Pour remédier aux impacts introduits par ce qui précède problèmes de lignes de transmission, Nous abordons ici les méthodes permettant de contrôler ces effets selon les perspectives suivantes.
1. Contrôler strictement la longueur de routage des lignes de réseau critiques
Si la conception implique des transitions rapides, les effets de ligne de transmission sur le circuit imprimé doivent être pris en compte. Ce problème est particulièrement fréquent dans les circuits intégrés modernes cadencés à haute fréquence. Les principes de base pour y remédier sont les suivants : - Pour les circuits CMOS ou TTL fonctionnant à moins de 10 MHz, la longueur de routage ne doit pas dépasser 17,8 cm (7 pouces). - Pour les fréquences jusqu'à 50 MHz, la longueur de routage ne doit pas dépasser 3,8 cm (1,5 pouce). - Pour les fréquences supérieures ou égales à 75 MHz, la longueur de routage doit être limitée à 2,5 cm (1 pouce). - Pour les puces GaAs, la longueur de routage maximale doit être de 0,8 cm (0,3 pouce). Le non-respect de ces normes engendre des effets de ligne de transmission.
2. Planification rationnelle de la topologie des traces
Une autre approche pour atténuer les effets des lignes de transmission consiste à sélectionner des chemins de routage et des topologies de terminaison appropriés. La topologie des pistes fait référence à la séquence et à l'agencement structurel des fils d'un câble réseau. Lors de l'utilisation de dispositifs logiques à haute vitesse, les signaux à transitions rapides sont déformés par les pistes de dérivation sur le tronc principal, à moins que la longueur de ces dérivations ne soit extrêmement courte. Généralement, le routage des circuits imprimés utilise deux topologies fondamentales : le routage en guirlande et la distribution en étoile.
Dans le routage en guirlande, les pistes partent du pilote et atteignent séquentiellement chaque récepteur. Si des résistances en série sont utilisées pour modifier les caractéristiques du signal, elles doivent être placées juste à côté du pilote. Le routage en guirlande offre les meilleures performances en matière de contrôle des interférences harmoniques d'ordre élevé sur les pistes. Cependant, cette méthode de routage présente le taux de réussite le plus faible et atteint rarement le routage 100%. En pratique, on minimise la longueur des stubs dans le routage en guirlande. Une valeur de longueur sûre est : Délai du stub ≤ Trt * 0,1.
Par exemple, la longueur des stubs dans les circuits TTL haute vitesse doit être inférieure à 3,8 cm (1,5 pouce). Cette topologie occupe un espace de routage minimal et peut être terminée par une seule résistance. Cependant, cette structure de routage entraîne une réception asynchrone du signal au niveau des différents récepteurs.
La topologie en étoile permet d'éviter efficacement les problèmes d'asynchronisme du signal d'horloge, mais le routage manuel est complexe sur les circuits imprimés haute densité. L'utilisation d'un routeur automatique est la meilleure solution pour réaliser un routage en étoile. Des résistances de terminaison sont nécessaires sur chaque branche. La valeur de ces résistances doit correspondre à l'impédance caractéristique de la connexion. Celle-ci peut être calculée manuellement ou à l'aide d'un logiciel de CAO.
Bien que les exemples précédents aient utilisé de simples résistances, des méthodes de terminaison plus complexes constituent des options pratiques. La première alternative est la terminaison RC. Celle-ci réduit la consommation d'énergie, mais ne convient qu'aux signaux stables. Cette approche est particulièrement efficace pour l'adaptation d'impédance à l'horloge. Un inconvénient réside dans le fait que la capacité de la terminaison RC peut affecter la forme du signal et sa vitesse de propagation.
La terminaison par résistance en série n'entraîne aucune perte de puissance supplémentaire, mais ralentit la propagation du signal. Cette méthode est utilisée dans les circuits de commande de bus où les délais de temporisation sont négligeables. Un autre avantage de la terminaison par résistance en série est sa capacité à réduire le nombre de composants sur la carte et la densité de câblage.
La dernière méthode consiste en une terminaison discrète, où les composants d'adaptation sont placés près du récepteur. Elle présente l'avantage d'éviter l'abaissement du signal et d'atténuer efficacement le bruit. Elle est généralement utilisée pour les signaux d'entrée TTL (ACT, HCT, FAST).
De plus, le type de boîtier et l'orientation de la résistance de terminaison doivent être pris en compte. En général, les résistances CMS présentent une inductance inférieure à celle des composants traversants, ce qui rend les boîtiers CMS préférables. Si l'on choisit des résistances traversantes standard, deux orientations de montage sont possibles : verticale et horizontale.
Le montage vertical réduit la longueur d'une patte de fixation, diminuant ainsi la résistance thermique entre la résistance et le circuit imprimé et favorisant la dissipation de la chaleur. Cependant, une hauteur de montage plus importante augmente l'inductance des résistances. Le montage horizontal offre une inductance plus faible grâce à son profil plus bas. Néanmoins, les résistances surchauffées peuvent dériver et, dans le pire des cas, devenir des circuits ouverts, entraînant une défaillance de l'appariement des pistes du circuit imprimé et constituant un facteur de panne potentiel.
3. Méthodes de suppression des interférences électromagnétiques
La résolution efficace des problèmes d'intégrité du signal améliore la compatibilité électromagnétique (CEM) des cartes de circuits imprimés (PCB). Un bon alignement des masses est particulièrement crucial. Pour les conceptions complexes, l'utilisation d'une couche de signal associée à une couche de masse s'avère très efficace. De plus, la réduction de la densité de signal sur la couche externe de la carte est une méthode efficace pour diminuer le rayonnement électromagnétique. Ceci peut être réalisé grâce à la technologie d'empilement de surface, également appelée conception par superposition. L'empilement de surface consiste à ajouter de fines couches isolantes et des microvias pour les traverser sur un circuit imprimé standard. Les résistances et les condensateurs peuvent ainsi être intégrés sous la couche de surface, doublant quasiment la densité de pistes par unité de surface et réduisant par conséquent le volume du circuit imprimé. Cette réduction de surface influe considérablement sur la topologie des pistes, ce qui se traduit par des boucles de courant plus petites et des branches plus courtes. Le rayonnement électromagnétique étant approximativement proportionnel à la surface des boucles de courant, cette réduction est bénéfique. Parallèlement, le format compact permet l'utilisation de boîtiers haute densité. Ceci, à son tour, diminue la longueur des interconnexions, réduisant encore les boucles de courant et améliorant la compatibilité électromagnétique.
4. Autres techniques applicables
Pour atténuer les surtensions transitoires sur les alimentations des circuits intégrés (CI), il convient d'ajouter des condensateurs de découplage au CI. Ceci permet de supprimer efficacement les perturbations de l'alimentation et de réduire le rayonnement des boucles d'alimentation sur le circuit imprimé.
Les condensateurs de découplage assurent un lissage optimal des parasites lorsqu'ils sont connectés directement aux broches d'alimentation du circuit intégré plutôt qu'au plan d'alimentation. Ceci explique pourquoi certains supports de composants intègrent des condensateurs de découplage, tandis que d'autres exigent que ces condensateurs soient positionnés très près du composant.
Tous les composants haute vitesse et haute puissance doivent être placés aussi près que possible les uns des autres afin de minimiser les transitoires de tension d'alimentation.
En l'absence de plan de masse, les longs circuits d'alimentation forment des boucles entre le signal et la masse, devenant à la fois des sources de rayonnement et des circuits sensibles.
Une piste formant une boucle sans croiser d'autres pistes du même réseau est appelée boucle ouverte. Si la boucle croise d'autres pistes du même réseau, elle forme une boucle fermée. Ces deux cas génèrent des effets d'antenne (antennes filaires et antennes boucle). Les antennes rayonnent des interférences électromagnétiques (IEM) tout en se comportant elles-mêmes comme des circuits sensibles. Les boucles fermées sont particulièrement importantes, car leur rayonnement est approximativement proportionnel à leur surface.
Conclusion
La conception de circuits à haute vitesse est un processus extrêmement complexe. La méthodologie décrite ici répond précisément aux défis posés par cette conception. De plus, les nombreux facteurs à prendre en compte lors de la conception de circuits à haute vitesse présentent souvent des priorités conflictuelles. Par exemple, le rapprochement des composants à haute vitesse peut réduire le délai, mais peut induire de la diaphonie et des effets thermiques importants. Par conséquent, les décisions de conception nécessitent un équilibre entre ces facteurs, grâce à des compromis judicieux, afin de satisfaire aux exigences de conception tout en minimisant la complexité.
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