Méthodes d'atténuation des effets des lignes de transmission sur les circuits imprimés à grande vitesse
Afin de remédier aux effets des mesures susmentionnées, la Commission a décidé de mettre en place un système d'alerte rapide. questions relatives aux lignes de transmission, Nous examinons les méthodes de contrôle de ces effets sous les angles suivants.
1. Contrôler strictement la longueur d'acheminement des lignes nettes critiques
Si la conception implique des transitions de bord à grande vitesse, les effets de la ligne de transmission sur le circuit imprimé doivent être pris en compte. Ce problème est particulièrement fréquent dans les circuits intégrés modernes à horloge haute fréquence. Les principes de base pour traiter ce problème sont les suivants : - Pour les circuits CMOS ou TTL fonctionnant en dessous de 10 MHz, la longueur de routage ne doit pas dépasser 7 pouces. - Pour les fréquences allant jusqu'à 50 MHz, la longueur de routage ne doit pas dépasser 1,5 pouce. - Pour les fréquences égales ou supérieures à 75 MHz, la longueur de routage doit être limitée à 1 pouce. - Pour les puces GaAs, la longueur de routage maximale doit être de 0,3 pouce. Le dépassement de ces normes introduit des effets de ligne de transmission.
2. Planification rationnelle de la topologie du tracé
Une autre approche pour atténuer les effets des lignes de transmission consiste à sélectionner des chemins d'acheminement et des topologies de terminaison appropriés. La topologie des tracés se réfère à la séquence et à la disposition structurelle du câblage d'un réseau. Lors de l'utilisation de dispositifs logiques à grande vitesse, les signaux dont les bords changent rapidement seront déformés par les traces de dérivation sur le tronc principal du signal, à moins que les longueurs de dérivation ne soient extrêmement courtes. En règle générale, le routage des circuits imprimés utilise deux topologies fondamentales : le routage en guirlande et la distribution en étoile.
Dans le cas d'un routage en guirlande, les traces 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 traces. Toutefois, cette méthode de routage présente le taux de réussite le plus faible et permet rarement d'obtenir un routage 100%. Dans la conception pratique, nous minimisons les longueurs de stub dans le routage en guirlande. Une valeur de longueur sûre est la suivante Stub Delay <= Trt * 0.1.
Par exemple, les longueurs de stub dans les circuits TTL à grande vitesse doivent être inférieures à 1,5 pouces. Cette topologie occupe un espace de routage minimal et peut être terminée par une seule résistance. Toutefois, cette structure de routage entraîne une réception asynchrone des signaux au niveau des différents récepteurs de signaux.
La topologie en étoile permet d'éviter efficacement les problèmes d'asynchronisme des signaux d'horloge, mais le routage manuel est compliqué sur les circuits imprimés à haute densité. L'utilisation d'un routeur automatique est la meilleure méthode pour réaliser un routage en étoile. Des résistances de terminaison sont nécessaires sur chaque branche. La valeur de la résistance de terminaison doit correspondre à l'impédance caractéristique de la connexion. Cette valeur peut être calculée manuellement ou à l'aide d'outils de CAO pour déterminer l'impédance caractéristique et la valeur de la résistance de terminaison.
Bien que de simples résistances aient été utilisées dans les exemples ci-dessus, des méthodes de terminaison plus complexes sont des options pratiques. La première solution est la terminaison RC. La terminaison RC réduit la consommation d'énergie mais n'est adaptée qu'à des conditions de signal stables. Cette approche est la plus efficace pour l'adaptation de la ligne d'horloge. L'inconvénient est que la capacité de la terminaison RC peut affecter la forme du signal et la vitesse de propagation.
La terminaison par résistance en série n'impose aucune perte de puissance supplémentaire mais ralentit la propagation du signal. Cette méthode est utilisée dans les circuits de commande de bus où les retards de synchronisation sont négligeables. Un autre avantage de la terminaison de résistance en série est sa capacité à réduire le nombre de composants de la carte et la densité du câblage.
La dernière approche est la terminaison discrète, où les composants d'adaptation sont placés près du récepteur. Elle a pour 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).
En outre, le type d'emballage et l'orientation de la résistance de terminaison doivent être pris en compte. En général, les résistances CMS montées en surface présentent une inductance plus faible que les composants à trous traversants, ce qui fait des boîtiers CMS le choix préféré. Si des résistances standard à trous traversants sont choisies, deux orientations de montage sont disponibles : verticale et horizontale.
Le montage vertical permet de conserver un fil de montage court, ce qui réduit la résistance thermique entre la résistance et la carte, permettant ainsi à la chaleur de se dissiper plus facilement dans l'air. Cependant, un montage vertical plus haut augmente l'inductance des résistances. Le montage horizontal offre une inductance plus faible en raison de son profil plus bas. Cependant, les résistances surchauffées peuvent dériver et, dans le pire des cas, devenir des circuits ouverts, ce qui entraîne une défaillance de l'adaptation de la terminaison des circuits imprimés et devient un facteur de défaillance potentiel.
3. Méthodes de suppression des interférences électromagnétiques
Le traitement efficace des problèmes d'intégrité des signaux améliorera la compatibilité électromagnétique (CEM) des cartes de circuits imprimés. Il est particulièrement important d'assurer une mise à la terre correcte du circuit imprimé. Pour les conceptions complexes, l'utilisation d'une couche de signal associée à une couche de mise à la terre s'avère très efficace. En outre, la réduction de la densité des signaux sur la couche extérieure de la carte est une méthode efficace pour réduire le rayonnement électromagnétique. Pour ce faire, il est possible d'utiliser la technologie d“”empilage de surface“ ou la conception ”build-up" pour la fabrication des circuits imprimés. L'empilage des surfaces est mis en œuvre en ajoutant de fines couches isolantes et des microvias pour pénétrer ces couches sur un circuit imprimé standard. Les résistances et les condensateurs peuvent être enterrés sous la couche superficielle, ce qui double presque la densité des traces par unité de surface et réduit par conséquent le volume du circuit imprimé. La réduction de la surface du circuit imprimé a un impact significatif sur la topologie des tracés, ce qui se traduit par des boucles de courant plus petites et des longueurs de dérivation plus courtes. Le rayonnement électromagnétique étant approximativement proportionnel à la surface des boucles de courant, cette réduction est bénéfique. Simultanément, le facteur de forme compact permet l'utilisation de boîtiers à haute densité de broches. Ceci, à son tour, diminue les longueurs d'interconnexion, réduisant encore les boucles de courant et améliorant la compatibilité électromagnétique.
4. Autres techniques applicables
Pour atténuer les transitoires de tension sur les alimentations des circuits intégrés (CI), des condensateurs de découplage doivent être ajoutés au CI. Cela permet de supprimer efficacement les parasites de l'alimentation et de réduire le rayonnement des boucles d'alimentation sur la carte de circuit imprimé.
Les condensateurs de découplage offrent une atténuation optimale des défauts lorsqu'ils sont connectés directement aux broches d'alimentation du circuit intégré plutôt qu'au plan d'alimentation. Cela explique pourquoi certaines prises de courant intègrent des condensateurs de découplage, alors que d'autres exigent que ces condensateurs soient positionnés extrêmement près de l'appareil.
Tous les composants à haute vitesse et à haute puissance doivent être placés aussi près que possible les uns des autres afin de minimiser les transitoires de tension d'alimentation.
Sans plan d'alimentation, les longues lignes d'alimentation forment des boucles entre le signal et la terre, devenant à la fois des sources de rayonnement et des circuits sensibles.
Une trace formant une boucle sans croiser le même réseau ou d'autres traces est appelée boucle ouverte. Si la boucle croise d'autres traces sur le même réseau, elle forme une boucle fermée. Les deux scénarios créent des effets d'antenne (antennes filaires et antennes en boucle). Les antennes émettent des interférences électromagnétiques vers l'extérieur tout en agissant elles-mêmes comme des circuits sensibles. Les boucles fermées sont une considération critique, car leur rayonnement est approximativement proportionnel à la surface de la boucle.
Conclusion
La conception de circuits à grande vitesse est un processus extrêmement complexe. La méthodologie décrite ici répond spécifiquement à ces défis de conception de circuits à grande vitesse. En outre, les multiples facteurs à prendre en considération lors de la conception de circuits à grande vitesse présentent souvent des priorités contradictoires. Par exemple, le fait de placer les composants à grande vitesse à proximité les uns des autres peut réduire le délai, mais peut induire une diaphonie et des effets thermiques importants. Par conséquent, les décisions de conception nécessitent d'équilibrer ces facteurs par le biais de compromis complets - en répondant aux exigences de conception tout en minimisant la complexité.
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