Mettez correctement vos circuits à la terre

Les ingénieurs utilisent le mot « terre » dans chaque circuit électronique pour désigner une partie d’un système ou d’une structure qui est « neutre », ou à potentiel zéro. Malheureusement, nous pensons souvent que les circuits et les systèmes, en particulier ceux qui comportent des signaux analogiques et numériques, ont plus d’une masse. Ce concept a donné lieu à une discussion récente sur une communauté en ligne sur l’intégrité des signaux, qui nous a incités à rédiger cet article. Les ingénieurs et les concepteurs de circuits imprimés mentionnent souvent différents types de masses et de méthodes pour les connecter entre elles. La façon dont ces » masses « , qui sont en réalité des chemins de retour, se connectent peut affecter de manière significative les performances d’un système.

Les types de masses mentionnés dans cette discussion comprennent :

Masse logique
Masse analogique
Masse du châssis
Masse de sécurité
Masse de terre

Les méthodes proposées pour connecter ces diverses « masses » couvrent un large éventail d’options, notamment :

Les connecter en un seul point.
Couper le plan de masse sous un composant à signal mixte
Les connecter avec des condensateurs.
Segmenter le plan de masse dans un PCB de sorte qu’il n’y ait qu’une connexion étroite à un endroit entre les côtés analogique et numérique de la conception.
Séparer les masses analogiques et numériques.

Figure 1 Symbole de masse logique numérique vu dans la plupart des schémas de principe.

Ces méthodes apparemment contradictoires pour traiter la masse peuvent être un peu confuses. Nous allons commencer par clarifier ce qu’est la masse, ce qui devrait réduire la confusion.

La première question que vous pourriez vous poser est : Comment tous les éléments ci-dessus peuvent-ils être du sol ? La réponse est simple : Aucun d’entre eux ne l’est. La masse est le seul endroit dans un système électronique qui est un point de référence à partir duquel nous mesurons les tensions.

Si c’est la seule définition, alors quelles sont ces autres choses appelées masse ?

La masse de la logique numérique est la borne de « référence » d’une alimentation pour votre logique numérique. Pour la plupart des systèmes de logique numérique, c’est la borne négative de l’alimentation de la logique, généralement représentée par le symbole de la figure 1 .

La masse analogique est la borne de référence de l’alimentation qui alimente un circuit analogique. C’est là où un côté d’une source de signal analogique est lié. L’autre côté de la source de signal est lié à l’entrée ou à la sortie analogique. La masse analogique est généralement désignée par le symbole de la figure 2 .

Figure 2 Symbole de schéma de masse analogique.

La masse du châssis est le nom donné à la connexion du fil de sécurité du secteur alternatif au boîtier d’un produit. Il reçoit ce nom parce que le boîtier d’un produit est souvent appelé le châssis. Ce fil est généralement le fil vert d’une rallonge, du réseau à trois fils qui se connecte à un produit, ou la troisième broche d’un connecteur CA (la ronde). Si vous tracez ce fil vert à travers un bâtiment, il sera finalement connecté à un pieu en cuivre enfoncé dans la terre. Le but de cette connexion est de protéger l’opérateur du produit au cas où l’un des fils du secteur se connecterait accidentellement au boîtier ou au « châssis » du produit. Il s’agit donc d’une fonction de sécurité uniquement.

Figure 3 Symbole schématique de la mise à la terre du « châssis ».

Parfois, les ingénieurs EMI se réfèrent par erreur à cette « mise à la terre du châssis » (figure 3 ) comme un endroit qui a une certaine fonction dans le confinement des EMI. Cette affirmation n’a jamais été ou ne sera jamais basée sur des faits, car elle n’a aucun rôle dans cette partie d’une conception électronique.

La terre de sécurité est un autre nom utilisé pour décrire la terre du châssis. La masse de terre est un autre nom pour la masse de sécurité.

Tous ces noms mènent à la question de savoir comment connecter vos circuits de « masse » (chemins de retour) ensemble ou s’ils devraient être liés ensemble en premier lieu, et, si oui, pourquoi. Cette question se pose généralement soit sur la façon de protéger les signaux analogiques sensibles des sources de bruit extérieures, soit sur la façon de contenir les EMI.

Manipuler les signaux analogiques
En prenant le problème du signal analogique en premier, vous devez protéger les signaux analogiques des sources de bruit extérieures qui pourraient dégrader les performances du signal. La figure 4 est un exemple de circuit intégré mixte analogique et numérique typique montrant les deux côtés du circuit avec à la fois une broche de masse analogique et une broche de masse numérique. Il est représentatif de la plupart des problèmes lors de la conception de l’électronique à signaux mixtes.

La surbrillance rouge indique ce que l’on appelle la « boucle de décision analogique ». C’est le circuit qui doit être protégé des sources de bruit extérieures pour que le circuit fonctionne correctement. Le circuit intégré possède une broche de « masse » analogique et une broche de « masse » numérique. Vous devez comprendre comment appliquer ces broches pour parvenir à une conception correcte du PCB. Le côté numérique de ce circuit intégré à signaux mixtes est soumis à des courants transitoires qui circulent dans son fil de terre. Ces courants sont associés au traitement numérique interne du signal analogique et ils alimentent les lignes de transmission de sortie du CI. S’il s’agissait d’un convertisseur A/N 8 bits dans un système logique avec des niveaux logiques de 2,5 V, les courants transitoires circulant dans cette voie pourraient atteindre 200 mA. Ce courant ?I ou à variation rapide circulant à travers l’inductance du fil de terre peut développer des transitoires de tension aussi grands que 100 mV entre la terre sur le PCB et la terre sur la puce. Il s’agit d’un transitoire acceptable pour le circuit logique.

Si le circuit dont il est question est un convertisseur A/N 12 bits, le côté analogique du circuit est chargé de résoudre des différences de tension de 0,5 mV sur une oscillation totale du signal de 2 V. S’il n’y a qu’un seul chemin de masse hors du CI, le transitoire de commutation numérique de 100 mV serait superposé au signal analogique, rendant le circuit inutile. C’est pourquoi le côté analogique du CI a un chemin de masse séparé hors du boîtier .

La figure 4 est typique des circuits qui ont des notes d’application ou d’autres directives qui spécifient un plan de masse analogique et un plan de masse numérique ou la division du plan de masse sous le composant. Faire l’une ou l’autre de ces choses détourne le problème d’ingénierie réel de la protection de la boucle de signal analogique contre le bruit externe. (Remarque : la direction de la flèche du flux de courant dans la figure 4 est le flux des électrons qui constituent le flux de courant.)

Figure 4 Un convertisseur analogique-numérique a généralement des broches séparées pour les retours analogiques et les retours de signaux.

Séparer le plan de masse sous le composant crée un effet secondaire indésirable. Les signaux qui doivent traverser d’un côté de la coupe à l’autre n’ont pas de chemin pour leur courant de retour. Ce courant trouvera un autre moyen de retourner à sa source, ce qui peut entraîner des problèmes d’intégrité du signal ou d’EMI.

Le bruit entre dans la boucle du signal analogique de deux façons. La première est le couplage dans l’un ou l’autre côté de la boucle par couplage capacitif ou magnétique d’un signal adjacent voyageant trop près (nous appelons généralement cela la diaphonie). La diaphonie peut être générée par la composante électrique d’un champ électromagnétique (diaphonie capacitive) ou par la composante magnétique du champ électromagnétique (diaphonie inductive). La forme qui existe dépend de la configuration des deux conducteurs qui se trouvent l’un à côté de l’autre.)

La deuxième façon dont le bruit peut affecter les circuits analogiques est en permettant au côté « masse » du chemin d’être partagé par un autre signal. Cela se produit généralement lorsque la connexion entre la source analogique et la broche de « masse » analogique de l’appareil est faite au plan de masse à une certaine distance de la pièce. Dans la plupart des cas, ces deux problèmes sont résolus par l’utilisation d’un câble blindé dont les deux connexions sont réalisées aux bornes du circuit intégré, l’une des connexions étant le blindage qui se connecte à la borne de « masse analogique » du dispositif et le conducteur central qui se connecte au côté entrée du dispositif analogique. Voici des exemples de ce type de circuit :

La connexion entre la tête de lecture d’un lecteur de disque et le préamplificateur
La connexion entre une jauge de contrainte et l’amplificateur d’entrée
La connexion entre une aiguille de phonographe et le préamplificateur d’entrée (seuls les vieux connaissent cela !)

L’exemple de la figure 4 traite d’un système où la source analogique est « hors carte ». Lorsque la source et la charge sont sur le même PCB, la bonne façon de traiter la « boucle analogique » est de regarder où elle se trouve et de faire des choix de disposition qui protègent la boucle de la diaphonie et des gradients de tension dans la partie « masse » du circuit qui compromettraient les performances. Dans presque tous les cas, ce problème est résolu en choisissant de placer soigneusement les composants sur la surface du circuit imprimé de manière à ce qu’aucun courant provenant d’autres circuits ne traverse la région où se trouve la boucle de décision analogique. Des exemples de ce type de circuit sont les connexions entre les étages d’amplification d’une radio ou d’un système stéréo

Manipuler les EMI
Je trouve parfois utile de citer l’ingénieur EMI Bruce Archambeault lorsque le sujet de la masse est abordé en relation avec les EMI : « La masse est un endroit pour les pommes de terre et les carottes. »

La raison pour laquelle Bruce et moi faisons cette déclaration est que l’utilisation du mot « masse » dans les discussions sur les EMI n’a aucune valeur. En fait, il nous distrait de la tâche à accomplir, qui est de contenir l’énergie RF qui pourrait s’échapper de nos produits et créer une défaillance EMI.

Dit autrement, aucun des éléments énumérés comme des masses au début de cet article n’a d’incidence sur le confinement EMI . Les éléments qui sont importants pour le confinement des EMI sont les blindages sur les câbles et les cages de Faraday entourant les produits, mais ce sont les sujets d’un autre article.

Il existe un très grand nombre d’informations erronées sous forme de notes d’application et de directives en ce qui concerne ce qu’est la mise à la terre et comment l’utiliser. Certaines de ces notes d’application indiquent que le plan de masse doit être segmenté en un côté analogique et un côté numérique et les deux côtés connectés en un seul point. D’autres suggèrent qu’il y ait deux plans discrètement différents, l’un analogique et l’autre numérique. La manière dont ces deux plans doivent être connectés varie selon les notes d’application. Mon expérience de ces notes est qu’elles traitent un problème dont l’existence n’a pas été prouvée. Le pire dans ces notes, c’est qu’elles n’abordent pas le problème réel : protéger la boucle de décision des sources de bruit extérieures.

Considérez les questions suivantes lorsque vous choisissez la façon de concevoir un réseau de retour.

Un problème réel existe-t-il ?
La solution proposée résout-elle le problème ?
La solution proposée crée-t-elle un nouveau problème tel qu’un problème d’IEM ?

Si ces trois questions n’ont pas de réponses valables, il y a de fortes chances que la solution soit simplement inventée et qu’elle puisse bien créer un problème, tel qu’un problème d’IEM, qui n’existerait pas autrement. De nombreux problèmes EMI que j’ai résolus avaient pour origine des plans de masse fendus que je rencontrais souvent dans les petits lecteurs de disques à la fin des années 1990 et au début des années 2000.

Les systèmes électroniques ont des réseaux que nous appelons masses qui présentent des gradients de tension alternative et continue causés par les courants qui y circulent. Ainsi, ils ne peuvent pas être considérés comme équipotentiels avec des propriétés magiques en ce qui concerne les EMI.

Un PCB n’a pas besoin d’un plan de masse analogique et d’un plan de masse numérique car les avoir ne garantit pas le bon fonctionnement de la section analogique du produit. Au lieu de cela, il devrait avoir un seul plan de masse qui devrait être continu dans tout le PCB, suivi d’une conception minutieuse de la boucle de prise de décision.

Séparer un plan de masse détruit son intégrité en tant que connexion d’impédance ultra-basse entre tous les composants d’un circuit et vous ne devriez jamais le concevoir dans une carte. J’ai demandé à plus de 9 000 étudiants dans mes cours d’intégrité du signal s’ils avaient des exemples où le fractionnement d’un plan de masse améliorait les performances. À ce jour, aucun d’entre eux n’a été capable d’en donner un, ni aucun de mes collègues ingénieurs. Comme Kenneth Wyatt l’a noté, « La dernière pensée, cependant (Todd Hubing, Clemson University), est qu’il est préférable de garder les plans de retour comme un seul plan et de faire attention à l’acheminement des traces de signaux (en gardant à l’esprit les courants de retour correspondants), afin qu’ils ne traversent pas la limite A/D. »

Dans les rares cas où le plan de retour doit être divisé à des fins d’isolation haute tension, les signaux qui doivent traverser la division devront le faire d’une manière telle que le besoin d’un chemin de courant de retour continu n’est pas nécessaire. Des transformateurs, des opto-isolateurs et d’autres types d’isolateurs, sont souvent utilisés ici.

Comme indiqué précédemment, la masse « châssis » est une caractéristique de sécurité uniquement et n’a aucun rôle dans la fonction électronique des circuits ou leur performance EMI. Ainsi, il n’est pas nécessaire de connecter la masse logique à la masse « Chassis » et, dans certains cas, ce n’est pas autorisé.

Peut-être que l’un des défis les plus difficiles auxquels un ingénieur de conception est confronté est de trier toutes les informations erronées imprimées et en ligne qui sont inexactes ou, souvent, simplement inventées par quelqu’un qui n’a pas fait les recherches nécessaires pour s’assurer que les conseils donnés sont techniquement valides.

J’espère que vous avez trouvé dans cet article un bon point de départ pour démystifier les choses appelées à tort « masse » dans la conception des PCB et des systèmes.

-Auteurs Ritchey & Knack sont avec Speeding Edge

Mettez correctement vos circuits à la terre

Mettez correctement vos circuits à la terre

admin, Author

Laisser un commentaire Annuler la réponse