Technologie PCB - Optimisation de la résistance au bruit des circuits à signaux mixtes

Dans cet article, nous allons discuter des effets de proximité et discuter de la façon dont les connaissances sur les effets de proximité et les effets cutanés peuvent être appliquées au câblage de la carte et au chemin du signal pour minimiser l'impact du bruit sur le système. Dans le même temps, nous discuterons également d'autres types de sources de bruit et des moyens de les réduire afin de minimiser le bruit dans le circuit.

Effets de proximité

Par effet de proximité, on entend l'interaction entre deux conducteurs adjacents dont le sens du courant est opposé, de sorte que le courant tend à se concentrer dans des zones adjacentes, comme représenté sur la figure 1.

Figure 1. L'effet de proximité maintient toujours le courant circulant dans le courant haute fréquence inverse aussi proche que possible

En raison de l'effet de chimiotaxie, le courant alternatif est principalement concentré sur la surface du conducteur.

Lorsque la distance entre deux conducteurs est proche, et / ou que la fréquence du signal augmente, l'effet de proximité rapproche le courant circulant dans deux conducteurs adjacents. La raison de l'effet de proximité est que le courant cherche toujours le chemin d'impédance minimale. Dans d'autres éléments, le chemin d'impédance minimale est généralement celui qui permet de minimiser l'intensité du champ magnétique autour du conducteur.

Le reflux DC remplit tout le conducteur, alors que le courant alternatif ne le fait pas. Le chemin dit d'impédance minimale est la partie où les champs magnétiques créés par deux conducteurs de sens de courant opposés sont intimement liés l'un à l'autre. C'est aussi la raison pour laquelle les courants de deux conducteurs de sens opposés sont proches l'un de l'autre. Ceci fait que les lignes de dérivation du plan de retour sont attirées par les lignes de contre - courant correspondantes en dessous d'elles, les rapprochant l'une de l'autre comme si le plan de retour était un chemin conduisant un signal de retour juste en dessous du chemin de sortie, comme représenté sur la figure 2.

Notez que nous parlons ici d'un avion de retour, pas d'un avion au sol. La raison en est que le signal de retour est parfois conduit par le plan de masse et parfois par le plan de puissance. Quel que soit le plan, il est appelé Plan de retour tant que le signal de retour est conduit.

Figure 2: L'effet de proximité rapproche le plus possible deux conducteurs de courant à relativement haute fréquence

La densité de courant (irp) du plan de retour diminue rapidement à mesure que la distance du bord du trajet du signal de sortie augmente, comme le montre l'équation 1.

Où

Irp représente la densité de courant à une distance horizontale "D" du trajet portant le signal de sortie sur le plan de référence

I représente le courant du signal

H Représente la distance entre le trajet portant le signal de sortie et le plan de référence

D Représente la distance horizontale du trajet portant le signal de sortie

Le courant du plan de retour suit le trajet au - dessus (ou au - dessous) du signal de sortie; lorsque le rapport D / H est de 5, la densité de courant "D" à partir du bord du trajet portant le signal de sortie descend à moins de 4%; Lorsque le rapport D / H est de 10, la densité de courant au niveau de la densité de courant "D" en provenance du bord de la voie portant le signal de sortie descendra à moins de 1% au - dessous de celui - ci. Le courant alternatif dans le plan de retour est donc sensiblement limité à la zone sous la voie portant le signal de sortie correspondent. C'est pourquoi nous n'avons pas besoin de diviser le plan de masse lorsque nous considérons la disposition du PCB. De plus, la Division du plan du sol peut entraîner de graves problèmes de rayonnement. Bien que de nombreux concepteurs tentent de résoudre ce problème avec des boucliers coûteux, ils le font en vain.

Le courant de retour du plan de référence suit son courant de sortie correspondent. Ainsi, tant que le trajet du courant de sortie est maintenu à une distance suffisante, il est possible d'éviter le mélange des courants planaires de retour. C'est le mélange des courants planaires de retour qui crée la diaphonie et le bruit. La distance entre les lignes mentionnées ici est fonction de la distance entre les couches (Figure 2 et "h" dans l'équation 1).

A partir de la formule de densité de courant, il est possible de calculer la densité de courant par rapport à n'importe quel point (ou distance "D") du bord du trajet qui porte le signal de sortie. Notez que cette formule calcule la densité de courant et non le courant.

La distance typique "h" dépend du trajet du signal de sortie et de la position réelle du plan de retour sur la carte de circuit imprimé:

Si elle se trouve entre la couche externe et la couche interne, la valeur typique de « h» pour les cartes à 4 et 6 couches est de 75 Mill;

Si elle est située entre deux couches internes, la valeur typique "h" d'une carte à 4 couches est de 39 Mill et la valeur typique "h" d'une carte à 6 couches est de 14 Mill.

Consultez le fournisseur de la carte pour connaître l'espacement entre les plans de la carte que vous utilisez.

Si la distance entre les bords des trajets atteint 4 fois la distance entre les trajets portant le signal de sortie et le signal de retour, la diaphonie descend à moins de 6% de l'amplitude du signal.

Effet combiné des effets de proximité et des effets de chimiotaxie

Du fait de la combinaison de l'effet de proximité et de l'effet dermocosmétique, la surface portante du conducteur ne représente qu'une faible partie de toute sa section transversale, la surface portante réelle étant bien inférieure à celle représentée sur la figure 3.

Figure 3: l'effet combiné de l'effet de chimiotaxie et de l'effet de proximité est que la surface sur laquelle le conducteur transporte réellement le courant est considérablement réduite

L'effet de chimiotaxie et l'effet de proximité entraînent tous deux un conducteur dont la surface portante est inférieure à la section transversale du conducteur, de sorte qu'ils augmentent tous les deux la résistance alternative du conducteur.

Impact de la mise en page PCB sur ses performances

Outre l'effet de chimiotaxie et l'effet de proximité, les circuits haute fréquence ont un autre problème, à savoir les interférences électromagnétiques. Ce problème se manifeste sous deux aspects: le rayonnement du signal et la réception du signal.

Les gouvernements d'aujourd'hui ont tous des règles spécifiques sur l'énergie rayonnée permise par les appareils. Limiter l'énergie rayonnée du dispositif permet de réduire les signaux parasites reçus par le circuit. En un sens, ces dispositions sont très bonnes. Dans le même temps, nous devons prendre des mesures pour nous assurer que nos circuits ne rayonnent pas de signaux perturbateurs de fréquence non autorisés. Les pratiques de conception nous enseignent également que des mesures appropriées doivent être prises lors de la conception du circuit pour empêcher le circuit de recevoir des signaux perturbateurs environnants. Dans tous les cas, nous ne pouvons pas déterminer quand un circuit sera exposé à un environnement avec de fortes perturbations.

Lorsque le courant sortant et le courant de retour circulent, la zone entre le chemin sortant et le chemin de retour est appelée « zone circulaire». Plus la zone de circulation est grande, plus le champ électromagnétique autour du conducteur est important. Le rayonnement est produit par le champ électromagnétique environnant. Plus la zone de circulation est grande, plus l'énergie reçue par rayonnement électromagnétique ou couplage électromagnétique est importante. Le courant haute fréquence circulant sur le plan de retour suivant un trajet très étroit, ce trajet est similaire au trajet et émet un rayonnement, en particulier lorsque le trajet du courant de retour sur le plan de masse est forcé de dévier en raison de la Division du plan de masse. Le rayonnement est plus grave lorsqu'il porte un chemin correspondent au courant de sortie. La Division du plan de sol n'est donc en aucun cas un bon moyen.

Les gens remplissent souvent les zones inutilisées de la carte de circuit imprimé avec un film de cuivre mis à la terre. Cependant, si le film de cuivre utilisé pour le remplissage n'est mis à la terre que par un seul point, cela revient en fait à concevoir un plan de masse qui peut s'écouler à travers ce point. Une antenne qui rayonne de l'énergie. Donc, si vous ne pouvez pas être mis à la terre à travers plusieurs points, vous devriez éviter ce mode de remplissage de film de cuivre.

Une autre méthode courante consiste à utiliser un seul plan de masse et un seul chemin de circuit d'alimentation. Le problème avec cette approche est que l'Inductance série équivalente (ESL) du condensateur provoque une variation de l'impédance du condensateur en fonction de la fréquence, comme illustré sur la figure 4. L'utilisation de plusieurs Condensateurs ayant des tolérances différentes permet d'étendre la gamme de fréquences de la dérivation effective, mais les condensateurs ne sont plus utiles lorsque la fréquence dépasse plusieurs centaines de MHz. Si les concepteurs pensent qu'il n'y a pas de tels signaux haute fréquence dans le circuit, nous pouvons considérer que les ondes carrées contiennent des composantes harmoniques de plus de 30 harmoniques. La fréquence des 30 harmoniques du signal numérique de 40 MHz est de 1,2 GHz (1200 MHz).

Figure 4: le condensateur peut contourner le signal dans une plage de fréquence très étroite

Le moyen le plus efficace de contourner ces éléments haute fréquence est d'utiliser la capacité inter - couches entre le plan d'alimentation et le plan de masse, alors que la capacité du chemin de transmission de puissance formé entre le plan d'alimentation et le plan de masse est trop faible pour créer une fonction de contournement haute fréquence suffisante.

On sait que si l'effet de bord est négligé, la capacité inter - couches est:

C = K O A / D

Où K = permittivité relative du diélectrique entre les couches

O = 8854 x 10 - 12 farads / mètre

A = surface des deux plaques du condensateur

D = distance entre les deux plaques du condensateur

Si nous supposons que K = 4,1 pour une carte fr - 4 et que la distance entre les deux couches internes est de 39 millimètres, la capacité inter - couches est d'environ 3,67 PF / CM 2, ou 23,65 PF / inc2, calculée selon l'équation 2.

Précautions pour le circuit

Plus tôt, nous avons discuté de certains problèmes de câblage importants à prendre en compte lors de la conception de dispositifs de circuits à signaux mixtes tels que les ADC et les DAC, mais cela est loin d'être suffisant pour le traitement du bruit. Nous discuterons ensuite de la façon dont les circuits d'entrée et de sortie génèrent du bruit et de la façon de prévenir ces problèmes.

Notes sur le lecteur d'entrée

La plupart des ADC produits aujourd'hui peuvent être considérés comme des convertisseurs d'échantillons, c'est - à - dire qu'ils échantillonnent le signal d'entrée et convertissent la tension échantillonnée en une valeur correspondante. La figure 5 représente un circuit équivalent simplifié d'échantillonnage du signal d'entrée ADC. Sur la figure, "cin" représente la capacité d'entrée de la broche, "cs" la capacité d'échantillonnage, "s" Le commutateur d'échantillonnage et "ron" Le commutateur dont la résistance est à l'état passant. Lors de l'échantillonnage, l'interrupteur "s" est fermé et le condensateur d'échantillonnage "cs" est chargé au niveau de la tension d'entrée; Dans l'intervalle de conversion, lorsque l'interrupteur "s" est ouvert et qu'un autre interrupteur (non représenté sur la figure) est fermé, la tension appliquée sur le condensateur d'échantillonnage est transférée vers un ou plusieurs autres condensateurs selon une conception ADC différente.

Lorsque l'interrupteur est à nouveau fermé pour le prochain échantillonnage, la tension du condensateur d'échantillonnage est différente de celle du dernier interrupteur ouvert, car la tension sur le condensateur d'échantillonnage est transférée ailleurs. Pour recharger à nouveau le condensateur d'échantillonnage, une impulsion de courant est générée à l'entrée de l'ADC et cette impulsion de courant provoque un pic de tension à la sortie de l'ADC. A moins que le condensateur d'échantillonnage ne se charge pas à un niveau de signal suffisamment efficace avant que l'interrupteur ne se referme, de telles pointes de tension en entrée ne posent généralement aucun problème. Il est important qu'après la fermeture de l'interrupteur, le signal d'entrée échantillonné soit à nouveau éteint. Le niveau de signal actif a déjà été atteint auparavant.

Figure 5: la plupart des ADC utilisent l'entrée d'échantillon

Un condensateur à l'entrée du circuit ADC peut accumuler des charges pour atténuer la demande de courant à la source de pilotage et ainsi se stabiliser rapidement. Cependant, d'une manière générale, la sortie d'un amplificateur opérationnel ne peut pas "tolérer" des capacités plus importantes, de sorte que nous l'isolons généralement du condensateur en utilisant une résistance d'amplificateur a en série en sortie, comme représenté sur la figure 6.

Figure 6: la plupart des ADC utilisent l'entrée d'échantillon

Alors, comment déterminer les valeurs de la résistance RF et de la capacité CF sur la figure 6? Une méthode efficace consiste d'abord à prendre comme valeur de CF 10 fois la limite de capacité du condensateur échantillonné CS, puis à calculer la valeur de RF selon l'équation 3, où "n" est la résolution (nombre de bits) de l'ADC.

Note sur la capacité de sortie

L'inductance du fil de jonction isole le fil de sortie bien dévié de la puce de silicium. Lorsque le signal de la broche de sortie ADC passe du Bas au haut, nous pouvons observer une impulsion négative sur la ligne de sortie, que nous appelons un « rebond de puissance». Si cette ligne de sortie est utilisée comme étage de sortie et est également partagée par d'autres zones de la même puce de silicium, ces impulsions négatives seront ajoutées au signal dans ces zones. Si la zone est un circuit numérique, ces ondes impulsionnelles négatives provoquent un bruit de gigue; S'il s'agit d'un circuit analogique, ces ondes impulsionnelles négatives vont directement introduire du bruit dans le processus de conversion.

Lorsque la sortie numérique passe du haut au bas, les charges accumulées sur la capacité du bus et la capacité d'entrée du dispositif piloté circuleront à travers la surface de la puce de silicium et les broches de masse de l'ADC. L'inductance de couplage à la terre isole la sortie continue de la tranche de silicium de la masse stable et sans bruit et des impulsions des broches du dispositif. L'amplitude de ces impulsions variera en fonction du nombre de bornes de sortie déchargées. Ce phénomène est connu sous le nom de "rebond de masse". La tension de la composante continue de la tranche de silicium n'est ni cohérente avec la ligne de masse, ni stable, mais fluctuante, générant un bruit entre le signal d'entrée et la ligne de masse en raison de la différence de tension, et ce bruit est à nouveau converti, comme représenté sur la figure 7.

Figure 7: le courant nécessaire pour charger et décharger le condensateur de sortie créera du bruit dans la tranche de silicium

Pour les ADC avec entrée différentielle, vous pouvez penser que la suppression de mode commun d'entrée différentielle (CMR) peut résoudre les problèmes ci - dessus. En effet, l'inhibition de mode commun de tout circuit échoue progressivement avec l'augmentation de la fréquence du bruit, en particulier lorsque la fréquence du signal dépasse plusieurs centaines de kHz, l'effet de l'inhibition de mode commun étant pire. Comme la fréquence de ces impulsions de rebond de masse est généralement proche de celle des données de sortie et que les temps rapides de montée en tension correspondent à des fréquences plus élevées, l'effet du CMR est quasi nul pour la plage de signaux haute fréquence précitée.

Notre tâche est donc de minimiser ces courants de charge et de décharge afin de minimiser le bruit induit.

La première étape pour réduire ce type de bruit induit est de réduire la charge Capacitive sur les broches de sortie numériques, ce qui signifie qu'il faut éviter de piloter le bus directement avec la sortie ADC (c'est pourquoi les ADC haute vitesse utilisent toujours le mode de sortie traditionnel à trois états). Une capacité plus petite signifie que la quantité de charge qui doit être déplacée pendant la charge est réduite, de sorte que le bruit induit généré est naturellement inférieur. Par conséquent, un point très important dans la conception est d'essayer de faire en sorte que le dispositif piloté ait une seule broche d'entrée à faible capacité et que l'entrée du dispositif soit aussi proche que possible de la broche de sortie de l'ADC.

Cependant, dans certains cas, il n'est pas possible de réduire la capacité de sortie à un niveau suffisant pour éliminer le bruit induit. Ceci est particulièrement vrai lorsque la précision de l'ADC est élevée, que les niveaux de tension de référence et de tension de signal sont faibles et que le taux d'échantillonnage est élevé. À ce stade, il est utile de mettre en série des résistances de 47 - 100 ohms le plus près possible de la broche de sortie ADC, car les résistances en série peuvent limiter le courant de charge et de décharge du condensateur de la broche de sortie ADC et réduire le bruit sur la puce. Voir figure 8.

Si la résistance série n'est pas placée aussi près que possible de la broche de sortie numérique de l'ADC, la capacité de carte à carte entre l'ADC et la résistance série augmentera, créant ainsi un bruit plus élevé que le bruit d'origine. De même, c'est d'autant plus le cas que la précision du dispositif de conversion analogique - numérique s'améliore, que les niveaux de tension de référence et de tension de signal diminuent et que la cadence d'échantillonnage s'améliore; il faut bien entendu s'efforcer de réduire la longueur totale de ces lignes de transmission numérique.

Figure 8: la résistance série à la sortie de l'ADC peut réduire le bruit généré lorsque le condensateur de sortie est chargé et déchargé

Exposé complet

Toutes les lignes de transmission de signaux sont des lignes de transmission. Lorsque la longueur de la ligne dépasse un certain seuil, la ligne doit être considérée comme une ligne de transmission pour éviter la distorsion du signal, les écarts temporels, la gigue et le bruit.

Au fur et à mesure que la fréquence du signal augmente, l'effet de chimiotaxie et l'effet de proximité augmenteront la composante réelle (résistance) de l'impédance de la ligne. Lorsque d'autres lignes sont proches ou éloignées de la ligne de transmission, l'impédance de la ligne de transmission varie en conséquence, ce qui entraîne une répartition inégale de l'impédance sur la ligne de transmission. Par conséquent, dans le câblage, la façon dont les lignes de transmission sont traitées est extrêmement importante. Il en va de même pour le chemin de retour du plan de retour. Les capacités inter - couches sont très importantes car elles permettent de contourner les composantes du signal haute fréquence qui ne sont pas éliminées par le condensateur de diffusion.

En général, la conception rationnelle du circuit de commande ADC et la réduction du courant de sortie aideront à réduire le bruit qui peut nuire aux performances internes du circuit.