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Cela ne provient pas d’un manque de connaissance en conception électromagnétique, mais plutôt de l’énorme pression sur les prix dans l’industrie du PCB : à savoir que des matériaux de base adéquats au niveau radiofréquence (RF) ne sont presque jamais utilisés bien qu’ils soient tout à fait justifiés du point de vue des développeurs pour des fréquences d’horloge dans la gamme du Gigahertz.Au lieu de cela, des matériaux FR4 à faible coût avec constante diélectrique (DC) non homogène sur l’ensemble du matériau de base sont employés.De plus, le pressage des couches centrales et pré-imprégnées pour les PCB multicouches provoque des inhomogénéités géométriques, ajoutant une autre source d’incertitude.

Toutefois, pour répondre aux tolérances spécifiées, de nombreux fabricants de circuits imprimés proposent des prestations d’inspection des impédances de ligne, ce qui, à son tour, exige plus de coupons de test d’impédance. Ceux-ci sont généralement situés aux marges du PCB et donc ne représentent que partiellement les caractéristiques des lignes de transmission réelles correspondantes, lignes distribuées partout dans le panneau produit. Dans le pire des cas, les coupons de test mesurés peuvent être dans la gamme spécifiée, alors que les lignes réelles concernées ne le sont pas.

Les fluctuations d’impédance ne sont souvent pas acceptables En plus des variations spécifiques dues au matériau et à la production, celles spécifiquement dues à la conception peuvent aussi bien se produire (par exemple des changements sur une couche, des distances trop courtes par rapport au plan de masse, aux bords du PCB ou d’autres lignes de transmission), ce qui finit par entraîner des fluctuations d’impédances inadmissibles de lignes de transmission.En conséquence, les fronts d’horloge se dégradent et des interférences inter-symbole se produisent, provoquant des taux d’erreur de bit inacceptables et enfin, la dégradation des performances ou même des dysfonctionnements du système.

Les impédances de ligne peuvent être déterminées avec un haut degré de précision au moyen de la réflectométrie de domaine temporel (TDR). La technologie TDR est utilisée depuis les années 1970 pour détecter des défauts dans les câbles souterrains ou sous-marins. La figure 1 montre le schéma de principe pour un dispositif de mesure d’impédance basé sur la TDR.

Le réflectomètre TDR se compose uniquement d’un générateur d’impulsion en tension et d’un échantillonneur à large bande accompagnés d’une unité d’acquisition de données. Le principe de base de la mesure est le suivant : le générateur émet un signal impulsionnel qui va être transmis via les adaptateurs, les câbles et une sondejusqu’au dispositif sous test (DST). Alors qu’il interagit sur l’ensemble de la longueur du DST, le signal subit des réflexions partielles qui reviennent vers le détecteur et qui permettent ainsi la détermination spatiale de l’impédance d’onde du DST. Beaucoup de gens connaissent ce principe de base à partir des applications du radar, c’est pourquoi les TDR sont souvent appelé Radars Câble.

Le temps de montée Tr du signal impulsionnel détermine la résolution spatiale et devra donc être aussi court que possible (pour le DTDR-65 de Sequid, tr ≈65ps, permettant une résolution spatiale d’env. 5 mm). La synchronisation entre le générateur et l’échantillonneur (qui devrait caractériser une largeur de bande d’entrée analogique d’au moins 10GHz) est cruciale pour un fonctionnement à faible bruit, à savoir pour des valeurs de gigue de seulement quelques picosecondes. Idéalement, un échantillonneur "real-thru" est utilisé ; ainsi pas besoin de diviseurs de signaux externes ou de coupleurs.C’est une très bonne chose, car les diviseurs de signaux à large bande sont généralement conçus en mode résistif et ajouteraient ainsi de la perte d’insertion et du bruit.

Enfin, un TDR dispose d’une unité d’enregistrement de données, habituellement mis en oeuvre par un microprocesseur ou un FPGA. Les équipements TDR à haute fréquence n’utilisent pas normalement de techniques d’échantillonnage en temps réel, mais plutôt en mode séquentiel ou aléatoire. Pareils à des stroboscopes, ceux-ci permettent l’enregistrement de signaux périodiques à changements rapides avec un investissement technique raisonnable. Le traitement et la visualisation des données sont habituellement exécutés sur un ordinateur connecté via un port USB ou Ethernet, fonction qui peut être entièrement intégrée dans des instruments haut de gamme. L’adaptation d’une mesure à faire en TDR est une tâche exigeante. Ainsi, par exemple, des câbles et sondes précisément appairés en phase doivent être utilisées pour des mesures d’impédance différentielle. Si cette exigence est pas observée, les conversions en mode pair et impair diminueront l’exactitude de la mesure. En outre, les pointes de sonde devront être conçues pour être adaptées du mieux possible à l’impédance du DST pour la plupart des mesures précises. Différents systèmes sur le marché Dans un monde numérique de plus en plus rapide, la mesure d’impédances de lignes s’est avérée être actuellement l’application la plus importante des TDR.

La figure 2 montre des exemples de telles mesures résolues spatialement pour des lignes de transmission non perturbées (courbe verte) et perturbés (courbe rouge). Seules les voies de transmission sur lesquelles tous les composants (non seulement comprenant les pistes gravées, mais aussi les câbles, connecteurs, et même des résistances de terminaison intégrées dans les circuits) sont adaptés en impédance permettent un transfert de signal sans réflexion entre l’émetteur et le récepteur, et donc les débits numériques les plus élevés. Par conséquent le contrôle d’impédance est un aspect important dans l’évaluation de l’intégrité du signal à la fois sur les lignes différentielles et single-ended.

Les concepteurs et les fabricants peuvent choisir parmi une grande variété

d’équipements TDR différentiels (DTDR) pour le contrôle d’impédance. Cela va de celui présentant un bon rapport qualité prix à celui au coût extrêmement élevé. Certains équipements TDR haut de gamme sont proposés par des fabricants de technologie de mesure bien connus. Ils se trouvent dans la gamme des oscilloscopes ultra rapides et sont disponibles en combinaison avec les accessoires nécessaires tels que les sondes (D)TDR.

Ces équipements sont très bien adaptés pour mesurer les systèmes de transmission jusqu’à 20 Gbit/s et audelà. Toutefois, le contrôle d’impédance semble être seulement un marché de niche pour les fabricants d’appareils haut de gamme. En conséquence, aucune solution industrielle dédiée n’est offerte et les utilisateurs potentiels risquent de rapidement se perdre dans la jungle de la technologie générale de mesure RF avant d’atteindre le but final de la "mesure d’impédance". Par ailleurs, tous ces équipements appartiennent au segment-prix élevé en raison de leurs hautes performances et de leur facilité d’utilisation en général, ce qui en fait un investissement peu attrayant en particulier si le TDR n’est pas utilisé en permanence.

On peut trouver des TDR moins polyvalents dans le domaine de la technologie de mesure industrielle et spécifique, où certaines procédures standardisées ont été mises en place durant les deux dernières décennies. Ces équipements et les logiciels qui les accompagnent sont optimisés pour mesurer les impédances des coupons test et sont proposés par beaucoup de fabricants de circuits imprimés. Cependant, ces TDR sont moins adaptés à la conception et le test d’une ligne de transmission aléatoire à l’intérieur d’un PCB. Les raisons en sont le manque des sondes qui conviennent et – plus grave encore - la bande passante du signal trop faible causé par un signal de temps de montée tr trop lent qui, à son tour, ne permet que la caractérisation de lignes ayant au minimum une longueur d’environ 10 cm.

En troisième lieu, il y a les solutions « fait-maison ». Pour celles-là, il y a quelques équipements (D)TDR sur le marché avec un bon rapport qualité-prix.

L’achat d’autres accessoires (sondes TDR et câbles adaptés en phase) permet généralement de répondre aux conditions techniques requises. Cependant, dans ce cas, il faut mettre au point les logiciels correspondant à l’enregistrement de données, la réduction d’erreur, le calcul d’impédance et la mise en forme des résultats, de sorte qu’on peut se demander si une solution globale venant d’un fabricant ne serait finalement pas plus rentable et plus sûre.

Sequid GmbH a conçu à l’origine des systèmes TDR de haute résolution et précision pour déterminer la qualité du poisson et de la viande. En coopérationavec le fabricant de circuits imprimés allemand Elekonta Marek GmbH, la technologie de base existante a été ensuite développée pour obtenir un système à haute performance (le Sequid DTDR-65) répondant à toutes les exigences de mesure de contrôle d’impédance. C’est un réflectomètre à dimension temporelle différentiel très stable approprié pour la mesure d’impédance de lignes de transmission différentielles et single-ended jusqu’à environ 10 Gbit/s. Il dispose d’un générateur d’impulsion de 65 ps et permet ainsi des mesures à haute résolution non seulement pour des coupons test mais aussi pour de vrais circuits. En outre, le DTDR- 65 démontre de très bonnes performances de gigue (JRMS <500 fs) habituellement réservées aux appareils très haut de gamme. Dans le même temps, une solution logicielle a été développée permettant même aux personnes non expertes en RF d’effectuer des mesures d’impédance.

Celle-ci contient non seulement les fonctions de base (comme par exemple le contrôle de l’appareil), mais aussi des fonctions utilisables de façon intuitive pour l’affichage des impédances de ligne. Des zones de tolérance permettent de faire facilement des relevés BONS / MAUVAIS. Ci-dessous, quelques exemples simples d’applications sont présentés :

L’impédance de ligne des deux câbles RG 405 est Z0 ≈ 51,5 Ω, alors que les transitions dans la zone des connecteurs varient fortement. Dans le cas du connecteur mal monté, une chute de capacité est visible (déformation vers une faible impédance). Ces effets se produisent fréquemment lorsque les conducteurs extérieurs et intérieurs sont montés ensemble de façon trop serrée (c’est-à-dire qu’un condensateur a été formé).

La ligne de transmission commence comme une piste microruban dans la couche 1 (couche supérieure), se modifie à travers un via dans la couche 2 où elle continue comme une microbande, et revient à la surface dans la couche 1 par l’intermédiaire d’un deuxième via. Cette opération est répétée et la piste se termine finalement dans la couche 1. De toute évidence, le circuit test ne parvient pas à atteindre l’impédance cible de 100 Ω : les microrubans et microbandes présentent des impédances respectivement de Z0 ≈120 Ωet Z0 ≈110 Ω. L’influence capacitive des vias qui - en particulier à des débits élevés - peuvent porter gravement atteinte à l’intégrité du signal dans les systèmes réels est clairement visible ici. Comme dernier exemple, la figure 5 montre les réflectogrammes de connecteurs USB 3.0 et de câbles. L’impédance spécifiée des composants USB 3.0 est Z0=90 Ω± 7 Ω. L’instrument TDR fonctionne toujours sur une impédance de référence de 100 Ω (intervalle de temps t < 12,2ns).

La première réflexion, provoquée par la transition de l’adaptateur de test sur la prise USB 3.0, se produit à environ 12,3 ns et est comme prévu identique pour toutes les mesures. La courbe 3 (en vert) illustre le résultat de l’adaptateur avec extrémité ouverte, avec une rapide augmentation d’impédance indiquant l’extrémité (haute impédance) de l’adaptateur. Les courbes 4 et 5 (en rouge et en bleu) représentent deux montages différents de câbles USB 3.0, chacun étant constitué d’un adaptateur et du câble suivant. Bien que les câbles soient bien dans les spécifications techniques, les adaptateurs ne le sont pas. En particulier, celui représenté par la courbe rouge présente une impédance maximale d’env. 122 Ω, ce qui provoque des réflexions importantes qui à leur tour peuvent entraîner des réductions de débit de données pour le contrôleur USB 3.0.

En résumé, tous ces exemples montrent clairement que les concepteurs peuvent acquérir une vision profonde et intuitive des lignes de transmissions avec un DTDR65. Le travail des concepteurs et des responsables de la qualité comprennent habituellement la rédaction de rapports des résultats obtenus qui doivent être faciles à comprendre. Ce travail très important mais malheureusement consommateur de temps, fastidieux et donc peu apprécié est considérablement simplifiée par l’outil intégré de création automatique de rapports permettant de créer de nombreuses évaluations graphiques et statistiques en seulement quelques clics. En outre, un calculateur d’impédance sur internet est disponible pour les types de ligne les plus courantes.

Un large spectre d’applications

Les accessoires nécessaires comprennent des câbles coaxiaux de haute qualité adaptés en phase, ainsi que des sondes TDR pour différentes sortes d’applications : Des sondes industrielles pour des mesures en série pour des process de production et des sondes de très haute précision pour la R&D. Le DTDR-65 possède également un excellent blindage électromagnétique et peut facilement être utilisé dans des applications mobiles fonctionnant sur batterie.

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