Configurations des lignes de transmission
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Note
d'application N° 121 Configurations des lignes de transmission |
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| Avec des fréquences
d'horloge très élevées et des temps de commutation de signaux
extrêmement courts, les pistes des Circuits Imprimés doivent être
considérées comme des lignes de transmission. Cette notre
d'application présente deux configurations de lignes.
Nous avons vu dans la note AP120 que les vitesses élevées de commutation de signaux et les grandes fréquences d'horloge obligent à considérer les pistes comme des lignes de transmission - des lignes de transmission de signaux dont les caractéristiques électriques sont parfaitement maîtrisées par le concepteur. Un paramètre critique est l'impédance caractéristique de la piste du circuit (c'est à dire le ratio tension - courant d'un signal se déplaçant sur la piste). En pratique, cela veut dire qu'il faut contrôler l'impédance des pistes dès que l'on développe des applications numériques avec des fronts de tension inférieurs à 1 ns ou des applications analogiques avec des fréquences supérieures à 300 Mhz. Plus généralement, les concepteurs devront prendre en compte l'impédance caractéristique des cartes dès que la longueur électrique de la piste de transmission d'un signal dépasse 30% du front de montée de ce signal. |
| Adaptation des
impédances entre lignes et composants
Les composants montés sur les cartes possèdent une impédance caractéristique et l'impédance des pistes d'interconnexion doit être choisie pour s'adapter aux familles logiques utilisées. Pour garantir un transfert maximum de signal entre la sortie d'un composant émetteur (composant A) et l'entrée d'un composant récepteur (composant B), l'impédance caractéristique de la piste d'interconnexion doit correspondre aux impédances des composants A et B. Pour les technologies CMOS et TTL, elle se situe dans la région de 80 à 110 ohms. Si l'impédance de la piste de liaison entre A et B n'est pas adaptée, des réflexions multiples du signal vont apparaître avant qu'il ne se stabilise dans un nouvel état. Cela aura pour effet d'augmenter le temps de commutation ou de créer des erreurs aléatoires dans les systèmes numériques rapides. Par conséquent, la valeur et la tolérance de l'impédance de piste doivent être spécifiées par le concepteur et l'implanteur de circuit. Des tolérances de 5% ne sont pas rare dans certaines applications critiques. |
| Les lignes
simples de transmission
Le schéma de la figure 1 est un exemple de ligne simple Figure 1 - ligne simple de transmission |
| La ligne simple de
transmission est probablement la façon le plus classique pour
connecter deux circuits. Dans ce cas, un conducteur relie un composant
- la source à un autre composant - la charge.
Le plan de référence ( la masse) constitue le chemin de retour. C'est un exemple de ligne déséquilibrée : les lignes de signal et de retour ont des géométries différentes - la section de la piste du signal n'est pas la même que celle du plan de masse. |
| Qu'est ce qui
détermine l'impédance caractéristique d'une piste de circuit
imprimé ?
L'impédance est déterminée par la réactance inductive et capacitive, la résistance et la conductance. Ces paramètres sont fonction des dimensions physiques de la piste ( c'est à dire largeur et épaisseur), ainsi que de l'épaisseur de l'isolant et de la constante diélectrique. Les impédances des circuits imprimés se situent généralement entre 25 et 120 ohm. En pratique, la ligne de transmission d'un circuit consiste en une piste conductrice, un ou plusieurs plans de référence et un matériau isolant. La piste et le(s) plan(s) forment l'impédance contrôlée. Les circuits imprimés sont fréquemment fabriqués en multicouches et les impédances contrôlées peuvent être réalisées de différentes façons. Cependant, quelque soit la méthode utilisée, l'impédance sera déterminée par sa construction physique et par les caractéristiques électriques du matériau diélectrique :
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| Lignes
différentielles de transmission
Les Circuits Imprimés à impédance contrôlée sont en général réalisés avec des lignes microstrip ou stripline, en configuration simple (déséquilibrée ) ou différentielle ( équilibrée). le mode de transmission différentielle est présentée sur la figure 2. |
Figure 2 - Piste différentielle |
| On choisit la
configuration différentielle pour des applications critiques
nécessitant une meilleure immunité au bruit et un meilleur timing.
C'est un exemple de configuration de ligne équilibrée, le signal et
le retour ont des géométries similaires.
Les lignes sont pilotées par paire, où chaque ligne transmet le signal en opposition de phase avec l'autre. Les champs engendrés dans les deux lignes tendent à s'annuler, de sorte que les influences HF et électromagnétiques sont plus faibles que sur une ligne déséquilibrée et la sensibilité au bruit extérieur est réduite. |
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