Principes d'intégrité des signaux basés sur Altium Designer 24

Introduction à la haute vitesse et à l'intégrité des signaux

Les systèmes numériques constituent l'un des domaines fondamentaux de l'électronique moderne. L'avancement dans les processeurs hautement efficaces ou d'autres systèmes numériques, comme les FPGA ou les systèmes d'acquisition de données à large bande passante qui utilisent des convertisseurs ADC rapides en combinaison avec des DSP ou des FPGA, nécessite une approche différente de la conception électronique, en particulier des PCB qui incluent des interconnexions entre divers circuits intégrés ou modules. Cette approche est liée aux types de signaux utilisés dans l'électronique moderne à haute vitesse.

Les interfaces basiques et bien connues, telles que RS232 ou I2C, sont limitées en débit de données à des centaines de kilobits par seconde, cependant, les interconnexions entre systèmes ou modules à haute vitesse via des interfaces telles que PCIe ou USB3.0 peuvent avoir des débits de données supérieurs à des gigabits par seconde (d'où le terme systèmes à haute vitesse ou conception à haute vitesse).

De plus, la plupart des interconnexions modernes à haut débit de données utilisent une signalisation série avec seulement quelques lignes de signal. Une telle ligne série est montrée dans la figure 1. Certains standards exigent plusieurs lignes et dans la plupart des cas, ces lignes sont réalisées sous forme de paire différentielle. Un bon exemple de tels standards sont PCIe ou JESD204.

Figure 1 : Lien série à haut débit de données ; veuillez noter que l'adaptation d'impédance de l'émetteur, du récepteur et de la ligne de transmission est fondamentale pour l'intégrité du signal

Les principes des conceptions à haute vitesse sont similaires aux conceptions de fréquence radio car il existe une relation directe entre le taux de données du signal et la bande passante occupée par ce signal - plus le taux de données est élevé, plus la bande passante occupée par ce signal est large. De plus, les temps de montée et de descente des signaux à haute vitesse sont souvent inférieurs à 1ns, souvent avec des fréquences de commutation supérieures à quelques GHz. Ces signaux se propagent à travers le PCB d'une manière différente que les signaux utilisés dans les standards de basse vitesse, comme SPI, I2C ou RS232. Une attention significative est requise pour concevoir correctement le PCB, en tenant compte de la bande passante du signal, afin que la fidélité de la liaison de données soit maintenue depuis l'émetteur (par exemple, l'interface JESD204B d'un ADC) jusqu'au récepteur (par exemple, les broches d'entrée d'un FPGA). Le plus souvent, la norme LVDS (low-voltage differential signaling) est utilisée pour interconnecter des modules ou des systèmes à haut débit de données ainsi que pour fournir une spécification standardisée pour les signaux à haute vitesse (par exemple, les variations de tension, les niveaux logiques, les impédances et plus).

La nature des signaux à haute vitesse nécessite des outils de conception différents pour le PCB et les schémas afin d'assurer une haute fidélité de la liaison et des signaux transmis sur le PCB (ainsi qu'une réduction du temps passé sur la conception). La haute fidélité du signal, liée aux caractéristiques de qualité, est appelée l'intégrité du signal, qui comprend un certain nombre de paramètres du signal transmis qui peuvent être vérifiés pendant le développement du PCB/SCH ainsi que dans le laboratoire par des mesures de signal avec des outils dédiés.

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Altium Designer prend en charge toutes les activités liées aux projets à haute vitesse et fournit des moyens de contrôle sur l'intégrité du signal en offrant un certain nombre de fonctionnalités, par exemple :

• possibilité de définir des paires différentielles dans les schémas et le PCB ;
• le routage des paires différentielles dans l'éditeur de PCB avec appariement de longueur ;
• définition de pistes à impédance contrôlée pour les lignes de signal différentielles et unipolaires ;
• ajustement de la longueur des lignes de signal au sein d'une paire différentielle ainsi que dans un bus ;
• outils de simulation et vérification de conception pour l'intégrité du signal et la haute vitesse ;
• possibilité de définir un empilement de PCB avec des profils d'impédance qui incluent le facteur de dissipation, la constante diélectrique et la rugosité du cuivre ;
• possibilité de définir des retards de propagation pour les composants

et plus encore.

Ces fonctionnalités aident à atténuer les erreurs de conception liées à l'intégrité du signal, offrent une flexibilité dans la phase de conception, réduisent les coûts de prototypage et accélèrent la livraison du produit sur le marché.

Intégrité du Signal

La dégradation du signal mentionnée dans le premier paragraphe peut prendre diverses formes et se référer à des valeurs temporelles du signal (comme le temps de montée ou le jitter) ou à des paramètres liés au niveau du signal (par exemple, le dépassement, l'amplitude de tension). Les paramètres de base liés à la fidélité du signal incluent les phénomènes suivants :

• réflexions de signal entre l'émetteur de signal et la ligne de transmission (ou le récepteur et la ligne de transmission), ainsi que les réflexions de signal causées par les connecteurs, les vias, les stubs ou autres composants du système qui distordent la continuité de l'impédance le long du chemin du signal;
• diaphonie entre les lignes de signal;
• sur- et sous-dépassement du signal;
• dégradation du rapport signal sur bruit (causée par le bruit couplé), rendant difficile pour le récepteur de détecter les niveaux logiques corrects;
• atténuation du signal le long du chemin du signal - incapacité à atteindre les niveaux logiques requis;
• jitter sur le signal d'horloge qui définit le fonctionnement des convertisseurs ADC/DAC ainsi que le jitter des lignes de signal;
• augmentation des niveaux d'émission rayonnée depuis le PCB (ou le système) qui peut nécessiter diverses contre-mesures (par exemple, le blindage) afin de passer la certification CEM

et plus encore.

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Chacun des phénomènes énumérés ci-dessus peut conduire à une augmentation du taux d'erreur de données ou à une perte totale de communication. De plus, une détérioration des paramètres du système (par exemple, la qualité du traitement du signal à travers des convertisseurs ADC de haute résolution) peut également survenir. Des exemples de perturbations de signal liées à une mauvaise conception sont montrés dans des oscillogrammes et des simulations réalisées dans AD24 - voir les figures 2 à 5.

Figure 2 : Impulsions parasites causées par une mauvaise terminaison du signal le long du chemin de signal

Figure 3 : Exemple de diaphonie - trace violette - agresseur, trace jaune - victime

Figure 4 : Dépassement et sous-dépassement de la forme d'onde numérique

Figure 5 : Exemple de résonance de signal. Résultat de la simulation de l'intégrité du signal effectuée dans AD24

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Figure 6 : Optimisation de la résonance du signal - balayage de la résistance de terminaison en série

Signaux à terminaison unique et différentielle

Les signaux à basse vitesse tels que SPI, I2C ou RS232, où l'information est transmise comme la différence de tension entre la ligne de signal et la terre, sont appelés signaux à terminaison unique. Les signaux à haute vitesse, avec des débits de données dépassant plusieurs centaines de Mbits/s sont généralement transmis par la paire différentielle - une paire de pistes de signal étroitement couplées sur le PCB - l'information dans ce cas est transmise par la différence de tension entre ces deux lignes (souvent désignées par P et N) - voir figure 7 et 8.

Figure 7 : Paires différentielles du contrôleur Ethernet définies dans AD24

Figure 8 : Paire différentielle représentée sur le PCB

Les signaux différentiels sont moins sensibles aux perturbations et aux fluctuations du potentiel de masse sur le PCB car une perturbation est induite dans les deux lignes qui forment une paire différentielle, ainsi le signal différentiel (différence entre une ligne et l'autre) n'est pas déformé. Ce type de signalisation aide à minimiser les problèmes liés au rebond de masse dans le système et améliore les paramètres de qualité des signaux à haute vitesse. Des exemples de signaux différentiels et à extrémité unique sont présentés dans la figure 9.

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Figure 9 : Signaux à Extrémité Unique et Différentiels

Conclusions

La mise en œuvre correcte des principes à haute vitesse dans le projet pour assurer l'intégrité des signaux sur le PCB nécessite une attention dès le début de l'étape de conception - à partir du stackup du PCB, de la définition des paires différentielles ou à extrémité unique avec les impédances correctes, des stratégies de routage ainsi que de l'agencement des composants sur le PCB, par exemple, l'emplacement de la mémoire DDR et par rapport au MCU ou FPGA.

De plus, les aspects importants liés à la qualité des signaux à haute vitesse incluent le type et le nombre de vias le long des chemins de signal, les stubs de signal, les connecteurs et la méthode de connexion des pistes de signal à ceux-ci.

La vérification d'un PCB fabriqué avec des signaux à haute vitesse peut être effectuée par simulation, ce qui permet de détecter les problèmes potentiels avant de passer commande. Les critères d'intégrité du signal tels que le dépassement, le sous-dépassement, la réflexion ou le diaphonie peuvent être définis dans Altium Designer dans les règles de conception. Cela aide à maintenir l'intégrité du signal sous contrôle.

Notre prochaine extension, Signal Analyzer by Keysight, améliorera encore le potentiel de votre processus de conception, en particulier lorsqu'il s'agit de l'analyse de l'intégrité du signal. La première de cette extension est prévue pour mi-octobre 2024.