Comprendre les réflexions de signal pour la conception haute vitesse

Introduction

Les réflexions de signal et l'ingénierie liée à l'adaptation d'impédance sont l'un des sujets de base liés à la conception de systèmes numériques à haute vitesse. Dans le cas d'un système numérique avec un débit binaire élevé, où des informations sur l'état des bits "0" et "1" sont envoyées sous forme de signal carré, on suppose que le temps de montée (ou de descente) des bords montants et descendants est négligeable par rapport à la fréquence du signal binaire. En pratique, un signal numérique ne monte et ne descend jamais instantanément. Le temps de montée (et de descente) est déterminé par les paramètres du chemin du signal qui inclut les paramètres de l'émetteur, du récepteur, et les caractéristiques physiques de la ligne de transmission.

Dans le cas des systèmes à haute vitesse, le temps de montée et de descente peut être aussi court que 1ns ou moins. La fréquence du signal binaire dans les systèmes numériques peut atteindre plusieurs GHz et pour maintenir une forme relativement rectangulaire, les bords montants et descendants devraient être une fraction de la durée du bit.

La vitesse de propagation des ondes électromagnétiques (propagation de la tension et du courant dans la ligne de transmission) dépend de plusieurs facteurs, y compris le type de ligne de transmission et le type de substrat. Par exemple : pour un substrat FR4 et des lignes de transmission microstrip, la vitesse de propagation est d'environ 160Mm/s (mégamètres par seconde) ou 525Mft/s (méga pieds par seconde). Si le temps de montée (ou de descente) de l'impulsion est par exemple de 200ps, alors le front montant (ou descendant) se déplacera le long de la ligne de transmission sur 32mm ou 1,25 pouce pendant le temps de montée ou de descente.

La conservation de la forme du signal dépend de si la ligne de transmission le long du PCB, sur une longueur comparable à la distance parcourue par le front montant (ou descendant), maintient une continuité d'impédance et une terminaison appropriée du côté du récepteur. Dans le cas de connexions très courtes ou d'un temps de montée (descente) lent du signal numérique, les phénomènes de réflexions, comme décrits ici, peuvent ne pas être observables et peuvent être ignorés. En règle générale, on peut supposer que si la distance parcourue par le front du signal (c'est-à-dire le produit du temps de propagation et de la vitesse de propagation) est de plus de 10% de la longueur de transmission, il convient de prendre soin d'adapter correctement les sorties, les entrées et la ligne de transmission - cette procédure est appelée adaptation d'impédance et inclut la conception des pistes sur le PCB ainsi que des réseaux d'adaptation, composés de résistances.

Adaptation d'impédance et adaptation résistive

La relation qui détermine la condition d'adaptation d'impédance est bien connue. Si l'impédance de sortie du TX est le conjugué complexe de l'impédance du récepteur et que le chemin connectant l'émetteur et le récepteur a une résistance identique à la partie réelle de l'émetteur et du récepteur, alors le chemin du signal est adapté. Dans les cas pratiques des systèmes numériques, l'adaptation n'est pas réalisée en mettant en œuvre un réseau d'adaptation d'impédance conjugué complexe pour le chemin de l'émetteur ou du récepteur (cela nécessiterait l'ajout d'inducteurs et de condensateurs aux lignes de signal pour annuler toute composante d'impédance imaginaire. De plus, ce type d'adaptation est généralement à bande étroite donc il n'a pas d'application pratique dans les systèmes numériques).

Une pratique courante consiste à adapter uniquement la partie résistive des CI émetteurs et récepteurs et à rendre l'impédance caractéristique de la ligne de transmission purement résistive. Dans ce cas, seuls des résistances sont nécessaires pour fournir l'adaptation requise, par exemple, une résistance en série à la sortie du pilote est l'une des solutions possibles pour adapter l'émetteur à la ligne de transmission. Au niveau du récepteur, une résistance parallèle à la terre peut être utilisée (ou pour une paire différentielle - une résistance entre les pistes formant la paire différentielle). Quelques exemples liés aux topologies de terminaison du récepteur sont montrés dans la figure 1 tirée de l'outil d'Intégrité de Signal disponible dans Altium Designer.

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Figure 1 : Topologies de terminaison disponibles dans l'outil Intégrité du Signal d'Altium Designer

Exemples de réflexions de signal dans le système numérique

Ce chapitre traite des exemples d'adaptation de signal avec des formes d'onde de réflexion qui seront basées sur le système de 50Ω - système commun pour les conceptions de fréquence radio, cependant les relations présentées dans cette section s'appliquent également aux systèmes numériques qui utilisent d'autres profils d'impédance ainsi que pour les signaux transmis par le biais de paires différentielles - commun pour les systèmes numériques à haute vitesse, par exemple USB3.0 ou PCIe. Les considérations présentées omettent l'influence de la partie imaginaire de l'impédance de l'émetteur, du récepteur. La ligne de transmission est conçue au moyen d'un profil d'impédance (réglé sur 50Ω) défini dans Altium Designer. Dans ce cas, la condition d'adaptation prend la forme définie par l'équation 1 dans laquelle chaque résistance a une valeur de 50Ω.

Pour les besoins de la simulation, le modèle IBIS du chip LMK00334RTVR a été utilisé. Les résistances utilisées pour les composants d'adaptation pour ce chip sont suffisamment proches de 50Ω - il a été prouvé que le système est bien adapté au moyen de la simulation lorsque des résistances de 50Ω étaient utilisées. Notez que le LMK00334RTVR peut nécessiter des valeurs différentes pour terminer les entrées et les sorties.

Ro=Ri=Rt=50Ω (eq. 1)

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• Ro - résistance de sortie de l'émetteur,
• Ri - résistance d'entrée du récepteur,
• Rt - impédance caractéristique de la ligne de transmission.

Cas d'un système adapté, excitation par impulsion unique

Dans le cas d'une conception correctement adaptée, les résistances dans le réseau d'adaptation sont définies par une équation 1. Le schéma d'un tel système est présenté dans la figure 2 et les résultats de simulation sont présentés dans la figure 3. Il n'y a pas de réflexion de signal dans le système le long de la ligne de transmission. Le signal est envoyé depuis la broche U29 de U1, passe à travers une résistance d'adaptation en série (R5) et est complètement absorbé par la résistance de charge (R4) à l'autre extrémité de la ligne. L'énergie totale a été absorbée par R4 et donc aucune réflexion n'a eu lieu - seul l'impulsion source est visible.

Figure 2 : Schéma du montage utilisé pour la simulation

Figure 3 : Simulation d'une impulsion unique dans un circuit entièrement adapté

Réflexions dans le système pour une excitation par impulsion unique. Cas de réflexion en phase

Si les résistances données par l'équation 1 ne sont pas identiques, des réflexions se produisent dans le système. Un exemple de réflexion de signal est présenté dans la figure 4, où la résistance de dérivation du récepteur a été augmentée de 50Ω à 10kΩ (voir figure 2, résistance R4) et la résistance de l'émetteur (R5) a été réduite à 1Ω. Dans ce cas, l'impulsion envoyée par l'émetteur n'a pas été absorbée par R4 du côté du récepteur. Le signal a été réfléchi et est retourné à l'entrée de l'émetteur après environ 1,6ns. Connaissant le temps de propagation et la vitesse, on peut calculer la distance de l'émetteur de signal jusqu'au lieu où le désaccord d'impédance s'est produit, en gardant à l'esprit que l'impulsion parcourt cette distance deux fois. Altium Designer fournit la valeur du temps de propagation pour un net donné - voir figure 5. Le temps de propagation pour ce net particulier a été calculé par Altium Designer et il est égal à 807ps. Pour un aller-retour, cela fait environ 1,6ns.

Figure 4 : Cas de réflexion d'une seule impulsion

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Figure 5 : Délai de propagation de la ligne de transmission, calculé par Altium Designer

Réflexions dans le système pour une excitation d'une seule impulsion. Cas de réflexion en opposition de phase

Dans ce cas, les résistances du réseau d'adaptation ont été définies comme suit : Ro=R5=50Ω. De plus, Ri=R4 a été réglé à 100mΩ (peut être considéré comme un court-circuit par rapport à 50Ω). Si la ligne de transmission à l'autre extrémité est terminée par une résistance inférieure à celle de la source et de la ligne de transmission, alors le signal est réfléchi à 180 degrés hors phase. Cette réflexion résulte en une tension négative dans la ligne de transmission - voir figure 6. Cette tension négative peut conduire à la conduction des diodes de protection des broches du circuit intégré ou même endommager la puce.

Figure 6 : Réflexions négatives et positives dans la ligne de transmission

Réflexions causées par un profil d'impédance non uniforme de la ligne de transmission, excitation par impulsion unique

Dans ce cas, l'émetteur et le récepteur sont appariés (Ro=Ri=50Ω=R4=R5), tandis que la ligne de transmission est conçue pour avoir une impédance caractéristique non uniforme le long de sa longueur - voir figure 7. Cela entraîne des réflexions causées par l'impédance non uniforme le long de la ligne. Le résultat de la simulation pour ce cas, réalisé dans l'outil SI d'Altium Designer, est montré dans la figure 8. Dans ce cas, une série de réflexions de signal se produit le long de la ligne. Cela montre que l'impédance du chemin de transmission devrait être conçue pour être uniforme le long de sa longueur. Une telle conception améliore l'intégrité du signal du système.

Le changement indésirable de l'impédance caractéristique le long de la ligne de transmission peut avoir différentes origines, par exemple : cela peut être lié à un changement de sa largeur (comme montré dans la figure 7). De plus, d'autres facteurs jouent un rôle significatif dans la création d'une impédance non uniforme, par exemple la perte du plan de référence, un ensemble de vias le long de la ligne, des champs de cuivre situés à proximité de la ligne de transmission et plus encore.

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Figure 7 : Impédance non uniforme le long de la ligne de transmission

Figure 8 : Effets de la ligne de transmission non uniforme

Réflexions dans la ligne de transmission non appariée avec excitation par onde carrée

La figure 9 présente le cas d'un désaccord de signal entre le récepteur, l'émetteur et la ligne de transmission (y compris sa discontinuité). Dans ce cas, l'émetteur alimente la ligne avec un signal carré de 1 GHz pour imiter la communication numérique dans le système. Ce signal devient complètement déformé par une série de réflexions dans un tel système désaccordé. La tension de la ligne de transmission oscille autour de 1,5 V, dépassant également l'état initial (1,85 V) de presque 400 mV. Dans ce cas, la communication dans le système sera interrompue. Il y a aussi des composants de haute fréquence dans la ligne dépassant 1 GHz qui peuvent être une source d'interférence et de problèmes avec l'EMI. L'émetteur excite constamment la ligne, fournissant de l'énergie pour maintenir l'onde stationnaire dite dans la ligne de transmission, déformant complètement le signal original.

Figure 9 : Système non adapté avec excitation continue dans la ligne de transmission

Conclusions

Les réflexions de signal sont le résultat d'un désaccord d'impédance dans la chaîne de signal, qui inclut l'émetteur, le récepteur et les résistances ou impédances de la ligne de transmission. Les réflexions sont également liées à une conception incorrecte de la ligne de transmission utilisée pour les signaux numériques (à haute vitesse) ou analogiques, tels que l'onde porteuse d'un système radio. L'apparition de réflexions détériore l'intégrité des signaux et peut conduire à un taux d'erreur accru dans le système ainsi qu'à des émissions électromagnétiques accrues.

Les résultats de simulation présentés dans l'article ont été réalisés dans l'outil d'intégrité de signal d'Altium Designer. Altium Designer aide les concepteurs de systèmes à haute vitesse à mettre en œuvre le schéma et la conception de PCB corrects en fournissant des outils pour simuler des circuits et des phénomènes à haute fréquence, tels que les réflexions de signal discutées dans l'article.