Réduire les EMI des signaux mixtes avec la mise à la terre des PCB

Quelques options pour la mise à la terre de PCB à signaux mixtes

Vous le savez, les solutions de mise à la terre doivent souvent être spécifiquement adaptées aux PCB à signaux mixtes. Toutefois, il existe plusieurs « bonnes pratiques » sur lesquelles vous reposer.

Lors de la conception d'un plan de misse à la terre de PCB, trois options applicables à votre système s'offrent généralement à vous :

• Fil de bus : pour la plupart des circuits imprimés utilisés dans des systèmes à signaux mixtes, un fil de bus n'est pas une bonne solution. Cependant, c'est souvent la solution que les nouveaux concepteurs utilisent par défaut pour définir les masses et établir des connexions. L'impédance du courant de retour d'un fil de bus peut être assez importante aux fréquences du système, créant de très importantes inductances de boucle qui reçoivent facilement du bruit à haute fréquence.
• Grille de mise à la terre : parfois, on utilise une grille de mise à la terre dans les circuits imprimés à deux couches qui n'offrent pas assez d'espace pour accueillir un plan de masse complet, mais qui ne peuvent pas accepter les chutes de tension ou les fortes inductances de chemin de retour associées à un fil de bus. La grille ne doit pas nécessairement être un maillage carré, mais elle doit avoir le plus de surface possible. Une plus grande surface réduira l'impédance de la grille et permettra plus de connexions de piste/via, ce qui raccourcira les chemins du courant de retour.
• Plan de terre : en règle générale, la meilleure solution pour la mise à la terre d'un PCB consiste simplement à appliquer un plan de masse complet. Ainsi, il vous faudra au moins utiliser une carte à 4 couches si votre conception prévoit plusieurs couches de signal.

Aucun de ces éléments n'est défini dans le schéma. Ils se trouvent tous dans l'espace blanc autour de vos composants, et vous devrez décider comment mettre en œuvre votre stratégie de mise à la terre dès que vous aurez défini votre schéma de montage.

La théorie de mise à la terre et la pratique sont deux choses bien différentes.

Si vous ne savez pas comment procéder, en particulier dans le cas d'une carte à 2 couches, nous vous conseillons de simplement utiliser un plan de masse uniforme, ce dernier offrant généralement des chemins de courant de retour plus faciles à suivre dans la conception. En outre, un plan de masse complet sera plus résistant aux interférences électromagnétiques qu'une grille de masse.

Tout comme avec une grille, des précautions doivent être mises en place lors de la connexion de circuits intégrés au plan de terre du PCB, de sorte à s'assurer que les chemins de courant de retour ne se croisent pas.

Comme c'est souvent le cas, plus la solution est « optimale », plus elle est coûteuse. Si vous vous contentez généralement de peu, il pourrait être intéressant de calculer l'impédance associée à l'utilisation d'un fil de bus ou d'une grille de mise à la terre.

Mise à la terre de PCB à différentes fréquences

Compte tenu des points ci-dessus, comment devriez-vous agir face à différents types de cartes et de fréquences ? Le tableau ci-dessous récapitule certaines des stratégies applicables en fonction de différentes plages de fréquences.

Notez que les différents types de signaux ne sont pas pris en considération.

Nous pouvons voir dans ces différents types de conceptions de mise à la terre de PCB que le plan de masse est la solution la plus universelle.

Une mise à la terre avec un grand rail peut aussi être une solution pour permettre de fournir une masse à de multiples fréquences, à condition qu'elle ne complique pas les connexions de signaux.

Notez que l'utilisation de rails dans le cadre d'une stratégie de masse en étoile peut également être acceptée, tant que différents types de signaux n'ont pas besoin d'interagir avec le même composant.

La mise à la terre en étoile avec de grandes dimensions peut permettre des connexions à la masse à très faible inductance, mais vous devrez placer les circuits intégrés à signaux mixtes avec beaucoup de précautions pour éviter les interférences (voir ci-dessous).

• En savoir plus sur les stratégies de mise à la terre et les masses en étoile dans votre circuit imprimé

Certaines conceptions à signaux mixtes peuvent utiliser deux plans de mise à la terre distincts, afin de séparer les circuits analogiques et numériques et de réduire les EMI. Toutefois, dans le cas de systèmes plus généraux, les deux plans de mise à la terre pourront être fusionnés. Vous pourrez également utiliser un plan de masse du circuit imprimé.

L'objectif de ces stratégies de conception de mise à la terre est simple : il s'agit d'empêcher les chemins de retour d'un courant alternatif et d'un courant continu de se croiser et de générer une diaphonie.

Utiliser un plan de masse plein, adjacent aux couches de signal, peut faciliter cela, tous les plans de masse étant reliés à des vias au même potentiel de référence.

En cas d'espacements au sein d'un plan de masse, comme des découpes proches, ou si l'alimentation et la masse sont mélangées sur une même couche, n'y exécutez aucune piste, car les espacements agiront comme des antennes.

Circuits intégrés à signaux mixtes : conseils pratiques

Comme nous l'avons mentionné ci-dessus, les circuits intégrés à signaux mixtes peuvent compliquer la conception d'une mise à la terre de PCB. De plus, il arrive que les notes d'application de ces composants recommandent de mauvaises pratiques, à l'origine de nouveaux bruits.

Les différentes combinaisons de ces éléments nécessitant des solutions distinctes, voici quelques conseils concernant les circuits intégrés à signaux mixtes.

PCB avec un seul circuit intégré à signaux mixtes

Si vous avez déjà conçu des circuits audio, vous savez ce que sont les masses en étoile.

Lors de la conception d'un PCB qui ne comporte qu'un seul circuit intégré à signaux mixtes, une masse en étoile peut s'avérer une excellente solution. En effet, cette dernière utilise un point unique comme référence, plutôt que l'intégralité d'une couche de plan.

Dans le cas de convertisseurs analogique-numérique ou numérique-analogique, ainsi que pour d'autres circuits à signaux mixtes, le fabricant recommande généralement que les broches AGND et DGND soient connectées ensemble hors de la puce.

Il est préférable de réaliser cette connexion à l'aide d'une antenne formant la masse en étoile, ou directement dans le plan de masse.

Si vous utilisez deux plans de masse distincts avec un seul circuit intégré à signaux mixtes, vous pouvez également relier les deux plans de masse du châssis à ce stade.

PCB avec plusieurs circuits intégrés à signaux mixtes

Si votre PCB utilise plus d'un circuit intégré à signaux mixtes, le recours à une masse en étoile s'avérera peu pratique. En effet, il vous faudrait relier l'AGND et la DGND de chaque circuit intégré à l'extérieur de chaque boîtier de circuit intégré, exactement au même endroit.

Cette méthode est donc très peu pratique. De manière générale et dans de tels cas, il est conseillé de n'utiliser qu'un seul plan de masse pour l'ensemble des composants.

Ce n'est que dans le cas où chacun de ces circuits intégrés fonctionne à des fréquences différentes que vous devriez envisager d'ajouter des espacements afin de faciliter l'isolation. Toutefois, même dans ce cas, il vous faudrait respecter la règle ci-dessus et ne pas router sur ces espacements.

Mettre à la terre des systèmes à signaux mixtes exige un layout minutieux, les chemins de retour devant être vérifiés afin de réduire les EMI et la diaphonie.

Vous vous apprêtez à implémenter une conception de mise à la terre de PCB dans votre conception de cartes à signaux mixtes ? Utilisez l'ensemble complet d'utilitaires de CAO disponibles dans Altium Designer^®.

Lorsque vous êtes sur le point de transmettre vos données de fabrication à votre fabricant, vous pouvez facilement partager et collaborer sur vos conceptions depuis la plateforme Altium 365^™. Tout ce dont vous avez besoin pour concevoir et produire des composants électroniques avancés se trouve dans une seule et même suite logicielle.

Tout cela n'est qu'un aperçu des possibilités offertes par Altium Designer sur Altium 365. Commencez sans plus attendre votre essai gratuit d'Altium Designer + Altium 365.