5 règles pour réduire le bruit dans les circuits imprimés (PCB)

Le bruit est toujours un problème pour les dispositifs électroniques. Bien qu’il soit impossible de l’éliminer entièrement, il existe des techniques qui permettent de le réduire au minimum lorsqu’elles sont appliquées. En général, on peut considérer que le bruit ne pose pas de problème tant qu’il ne nuit pas au fonctionnement du système. En l’absence de mesures appropriées, le bruit peut compromettre le fonctionnement de nombreuses cartes de circuits imprimés. Ce risque est particulièrement élevé dans le cas des circuits fonctionnant à des fréquences élevées, c’est-à-dire supérieures à 1 MHz. À ces fréquences, des ondes électromagnétiques sont créées autour des pistes du circuit imprimé et dans les composants, ce qui peut interférer avec les signaux qui circulent sur les autres pistes du circuit. Ces interférences affectent les valeurs de courant et de tension, ce qui altère le fonctionnement du circuit et pose de graves problèmes d’intégrité du signal.

Sources possibles de bruit dans un circuit imprimé

Dans les circuits imprimés, le bruit résulte généralement des variations brusques du courant qui surviennent sur certains signaux électriques. Dans les circuits numériques, ces variations brusques du courant sont générées par la commutation des transistors (transitions marche-arrêt). Dans les circuits analogiques, elles dépendent des variations du courant de charge. Il arrive fréquemment qu’une masse flottante ou une connexion de masse incorrecte soit également à l’origine d’un bruit excessif. Si la fréquence maximale des signaux sur le circuit imprimé est inférieure à 1 MHz, un seul point de masse est généralement suffisant. En revanche, pour les circuits à haute fréquence, il est préférable de prévoir une connexion de masse multipoint ou en étoile, comme indiqué sur l’image 1. Il existe également des configurations hybrides qui utilisent un point de connexion unique à basse fréquence et plusieurs points de connexion à haute fréquence.

Connexion de masse multipoint.

Les principales sources de bruit peuvent être classées comme suit :

• Rebond de tension: dans les circuits numériques, la hausse rapide et continuelle des fréquences de commutation laisse de moins en moins de temps aux signaux électriques pour revenir au niveau de référence de la masse. Le signal risque alors de « rebondir » au-dessus du niveau de la masse, générant ainsi des variations brusques du courant et entraînant du bruit sur le signal de sortie. Dans le cas de plusieurs commutations simultanées, la quantité de bruit peut également provoquer des commutations parasites ou doubles pouvant entraîner un dysfonctionnement du circuit.
• Diaphonie: si les pistes du circuit imprimé ne sont pas suffisamment espacées, il peut arriver qu’un signal (à haute fréquence ou à fort courant) influence les caractéristiques d’un signal sur une piste adjacente. Ce phénomène de couplage électromagnétique intempestif est appelé diaphonie. Il peut se produire lorsque les pistes sont trop proches les unes des autres, tant horizontalement sur la même couche que verticalement sur des couches adjacentes.
• Interférences électromagnétiques (EMI) : il existe de nombreuses sources d’interférences électromagnétiques, mais le cas le plus courant correspond à une conception incorrecte des retours à la masse. Pour éviter ces phénomènes, il convient en général de placer les pistes des signaux entre les plans d’alimentation et de masse afin de lisser le retour vers le plan de masse. Dans le cas contraire, le signal de retour emprunte des trajets irréguliers pour rejoindre la masse, ce qui génère des interférences et du bruit.

Maintenant que nous avons examiné les principales sources de bruit sur un circuit imprimé, nous pouvons analyser les cinq techniques les plus efficaces pour remédier à ce problème.

1 - Ajouter des plans de masse et d’alimentation

Au moment de définir la topologie du circuit imprimé, essayez de couvrir la plus grande partie possible de la surface de la carte avec des plans de masse et d’alimentation, en réservant éventuellement une couche pour le plan de masse et une autre pour le plan d’alimentation. Les plans de masse doivent être conçus de manière à bien définir le trajet de retour à la masse, notamment pour les signaux à haute fréquence, en évitant les discontinuités ou l’utilisation excessive de via.

Si, pour des raisons de contraintes spatiales ou budgétaires, il n’est pas possible de créer des plans de masse complets, mettez en place une mise à la masse en un seul point (basses fréquences) ou en étoile (hautes fréquences), en reliant toutes les pistes de masse au point de masse commun. Cette méthode permet de réduire le couplage d’impédance commune entre les différents sous-systèmes. Dans la mesure du possible, les pistes transportant des signaux de puissance doivent être parallèles aux pistes de masse.

2 - Optimiser la taille des pistes

Les pistes de signaux traversant le circuit imprimé doivent être aussi courtes et minces que possible. Si nécessaire, insérez des via pour raccourcir les pistes. On considère généralement que les pistes d’une épaisseur inférieure à 8 mm et d’une largeur de 0,1 à 0,2 mm (4 à 8 mils) permettent de réduire correctement le couplage capacitif et, par conséquent, le bruit, en particulier à haute fréquence. La distance entre des pistes adjacentes doit également toujours être supérieure à leur largeur afin de réduire les risques de diaphonie. Il est généralement préférable d’utiliser des circuits imprimés multicouche, car ils permettent de séparer les couches de masse, d’alimentation et de signaux.

L’inductance d’un conducteur est inversement proportionnelle au logarithme de son diamètre, et directement proportionnelle à sa longueur. Pour la réduire, il convient donc d’utiliser les pistes les plus courtes et les plus larges possibles. Les lignes électriques et tous les signaux d’entrée du circuit imprimé doivent être filtrés par des filtres à un ou plusieurs étages afin de réduire le bruit.

3 - Séparer les différentes zones du circuit imprimé

La topologie de l’empilage du circuit imprimé est d’une importance fondamentale, car elle a une incidence sur l’intégrité du signal et la réduction du bruit. Les pistes placées sur les couches de signal doivent utiliser la configuration microstrip ou stripline, en fonction de la position occupée par la couche dans l’empilage. La disposition de ces couches détermine la quantité de rayonnements électromagnétiques générés par la carte et le degré d’immunité aux rayonnements provenant de sources extérieures.

Sur le circuit imprimé, séparez les circuits analogiques des circuits numériques. Ces derniers sont à l’origine du bruit numérique à haute fréquence susceptible de provoquer des erreurs dans les circuits numériques et analogiques, surtout si ces derniers ne sont pas suffisamment espacés les uns des autres. Il est possible d’appliquer un critère similaire avec la fréquence. Par conséquent, il peut être judicieux de séparer les circuits haute fréquence des circuits basse fréquence. L’image 2 présente un exemple de découpage en zones.

Découpage en zones du circuit imprimé.

4 - Utiliser des condensateurs de découplage

La façon dont les composants sont placés sur le circuit imprimé joue également un rôle essentiel dans la réduction du bruit. Les composants de puissance doivent être positionnés à proximité les uns des autres et sur la même couche, de manière à réduire l’inductance pouvant être créée entre les via. Les composants haute fréquence doivent être positionnés de manière à raccourcir le plus possible leurs pistes. Les condensateurs de découplage (ou de dérivation) doivent être placés le plus près possible de chaque broche d’alimentation des composants actifs, ce qui permet de réduire les variations brusques du courant lors de la commutation des signaux et d’éviter les rebonds de tension. Bien que les condensateurs au tantale à haute capacité soient plus chers, leur qualité et leurs performances sont supérieures à celles des condensateurs électrolytiques traditionnels. Pour découpler les circuits intégrés les uns des autres, il est possible d’utiliser des condensateurs céramiques multicouches dont les capacités doivent être déterminées en fonction de la fréquence du signal (par exemple, 0,1 µF pour les fréquences allant jusqu’à 15 MHz et 0,01 µF pour les fréquences supérieures).

5 - Routage des pistes

En règle générale, comme mentionné précédemment, plus les pistes sont courtes et larges sur le circuit imprimé, plus la réduction ou la limitation du bruit est efficace, car l’inductance des pistes elles-mêmes est réduite. Cela est particulièrement vrai pour les pistes transportant des signaux à fort courant ou à haute fréquence. Si le circuit imprimé comprend deux couches de signaux adjacentes, il est nécessaire de s’assurer que le routage est horizontal sur une couche et vertical sur l’autre. Le risque de couplage (diaphonie) entre les pistes placées sur les deux couches est ainsi réduit.

Les pistes transportant des signaux sensibles doivent être éloignées des circuits oscillants, que la piste soit placée sur la même couche que l’oscillateur ou sur une couche adjacente. En règle générale, il convient d’éviter les angles de 90 ° sur les pistes et de les remplacer par deux angles de 45 °.