L'intégrité du signal, pour qui, pourquoi ?

Depuis déjà vingt ans, il est fortement question d’intégrité du signal et ces dix dernières années, on parle de plus en plus de l’intégrité des réseaux d’alimentation. Il y a trente ans, c’était la compatibilité électromagnétique.

Alors simple effet de mode ou indispensable prise en compte des phénomènes physiques qui impactent le bon fonctionnement des appareils électroniques ?

Cet article fait le point sur le nécessaire et le suffisant, uniquement sur l’intégrité du signal pour bien en comprendre les problématiques.

Jean-Pierre JOSSE – Formateur EDA Expert

Je vais commencer par revenir sur la compatibilité électromagnétique, juste pour rappeler que si la certification aux normes CE est un problème pour vous, c’est parce que vous ne vous êtes pas suffisamment intéressés à ces problématiques et qu’avec un peu de compréhension sur le cheminement des signaux dans les conducteurs, on s’aperçoit vite que le respect des gabarits normatifs n’est pas vraiment compliqué. Be the signal, comme le dit si pertinemment Bill Bogatin.

Pour le concepteur de circuits imprimés, l’intégrité du signal regroupe un ensemble de techniques qui vont assurer que le signal sera transmis sans dégradation notable

Le véhicule du signal souvent appelé piste ou trace dans notre jargon est une ligne de transmission ayant des caractéristiques électriques et électromagnétiques qui vont dégrader celui-ci. Voici un bon exemple de mon propos. Pour beaucoup de techniciens et d’ingénieurs électroniciens, ce signal est représentatif de ceux que l’on peut visualiser couramment sur un oscilloscope et ne porte pas à conséquence.

Grosse, grosse erreur. Ce signal parcourt une ligne de transmission mal adaptée et sera cause de bien des déboires ultérieurs. Un signal correct est un signal carré, sans rebonds. Ici, l’adaptation des deux extrémités de la ligne de transmission par rapport à son impédance n’a pas été réalisée correctement, ce qui fait que l’énergie incidente n’a pas été épuisée et s’est réfléchie sur la ligne. Pourquoi exiger une impédance de 50 Ohms sur une piste ? Pour qu’elle corresponde à l’impédance de sortie du transmetteur et l’impédance d’entrée du récepteur. Excellent ! Mais j’ose dire que l’impédance de sortie d’un étage CMOS est de quelques dixièmes d’Ohms et l’étage d’entrée d’un circuit logique est un ampli différentiel de quelques mégohms. Oups… D’où nécessité d’adapter et de simuler le comportement de la ligne de transmission.

Tiens, et si nous parlions de l’impédance des vias ? Après tout, le via est un élément de la ligne de transmission et doit être traité avec la même rigueur. Aie. Et les vias différentiels ? Aie, Aie…

Second problème l’atténuation du signal. Le cuivre est résistif et l’atténuation des rebonds ci-dessus semble provenir de la résistance pure de celui-ci. Mais est-ce bien vrai ?

Oui absolument, mais il ne faut pas oublier que le problème est beaucoup plus complexe.

Un courant continu se propage dans la totalité de l’épaisseur de la piste, alors qu’un courant alternatif n’occupe qu’une infime partie de celle-ci. L’épaisseur de la peau est proportionnelle à la fréquence du signal.

A 50Hz, EDF a déjà bien des soucis dans ses installations comme le montre le tableau ci-contre. Vous me direz 9,2mm de peau, c’est énorme ! Mouais, mais EDF voudrait faire passer un Gigawatt et là c’est effectivement un peu léger. Non ? Revenons à mon signal ayant un temps de montée d’une nano seconde, auquel il reste à peine 3µm d’épaisseur de piste.

Sur cette macro-photo, on peut voir l’état de surface d’une piste de cuivre de rugosité standard. On y découvre des dendrites ayant une hauteur moyenne de 7µm, sur lesquelles vont être véhiculés mes signaux ayant un temps de commutation de 1nS. Deux caractéristiques vont donc être impactées :

La résistance de la piste
Le temps de propagation du signal.

A la règle du pouce, ou à vue de nez, les problèmes deviennent cruciaux effectivement, mais nous ne sommes pas au bout.

Les tissus de fibre de verre préimprégnés de résine époxy avec lesquels nous fabriquons nos circuits imprimés ont des caractéristiques diélectriques qu’il va falloir prendre en compte. Tout d’abord le fameux εr qui nous sert à « calculer » nos si précieuses impédances plus ou moins contrôlées et ensuite le facteur d’affaiblissement également connu sous l’appellation tangente de pertes.

Dans le tableau ci-dessus, nous avons calculé l’affaiblissement lié au diélectrique sur une piste dans un fond de panier pour un tiroir télécoms de 50cm de long. Le choix du matériau à utiliser risque de ne pas être neutre…

Résumons : l’affaiblissement du signal est égal à la résistance ohmique du cuivre, réduit à l’épaisseur de la peau additionné aux pertes diélectriques. Ce qui nous donne :

Que nous allons multiplier par le facteur de correction de la rugosité que je vous laisse découvrir ci-dessous :

Soit pour un cuivre low-profile de 2µm RMS, nous arrivons sur notre signal à 5Ghz sur un FR408 à une atténuation prévisible de 13dB. Est-ce compatible avec les exigences de fonctionnement ?

Les diaphonies ou crosstalk…

L’énergie transférée d’une ligne de transmission à une autre par couplage est appelée Diaphonie.

L’énergie est transférée via :

La capacité mutuelle (Champ électrique) relative au diélectrique
L’inductance mutuelle (Champ magnétique) inhérente à l’inductance parasite de la piste

Soit pour deux pistes espacées de 254µm pour une longueur de 51mm véhiculant un signal agresseur ayant un temps de commutation de 1nS, une paradiaphonie de 464mV ou -17,04dB comme l’indique le tableau ci-contre.

Cela fait quand même beaucoup pour une piste si courte (5cm) et un écartement de 254µm avec une harmonique haute de 500Mhz.

Le but de cet article n’est pas de faire peur mais de bien faire comprendre les enjeux liés à l’intégrité du signal. De plus, l’intégrité des réseaux d’alimentations va jouer sa partition et lourdement aggraver les problèmes cités dans cet article. Enfin les défauts de conception du tracé vont encore ajouter des perturbations.

La conception et le tracé du circuit imprimé évoluent en raison de l’augmentation de la fréquence des signaux (Et surtout de leurs harmoniques) s’y propageant. Il est important de développer les compétences permettant de réaliser des circuits fonctionnant selon les critères attendus, surtout que les comportements sont prévisibles et facilement « calculables ».

La formation « Techniques et méthodes de conception avancée d’une carte électronique comportant des signaux rapides » permet de transmettre la compréhension des phénomènes électromagnétiques impactant le tracé du circuit imprimé, et de fournir des éléments de quantification de ceux-ci. Ceci permet également d’établir des spécifications circonstanciées et justifiées qui sont alors plus simples à respecter parce que comprises et acceptées.

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