La diaphonie est un problème courant lorsque l’on travaille avec des circuits numériques ou analogiques à haut débit. Elle a tendance à détériorer l’intégrité du signal et à causer des bruits parasites. Mais il est possible de gérer ce phénomène lorsque l’on en connaît les causes sous-jacentes et que l’on met en œuvre des techniques de conception appropriées.
Alors que la demande de circuits numériques et analogiques rapides ne cesse de croître, la question de la diaphonie s’impose de plus en plus. La diaphonie résulte du couplage indésirable de signaux entre pistes adjacentes, créant ainsi des interférences et dégradant l’intégrité du signal. Elle concerne tant les signaux différentiels que les signaux asymétriques, d’où l’importance d’une conception minutieuse du circuit pour en réduire les effets.
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Le fonctionnement et les performances des systèmes électroniques reposent très largement sur la qualité de la conception des circuits imprimés. Et avec la hausse constante de la complexité et de la vitesse des circuits, les problèmes liés à l’interférence des signaux, ou diaphonie, sont devenus plus fréquents. Ce phénomène peut causer des distorsions du signal, des erreurs de synchronisation et des erreurs dues au bruit, qui peuvent influer fortement sur les performances du système. Il est donc essentiel de bien comprendre ce qu’est la diaphonie et de mettre au point des stratégies efficaces pour en atténuer les effets.
Types de diaphonie
Par diaphonie, on entend le couplage indésirable, ou interférence, de signaux entre pistes adjacentes sur un circuit imprimé. Elle survient lorsque les champs électromagnétiques créés par un signal se propagent à une piste adjacente, nuisant alors à l’intégrité du signal. La diaphonie se présente principalement sous deux formes : la diaphonie différentielle et la diaphonie asymétrique.
Plusieurs facteurs peuvent la causer, comme la capacité, l’inductance et le couplage électromagnétique. Par exemple, lorsque des pistes sont trop proches ou parallèles entre elles, une capacité peut se former entre les deux et causer de la diaphonie capacitive. Par ailleurs, la diaphonie inductive peut provenir de champs magnétiques créés par le courant circulant sur une piste et induisant une tension sur une piste voisine. Enfin, le couplage électromagnétique entre les pistes peut intervenir par inductance mutuelle ou capacité mutuelle, générant de la diaphonie capacitive et inductive.
Diaphonie différentielle
Par diaphonie différentielle, on entend l’interférence entre deux pistes d’une paire différentielle, où chaque piste transporte le même signal, mais dans une forme inversée. Ce type de diaphonie provient généralement du déséquilibre entre les champs électromagnétiques créés par chaque piste, lequel peut découler de différences dans la longueur des pistes, de l’espacement, de l’impédance et des nuisances électromagnétiques provenant de sources externes. Parmi ses effets, citons l’apparition d’un bruit de mode commun, une diminution de l’intensité du signal et une dégradation de l’intégrité du signal.
Diaphonie asymétrique
Par diaphonie asymétrique, on entend le couplage entre le champ électromagnétique d’un signal et une piste asymétrique adjacente. Elle a souvent une incidence sur les signaux asymétriques à haut débit et peut provenir d’un couplage entre des pistes parallèles, des pistes non blindées ou des pistes trop proches les unes des autres. Ce type de diaphonie peut engendrer une distorsion du signal, une oscillation parasite, une augmentation du bruit de fond, des erreurs de synchronisation et une altération des données.
La diaphonie différentielle et la diaphonie asymétrique sont deux phénomènes distincts, chacun nécessitant une stratégie de conception spécifique pour l’atténuer. La diaphonie différentielle, qui affecte principalement la tension de mode commun et l’équilibre entre les signaux différentiels, peut être réduite en conservant une symétrie dans les longueurs de pistes, en ajustant les impédances et en employant des techniques de terminaison adéquates. Concernant la diaphonie asymétrique, qui peut perturber l’intensité et l’intégrité de chaque signal, on la minimise en respectant un espacement convenable entre les pistes, en mettant en place des mécanismes de blindage et en prenant soin de placer les circuits sensibles loin des sources de bruit.
Comment réduire la diaphonie ?
1 - Placement des composants
Le placement des composants sur un circuit imprimé est crucial pour réduire le plus possible les risques de diaphonie. On peut ainsi éloigner les composants les plus sensibles des sources potentielles de bruit, réduire le plus possible la longueur des pistes de signaux à haut débit et optimiser les chemins de signaux. Il est donc essentiel de bien réfléchir à l’agencement des composants afin de limiter au maximum les risques de diaphonie différentielle et asymétrique.
Les composants sensibles, comme les paires différentielles à haut débit et les pistes asymétriques transportant des signaux critiques, doivent être placés avec soin de manière à réduire les interférences. Il faut les éloigner autant que possible des sources de bruit, comme les générateurs d’horloge, les alimentations à découpage ou les circuits numériques à haut débit. La mise à l’écart de ces composants sensibles permet de réduire les interférences électromagnétiques provenant de ces sources de bruit, et donc d’améliorer l’intégrité du signal.
Une autre astuce consiste à regrouper les composants similaires. Ainsi, on crée des zones dédiées, ce qui réduit les risques de diaphonie entre les différentes parties du circuit. En rapprochant les composants qui interagissent entre eux, on peut raccourcir les chemins de signaux, ce qui a pour effet de réduire la zone où les phénomènes de diaphonie peuvent se produire. Il est aussi possible d’isoler les composants sensibles des sources de bruit et des chemins de signaux à haut débit en les séparant physiquement, ou encore en utilisant des pistes de protection et en employant des techniques de blindage.
2 - Espacement entre les pistes
Maintenir une certaine distance entre les pistes qui transportent des signaux différentiels ou asymétriques est un autre moyen efficace de diminuer les phénomènes de diaphonie. Pour les paires différentielles, conserver un espacement constant entre elles permet de préserver la symétrie et l’équilibre des signaux, ce qui réduit les risques de diaphonie. L’espacement nécessaire est souvent indiqué par le fabricant du circuit imprimé. Il est aussi possible de le déterminer par des analyses et des simulations. De même, pour les pistes qui portent des signaux asymétriques, maintenir un espacement suffisant entre les pistes parallèles permet de minimiser le couplage et les interférences (image 1).
Image 1 : la distance entre les pistes doit être définie de manière à minimiser la diaphonie
Il est également important de tenir compte de la distance entre les pistes sensibles et les composants et les chemins qui émettent du bruit. En éloignant ces éléments les uns des autres, on peut minimiser le couplage électromagnétique, et donc réduire les risques de diaphonie. En consacrant du temps à prévoir le placement des composants et à réfléchir au tracé des pistes, on peut grandement améliorer l’intégrité du signal et diminuer les problèmes liés à la diaphonie.
3 - Ajustement des impédances
Le routage à impédances ajustées est une méthode très efficace pour garantir l’intégrité des signaux à haut débit, comme les signaux transmis par des paires différentielles, et pour réduire la diaphonie. Par impédance, on entend la résistance qu’un circuit oppose au passage de courant alternatif. L’ajustement des impédances permet de s’assurer que l’impédance d’une ligne de transmission, mesurée en ohms, demeure constante sur toute sa longueur.
Pour ajuster l’impédance et réduire les phénomènes de diaphonie, la largeur et l’espacement des pistes constituent des facteurs clés. Pour les paires différentielles à impédance ajustée, la largeur de la piste doit être définie de manière à atteindre la valeur d’impédance souhaitée. De la même manière, l’espacement entre les pistes doit être défini avec soin en fonction de l’impédance cible et du niveau acceptable de diaphonie. Pour s’assurer que la largeur et l’espacement des pistes sont corrects, il convient de consulter les recommandations du fabricant du circuit imprimé ou d’utiliser des outils de calcul d’impédance.
Pour maintenir la symétrie du signal, il est également important de faire correspondre les longueurs des pistes au sein d’une paire différentielle. Une différence dans les longueurs des pistes peut introduire un décalage temporel et dégrader l’intégrité du signal. Il faut s’arranger pour que les longueurs soient égales, avec une tolérance souvent de quelques dizaines de micromètres ou moins, selon la fréquence du signal. Des techniques comme le routage en zigzag ou en serpentins peuvent être employées pour compenser les différences de longueur et assurer les mêmes délais de propagation pour les signaux différentiels.
4 - Plan de masse
La mise à la terre est essentielle pour limiter le bruit, les interférences et la diaphonie dans les circuits imprimés. Les plans de masse servent de point de référence pour les signaux et assurent un raccordement stable à la terre sur tout le circuit imprimé. La présence d’un plan de masse solide sous les pistes de signal peut réduire les interférences des champs électromagnétiques, limitant ainsi les risques de diaphonie. Il faut laisser suffisamment d’espace pour les plans de masse, en veillant à ce qu’ils soient continus, sans interruption et raccordés à la référence de masse globale du système.
Pour limiter les risques de diaphonie, il est important de séparer correctement les pistes de signal des pistes de mise à la terre. Les pistes de mise à la terre doivent être placées entre les pistes ou les couches de signaux pour assurer l’isolation et le blindage, et réduire ainsi le couplage électromagnétique entre les signaux proches et les risques de diaphonie. Pour minimiser la capacité et l’inductance entre les pistes de signaux et celles de mise à la terre, il est essentiel de les espacer suffisamment et de bien étudier leur routage.
Il est possible de réduire l’incidence de la diaphonie en utilisant des pistes de protection et en employant des techniques de blindage. Les pistes ou anneaux de protection se placent autour des circuits sensibles ou des circuits à haute impédance afin de minimiser le bruit et les interférences. Ils agissent comme un blindage qui empêche les champs électromagnétiques externes d’interférer avec les pistes sensibles. D’autres techniques de blindage telles que les blindages mis à la terre ou les boîtes métalliques permettent aussi d’isoler les composants sensibles ou les chemins de signaux critiques des sources de bruit extérieures.
5 - Condensateurs de dérivation
Les condensateurs de découplage sont très utiles pour diminuer le bruit de l’alimentation et la diaphonie. Ils créent un chemin de faible impédance vers la terre pour le bruit de haute fréquence, ce qui stabilise la tension d’alimentation et réduit les effets potentiels de la diaphonie. Ces composants doivent se trouver tout près des broches d’alimentation et de mise à la terre des circuits intégrés pour lesquels ils doivent assurer un découplage. Il faut aussi veiller à réduire le plus possible la distance entre les condensateurs et les circuits intégrés afin de minimiser l’inductance parasite et d’accroître leur efficacité au maximum.
6 - Analyse et simulation de la topologie
Avant même d’étudier la topologie du circuit, les outils d’analyse et de simulation permettent de résoudre un certain nombre de problèmes liés à la diaphonie. Grâce aux logiciels avancés de conception de circuits imprimés et aux outils de simulation des champs électromagnétiques, il est possible de déceler les éventuels problèmes de diaphonie avant même de définir la topologie du circuit. Cette méthode permet de repérer les zones sujettes à la diaphonie, d’estimer l’intégrité du signal et d’évaluer l’efficacité des différentes méthodes d’atténuation de la diaphonie. En testant différents scénarios et en optimisant la conception en fonction des résultats obtenus, on peut traiter les problèmes de diaphonie de manière proactive.
Une fois achevée la topologie du circuit imprimé, il convient d’analyser et de valider l’efficacité des méthodes mise en œuvre pour atténuer les phénomènes de diaphonie. Pour ce faire, il est possible d’analyser l’intégrité du signal, de réaliser des « diagrammes de l’œil » (image 2) ou d’effectuer des mesures de réflectométrie temporelle (TDR) afin d’évaluer les caractéristiques des principaux signaux et de vérifier si les problèmes de diaphonie ont bien été réduits. Chaque problème recensé peut être résolu en modifiant la conception ou en mettant en œuvre des techniques supplémentaires d’atténuation.
Image 2 : Diagramme de l’œil (Source : Tektronix)
7 - Conception de l’empilage
La diaphonie et l’intégrité du signal dépendent fortement de l’ordre d’empilage des couches de signaux dans le circuit imprimé. L’empilage des couches détermine la disposition et l’ordre des plans de signaux, des plans de masse et des plans d’alimentation. Voici quelques facteurs à prendre en compte pour la conception de l’empilage :
- Protection des signaux sensibles : les signaux critiques, comme les paires différentielles à haut débit ou les signaux analogiques, doivent se trouver sur des couches distinctes pour limiter les risques de diaphonie. En les isolant des signaux numériques bruyants ou à haut débit, on diminue les risques d’interférences et de diaphonie.
- Disposition des plans de référence : les plans de masse et les plans d’alimentation doivent être placés à côté des couches de signaux afin de fournir un chemin de retour à faible impédance et de limiter le couplage entre les signaux. Les plans de masse solides protègent les signaux sensibles et réduisent les interférences électromagnétiques.
- Ajustement des impédances : l’empilage de couches doit être conçu de manière à obtenir l’impédance ajustée souhaitée pour les signaux à haut débit. Le matériau diélectrique choisi et son épaisseur entre les couches de signaux et les plans de référence ont une incidence directe sur l’impédance caractéristique des lignes de transmission.
- Placement des via et gestion des embases : le placement des via (image 3) et la gestion des embases jouent un rôle essentiel dans la minimisation de la diaphonie. Les via, qui relient les pistes de signaux d’une couche à l’autre, doivent être situés le plus près possible des points de contact de source et de destination. Plus la longueur des embases est courte, plus les risques de diaphonie sont réduits. De plus, il est très important de bien terminer ou supprimer les embases afin d’éviter les réflexions et les interférences indésirables.
Image 3 : placement de via pouvant réduire la diaphonie
8 - Outils de simulation et d’analyse
Pour déceler les problèmes de diaphonie dans les schémas de circuits imprimés et les atténuer, il est indispensable de recourir à des outils de simulation et d’analyse grâce auxquels il est possible d’estimer l’intégrité du signal, d’évaluer l’incidence de la diaphonie et d’optimiser la topologie pour obtenir de meilleures performances. Parmi ces outils, on retrouve les suivants :
- Les outils de simulation du champ électromagnétique, comme la méthode des éléments finis (FEM) ou la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD), permettent de visualiser et d’analyser le comportement électromagnétique des signaux sur un circuit imprimé. Le repérage des zones critiques à forte diaphonie permet de modifier la topologie, d’ajuster le routage ou d’employer des techniques de blindage pour atténuer ce type de problèmes.
- Les outils d’analyse de l’intégrité du signal évaluent la qualité des signaux ainsi que l’incidence de la diaphonie, et anticipent les problèmes liés à l’intégrité du signal. Ils analysent des paramètres tels que les indicateurs d’intégrité du signal, les diagrammes de l’œil et les bilans temporels afin de garantir que les signaux, même à haut débit, se comportent comme prévu.
- Les outils d’analyse de la diaphonie se concentrent tout particulièrement sur le repérage et l’estimation quantitative des effets de la diaphonie dans les circuits imprimés. Ils simulent le couplage des signaux, estiment le niveau d’interférence et évaluent l’incidence sur la qualité du signal.
Conclusion
La vitesse et la densité des circuits ne cessant de croître pour répondre à la demande, la diaphonie est un problème récurrent qui gagne en importance dans la conception des circuits imprimés. Cependant, pour garantir l’intégrité des signaux et le fonctionnement optimal des circuits, il suffit de bien connaître ce phénomène ainsi que les techniques permettant de le contrer.
18.12.2023
