Comment définir des plans de masse dans un circuit imprimé à deux couches

Alors que je n'étais encore qu'un jeune étudiant désireux de faire ses preuves, j'ai conçu mon premier circuit imprimé qui était destiné à capter les signaux analogiques émis par plusieurs capteurs. Sur les mesures de mon graphique de tension, le niveau de bruit était horriblement élevé et il masquait le signal que j'essayais de mesurer. J'ai vite compris que j'avais complètement raté les connexions de mon plan de masse et que des boucles de masse affectaient mes signaux.

Placer le plan de masse et router les connexions à la masse est l'une des étapes clés de la conception d'un circuit imprimé à deux ou plusieurs couches. Lorsque ce processus est correctement réalisé, il peut vous permettre d'éliminer les EMI, la diaphonie et les boucles de masse. En neutralisant ces sources de bruit, qui affectent l'intégrité du signal, des techniques performantes de conception du plan de masse vous garantiront ainsi un appareil aux performances optimales.

Alors où devrais-je placer mes plans de masse ?

Si vous débutez dans le monde de la conception de circuits imprimés, vous entendez peut-être pour la première fois parler de termes comme « plan de masse », « EMI » et « pistes ». Il est également probable que la première conception sur laquelle vous devrez travailler soit une carte à deux couches. Ces termes sont simples à définir, mais comment faire pour conjuguer ces concepts afin de concevoir un circuit imprimé de haute qualité ?

Dans un circuit imprimé à deux couches, le plan de masse est généralement situé au niveau de la couche inférieure de la carte tandis que les composants et les pistes de signaux sont placés sur la couche supérieure. Au lieu de placer des pistes de retour sur la carte et d'envoyer chaque fil vers le câble de masse de votre alimentation, il est recommandé de router vos signaux sur le plan de masse.

Il y a plusieurs raisons à cela  ? Tout d'abord, si vos signaux de retour sont générés sur le plan de masse, ces derniers respecteront autant que possible la trajectoire empruntée par les pistes de signaux correspondantes. Ce phénomène permet de réduire la superficie de la boucle de circuit qui renferme vos signaux électriques. En effet, lorsque la distance entre une piste de signal et son retour est réduite, la boucle de circuit est aussi moins sujette aux EMI et à la diaphonie.

Les techniques de routage qui vous aideront à limiter les EMI

Concevez votre plan de masse pour gagner en performance

Avant de placer un plan de masse sur votre routage, vous devrez tenir compte de l'emplacement de vos pistes et de vos composants électroniques. Certains concepteurs ont tendance à placer leur plan de masse de telle sorte que celui-ci occupe toute la surface de la couche inférieure, puis à éliminer les parties qui accueillent les composants électroniques. Ici, le problème est que vous pourriez alors créer un plan de masse qui formera un anneau conducteur autour de vos composants électroniques.

Certains d'entre vous se demandent sans doute : où est le problème ? Si le plan de masse forme un anneau autour d'un composant, alors le plan de masse lui-même est exposé aux interférences électromagnétiques. En effet, tout anneau conducteur fermé se comportera comme un inducteur et un champ magnétique externe pourra alors induire un courant électrique au sein du plan de masse. Appelé « boucle de masse », ce courant peut entraîner un excès de bruit dans la totalité du circuit imprimé.

Il est également important de tenir compte de ce facteur lors de l'étape du routage. Vous devrez alors vous montrer créatif afin de relever le défi que représentent le placement de vos composants et le routage de vos pistes. Nous vous conseillons d'abord de vous assurer que les pistes qui connectent vos composants sont aussi courtes que possible. Une fois les pistes tracées, vous pourrez placer votre plan de masse afin que ce dernier s'exécute par dessous.

Lorsque vous commencerez à placer votre plan de masse sous vos pistes, vous constaterez peut-être que vous ne pouvez pas couvrir certaines de vos pistes sans que ces dernières ne forment un anneau dans votre plan de masse. Il pourra alors être nécessaire de déplacer les pistes et les composants jusqu'à l'obtention d'un routage adéquat. Cette étape demande parfois un certain temps, mais vos efforts seront récompensés.

Les techniques de routage qui vous aideront à limiter les EMI

Pour terminer, vous devrez de nouveau router vos pistes vers le plan de masse à l'aide d'un via traversant. S'il peut alors être tentant de créer de nombreuses connexions rapides et directes s'étendant de la couche supérieure jusqu'au plan de masse, sachez que cette technique occasionnera toutefois un différentiel de tension entre chaque via et entraînera la formation de boucles de masse. La solution la plus adaptée consiste donc à connecter toutes vos pistes au plan de masse par l'intermédiaire d'un seul via.

Vous travaillez sur un circuit imprimé à deux couches ? Vous avez plus d'un plan de masse

Pour toutes les raisons liées au routage des pistes et aux anneaux mentionnées plus haut, utiliser plusieurs plans de masse peut s'avérer très utile. En effet, cette pratique répandue pour laconception de circuits imprimés multi-couches simplifie le routage et le placement des composants.

Si vous choisissez d'utiliser plusieurs plans de masse, ceux-ci ne devront pas être reliés en mode daisy chain. En effet, relier vos plans de masse en utilisant une telle topologie et connecter les zones de retour à chaque plan reviendrait à placer plusieurs pistes de retour à différents points d'un seul plan de masse. La meilleure option est ici de connecter individuellement chaque plan de masse à l'alimentation en utilisant une topologie en étoile. Vous isolerez ainsi vos plans de masse tout en réduisant le risque de boucles de masse.

Pour optimiser la création du plan de masse d'un circuit imprimé à deux couches, vous pouvez également avoir recours à une technique appelée « maillage ». Cette approche vous permet de router de façon différentielle les pistes d'alimentation et de masse, à l'image d'une paire de lignes d'alimentation. Toutes les pistes de masse peuvent être étendues afin d'occuper autant que possible l'espace disponible sur le circuit imprimé et l'espace restant peut ensuite être rempli par les plans de masse. Vous obtiendrez ainsi une carte à deux couches avec un niveau de réduction du bruit similaire à celui d'une carte à quatre couches.

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