Calculatrices de délai de ligne de transmission dans la conception de PCB

Les lignes de transmission sont l'une de ces choses trompeusement complexes qui rendent la vie moderne possible. Ce qui semble être un simple câble métallique est, en fait, un système précisément conçu. Les pistes sur les PCB ne sont pas différentes, et elles sont comme les vaisseaux sanguins qui alimentent vos appareils électroniques.

Alors, qu'est-ce qu'une ligne de transmission au juste ? Ce terme a été initialement adopté pour créer l'analogie entre les pistes sur un PCB et les lignes électriques civiles. Le terme « ligne de transmission » a tendance à être utilisé sans beaucoup de contexte. Toutes les pistes sur un PCB ne sont pas des lignes de transmission, et les règles de conception pour une ligne de transmission deviennent importantes dans certains cas.

Est-ce que mes pistes sont des lignes de transmission ?

Le terme « ligne de transmission » se réfère au comportement d'une piste sur un PCB plutôt qu'à sa construction. Une piste donnée peut se comporter comme une ligne de transmission dans certaines conditions tout en se comportant comme un simple conducteur dans d'autres conditions.

La réponse à la question de savoir si vos pistes agissent comme des lignes de transmission dépend du temps qu'il faut à un signal pour se propager le long de la piste. Ce temps a été désigné comme le retard de ligne, le retard de propagation, ou le retard de transmission, et tous ces termes sont utilisés de manière interchangeable.

Si le retard de ligne dans votre trace est beaucoup plus long que le temps de montée d'un signal numérique se déplaçant sur la trace, alors la trace agira comme une ligne de transmission. Avec les signaux analogiques, le temps de montée est considéré comme étant un quart de la période d'oscillation du signal. Dans les deux cas, les traces et les composants à chaque extrémité doivent être adaptés en impédance pour éviter divers problèmes d'intégrité du signal.

Lignes de transmission électriques

Calculatrices en ligne de ligne de transmission

Si vous voulez une manière rapide et approximative de concevoir vos traces pour avoir une valeur d'impédance spécifique, vous pouvez utiliser une calculatrice en ligne de ligne de transmission. Cet outil peut calculer plusieurs paramètres critiques comme la longueur unitaire qui décrivent vos traces pour différents arrangements, incluant les microstrips, les microstrips intégrés, et les traces en stripline.

Une chose que vous commencerez à remarquer est que la plupart des calculatrices en ligne de ligne de transmission ignorent complètement la dépendance en fréquence de l'impédance de la ligne de transmission. En réalité, il y a un effet dû à la fréquence, et l'effet est plus prononcé en fonction de la résistance, de la capacité, de l'inductance, et de la conductance dans le système.

L'impédance rencontrée par les signaux de basse fréquence a tendance à être plus sensible aux changements de fréquence que l'impédance à haute fréquence. Certains calculateurs en ligne de lignes de transmission ne vous permettent pas toujours d'explorer l'impédance à basse fréquence et ils supposent généralement que vous travaillez à haute fréquence.

À très haute fréquence, comme celles utilisées dans les applications RF, cette dépendance à la fréquence se sature jusqu'à une valeur constante. Ainsi, la plupart des calculateurs en ligne supposent que vous travaillez à une fréquence suffisamment élevée pour que cette dépendance puisse être ignorée.

Un résultat important d'un calculateur de ligne de transmission est la constante diélectrique effective. Ce paramètre dépend des dimensions de la trace, ainsi que du contraste entre les constantes diélectriques du conducteur et du substrat. Ce paramètre joue le même rôle qu'un indice de réfraction effectif en fibre optique en ce sens qu'il détermine la vitesse à laquelle un signal se propage le long de la ligne de transmission.

C'est là que les calculateurs en ligne de lignes de transmission sont également utiles. Une fois que vous avez votre constante diélectrique effective, vous pouvez l'utiliser pour calculer le retard de ligne dans vos traces. Après avoir calculé le retard de ligne et l'avoir comparé avec le temps de montée de votre signal, vous aurez votre réponse quant à savoir si vos traces se comportent réellement comme des lignes de transmission.

Conception électronique avec un calculateur

Simulations SPICE et Lignes de Transmission

Les simulateurs SPICE sont utiles pour examiner les problèmes d'intégrité des signaux dans les PCBs, en particulier dans les applications à haute vitesse, haute fréquence, HDI, et à faible courant. Toutes les simulations SPICE ne vous retourneront pas directement la valeur de l'impédance de vos lignes de transmission ; elles vous permettront de diagnostiquer les problèmes d'intégrité des signaux qui peuvent survenir en raison d'un désaccord d'impédance entre les pistes et les composants. Les logiciels de conception en ligne et de bureau vous donnent accès aux simulations SPICE.

Tous les PCBs présentent une certaine capacité et inductance parasites dues à la séparation des éléments métalliques par le diélectrique du substrat. Lorsque vous travaillez avec une simulation SPICE, les effets de l'impédance parasite doivent être modélisés en ajoutant des condensateurs et des inducteurs en série et en dérivation dans votre modèle de circuit équivalent.

Une simulation SPICE typique n'inclut pas cela directement, et vous devriez ajouter des inducteurs et des condensateurs à des points stratégiques pour tenir compte de la réactance parasite. Les simulateurs SPICE plus avancés prennent cela en compte directement. Votre capacité et inductance parasites peuvent être calculées directement à partir de la constante diélectrique du substrat du PCB et de l'agencement des conducteurs sur la carte.

La sortie d'un bon modèle SPICE est essentielle car elle vous permet de visualiser des problèmes comme le ringing, le rebond de masse, le désaccord de signal dû au retard de propagation, et même le couplage de bruit. Diagnostiquer ces problèmes de signal avant la fabrication peut vous aider à éviter de commander un lot de cartes défectueuses.

Cette sortie est généralement affichée sur un graphique de tension (ou courant) par rapport au temps. Ce type de sortie vous permet de comparer les forces des signaux d'entrée et de sortie, le retard de propagation et l'intégrité du signal. Lorsque vous travaillez dans le domaine fréquentiel, vous pouvez voir la fonction de transfert qui définit la relation entre les signaux d'entrée et de sortie.

Altium Designer^®  dispose d'outils de simulation et fonctionne dans un environnement de conception régi par des règles qui peuvent vous aider à éviter et à diagnostiquer les problèmes d'intégrité du signal. Vous pouvez maintenant télécharger un essai gratuit et découvrir si Altium vous convient. Parlez à un expert Altium dès aujourd'hui si vous souhaitez en savoir plus.