Qu'est-ce que l'intégrité du signal ? Pourquoi est-ce important ? Et comment cela est-il lié au PCB ?

Aujourd'hui, l'électronique embarquée utilise des signaux rapides qui voyagent le long des lignes de transmission à une vitesse proche de celle de la lumière. Ce ne serait pas un problème si l'électricité servait à allumer une ampoule ou à démarrer un moteur à courant continu traditionnel. Mais la nature transitoire des signaux numériques force le concepteur à accorder beaucoup plus d'attention à la façon dont les signaux sont générés, transmis et reçus si l'application embarquée est à même de fonctionner.

Les signaux numériques sont des signaux à commutation rapide de par leur nature. Une longue chaîne de ‘uns’ et de ‘zéros’ représentés par des tensions qui alternent entre deux valeurs définies. Rien dans l'univers ne peut dépasser la vitesse de la lumière, y compris les commutations du signal. Le temps que met le signal pour passer d'un état binaire à un autre est appelé rise time. Tous les circuits intégrés utilisent des seuils et de nombreux algorithmes qui garantissent la continuité du traitement correct les signaux même durant les commutations. Jusqu'ici, tout va bien.

Parfois, cependant, les choses ne se passent pas comme prévu et une tension "1" peut momentanément chuter à une valeur très basse, ce qui amène le circuit intégré à l'interpréter comme un "0". Heureusement, les fabricants de semi-conducteurs ont déjà abordé ce problème et ont déjà intégré des algorithmes de correction d'erreurs qui garantissent l'intégrité du signal. Tous les protocoles de communication utilisent une forme ou une autre d'algorithme de correction. Mais ces méthodes ne fonctionnent que si le signal est suffisamment fiable.

Mais que se passe-t-il donc si chaque transition de signal est déformée ? Que se passe-t-il si le circuit imprimé a été fabriqué de telle manière à ce que tous les signaux soient déformés ? Dans ce cas-là, la réponse est très simple : tous les algorithmes d'intégrité échouent et le système entier est mis en échec.

La question de l'intégrité du signal gagne encore plus d'importance si le rise time utilisé dans votre application est d'environ 5ns ou moins. La raison est que la transformée de Fourier du signal commence à inclure des harmoniques de très haute fréquence. Le système commence alors à présenter des problèmes d'intégrité de signal si le matériel n'est pas conçu et validé correctement. Certains de ces artefacts peuvent inclure : Réflexion du signal, le crosstalk ou encore la résonnance ..

Afin d'éviter ces problèmes, l'onde électromagnétique du signal qui circule dans le PCB doit voyager dans un milieu à impédance contrôlée. La norme industrielle pour l'impédance des lignes de transmission est généralement de 50 ou 70 ou même 90 Ohms dans le cas du protocole USB. Certains des paramètres qui influencent l'impédance sont : L'épaisseur des traces, l'épaisseur du substrat du PCB, le matériau FR4, la distance entre les traces et les placements de VIA.

La plupart de ces aspects peuvent être anticipés pendant la phase de conception. Mais la seule façon de s'assurer que votre système embarqué tiendra ses promesses est de passer par la phase de validation en testant votre application embarquée dans ses conditions réelles de fonctionnement.

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