Nos conseils pour la conception de circuits imprimés à haute vitesse

Ces dernières années, nous avons assisté à une progression constante des appareils électroniques, toujours plus riches en nouvelles fonctionnalités, rapides et extrêmement compacts. Les anciens appareils électroniques utilisaient des fréquences plus basses pour les signaux de commande, de données et de synchronisation, des amplitudes crête à crête plus élevées et des marges d’immunité aux parasites plus élevées. Ils étaient donc plus simples à concevoir. On accordait moins d’importance aux facteurs qui sont aujourd’hui primordiaux : ajustement d’impédance, terminaisons de ligne, diaphonie, intégrité du signal, etc. À l’heure actuelle, les concepteurs de matériel doivent tenir compte des questions liées aux signaux à haute fréquence dès le développement initial des circuits imprimés. Les circuits imprimés conçus pour les signaux à haute fréquence présentent une forte densité de composants avec un haut niveau d’intégration. Il est donc nécessaire de recourir à des circuits multicouches permettant de réduire les interférences croisées entre les signaux et les inductances parasites, ainsi que d’améliorer les connexions de masse.

Circuit imprimé à haute vitesse

Tous les circuits imprimés à signaux numériques ne doivent pas nécessairement être considérés comme des circuits à haute vitesse. En effet, dans de nombreux cas, il suffit de suivre les règles et conventions standard relatives à la définition du schéma : positionnement et ordre des composants électroniques, définition des couches de signaux, des plans d’alimentation et des plans de masse, ajout des vias nécessaires, acheminement manuel ou automatique des pistes. En revanche, les circuits imprimés pour signaux à haute fréquence nécessitent une conception précise et spécifique capable de garantir l’intégrité du signal, quelles que soient les conditions de fonctionnement. C’est l’une des raisons pour lesquelles les fabricants de composants à haute densité et haute fréquence (FPGA, GPU, SoC et modules RF) assurent eux-mêmes la conception et la fourniture des cartes d’évaluation des produits. En règle générale, un circuit imprimé peut être dit « à haute vitesse » lorsque les signaux commutent à des fréquences de l’ordre du mégahertz ou du gigahertz. Dans ces cas, il est nécessaire d’adopter des règles spécifiques pour la conception des circuits imprimés qui s’ajoutent aux règles de base communes à tous les types de circuits imprimés :

• limiter le bruit généré par le réseau de distribution d’électricité (notamment en présence d’alimentations à découpage) ;
• réduire les phénomènes de diaphonie entre les pistes adjacentes. Lorsque la fréquence du signal est élevée, des phénomènes de diaphonie capacitive se produisent facilement, car les courants induits ont une impédance capacitive ;
• réduire les effets produits par le rebond de référence à la masse (rebond de masse). Ces effets ont une incidence directe sur l’intégrité du signal. Il est possible de les réduire en définissant correctement l’empilage des circuits imprimés et en découplant leurs différentes parties (par exemple, en séparant les zones réservées aux signaux logiques de celles réservées aux signaux analogiques) ;
• essayer de trouver la meilleure adaptation d’impédances possible ;
• supprimer les suroscillations transitoires, souvent causées par des pistes trop étroites ;
• prévoir des terminaisons adaptées à chaque ligne de signal. Conjointement avec l’ajustement des impédances d’entrée, de charge et de transmission, cet élément permet de supprimer la réflexion du signal ;
• niveau élevé d’immunité aux interférences électromagnétiques (EMI), tant par conduction que par rayonnement.

Règles de conception

Un premier point de conception à prendre en compte concerne l’ajustement d’impédance. Le temps de montée critique d’un circuit imprimé à haute fréquence est de l’ordre de quelques nanosecondes. Il correspond à la durée de commutation minimale en dessous de laquelle les signaux du circuit imprimé ne peuvent pas descendre. Cette durée dépend de la différence d’impédance existant entre les extrémités de chaque piste. Plus elle est élevée, plus la piste est longue. Si les pistes du circuit ne sont pas très courtes, il convient de procéder à une adaptation d’impédances pour chacune d’elles lors de leur acheminement afin d’éliminer les réflexions de signaux. Dans tous les cas, y compris pour les pistes courtes, il est nécessaire de préserver l’intégrité du signal, ce qui peut être assuré par le biais d’une terminaison appropriée des lignes et d’une définition correcte de l’empilage. Il existe deux principales techniques de terminaison : terminaison de source et terminaison d’extrémité. Comme illustré dans l’image 1, la terminaison de source consiste à raccorder une résistance en série à la ligne de transmission en la plaçant le plus près possible de la source. La valeur R_S de la résistance en série de la terminaison doit respecter la condition suivante : R_D + R_S = Z₀, où R_D est l’impédance de sortie de la ligne et Z₀ est l’impédance de la ligne de transmission. Cette technique supprime les réflexions, car l’onde réfléchie est absorbée lors du retour à la source. La terminaison d’extrémité, en revanche, emploie une résistance en configuration pull-up ou pull-down placée au bout de la ligne de transmission. La valeur de la résistance doit correspondre à celle de la ligne de transmission.

Image 1 : Les deux méthodes de terminaison du signal.

Le choix des matériaux et la définition de l’empilage des circuits imprimés sont très importants. Pour les fréquences inférieures à un gigahertz, on peut généralement utiliser un matériau de substrat peu coûteux et largement adopté tel que le FR-4. Cependant, il convient de garder à l’esprit que la vitesse de propagation d’un signal sur le circuit imprimé dépend de la constante diélectrique du matériau utilisé. Si cette constante (Dk) varie en fonction de la fréquence, différentes composantes du signal affecteront la charge à divers moments et entraîneront des distorsions du signal. C’est pourquoi on utilise des matériaux spéciaux comme les stratifiés Rogers pour les fréquences supérieures à 1 GHz afin de garantir une valeur de constante diélectrique uniforme dans la gamme de fréquences comprise entre 0 et plus de 15 GHz, ainsi qu’une excellente dissipation thermique.

En ce qui concerne l’empilage d’un circuit imprimé multicouche à haute fréquence, il est tout d’abord nécessaire de placer les signaux haute fréquence dans les couches les plus internes, adjacentes à un plan de référence (masse ou alimentation), de manière à constituer un écran contre les rayonnements venant de l’extérieur. Ensuite, deux signaux haute fréquence ne doivent pas se placer sur deux couches adjacentes : insérez toujours un plan de référence permettant de les séparer. Les plans de masse et les plans d’alimentation doivent être séparés ; le cas échéant, prévoyez un plus grand nombre de plans de masse afin de réduire l’impédance et le rayonnement en mode commun. L’image 2 présente un exemple d’empilage de circuits imprimés à six couches prévu pour des signaux à haute fréquence. Le vernis-épargne permet de réduire la valeur de l’impédance, tandis que les matériaux et les substrats de type Rogers ou similaires sont utilisés dans les plans diélectriques.

Image 2 : Exemple d’empilage à 6 couches.

Des précautions particulières doivent être prises lors de la définition du tracé des pistes ou de l’acheminement. Afin de réduire la diaphonie, il convient tout d’abord d’augmenter le plus possible la distance entre les pistes de signal, en les plaçant à proximité du plan de masse. En outre, assurez-vous que la distance entre les centres de deux pistes adjacentes est supérieure à quatre fois la largeur de la piste. Les lignes de synchronisation doivent être perpendiculaires aux lignes de signaux, et non parallèles. Elles doivent également comporter des terminaisons appropriées afin de réduire les réflexions. Afin de réduire les phénomènes de couplage, les signaux à extrémité unique doivent être placés sur des couches différentes et perpendiculaires.

Afin de renforcer l’intégrité du signal, les pistes doivent être droites et aussi courtes que possible. S’il est nécessaire de recourir à des pistes courbes, utilisez des arcs à 45° et évitez les angles droits. Les signaux de synchronisation doivent être placés sur une seule couche (si celle-ci se trouve à l’intérieur, elle doit se trouver entre deux plans de référence), disposer de terminaisons appropriées pour minimiser les phénomènes de réflexion et ne comporter aucun via, car ils sont susceptibles d’influer sur l’impédance et les réflexions. Le plan de masse doit également être placé aussi près que possible de la couche extérieure afin de réduire le bruit. Si les pistes transmettent des signaux différentiels plutôt que des signaux unilatéraux, la même distance doit être respectée entre les pistes des paires différentielles, et celles-ci doivent toujours avoir la même longueur.

Enfin, il existe plusieurs manières de réduire le rebond de masse, notamment :

• utiliser des pistes courtes et larges entre les via et les bornes de condensateur ;
• faire en sorte que les pistes entre les broches d’alimentation et le plan d’alimentation restent aussi courtes et larges que possible afin de réduire l’impédance et les pertes de tension ;
• relier chaque broche ou via de masse au plan de masse en évitant les connexions en cascade ;
• ajouter des condensateurs de découplage à chaque paire de signaux V_CC/GND en les plaçant près des broches correspondantes. En outre, choisissez des condensateurs à faible ESR et ESL afin de minimiser l’inductance ;
• Les signaux E/S à usage général ne doivent jamais être laissés ouverts ou flottants, mais configurés comme des signaux de sortie dirigés vers la masse ou V_CC.

Conclusion

Afin de garantir l’intégrité du signal, une compatibilité électromagnétique élevée et une gestion thermique adéquate dans toutes les conditions de fonctionnement, les circuits imprimés pour signaux à haute fréquence doivent être conçus en choisissant les matériaux de manière appropriée et en définissant l’empilage, l’acheminement des pistes et les plans de masse, d’alimentation et de signaux.