Résumé : La conception des circuits PCB (Printed Circuit Board) à signaux mixtes est complexe, où la disposition des composants, le routage et la manipulation des alimentations et des lignes de terre ont un impact direct sur les performances des circuits et la compatibilité électromagnétique (CEM). Cet article présente une conception de zonage pour les alimentations de terre et d'alimentation qui peut optimiser les performances des circuits à signaux mixtes.

Comment pouvons-nous réduire les interférences mutuelles entre les signaux numériques et analogiques ? Avant la conception, il est crucial de comprendre deux principes fondamentaux de la CEM : le premier principe est de minimiser autant que possible la zone des boucles de courant ; le deuxième principe est d'utiliser un seul plan de référence pour le système. À l'inverse, si le système comporte deux plans de référence, il peut former une antenne dipôle (remarque : le rayonnement d'une petite antenne dipôle est proportionnel à la longueur des fils, à l'amplitude du courant qui les traverse et à la fréquence). De plus, si les signaux ne peuvent pas revenir par les boucles les plus petites possibles, une grande antenne cadre peut être formée (remarque : le rayonnement d'une petite antenne cadre est proportionnel à la surface de la boucle, à l'amplitude du courant circulant dans la boucle et au carré de la fréquence). Les deux scénarios doivent être évités autant que possible lors de la conception.

Certains suggèrent de séparer les masses numériques et analogiques sur des cartes à signaux mixtes pour obtenir une isolation entre elles. Bien que cette approche soit réalisable, elle pose de nombreux problèmes potentiels, en particulier dans les systèmes complexes à grande échelle. Le problème le plus critique est l’incapacité d’acheminer les fils à travers les espaces divisés, car cela peut augmenter considérablement le rayonnement électromagnétique et la diaphonie du signal. Le problème le plus courant rencontré dans la conception de PCB concerne les problèmes EMI résultant du croisement de lignes de signaux sur des masses ou des alimentations divisées.

Comme le montre la figure 1, nous adoptons la méthode de segmentation susmentionnée, et lorsque la ligne de signal franchit l'espace entre deux masses, quel est le chemin de retour du courant de signal ? En supposant que les deux masses segmentées soient connectées quelque part (généralement en un seul point), dans ce cas, le courant de terre formera une grande boucle. Les courants haute fréquence circulant dans cette grande boucle génèrent un rayonnement et une inductance de terre élevée. Si des courants analogiques de faible niveau traversent cette grande boucle, ils sont sensibles aux interférences de signaux externes. Le pire des scénarios est celui où les masses segmentées sont connectées à l'alimentation électrique, formant une boucle de courant extrêmement importante. De plus, la connexion des masses analogiques et numériques via un long fil crée une antenne dipôle.

Comprendre le chemin et la manière dont le courant revient à la terre est crucial pour optimiser la conception de PCB à signaux mixtes. De nombreux ingénieurs concepteurs considèrent uniquement l'endroit où circule le courant du signal, négligeant le chemin spécifique du courant. Si la segmentation du plan de sol est nécessaire et que le routage doit traverser l'espace entre les segments, établissez d'abord une connexion en un seul point entre les sols segmentés, formant un pont entre eux, puis acheminez à travers ce pont. Cela garantit un chemin de retour de courant continu sous chaque ligne de signal, minimisant ainsi la zone de boucle.

Des isolateurs ou transformateurs optiques peuvent également être utilisés pour permettre aux signaux de traverser des espaces segmentés. Dans le premier cas, les signaux optiques traversent l’espace ; dans ce dernier cas, les champs magnétiques le font. Une autre option viable consiste à utiliser des signaux différentiels, dans lesquels le signal circule dans une ligne et revient par une autre, éliminant ainsi le besoin d'une masse comme chemin de retour.

Pour approfondir l'interférence des signaux numériques sur les signaux analogiques, il est essentiel de comprendre la nature des courants haute fréquence. Les courants haute fréquence choisissent toujours le chemin de moindre impédance (inductance la plus faible), directement sous le signal, par conséquent les courants de retour circulent à travers les couches de circuits adjacentes, qu'il s'agisse de plans d'alimentation ou de masse.

En pratique, il est courant d'utiliser une masse unifiée et de diviser le PCB en sections analogiques et numériques. Les signaux analogiques sont acheminés dans la zone analogique sur toutes les couches du PCB, tandis que les signaux numériques sont acheminés dans la zone numérique. Cela empêche les courants de retour numériques de circuler dans la masse analogique.

Les interférences des signaux numériques vers les signaux analogiques se produisent uniquement lorsque les signaux numériques sont acheminés via la section analogique ou vice versa. La cause première n'est pas la segmentation du sol mais un mauvais routage des signaux numériques.

L'adoption d'une masse unifiée dans la conception des PCB, la séparation des circuits numériques et analogiques et le routage approprié des signaux résolvent souvent les problèmes complexes de configuration et de routage sans introduire de problèmes potentiels liés à la segmentation de la masse. Dans ce cas, le placement et le cloisonnement des composants deviennent essentiels à la qualité de la conception. Avec une disposition et un routage appropriés, les courants de terre numériques sont confinés à la section numérique, évitant ainsi les interférences avec les signaux analogiques. Un tel acheminement nécessite une inspection et une vérification méticuleuses pour garantir le respect à 100 % des règles d'acheminement. Sinon, une seule ligne de signal mal acheminée peut ruiner un PCB par ailleurs excellent.

Lors de la connexion des broches de masse analogiques et numériques d'un convertisseur A/N, la plupart des fabricants recommandent de connecter les broches AGND et DGND avec les câbles les plus courts à une seule masse à faible impédance (remarque : la plupart des puces de convertisseur A/D ne connectent pas en interne les broches analogiques et numériques d'un convertisseur A/D. masses numériques, nécessitant des connexions de broches externes). Toute impédance externe connectée au DGND peut coupler davantage de bruit numérique dans les circuits analogiques internes du CI via une capacité parasite. Suite à cette recommandation, les broches AGND et DGND du convertisseur A/D doivent être connectées à la masse analogique, mais cela soulève des questions quant à savoir où mettre à la terre les condensateurs de découplage pour les signaux numériques : à la masse analogique ou numérique.

Si le système ne dispose que d’un seul convertisseur A/D, la solution est simple. Comme le montre la figure 3, divisez la masse et connectez les sections de masse analogique et numérique sous le convertisseur A/D. Ce faisant, assurez-vous que le pont reliant les deux masses est aussi large que le circuit intégré et qu'aucune ligne de signal ne traverse l'espace.

S'il y a de nombreux convertisseurs A/D dans le système, par exemple 10 convertisseurs A/D, comment les connecter ? Si la masse analogique et la masse numérique sont connectées ensemble sous chaque convertisseur A/D, cela entraînera plusieurs points de connexion et l'isolation entre la masse analogique et la masse numérique n'aura aucun sens. S'il n'est pas connecté de cette manière, il violera les exigences du fabricant.
La meilleure façon est d’utiliser un terrain unifié au début. Comme le montre la figure 4, la masse unifiée est divisée en une partie analogique et une partie numérique. Cette disposition et ce câblage répondent non seulement aux exigences des fabricants de dispositifs IC en matière de connexions à faible impédance entre les broches de terre analogiques et numériques, mais ne créent pas non plus d'antennes cadres ou d'antennes dipôles susceptibles de causer des problèmes de CEM.

Si vous avez des doutes quant à l'utilisation d'une approche unifiée pour la conception de circuits imprimés à signaux mixtes, vous pouvez utiliser la méthode de segmentation de la couche de masse pour disposer et acheminer l'ensemble du circuit imprimé. Lors de la conception, veillez à faciliter la connexion des circuits imprimés à l'aide de cavaliers espacés de moins de 1/2 pouce ou de résistances de 0 ohm lors d'expériences ultérieures. Faites attention au partitionnement et au routage, en vous assurant qu'aucune ligne de signal numérique n'est située au-dessus de la partie analogique sur toutes les couches, et qu'aucune ligne de signal analogique n'est située au-dessus de la partie numérique. De plus, aucune ligne de signal ne peut traverser l'espace de terre ou diviser l'espace entre les alimentations. Pour tester le fonctionnement et les performances CEM du circuit imprimé, connectez les deux masses ensemble à l'aide d'une résistance ou d'un cavalier de 0 ohm, puis testez à nouveau le fonctionnement et les performances CEM du circuit imprimé. En comparant les résultats des tests, on constate que dans presque tous les cas, l'approche unifiée est supérieure à l'approche divisée en termes de fonctionnement et de performances CEM.

#Le mode de partage des terres est-il toujours utile ?
Cette méthode peut être utilisée dans les trois situations suivantes : certains équipements médicaux nécessitent un faible courant de fuite entre les circuits et systèmes connectés au patient ; la sortie de certains équipements de contrôle de processus industriels peut être connectée à des dispositifs électromécaniques à bruit élevé et à puissance élevée ; une autre situation est celle où la disposition du PCB est soumise à des restrictions spécifiques.
Il existe généralement des alimentations numériques et analogiques distinctes sur les cartes PCB à signaux mixtes, et il peut et doit être possible d'utiliser un plan d'alimentation divisé. Cependant, les lignes de signaux immédiatement adjacentes au plan d'alimentation ne peuvent pas traverser l'espace entre les alimentations, et toutes les lignes de signaux qui traversent cet espace doivent être situées sur la couche de circuit immédiatement adjacente au grand plan de masse. Dans certains cas, la conception de l'alimentation analogique avec des lignes de connexion PCB plutôt qu'un seul plan peut éviter le problème de division du plan d'alimentation.

La conception de PCB à signaux mixtes est un processus complexe, et les points suivants doivent être notés lors du processus de conception :

1. Divisez le PCB en sections analogiques et numériques distinctes.
2. Disposition correcte des composants.
3. Les convertisseurs A/D sont placés sur la partition.
4. Ne divisez pas le terrain. Posez uniformément les parties analogiques et numériques du circuit imprimé sous le sol.
5. Dans toutes les couches du circuit imprimé, les signaux numériques ne peuvent être acheminés que dans la partie numérique du circuit imprimé.
6. Dans toutes les couches du circuit imprimé, les signaux analogiques ne peuvent être acheminés que dans la partie analogique du circuit imprimé.
7. Mettre en œuvre la division des sources d'alimentation analogiques et numériques.
8. Le câblage ne peut pas traverser l'espace entre les surfaces d'alimentation divisées.
9. La ligne de signal qui doit traverser l'espace entre les alimentations divisées doit être située sur la couche de câblage immédiatement adjacente à la masse de grande surface.
10. Analysez le chemin et le mode réels du courant revenant vers le sol.
11. Adoptez les bonnes règles de câblage.