Discontinuités d'impédance

La plupart des ingénieurs savent que lorsqu'une onde électromagnétique rencontre une discontinuité d'impédance à un point quelconque de son trajet entre la source et la destination, une partie de l'énergie du signal se réfléchit, créant du bruit et dissipant de l’énergie sous forme d’ondes radio et de chaleur. Cependant, ce que l’on oublie souvent, c’est que la discontinuité d’impédance doit être électriquement longue par rapport au temps de transition du signal avant que le problème ne soit visible sur autre chose que les équipements de test les plus avancés.

Il est vrai que les variations d’impédance doivent être évitées autant que possible pour prévenir les réflexions et la dissipation d’énergie. Cependant, de très petites perturbations, comme la diminution de quelques ohms d’impédance aux angles droits, n’ont généralement aucun impact significatif.

Analogie avec les pneus de voiture

Imaginez que vous conduisez votre voiture sur l’autoroute et que les pneus du côté gauche rencontrent une flaque d’eau. Si la flaque ne fait que 0,05 mm de profondeur, elle est visible, mais vous ne sentirez probablement même pas sa présence, et le changement de vitesse des roues sera imperceptible. En revanche, si la flaque mesure 50 cm de profondeur, le pneu gauche ralentira brusquement.

Quelle est la différence ? Un pneu subira un changement de vitesse en passant de l’asphalte à l’eau, mais d’autres facteurs entrent en jeu — la profondeur de l’eau et la largeur de la flaque sont également importantes. Dans le premier cas, la profondeur de l’eau est insignifiante par rapport à la hauteur du pneu et au poids de la voiture. Dans le second cas, la profondeur de l’eau dépasse la moitié de la hauteur du pneu.

Retour aux PCB

Un phénomène similaire se produit dans les PCB. Les signaux électriques se propagent dans les matériaux FR4 à environ six pouces par nanoseconde. Regardez le temps de montée et de descente de votre circuit. Si ce temps est de 1 nanoseconde, alors une transition logique complète peut se produire sur une piste de 6 pouces. L’énergie des harmoniques de ce signal transite sur une distance encore plus courte. Une règle de base simple consiste à supposer qu’un sixième de cette distance, soit environ 1 pouce par nanoseconde, est le seuil critique. (Ce chiffre est un peu plus conservateur que d’autres règles empiriques, mais il est plus facile à retenir). Nos collègues européens peuvent utiliser 2 ou 3 cm/ns comme seuil, puisqu’il s’agit d’une simple estimation.

Que cela signifie-t-il ? Si votre signal a un temps de montée de 1 nanoseconde, une petite discontinuité d’impédance doit être plus longue que 1 pouce pour provoquer des réflexions de signal mesurables.

Le mythe des traces à angle droit pour les lignes numériques

Les angles droits sur les PCB entraînent une baisse d’impédance minime sur une distance si courte qu’ils ne sont même pas à prendre en compte, sauf si vous concevez un circuit avec des temps de montée inférieurs à 100 ps.

Les concepteurs de PCB accordent généralement la plus haute priorité aux signaux haute tension et haute vitesse, ce qui signifie qu'ils sont routés en premier, et que les autres lignes de signal doivent contourner ces tracés.

Si votre projet utilise une paire différentielle à faible vitesse (temps de montée de 10 ns) sur quelques centimètres entre la puce et le connecteur, vous n’avez pas besoin d’appliquer les règles de conception haute vitesse prévues pour des temps de montée de 50 ps.

La première étape de toute conception haute vitesse commence immédiatement après la finalisation du schéma et avant le routage de la première piste. Contactez votre fabricant de PCB et indiquez-lui que vous avez besoin de directives sur la largeur des pistes et les espacements pour un réseau haute vitesse.

De nombreux calculateurs d’impédance gratuits en ligne ne sont pas suffisamment précis, car ils ne prennent pas en compte des variables du monde réel telles que l'excès de résine, la teneur en époxy ou la trame de fibre de verre. Les fabricants de PCB fournissent souvent à leurs clients des empilements de couches prédéfinis. Les ingénieurs en charge des empilements poseront plusieurs questions, telles que l'épaisseur de la carte, le poids du cuivre, le nombre de couches et les diélectriques que vous prévoyez d'utiliser. Ils vous fourniront ensuite des recommandations précises pour les largeurs de traces et les espacements en utilisant des matériaux rentables et facilement disponibles. Voici un exemple d’empilement :

Les instructions de tracé et d'espacement fournies ne s'appliquent qu'aux couches sur lesquelles elles sont calculées. Si vous prévoyez de changer de couche, vous devrez probablement également modifier la largeur des traces et de l'espacement. De plus, lors du routage de vos traces, évitez toute action susceptible de modifier leur impédance, comme les placer au-dessus ou en dessous des traces des couches adjacentes ou les acheminer trop près des vias de raccordement.