Considérations sur la disposition des signaux mixtes

Très souvent, une conception de carte de circuit imprimé (PCB) contiendra à la fois une section analogique et une section numérique. La section analogique conditionne typiquement un signal pour la numérisation et la section numérique convertit le signal analogique en un signal numérique et agit ensuite sur le signal de domaine désormais numérique. La séparation de ces deux blocs d'une conception de PCB est très importante pour assurer l'intégrité du circuit analogique. Les circuits analogiques sont généralement très sensibles aux signaux de bruit et les circuits numériques sont généralement très bruyants électriquement. Cet article tentera de faire la lumière sur certaines règles générales pour éviter les problèmes de disposition de signaux mixtes et discutera de la meilleure approche pour isoler votre partie de circuit analogique de sa contrepartie numérique.

Contexte

Comme un examen rapide, il est important de discuter du chemin de retour des signaux AC à grande vitesse. Lors de l'examen du chemin de retour d'un signal CC, ledit chemin doit simplement être le chemin de moindre résistance vers le composant d'origine. Les chemins de retour du signal CA suivent cependant le chemin de moindre impédance. Cela signifie que les courants du chemin de retour du signal CA restent localisés dans la zone située sous leurs traces de signal d'origine. L'exception à cette règle est que lorsque vous cassez le plan de masse sous un signal AC à grande vitesse, vous forcez le courant de retour dudit signal à créer une boucle rayonnante. Ce type de boucle est à la fois source et puits de bruit rayonné et doit être évité dans la mesure du possible. Cette brève revue devrait rappeler au lecteur l'une des deux règles de base de la réduction des EMI (interférences électromagnétiques) :Gardez les chemins de retour aussi proches que possible de leurs chemins de signal d'origine afin d'éviter de créer des boucles de courant de retour. L'autre règle de base de la réduction EMI est de s'assurer que vous n'utilisez qu'un seul plan de référence. Si deux sont utilisés, le PCB deviendra effectivement une antenne dipôle. Avec cet examen rapide en main, passons aux spécificités de la disposition des signaux mixtes.

Topologies de signaux mixtes

Très souvent, la première inclination d'un concepteur est de simplement séparer la partie analogique de la carte de la partie numérique en utilisant un schéma de mise à la terre analogique et numérique. Le problème avec un tel schéma est que lorsque les connexions sont établies du côté numérique au côté analogique de la carte, la carte (comme indiqué dans la section précédente) devient effectivement une antenne dipôle. Une telle conception sera à la fois intrinsèquement sensible au bruit électrique et également très bruyante électriquement elle-même.

Une autre approche courante de ce problème consiste à connecter simplement la masse analogique et numérique en un seul point (très souvent le rail négatif de l'alimentation électrique utilisé avec la conception). Il s'agit cependant d'une très mauvaise solution, car toute trace reliant le côté numérique au côté analogique de la carte formera désormais une antenne en boucle à travers le point de connexion au sol qui rayonnera à la fois de votre conception et recevra dans votre conception du bruit électrique. De plus, les traces reliant les parties de masse indépendantes de votre carte créeront efficacement une antenne dipôle. Les deux effets produiront une conception très bruyante et sensible au bruit.

Encore une autre approche courante (bien que légèrement plus efficace) pour concevoir une carte à signaux mixtes est une configuration où les parties analogique et numérique de la carte sont directement connectées l'une à l'autre au moyen d'un "pont". Alors que les masses numériques et analogiques sont directement connectées les unes aux autres dans un tel schéma, toutes les pistes de connexion du côté analogique au côté numérique de la carte sont acheminées au-dessus de la partie de la carte où les masses analogiques et numériques sont connectées. De cette façon, les signaux CA à grande vitesse passant entre les deux circuits auront un chemin de retour direct, mais les plans de masse seront toujours quelque peu séparés. Cette configuration de type pont permettra, en théorie, au côté numérique de la carte d'avoir le même plan de masse que le côté analogique de la carte, mais avec une isolation supplémentaire plutôt que de simplement partager un plan de masse continu entre les deux parties de la carte. Bien que ce type de configuration se traduise généralement par une carte qui fonctionne bien, pourquoi utiliser un pont en premier lieu ? Les courants de retour du signal AC à grande vitesse resteront intrinsèquement très proches de leurs traces d'origine, de sorte que le besoin d'un pont peut être évité par un routage conscient des signaux numériques.

L'approche la meilleure et la plus simple pour compléter une configuration de signal mixte consiste simplement à diviser la carte de circuit imprimé en une partition analogique et une partition numérique. Ces deux cloisons peuvent alors partager le même plan de masse, qui sera constitué d'un PCB large coulé en cuivre. Les interférences entre les deux côtés peuvent alors être facilement évitées en n'acheminant pas les signaux numériques à grande vitesse sur la partie analogique du PCB.

Il s'ensuit que dans chacune de ces configurations, la ligne de séparation où les partitions sont séparées sera l'emplacement logique du convertisseur analogique-numérique ou des convertisseurs utilisés dans la conception du PCB. Il n'est pas rare de voir des convertisseurs analogique-numérique à cheval sur des plans de masse analogiques et numériques isolés, mais comme indiqué, une très bonne solution consiste simplement à placer les convertisseurs analogique-numérique le long de la ligne de séparation des parties numérique et analogique de la carte, où la carte a un seul plan de masse continu.

Enfin, il convient de mentionner d'autres approches pour isoler la partie analogique de la partie numérique de la carte. Il n'est pas rare de coupler optiquement la partie numérique de la carte avec la partie analogique au moyen d'isolateurs optiques. De cette façon, les parties analogiques et numériques de la carte peuvent en fait avoir leurs propres plans de masse isolés électriquement. Ce type de configuration fonctionne également en isolant les deux parties d'un PCB à l'aide d'un transformateur, où les deux côtés de la carte sont couplés magnétiquement. Bien que les deux approches soient valides, elles sont généralement réservées aux applications spécialisées.

Règles générales

Voici un résumé des règles générales d'implantation d'un circuit imprimé à signaux mixtes :
• Commencez par définir les parties analogique et numérique de votre conception.
• Divisez votre circuit imprimé en une partie analogique et une partie numérique.
• Assurez-vous que les composants numériques et les composants analogiques sont affectés à leurs partitions respectives.
• N'acheminez jamais de signaux numériques via la partie analogique de la carte et n'acheminez jamais de signaux analogiques via la partie numérique de la carte.
• Placez les convertisseurs analogique-numérique de manière à ce qu'ils chevauchent la ligne de démarcation entre les partitions analogiques et numériques de la carte.
• L'utilisation d'un seul plan de masse solide produira les meilleurs résultats, avec l'avantage supplémentaire de étant l'approche la plus simple.
• Si une trace de signal doit être acheminée de la partition analogique vers la partition numérique, assurez-vous qu'elle est située entièrement sur le plan de masse de la carte.

Ressources utiles
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