Le défi de la mise à la terre

Altium Designer vous offre une variété de méthodes nécessaires pour résoudre tous les différents défis de mise à la terre dans tous les types de conception.

INTRODUCTION

La mise à la terre s'est avérée être l'un des plus grands défis dans la conception moderne de mise à la terre des Cartes de Circuit Imprimé (PCB). Les circuits continuent de devenir plus complexes au fil du temps, à mesure que les nouvelles technologies les rendent plus petits, et nous continuons la transition de l'analogique au numérique. Et ces dispositifs plus petits, plus intelligents, plus connectés présentent une variété de défis croissants lorsqu'il s'agit de mettre correctement leurs circuits à la terre. Et ce défi ne promet pas de devenir plus facile dans un avenir prévisible. Malheureusement, il n'existe pas de manuel dans lequel nous pourrions chercher comment résoudre la myriade de défis que nous pourrions rencontrer dans la mise à la terre. Si c'était le cas, nous pourrions simplement le garder à portée de main pendant le processus de conception et ne pas nous inquiéter. Cependant, au lieu de cela, nous devons passer par une série de tâches minuscules, apparemment insignifiantes dans le processus de mise à la terre, avec la connaissance que tout faux pas peut causer l'échec de la conception et nécessiter une refonte. En conséquence, vous dépassez votre budget et prenez du retard, car votre Délai de Mise sur le Marché augmente, et vos concurrents ont plus d'opportunités de sortir leur version du produit avant vous. Tout cela et une série d'autres problèmes peuvent résulter des défis de mise à la terre. Alors, comment faire face à ces défis et éliminer les erreurs ? Examinons cela.

LES MONDES NUMÉRIQUE ET ANALOGIQUE SONT DÉJÀ FUSIONNÉS

Nous avons mentionné la "transition" plus tôt de l'analogique au numérique, mais c'est en fait quelque peu inapproprié. En réalité, les mondes analogique et numérique fusionnent ensemble, rendant la mise à la terre problématique pour les deux types de conceptions, parfois simultanément.

MÉTHODES POUR UNE MISE À LA TERRE ADÉQUATE

Alors, qu'est-ce que cela signifie pour votre processus de conception ? Cela signifie que vous devez prendre le contrôle des tensions de retour de signal et être à l'affût des signaux de terre parasites qui peuvent diminuer les performances. Cela peut se produire en raison de courants communs, de couplage de signaux (à la fois interne et externe), etc. Avec les bonnes techniques, vous pouvez minimiser ce bruit et vous débarrasser de la plupart des tensions parasites.

Cela nous mène directement à notre discussion sur un environnement mixte, analogique/numérique. Les circuits intégrés à signaux mixtes sont un exemple parfait, ayant à la fois des ports numériques et analogiques, ce qui ajoute des défis supplémentaires à la mise à la terre. Pour rendre les choses encore plus difficiles, certains circuits intégrés à signaux mixtes ont des courants numériques relativement faibles, tandis que d'autres ont des courants nettement plus élevés. Par conséquent, ces deux types ont des besoins très différents en termes de mise à la terre optimale et doivent être traités différemment.

De plus, ce qui fonctionne dans une plage de fréquences ne fonctionne pas toujours dans une autre. La clé est de reconnaître comment le courant circule. Pour avoir une image plus claire du sujet, parlons maintenant un peu des différentes philosophies générales qui existent en matière de méthodes de mise à la terre dans les dispositifs à signaux mixtes. Plusieurs méthodes différentes sont couramment utilisées.

1) Mise à la terre en étoile :

La théorie de la mise à la terre en étoile fait référence à tous les signaux vers un seul et unique point de terre. L'élément clé est le point "étoile" unique, à partir duquel toutes les tensions respectives sont mesurées. Se concentrer sur un seul point évite d'avoir une terre non définie qui pourrait sinon causer des valeurs incorrectes pour votre mesure. Malheureusement, bien que cette méthode fonctionne bien sur le papier, elle peut souvent être un peu difficile à mettre en pratique dans un scénario réel.

Topologie de mise à la terre en étoile

2) Utilisation de plans pour le blindage :

Légende de l'empilement des couches

Dans la plupart des cas, l'utilisation de plans de masse commence par une seule couche dans une carte multicouche, ou le fond d'une carte de circuit imprimé double face, qui est entièrement composée de cuivre. Étant donné que la résistance du côté inondé est aussi basse que possible, cela en fait un parfait bouclier, permettant à la couche d'être utilisée pour la mise à la terre. Comme elle est également répartie sur la taille totale de la couche, elle offre l'induction la plus basse possible, ainsi que la meilleure conduction possible, en termes de minimisation des tensions de terre parasites différentes.

Nous pouvons également inclure des plans de tension. Ils fonctionnent sur le même principe, inondant la couche complète et ayant l'avantage d'un conducteur à très faible impédance. Ceci est alors dédié à chaque plan par tension du système, de sorte qu'un système peut avoir plus d'un plan. Cela semble bien sur le papier, mais ce n'est pas toujours la meilleure solution en pratique. Le plan lui-même a toujours une résistance résiduelle et une inductance. Dans certaines circonstances, cela peut être suffisant pour empêcher le circuit de fonctionner comme prévu. Surtout si nous injectons des courants très élevés dans un plan, cela peut provoquer une chute de tension qui interfère avec la fonction du circuit. Un autre avantage des plans de masse est la possibilité d'utiliser des techniques de microstrip ou de stripline à impédance contrôlée, pour l'utilisation de signaux analogiques ou numériques à haute vitesse.

3) Séparation des masses analogiques et numériques :

Il est universellement reconnu que les circuits numériques sont bien plus bruyants que les analogiques, en particulier les circuits logiques tels que TTL ou CMOS. Les circuits logiques utilisent souvent seulement quelques centaines de millivolts, ce qui les rend presque immunisés contre les environnements bruyants. Cependant, ils créent également beaucoup de leur propre bruit.

Les analogiques, en revanche, sont beaucoup plus vulnérables aux bruits extérieurs, mais n'en produisent pas beaucoup eux-mêmes. Cela signifie que lors de la combinaison de circuits analogiques et numériques, les performances des analogiques peuvent être facilement corrompues par le bruit numérique, à moins que les deux ne soient séparés.

Lorsque vous incluez en outre des composants comme la RAM, les ventilateurs et d'autres dispositifs à courant élevé, soudainement, il n'est plus acceptable de faire fonctionner vos systèmes dans un environnement bruyant sans une protection adéquate.

La solution consiste à garder votre masse analogique et numérique jointes en un seul point de votre système, et de référer tous les signaux à un potentiel commun, similaire au système de point étoile mais tout en maintenant une protection adéquate. Le point unique doit être choisi judicieusement car l'emplacement peut avoir beaucoup d'influence sur le circuit complet. Dans la plupart des cas, le placer près de l'alimentation vous donnera les meilleurs résultats. Par conséquent, une analyse du courant circulant est souvent utile, pour fournir une meilleure vue d'ensemble de la conception.

Signal Bruyant

RÉSUMONS

Parmi toutes les méthodes que nous avons discutées, aucune n'offre une solution efficace à 100% pour chaque conception. Alors, que pouvez-vous faire ? Considérez attentivement vos options pour chaque conception et déterminez quelle solution fonctionnera le mieux, en fonction des caractéristiques du design. Surtout lorsqu'on travaille avec des dispositifs à signaux mixtes, il est essentiel de disposer d'un système à portée de main, capable de supporter la technologie que vous devez utiliser, et qui vous aide à mettre en place une mise à la terre appropriée offrant les mécanismes de contrôle adéquats, en fonction de votre environnement de conception donné.

COMMENT NOUS POUVONS VOUS AIDER

Nous avons vu qu'il existe plusieurs méthodes pour réaliser une mise à la terre, ainsi que l'importance de contrôler les méthodes d'analyse. Le problème est de traiter toutes ces questions avec un seul outil. Cependant, Altium Designer offre exactement cela..

En utilisant nos différents plugins et fonctionnalités, tels que Net-Ties, nous pouvons connecter plusieurs signaux différents en un seul endroit pour créer une mise à la terre en étoile. Les plans sont directement implémentés dans notre pile de couches et prêts à l'emploi immédiatement. L'outil offre également l'option d'utiliser des plans divisés et de définir le style de connexion dans un environnement rapide et facile à utiliser. Le cuivre intelligent, connu sous le nom de Polygones, peut être utilisé pour le remplissage facile des zones définies. Il prend également en charge les technologies hachurées qui sont ajustables en un seul clic.

Avec un support technologique supplémentaire pour diverses fonctionnalités d'analyse grâce à notre système de plugins, vous êtes toujours une longueur d'avance sur le problème, et prêt à faire face à tous les défis de mise à la terre qui peuvent se présenter.