Contrôle d’impédance sur les PCB : quelle utilité ?

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Pour les circuits analogiques ou numériques à haute fréquence, il est crucial de garantir l’intégrité des signaux qui se propagent sur le PCB. En effet les signaux au-dessus de 100MHz, sont impactés par l’impédance des pistes qui, si elle est mal prise en compte, peut provoquer des erreurs intempestives et particulièrement difficiles à analyser. Heureusement, le contrôle d’impédance permet au concepteur et au fabricant de PCB de gérer ce phénomène.

Qu’est qu’une impédance ?

L’impédance mesure l’opposition d’un circuit électrique lorsqu’il est traversé par un courant alternatif. C’est la combinaison de la capacitance et de l’induction d’un circuit électrique à haute fréquence. L’impédance se mesure en Ohms, comme la résistance. Cependant, les deux valeurs ne doivent pas être confondues, la résistance étant une caractéristique en courant continu. Lorsqu’un signal passe d’un conducteur ayant une certaine impédance à un autre ayant une impédance identique, il se transmet de manière optimale. En revanche, si les impédances sont différentes, il se produit des réflexions et des atténuations qui le dégradent.

Par quoi est déterminée l’impédance ?

En général, l’impédance d’une piste est comprise entre 25 et 125 Ohms, et dépend des facteurs suivants :

  • Largeur et épaisseur de la piste en cuivre
  • Passage du signal par des vias
  • Epaisseur du noyau ou du matériau prepreg de chaque côté de la piste
  • Constante diélectrique du noyau et du matériau prepreg
  • Distance avec le plan cuivre de référence
  • Présence ou non de vernis épargne

Le concepteur de la carte doit donc s’assurer que pour les signaux à haute fréquence, ses choix de tracé et de stackup permettent d’atteindre une valeur cible d’impédance, avec une certaine tolérance. Les logiciels de CAO électronique les plus avancés font ces calculs automatiquement.

Qu’est-ce que le contrôle d’impédance ?

Le contrôle d’impédance consiste à mesurer l’impédance de certaines pistes dès la fabrication du PCB, et de s’assurer qu’elles sont bien dans les limites communiquées par le concepteur. Cette technique, bien que coûteuse, s’est généralisée depuis le début des années 2000 avec l’augmentation continue des fréquences des composants électroniques. On la trouve par exemple dans les produits suivants :

  • Télécommunications analogiques et numériques
  • Traitement du signal vidéo
  • Box internet, TV, GPS, jeux vidéo, appareil photo numérique
  • Ordinateurs, tablettes, téléphones portables
  • Modules de commande moteur

Quelle utilité du contrôle d’impédance sur les PCB ?

Quand un signal doit avoir une impédance particulière pour fonctionner correctement, l’impédance contrôlée devrait être privilégiée. Dans les applications à haute fréquence, maintenir une impédance constante sur l’ensemble de la carte électronique s’avère indispensable pour maintenir l’intégrité des données transférées et la clarté du signal. Plus la piste est longue ou la fréquence élevée, plus l’adaptation est nécessaire. Une absence de rigueur à ce niveau peut augmenter les temps de commutation d’un appareil électronique ou d’un circuit et provoquer des erreurs intempestives.

Une impédance incontrôlée est très difficile à analyser une fois les composants montés sur le circuit. Les composants disposent d’une capacité de tolérance différente en fonction des lots. De plus, leurs caractéristiques sont affectées par des variations de température, ce qui peut entraîner des dysfonctionnements. Dans un tel cas, changer un composant peut sembler être la solution au premier abord mais, en réalité, c’est l’impédance inadaptée des pistes qui pose un problème.

C’est pourquoi l’impédance des pistes et leur tolérance doivent être vérifiées lors de la conception du PCB en amont. Le concepteur doit travailler en collaboration avec le fabricant pour s’assurer de la conformité des valeurs des composants.

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