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Simulation de l'intégrité du signal PCB

Simulation de l'intégrité du signal PCB

L'intégrité du signal devient un élément de plus en plus important de la conception des circuits et PCB. À mesure que les fréquences utilisées dans les circuits numériques augmentent, même des connexions comparativement courtes agissent comme des lignes de transmission, et elles ont un effet sur l'intégrité des signaux transportés. Les signaux qui pourraient autrement être considérés comme purement numériques sont modifiés par des effets qui peuvent être considérés comme s'appliquant au domaine analogique. Ces effets peuvent empêcher les circuits de fonctionner et, par conséquent, l'intégrité du signal est désormais un problème majeur pour toute conception de circuit.

Compte tenu de l'importance de l'intégrité du signal dans toutes les conceptions de processeurs haute vitesse d'aujourd'hui, il est nécessaire d'incorporer des simulations de conception et des vérifications pendant le processus de conception et de mise en page des PCB. Les circuits imprimés doivent effectivement subir une ingénierie d'intégrité du signal. Si cela n'est pas effectué lors de la conception, il n'y a pas grand-chose à faire une fois qu'une planche terminée a été construite. Compte tenu de cela, les meilleurs logiciels de conception de circuits imprimés intègrent des options pour inclure l'ingénierie de l'intégrité du signal et des logiciels de contrôle, ce qui permettra d'effectuer des vérifications au fur et à mesure de la conception. De cette manière, la disposition du PCB peut être optimisée pour garantir que l'intégrité du signal est correctement conçue et les problèmes survenant une fois que le PCB fini est disponible pour son test seront minimisés.

Problèmes d'intégrité du signal

Il y a quatre domaines principaux de la conception et de la disposition des circuits qui doivent être pris en considération pour garantir que l'intégrité du signal d'une carte ou d'une conception de circuit est maintenue:

  • Effets de ligne de transmission
  • Adaptation d'impédance
  • Effets de commutation simultanés
  • Diaphonie

Pour garantir que l'intégrité du signal est maintenue, tous les problèmes doivent être résolus pour s'assurer que le signal n'est en aucune façon déformé et que les données sont corrompues. De cette manière, le système est capable de fonctionner de manière satisfaisante sans erreur et à la vitesse requise.

Effets de ligne de transmission

Aux basses fréquences, une longueur de piste peut être considérée uniquement par ses caractéristiques CC. Cependant, à mesure que les fréquences augmentent, les effets, y compris la capacité et l'inductance associés à la piste, commencent à avoir un impact significatif sur les performances de la ligne. En conséquence, il est nécessaire de considérer les pistes comme des lignes de transmission et de les traiter en conséquence, en examinant des aspects tels que l'impédance de la ligne.

En conséquence, il est nécessaire de s'assurer que la ligne conserve la même impédance caractéristique sur toute la longueur de la ligne, sinon des discontinuités seront introduites. Cela peut entraîner la création de réflexions de signal susceptibles de provoquer une sonnerie et une mauvaise intégrité du signal.

Afin de garantir que les lignes de transmission sont traitées correctement. Il faut d'abord que les lignes aient un plan de sol en dessous. Il est également nécessaire de calculer l'impédance de la ligne. Ceci est déterminé à partir d'une combinaison de l'épaisseur de ligne, de la distance entre la ligne et le plan de masse et de la constante diélectrique de la carte. Si cela arrive aussi souvent, la ligne doit traverser entre les couches et donc la distance entre la ligne et le plan du sol change. Il sera nécessaire de s'assurer que l'impédance de ligne reste la même, éventuellement en modifiant l'épaisseur de ligne.

Adaptation d'impédance

Étant donné que les lignes sur PCB agissent davantage comme des lignes de transmission à mesure que les fréquences augmentent, il est également nécessaire de considérer la manière dont les impédances doivent être adaptées pour assurer une bonne intégrité du signal. Lorsqu'il y a un décalage entre la ligne et la charge, toute l'énergie de la forme d'onde n'est pas absorbée par la charge. Ce qui n'est pas absorbé est réfléchi le long de la ligne où il peut à nouveau ne pas être absorbé s'il y a un décalage entre l'émetteur et la ligne. Cela peut provoquer un dépassement et une sonnerie qui conduisent à une mauvaise intégrité du signal et entraînent des erreurs de signal. Pour surmonter ce problème, il est nécessaire de faire correspondre la ligne de transmission aux pilotes de ligne ou aux émetteurs et aux récepteurs de ligne. De nombreux pilotes et récepteurs ont des impédances d'entrée et de sortie appropriées. Lorsque cela n'est pas possible, par exemple entre la ligne de transmission et le récepteur, il est possible de mettre une résistance à la masse. De cette manière, la combinaison parallèle du récepteur de ligne et de la résistance peut égaler l'impédance de ligne.

Compte tenu des vitesses élevées impliquées et de la longueur de certaines lignes, la capacité d'entraînement des pilotes doit être supérieure à certaines puces "logiques uniquement" et des pilotes de ligne spéciaux doivent être utilisés. Ils pourront fournir le courant nécessaire au bon fonctionnement des lignes.

Dans certaines applications, il peut être possible d'ajouter des diodes de serrage pour réduire le niveau de dépassement et de sous-dépassement, et de cette manière maintenir les niveaux d'intégrité du signal. Cependant, dans la mesure du possible, il est préférable de s'assurer que la bonne correspondance est obtenue.

Effets de commutation simultanés

Un effet qui peut perturber l'intégrité du signal sur une carte de circuit imprimé se produit lorsque plusieurs lignes de sortie sont commutées simultanément. Comme la charge stockée sur les sorties doit être déchargée, cela donne lieu à des niveaux élevés de courants transitoires. Alors que les niveaux de transitoires sont normalement adéquats pour le changement de sorties uniques, si plusieurs lignes sont commutées simultanément, en particulier sur la même puce, les courants transitoires sont plus importants, ce qui peut poser des problèmes. Des problèmes d'intégrité du signal surviennent en raison d'une tension entre la masse de l'appareil et la masse de la carte. Si la masse de la puce s'élève suffisamment, cela peut entraîner le dépassement des niveaux de commutation de signal, provoquant ainsi l'apparition d'une commutation parasite.

Pour surmonter ce problème, un certain nombre de mesures peuvent être intégrées. La première consiste à garantir que la commutation simultanée ne se produit pas, mais cela n'est pas toujours possible, en particulier lorsque les circuits fonctionnent de manière synchrone. Une bonne mise à la terre est essentielle: un plan de masse doit être utilisé pour assurer un retour de masse à faible résistance. De plus, un découplage suffisant directement à travers la puce peut contribuer à certains des effets associés.

Diaphonie

Cet aspect de l'intégrité du signal provient du fait que les signaux apparaissant sur une ligne apparaissent sur des lignes proches. Cela peut entraîner l'apparition de pics parasites et d'autres signaux sur les lignes à proximité. Cela peut provoquer l'apparition de données erronées ou des impulsions d'horloge, et celles-ci peuvent être très difficiles à retrouver dans certaines circonstances. Une mauvaise intégrité du signal due à la diaphonie provient de deux causes, à savoir l'inductance mutuelle et la capacité mutuelle.

L'inductance mutuelle est l'effet utilisé dans les transformateurs. Cela vient du fait qu'un courant dans une piste crée un champ magnétique. Les changements dans ce champ induisent alors un courant dans une piste voisine.

La capacité mutuelle se produit à la suite du couplage des champs électriques entre deux pistes. Une tension apparaissant sur une piste crée un champ électrique qui peut se coupler à une deuxième ligne. Les variations de tension, en particulier les bords rapides, peuvent entraîner l'apparition de bords similaires sur les lignes proches.

Il existe plusieurs techniques qui peuvent être utilisées pour surmonter ces effets. Comme une mauvaise intégrité du signal de la diaphonie résulte d'une inductance et d'une capacité mutuelles, les solutions impliquent de prendre des mesures pour les réduire. Ceci peut être réalisé de plusieurs manières en organisant la mise en page en conséquence. Le routage doit éviter les lignes parallèles les unes aux autres. Si les lignes doivent se croiser, cela doit être réalisé à angle droit et en utilisant des couches aussi éloignées que possible. L'espacement des lignes doit être aussi large que possible et, pour réduire la capacité mutuelle, les lignes doivent être aussi fines que possible. Enfin, lorsque des lignes de transmission sont utilisées, elles doivent être aussi proches que possible du plan du sol. Cela réduira le couplage avec d'autres lignes proches.

D'autres idées

Il existe un certain nombre d'autres idées qui peuvent être mises en œuvre pour aider à maintenir de bons niveaux d'intégrité du signal. Un domaine auquel une attention particulière devrait être accordée est le circuit d'horloge. Comme il génère une impulsion d'horloge régulière, cela peut créer un bruit de fond si les mesures d'intégrité du signal ne sont pas incorporées. En conséquence, il est nécessaire de s'assurer que des mesures pour réduire la diaphonie sur les lignes d'horloge sont mises en œuvre. En particulier, les lignes de signaux doivent être tenues à l'écart des lignes d'horloge et ne doivent pas être acheminées les unes sous les autres. Si cela est nécessaire, le sol ou le plan de terre doit être entre eux. Pour garantir l'intégrité du signal, il est également nécessaire de s'assurer que les lignes sont bien adaptées afin d'éviter la sonnerie. Cela peut ajouter des pointes supplémentaires qui peuvent être transmises autour du circuit.

Une autre méthode pour améliorer l'intégrité du signal consiste à s'assurer que toutes les puces sont correctement découplées. Un mauvais découplage ajoutera au bruit présent sur les circuits et cela peut avoir un impact sur l'intégrité du signal. Chaque puce doit être découplée conformément aux directives du fabricant. Les condensateurs de découplage doivent également être placés aussi près que possible des puces.

L'ingénierie de l'intégrité du signal fait désormais partie intégrante et essentielle du processus de conception des cartes de circuits imprimés. Avec les vitesses élevées utilisées dans de nombreux circuits actuels, il n'est plus possible de concevoir le circuit de base indépendamment du PCB. Au lieu de cela, la conception du circuit imprimé doit faire partie de la conception électrique globale. Lorsque cette approche est adoptée, la possibilité de problèmes découlant d'une mauvaise intégrité du signal sera minimisée.


Voir la vidéo: How to Properly Terminate a Clock Signal by Identifying Common Signal Integrity Issues (Novembre 2021).