Qu’est-ce que l’impédance des structures d’ajustement de longueur ?

Récemment, j’ai reçu une excellente question d’un spectateur YouTube qui s’interrogeait sur le routage des paires différentielles et les structures d’ajustement de la longueur. Sa question (reformulée) est la suivante :

Les structures d’ajustement de la longueur créent-elles une discontinuité d’impédance ?

La réponse est un « oui » sans équivoque, mais dans certains cas cela n’aura pas d’importance pour votre conception. L’impédance asymétrique d’une piste dans une paire différentielle dépendra de la distance par rapport à l’autre piste, et l’utilisation d’une structure d’ajustement de la longueur équivaut à modifier la distance entre les pistes pendant les serpentins. Par conséquent, il y aura un changement dans l’impédance en mode impair d’une seule piste.

La question est alors la suivante : est-ce que cet écart d’impédance de piste dans une structure d’ajustement de la longueur est important ? Cela affectera-t-il le comportement de la propagation et l’intégrité du signal ? Certainement et, en tant que concepteur de PCB à grande vitesse, c’est à vous de déterminer dans quelle mesure vous devez compter sur l’ajustement de la longueur pour compenser le décalage/la gigue dans vos paires différentielles.

Les structures d’ajustement de la longueur peuvent créer des discontinuités d’impédance

Comme nous l’avons expliqué ci-dessus, le recours à des structures d’ajustement de la longueur sur un côté d’une paire différentielle créera des discontinuités d’impédance. Celles-ci surviennent en raison des facteurs suivants :

1. L’impédance asymétrique (mode impair) et l’impédance différentielle dépendent de la largeur de piste ET de l’espacement de pistes choisis
2. L’application d’une structure d’ajustement de la longueur crée une variation de l’espacement des pistes entre les pistes de la paire, ce qui entraîne un changement d’impédance sur l’une des pistes
3. Cette variation d’impédance provoque des réflexions du côté entrée de la paire différentielle
4. La vitesse du signal à une extrémité de la paire sera différente dans la structure d’ajustement de la longueur par rapport à la zone où les pistes sont parallèles.

En raison du point 2 ci-dessus, il y aura une certaine réflexion lorsqu’un signal entrera dans la section d’ajustement de la longueur. La section d’ajustement de la longueur peut également créer une conversion de mode qui n’est pas prise en compte dans le processus d’ajustement du délai.

L’image ci-dessous résume le comportement du signal observé dans une paire différentielle en raison de la présence d’une structure de correspondance de longueur. Elle montre une situation où nous acheminons deux paires différentielles différentes sur un stratifié d’une constante Dk de 4,1 et d’une épaisseur de substrat de 3,8 mil. La largeur, l’espacement et les impédances des pistes sont indiqués le long des deux tracés.

Avant la section d’ajustement de la longueur, l’impédance en mode impair des pistes dans chaque paire est de 50 Ohms, de sorte que l’impédance différentielle de chaque paire est de 100 Ohms. Dans la section d’ajustement de la longueur, nous avons quelque chose de différent. Dans la paire ayant l’espacement le plus important (10 mil), la section d’ajustement de la longueur de 21 mil a de petits ensembles de pistes présentant une impédance en mode impair de 53 Ohms. Dans la paire ayant l’espacement le plus petit (5 mil), les petites pistes de la section d’ajustement de la longueur de 21 mil ont une impédance en mode impair de 58,5 Ohms.

C’est une grande différence ! La diminution de l’espacement des paires de seulement 5 mil fait passer l’écart d’impédance de 6 % à 17 %.

Le résultat est simple : pour une section d’ajustement de la longueur d’une amplitude donnée (21 mil dans ce cas), l’écart d’impédance dû à l’ajustement de la longueur est plus petit lorsque les paires sont plus éloignées. C’est une autre raison de ne pas trop rapprocher les paires différentielles ; un peu d’espacement est en fait bénéfique pour l’intégrité du signal !

Les écarts d’impédance d’entrée créent des réflexions

À l’intérieur de la section d’ajustement de la longueur, nous voyons qu’il y a un certain écart d’impédance, il pourrait donc y avoir une différence d’impédance d’entrée. Comme c’est le cas pour toute autre discontinuité d’impédance le long d’une ligne de transmission, la discontinuité peut ne pas avoir d’importance aux basses fréquences, mais elle en aura beaucoup aux hautes fréquences.

Comment résoudre ce problème ? Il existe trois possibilités :

1. Utiliser un espacement plus large entre les pistes de la paire pour minimiser l’écart
2. Essayer d’utiliser un routage ne nécessitant que de courtes sections d’ajustement de la longueur
3. Augmenter la largeur de la piste uniquement dans la zone de couplage espacé

La première option est de loin la plus simple. La deuxième option nécessite simplement de tenir compte d’une gigue légèrement plus importante au niveau du récepteur, ce qui peut ne pas être possible sans modifier le routage. La troisième option n’est pas facile à automatiser, mais c’est la plus efficace pour faire correspondre l’impédance d’entrée de la section d’ajustement de la longueur avec l’impédance de la section parallèle.

Les écarts de délai de propagation créent une conversion de mode

Dans l’image ci-dessus, j’ai montré l’impédance mais je n’ai pas montré la variation du délai de propagation dans chaque section. Comme l’impédance est différente, le délai de propagation sera également différent. L’image ci-dessous récapitule le délai de propagation de chacune des zones des deux sections d’ajustement de la longueur indiquées ci-dessus.

Ici, nous voyons que la paire avec un espacement plus large est également supérieure en termes d’écart dans le délai de propagation. La paire espacée de 10 mil présente une augmentation de 2,4 % du délai de propagation, tandis que la paire espacée de 5 mil présente une augmentation de 4,4 % du délai de propagation. Encore une fois, c’est une grande différence et cela illustre la supériorité d’un espacement légèrement plus large entre les deux côtés de la paire différentielle.

Alors, qu’importe si le délai de propagation est différent de quelques ps par centimètre dans les sections d’ajustement de la longueur ? Le problème se situe dans la section verticale, dont le délai de propagation ne correspondra à aucune des valeurs indiquées ci-dessus. Une fois l’ajustement de la longueur appliqué, le résultat est une conversion de mode, ou une conversion du bruit en mode commun en bruit en mode différentiel. Jetez un coup d’œil à l’exemple de paire très espacée ci-dessous.

Ce phénomène s’explique par le fait que les outils d’ajustement de la longueur n’utilisent pas le délai de propagation modifié pour ajuster la longueur en fonction du temps. Au lieu de cela, ils utilisent une valeur de délai de propagation qui suppose que les deux pistes sont routées en parallèle. Dans l’exemple ci-dessus pour la paire espacée de 10 mil, l’outil de routage utilise 145,34 ps/po pour appliquer la valeur d’ajustement de la longueur, mais le délai de propagation réel se situe entre 145,34 ps/po et 148,89 ps/po.

En d’autres termes, l’outil d’ajustement de la longueur suppose que le signal se déplace plus rapidement le long de la section d’ajustement de la longueur qu’il ne le fait en réalité. Il en résulte une certaine différence résiduelle dans la réponse de phase de chaque piste de la paire. La différence de phase est également plus importante si vous avez une différence de synchronisation plus importante à compenser. La phase résiduelle persiste même si les sections d’ajustement de la longueur sont exactement de la même longueur, vous devez donc utiliser une section d’ajustement de la longueur plus longue pour éliminer la différence de phase résiduelle, et la paire plus rapprochée nécessitera encore plus d’ajustement de longueur pour compenser la phase ! Cela conduit à un cercle vicieux dans lequel la réflexion devient encore plus importante.

Nous pouvons le voir lorsque nous calculons la réponse de phase de chaque paire (phase de S21 et S43, ou phase de la fonction de transfert) à partir de la fonction de transfert de cette paire différentielle. Le graphique ci-dessous compare la phase de la fonction de transfert pour la paire espacée de 10 mil avec ajustement de longueur inclus comme indiqué ci-dessus.

Pourquoi s’en inquiéter ? Le problème n’est pas nécessairement le décalage résiduel ; mettre deux pistes d’une paire différentielle à, exactement, la même longueur alignera suffisamment les oscillations du signal de chaque côté de la paire, ce qui minimisera la gigue totale. Le problème avec la réponse de phase est que la capacité totale de réduction en mode commun du récepteur peut être réduite en fonction de la bande passante du récepteur telle que définie par la fréquence de Nyquist.

Si la différence dans la réponse de phase est extrême et descend en dessous de la fréquence de Nyquist, le récepteur ne sera pas en mesure de supprimer complètement le bruit en mode commun. Attendez-vous à une réduction d’environ 10 dB en dessous de la fréquence de Nyquist sur les sections d’ajustement de la longueur les plus longues.

Résumé et règles générales

En raison de la complexité du calcul de l’écart d’impédance et du décalage à haute fréquence dans une structure d’ajustement de la longueur, il est difficile d’en tenir compte en procédant à un calcul inductif utilisant la formule standard d’impédance d’entrée. 

Tout ce que j’ai montré ci-dessus illustre qu’un couplage rapproché entre des paires différentielles est en quelque sorte une épée à double tranchant. À partir de ce que nous avons vu ci-dessus, nous pouvons identifier deux règles générales appropriées pour travailler avec des structures d’ajustement de la longueur :

1. Si vous devez recourir à un ajustement de la longueur, optez pour un espacement légèrement plus grand entre les paires, car cela réduira les écarts d’impédance et de délai de propagation.
2. Lorsque vous recourez à un ajustement de la longueur, essayez de le faire sur une courte section pour minimiser les réflexions et la conversion de mode.

Le point 2 est équivalent à la recommandation « placer des trajets directs entre les composants ». Il est assez difficile d’arriver à une bonne règle générale, car cette règle doit mettre en relation 3 variables (temps de montée, espacement et distance d’ajustement de la longueur), mais c’est quelque chose qui m’intéresse et que je traiterai plus en détail prochainement.

Si vous avez déjà déterminé que vous avez besoin d’une double terminaison (couplage CC ou CA) et que les blocs fonctionnels du circuit sont suffisamment bien agencés pour permettre un routage allant directement au récepteur, alors vous pouvez utiliser un couplage plus serré, mais assurez-vous simplement que la valeur d’impédance en mode impair de vos pistes atteindra la valeur de terminaison requise à l’entrée du récepteur. Et bien sûr, assurez-vous de tester la conception de votre canal, idéalement avec une carte de test et un empilage similaire !

Lorsque vous êtes prêt à router vos paires différentielles et à appliquer rapidement des structures d’ajustement de la longueur, utilisez l’excellent ensemble de fonctionnalités d’agencement et de routage que vous trouverez dans Altium Designer®. Vous pouvez également obtenir des calculs d’impédance très précis avec le solveur de champs intégré dans l'utilitaire Layer Stack Manager lorsque vous créez votre empilement de PCB. Lorsque vous êtes prêt à partager vos conceptions avec des collaborateurs ou votre fabricant, vous pouvez partager vos conceptions terminées via la plate-forme Altium 365™ . Tout ce dont vous avez besoin pour concevoir et produire des composants électroniques avancés se trouve dans une seule et même suite logicielle.

Tout cela n'est qu'un aperçu des possibilités offertes par Altium Designer sur Altium 365. Commencez sans plus attendre votre essai gratuit d'Altium Designer + Altium 365.