Dans la conception de PCB, pourquoi la différence entre un circuit analogique et un circuit numérique est-elle si grande ?

Le nombre de concepteurs numériques et d'experts en conception de circuits imprimés numériques dans le domaine de l'ingénierie est en constante augmentation, ce qui reflète la tendance de développement de l'industrie.Bien que l’accent mis sur la conception numérique ait entraîné des développements majeurs dans les produits électroniques, cette tendance existe toujours, et il y aura toujours des conceptions de circuits qui s’interfacent avec des environnements analogiques ou réels.Les stratégies de câblage dans les domaines analogique et numérique présentent certaines similitudes, mais lorsque vous souhaitez obtenir de meilleurs résultats, en raison de leurs différentes stratégies de câblage, une conception de câblage simple n'est plus la solution optimale.

Cet article traite des similitudes et des différences fondamentales entre le câblage analogique et numérique en termes de condensateurs de dérivation, d'alimentations, de conception de masse, d'erreurs de tension et d'interférences électromagnétiques (EMI) causées par le câblage des PCB.

L'ajout de condensateurs de dérivation ou de découplage sur la carte de circuit imprimé et l'emplacement de ces condensateurs sur la carte relèvent du bon sens pour les conceptions numériques et analogiques.Mais il est intéressant de noter que les raisons sont différentes.

Dans la conception de câblage analogique, les condensateurs de dérivation sont généralement utilisés pour contourner les signaux haute fréquence sur l'alimentation.Si des condensateurs de dérivation ne sont pas ajoutés, ces signaux haute fréquence peuvent pénétrer dans les puces analogiques sensibles via les broches d'alimentation.D’une manière générale, la fréquence de ces signaux haute fréquence dépasse la capacité des appareils analogiques à supprimer les signaux haute fréquence.Si le condensateur de dérivation n'est pas utilisé dans le circuit analogique, du bruit peut être introduit dans le chemin du signal et, dans des cas plus graves, il peut même provoquer des vibrations.

Dans la conception de circuits imprimés analogiques et numériques, les condensateurs de dérivation ou de découplage (0,1 uF) doivent être placés aussi près que possible de l'appareil.Le condensateur de découplage de l'alimentation (10 uF) doit être placé à l'entrée de la ligne électrique du circuit imprimé.Dans tous les cas, les broches de ces condensateurs doivent être courtes.

Sur le circuit imprimé de la figure 2, différents itinéraires sont utilisés pour acheminer les fils d'alimentation et de terre.En raison de cette mauvaise coopération, les composants électroniques et les circuits du circuit imprimé sont plus susceptibles d'être soumis à des interférences électromagnétiques.

Dans le panneau unique de la figure 3, les fils d'alimentation et de terre des composants du circuit imprimé sont proches les uns des autres.Le rapport d'adaptation de la ligne électrique et de la ligne de terre dans ce circuit imprimé est approprié, comme le montre la figure 2. La probabilité que les composants et circuits électroniques du circuit imprimé soient soumis à des interférences électromagnétiques (EMI) est réduite de 679/12,8 fois ou environ 54 fois.
　　
Pour les appareils numériques tels que les contrôleurs et les processeurs, des condensateurs de découplage sont également nécessaires, mais pour des raisons différentes.L’une des fonctions de ces condensateurs est d’agir comme une banque de charge « miniature ».

Dans les circuits numériques, une grande quantité de courant est généralement nécessaire pour effectuer une commutation d'état de porte.Étant donné que des courants transitoires de commutation sont générés sur la puce pendant la commutation et circulent à travers le circuit imprimé, il est avantageux de disposer de charges « de réserve » supplémentaires.S'il n'y a pas assez de charge lors de l'action de commutation, la tension d'alimentation changera considérablement.Un changement de tension trop important fera entrer le niveau du signal numérique dans un état incertain et peut entraîner un mauvais fonctionnement de la machine à états de l'appareil numérique.

Le courant de commutation circulant à travers le tracé du circuit imprimé entraînera un changement de tension et le tracé du circuit imprimé présente une inductance parasite.La formule suivante peut être utilisée pour calculer la variation de tension : V = LdI/dt.Parmi eux : V = changement de tension, L = inductance de trace du circuit imprimé, dI = changement de courant à travers la trace, dt = temps de changement de courant.
　　
Par conséquent, pour de nombreuses raisons, il est préférable d'appliquer des condensateurs de dérivation (ou de découplage) au niveau de l'alimentation ou des broches d'alimentation des dispositifs actifs.

Le cordon d'alimentation et le fil de terre doivent être acheminés ensemble

La position du cordon d'alimentation et du fil de terre sont bien adaptées pour réduire le risque d'interférence électromagnétique.Si la ligne électrique et la ligne de terre ne correspondent pas correctement, une boucle du système sera conçue et du bruit sera probablement généré.

Un exemple de conception de PCB où la ligne d'alimentation et la ligne de terre ne correspondent pas correctement est illustré à la figure 2. Sur ce circuit imprimé, la zone de boucle conçue est de 697 cm².En utilisant la méthode illustrée à la figure 3, la possibilité de bruit rayonné sur ou hors du circuit imprimé induisant une tension dans la boucle peut être considérablement réduite.

La différence entre les stratégies de câblage analogique et numérique

▍Le plan de sol est un problème

Les connaissances de base du câblage des circuits imprimés sont applicables aux circuits analogiques et numériques.Une règle de base consiste à utiliser un plan de sol ininterrompu.Ce bon sens réduit l'effet dI/dt (changement de courant avec le temps) dans les circuits numériques, qui modifie le potentiel de terre et provoque l'entrée de bruit dans les circuits analogiques.

Les techniques de câblage des circuits numériques et analogiques sont fondamentalement les mêmes, à une exception près.Pour les circuits analogiques, il y a un autre point à noter, à savoir garder les lignes et boucles de signaux numériques dans le plan de masse aussi loin que possible des circuits analogiques.Ceci peut être réalisé en connectant séparément le plan de masse analogique à la connexion de terre du système ou en plaçant le circuit analogique à l'extrémité du circuit imprimé, qui est la fin de la ligne.Ceci est fait pour minimiser les interférences externes sur le chemin du signal.

Cela n’est pas nécessaire pour les circuits numériques, qui peuvent tolérer sans problème beaucoup de bruit sur le plan de masse.

La figure 4 (à gauche) isole l'action de commutation numérique du circuit analogique et sépare les parties numériques et analogiques du circuit.(À droite) La haute fréquence et la basse fréquence doivent être séparées autant que possible, et les composants haute fréquence doivent être proches des connecteurs du circuit imprimé.

Figure 5 Disposez deux traces proches sur le PCB, il est facile de former une capacité parasite.En raison de l’existence de ce type de capacité, un changement rapide de tension sur une trace peut générer un signal de courant sur l’autre trace.

Figure 6 Si vous ne faites pas attention à l'emplacement des traces, les traces dans le PCB peuvent produire une inductance de ligne et une inductance mutuelle.Cette inductance parasite est très néfaste au fonctionnement des circuits notamment des circuits à commutation numérique.

▍Emplacement des composants

Comme mentionné ci-dessus, dans chaque conception de PCB, la partie bruyante du circuit et la partie « silencieuse » (partie non bruyante) doivent être séparées.De manière générale, les circuits numériques sont « riches » en bruit et sont insensibles au bruit (car les circuits numériques ont une plus grande tolérance au bruit de tension) ;au contraire, la tolérance au bruit de tension des circuits analogiques est beaucoup plus petite.

Des deux, les circuits analogiques sont les plus sensibles au bruit de commutation.Dans le câblage d'un système à signaux mixtes, ces deux circuits doivent être séparés, comme le montre la figure 4.
　　
▍Composants parasites générés par la conception des PCB

Deux éléments parasites de base susceptibles de poser des problèmes se forment facilement dans la conception des PCB : la capacité parasite et l'inductance parasite.

Lors de la conception d'un circuit imprimé, placer deux traces proches l'une de l'autre générera une capacité parasite.Vous pouvez faire ceci : Sur deux calques différents, placez une trace au-dessus de l'autre trace ;ou sur le même calque, placez une trace à côté de l'autre trace, comme indiqué dans la figure 5.
　　
Dans ces deux configurations de trace, les changements de tension au fil du temps (dV/dt) sur une trace peuvent provoquer du courant sur l'autre trace.Si l’autre trace est à haute impédance, le courant généré par le champ électrique sera converti en tension.
　　
Les transitoires de tension rapides se produisent le plus souvent du côté numérique de la conception du signal analogique.Si les traces avec des transitoires de tension rapides sont proches des traces analogiques à haute impédance, cette erreur affectera sérieusement la précision du circuit analogique.Dans cet environnement, les circuits analogiques présentent deux inconvénients : leur tolérance au bruit est bien inférieure à celle des circuits numériques ;et les traces à haute impédance sont plus courantes.
　　
L’utilisation de l’une des deux techniques suivantes peut réduire ce phénomène.La technique la plus couramment utilisée consiste à modifier la taille entre les traces en fonction de l'équation de capacité.La taille la plus efficace à modifier est la distance entre les deux traces.Il convient de noter que la variable d est au dénominateur de l'équation de capacité.À mesure que d augmente, la réactance capacitive diminue.Une autre variable pouvant être modifiée est la longueur des deux traces.Dans ce cas, la longueur L diminue, et la réactance capacitive entre les deux traces diminuera également.
　　
Une autre technique consiste à poser un fil de terre entre ces deux traces.Le fil de terre est à faible impédance et l'ajout d'une autre trace comme celle-ci affaiblira le champ électrique d'interférence, comme le montre la figure 5.
　　
Le principe de l'inductance parasite dans le circuit imprimé est similaire à celui de la capacité parasite.Il s’agit aussi de tracer deux traces.Sur deux calques différents, placez une trace sur l'autre trace ;ou sur le même calque, placez une trace à côté de l'autre, comme le montre la figure 6.

Dans ces deux configurations de câblage, la variation du courant (dI/dt) d'une trace avec le temps, du fait de l'inductance de cette trace, va générer une tension sur la même trace ;et en raison de l'existence d'une inductance mutuelle, un courant proportionnel est généré sur l'autre trace.Si le changement de tension sur la première trace est suffisamment important, des interférences peuvent réduire la tolérance de tension du circuit numérique et provoquer des erreurs.Ce phénomène ne se produit pas uniquement dans les circuits numériques, mais ce phénomène est plus fréquent dans les circuits numériques en raison des courants de commutation instantanés importants dans les circuits numériques.
　　
Pour éliminer le bruit potentiel provenant des sources d'interférences électromagnétiques, il est préférable de séparer les lignes analogiques « silencieuses » des ports d'E/S bruyants.Pour tenter d'obtenir un réseau d'alimentation et de terre à faible impédance, l'inductance des fils des circuits numériques doit être minimisée et le couplage capacitif des circuits analogiques doit être minimisé.
　　
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Conclusion

Une fois les plages numériques et analogiques déterminées, un routage minutieux est essentiel à la réussite d'un PCB.La stratégie de câblage est généralement présentée à tout le monde de manière empirique, car il est difficile de tester le succès final du produit dans un environnement de laboratoire.Par conséquent, malgré les similitudes dans les stratégies de câblage des circuits numériques et analogiques, les différences dans leurs stratégies de câblage doivent être reconnues et prises au sérieux.