CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALES

En raison des différences importantes entre les circuits analogiques et les circuits numériques, la partie analogique du circuit doit être séparée du reste du circuit, et des méthodes et règles spéciales doivent être respectées lors du câblage. Les effets des caractéristiques de PCB non idéales deviennent particulièrement visibles dans les circuits analogiques haute fréquence, mais les erreurs générales décrites dans cet article peuvent affecter les performances des appareils fonctionnant même dans la plage de fréquences audio.

L'intention de cet article est de discuter des erreurs courantes commises par les concepteurs de PCB, de décrire l'impact de ces erreurs sur les performances et de fournir des recommandations pour résoudre les problèmes qui surviennent.

Carte de circuit imprimé - composant de circuit

Ce n'est que dans de rares cas que la carte de circuit imprimé d'un circuit analogique peut être routée de manière à ce que les effets qu'elle introduit n'aient aucune incidence sur le fonctionnement du circuit. Dans le même temps, tout impact de ce type peut être minimisé afin que les caractéristiques des circuits analogiques de l'appareil soient les mêmes que celles du modèle et du prototype.

Disposition

Les concepteurs de circuits numériques peuvent corriger de petites erreurs sur la carte fabriquée en ajoutant des cavaliers ou, au contraire, en supprimant des conducteurs inutiles, en modifiant le fonctionnement des microcircuits programmables, etc., en passant très bientôt au développement suivant. Ce n'est pas le cas pour un circuit analogique. Certaines des erreurs courantes décrites dans cet article ne peuvent pas être corrigées en ajoutant des cavaliers ou en supprimant les fils en excès. Ils peuvent rendre et rendront toute la carte de circuit imprimé inutilisable.

Il est très important pour un concepteur de circuits numériques utilisant ces méthodes de correction de lire et de comprendre le contenu de cet article bien avant de soumettre la conception à la production. Une petite attention de conception et une discussion sur les options possibles empêcheront non seulement le PCB de devenir un rebut, mais réduiront également les coûts dus aux erreurs dans une petite partie analogique du circuit. Trouver des bogues et les corriger peut faire perdre des centaines d'heures. Le prototypage peut réduire ce temps à un jour ou moins. Breadboard tous vos circuits analogiques.

Sources de bruit et d'interférences

Le bruit et les interférences sont les principaux éléments qui limitent les caractéristiques de qualité des circuits. Les interférences peuvent être soit émises par des sources, soit induites sur des éléments de circuit. Les circuits analogiques se trouvent souvent sur une carte de circuit imprimé avec des composants numériques à grande vitesse, y compris les processeurs de signaux numériques (DSP).

Les signaux logiques haute fréquence créent des interférences radioélectriques (RFI) importantes. Le nombre de sources d'émission de bruit est énorme : alimentations clés pour les systèmes numériques, les téléphones portables, la radio et la télévision, alimentations pour les lampes fluorescentes, les ordinateurs personnels, les décharges de foudre, etc. Même si le circuit analogique fonctionne dans la gamme de fréquences audio, RFI peut créer un bruit notable dans le signal de sortie.

CATÉGORIES DE PCB

Le choix de la conception du PCB est un facteur important dans la détermination des performances mécaniques de l'appareil dans son ensemble. Pour la fabrication de cartes de circuits imprimés, des matériaux de différents niveaux de qualité sont utilisés. Le plus approprié et le plus pratique pour le concepteur sera si le fabricant de PCB est à proximité. Dans ce cas, il est facile de contrôler la résistivité et la constante diélectrique - les principaux paramètres du matériau de la carte de circuit imprimé. Malheureusement, cela ne suffit pas et la connaissance d'autres paramètres tels que l'inflammabilité, la stabilité à haute température et l'hygroscopicité est souvent requise. Ces paramètres ne peuvent être connus que par le fabricant des composants utilisés dans la production des cartes de circuits imprimés.

Les matériaux stratifiés sont désignés par les indices FR (résistant aux flammes, résistance à l'inflammation) et G. Le matériau avec l'indice FR-1 a la plus haute inflammabilité, et FR-5 le moins. Les matériaux d'indices G10 et G11 ont des caractéristiques particulières. Les matériaux des cartes de circuits imprimés sont donnés dans le tableau. 1.

Ne pas utiliser de carte de circuit imprimé de catégorie FR-1. Il existe de nombreux exemples de cartes de circuits imprimés FR-1 qui ont subi des dommages thermiques à cause de composants à haute puissance. Les PCB de cette catégorie ressemblent davantage à du carton.

Le FR-4 est souvent utilisé dans la fabrication d'équipements industriels, tandis que le FR-2 est utilisé dans la fabrication d'appareils électroménagers. Ces deux catégories sont normalisées dans l'industrie et les cartes de circuits imprimés FR-2 et FR-4 conviennent souvent à la plupart des applications. Mais parfois l'imperfection des caractéristiques de ces catégories force l'utilisation d'autres matériaux. Par exemple, pour les applications à très haute fréquence, le PTFE et même la céramique sont utilisés comme matériaux de circuits imprimés. Cependant, plus le matériau PCB est exotique, plus le prix peut être élevé.

Lors du choix d'un matériau PCB, portez une attention particulière à son hygroscopicité, car ce paramètre peut avoir un effet négatif important sur les caractéristiques souhaitées de la carte - résistance de surface, fuite, propriétés isolantes haute tension (pannes et étincelles) et résistance mécanique. Faites également attention à la température de fonctionnement. Des points chauds peuvent être trouvés dans des endroits inattendus, comme à proximité de grands circuits intégrés numériques qui commutent à haute fréquence. Si ces zones sont situées directement sous les composants analogiques, une augmentation de la température peut affecter les caractéristiques du circuit analogique.

Tableau 1

catégorie	Composants, commentaires
FR-1	papier, composition phénolique : pressage et emboutissage à température ambiante, hygroscopicité élevée
FR-2	papier, composition phénolique : applicable aux circuits imprimés simple face des appareils électroménagers, faible coefficient d'absorption d'eau
FR-3	papier, composition époxy : développements avec de bonnes caractéristiques mécaniques et électriques
FR-4	fibre de verre, composition époxy : excellentes propriétés mécaniques et électriques
FR-5	fibre de verre, composition époxy : haute résistance aux températures élevées, ininflammable
G10	fibre de verre, composition époxy : hautes propriétés isolantes, la plus haute résistance de la fibre de verre, faible hygroscopicité
G11	fibre de verre, composition époxy : haute résistance à la flexion à haute température, haute résistance aux solvants

Une fois le matériau du PCB sélectionné, l'épaisseur de la feuille de PCB doit être déterminée. Ce paramètre est principalement sélectionné en fonction de la valeur maximale du courant circulant. Si possible, essayez d'éviter d'utiliser du papier d'aluminium très fin.

NOMBRE DE COUCHES DE CARTON IMPRIMÉ

Circuits imprimés monocouches

Des circuits électroniques très simples sont fabriqués sur des cartes simple face à l'aide de matériaux en feuille bon marché (FR-1 ou FR-2) et comportent souvent de nombreux cavaliers, ressemblant à des cartes double face. Cette façon de créer des cartes de circuits imprimés n'est recommandée que pour les circuits basse fréquence. Pour des raisons décrites ci-dessous, les cartes de circuits imprimés simple face sont très sensibles aux interférences. Un bon PCB simple face est difficile à concevoir pour de nombreuses raisons. Néanmoins, il existe de bonnes planches de ce type, mais lors de leur développement, il faut beaucoup réfléchir à l'avance.

Circuits imprimés double couche

Au niveau suivant se trouvent les cartes de circuits imprimés double face, qui utilisent dans la plupart des cas le FR-4 comme matériau de substrat, bien que parfois le FR-2 soit également trouvé. L'utilisation de FR-4 est plus préférable, car des trous sont obtenus à partir de ce matériau dans des cartes de circuits imprimés de meilleure qualité. Les circuits sur les cartes de circuits imprimés double face sont beaucoup plus faciles à câbler. en deux couches, il est plus facile de router des traces qui se croisent. Cependant, le croisement de traces n'est pas recommandé pour les circuits analogiques. Dans la mesure du possible, la couche inférieure (bas) doit être affectée au polygone terrestre et le reste des signaux doit être acheminé dans la couche supérieure (haut). L'utilisation d'une décharge comme bus terrestre offre plusieurs avantages :

• le fil commun est le fil le plus fréquemment connecté dans le circuit ; il est donc logique d'avoir beaucoup de fil commun pour simplifier le câblage.
• augmente la résistance mécanique de la planche.
• la résistance de toutes les connexions au fil commun est réduite, ce qui, à son tour, réduit le bruit et les interférences.
• la capacité distribuée pour chaque circuit de circuit est augmentée, aidant à supprimer le bruit rayonné.
• le polygone, qui est un écran, supprime les captations émises par des sources situées sur le côté du polygone.

Les circuits imprimés double face, malgré tous leurs avantages, ne sont pas les meilleurs, notamment pour les circuits à petits signaux ou à haut débit. En général, l'épaisseur du PCB, c'est-à-dire la distance entre les couches de placage est de 1,5 mm, ce qui est trop pour réaliser pleinement certains des avantages d'une carte de circuit imprimé à deux couches, indiqués ci-dessus. La capacité allouée, par exemple, est trop petite en raison d'un si grand espacement.

Cartes de circuits imprimés multicouches

Une conception de circuit responsable nécessite des cartes de circuits imprimés multicouches (MPB). Certaines raisons de leur utilisation sont évidentes :

• le même pratique que pour le bus filaire commun, le câblage du bus d'alimentation ; si des polygones sur une couche séparée sont utilisés comme bus d'alimentation, il est alors assez simple d'alimenter chaque élément du circuit à l'aide de vias ;
• les couches de signal sont libérées des rails d'alimentation, ce qui facilite le câblage des conducteurs de signal ;
• une capacité distribuée apparaît entre les polygones de masse et de puissance, ce qui réduit le bruit haute fréquence.

En plus de ces raisons d'utiliser des circuits imprimés multicouches, il en existe d'autres moins évidentes :

• meilleure suppression des interférences électromagnétiques (EMI) et radiofréquences (RFI) dues à l'effet de réflexion (effet plan image), connu depuis l'époque de Marconi. Lorsqu'un conducteur est placé à proximité d'une surface conductrice plane, la plupart des courants haute fréquence de retour circuleront dans le plan directement sous le conducteur. La direction de ces courants sera opposée à la direction des courants dans le conducteur. Ainsi, la réflexion du conducteur dans le plan crée une ligne de transmission de signal. Étant donné que les courants dans le conducteur et dans le plan sont d'amplitude égale et de sens opposé, une certaine réduction des interférences rayonnées est créée. L'effet de réflexion ne fonctionne efficacement qu'avec des polygones solides insécables (il peut s'agir à la fois de polygones terrestres et de polygones alimentaires). Toute violation de l'intégrité entraînera une réduction de la suppression des interférences.
• réduire le coût global de la production à petite échelle. Même si les cartes de circuits imprimés multicouches sont plus chères à fabriquer, leur émission possible est inférieure à celle des cartes à simple et double couche. Par conséquent, dans certains cas, l'utilisation de cartes multicouches uniquement vous permettra de répondre aux exigences de rayonnement fixées lors du développement, et de ne pas effectuer de tests et de tests supplémentaires. L'utilisation de MFP peut réduire le niveau de bruit rayonné de 20 dB par rapport aux cartes à deux couches.

Ordre des calques

Pour les concepteurs inexpérimentés, il existe souvent une certaine confusion quant à l'ordre optimal des couches de PCB. Prenons par exemple une chambre à 4 couches contenant deux couches de signal et deux couches de polygone - une couche de masse et une couche de puissance. Quel est le meilleur ordre de couches ? Des couches de signal entre polygones qui serviront d'écrans ? Ou rendre les couches de polygones internes pour réduire les interférences des couches de signal ?

Une chose importante à garder à l'esprit lors de la résolution de ce problème est que souvent l'emplacement des couches n'a pas vraiment d'importance, car les composants sont toujours situés sur les couches externes, et les bus qui transmettent les signaux à leurs terminaux traversent parfois tous les couches. Par conséquent, tous les effets d'écran ne sont qu'un compromis. Dans ce cas, il vaut mieux veiller à créer une grande capacité répartie entre les polygones de puissance et de masse, en les plaçant dans les couches internes.

Un autre avantage d'avoir les couches de signal à l'extérieur est la disponibilité des signaux pour les tests, ainsi que la possibilité de modifier les connexions. Quiconque a déjà changé les connexions des conducteurs situés dans les couches internes appréciera cette opportunité.

Pour les cartes de circuits imprimés de plus de quatre couches, il est de règle générale de placer des traces de signal à grande vitesse entre la masse et les plans d'alimentation, et de laisser les couches externes pour les basses fréquences.

MISE À LA TERRE

Diviser le sol en parties analogiques et numériques est l'une des méthodes les plus simples et les plus efficaces de suppression du bruit. Une ou plusieurs couches d'une carte de circuit imprimé multicouche sont généralement réparties sous une couche de plans de masse. Si le développeur n'est pas très expérimenté ou négligent, alors la masse de la partie analogique sera directement connectée à ces polygones, c'est-à-dire le courant de retour analogique utilisera le même circuit que le courant de retour numérique. Les sélectionneurs automatiques fonctionnent à peu près de la même manière et unissent toutes les terres ensemble.

Si une carte de circuit imprimé précédemment conçue avec un seul polygone de masse combinant des masses analogiques et numériques est soumise à un traitement, il est alors nécessaire de séparer physiquement les masses sur la carte en premier (après cette opération, le fonctionnement de la carte devient presque impossible). Après cela, toutes les connexions sont établies au plan de masse analogique des composants du circuit analogique (la masse analogique est formée) et au plan de masse numérique des composants du circuit numérique (la masse numérique est formée). Et seulement après cela, les motifs numériques et analogiques sont combinés dans la source.

Autres règles de formation de terrain :

• Les rails d'alimentation et de masse doivent être au même potentiel CA., ce qui implique l'utilisation de condensateurs de découplage et de capacités réparties.
• Évitez de chevaucher des polygones analogiques et numériques (Fig. 1). Positionnez les rails d'alimentation analogiques et les polygones au-dessus du polygone de masse analogique (de même pour les rails d'alimentation numériques). S'il y a un chevauchement entre les plages analogiques et numériques à un point quelconque, la capacité distribuée entre les zones de chevauchement créera un couplage CA et le bruit provenant du fonctionnement des composants numériques entrera dans le circuit analogique. De tels chevauchements invalideront l'isolement du polygone.
  
• La séparation ne signifie pas l'isolation électrique de la masse analogique de la masse numérique (Figure 2). Ils doivent être connectés ensemble dans un nœud à faible impédance, de préférence un. Un système correctement mis à la terre n'a qu'une seule terre, qui est la borne de terre pour les systèmes alimentés par le secteur CA ou la terre commune pour les systèmes alimentés en CC (comme une batterie). Tous les courants de signal et de puissance dans ce circuit doivent revenir à cette masse en un seul point, qui servira de masse du système. Un tel point peut être la sortie du boîtier de l'appareil. Il est important de comprendre que des boucles de masse peuvent se former lors de la connexion de la masse du circuit à plusieurs points du boîtier. La création d'un seul point de masse commun est l'un des aspects les plus difficiles de la conception d'un système.
  
• Si possible, séparez les bornes des connecteurs destinés à transporter les courants de retour - les courants de retour ne doivent être combinés qu'au point de masse du système. Le vieillissement des contacts du connecteur, ainsi que la déconnexion fréquente de leurs pièces d'accouplement, entraînent une augmentation de la résistance des contacts, par conséquent, pour un fonctionnement plus fiable, il est nécessaire d'utiliser des connecteurs avec un certain nombre de broches supplémentaires. Les cartes de circuits imprimés numériques complexes comportent de nombreuses couches et contiennent des centaines ou des milliers de conducteurs. L'ajout d'un autre conducteur crée rarement un problème, contrairement à l'ajout de broches de connecteur supplémentaires. En cas d'échec, il est alors nécessaire de créer deux conducteurs de courant de retour pour chaque circuit de puissance de la carte en prenant des précautions particulières.
• Il est important de séparer les lignes de signaux numériques des endroits sur le PCB où se trouvent les composants analogiques du circuit. Cela implique une isolation (blindage) par des polygones, des trajets de signaux analogiques courts et un placement prudent des composants passifs avec des bus numériques et analogiques critiques à grande vitesse adjacents. Les bus de signaux numériques doivent être acheminés autour des zones de composants analogiques et ne pas chevaucher les bus et polygones de masse analogiques et d'alimentation analogiques. Si cela n'est pas fait, le développement contiendra un nouvel élément imprévu - une antenne, dont le rayonnement affectera les composants et les conducteurs analogiques à haute impédance (Fig. 3).

• C'est une bonne idée de placer la partie analogique du circuit à proximité des connexions d'E/S de la carte. Les concepteurs de PCB numériques utilisant des circuits intégrés haute puissance ont souvent tendance à utiliser des barres omnibus de 1 mm de large et de plusieurs centimètres de long pour connecter des composants analogiques, estimant qu'une faible résistance de trace aidera à éliminer la diaphonie. Vous vous retrouvez avec un condensateur à film étendu, qui captera les signaux parasites des composants numériques, de la masse numérique et de l'alimentation numérique, ce qui aggravera le problème.

Un exemple de bon placement de composants

La figure 4 montre une disposition possible de tous les composants sur la carte, y compris l'alimentation. Trois plans de masse/alimentation séparés et isolés sont utilisés ici : un pour la source, un pour le circuit numérique et un pour le circuit analogique. Les circuits de masse et de puissance des parties analogiques et numériques ne sont combinés que dans l'alimentation. Le bruit haute fréquence est filtré dans les circuits d'alimentation par des selfs. Dans cet exemple, les signaux haute fréquence des parties analogique et numérique sont séparés l'un de l'autre. Une telle conception a une très forte probabilité de résultat favorable, car elle garantit un bon placement des composants et le respect des règles de séparation des circuits.

Il n'y a qu'un seul cas où les signaux analogiques et numériques doivent être combinés sur une zone de masse analogique. Les convertisseurs analogique-numérique et numérique-analogique sont logés dans des boîtiers avec des broches de masse analogiques et numériques. Compte tenu des considérations précédentes, on peut supposer que la broche de masse numérique et la broche de masse analogique doivent être connectées aux bus de masse numérique et analogique, respectivement. Cependant, ce n'est pas vrai dans ce cas.

Les noms des broches (analogiques ou numériques) se réfèrent uniquement à la structure interne du convertisseur, à ses connexions internes. Dans le circuit, ces broches doivent être connectées au bus de masse analogique. La connexion peut également être réalisée à l'intérieur du circuit intégré, cependant, il est assez difficile d'obtenir une faible résistance d'une telle connexion du fait des limitations topologiques. Par conséquent, lors de l'utilisation de convertisseurs, une connexion externe des broches de masse analogiques et numériques est supposée. Si cela n'est pas fait, les paramètres du microcircuit seront bien pires que ceux indiqués dans la spécification.

Il faut tenir compte du fait que les éléments numériques du convertisseur peuvent dégrader les caractéristiques de qualité du circuit, introduisant du bruit numérique dans les circuits de masse analogique et de puissance analogique. La conception des convertisseurs tient compte de cet impact négatif afin que la partie numérique consomme le moins d'énergie possible. Dans ce cas, les interférences provenant des éléments logiques de commutation sont réduites. Si les sorties numériques du convertisseur ne sont pas fortement chargées, la commutation interne ne pose généralement pas beaucoup de problèmes. Lors de la conception d'une carte de circuit imprimé contenant un ADC ou un DAC, une attention particulière doit être accordée au découplage de l'alimentation numérique du convertisseur à la masse analogique.

CARACTÉRISTIQUES DE FRÉQUENCE DES COMPOSANTS PASSIFS

Un grand nombre de concepteurs ignorent complètement les limitations de fréquence des composants passifs lorsqu'ils sont utilisés dans des circuits analogiques. Ces composants ont des plages de fréquences limitées et leur fonctionnement en dehors de la plage de fréquences spécifiée peut entraîner des résultats imprévisibles. On pourrait penser que cette discussion ne concerne que les circuits analogiques à grande vitesse. Cependant, c'est loin d'être le cas - les signaux haute fréquence affectent assez fortement les composants passifs des circuits basse fréquence par rayonnement ou par connexion directe via des conducteurs. Par exemple, un simple filtre passe-bas sur un amplificateur opérationnel peut facilement se transformer en filtre passe-haut lorsqu'une haute fréquence est appliquée à son entrée.

Résistances

Les caractéristiques haute fréquence des résistances peuvent être représentées par le circuit équivalent illustré à la figure 5.

Condensateurs

Les caractéristiques haute fréquence des condensateurs peuvent être représentées par le circuit équivalent illustré à la figure 6.

En fait, personne n'a jamais vu un condensateur électrolytique avec une réactance de 160 µΩ. Les plaques de film et les condensateurs électrolytiques sont des couches de feuille torsadées qui créent une inductance parasite. L'effet d'auto-inductance des condensateurs céramiques est bien moindre, ce qui leur permet d'être utilisés lorsqu'ils fonctionnent à des fréquences élevées. De plus, les condensateurs ont un courant de fuite entre les armatures, qui équivaut à une résistance montée en parallèle sur leurs bornes, ce qui ajoute son effet parasite à l'effet de la résistance en série des bornes et des armatures. De plus, l'électrolyte n'est pas un conducteur parfait. Toutes ces résistances s'additionnent pour créer une résistance série équivalente (ESR). Les condensateurs utilisés comme découpleurs doivent avoir une faible ESR, car la résistance série limite l'efficacité de la suppression des ondulations et du bruit. L'augmentation de la température de fonctionnement augmente considérablement la résistance série équivalente et peut dégrader les performances du condensateur. Par conséquent, si un condensateur électrolytique en aluminium doit être utilisé à une température de fonctionnement élevée, le type de condensateur approprié (105°C) doit être utilisé.

Les conducteurs de condensateur contribuent également à l'inductance parasite. Pour les petites valeurs de capacité, il est important de garder des longueurs de câble courtes. La combinaison de l'inductance et de la capacité parasites peut créer un circuit résonnant. En supposant que les fils ont une inductance d'environ 8 nH par centimètre, un condensateur de 0,01 uF avec des fils d'un centimètre de long aura une fréquence de résonance d'environ 12,5 MHz. Cet effet est connu des ingénieurs qui ont développé des appareils électroniques à vide il y a des décennies. Quiconque restaure des radios anciennes et ignore cet effet fait face à de nombreux problèmes.

Lors de l'utilisation de condensateurs électrolytiques, la connexion correcte doit être respectée. La borne positive doit être connectée à un potentiel DC plus positif. Une connexion incorrecte fait circuler le courant continu dans le condensateur électrolytique, ce qui peut endommager non seulement le condensateur lui-même, mais également une partie du circuit.

Dans de rares cas, la différence de potentiel CC entre deux points d'un circuit peut inverser le signe. Cela nécessite l'utilisation de condensateurs électrolytiques non polaires dont la structure interne équivaut à deux condensateurs polaires connectés en série.

inductance

Les caractéristiques haute fréquence des inductances peuvent être représentées par le circuit équivalent illustré à la figure 7.

En réalité, il n'y a pas d'inductance de 6,28 MΩ. La nature de la résistance parasite est facile à comprendre - les spires de la bobine sont faites de fil qui a une certaine résistance par unité de longueur. La capacité parasite est plus difficile à percevoir tant que l'on ne tient pas compte du fait que la spire suivante de la bobine est située à proximité de la précédente, et qu'un couplage capacitif se produit entre des conducteurs peu espacés. La capacité parasite limite la fréquence de fonctionnement supérieure. Les petites inductances bobinées commencent à devenir inefficaces dans la gamme 10...100 MHz.

Circuit imprimé

La carte de circuit imprimé elle-même a les caractéristiques des composants passifs discutés ci-dessus, bien que pas si évidentes.

Le motif des conducteurs sur une carte de circuit imprimé peut être à la fois une source et un récepteur d'interférences. Un bon câblage réduit la sensibilité du circuit analogique aux sources rayonnées.

La carte de circuit imprimé est sensible aux rayonnements car les conducteurs et les fils des composants forment une sorte d'antenne. La théorie des antennes est un sujet assez complexe à étudier et n'est pas abordée dans cet article. Cependant, quelques bases sont données ici.

Un peu de théorie des antennes

L'un des principaux types d'antennes est la tige ou le conducteur droit. Une telle antenne fonctionne parce qu'un conducteur droit a une inductance parasite et peut donc concentrer et piéger le rayonnement provenant de sources externes. L'impédance totale d'un conducteur droit a une composante résistive (active) et une composante inductive (réactive):

En courant continu ou en basses fréquences, la composante active prédomine. Au fur et à mesure que la fréquence augmente, la composante réactive devient de plus en plus importante. Dans la plage de 1 kHz à 10 kHz, la composante inductive commence à agir et le conducteur n'est plus un connecteur à faible résistance, mais agit plutôt comme une inductance.

La formule de calcul de l'inductance d'un conducteur PCB est la suivante :

Typiquement, les traces de PCB ont des valeurs comprises entre 6 nH et 12 nH par centimètre de longueur. Par exemple, un conducteur de 10 cm a une résistance de 57 mΩ et une inductance de 8 nH par cm. À 100 kHz, la réactance devient 50 mΩ, et à des fréquences plus élevées, le conducteur sera une inductance plutôt qu'une résistance.

La règle de l'antenne fouet indique qu'elle commence à interagir sensiblement avec le champ à sa longueur d'environ 1/20 de la longueur d'onde, et l'interaction maximale se produit à la longueur de la broche, égale à 1/4 de la longueur d'onde. Par conséquent, le conducteur de 10 cm de l'exemple du paragraphe précédent commencera à devenir une assez bonne antenne à des fréquences supérieures à 150 MHz. Il faut rappeler que malgré le fait que le générateur d'horloge d'un circuit numérique ne puisse pas fonctionner à une fréquence supérieure à 150 MHz, des harmoniques supérieures sont toujours présentes dans son signal. Si la carte de circuit imprimé contient des composants avec des broches de longueur considérable, ces broches peuvent également servir d'antennes.

L'autre type principal d'antenne est l'antenne cadre. L'inductance d'un conducteur droit augmente considérablement lorsqu'il se plie et fait partie d'un arc. L'augmentation de l'inductance diminue la fréquence à laquelle l'antenne commence à interagir avec les lignes de champ.

Les concepteurs de PCB expérimentés qui connaissent assez bien la théorie des antennes à boucle savent qu'il ne faut pas créer de boucles pour les signaux critiques. Certains concepteurs, cependant, n'y pensent pas, et les conducteurs de courant de retour et de signal dans leurs circuits sont des boucles. La création d'antennes cadre est facile à montrer avec un exemple (Fig. 8). De plus, la création d'une antenne à fente est illustrée ici.

Considérons trois cas:

L'option A est un exemple de mauvaise conception. Il n'utilise pas du tout le polygone de masse analogique. Le circuit en boucle est formé par un conducteur de terre et de signal. Lorsqu'un courant passe, un champ électrique et un champ magnétique perpendiculaire à celui-ci apparaissent. Ces champs forment la base d'une antenne cadre. La règle de l'antenne cadre stipule que pour une efficacité maximale, la longueur de chaque conducteur doit être égale à la moitié de la longueur d'onde du rayonnement reçu. Cependant, il ne faut pas oublier que même à 1/20 de la longueur d'onde, l'antenne cadre est encore assez efficace.

L'option B est meilleure que l'option A, mais il y a un espace dans le polygone, probablement pour créer un endroit spécifique pour le routage des fils de signal. Les trajets du signal et du courant de retour forment une antenne à fente. D'autres boucles sont formées dans les découpes autour des puces.

L'option B est un exemple d'une meilleure conception. Les trajets du signal et du courant de retour se chevauchent, annulant l'efficacité de l'antenne cadre. Notez que cette option comporte également des découpes autour des circuits intégrés, mais elles sont séparées du chemin du courant de retour.

La théorie de la réflexion et de l'adaptation des signaux est proche de la théorie des antennes.

Lorsque le conducteur PCB est tourné de 90°, des réflexions peuvent se produire. Ceci est principalement dû au changement de la largeur du chemin actuel. Au sommet du coin, la largeur de la piste augmente d'un facteur 1.414, ce qui conduit à une inadéquation des caractéristiques de la ligne de transmission, notamment la capacité répartie et l'inductance intrinsèque de la piste. Très souvent, il est nécessaire de faire pivoter une trace de 90° sur un PCB. De nombreux logiciels de CAO modernes vous permettent de lisser les coins des chemins dessinés ou de dessiner les chemins sous la forme d'un arc. La figure 9 montre deux étapes pour améliorer la forme des coins. Seul le dernier exemple maintient la largeur de trace constante et minimise les réflexions.

Conseil pour les traceurs de circuits imprimés expérimentés : laissez la procédure de lissage à la dernière étape du travail avant de créer des gouttelettes et de couler des polygones. Sinon, le package CAO prendra plus de temps à lisser en raison de calculs plus complexes.

EFFETS PARASITES DU CARTON IMPRIMÉ

- 4 couches ; le signal et la couche de polygone au sol sont adjacents,

- intervalle intercouche - 0,2 mm,

- largeur du conducteur - 0,75 mm,

- longueur du conducteur - 7,5 mm.

La valeur ER typique pour le FR-4 est de 4.5.

En remplaçant toutes les valeurs dans la formule, nous obtenons la valeur de capacité entre ces deux bus, égale à 1,1 pF. Même une capacité aussi petite en apparence est inacceptable pour certaines applications. La figure 11 illustre l'effet d'une capacité de 1 pF lorsqu'elle est connectée à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel haute fréquence.

Cet effet pose de nombreux problèmes, pour lesquels, néanmoins, il existe de nombreuses voies. La plus évidente d'entre elles est la réduction de la longueur des conducteurs. Une autre façon est de réduire leur largeur. Il n'y a aucune raison d'utiliser un conducteur de cette largeur pour envoyer le signal à l'entrée inverseuse, puisque Très peu de courant circule dans ce conducteur. Réduire la longueur de piste à 2,5 mm et la largeur à 0,2 mm réduira la capacité à 0,1 pF, et une telle capacité ne conduira plus à une augmentation aussi importante de la réponse en fréquence. Une autre façon de le résoudre consiste à supprimer une partie du polygone sous l'entrée inverseuse et le conducteur qui y arrive.

L'entrée inverseuse d'un ampli op, en particulier un ampli op à grande vitesse, est très susceptible d'osciller dans les circuits à gain élevé. Cela est dû à la capacité indésirable de l'étage d'entrée de l'amplificateur opérationnel. Par conséquent, il est extrêmement important de réduire la capacité parasite et de placer les composants de rétroaction aussi près que possible de l'entrée inverseuse. Si, malgré les mesures prises, l'amplificateur est excité, il est alors nécessaire de réduire proportionnellement la résistance des résistances de contre-réaction pour modifier la fréquence de résonance du circuit. Une augmentation des résistances peut également aider, cependant, beaucoup moins souvent, car. l'effet d'excitation dépend également de l'impédance du circuit. Lors du changement des résistances de rétroaction, il ne faut pas oublier de changer la capacité du condensateur de correction. De plus, il ne faut pas oublier qu'avec une diminution de la résistance des résistances, la consommation électrique du circuit augmente.

La largeur des traces de PCB ne peut pas être réduite indéfiniment. La largeur limite est déterminée à la fois par le processus technologique et par l'épaisseur de la feuille. Si deux conducteurs passent à proximité l'un de l'autre, un couplage capacitif et inductif se forme entre eux (Fig. 12).

Les relations décrivant ces effets parasites sont suffisamment complexes pour être données dans cet article, mais elles peuvent être trouvées dans la littérature sur les lignes de transmission et les striplines.

Les fils de signal ne doivent pas être acheminés parallèlement les uns aux autres, sauf dans le cas d'un câblage différentiel ou microruban. L'espace entre les conducteurs doit être d'au moins trois fois la largeur des conducteurs.

La capacité entre traces dans les circuits analogiques peut être problématique pour les grandes valeurs de résistance (plusieurs MΩ). Le couplage capacitif relativement important entre les entrées inverseuses et non inverseuses d'un amplificateur opérationnel peut facilement provoquer l'auto-excitation du circuit.

Chaque fois que, lors de l'implantation d'un circuit imprimé, il devient nécessaire de créer un via, c'est-à-dire un interconnexion (Fig. 13), il faut se rappeler que l'inductance parasite se produit également. Avec un diamètre de trou après placage d et une longueur de canal h, l'inductance peut être calculée à l'aide de la formule approximative suivante :

Par exemple, avec d = 0,4 mm et h = 1,5 mm (valeurs assez courantes), l'inductance du trou est de 1,1 nH.

Gardez à l'esprit que l'inductance du trou, associée à la même capacité parasite, forme un circuit résonant, qui peut être affecté lorsque vous travaillez à des fréquences élevées. L'inductance intrinsèque du trou est assez faible et la fréquence de résonance se situe quelque part dans la gamme des gigahertz, mais si le signal est obligé de traverser plusieurs vias le long de son chemin, leurs inductances s'additionnent (en connexion en série) et la fréquence de résonance chute. Conclusion: essayez d'éviter un grand nombre de vias lors du routage des conducteurs haute fréquence critiques des circuits analogiques. Un autre phénomène négatif est qu'avec un grand nombre de vias dans le polygone au sol, des boucles peuvent se créer. Le meilleur câblage analogique - tous les conducteurs de signal sont sur la même couche PCB.

Aux effets parasites évoqués ci-dessus s'ajoutent ceux liés à une surface de planche insuffisamment propre.

N'oubliez pas que s'il y a de grandes résistances dans le circuit, une attention particulière doit être portée au nettoyage de la carte. Les résidus de flux et les contaminants doivent être éliminés au cours des dernières étapes de la fabrication des PCB. Récemment, lors du montage de cartes de circuits imprimés, des flux solubles dans l'eau sont souvent utilisés. Étant moins nocifs, ils s'enlèvent facilement avec de l'eau. Mais en même temps, laver la carte avec de l'eau insuffisamment propre peut entraîner une contamination supplémentaire, ce qui aggrave les caractéristiques diélectriques. Par conséquent, il est très important de nettoyer le PCB avec des circuits à haute impédance avec de l'eau distillée fraîche.

INTERCOUPLAGE DES SIGNAUX

Si vous devez séparer une carte de circuit imprimé comportant à la fois des parties analogiques et numériques, vous devez avoir au moins une petite idée des caractéristiques électriques des éléments logiques.

Un étage de sortie typique d'un élément logique contient deux transistors connectés en série l'un avec l'autre, ainsi qu'entre les circuits d'alimentation et de masse (Fig. 14).

La situation change radicalement lorsque l'étage de sortie passe d'un état logique à un autre. Dans ce cas, pendant une courte période, les deux transistors peuvent être ouverts simultanément et le courant d'alimentation de l'étage de sortie augmente considérablement, car la résistance de la section du chemin de courant du bus d'alimentation au bus de masse via deux connectés en série transistors diminue. La consommation d'énergie augmente brusquement puis diminue également, ce qui entraîne une modification locale de la tension d'alimentation et l'apparition d'une variation brusque et à court terme du courant. De tels changements de courant entraînent l'émission d'énergie RF. Même sur une carte de circuit imprimé relativement simple, il peut y avoir des dizaines ou des centaines d'étages de sortie d'éléments logiques considérés, de sorte que l'effet total de leur fonctionnement simultané peut être très important.

Il est impossible de prédire avec précision la gamme de fréquences sur laquelle ces surintensités se produiront, car la fréquence de leur apparition dépend de nombreux facteurs, notamment le délai de propagation des transistors de commutation dans l'élément logique. Le retard, à son tour, dépend également de nombreuses causes aléatoires qui se produisent au cours du processus de production. Le bruit de commutation a une distribution harmonique à large bande sur toute la plage. Pour supprimer le bruit numérique, il existe plusieurs méthodes dont l'application dépend de la répartition spectrale du bruit.

Le tableau 2 répertorie les fréquences de fonctionnement maximales pour les types de condensateurs courants.

Tableau 2

type	Fréquence maximale
électrolytique en aluminium	100 kHz
électrolytique au tantale	1 MHz
mica	500 MHz
керамический	1 GHz

D'après le tableau, il est évident que les condensateurs électrolytiques au tantale sont utilisés pour des fréquences inférieures à 1 MHz, à des fréquences plus élevées, des condensateurs en céramique doivent être utilisés. Il faut se rappeler que les condensateurs ont leur propre résonance et que leur mauvais choix peut non seulement ne pas aider, mais aussi aggraver le problème. La figure 15 montre les auto-résonances typiques de deux condensateurs à usage général, un électrolytique au tantale de 10 µF et une céramique de 0,01 µF.

Les spécifications réelles peuvent varier d'un fabricant à l'autre et même d'un lot à l'autre du même fabricant. Il est important de comprendre que pour que le condensateur fonctionne efficacement, les fréquences qu'il supprime doivent être dans une plage inférieure à la fréquence d'auto-résonance. Sinon, la nature de la réactance sera inductive et le condensateur ne fonctionnera plus efficacement.

Ne vous y trompez pas, un seul condensateur de 0,1 uF rejettera toutes les fréquences. Les petits condensateurs (10 nF ou moins) peuvent fonctionner plus efficacement à des fréquences plus élevées.

Découplage de puissance IC

Le découplage de l'alimentation du circuit intégré pour supprimer le bruit haute fréquence consiste en un ou plusieurs condensateurs connectés entre les broches d'alimentation et de masse. Il est important que les conducteurs reliant les fils aux condensateurs soient courts. Si ce n'est pas le cas, l'auto-inductance des conducteurs jouera un rôle important et annulera les avantages de l'utilisation de condensateurs de découplage.

Un condensateur de découplage doit être connecté à chaque boîtier du microcircuit, qu'il y ait 1, 2 ou 4 amplificateurs opérationnels à l'intérieur du boîtier.Si l'amplificateur opérationnel est alimenté par une alimentation bipolaire, il va sans dire que les condensateurs de découplage doivent être situé à chaque broche d'alimentation. La valeur de la capacité doit être choisie avec soin en fonction du type de bruit et d'interférences présents dans le circuit.

Dans des cas particulièrement difficiles, il peut être nécessaire d'ajouter une inductance connectée en série avec la sortie de puissance. L'inductance doit être placée avant, et non après, les condensateurs.

Un autre moyen moins coûteux consiste à remplacer l'inductance par une résistance à faible résistance (10 ... 100 ohms). Dans ce cas, avec le condensateur de découplage, la résistance forme un filtre basse fréquence. Cette méthode réduit la plage d'alimentation de l'ampli-op, qui devient également plus dépendante de la consommation d'énergie.

Habituellement, pour supprimer le bruit basse fréquence dans les circuits de puissance, il suffit d'utiliser un ou plusieurs condensateurs électrolytiques en aluminium ou en tantale au niveau du connecteur d'entrée de puissance. Un condensateur céramique supplémentaire supprimera le bruit haute fréquence des autres cartes.

DÉPÔT D'ENTRÉE ET DE SORTIE

Dans une situation où la gamme de fréquences du bruit induit est très différente de la gamme de fréquences du circuit, la solution est simple et évidente - placer un filtre RC passif pour supprimer le bruit haute fréquence. Cependant, lors de l'utilisation d'un filtre passif, il faut faire attention : ses caractéristiques (dues à l'imperfection des caractéristiques fréquentielles des composants passifs) perdent leurs propriétés à des fréquences 100...1000 fois supérieures à la fréquence de coupure (f_3db). Lors de l'utilisation de filtres connectés en série réglés sur différentes gammes de fréquences, le filtre passe-haut doit être le plus proche du brouilleur. Les inducteurs en ferrite peuvent également être utilisés pour la suppression du bruit ; ils conservent le caractère inductif de la résistance jusqu'à une certaine fréquence déterminée, et au-delà leur résistance devient active.

Les interférences sur le circuit analogique peuvent être si importantes qu'il est possible de s'en débarrasser (ou du moins de les réduire) uniquement en utilisant des écrans. Pour fonctionner efficacement, ils doivent être soigneusement conçus afin que les fréquences qui causent le plus de problèmes ne puissent pas entrer dans le circuit. Cela signifie que le blindage ne doit pas avoir de trous ou de découpes supérieurs à 1/20 de la longueur d'onde du rayonnement blindé. C'est une bonne idée de laisser suffisamment d'espace pour l'écran prévu dès le début de la conception du PCB. Lors de l'utilisation d'un blindage, vous pouvez également utiliser des anneaux de ferrite (ou perles) pour toutes les connexions au circuit.

CORPS D'AMPLI-OP

Dans un seul ampli-op, la sortie est située du côté opposé aux entrées. Cela peut rendre difficile le fonctionnement de l'amplificateur à des fréquences élevées en raison de la longueur des fils de rétroaction. Une façon de surmonter cela consiste à placer l'amplificateur et les composants de rétroaction sur les côtés opposés du PCB. Ceci, cependant, entraîne au moins deux trous et découpes supplémentaires dans le polygone au sol. Parfois, il vaut la peine d'utiliser un double amplificateur opérationnel pour résoudre ce problème, même si le deuxième amplificateur n'est pas utilisé (et que ses sorties doivent être correctement connectées). La figure 17 illustre le raccourcissement des fils de la boucle de rétroaction pour une connexion inverseuse.

Les amplis op doubles et quadruples, en plus de ce qui précède, permettent un montage plus serré. Les amplificateurs séparés sont, pour ainsi dire, mis en miroir les uns par rapport aux autres (Fig. 18).

Les figures 17 et 18 ne montrent pas toutes les connexions requises pour un fonctionnement normal, comme un haut-parleur de milieu de gamme avec une seule alimentation. La figure 19 montre un schéma d'un tel pilote lors de l'utilisation d'un amplificateur quadruple.

Le schéma montre toutes les connexions nécessaires pour la mise en œuvre de trois étages inverseurs indépendants. Il faut faire attention au fait que les conducteurs du conducteur demi-tension sont situés directement sous le boîtier du circuit intégré, ce qui permet de réduire leur longueur. Cet exemple illustre non pas comment cela devrait être, mais ce qui devrait être fait. La tension de niveau intermédiaire, par exemple, pourrait être la même pour les quatre amplificateurs. Les composants passifs peuvent être dimensionnés de manière appropriée. Par exemple, les composants plans de taille 0402 correspondent à l'espacement des broches d'un boîtier SO standard. Cela permet des longueurs de conducteur très courtes pour les applications à haute fréquence.

Les types de boîtiers d'amplificateurs opérationnels incluent principalement DIP (double en ligne) et SO (petit contour). À mesure que la taille du boîtier diminue, l'espacement des conducteurs diminue également, ce qui permet l'utilisation de composants passifs plus petits. La réduction de la taille du circuit dans son ensemble réduit les inductances parasites et permet un fonctionnement à des fréquences plus élevées. Cependant, cela entraîne également une diaphonie plus forte en raison d'un couplage capacitif accru entre les composants et les conducteurs.

MONTAGE VOLUMETRIQUE ET EN SURFACE

De plus, lors de l'utilisation de composants complémentaires, les dimensions de la carte et la longueur des conducteurs augmentent, ce qui ne permet pas au circuit de fonctionner à des fréquences élevées. Les vias ont leur propre inductance, ce qui impose également des restrictions sur les caractéristiques dynamiques du circuit. Par conséquent, les composants enfichables ne sont pas recommandés pour les circuits à haute fréquence ou pour les circuits analogiques situés à proximité de circuits logiques à grande vitesse.

Certains concepteurs, pour tenter de réduire la longueur des conducteurs, placent les résistances verticalement. À première vue, il peut sembler que cela réduit la longueur du parcours. Cependant, cela augmente le trajet du courant à travers la résistance, et la résistance elle-même est une boucle (bobine d'inductance). La capacité de rayonnement et de réception augmente plusieurs fois.

Le montage en surface ne nécessite pas de trou pour chaque broche du composant. Cependant, il y a des problèmes lors du test d'un circuit et vous devez utiliser des vias comme points de test, en particulier lorsque vous utilisez des composants à petite échelle.

SECTIONS OU INUTILISÉES

CONCLUSION

• considérez la carte de circuit imprimé comme un composant de circuit électrique ;
• avoir une idée et une compréhension des sources de bruit et d'interférence ;
• modèles et circuits de mise en page.

Circuit imprimé:

• utilisez uniquement des cartes de circuits imprimés à partir de matériaux de haute qualité (par exemple, FR-4);
• les circuits réalisés sur des cartes de circuits imprimés multicouches sont 20 dB moins sensibles aux interférences externes que les circuits réalisés sur des cartes à deux couches ;
• utiliser des polygones distincts qui ne se chevauchent pas pour différents terrains et alimentations ;
• placez les polygones de masse et d'alimentation sur les couches internes du PCB.

Composants:

• être conscient des limitations de fréquence introduites par les composants passifs et les traces de la carte ;
• essayez d'éviter le placement vertical des composants passifs dans les circuits à grande vitesse ;
• pour les circuits à haute fréquence, utilisez des composants conçus pour un montage en surface ;
• les conducteurs doivent être plus courts, mieux c'est ;
• si une longueur de conducteur plus longue est requise, réduisez sa largeur ;
• les câbles inutilisés des composants actifs doivent être correctement connectés.

• placez le circuit analogique près du connecteur d'alimentation ;
• ne faites jamais passer les fils transportant des signaux logiques à travers la zone analogique de la carte, et vice versa ;
• rendre les conducteurs adaptés à l'entrée inverseuse du court-circuit de l'ampli-op ;
• assurez-vous que les conducteurs des entrées inverseuses et non inverseuses de l'ampli-op ne sont pas parallèles les uns aux autres sur une longue distance ;
• essayez d'éviter d'utiliser des vias supplémentaires, car leur propre inductance peut entraîner des problèmes supplémentaires ;
• ne faites pas passer les conducteurs à angle droit et lissez si possible le haut des coins.

Échange:

• utiliser les bons types de condensateurs pour supprimer le bruit dans les circuits de puissance ;
• pour supprimer les interférences et le bruit à basse fréquence, utilisez des condensateurs au tantale sur le connecteur d'entrée d'alimentation ;
• pour supprimer les interférences et le bruit à haute fréquence, utilisez des condensateurs en céramique au niveau du connecteur d'entrée d'alimentation ;
• utiliser des condensateurs en céramique à chaque sortie de puissance du microcircuit ; si nécessaire, utilisez plusieurs condensateurs pour différentes gammes de fréquences ;
• si une excitation se produit dans le circuit, il est alors nécessaire d'utiliser des condensateurs avec une valeur de capacité plus petite et non plus grande;
• dans les cas difficiles des circuits de puissance, utilisez des résistances connectées en série de faible résistance ou inductance;
• les condensateurs de découplage de puissance analogiques ne doivent être connectés qu'à la masse analogique, et non à la masse numérique.

Bonbons qui restaurent l'émail des dents 06.06.2023

Des scientifiques américains de l'Université de Washington ont mis au point des pastilles qui soutiennent et restaurent l'émail des dents. Le médicament a déjà été testé sur des rats et a extrait des dents d'humains et de porcs.

Les sucettes aromatisées à la menthe sont basées sur un peptide génétiquement modifié dérivé de la protéine amélogénine. L'amélogénine est une protéine clé dans la formation de l'émail et de la couronne dentaire.

Le peptide, qui sera contenu dans le bonbon, se connectera à la dentine - la couche de la dent située sous l'émail. Ainsi, une nouvelle couche d'émail sera créée.

Les scientifiques prédisent que pour maintenir la résistance de l'émail des dents, il suffira d'utiliser une pastille par jour, et deux aideront déjà à restaurer l'émail endommagé.