Ecole d électronique CNRS-IN2P3 CEM des cartes rapides / Lignes de transmission Philippe DUNAND
Qu est ce qu une électronique rapide?
Amplitude Amplitude Représentation d un signal sinusoïdal Représentation temporelle 6 4 Représentation temporelle 2 0-2 -4-6 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 temps en s Représentation Fréquentielle 6 5 4 Représentation Fréquentielle 3 2 1 0-1 10 100 1000 Fréquence 3
Représentation d un signal trapézoïdal Représentation temporelle 6 5 4 Représentation temporelle 3 2 1 0-1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Temps Représentation fréquentielle 10 1 Représentation Fréquentielle 0.1 0.01 0.001 0.0001 0.00001 10 100 1000 Fréquence 4
Relation Temps / Fréquence 90 % - 3 db 10 % t Fc f Tm = 2,2. t Fc = 1 / 2. p. t Fc = 0,35 / Tm Tm = 0,35 / Fc 5
Ligne de transmission - Phénomène Régime stationnaire : U I I = U / R Régime impulsionnel : Si tm < 2.t (t : temps de propagation) U I I = U / Rc 6
Masses et alimentations d une carte
Contraintes d alimentation sur une carte Umd Umc Umd : Bruit de Mode Différentiel - Bruit d alimentation Umc : Bruit de Mode Commun - Bruit de masse 8
Couplage par impédance commune Ialim U U+Up Iext Z Up = Z. (Iext+Ialim) 9
Impédance par carré d un plan de cuivre en mω Impédance d un plan de masse 10 R 370 mω F Mhz 1 E=35 μm R mω 17,2 e μm 0,1 10 khz 100 khz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10
Circulation des courants Retour du courant HF Distribution du courant de retour 11
Effet d une fente dans un plan de masse Rayonnement en champ magnétique -> Self équivalente : 1 nh/cm 12
Impédance en Ω Impédance d une piste de circuit imprimé w (mm) 100 L (mm) L = 10 cm ; w = 0,15 mm L = 10 cm ; w = 0,3 mm Résistance (e = 35 μm) R mω 0,5 L D 10 Self L 10 nh / cm 1 0,1 1 khz 10 khz 100 khz 1 MHz 10MHz 100MHz 13
Self en nh pour L = 1 cm Self Inductance d une piste de circuit imprimé 15 14 13 12 L nh 2 L 0,2 L Ln w L : Longueur de la piste en mm W : Largeur de la piste en mm w 0,5 0,22 L 11 10 9 8 7 6 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 L/w 14
Impédance d un connecteur Fente dans le connecteur Broches de masse L impédance d un connecteur est donnée par : La résistance de chaque broche. La self d une broche avoisine 20 nh Prendre en compte la self de la fente soit environ 1 nh/cm 15
Bruit d alimentation sur une carte 50 ma / 5 ns Alimentation Longueur totale de la piste d alimentation : 5 cm Uboitier L Uboitier 5 10.10 9 ΔI Δt Uboitier = 500 mv 50.10 5.10-3 -9 16
Impédance d un condensateur C ESR ESL C = 10 nf ESR = 0,1 Ω ESL = 6 nh 17
Mise en parallèle de condensateurs de découplage Fonction À découpler 100 µf 10 nf 18
Découplage d une carte mulicouche 3,5 nf 100 µf 10 nf 47 nf 100 nf 19
Gestion des masses Carte mixte Placement des composants Séparation des parties analogiques et numériques Placer si possible la zone analogique sur un côté de la carte Placer les connecteurs d alimentation dans la zone «sale» Gestion des masses Utiliser un plan de masse UNIQUE analogique / numérique Eviter toute mise en œuvre introduisant une séparation des masses ou des fentes dans la plan de masse Analogique Numérique 20
Couplage capacitif Carte / Environnement Imc Effet : Immunité Rayonnement 21
Capacité parasite d une carte Capacité parasite d une carte : Capacité d un condensateur plan lorsque la carte est proche de son environnement C pf 8,85.10 2 S h cm 2 cm Capacité intrinsèque du disque équivalent lorsque la carte est éloigné des structures conductrices environnantes C 0,35 pf D cm S : surface de la carte - h : hauteur entre la carte et l environnement - D : Diamètre équivalent de la carte 22
Capacité parasite des pistes Surfaces équivalentes des pistes 23
Masse électronique et Masse mécanique Réduction des capacités parasites : Identification des pistes sensibles Maîtrise du placement et routage des zones sensibles Raccordement du 0 V au châssis Analogique Numérique Raccordement aux coins de la carte Raccordement intermédiaire si la distance entre points > 10 cm Raccordement de part et d autre des connecteurs Raccordement au niveau de la zone chaude (émission) Attention aux raccordements côté analogique 24
Diaphonie piste à piste U 25
Diaphonie capacitive : Principe de calcul R1 C12 U Rv1 C1 C2 Rv2 R2 D(dB) 20 log(2 π f Rv C12) Rv1 Rv2 Rv Rv1 Rv2 Dmax(dB) 20 log C 12 C2 C 2 26
Diaphonie inductive : Principe de calcul Lc M12 Lv U R2 Rv1 Rv2 Côté Rv1 Côté Rv2 M12 2 π f Rv1 D(dB) 20 log Rc Rv1 Rv2 M12 2 π f D(dB) 20 log Rc Rv2 Rv1 Rv2 Dmax(dB) 20 log M 12 Lc 27
Capacité de couplage Configuration microstrip C 1-2 entre pistes 1.000 0.100 C12 en pf/cm 0.010 d 0.001 w w/h = 2 w/h = 1 C 12 C2 h w/h = 0,5 w/h = 0,2 w/h = 0,1 0.000 0.1 1 10 100 d/h 28
M12 en µh/m Mutuelle Inductance Configuration microstrip 1.000 0.100 d 0.010 w M12 h 0.001 0.1 1 10 d/h 29
Diaphonie au dessus d une fente Fente dans le connecteur 30
Sources d émission en rayonnement Rayonnement des câbles Rayonnement des cartes Imc Imc Imd 31
Calcul du rayonnement d une boucle L (m) I E : V/m h(m) Si L < λ/4 et h < λ/4 E v/m 0,013 L h I D m A F 2 MHz Si L > λ/4 E v/m 3,9 h I D A m F MHz Formule applicable en champ lointain : D > λ/2.π soit D > 48/FMhz 32
Distribution et routages des horloges Imd Moyen Bon Préférable 33
Maîtriser le retour du courant Routage des pistes d horloge : Placer systématiquement une piste de masse à proximité de la piste d horloge Préférer encadrer la piste d horloge par des pistes de masse, même dans le cas avec plan de masse Ne jamais enjamber une fente avec la piste d horloge Attention au retour du courant dans le cas d un changement de couche avec une piste d horloge Ne jamais mettre de piste en bord de carte 34
Intégrité du signal
Lignes de transmission - Définitions R L G C Rc R G j.l.ω j.c.ω Propagation dans une ligne sans perte : Rc L C v 1 L.C 36
Ligne de transmission Réflexion Propogation le long d une ligne non adaptée : Ui Rc Rb en Ω R Rb Rc Rb Rc Ur = Ui x R 37
Ligne de transmission Forme des signaux 15 Ω 5 Vin Rc=50 Ω Vout 900 Ω 38
Ligne de transmission Forme des signaux 39
Ligne de transmission Adaptation série 50 Ω 5 Vin Rc=50 Ω Vout 470 Ω 40
Différents de type de transmission Liaison multipoints : Adaptation parallèle U R = Rc Liaison point à point : Adaptation série R = Rc U R Rc 41
Longueur maximale sans adaptation En supposant une vitesse de propagation de 0.6 c, la longueur maximale permise pour une ligne non-adaptée est celle pour laquelle le temps de propagation aller-retour est égal au temps de montée du signal. Lmax en cm 120 100 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 Tm en ns Longueur maximale d une ligne non-adaptée en fonction du temps de montée des signaux 42
Zc en Ohms Impédance caractéristiques d une ligne microstrip 160.00 140.00 w 120.00 r=4,5 h 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0.1 1 10 w/h Ref : Capacitance, Inductance and crosstalk analysis Charles S. Walker 43
Impédance caractéristique d une ligne stripline 90.00 80.00 70.00 w h 60.00 r=4,5 h 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0.1 1 10 Ref : Capacitance, Inductance and crosstalk analysis Charles S. Walker 44
Zc en ohms Impédance caractéristique d une ligne différentielle - Microstrip 100.00 90.00 w 80.00 r=4,5 d h 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 h/d = 1 h/d = 0,5 h/d = 0,3 0.00 0.1 1 10 w/d Ref : Capacitance, Inductance and crosstalk analysis Charles S. Walker 45
Zc en ohms Impédance caractéristique d une ligne différentielle - Stripline 100.00 90.00 80.00 w h 70.00 r=4,5 d h 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 h/d = 1 h/d = 0,5 h/d = 0,3 0.00 0.1 1 10 w/d Ref : Capacitance, Inductance and crosstalk analysis Charles S. Walker 46
Lignes de transmissions - Ruptures d impédance Rupture d impédance «Géométrique» : Changement de direction Non Préférable Idéal Trous métallisés Rupture d impédance capacitive «Influence» éléments externes sur une ligne différentielle 47
Rupture d impédance «Structurelle» Changement de configuration Configuration Microstrip Configuration Stripline 48
Effet des trous métallisés Effet «Stub» 49
Techniques d adaptation Adaptation parallèle : Zc Adaptation analogique R Liaison asymétrique : R1 // R2 1,1.Zc (-> 2.Zc) R1 = 220 & R2 = 330 Ω (pour une ligne 100 Ω) Zc R1 R2 Adaptation «Dynamique» : R1 // R2 1,1.Zc (-> 2.Zc) TTL: R1 = 220 & R2 = 330 Ω Zc R2 R1 C R3 Adaptation «minimaliste» : Economique Zc Pas de consommation 50
Exemples d adaptation Zc= 100 Ω 220 Ω 330 Ω 470 Ω Zc= 100 Ω 470 pf 470 Ω 220 Ω 51
Problèmes des fonds de panier Adaptation aux deux extrémités : Consommation importante R1 R2 Zc R1 R2 Zc L C Insertion de carte : Modification de Zc R1 R2 Zc R1 R2 Zc L C (n x 15 pf) C rajouté : Broches 2 pf Capacité porte entrée 6 pf Capacité des piste 8 pf 52
Fonds de panier : Modification de la bande passante U 50 Ω Vout 50 Ω U 50 Ω Vout 50 Ω 15 pf 15 pf 15 pf 15 pf 15 pf 53
Retard en ns/m Vitesse de propagation et Retards Isolant homogène : La vitesse de propagation est indépendante de la géométrie et ne dépend que de r Pour les géométries Stripline avec un verre epoxy, le retard est donc de 7 ns/m Isolant inhomogène : La vitesse de propagation dépendant de la géométrie Retard pour un ligne microstrip 6.80 6.60 6.40 6.20 6.00 5.80 5.60 0.1 1 10 w/h 54
Lignes de transmission : Impact sur le choix du câblage et du circuit imprimé Conception des lignes de transmission : Identification du besoin en fonction des contraintes de vitesse et intégrité du signal Choix du type de topologie Choix des techniques d adaptation Mise en œuvre des lignes de transmission : Choix de la configuration Calcul des paramètres géométriques Maîtrise de la géométrie sur toute la longueur de la ligne 55
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