Face à la complexité et à l'intégration croissantes des systèmes, les concepteurs de systèmes électroniques travaillent désormais sur des circuits fonctionnant à plus de 100 MHz. Les fréquences de fonctionnement des bus atteignent ou dépassent 50 MHz, certaines atteignant même plus de 100 MHz. Actuellement, environ 501 TP4T de conceptions présentent des fréquences d'horloge supérieures à 50 MHz, et près de 201 TP4T ont des fréquences principales supérieures à 120 MHz.
Lorsque les systèmes fonctionnent à 50 MHz, des effets de ligne de transmission et des problèmes d'intégrité du signal apparaissent. À 120 MHz, les circuits imprimés conçus selon les méthodes traditionnelles ne pourront pas fonctionner correctement sans l'intervention d'experts en conception de circuits haute vitesse.
Par conséquent, les techniques de conception de circuits à haute vitesse sont devenues des outils essentiels pour les concepteurs de systèmes électroniques. Seule l'application de méthodologies de conception à haute vitesse permet de contrôler efficacement le processus de conception.
Qu'est-ce qu'un circuit imprimé haute vitesse?
Il est généralement admis que les circuits logiques numériques fonctionnant à des fréquences de 45 MHz à 50 MHz ou plus, lorsque les circuits fonctionnant à ces fréquences constituent une partie importante (par exemple, un tiers) de l'ensemble du système électronique, sont classés comme des circuits à haute vitesse.
En réalité, les fréquences harmoniques des fronts de signal dépassent la fréquence fondamentale du signal. Les transitions rapides lors des fronts montants et descendants (ou transitions de signal) entraînent des conséquences indésirables sur la propagation du signal. Par conséquent, il est généralement admis que si le temps de propagation sur la ligne excède la moitié du temps de montée du front d'attaque du signal numérique, ces signaux sont considérés comme à haute vitesse et présentent des effets de ligne de transmission.
La transmission du signal est instantanée lors des transitions d'état, comme les temps de montée et de descente. Le signal se propage de l'émetteur au récepteur pendant une durée fixe. Si le temps de propagation est inférieur à la moitié du temps de montée ou de descente, le signal réfléchi par le récepteur parviendra à l'émetteur avant le changement d'état. En revanche, s'il arrive après le changement d'état, et si ce signal réfléchi est suffisamment fort, la forme d'onde superposée peut modifier l'état logique.
Détermination des signaux à haut débit
Nous avons défini précédemment les conditions préalables aux effets de ligne de transmission. Mais comment déterminer si le délai de propagation de la ligne dépasse la moitié du temps de montée du signal à l'extrémité du pilote ? Généralement, le temps de montée est spécifié dans les manuels des composants, tandis que le délai de propagation dans la conception du circuit imprimé dépend de la longueur réelle du routage. La figure ci-dessous illustre la relation entre le temps de montée du signal et la longueur de routage admissible (délai).
Le délai par pouce sur un circuit imprimé est de 0,167 ns. Cependant, ce délai augmente avec le nombre de vias, de broches et de contraintes de réseau. Les circuits logiques rapides ont généralement un temps de montée d'environ 0,2 ns. Si la carte contient des puces GaAs, la longueur maximale de routage est de 7,62 mm.
Soit Tr le temps de montée du signal et Tpd son délai de propagation. Si Tr ≥ 4Tpd, le signal est considéré comme sûr. Si 2Tpd ≥ Tr ≥ 4Tpd, le signal est considéré comme incertain. Si Tr ≤ 2Tpd, le signal est considéré comme problématique. Pour les signaux situés dans les zones incertaine ou problématique, des techniques de routage à haut débit doivent être utilisées.
Qu'est-ce qu'une ligne de transmission ?
Les pistes d'une carte de circuit imprimé peuvent être modélisées de manière équivalente par les structures de capacité, de résistance et d'inductance en série et en parallèle illustrées dans le schéma ci-dessous. La valeur typique de la résistance en série est de 0,25 à 0,55 ohms/pied.
En raison de la couche isolante, la résistance parallèle est généralement très élevée. Après ajout des résistances, capacités et inductances parasites à la piste du circuit imprimé, l'impédance résultante le long de la piste est appelée impédance caractéristique Zo. Zo diminue lorsque la largeur de la piste augmente, que la piste se rapproche du plan de masse ou que la constante diélectrique de la couche isolante augmente.
Si l'impédance de la ligne de transmission et celle du récepteur sont différentes, le courant de sortie et l'état stationnaire final du signal différeront. Ceci provoque des réflexions au niveau du récepteur, où le signal réfléchi retourne à la source et se réfléchit à nouveau. À mesure que l'énergie diminue, l'amplitude du signal réfléchi décroît jusqu'à ce que la tension et le courant du signal se stabilisent. Ce phénomène est appelé oscillation, et les oscillations du signal sont souvent visibles sur les fronts montants et descendants.
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Effets de la ligne de transmission des circuits imprimés à haute vitesse