Qu’est-ce que le contrôle d’impédance et comment le mettre en œuvre sur les circuits imprimés ?

Dans la conception des appareils électroniques modernes, les circuits imprimés (PCB) jouent un rôle crucial. Leurs performances influent directement sur la stabilité, la fiabilité et l'efficacité de transmission de l'ensemble du système électronique. Parmi les aspects importants de la conception des PCB, on peut citer le contrôle d'impédance. Les circuits numériques modernes présentant des temps de transmission plus courts et des fréquences d'horloge plus élevées, les pistes des PCB ne sont plus de simples connexions, mais de véritables lignes de transmission. Le contrôle d'impédance des PCB consiste à optimiser la vitesse de transmission et l'adaptation d'impédance des signaux sur le PCB afin de garantir la qualité et la stabilité de la transmission.

En pratique, il est nécessaire de contrôler l'impédance des pistes lorsque la latence numérique dépasse 1 ns ou que la fréquence analogique excède 300 MHz. L'un des paramètres clés d'une piste de circuit imprimé est son impédance caractéristique (c'est-à-dire le rapport tension/courant lors de la propagation du signal le long de la ligne). L'impédance caractéristique des pistes sur circuit imprimé est un indicateur important pour la conception de ce dernier. En particulier, pour les circuits imprimés haute fréquence, il est essentiel de vérifier que l'impédance caractéristique de la piste est compatible avec l'impédance caractéristique requise du composant ou du signal. Ceci fait intervenir deux concepts : le contrôle d'impédance et l'adaptation d'impédance. Cet article traite du contrôle d'impédance et de la conception des empilements.

Divers signaux circulent dans les conducteurs d'un circuit imprimé. Pour améliorer son débit de transmission, sa fréquence doit être augmentée. L'impédance du circuit varie en fonction de facteurs tels que la gravure, l'épaisseur des couches et la largeur des pistes, ce qui entraîne une distorsion du signal. Par conséquent, l'impédance des conducteurs sur les circuits imprimés haute vitesse doit être maintenue dans une certaine plage : c'est ce qu'on appelle le « contrôle d'impédance ».

L'impédance des pistes d'un circuit imprimé est déterminée par leur inductance et leur capacité, leur résistance et leur coefficient de conductivité. Les principaux facteurs influençant l'impédance des pistes d'un circuit imprimé sont la largeur et l'épaisseur du fil de cuivre, la constante diélectrique et l'épaisseur du substrat, l'épaisseur de la pastille de soudure, le chemin du fil de masse et le câblage environnant. L'impédance d'un circuit imprimé se situe généralement entre 25 et 120 ohms.

En pratique, les lignes de transmission des circuits imprimés sont généralement constituées d'une piste conductrice, d'une ou plusieurs couches de référence et de matériaux isolants. La piste et la couche constituent l'impédance de contrôle. Les circuits imprimés adoptent souvent des structures multicouches, et le contrôle d'impédance peut être réalisé de diverses manières. Cependant, quelle que soit la méthode utilisée, la valeur de l'impédance sera déterminée par sa structure physique et les propriétés électroniques du matériau isolant.

Une microbande est une bande de fil conducteur, c'est-à-dire une ligne de transmission dont une seule face possède un plan de référence. Ses faces supérieure et latérales sont exposées à l'air (ou recouvertes) et elle est placée sur la surface d'un circuit imprimé à constante d'isolation Er, la couche d'alimentation ou de masse servant de référence. Voir la figure suivante :

Remarque : Lors de la fabrication des circuits imprimés, une couche d’encre verte est généralement appliquée sur leur surface. Par conséquent, pour les calculs d’impédance, le modèle présenté dans la figure suivante est généralement utilisé pour les lignes microruban de surface.

Une ligne microruban est un fil conducteur placé entre deux plans de référence, comme illustré dans la figure suivante. Les constantes diélectriques des diélectriques représentés par H1 et H2 peuvent être différentes.

Les deux exemples ci-dessus illustrent simplement le fonctionnement des microbandes et des lignes striées, couramment utilisées pour l'apprentissage des systèmes embarqués IoT et autres systèmes intelligents. Il existe de nombreux types spécifiques de microbandes et de lignes striées, comme les microbandes revêtues, qui dépendent de la structure d'empilement des circuits imprimés.

L'équation utilisée pour calculer l'impédance caractéristique nécessite des calculs mathématiques complexes, généralement effectués par des méthodes de résolution de champ, notamment l'analyse par éléments finis. Par conséquent, grâce au logiciel spécialisé de calcul d'impédance SI9000, il suffit de contrôler les paramètres de l'impédance caractéristique.

La constante diélectrique Er de la couche isolante, la largeur du câblage W1 et W2 (trapézoïdale), l'épaisseur du câblage T et l'épaisseur de la couche isolante H.

W – largeur de ligne conçue

A – perte par gravure (voir tableau ci-dessus)

La largeur irrégulière entre le haut et le bas de la ligne s'explique par le fait que, lors du processus de fabrication des circuits imprimés, la corrosion se produit de haut en bas, ce qui donne à la ligne corrodée une forme trapézoïdale.

Il existe une relation correspondante entre l'épaisseur de la ligne T et l'épaisseur de cuivre de cette couche, comme suit :

* En raison de la faible influence de l'épaisseur du masque de soudure sur l'impédance, celle-ci est considérée comme une valeur constante de 0,5 mil.

Nous pouvons obtenir un contrôle d'impédance en agissant sur ces paramètres. Prenons comme exemple le circuit imprimé inférieur d'Anwei ; nous allons expliquer les étapes du contrôle d'impédance et l'utilisation du SI9000 :

La deuxième couche est le plan de masse, la cinquième couche est le plan d'alimentation, et les couches restantes sont les couches de signal.

Explication : Le diélectrique entre les couches intermédiaires est du FR-4, avec une constante diélectrique de 4,2 ; Les couches supérieure et inférieure sont des couches nues qui entrent en contact direct avec l'air, et la constante diélectrique de l'air est de 1.

Les concepteurs de circuits imprimés peuvent exploiter pleinement la structure hiérarchique de ces derniers pour maîtriser l'impédance. En positionnant les différentes couches de signal à des endroits précis, il est possible de contrôler efficacement la capacité et l'inductance intercouches. De manière générale, la couche interne utilise des matériaux à haute impédance et la couche externe des matériaux à faible impédance afin de réduire l'impact des réflexions et de la diaphonie.

Les lignes de transmission de signaux différentiels offrent une meilleure immunité aux interférences et réduisent le risque de diaphonie. Elles sont constituées de deux fils parallèles de même section mais de potentiels opposés, ce qui garantit une meilleure intégrité du signal et une immunité accrue aux interférences. L'impédance de ces lignes est généralement contrôlée par le choix de l'espacement, de la largeur et du plan de masse.

Les paramètres géométriques tels que la largeur des pistes, l'espacement et l'agencement des circuits imprimés permettent également de contrôler l'impédance. Pour les lignes microruban classiques, une largeur de piste plus importante et un espacement plus grand réduisent l'impédance. À l'inverse, pour les lignes coaxiales, un diamètre intérieur plus petit et un rayon extérieur plus grand augmentent l'impédance. Le choix de la géométrie du câblage nécessite une optimisation en fonction des exigences d'impédance spécifiques et de la fréquence du signal.

La constante diélectrique des matériaux des circuits imprimés influe également sur l'impédance. Le choix de matériaux aux propriétés diélectriques stables fait partie intégrante du contrôle de l'impédance. Dans les applications haute fréquence et haute vitesse, les matériaux couramment utilisés comprennent le FR-4 (panneau renforcé de fibres de verre), le PTFE (polytétrafluoroéthylène) et les stratifiés RF (radiofréquence).

Avant la conception de circuits imprimés, l'utilisation d'outils de simulation et de conception permet aux concepteurs de vérifier et d'optimiser rapidement et précisément l'impédance. Ces outils simulent le comportement du circuit, les pertes de transmission du signal et les interactions électromagnétiques afin de déterminer les paramètres de conception optimaux du circuit imprimé. Parmi les outils de simulation courants, on peut citer CST Studio Suite, HyperLynx et ADS.

Le contrôle de l'impédance des circuits imprimés joue un rôle crucial dans les circuits numériques et analogiques à haute vitesse. Grâce à une conception hiérarchique appropriée, à l'utilisation de lignes de transmission de signaux différentielles, au contrôle de la géométrie du câblage, à la sélection de matériaux de circuit imprimé adéquats et à l'utilisation d'outils de simulation et de conception, un contrôle précis de l'impédance peut être obtenu, améliorant ainsi les performances du circuit et l'intégrité du signal.