Ces dernières années, la conception des circuits imprimés s’est complexifiée, principalement en raison, dans la plupart des cas, de la combinaison des signaux numériques, mixtes et radiofréquence (RF). En général, un circuit imprimé est dit RF lorsque la fréquence des signaux est supérieure à 100 MHz. La topologie et le routage d’un circuit RF nécessitent quelques précautions particulières et une approche différente de celle employée avec les circuits basse fréquence. Lorsque la fréquence augmente, la longueur d’onde du signal RF devient comparable aux dimensions géométriques des pistes. Par conséquent, il est nécessaire de considérer l’ensemble du circuit comme un système à paramètres répartis, en tenant compte de l’amplitude et de la commutation de phase subie par le signal le long de la ligne de transmission afin d’éviter les éventuelles réflexions de signal. Parmi les principales difficultés auxquelles sont confrontés les concepteurs électroniques, citons l’effet pelliculaire qui dépend des imperfections et de la rugosité des pistes en cuivre, le couplage capacitif entre les signaux qui parcourent des pistes adjacentes, les interférences électromagnétiques et l’ajustement des impédances.
Principales recommandations
L’adaptation des impédances est l’un des premiers points dont il faut tenir compte pour l’acheminement des signaux RF. En effet, sans adaptation d’impédances, les circuits génèrent d’importantes pertes de puissance, ainsi que des réflexions de signal néfastes le long des pistes. Selon la théorie de la transmission de puissance maximale, la puissance transférée est maximale lorsque la résistance de charge est égale à la résistance interne de la source. Appliquée aux courants alternatifs, cette théorie stipule que l’impédance de la charge doit être égale au complexe conjugué de l’impédance de la source. Pour maximiser la transmission de puissance, il est donc essentiel de procéder à une adaptation des impédances. Comme l’impédance de la plupart des systèmes et modules RF est de 50 Ω, il est préférable que l’impédance caractéristique des pistes des circuits imprimés RF soit également de 50 Ω. Deux types de pistes sont couramment utilisés sur les circuits imprimés : les microstrips, où les pistes sont placées sur les couches extérieures du circuit imprimé (généralement au-dessus d’un plan de masse) et les striplines, où chaque piste est intercalée entre deux plans de masse. Les deux types de pistes sont représentés sur l’image 1. Une fois l’impédance Z fixée à 50 Ω, il est possible de calculer la largeur W en fonction de l’épaisseur T et de la distance H entre la piste et le plan de masse, en utilisant les formules contenues dans la norme ICP2141A.
Image 1 : Lignes de transmission à rubans et à microstrips.
En règle générale, on peut dire que la largeur d’une piste est adéquate lorsque sa longueur est supérieure à un dixième de la longueur d’onde du signal qui la traverse. Par exemple, la fréquence f = 1 GHz correspond à une longueur d’onde λ = c / f = 30 cm (où c est la vitesse de la lumière dans le vide) ; la longueur critique de la piste est donc égale à environ 3 cm. Toutefois, la vitesse de propagation du signal sur le circuit imprimé est inférieure à la vitesse de la lumière. Elle est notamment réduite par le carré de la constante diélectrique relative du matériau, soit environ 4,3 dans le cas du FR-4. La longueur critique à 1 GHz passe ainsi à 16 mm approximativement ; la largeur de chaque piste (ou plutôt de chaque ligne de transmission) dont la longueur est supérieure à cette valeur doit être correctement calculée. Les lignes de transmission doivent rester droites autant que possible. Lorsque, pour des raisons de routage, il est nécessaire de changer de direction, il est conseillé d’utiliser un rayon de courbure supérieur ou égal à trois fois la largeur des pistes comme indiqué à gauche de l’image 2. De cette manière, la variation de l’impédance caractéristique est minimisée sur toute la courbure. Lorsqu’il est impossible de tracer une piste courbe, le routage doit appliquer un angle droit arrondi comme indiqué à droite de l’image 2.
Image 2 : Routage des pistes courbes.
Lorsque, pour des raisons de topologie, une ligne de transmission doit passer par plusieurs couches, il est nécessaire d’insérer des via afin de minimiser l’inductance de charge, en prévoyant au moins deux trous par passage. Il est également très important de choisir avec soin la taille des composants CMS, car ils sont proposés sur le marché avec un large choix de formats. En ce qui concerne les composants CMS passifs (résistances et condensateurs), une règle couramment appliquée consiste à sélectionner des composants dont la largeur est comparable à celle d’une piste ayant une impédance de 50 Ω, ce qui réduit les problèmes d’adaptation d’impédance entre la piste et les points de contact des composants.
L’empilage, c’est-à-dire le nombre et le type de couches qui composent le circuit imprimé, constitue un autre facteur important dont dépend le routage. Les circuits imprimés RF sont généralement composés de 2 ou 4 couches, mais ils peuvent en comporter jusqu’à 8 dans certains cas. Sur les circuits double face, les composants et les pistes se trouvent sur la couche supérieure, tandis que la couche inférieure sert de plan de masse de manière à raccourcir le plus possible le chemin parcouru par les courants de retour à la masse. Les circuits double face sont très peu coûteux, mais ils nécessitent un routage et un placement des composants très soignés compte tenu des contraintes spatiales. Leur épaisseur est généralement comprise entre 0,8 et 1 mm pour éviter une largeur excessive des pistes selon ce qui a été indiqué précédemment concernant l’impédance. Les circuits imprimés à 4 couches facilitent grandement le routage. Ils offrent plus d’espace pour les composants et permettent de créer des plans de masse et d’alimentation. L’image 3 montre l’empilage recommandé. Dans cette structure, notez qu’un plan de masse doit toujours se trouver sous la couche supérieure sur laquelle se trouvent les composants et les pistes. La résistance mécanique des circuits à 4 couches est également plus importante en raison de leur plus grande épaisseur.
Image 3 : Empilage de circuits imprimés à 4 couches.
Concernant la topologie de l’image 3, nous devons nous assurer que les signaux RF sont correctement isolés pour éviter tout couplage indésirable avec d’autres signaux. Ce phénomène concerne principalement les lignes de transmission à radiofréquence (par exemple, les lignes de réception et de transmission des émetteurs-récepteurs sans fil), les signaux haute fréquence (par exemple, les signaux d’horloge ou PLL) et les lignes électriques. Il est également nécessaire de placer des condensateurs de découplage le plus près possible de chaque broche, ou point de distribution, de la tension d’alimentation VCC. Ils permettent de créer un chemin de faible impédance pour les parasites à haute fréquence. La capacité de ces condensateurs doit dépendre de la fréquence des signaux RF qui circulent dans le circuit, en gardant à l’esprit qu’au-delà de leur fréquence propre (SRF), les condensateurs se comportent comme des inducteurs et ne peuvent donc plus assurer leur fonction de découplage ou de dérivation. Comme le montre l’image 3, on utilise généralement un plan de masse solide (continu) situé directement sous la couche supérieure sur laquelle sont placés les composants et les lignes de transmission. Les signaux RF se caractérisent par des fronts montants très abrupts. Il est donc nécessaire de disposer d’un plan de masse à proximité immédiate qui soit capable de transmettre le courant de retour. Dans le cas contraire, des boucles de courant peuvent se former avec un rayonnement de signal indésirable et une distorsion conséquente du signal RF. Même la plus petite discontinuité dans le plan de masse modifie la trajectoire du signal de retour, ce qui entraîne d’importants problèmes au niveau du signal. C’est précisément pour cette raison que l’on utilise des pistes microstrips avec lesquelles il est possible d’ajuster la largeur et la distance au plan de masse afin d’obtenir une valeur d’impédance précise qui minimise les réflexions du signal. Les plans de masse solides permettent également de relier facilement les points de contact à la masse par des via spéciaux. En règle générale, la distance entre deux via reliés au plan de masse ne doit pas dépasser un dixième de la longueur d’onde de la fréquence maximale de fonctionnement du circuit. Par exemple, si la fréquence maximale de fonctionnement est de 2,4 GHz, les via doivent être espacés de 6 mm. Il est également important de les placer sur les bords du circuit imprimé afin de réduire les pertes RF dans le laminé.
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Le plan de masse a également pour fonction secondaire importante de permettre une dissipation efficace de la chaleur. À cet égard, il est également nécessaire de prévoir un nombre suffisant de via, éventuellement traversants, de manière à passer par toutes les couches du circuit imprimé, et d’appliquer une couche de pâte thermoconductrice à l’intérieur afin d’améliorer la gestion thermique.
