En termes simples, lorsque le temps de montée/descente d'un signal numérique est suffisamment court pour que les caractéristiques physiques des pistes du circuit imprimé (telles que l'impédance, le retard et les effets parasites) commencent à avoir un impact significatif sur la qualité du signal, le circuit imprimé entre dans la catégorie des circuits imprimés à haute vitesse.
L'importance des circuits imprimés à haute vitesse
À l'ère du numérique à haut débit, des smartphones aux serveurs des centres de données, les goulots d'étranglement en matière de performances des appareils dépendent de plus en plus de la capacité de leurs circuits imprimés internes à transmettre et à traiter des signaux à haut débit.Il est important de noter que la « haute vitesse » n'est pas définie uniquement par une valeur de fréquence spécifique, mais qu'elle est étroitement liée au taux de variation des fronts de signal et à la longueur du chemin de transmission. Par conséquent, l'objectif principal de la conception de circuits imprimés à haute vitesse est passé de l'accent traditionnel mis sur la garantie de la « connectivité électrique » à la tâche plus critique du maintien de « l'intégrité du signal ».
Qu'est-ce que la conception de circuits imprimés à haute vitesse ?
La conception de circuits imprimés à haute vitesse est une approche d'ingénierie systématique axée sur l'analyse et le contrôle des différents problèmes que les signaux peuvent rencontrer pendant leur transmission.Dans les circuits à basse fréquence, les conducteurs peuvent être considérés comme des « lignes courtes » idéales, où les signaux se transmettent presque instantanément. Cependant, dans les scénarios à haute vitesse, les pistes des circuits imprimés ne sont plus de simples connexions électriques ; elles doivent être modélisées et analysées comme des lignes de transmission. Si l'impédance caractéristique des lignes de transmission est mal adaptée, cela peut déclencher des réflexions de signaux, des oscillations ou des phénomènes de dépassement, entraînant des erreurs de données, voire des pannes du système.
Par conséquent, la conception de circuits imprimés à haute vitesse ne se limite pas à « connecter les bons points ». Elle nécessite une prise en compte globale de facteurs tels que les effets des champs électromagnétiques, le contrôle de l'impédance, la diaphonie, la synchronisation et l'intégrité de l'alimentation pendant la phase de conception initiale. Cela garantit la qualité du signal tout au long du processus de transmission, de l'émetteur au récepteur.
10 conseils pratiques pour la conception de circuits imprimés à haute vitesse
Collaboration précoce avec les fabricants
Collaborez avec votre fabricant de circuits imprimés à haute vitesse (tel que TOPFAST) pendant la phase initiale de conception de la disposition afin de discuter des propositions d'empilement et des capacités de contrôle d'impédance, en veillant à ce que la conception soit conforme à leurs spécifications de processus.
Définir une stratégie claire d'empilement
Dédiez des couches spécifiques dans l'empilement pour l'alimentation, la masse et les signaux critiques afin d'assurer une impédance stable et une isolation efficace contre le bruit.
Conception basée sur la simulation
Effectuez des simulations d'intégrité du signal (SI) et d'intégrité de l'alimentation (PI) avant et après la conception afin d'identifier et d'atténuer de manière proactive les problèmes potentiels.
Respect strict des calculs d'impédance
Calculez avec précision et obtenez la largeur et l'espacement des pistes requis pour l'impédance cible, en vous basant strictement sur les paramètres des matériaux (par exemple, l'épaisseur diélectrique, Dk) fournis par le fabricant.
Assurer des plans de référence ininterrompus
Les traces de signaux critiques à haute vitesse doivent avoir un plan de référence solide (masse ou alimentation) sous elles ; évitez de croiser les divisions dans le plan de référence afin de maintenir un chemin de retour clair.
Optimiser le routage des paires différentielles
Maintenez une largeur, un espacement et un parallélisme constants pour les paires différentielles, et contrôlez rigoureusement l'adaptation de la longueur intra-paire afin de garantir l'immunité au bruit et la qualité du signal.
Placez les condensateurs de découplage près des broches
Placez les condensateurs de découplage aussi près que possible des broches d'alimentation des circuits intégrés afin de minimiser l'inductance de boucle et d'assurer un filtrage efficace des bruits haute fréquence.
Évitez les angles aigus
Utilisez des angles de 135 degrés ou des traces en arc pour tous les coudes des traces de signal afin de minimiser les discontinuités d'impédance et les réflexions de signal.
Gérer les chemins de retour des signaux
Toujours tenir compte et contrôler le chemin du courant de retour des signaux à haute vitesse, en veillant à ce qu'il reste à faible impédance, ce qui est essentiel pour maintenir l'intégrité du signal.
Donner la priorité aux vias au sol près des transitions de couches
Placez les vias de masse à proximité des vias de signal lorsque les signaux à haute vitesse changent de couche afin d'obtenir le chemin de retour le plus court et continu à faible impédance.
- Chemin de retour du signal stable : Un plan de masse solide fournit un chemin de retour direct et continu pour les signaux à haute vitesse, empêchant ainsi les boucles de courant erratiques et minimisant les interférences électromagnétiques à la source.
- Isolation acoustique efficace : Des couches d'alimentation et de masse dédiées protègent les couches de signaux haute vitesse sensibles qui se trouvent entre elles, empêchant ainsi la diaphonie.
- Impédance caractéristique contrôlée : La conception précise de l'empilement permet le calcul et le contrôle de l'impédance des pistes, ce qui est essentiel pour minimiser les réflexions de signaux et impossible à réaliser avec des cartes à double face.
- Distribution électrique supérieure : Un plan d'alimentation solide fournit un chemin à faible impédance pour fournir une alimentation propre aux puces, améliorant ainsi l'intégrité de l'alimentation et empêchant les fluctuations de tension.
Pratiques de routage à grande vitesse des circuits imprimés
1. Principe de priorité de la mise en page
Pendant la phase de conception, respectez la stratégie « l'essentiel d'abord, le général ensuite ». Donnez la priorité au placement des composants à haute vitesse (tels que les processeurs, la mémoire, les interfaces SerDes, etc.) et réduisez au minimum les distances d'interconnexion entre eux afin de réduire le retard et la perte du trajet du signal.
2. Contrôle d'impédance
Le contrôle de l'impédance est la pierre angulaire de la conception de circuits imprimés à haute vitesse. Qu'il s'agisse de cartes rigides ou de circuits flexibles à haute vitesse, des calculs de simulation précis et un contrôle des processus doivent être appliqués afin de garantir une impédance constante le long des pistes critiques, évitant ainsi les réflexions de signaux causées par une incompatibilité d'impédance.
3. Correspondance de longueur
Pour les bus parallèles (par exemple, DDR) ou les signaux différentiels, l'adaptation de la longueur des traces concernées est essentielle pour répondre à des exigences strictes en matière de synchronisation. Une pratique courante consiste à utiliser un routage en serpentin pour compenser les chemins plus courts, afin de garantir que les signaux arrivent de manière synchrone à l'extrémité réceptrice.
4. Règle des 3W
Pour supprimer la diaphonie entre les traces adjacentes, il est recommandé de suivre la « règle des 3W » : l'espacement centre à centre des traces adjacentes doit être au moins trois fois supérieur à la largeur d'une seule trace. Cela réduit efficacement le couplage du champ électrique et améliore l'intégrité du signal.
5. Via l'optimisation
Les vias introduisent une capacité et une inductance parasites, ce qui entraîne des discontinuités d'impédance et une dégradation de la qualité du signal. Dans les conceptions à haute vitesse, l'utilisation des vias doit être réduite au minimum. Si nécessaire, optimisez les paramètres tels que la taille des trous, le diamètre des pastilles et la structure anti-pastille afin de contrôler les effets parasites.
FAQ sur la conception de circuits imprimés à haute vitesse
Q : Qu'est-ce qui définit une conception « haute vitesse » ?
A : Il est déterminé par le temps de montée du signal par rapport à la longueur de la trace. Si la longueur de la trace dépasse 1/12 de la longueur d'onde effective du signal (par exemple, > 5 cm pour un temps de montée de 1 ns), les effets de la ligne de transmission deviennent critiques. Les vitesses de front rapides sont plus importantes que la fréquence d'horloge.
Q : Un circuit imprimé à 4 couches est-il viable pour une conception à haute vitesse ?
A : Oui. Une structure standard à 4 couches fournit les plans de masse/alimentation essentiels pour le contrôle de l'impédance et les chemins de retour. Convient à la plupart des systèmes embarqués (ARM/FPGA), mais les interfaces multi-Gbps (PCIe/SATA) nécessitent davantage de couches pour une meilleure isolation.
Q : Comment les signaux différentiels rejettent-ils le bruit ?
A : Les paires différentielles transmettent des signaux inversés. Le bruit en mode commun couplé aux deux lignes est annulé lorsque le récepteur calcule leur différence. Leurs champs opposés réduisent également le rayonnement électromagnétique.
Q : Pourquoi impliquer les fabricants dès le début ?
A : Les matériaux de fabrication (constante diélectrique, poids du cuivre) ont un impact direct sur la précision de l'impédance. Une collaboration précoce garantit que votre conception correspond aux capacités du fabricant, évitant ainsi des modifications coûteuses et des retards.
Le succès des conceptions à haute vitesse dépend en fin de compte d'une fabrication de haute précision. En tant que fabricant professionnel de circuits imprimés à haute vitesse avec 17 ans d'expérience, Topfast veille à ce que votre intention de conception soit fidèlement traduite dans la réalité physique grâce à un contrôle stable de la constante diélectrique et au respect strict de la largeur/espacement des lignes et de l'alignement entre les couches. Nous fournissons également des rapports d'essais d'impédance professionnels afin de valider de manière fiable les performances des produits.