L'adaptation d'impédance d'une ligne de transmission

Connaissez-vous la longueur critique de la ligne de transmission pour ces pistes ?

Que vous utilisiez des signaux numériques ou analogiques, vous devrez très probablement faire correspondre les impédances entre une source, une ligne de transmission et une charge.

L'adaptation d'impédance est importante dans une ligne de transmission pour s'assurer qu'un signal de 5V envoyé sur la ligne est perçu comme un signal de 5V au niveau du récepteur. 

En comprenant l'importance de l'adaptation de la ligne de transmission, vous comprendrez quand la mettre en place au niveau du conducteur ou du récepteur de la ligne.

Quand on parle d’adaptation d'impédance, on fait référence au réglage des impédances du conducteur, de la ligne de transmission et du récepteur à la même valeur. 

Cette valeur est généralement de 50 ohms pour les lignes de transmission simples, bien que les normes de signalisation différentielle puissent spécifier des valeurs différentes pour l'adaptation d'impédance. 

Voici pourquoi l'adaptation d'impédance est importante dans une ligne de transmission et comment mettre en œuvre une impédance cohérente dans les interconnexions de circuits imprimés.

Adaptation d’impédance d’une interconnexion : 3 cas de figure

L'objectif de l'adaptation d'impédance dans une ligne de transmission est d'établir une impédance cohérente dans toute une interconnexion.

Lorsque les impédances du conducteur, du récepteur et de la ligne de transmission sont les mêmes, il y a plusieurs points à considérer, que nous allons aborder ci-dessous.

En se penchant sur les raisons de l'importance de l'adaptation d'impédance dans une ligne de transmission, les cas suivants doivent être abordés.

1. Le conducteur, la ligne et le récepteur sont adaptés à la même impédance

On peut considérer qu'il s'agit d'un cas d'adaptation d'impédance parfaite.

Dans ce cas, il n'y a pas de réflexion le long de la ligne (à l'entrée ou à la sortie) et la puissance maximale est transférée en aval vers le récepteur.

La tension du signal ne diminue qu'en raison des pertes par diffusion, de l'absorption, et des pertes par effet de peau et par courant continu.

2. Le conducteur et le récepteur respectent l'adaptation d'impédance, mais pas la ligne de transmission

Dans ce cas, il y aura une certaine réflexion dès que le signal sera lancé dans la ligne de transmission. En d'autres termes, lorsque la ligne n'est pas adaptée au conducteur, une partie du signal d'origine y est renvoyée.

Cela empêche effectivement une partie de l'énergie d'être transmise dans la ligne de transmission. De même, il y aura une réflexion du côté du récepteur et le signal sera renvoyé au conducteur.

L'impédance d'entrée déterminera si la puissance maximale est transférée du conducteur au récepteur. Pour une ligne de transmission courte, l'impédance de la ligne de transmission ressemblera à l'impédance de la charge lorsque la ligne de transmission est très courte. 

On peut déterminer l'impédance d'entrée exacte (définie comme l'impédance de la ligne de transmission après la première réflexion du signal) avec les équations suivantes :

Adaptation d’impédance : impédance d'entrée pour les lignes de transmission avec et sans perte

3. Le conducteur, le récepteur et la ligne ne respectent pas l'adaptation d'impédance

Dans ce cas, peu importe la longueur de la ligne de transmission : il y aura des réflexions continues au fur et à mesure que le signal se déplace le long de la ligne, produisant une augmentation indésirable en escalier de la tension vue par le récepteur.

La puissance maximale ne sera pas transférée du conducteur au récepteur, même si la ligne est très courte, car le conducteur et le récepteur ne sont pas adaptés.

L’adaptation d’impédance dans une ligne de transmission est primordiale pour éviter les réflexions

Lorsque le conducteur et la ligne de transmission sont adaptés, vous supprimez une réflexion à l'entrée de la ligne de transmission. 

En revanche, si la ligne n'est pas adaptée au récepteur, il y aura toujours une réflexion au niveau du récepteur. 

Par ailleurs, si la ligne n'est pas adaptée au conducteur et au récepteur, vous perdez effectivement une partie du signal à cause de la réflexion. 

En réglant l'impédance de la ligne, du conducteur et du récepteur à la même puissance, vous vous assurez de transférer la puissance maximale au récepteur. 

Notez que certaines normes de signalisation ne reposent pas sur le transfert de puissance maximale, mais sur une impédance d'entrée élevée pour détecter un signal à l'entrée (par exemple, LVDS).

L'adaptation d'impédance à une interface entre deux parties d'une interconnexion permet d'éviter les réflexions sur cette interface. 

Chaque fois qu'il y a une réflexion à une discontinuité d'impédance (c'est-à-dire à l'interface conducteur-ligne ou à l'interface conducteur-source), il y a un changement brusque du niveau du signal, qui produit une réponse transitoire dans l'interconnexion. 

La réflexion qui en résulte se présente sous la forme d'une oscillation (dépassement ou sous-dépassement) qui se superpose au niveau de signal souhaité ainsi qu'à une éventuelle réponse en escalier (dans les signaux numériques). 

Les réflexions créent un autre problème en fonction du type de signal utilisé (numérique ou analogique).

Réflexions avec des signaux numériques à cause de l'impédance d'une ligne de transmission mal adaptée

Des réflexions répétées en va-et-vient sur une ligne de transmission mal adaptée peuvent produire une réponse en escalier dans la tension vue au niveau du récepteur et de la source. 

Cette réponse en escalier peut apparaître sous la forme d'une augmentation progressive du niveau du signal (voir l'exemple ci-dessous) ou d'une réponse en escalier de haut en bas, qui interfèrent toutes deux avec les signaux entrants ultérieurs. 

Il en résulte que la tension observée au niveau du récepteur peut varier au fil du temps, comme le montre l'exemple ci-dessous. 

Notez que la réponse transitoire typique en plus de la variation de tension produite à chaque réflexion a été omise par souci de clarté.

Exemple de réponse en escalier pour un signal numérique à grande vitesse sur une ligne de transmission mal adaptée

Mauvaise adaptation d'impédance et réflexions avec des signaux analogiques

Les signaux numériques peuvent se réfléchir de manière répétée sur une ligne de transmission lorsque le récepteur est mal adapté à la ligne. C’est exactement la même chose pour les signaux analogiques.

Certaines fréquences forment des résonances d'ondes stationnaires sur une ligne lorsqu'elle est alimentée par un signal analogique. 

Ces fréquences sont un multiple entier d'une fréquence fondamentale la plus basse. 

Cela provoque un fort rayonnement d'une ligne de transmission à certaines fréquences. 

Notons que dans le cas de lignes de transmission très courtes, le phénomène se produit toujours lorsque le conducteur et le récepteur sont mal assortis : les fréquences en question sont juste beaucoup plus importantes pour s'adapter à la longueur d'onde plus courte sur la ligne de transmission.

Les ondes stationnaires sur une ligne de transmission signifient que vos pistes agissent comme ces antennes

Que faut-il retenir sur l’adaptation d’impédance ?

Même si la ligne est courte, il faut quand même adapter l'impédance du conducteur et du récepteur pour éviter les réflexions répétées et les oscillateurs sur une ligne de transmission.

Une longueur “courte” est difficile à définir précisément car tout dépend de l'écart d'impédance autorisé le long d'une interconnexion.

Comme de plus en plus d'appareils fonctionnent à des niveaux inférieurs et à des vitesses de transmission plus rapides, les décalages autorisés deviennent de plus en plus petits. 

Il est donc nécessaire de prévoir l’adaptation d’impédance durant le routage, qui doit être plus précis pendant la phase de conception.

On a implicitement décrit ici la signalisation unilatérale, mais la même discussion s'applique à la signalisation différentielle : il suffit de remplacer le terme "impédance caractéristique" par "impédance différentielle". Les mêmes concepts s'appliquent, même si les mathématiques sont un peu différentes. 

On continuera à se pencher sur ces questions dans les prochains articles afin d'aider les concepteurs à prendre rapidement les bonnes décisions avec des architectures d'interconnexion, des normes de signalisation et des schémas de modulation plus avancés.

Les puissants outils de conception et de routage d'Altium Designer^® sont intégrés à un solveur de champ précis, qui détermine rapidement l'impédance de vos pistes au fur et à mesure que vous construisez votre carte. 

Cela vous permet de maintenir une adaptation d'impédance ultra précise lorsque vous acheminez vos interconnexions sur votre circuit imprimé. 

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