de pratiques d'intégrité du signal dans le routage de circuits imprimés vise à garantir la non dégradation d'un signal lors de son transfert d'un composant pilote à un composant récepteur.

En d'autres termes, cela consiste à s'assurer que le signal qui se retrouve à la fin d'une interconnexion correspond à celui qui a été injecté au début de celle-ci. Bien que la distorsion ne soit jamais vraiment nulle, certaines pratiques de base peuvent aider à la minimiser, de sorte que le composant récepteur reçoive toujours un signal conforme.

Certaines pratiques de conception standard, qui interviennent dès la saisie du schéma et la conception de l'empilage de couches, permettent d'y parvenir. En réalité, de nombreux problèmes d'intégrité du signal, d'intégrité de l'alimentation et d'interférence/de compatibilité électromagnétique (IEM/CEM) peuvent être résolus grâce à une conception appropriée de l'empilage et à l'affectation des couches pour l'alimentation, la masse et le routage.

Il existe par ailleurs d'autres solutions simples, par exemple choisir les condensateurs appropriés, calculer l'impédance et comprendre les limites entre les pistes asymétriques et différentielles.

Quand faut-il se préoccuper de l'intégrité du signal ?

En principe, toute conception présente des problèmes d'intégrité du signal. Néanmoins, ils n'interfèrent généralement pas avec la fonctionnalité du produit ou ne créent pas de bruit excessif, sauf si l'on utilise des signaux numériques à haute vitesse ou des conceptions analogiques à haute fréquence. Dans ce cas, il faut tenir compte de toute une série de problèmes :

• La précision des calculs d'impédance pour éviter les réflexions du signal
• Les pertes et la dispersion lors de la transmission sur de longues interconnexions
• La diaphonie causée par les signaux numériques à commutation rapide
• Les pertes par rayonnement excessif, qui peuvent se traduire par un bruit important lors des tests CEM
• Des valeurs supérieures et inférieures dans les signaux numériques en raison d'une inductance trop élevée (rebond de masse)
• Le couplage de signaux haute fréquence par des parasites
• Le décalage et la perte de signal par résonance dus au tressage des fibres
• La gigue, due à des fluctuations aléatoires de la transition de bord ou à des problèmes d'intégrité du signal, d'intégrité de l'alimentation ou d'interférence électromagnétique
• Les pertes supplémentaires dues à la rugosité du cuivre le long d'une interconnexion

Ces problèmes sont plus difficiles à résoudre lorsque l'on travaille à des fréquences élevées ou à des vitesses de commutation plus rapides, comme c'est le cas dans les cartes numériques à haut débit.

Cependant, pour éviter toute défaillance due à ces problèmes et garantir l'intégrité du signal, il est possible de mettre en œuvre une poignée de techniques de conception simples.

Commencer par l'empilage

Afin de garantir l'intégrité du signal, il est essentiel de définir précisément la masse et de la maintenir à proximité des pistes importantes lors du routage.

Un empilage correct, la sélection des plans d'alimentation et de masse, mais aussi la désignation des couches de signal contribueront à résoudre la plupart des problèmes d'IEM et d'intégrité du signal. La bonne conception de l'empilage participe également à l'intégrité de l'alimentation.

Dans l'image ci-dessous, on peut voir une disposition classique où alternent les couches de signal, d'alimentation et de masse.

Les couches de masse sont accolées aux couches de signal afin de constituer un blindage tout en fournissant un chemin de retour à faible impédance et en permettant de définir des lignes à impédance contrôlée (rubans ou microrubans).

Le fait de prévoir un chemin de retour à faible impédance en ayant bien défini l'impédance des pistes et disposé la masse à proximité des signaux permet d'éviter les réflexions, de réduire le rayonnement et les interférences électromagnétiques, et d'assurer le blindage des signaux entre les différentes couches.

Il est bien connu que, pour les microrubans, les rubans ou les dispositions coplanaires, l'épaisseur des couches aura une influence sur les pertes subies par les signaux numériques ou analogiques.

Bien choisir l'épaisseur du diélectrique dans les couches de signal qui doivent porter des signaux à haute vitesse/haute fréquence permet de traiter un aspect des pertes, tel que mentionné ci-dessus. En outre, utiliser des matériaux appropriés, notamment plaqués, pour les pistes exposées contribue à réduire les pertes à haute fréquence, comme dans le cas des conceptions à ondes millimétriques qui exigent une intégrité précise du signal.

Combinées, ces mesures peuvent grandement minimiser les pertes subies par les signaux au cours de leur transport vers l'extrémité d'une interconnexion.

• En savoir plus sur la conception de pistes pour le routage à impédance contrôlée (en anglais)
• En savoir plus sur les matériaux haute fréquence destinés aux circuits imprimés RF avancés (en anglais)

L'importance de l'impédance et du routage pour l'intégrité du signal

Une fois l'empilage bien défini et les composants importants placés, il ne reste plus qu'à router les pistes.

Les normes utilisées dans le domaine des interfaces numériques et des signaux analogiques à haute fréquence spécifient des exigences d'impédance, qui doivent être respectées en vue de garantir l'intégrité des signaux et d'éviter tout problème dans les canaux à haute vitesse.

Lors du routage, il convient de prêter une attention particulière à certaines propriétés géométriques importantes des pistes :

• L'impédance simple et différentielle
• Les tolérances d'espacement et de longueur pour les paires différentielles
• La présence d'un chemin de retour étroit tout au long d'un routage avec des vias à la masse et des plans uniformes
• La réduction des transitions de vias et des flexions excessives à des fréquences élevées (dizaines de GHz)
• La suppression des métallisations de vias sur les routages à haute vitesse/fréquence.

L'objectif des deux premiers points est de garantir que l'impédance le long d'un routage ne s'écarte pas de la valeur théorique prévue par la norme de signal applicable.

Le troisième point résout le couplage des interférences électromagnétiques et du bruit, en veillant à ce que le courant de retour généré par les signaux haute vitesse/haute fréquence ait une faible inductance.

Les deux derniers points traitent de la nécessité d'éliminer les pertes et les réflexions en cas de fluctuation de l'impédance le long d'un routage.

L'impédance d'entrée de certains éléments (connecteurs, vias, etc.) peut s'écarter de la valeur requise, d'où l'utilisation de règles de conception pour s'assurer que ces objectifs sont atteints.

Les outils de routage de votre logiciel de conception de circuits imprimés peuvent coder vos exigences sous forme de règles de conception afin de respecter vos objectifs : impédance, espacement, nombre de vias et chemin de retour.

Concernant l'intégrité du signal, le contre-perçage implique en revanche un compromis financier. Il convient donc d'y recourir seulement pour les signaux numériques les plus rapides, et seulement si un autre schéma de routage ne peut être mis en œuvre.

Au final, ces mesures permettent de résoudre les problèmes liés aux réflexions, tels que les interférences intersymboles dans les diagrammes de l'œil et les ondes stationnaires sur les lignes de transmission déphasées.

L'identification des problèmes d'intégrité du signal

Les problèmes d'intégrité du signal doivent être identifiés par le biais de simulations ou de mesures. Idéalement, les simulations devraient être effectuées au cours du processus de conception afin d'identifier tout problème avant la création de prototypes.

Une pratique courante consiste à créer des cartes de test puis à effectuer des mesures avant que la conception ne soit mise en production à grande échelle. Quelle que soit la manière dont vous prévoyez d'identifier les problèmes d'intégrité du signal, ces tâches doivent être effectuées avant de passer à la production à grande échelle.

Simulations lors du routage

Pendant la phase de conception, il est possible d'effectuer des simulations simples par le biais de progiciels de CAO électronique avancés afin d'identifier les problèmes d'intégrité du signal. Deux simulations standard peuvent être effectuées ensemble : les calculs de la diaphonie et de l'oscillation/la réflexion dans les formes d'onde.

Ces deux simulations nécessitent de définir la famille logique du composant pilote du circuit imprimé, qui peut être trouvée dans les fiches techniques.

Ces simulations donnent une idée très précise de l'efficacité des terminaisons et de l'espacement entre les interconnexions, tel qu'on peut l'observer dans la réponse transitoire d'une interconnexion (voir ci-dessous).

Les autres points à vérifier pendant le routage sont les suivants :

• Les valeurs supérieures et inférieures
• Le temps de montée/descente pendant la commutation
• Le décalage dans les bus parallèles et les paires différentielles
• La continuité du chemin de retour

Ces points peuvent être vérifiés avec les outils de simulation en ligne des progiciels avancés de CAO électronique de circuits imprimés.

Une fois la conception routée, vous pouvez utiliser un outil de simulation embarqué pour calculer ces éléments et vérifier, d'une part, que les signaux sur chaque interconnexion respectent les marges de bruit, et d'autre part, que la réponse au niveau du composant récepteur est conforme aux exigences.

En identifiant ces problèmes dès la phase de conception, vous pouvez résoudre de nombreux problèmes d'intégrité du signal très tôt, ce qui évite en principe les remaniements complexes et fastidieux.

Test d'intégrité du signal

Bien qu'il existe différents tests pour évaluer l'intégrité du signal, deux des plus importants pour les conceptions numériques sont la mesure des paramètres S à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA) et les tests du diagramme de l'œil à l'aide d'un flux binaire d'échantillonnage standard.

L'équivalent temporel d'une mesure de paramètres S est une mesure de réflectométrie temporelle, qui nécessite un instrument spécial pour envoyer une impulsion à l'interconnexion ou au dispositif testé.

Bien que les diagrammes de l'œil et les calculs du taux d'erreur soient habituellement réalisés à l'aide d'un oscilloscope, certains VNA peuvent aussi générer des diagrammes de l'œil.

Les mesures de diagramme de l'œil et les taux d'erreur obtenus sont essentiels pour évaluer les canaux numériques. Ils fournissent une mesure globale qui permet de quantifier la gigue, l'interférence intersymbole due aux réflexions du signal, les pertes et le besoin de compensation par égalisation.

Ces mesures permettent de déterminer des modifications simples à apporter, tandis que les indicateurs d'intégrité du signal obtenus peuvent être comparés à d'autres simulations ou calculs.

Les paramètres S, ainsi que d'autres simulations ou mesures de paramètres de réseau, concernent quant à eux la fréquence. Ils permettent de définir le débit maximal possible d'une conception, sa fréquence de transmission, ses pertes ou ses réflexions dues à des désadaptations d'impédance.

Pour les interconnexions longues, le paramètre le plus important est S21 (ou affaiblissement d'insertion), car ces canaux sont dominés par les pertes dues au diélectrique, au cuivre et au rayonnement.

Pour les canaux courts, le paramètre le plus important est S11 (ou affaiblissement de retour), car les canaux de longueur courte à moyenne sont sujets à de fortes réflexions et résonances.

• En savoir plus sur les tâches de base relatives à l'analyse de l'intégrité du signal (en anglais)

Simulations plus complexes pour l'intégrité du signal, de l'alimentation et l'interférence/la compatibilité électromagnétique

Une fois le routage terminé et la conception prête à être approuvée, elle doit d'abord être soumise à un outil de simulation plus avancé, capable d'examiner l'ensemble du système, et pas seulement les interconnexions une à une.

Ces logiciels de simulation se basent sur les données du routage final pour calculer le champ électromagnétique directement à partir des équations de Maxwell. Il est possible d'utiliser des formats de fichiers mécaniques standard (IDX) et des formats de fichiers de données de simulation spécialisés pour importer des données de conception dans des programmes de simulation externes.

Cette méthode permet d'identifier les problèmes d'interférence/de compatibilité électromagnétique, d'intégrité de l'alimentation et d'intégrité du signal au niveau du système avant de passer aux phases de prototypage et de production.

• En savoir plus sur l'utilisation des simulations pour identifier les IEM en champ proche
• En savoir plus sur le partage des données de simulation via le cloud

Router des circuits imprimés est beaucoup plus facile lorsque l'on utilise l'ensemble complet d'outils dédiés d'Altium Designer®. Le moteur de règles de conception intégré d'Altium Designer vérifie automatiquement votre routage à mesure que vous placez les pistes, ce qui vous permet de repérer et de corriger les erreurs avant de terminer le circuit.

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