CEM des cartes rapides / Lignes de transmission

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Ecole d’électronique CNRS-IN2P3

CEM des cartes rapides / Lignes de transmission

Philippe DUNAND


Qu’est ce qu’une électronique rapide ?

3 Ecole d’électronique CNRS-IN2P3 – Novembre 2012 © - Copyright Bureau Veritas

Représentation d’un signal sinusoïdal

Représentation temporelle

Représentation Fréquentielle


-6

-4

-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

Am

plitu

de


-1

0

1

2

3

4

5

6

10 100 1000

Fréquence

Am

plitu

de


Représentation d’un signal trapézoïdal



Représentation fréquentielle

0.00001

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

10 100 1000

Fréquence


-1

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Temps


Relation Temps / Fréquence

10 %

90 %

t

Tm = 2,2 . t

- 3 dB

f Fc

Fc = 1 / 2 . p . t

Fc = 0,35 / Tm Tm = 0,35 / Fc


Régime stationnaire :

Régime impulsionnel :

Si tm < 2.t (t : temps de propagation)

Ligne de transmission - Phénomène

U

I

I = U / R

U

I

I = U / Rc


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


Couplage par impédance commune

Z

U U+Up

Iext

Up = Z . (Iext+Ialim)

Ialim


Impédance d’un plan de masse Im

pé

da

nc

e p

ar

ca

rré

d

’un

pla

n d

e c

uiv

re

en

mΩ

0,1

1

10

100 kHz 1 MHz 10 MHz 100 MHz 1 GHz 10 kHz

μm

mΩe

17,2R

MhzmΩ F370R

E=35 μm


Circulation des courants

Retour du courant HF

Distribution du courant de retour


Effet d’une fente dans un plan de masse

Rayonnement en champ magnétique

-> Self équivalente : 1 nH/cm


Impédance d’une piste de circuit imprimé

Résistance (e = 35 μm)

Self

L ≈ 10 nH / cm

w (mm)

L (mm)

D

L0,5RmΩ

Imp

éd

an

ce

en

Ω

0,1

1

10

100

1 kHz 10 kHz 100 kHz 1 MHz 10MHz

L = 10 cm ; w = 0,15 mm

L = 10 cm ; w = 0,3 mm

100MHz


5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

L/w

Self

en

nH

po

ur

L =

1 c

m

L : Longueur de la piste en mm

W : Largeur de la piste en mm

Self Inductance d’une piste de circuit imprimé

L

LL

w0,220,5

w

2Ln0,2LnH


Impédance d’un 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

Fente dans le connecteur


Bruit d’alimentation sur une carte

Alimentation

50 mA / 5 ns

Longueur totale de la piste d’alimentation : 5 cm

Δt

ΔILUboitier

9-

-39

5.10

50.1010.105Uboitier

Uboitier = 500 mV


Impédance d’un condensateur

C ESR ESL

C = 10 nF

ESR = 0,1 Ω

ESL = 6 nH


Mise en parallèle de condensateurs de découplage

Fonction

À découpler 10 nF 100 µF


Découplage d’une carte mulicouche

3,5 nF 100 µF 10 nF 47 nF 100 nF


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


Couplage capacitif Carte / Environnement

Imc

Effet :

Immunité

Rayonnement


Capacité parasite d’une carte

Capacité parasite d’une carte :

Capacité d’un condensateur plan lorsque la carte est proche de son environnement

Capacité intrinsèque du disque équivalent lorsque la carte est éloigné des structures conductrices environnantes

cm

cm2

pFh

S8,85.10C

2

cmpF D0,35C

S : surface de la carte - h : hauteur entre la carte et l’environnement - D : Diamètre équivalent de la carte


Capacité parasite des pistes

Surfaces équivalentes des pistes


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


Diaphonie piste à piste

U


Diaphonie capacitive : Principe de calcul

U

R1

R2

Rv1 Rv2

C12

C1 C2

)CRvfπlog(220D(dB) 12

Rv2Rv1

Rv2Rv1Rv

212

2

CC

Clog20Dmax(dB)


Diaphonie inductive : Principe de calcul

U R2

Rv1 Rv2

Rv2Rv1

Rv1

Rc

fπ2Mlog20D(dB) 12

Lc

12Mlog20Dmax(dB)

M12

Lc

Lv

Rv2Rv1

Rv2

Rc

fπ2Mlog20D(dB) 12

Côté Rv1 Côté Rv2


C1-2 entre pistes

0.000

0.001

0.010

0.100

1.000

0.1 1 10 100

d/h

C1

2 e

n p

F/c

m

Capacité de couplage – Configuration microstrip

d

w

h C12 C2

w/h = 2

w/h = 1

w/h = 0,5

w/h = 0,2

w/h = 0,1


Mutuelle Inductance – Configuration microstrip

0.001

0.010

0.100

1.000

0.1 1 10

d/h

M1

2 e

n µ

H/m

d

w

h M12


Diaphonie au dessus d’une fente

Fente dans le connecteur


Sources d’émission en rayonnement

Imc

Imc

Imd

Rayonnement des

câbles

Rayonnement des

cartes


Calcul du rayonnement d’une boucle

h(m)

L (m)

E : V/m

Si L < λ/4 et h < λ/4

Si L > λ/4

m

MHz2

Av/m

D

FIhL0,013E

m

MHzAv/m

D

FIh3,9E

I

Formule applicable en champ lointain : D > λ/2.π soit D > 48/FMhz


Distribution et routages des horloges

Imd

Moyen Bon Préférable


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


Intégrité du signal


Lignes de transmission - Définitions

R L

G C

j.C.ωG

j.L.ωRRc

Propagation dans une ligne sans perte :

C

LRc

L.C

1v


Propogation le long d’une ligne non adaptée :

Ligne de transmission – Réflexion

Rb en Ω Rc

RcRb

RcRbR

Ui

Ur = Ui x R


Ligne de transmission – Forme des signaux

900 Ω 5 Vout Rc=50 Ω Vin

15 Ω


Ligne de transmission – Forme des signaux


Ligne de transmission – Adaptation série

470 Ω 5 Vout Rc=50 Ω Vin

50 Ω


Différents de type de transmission

Liaison multipoints :

Adaptation parallèle

Liaison point à point :

Adaptation série

U R = Rc

U R Rc

R = Rc


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.

Longueur maximale d’une ligne non-adaptée en fonction du temps de montée des signaux

0 2 4 6 8 10 12

0

20

40

60

80

100

120

Lmax en

cm

Tm en ns


0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

0.1 1 10

w/h

Zc e

n O

hm

s

Impédance caractéristiques d’une ligne microstrip

w

h

Ref : Capacitance, Inductance and crosstalk analysis – Charles S. Walker

r=4,5


0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

0.1 1 10

Impédance caractéristique d’une ligne stripline

r=4,5

w

h


h


0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0.1 1 10

w/d

Zc

en

oh

ms

Impédance caractéristique d’une ligne différentielle - Microstrip

r=4,5

w

h d

h/d = 1

h/d = 0,5

h/d = 0,3



Impédance caractéristique d’une ligne différentielle - Stripline

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

80.00

90.00

100.00

0.1 1 10

w/d

Zc e

n o

hm

s

r=4,5

w

h

h

d

h/d = 1

h/d = 0,5

h/d = 0,3



Lignes de transmissions - Ruptures d’impédance

Rupture d’impédance « Géométrique » :

Changement de direction

Trous métallisés

« Influence » éléments externes sur une ligne différentielle

Rupture d’impédance capacitive

Non Préférable Idéal


Rupture d’impédance « Structurelle »

Changement de configuration

Configuration Microstrip

Configuration Stripline


Effet des trous métallisés

Effet « Stub »


Techniques d’adaptation

R

Zc

R1

R2

Zc

Zc

Adaptation parallèle :

Adaptation analogique

Liaison asymétrique :

R1 // R2 ≈ 1,1.Zc (-> 2.Zc)

R1 = 220 & R2 = 330 Ω (pour une ligne 100 Ω)

Adaptation « Dynamique » :

R1 // R2 ≈ 1,1.Zc (-> 2.Zc)

TTL: R1 = 220 & R2 = 330 Ω

Adaptation « minimaliste » :

Economique

Pas de consommation

R1

R2

Zc

R3

C


Exemples d’adaptation

470 Ω

Zc= 100 Ω

470 Ω 220 Ω

470 pF

220 Ω

330 Ω

Zc= 100 Ω


Problèmes des fonds de panier

R1

R2

Zc

R1

R2 C

LZc

Adaptation aux deux extrémités : Consommation importante

Insertion de carte : Modification de Zc

R1

R2

Zc

R1

R2

pF) 15(n x C

LZc

C rajouté : • Broches ≈ 2 pF • Capacité porte entrée ≈ 6 pF • Capacité des piste ≈ 8 pF


Fonds de panier : Modification de la bande passante

50 Ω U Vout

50 Ω

50 Ω U Vout

50 Ω

15 pF 15 pF 15 pF 15 pF 15 pF


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

5.60

5.80

6.00

6.20

6.40

6.60

6.80

0.1 1 10

w/h

Re

tard

en

ns

/m


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

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