Systèmes embarqués et PCB haute-fréquence : quelques conseils

Zachariah Peterson
|  Created: April 9, 2019  |  Updated: April 8, 2021
Bien concevoir les PCB haute fréquence et les systèmes embarqués

Comme au téléphone, les informations contenues dans un signal analogique peuvent être facilement déformées sur le chemin de leur destination.

À cause d’erreurs de conception, le bruit et la distorsion peuvent s'accumuler tout au long du changement de signal, et il devient difficile pour votre message de se démarquer du bruit.

Avec les hautes fréquences utilisées dans les appareils sans fil et les autres dispositifs qui s'interfacent avec les équipements analogiques, systèmes embarqués compris, les signaux analogiques et numériques de votre PCB peuvent facilement interférer les uns avec les autres.

Cela peut corrompre les données numériques, créer des distorsions dans les signaux analogiques et entraîner d'autres problèmes de signaux qui ne sont pas toujours faciles à diagnostiquer.

Une bonne disposition et un bon routage permettent de s'assurer que vos signaux restent propres sur l'ensemble de votre appareil.

Confronter la diaphonie des signaux mixtes

Par rapport aux circuits numériques qui fonctionnent à saturation, les circuits intégrés et les signaux analogiques sont beaucoup plus sensibles au bruit.

Lorsqu'une piste analogique interfère avec une piste numérique, le signal analogique induira un signal qui se superposera à un signal numérique, mais la fluctuation du signal numérique n'est généralement pas suffisante pour provoquer une commutation involontaire à l'entrée d'un circuit logique.

Une exception à cette règle se produit avec les alimentations à découpage, qui peuvent provoquer une commutation involontaire dans les circuits numériques voisins.

En effet, un circuit numérique qui fonctionne à saturation filtre le bruit de faible niveau à l'entrée. L'inverse n'est pas vrai. Lorsqu'un circuit numérique à commutation produit une impulsion numérique, il peut induire une forte arrivée de signal de courant dans une piste analogique voisine.

Les dispositifs analogiques fonctionnent généralement en régime linéaire sans décalage, de sorte que le bruit induit se propage facilement dans la sortie du circuit intégré analogique.

Les cartes à haute fréquence doivent être prises en compte, en particulier dans les appareils sans fil. Par exemple, un système embarqué conçu pour recueillir des données provenant de capteurs externes, traiter des données numériques converties, puis envoyer ces données via un protocole sans fil à un autre appareil demande une certaine segmentation entre les différentes parties de la carte.

Avec les bons choix de routage et d'agencement, vous pouvez séparer différentes parties de votre carte et contribuer à empêcher la diaphonie dans les appareils à signaux mixtes.

Vous pouvez également vous assurer que des signaux analogiques de fréquences et d'intensités différentes n'interfèrent pas les uns avec les autres.

Plan de masse et empilage du PCB

Si vous travaillez avec un appareil à signal purement analogique ou mixte, il y a un certain nombre de points importants à prendre en compte dans votre plan d'empilage et de mise à la terre.

Votre appareil nécessitera une source d'alimentation, et le bruit dans le signal de sortie de votre source d'alimentation peut induire certains problèmes d'intégrité du signal.

Un empilage approprié permettra d'éviter que les problèmes d'intégrité de l'alimentation ne se transforment en problèmes d'intégrité du signal, et les bons choix de routage empêcheront les différents types de signaux de se parasiter les uns les autres.

Embedded controller with analog and digital components

Contrôleur embarqué avec des composants analogiques et numériques

Tout d'abord, vous devez séparer vos plans de masse en sections numériques et analogiques, mais laisser ces deux sections connectées près du retour à l'alimentation électrique afin de fournir un chemin de retour à faible réactance vers la masse.

Si vous ajoutez des signaux RF dans le mélange, il faudra créer une troisième section de masse analogique pour les composants RF.

Il faut faire de même avec les plans de puissance. Ne faites pas se chevaucher les plans de masse ou de puissance qui transportent différents types de signaux, car cela provoquerait des radiations sur les fréquences sans fil.

Dans la section RF, vous devrez supprimer les radiations de votre plan de puissance RF afin qu'il n'interagisse pas avec les signaux analogiques dans d'autres zones de la carte. Cela permet également d'éviter que les radiations ne causent des problèmes dans d'autres cartes dans le cadre d'un système multi-cartes.

Le placement d'une barrière de mise à la terre autour du plan de puissance RF offre un bon niveau de suppression car il crée deux radiateurs déphasés.

Si votre empilement couches le permet, vous devez placer le plan de puissance RF entre deux plans de masse pour découpler la puissance RF et les plans de masse dans votre carte.

Routage de vos signaux

Maintenant que vos sections analogique, numérique et RF analogique sont séparées en différentes sections, vous pouvez acheminer les signaux dans chaque section en utilisant les bonnes pratiques de routage.

Comme les signaux haute fréquence peuvent produire des effets de ligne de transmission sur des pistes plus courtes, il est préférable de garder des pistes aussi courtes que possible.

Vous devez également utiliser un contrôle d'impédance dans votre carte pour vous assurer que les traces ont une impédance constante sur toute la carte.

Lors du routage, essayez de disposer vos pistes de manière à réduire au minimum l'utilisation de vias. Chaque via ajoute une impédance à une trace, et il est assez difficile de concevoir des vias ayant une impédance spécifique qui corresponde à une trace.

Tous les vias doivent être percés pour éviter la résonance du signal, et il faut veiller à ce que le perçage des paires différentielles soit symétrique.

Dans le cas des vias sur les traces de signaux RF, une option pour empêcher les changements d'impédance consiste à utiliser deux vias en parallèle. Cette solution présente deux avantages.

Tout d'abord, elle réduit l'impédance supplémentaire sur la piste, ce qui entraîne un second avantage : la réduction de l'impédance globale de deux vias en parallèle augmente la fréquence de résonance la plus basse de la paire de vias.

Idéalement, il faut essayer d'augmenter la fréquence de résonance la plus basse de manière à ce qu'elle soit supérieure à la fréquence du signal sur la piste pour éviter la résonance et la réémission.

Embedded system design on a green PCB

Il y a beaucoup plus à prendre en compte dans les circuits à haute fréquence, en particulier dans les systèmes embarqués avec des capacités sans fil.

Attention cependant à ne pas négliger les composants. Il est préférable de prévoir des composants montés en surface dans les sections haute vitesse et haute fréquence de la carte.

Si on utilise des composants à trous traversants, le talon restant sur la broche agit exactement comme le talon restant sur un via : il crée une autre source de réflexion du signal qui peut dégrader la qualité du signal, et agit également comme un résonateur qui contribue aux interférences électromagnétiques.

Les systèmes sans fil et embarqués à haute fréquence sont compliqués et nécessitent un mélange de règles de conception : l'absence de certaines de ces règles peut créer un certain nombre de problèmes de signal dans votre appareil.

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Zachariah Peterson possède une vaste expérience technique dans le milieu universitaire et industriel. Avant de travailler dans l'industrie des PCB, il a enseigné à la Portland State University. Il a dirigé son M.S. recherche sur les capteurs de gaz chimisorptifs et son doctorat en physique appliquée, recherche sur la théorie et la stabilité du laser aléatoire. Son expérience en recherche scientifique couvre des sujets tels que les lasers à nanoparticules, les dispositifs électroniques et optoélectroniques à semi-conducteurs, les systèmes environnementaux et l'analyse financière. Ses travaux ont été publiés dans diverses revues spécialisées et actes de conférences et il a écrit des centaines de blogs techniques sur la conception de PCB pour de nombreuses entreprises. Zachariah travaille avec d'autres sociétés de PCB fournissant des services de conception et de recherche. Il est membre de l'IEEE Photonics Society et de l'American Physical Society

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