Quelles sont les causes d'oscillation sur un circuit imprimé et comment résoudre le problème ?

Lors de mon premier cours sur l'électronique, nous avons conçu un circuit permettant de stabiliser la sortie d'un commutateur. Je me rappelle avoir vu un signal d'origine instable s'afficher, puis la sortie stabilisée sur l'écran d'un oscilloscope. J'ai ressenti un profond sentiment de malaise à l'idée que quelque chose d'aussi anodin pouvait s'avérer aussi... compliqué. Heureusement, le débutant que j'étais n'avait pas conscience que ce n'était que le début de mon désarroi face au signal-bruit et aux artéfacts. L'oscillation est un phénomène qui peut s'avérer particulièrement frustrant en matière de performance.

Qu'est-ce que l'oscillation ?

Lorsqu'il est question de circuits imprimés ou d'autres systèmes électroniques, l'oscillation correspond à une tension ou à un courant de sortie qui, observé sur un oscilloscope, décrit un mouvement semblable à une ondulation sur la surface de l'eau. L'oscillation est la réponse à un changement soudain du signal de sortie, comme si on l'allumait ou si on le mettait sous tension.

L'oscillation fait souvent sortir le signal de sortie de la zone de tolérance aux extrémités haute et basse, avant de le rendre progressivement plus uniforme. Le temps de stabilisation correspond au temps nécessaire pour que les oscillations se situent dans une plage d'erreur tolérable.

L'oscillation est souvent appelée « ondulation » en raison de la forme caractéristique du signal de sortie. Toutefois, ce terme se réfère plus spécifiquement à la forme produite lorsque l'on utilise une alimentation à découplage alternatif et que celle-ci ne supprime pas correctement ou suffisamment la forme d'onde AC.

Quelles sont les causes de l'oscillation ?

L'origine de l'oscillation, outre les alimentations, dépend de la longueur des pistes, qu'elles soient « longues » ou « courtes ». En règle générale, on considère que les traces sont « longues » si le temps de propagation aller-retour (vers et depuis la charge) est comparable au temps de montée du signal dans des circuits numériques. Si vous travaillez sur des lignes à ruban équilibrées ou sur des lignes microruban, c'est un peu plus compliqué, et je vous recommande de consulter la page de Glen Dash comme point de départ pour gérer la longueur de la ligne et pour diminuer les effets de ligne de transmission tels que l'oscillation.

Revenons aux traces courtes et longues. Si une trace est courte, l'oscillation est causée par une inductance et une capacitance parasites. Une impulsion ou une modification soudaine de la sortie entraîne une résonance des composants parasites à leur fréquence caractéristique, ce qui produit un effet d'oscillation de la sortie. Les causes d'oscillation sur des traces longues sont souvent causées par la réflexion du signal issue d'une désadaptation d'impédance.

Lorsque j'étais étudiant, le signal-bruit m'a énormément angoissé, mais celui-ci peut avoir des conséquences catastrophiques lorsque vous avez des responsabilités professionnelles.

Comment l'oscillation affecte-t-elle un système ?

Si la présence d'un oscilloscope bruyant ne provoque pas chez vous de crise existentielle, vous avez de la chance. Cela va vous épargner des années de thérapie. Cependant, l'oscillation peut avoir des conséquences désastreuses sur votre vie et sur la conception de vos produits.

Interférences électromagnétiques accrues : l'oscillation peut très souvent entraîner du bruit et des interférences. Ces interférences électromagnétiques peuvent s'étendre ou se propager sur la carte, ce qui provoque des problèmes de performance.

Augmentation du débit de courant : l'oscillation entraîne la circulation d'un plus grand débit de courant dans le circuit. Cela provoque non seulement une augmentation de la consommation d'électricité (et une diminution de l'autonomie des batteries), mais les composants de votre carte rencontrent également des problèmes de surchauffe supplémentaires et inattendus. Il peut en résulter une dégradation des fonctionnalités et de leur durée de vie.

Diminution des performances : outre l'accumulation des chutes de performances issues de l'augmentation du courant et de la surchauffe, l'oscillation provoque une diminution des performances sur un grand nombre de paramètres. La sensibilité du circuit chute, en raison d'un retard de sortie dû au temps de stabilisation. La résolution des sorties se dégrade également.

L'oscillation endommage particulièrement les circuits numériques. Les problèmes que nous avons évoqués persistent, et le seuil est nettement inférieur. Combinez ceci à du bruit de rail d'alimentation, et il est alors probable que des erreurs se produisent et que vos données soient corrompues.

Indications sonores : un cas précis d'oscillation se produit dans des applications audio et vidéo. L'ondulation survient dans la gamme audible et s'entend dans la sortie. Elle crée également des artéfacts visibles sur l'écran vidéo.

L'oscillation peut affecter les sorties de manière audible dans des applications audio et vidéo.

Comment éviter l'oscillation ?

L'oscillation peut s'avérer agaçante, voire catastrophique en termes de performances du système. L'optimisation de la conception fait une énorme différence en ce qui concerne les performances et la sortie. Réduisez tout d'abord l'inductance et la capacitance parasites. Ensuite, réduisez la longueur des nœuds, particulièrement sur les composants de l'étage de puissance de la carte. Utilisez également l'adaptation d'impédance afin de réduire toute réflexion du signal. L'adaptation d'impédance varie en fonction de l'application, et je vous recommande de consulter les articles techniques de Texas Instruments pour obtenir des informations plus spécifiques sur un grand nombre d'applications.

Bien que tous les programmes ne soient pas en mesure de vérifier chaque source potentielle d'interférence, ceux qui sont le plus performant peuvent considérablement diminuer votre charge de travail. Vous pouvez ainsi relever des défis plus importants au lieu d'essayer d'optimiser tous les paramètres de la carte sans obtenir de résultats. Altium conçoit certains des meilleurs logiciels pour circuits imprimés, comme Altium Designer, et propose des outils qui vous permettent de vous consacrer à autre chose qu'à la vérification des erreurs. Ceci vous laisse par exemple le temps d'étudier les implications philosophiques des circuits bruyants. Vous pouvez également choisir de reprendre le cours normal de votre vie.

Vous avez des questions au sujet de l'oscillation ? Contactez un de nos experts Altium.