Tutoriel sur la simulation et la mesure

Les ingénieurs civils ont un dicton : **« N'importe quel idiot peut construire un pont qui tient debout. Il faut un ingénieur pour construire un pont qui tient à peine debout. »**
Pour atteindre leurs objectifs, les ingénieurs disposent **d'analyses par éléments finis et par éléments concentrés**, leur permettant de simuler toutes sortes de charges et d’analyses de défaillance.
Avec ces informations en main, ils peuvent prendre des décisions pour **réduire les coûts**.
Les aspects techniques sont propres au domaine du **génie civil**, mais les **processus sont universels** à toutes les disciplines : **faire fonctionner, sécuriser, puis optimiser les coûts**.
L’ingénierie est, dans son essence, **un compromis entre des exigences concurrentes et des risques**, où **le coût et la sécurité** l’emportent souvent.

Le même raisonnement s’applique à la **conception des PCB**.
Même si **tout le monde ne peut pas concevoir un PCB HDI**, il reste vrai que **« il faut un ingénieur pour concevoir un PCB HDI qui fonctionne à peine. »**
Pourquoi ? Parce que **ce «à peine" peut générer des économies significatives**.

Bien sûr, vous pouvez choisir **un matériau de base Roger’s, utiliser du cuivre 2 oz.** et obtenir un design parfaitement fonctionnel.
Mais pouvez-vous remplacer **iTera MT40 par du FR4 1080** et le **cuivre 2 oz. par du cuivre 1 oz.** ?
Vous ne le saurez jamais **sans simuler votre conception** ou sans **prendre le risque** d’utiliser des matériaux moins chers.

L’objectif de cet article est de convaincre votre entreprise **d’investir dans les outils nécessaires** pour que vous puissiez **acheter des matériaux moins coûteux** et ainsi **réduire le coût global de production de votre PCB**.

Enfin, la **fréquence de fonctionnement** de votre conception **n’est pas le facteur le plus critique**.
Lorsque vous décidez de **simuler votre conception** ou de **choisir un équipement de test**, le chiffre clé à surveiller est **le temps de montée / descente du signal le plus rapide dans votre circuit**.

Ce graphique temporel montre la différence de potentiel sur une trace hypothétique lors d'une transition logique de bas en haut. Le temps de montée est mesuré comme l'intervalle entre 20 % et 80 % de la tension logique haute, ou comme l'intervalle entre 10 % et 90 %.

Il est possible (bien que peu probable) d'obtenir une fréquence de commutation lente de 40 kHz avec un temps de montée équivalent à 20 GHz en utilisant un commutateur GaN rapide. La fréquence est l'inverse de la période, donc 1/50 ps = 20 GHz (20 GHz est une approximation, car le choix entre 80/20 ou 90/10 est quelque peu arbitraire et je ne tiens pas compte de quelques autres détails). Pour rappel, vous concevez peut-être un circuit « bas débit » sur le papier, mais en pratique, il pourrait s'agir d'une conception à très, très haut débit. Et ces harmoniques, réflexions, etc. à haut débit pourraient perturber complètement votre conception.

Et pour couronner le tout, il ne faut pas seulement se soucier de la fréquence fondamentale (déterminée par le temps de montée). Dans le domaine fréquentiel, les ondes carrées sont constituées d'une série d'ondes sinusoïdales de plus faible amplitude et de plus haute fréquence. Malheureusement, les premières harmoniques ont elles aussi une amplitude suffisante pour perturber votre conception.

Dans le domaine fréquentiel, chaque signal numérique peut être décomposé en une série d'ondes sinusoïdales d'amplitude décroissante.

Par exemple, un signal de 300 ps nécessiterait un oscilloscope avec une bande passante de 2 GHz, tandis qu'un oscilloscope de 1 GHz pourrait capturer un signal de 600 ps au maximum. Gardez à l'esprit que cette équation est une estimation approximative. Pour déterminer précisément vos besoins, vous devrez connaître la précision de mesure requise, la réponse en fréquence de votre oscilloscope, la résistance et la capacité de ses sondes, ainsi que quelques autres éléments. Il est préférable de contacter un représentant en équipements de test par téléphone pour lui expliquer vos besoins et lui demander quels instruments de test répondent à vos besoins.

Si vous ne disposez pas de suffisamment de points d'échantillonnage, vous ne pourrez pas capturer les temps de montée et de descente réels de votre signal.

À quoi cela ressemble-t-il en pratique ? Prenons un instant pour examiner quelques signaux réels échantillonnés provenant d'une source avec un temps de montée d'environ 40 ps sur un oscilloscope Tektronix MDO3104 avec une bande passante combinée nominale de 1 Géch./s. La règle empirique fournie précédemment indique que cet oscilloscope pourrait, au mieux, afficher un temps de montée de 600 ps, soit une différence de plus d'un ordre de grandeur par rapport au temps de montée indiqué dans la fiche technique.

Tout d'abord, réglez l'oscilloscope sur 250 MHz, soit la bande passante maximale sur un seul canal si les quatre canaux étaient utilisés. On observe alors un signal assez similaire à la première image de cet article. Il semble remarquablement net, vous pourriez donc être tenté de penser que tout s'est bien passé, de noter le nombre et de passer à autre chose. Mais attention.

Cette image de l'oscilloscope MDO3104 montre le signal de 40 ps enregistré avec une bande passante de 250 MHz. La courbe présente un temps de montée mesuré d'environ 725 ps.

Voyons maintenant à quoi ressemble ce signal lorsque toute la bande passante de 1 GHz est utilisée et que l’échantillonnage augmente d’un facteur quatre.

Cette image d'oscilloscope montre le signal de 40 ps enregistré avec une bande passante de 250 MHz. La courbe présente un temps de montée mesuré d'environ 260 ps.

Il s'agit d'un signal totalement différent. Et le temps de montée mesuré est également nettement plus élevé qu'auparavant. Nous ne voyons pas le temps de montée réel du signal, mais les limites du taux d'échantillonnage de l'oscilloscope.

Cette image n'est pas non plus la représentation exacte du signal. Même si nous avons quadruplé le nombre de points d'échantillonnage, il n'y a toujours pas assez de points échantillonnés pour capturer et reproduire avec précision la forme d'onde.

À titre d'exemple, le signal bleu est échantillonné par environ 20 points régulièrement espacés à gauche et 4 fois ce nombre à droite. Mais comme vous pouvez le constater, la montée et la descente du signal ne sont pas échantillonnées avec précision.

En bref, pour les signaux à haut débit, vous avez besoin d’un équipement de test de qualité dans votre laboratoire pour vraiment comprendre ce qui arrive aux signaux dans vos circuits.

Simulation

Avant de mettre en marche votre équipement de test ou d'envoyer votre maquette à votre atelier de fabrication, vous devez avoir une compréhension approfondie de ce qui se passe dans votre conception. Pour cela, vous devez trouver une suite logicielle de simulation adaptée à vos besoins et à votre budget.

Vos besoins en simulation dépendront du temps de montée de vos appareils. Il existe une variété de logiciels répondant à de nombreux besoins. Vous avez besoin des outils adaptés pour réaliser votre travail.