Introduction détaillée de FS Technology à la conception de PCBA haute fréquence

La demande de transmission de données rapides et précises fait que les câbles de données à haute fréquence deviennent le courant dominant de l'époque, comme USB4, HDMI, Thunderbolt et DisplayPort. La transmission du signal s'effectue par l'ancienne version de HDMI 2.1TMDS, qui peut atteindre jusqu'à 18Gbps, et peut transmettre des images haute définition de résolution 3840x2160p et 4K. Avec l'innovation de la technologie PCBA haute fréquence, la bande passante utilisant le dernier mode FRL peut être portée à 48 Gbps. Si nous utilisons la technologie de compression sur cette base, il devient facile de transmettre des images de résolution 10K ; et en utilisant la nouvelle version de l'USB4, vous pouvez atteindre une vitesse de 40 Gbps. Quel que soit le type de câblage haute fréquence, il y aura un bruit thermique du PCB ou d'autres types de bruit du PCB. Comment résoudre le bruit du PCBA est devenu le centre d'intérêt des fabricants ou des concepteurs. La question se pose ici de savoir quelle valeur de fréquence est considérée comme haute fréquence ? 400MHz, 10GHz, 5 GHz, ou 1Ghz.

Trois lignes de données haute fréquence

Le concept de ligne à haute fréquence

Réduire les longueurs d'onde de réflexion à haute fréquence

La définition de la haute fréquence peut être jugée non seulement par la fréquence, mais aussi par l'apparition ou non d'une réflexion. Lorsque des ondes électromagnétiques sont transmises sur un support (air ou circuit imprimé), les trois situations suivantes se produisent :

  • Milieu continu : aucun phénomène de réflexion ne se produit ;
  • Support discontinu : en cas de réflexion, la fréquence est considérée comme une basse fréquence sur ce support ;
  • Milieu discontinu : En cas de réflexion, la fréquence est considérée comme haute fréquence sur ce support.
 

Nous pouvons donc conclure que la réflexion dépend de la longueur d'onde.

La vitesse de transmission des ondes électromagnétiques dans l'air ou le vide est égale à la vitesse de la lumière :

Formule de calcul du courant d'une carte de circuit imprimé haute fréquence

Alors que dans le cas de n'importe quelle onde électromagnétique à vitesse moyenne est :

Le taux de transmission des ondes électromagnétiques dans le PCB

Grâce à l'utilisation de cette expression, nous pouvons trouver le taux de transmission de l'électromagnétique dans le cas d'un milieu tel que la carte PCBA haute fréquence :

Formule du taux d'onde de l'onde électromagnétique dans le PCB

Si nous mettons en relation la vitesse de l'onde avec l'équation de l'onde électromagnétique lorsqu'elle traverse un milieu. En conséquence, nous avons une nouvelle expression : 

Formule de la longueur d'onde des ondes électromagnétiques dans le PCB

A partir de l'équation ci-dessus, nous pouvons conclure que si la longueur d'onde est plus grande que la longueur du chemin de transmission, il n'y aura pas de réflexion.

Ainsi, pour minimiser la réflexion, nous pouvons augmenter la longueur d'onde du signal électromagnétique au maximum, normalement 4 fois la longueur de la trace. Une conclusion que nous tirons de la formule ci-dessus est qu'en diminuant la fréquence et la permittivité relative de la carte, la longueur d'onde peut également être allongée. Mais en réalité, en raison des exigences de transmission, il n'est pas possible de réduire à volonté la vitesse de transmission des données, et le support du PCB ne peut pas être 1.

Il existe une autre option qui consiste à raccourcir la longueur de la Trace, en faisant en sorte que sa longueur soit inférieure à la longueur d'onde transmise. Mais FS Technology estime que cette approche a des limites. Lorsque le taux de transmission atteint une certaine hauteur ou que la position entre les composants du PCBA haute fréquence est limitée, la longueur de la trace du PCBA haute fréquence doit être augmentée d'au moins 5 à 10 cm.

Traces et impédance haute fréquence

Lorsque nous étudions les traces haute fréquence de la carte PCB, la question de la conception de l'impédance de la trace se pose, mais rien n'est exprimé à ce sujet dans les données ci-dessus. Nous discutons ci-dessus qu'en cas d'absence de réflexion, il n'y a pas de problème d'impédance pour la trace, donc il n'y a pas besoin de conception d'impédance.

Comme mentionné dans le paragraphe précédent, lorsque la demande de transmission à haute fréquence augmente, raccourcir aveuglément la longueur de la trace est très faible. Pour les projets qui exigent des taux de transmission ultra-hauts, cette méthode ne peut pas du tout être utilisée. Ainsi, une Trace allongée présentera inévitablement une réflexion. La théorie basée sur les ondes électromagnétiques dit qu'il existe une autre technique qui n'a pas de réflexion : Impédance de la trace = impédance de la charge = impédance interne.

Cette théorie est liée à la discussion que nous avons eue au début, à savoir que si nous avons un milieu continu, il n'y aura pas de réflexion. D'une manière simple, la trace, la charge et l'impédance interne sont les mêmes.

Réflexion et mauvaise appréciation du signal PCBA haute fréquence

Qu'il s'agisse d'un fabricant de PCBA ou d'un client qui achète des services PCBA, nous ne voulons pas que des réflexions apparaissent. La réflexion désigne la partie de l'énergie qui n'est pas utilisée ou transmise et qui retourne à son origine comme un émetteur. Le point principal que nous voulons exprimer ci-dessus est que lorsqu'il n'y a pas de réflexion, quelle que soit la fréquence à ce moment-là, la trace n'aura pas de problèmes d'impédance, c'est-à-dire que nous n'avons pas besoin de faire de conception d'impédance.

Mais dans la réalité, cette énergie réfléchie est à nouveau réfléchie par la source en raison du phénomène de superposition des ondes. Si les ondes sont réfléchies deux fois vers les points de réception, elles seront superposées à un autre signal qui constitue le signal d'erreur. Supposons que nous ayons un signal numérique qui est égal à 1 au point de départ et qui sera égal à zéro au point de réception, et que le signal qui était égal à zéro soit égal à un, ce qui entraîne une erreur de calcul ou d'appréciation du signal.

Précautions à prendre pour la fabrication d'un PCBA haute fréquence

Jusqu'à présent nous avons eu une idée des problèmes causés par la réflexion, nous devrons choisir la bonne carte pour faire un PCB haute fréquence. Normalement, deux types de circuits imprimés sont utilisés : Rogers et FR4.

La permittivité relative est le point clé qui affecte la qualité du signal :

Permistivité relative du PCB

Il existe une relation entre la fréquence et la permittivité relative et la variation de la fréquence modifie également la fréquence relative. La formule ci-dessous explique ce facteur :

La relation entre le changement de fréquence du PCB et le coefficient diélectrique

Et

Variation de la fréquence des circuits imprimés haute fréquence en fonction du coefficient diélectrique

Ici, nous pouvons voir que le changement de la permittivité relative en fonction d'une fréquence taux de transmission de l'onde électromagnétique sur le tableau et la longueur d'onde change également. C'est un phénomène de dispersion donné par la théorie des ondes électromagnétiques et ce milieu est connu sous le nom de dispersion.

Aperçu détaillé des problèmes de dispersion des PCBA haute fréquence

Le signal numérique est transmis par des ondes carrées qui sont soit 0 soit 1. Si l'on observe le changement de fréquence d'une onde carrée, il se traduit par la formation d'innombrables ondes sinusoïdales de fréquences différentes. En termes simples, il s'agit d'ondes fondamentales et de 2 harmoniques impaires qui se superposent.

La loi de l'onde carrée du circuit imprimé haute fréquence

Si trois ondes de fréquences différentes passent à travers les traces du PCB en raison de la différence de permittivité relative, il y aura une différence de vitesse de transmission. Dans un cas idéal, les 3 fréquences ont la même vitesse, nous réglons la valeur de la vitesse sur X, et par conséquent, nous obtiendrons un signal carré complet à l'extrémité réceptrice du signal. Mais dans la réalité, cela ne peut pas arriver, les trois fréquences ont leur propre vitesse, soit rapide, soit lente. Si nous augmentons aveuglément la longueur du tracé, nous recevrons des ondes électromagnétiques qui se décomposent en trois fréquences différentes à des moments différents.

Changement de vitesse de différentes fréquences sur un PCB haute fréquence

Un signal élevé similaire atteint des intervalles de temps différents et l'amplitude diminue également, ce qui entraîne des erreurs de jugement au point de réception et des erreurs de bits.

Ou bien, s'il y a plusieurs signaux de vitesses différentes dans notre équipement, puisque le signal à haute vitesse dépassera le signal à basse vitesse, cela fera que le PCBA haute fréquence recevra un signal désordonné à l'extrémité de réception, ce qui nous empêchera de juger de sa précision.

Comme nous l'avons vu précédemment, bien que nous ayons conçu l'impédance de la trace (50 Ω en simple ou 100 Ω en différentiel), la trace peut se déplacer pendant un temps plus important sans provoquer de réflexion, mais lorsqu'elle rencontre le milieu dispersif, cela limite également la longueur de la trace. Ainsi, pour la conception de l'impédance, nous pouvons choisir de rendre la trace aussi courte que possible.

Comparaison des matériaux haute fréquence : FR4 vs Rogers

En utilisant la compréhension de la permittivité relative et des phénomènes de dispersion, nous allons maintenant faire une comparaison entre les matériaux FR4 et Rogers. La figure ci-dessous donne une idée de la permittivité relative du FR4 et du Rogers en fonction de la fréquence.

Permistivité relative en fonction de la fréquence pour FR4 et Rogers

De la figure ci-dessus, nous pouvons voir que ∈ r (f) de FR4 change fortement selon la fréquence, alors qu'il n'y a pas de charge pour Rogers. Supposons que nous utilisons la gamme de fréquence du taux de transmission comme PRBS31, donc l'utilisation de FR4 doit avoir une attention sérieuse aux problèmes de dispersion. Pour réduire les problèmes de dispersion, les traces doivent être aussi petites que possible.

Vous pensez peut-être que la solution n'est pas d'utiliser du FR4 mais du PCB Rogers et que les problèmes sont résolus. C'est exact mais les prix de Rogers sont élevés, vous devez également prendre en compte cet aspect. La réduction des prix et comment maintenir la qualité du signal pour répondre aux exigences de communication. Il vient toujours à l'esprit des ingénieurs qui font des layouts pour faire l'équilibre.

Enfin, nous n'avons pas discuté de l'effet ∈ r (f) sur l'impédance de la trace. Fondamentalement, il affectera, mais pour éviter une analyse et une explication trop désordonnées, la question de la conception de l'impédance est idéalisée.

Analyse de la structure du guide d'ondes large de trois PCBA haute fréquence

Dans la discussion ci-dessus, nous avons expliqué la relation entre la haute fréquence et le PCB, comme la sélection de matériaux précis et la comparaison des prix. Nous allons maintenant parler de la conception du PCB haute fréquence.

Lorsque nous réfléchissons à la manière de concevoir la mise en page d'un PCB ? La première question qui vient à l'esprit est celle de la simulation. L'utilisation d'un logiciel de simulation est facile et permet de gagner du temps, mais comment formuler les paramètres de simulation ? Tout d'abord, vous devez avoir une idée pour commencer la conception de la mise en page. 

Avant PCB haute fréquence le premier problème auquel nous sommes confrontés est de choisir une structure de guide d'ondes appropriée. Les trois structures de transmission les plus fondamentales sont décrites ci-dessous :

  • Microstrip
  • Stripline
  • Guide d'ondes coplanaire

Schéma comparatif des structures de guides d'ondes de grande taille sur PCB

Microstrip

L'architecture et la conception sont simples. Pour une haute fréquence similaire PCBA il existe de nombreux paramètres qui ne peuvent être modifiés en raison de leur structure simple, tels que la largeur de la ligne, l'épaisseur du substrat et l'épaisseur de la ligne.

Avec l'incrémentation de la fréquence, il y a un autre problème pour Microstrip qui est la valeur de l'air au-dessus de la trace est ∈ eff = 1, et le substrat en dessous est ∈ eff ≠ 1, le motif asymétrique sera pour un champ supérieur et inférieur qui entraîne le motif de champ d'onde électromagnétique à être asymétrique. Ce comportement asymétrique affecte la qualité de la transmission du signal.

Stripline

La structure est compliquée et ∈ eff du substrat supérieur et inférieur peut être proche du substrat, donc le motif de l'onde électromagnétique est complète. En outre, les traces haute fréquence stripline pas montré un effet de diaphonie à longue portée entre eux.

L'atténuation du signal et les problèmes de réflexion sont dus à la redondance des segments de vias, puisque les couches internes sont connectées aux parties externes par l'utilisation de vias. Pour minimiser ce problème, il est possible d'utiliser un perçage arrière ou des vias aveugles, mais cela augmente les coûts. 

Circuit imprimé haute fréquence amélioré

Guide d'ondes coplanaire

Pour la création d'un guide d'ondes, les deux côtés de la trace sont recouverts d'une protection en cuivre comme pour le Microstrip. Ensuite, le Microstrip, le guide d'onde coplanaire a la possibilité de changer plus de paramètres physiques comme par exemple la distance entre la trace et la terre et la distance entre le via et la trace existant sur la terre.

Un guide d'ondes coplanaire est flanqué de GND qui minimise l'effet de la diaphonie. Il existe un goulot d'étranglement dans la conception, s'il y a des traces à haute fréquence et haute densité utilisées dans des circuits comme PCIe, la structure n'aura pas assez d'espace pour appliquer une masse en cuivre des deux côtés des traces. 

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