Bonnes pratiques concernant la mise à la masse des CAN (convertisseurs analogiques numériques)

Les CAN (convertisseurs analogiques numériques) sont des composants inconstants qui deviennent plus difficiles à utiliser à mesure que les taux d’échantillonnage et les valeurs de résolution augmentent. Si la résolution d’un CAN et sa fréquence d’échantillonnage engendrent des défis pour la reconstitution précise du signal, il existe également un élément qui détermine en grande partie ses performances : la définition de la masse dans le routage du PCB.

La manière dont les brochages des CAN sont écrits et la façon dont certaines anciennes notes d’application décrivent leur utilisation risquent de nuire au routage et à la topologie qui couplent ensuite le bruit à l’entrée du CAN.

Cela induit une reconstitution incorrecte du signal en raison des fluctuations pseudo-aléatoires du signal d’entrée. De fortes interférence électromagnétiques peuvent également se produire lorsque le routage du circuit imprimé ne permet pas une mise à la masse correcte des CAN en raison de l’empilage, de la séparation physique des masses, ou des deux.

Dans cet article, nous allons vous expliquer ce que sont les broches des CAN et ce qu'elles impliquent en termes de mise à la masse. Les experts CEM de ce domaine en conviennent : la meilleure approche concernant la plupart des systèmes à signaux mixtes et des CAN est d'utiliser un plan de masse uniforme, et non des masses séparées physiquement.

Une erreur dans les noms des broches entraîne une mauvaise mise à la masse des CAN (convertisseurs analogiques numériques)

Pour comprendre pourquoi tant de mauvaises recommandations concernant la mise à la masse des CAN sont données, examinons le brochage typique d'un CAN.

En effet, si vous débutez dans ce domaine et que vous n'avez jamais lu la fiche technique d'un CAN, vous pourriez être surpris de lire des recommandations contradictoires de la part de différents fournisseurs de semi-conducteurs.

À titre d'exemple, regardons l'ADS1274/1278 de Texas Instruments. Dans le brochage de ce composant, nous avons deux broches distinctes sur les côtés opposés du composant, appelées AGND et DGND :

La présence de plusieurs broches GND, avec deux noms différents, qui se réfèrent à deux types de signaux différents (analogiques et numériques), engendre une confusion : le CAN doit être câblé avec des potentiels de masse distincts qui doivent être déconnectés. Autre conseil souvent prodigué : les connecter uniquement à un seul point.

Si vous observez le schéma ci-dessous, à la page 6 de la fiche technique, vous lirez la description suivante de la broche de l'AGND :

AGND : connexion à la DGND à l'aide d'un seul plan

Plus loin dans la fiche technique, TI donne un exemple d'application avec les deux masses directement connectées. Pas de Net Tie, pas de mise à la masse à un unique point, juste un plan uniforme pour la mise à la masse du CAN.

Les concepteurs novices peuvent en réalité être déroutés par le fait que les autres CAN n’utilisent qu’une seule broche de masse. Autre exemple de Texas Instruments : l’ADS7138. Il s’agit d’un CAN plus petit et qui n’a qu’une seule broche pour le GND. Le brochage est illustré ci-dessous :

Si vous analysez ce composant en pensant que les masses analogiques et numériques doivent être complètement séparées, vous risquez d'être surpris de lire cette recommandation à la page 4 de la fiche technique :

GND : mise à la masse de l'alimentation ; tous les signaux analogiques et numériques se réfèrent à cette broche de tension.

Lorsque vous voyez la mention « se réfère à cette broche de tension », cela signifie que les alimentations analogique et numériques utilisent ce même point comme mesure de référence.

Malheureusement, les autres fournisseurs de semi-conducteurs ne prodiguent pas toujours ces bons conseils. Ils vous diront plutôt de faire ce qui suit :

1. Attacher les broches AGND et DGND en un seul point ;
2. Utiliser différents signaux AGND et DGND qui ne sont connectés nulle part.

Le deuxième point est discutable. En effet, à moins que vous n’utilisiez un CAN isolé (voir l'exemple ci-dessous), il existe de toute façon une connexion interne entre ces broches. Ainsi, vous ne séparerez jamais réellement les zones de masse en raison de cette connexion interne au CAN.

Le premier point peut être correct car il établit au moins un potentiel de masse uniforme, mais il est souvent mis en application de manière erronée. Le cas échéant, vous ne serez jamais en mesure d'effectuer un routage sur l'espace entre les deux zones de masse, ce qui limite votre routage et votre marge de manœuvre.

Le deuxième point est fondamentalement identique au premier et constitue une mauvaise recommandation pour la même raison, sauf dans un cas précis nécessitant une isolation entre les sections analogiques ou numériques (voir l'exemple ci-dessous).

L'agencement sur un diélectrique mince empêche le couplage du bruit

Pour les cartes d’interface fonctionnant avec une section numérique ayant besoin d’une masse uniforme, je recommande de commencer par empiler 4 couches avec des diélectriques extérieurs minces et des plans de masse sur L2 / L3. Cet agencement vous garantit un couplage fort pour les chemins de retour des signaux numériques dans le plan de masse adjacent, ce qui contribuera à empêcher le couplage du bruit dans le côté analogique de la conception.

Ainsi, vous n’êtes plus confronté à la problématique d'utilisation des plans de masse séparés physiquement pour tenter d’empêcher le couplage du bruit dans la ligne d’alimentation analogique de votre CAN.

Concentrez-vous plutôt sur le placement des composants, qui permettra d'éviter le couplage de bruit entre les différents circuits. C’est là qu'intervient l’exemple de brochage sur l’ADS1274/1278 illustré ci-dessus : les broches sont placées dans différentes zones du composant, ce qui facilite la mise en œuvre des bonnes pratiques de routage dans les interfaces analogiques et numériques.

En éloignant le composant dans des directions opposées, vous mettez beaucoup d'espace entre les sections numériques et analogiques de la carte. C'est le meilleur moyen d'éviter la diaphonie entre les signaux mixtes.

Examinons maintenant l'ADS7138 (voir l'exemple ci-dessous). Ce composant possède une interface I2C et vous remarquez que la broche de données (SDA) est située juste à côté de l'une des entrées analogiques.

Pour garantir un couplage minimal avec ce composant, je vous recommande de router les deux signaux dans la carte dans des directions diagonales opposées. J'utiliserais également toutes les autres entrées analogiques avant d'utiliser l'entrée qui se trouve à côté de la broche SDA.

Ne connectez pas les rails d’alimentation avec une ferrite et déconnectez les masses

Une autre mauvaise recommandation de mise à la masse est parfois présentée avec les connexions d’alimentation entre les broches d’entrée d’alimentation analogiques et numériques, comme l'illustre l'exemple MAX11900 de Maxim Integrated présenté ci-dessous.

C'est probablement la pire recommandation que j'ai lue en matière d'alimentation et de mise à la masse d'un CAN. Et pourtant, certains fournisseurs de semi-conducteurs ont des notes d'application vieilles de 15 ans et continuent à afficher ce conseil sur leur site Web.

En réalité, je l'ai même vu sur le site d'une entreprise qui recommandait ensuite les connexions correctes sans ferrite et avec un seul plan de masse dans la fiche technique du même composant.

L’idée derrière cette recommandation est d’isoler le rail analogique (en supposant la présence d'une broche séparée pour la référence) du rail numérique. L’idée est de limiter tout bruit sur le rail numérique (qui pourrait inclure de nombreux composants différents) du rail analogique, si une ondulation est créée sur le rail numérique à partir d’une interface à commutation rapide, telle que le SPI.

Vous lirez également ce genre de recommandation pour isoler un rail analogique sur un grand circuit intégré (comme une broche de référence PLL sur un FPGA ou un processeur) à partir d'un rail numérique avec la même tension. Pour certaines applications, telles qu'un PLL qui doit commuter à des vitesses élevées, je vous recommande de faire une simulation pour avoir une idée réelle du bruit couplé à la broche analogique dans la bande passante de bruit attendue.

1. Si vous souhaitez avoir un côté analogique isolé avec un CAN isolé (voir l'exemple ci-dessous), il suffit de séparer physiquement le rail analogique. Vous ne pouvez pas obtenir une impédance beaucoup plus élevée jusqu’à des fréquences de plusieurs GHz, à mois que vous sépariez physiquement les deux circuits !
2. Si vous avez besoin du niveau de précision indiquée dans cette recommandation, vous devez utiliser un circuit de compensation de charge sur les entrées du signal CAN et une référence/alimentation de précision dédiée avec son propre filtre passe-bas.

La moins mauvaise recommandation et la recommandation plus adaptée désignent les mêmes stratégies que celles que vous utiliseriez dans un gros processeur doté d’une entrée d’alimentation analogique pour ses rails PLL.

J’ai vu une ancienne présentation qui suggérait de conserver la ferrite, mais dans l'un de nos articles de blog nous avons prouvé le contraire. La recommandation la plus adaptée pourrait être d'utiliser un référencement ratiométrique, où la section numérique est abaissée pour définir la valeur de référence analogique.

Quid des CAN (convertisseurs analogiques numériques) dans les systèmes isolés ?

Dans ce type de système, l'objectif est d’isoler totalement la majeure partie du chemin du signal analogique de tout le reste du système en utilisant des plans séparés physiquement et des alimentations distinctes avec un référencement de précision.

Cependant, cette opération constitue réel défi, car il s'agit principalement de coupler votre entrée analogique à travers l'espace d'isolation et dans l'interface analogique, ce qui ne fonctionne qu'à de faibles niveaux qui rendent le couplage difficile.

Vous avez donc deux options :

• Utiliser un CAN isolé qui découple totalement le côté analogique du côté numérique et ne connecter aucune des broches de masse ;
• Utiliser un optocoupleur ou un transformateur pour acheminer le signal échantillonné à travers l'espace d'isolation.

Une version de cette méthode est utilisée dans le bloc de transformateur et le circuit de terminaison d'Ethernet. Observez le schéma de circuit électrique illustré dans cet article et tentez de repérer la zone isolée à laquelle je fais référence.

Dans un cas précis, j'ai conçu une petite carte à signaux mixtes avec un CAN : des mesures de tension SNR très faibles à des niveaux de courant de l'ordre du nanoampère, fonctionnant à des fréquences basses. Le faible niveau de bruit était très problématique dans ce système, et le fait que nous disposions de différents équipements pour la source, la mesure et l'acquisition signifiait qu'il y avait des problèmes avec les boucles de masse.

Nous avons amplifié le signal avant de l'échantillonner de manière à ce qu'il occupe la majeure partie de la plage dynamique de l'appareil, et les données série de sortie ont été transmise à une carte DAQ pour être collectées sur un ordinateur.

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