Pourquoi l'impédance est importante et comment la contrôler

Pourquoi l’impédance est-elle importante dans un circuit imprimé ?

Un circuit fonctionnant à haute fréquence présente une opposition ou impédance à l’écoulement du courant électrique en raison de la combinaison de la résistance, de l’inductance et de la capacité qu’il contient, lorsqu’une tension alternative y est appliquée. Cette impédance est constituée d’une somme complexe entre la résistance en courant continu (DC) et la réactance du circuit. Tandis que la résistance DC est indépendante de la fréquence de la tension alternative appliquée, la réactance dépend du caractère inductif ou capacitif du circuit. Lorsque la fréquence augmente, la réactance inductive croît tandis que la réactance capacitive diminue — l’inverse se produit en cas de baisse de fréquence.

La résistance d’un circuit n’a pas d’impact sur l’angle de phase entre la tension alternative et le courant résultant, tandis que la réactance fait avancer ou retarder le courant selon que le circuit est capacitif ou inductif.

Pour les calculs, la résistance est notée R, l’impédance Z, la réactance capacitive XC et la réactance inductive XL. Ces deux types de réactance sont exprimés en ohms, tout comme la résistance et donc l’impédance.

Pourquoi l’impédance compte dans un circuit imprimé

Pour une piste de cuivre sur un PCB, le chemin de retour peut passer par une autre piste ou par un plan de masse. La résistance reste constante, mais l’impédance dépend de la configuration du chemin de retour. Par exemple, si la piste de retour suit ou non la piste principale, ou si elle est proche ou éloignée, cela affecte fortement l’impédance rencontrée par le courant.

En résumé, à moins que le concepteur ne configure précisément la piste, son retour et leur environnement, l’impédance peut varier d’un point à un autre. À haute fréquence, les pistes PCB ne se comportent plus comme de simples connexions : cette impédance variable dégrade le signal au cours de sa propagation.

Comme la résistance atténue le courant, l’impédance atténue également le courant en fonction de la fréquence. Par exemple, des signaux carrés parfaits peuvent perdre leurs bords nets, et leurs angles devenir arrondis.

Une onde carrée est composée de multiples sinusoïdes harmoniques. À cause de l’impédance variable, les hautes fréquences sont davantage atténuées que les basses, déformant ainsi l’onde carrée d’origine.

Ces signaux déformés provoquent des dysfonctionnements imprévisibles et sont donc inacceptables. Le remède est de contrôler l’impédance le long du trajet pour assurer une performance haute fréquence répétable.

Le contrôle de l’impédance caractéristique d’une ligne de transmission formée par des conducteurs PCB est appelé impédance contrôlée. Il est essentiel pour maintenir l’intégrité du signal.

Contrôle de l’impédance

Les facteurs influençant l’impédance comprennent :

• La largeur et l’épaisseur de la piste de cuivre
• L’épaisseur du matériau de préimprégné ou du noyau de part et d’autre de la piste
• La constante diélectrique du matériau
• La distance par rapport aux autres éléments en cuivre

Ainsi, le fabricant doit parfois ajuster la largeur de la piste, son épaisseur ou l’épaisseur du matériau pour respecter les tolérances d’impédance.

Les matériaux du PCB définissent aussi l’impédance. On parle alors de diélectrique contrôlé. Deux méthodes sont utilisées :

Diélectrique contrôlé : Le concepteur spécifie l’empilement des couches, le matériau diélectrique et les tolérances. Le fabricant se concentre sur le respect des épaisseurs sans ajuster l’impédance.

Impédance contrôlée : Le concepteur spécifie l’impédance, et le fabricant ajuste les épaisseurs, la largeur des pistes et les espacements. Des coupons TDR sont utilisés pour vérification.

Chemin d’impédance minimale et signaux rapides

Même si le chemin le plus court est celui de moindre résistance, les signaux haute vitesse préfèrent celui de moindre impédance. À basse fréquence, le courant de retour suit une ligne droite à travers le plan de masse. À haute fréquence, l’inductance mutuelle entre la piste et le plan crée un chemin à faible impédance qui suit la piste.

Conception des chemins de retour

Les bonnes pratiques incluent :

• Chemin de retour proche et parallèle à la piste du signal
• Les signaux différentiels doivent rester proches tout au long de leur route
• Placer des vias de masse proches des vias de paire différentielle
• Connecter les plans de cuivre autour aux plans de masse
• Entourer les signaux rapides par des plans de masse et utiliser un plan continu dessous
• Les signaux nécessitant une certification FCC peuvent être routés entre deux plans de masse cousus par vias

Calcul de l’impédance contrôlée

L’impédance contrôlée peut être calculée à partir de paramètres physiques, mais cela requiert des méthodes numériques complexes comme l’analyse des éléments de frontière.

Test des PCB à impédance contrôlée

Les PCB critiques sont testés à 100 %, mais les pistes ne sont pas toujours accessibles. Elles peuvent être trop courtes ou contenir des vias, rendant la mesure difficile. Ajouter des vias de test perturberait les performances.

C’est pourquoi les tests sont réalisés sur des coupons intégrés à la plaque, construits de façon identique au PCB. Cela garantit que l’impédance est conforme.

Mesure de l’impédance contrôlée

L’instrument le plus courant est le réflectomètre temporel (TDR). Il envoie une impulsion rapide via une sonde. Toute discontinuité d’impédance génère une réflexion visible sur l’oscilloscope. Un logiciel convertit ces données en graphique d’impédance.

Équipements de mesure

Des fabricants comme Tektronix et Agilent proposent des TDR modulaires ou multiports. Chaque appareil offre des avantages spécifiques selon les besoins.

Conclusion

Avec l’augmentation des fréquences et la miniaturisation, garantir l’intégrité du signal passe par une bonne conception et maîtrise de l’impédance. Les meilleures pratiques de conception et les outils modernes permettent d’obtenir des résultats reproductibles.