Considérations de conception pour circuits mixtes

Très souvent, la conception d’un circuit imprimé (PCB) contient à la fois une section analogique et une section numérique. La section analogique conditionne généralement un signal en vue de sa numérisation, et la section numérique convertit le signal analogique en un signal numérique, puis agit sur ce signal désormais dans le domaine numérique. La séparation de ces deux blocs d’unConception de PCBest très important pour garantir l’intégrité des circuits analogiques. Les circuits analogiques sont généralement très sensibles aux signaux de bruit et les circuits numériques sont généralement très bruyants sur le plan électrique. Cet article tentera de mettre en lumière quelques règles générales pour éviter les problèmes de routage en signaux mixtes et discutera de la meilleure approche pour isoler la partie analogique de votre circuit de sa contrepartie numérique.

Contexte

Pour un bref rappel, il est important d’aborder le chemin de retour des signaux CA haute vitesse. Lorsqu’on examine le chemin de retour d’un signal CC, ce chemin sera simplement celui de la plus faible résistance pour revenir au composant d’origine. Les chemins de retour des signaux CA suivent toutefois le chemin de la plus faible impédance. Cela signifie que les courants du chemin de retour des signaux CA restent localisés dans la zone située sous leurs pistes de signal d’origine. L’exception à cette règle est que, lorsque vous interrompez le plan de masse sous un signal CA haute vitesse, vous forcez le courant de retour de ce signal à former une boucle rayonnante. Ce type de boucle est à la fois une source et un puits de bruit rayonné et doit être évité autant que possible. Ce bref rappel devrait remémorer au lecteur l’une des deux règles de base de la CEM (interférences électromagnétiques) réduction : 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 des EMI est de s’assurer que vous n’utilisez qu’un seul plan de référence. Si deux sont utilisés, alors le PCB deviendra effectivement une antenne dipôle. Avec ce bref rappel en tête, passons maintenant aux spécificités du routage mixte analogique-numérique.

Topologies mixtes à signaux

Bien 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 des connexions sont établies du côté numérique vers le côté analogique de la carte, celle-ci (comme expliqué dans la section précédente) devient effectivement une antenne dipôle. Tout tel design sera à la fois intrinsèquement sensible au bruit électrique et, de la même manière, très bruyant sur le plan électrique.

Une autre approche courante pour résoudre ce problème consiste simplement à relier la masse analogique et la masse numérique en un seul point (très souvent le rail négatif de l’alimentation utilisée avec le circuit). C’est toutefois une très mauvaise solution, car toute piste reliant la partie numérique à la partie analogique du circuit imprimé formera désormais une antenne en boucle via le point de connexion de masse, qui émettra des rayonnements depuis votre circuit et captera dans votre circuit des parasites électriques. De plus, les pistes reliant entre elles les portions de masse indépendantes de votre carte créeront effectivement une antenne dipôle. Ces deux effets produiront un circuit très bruyant et très sensible au bruit.

Une autre approche courante (quoique légèrement plus efficace) pour concevoir une carte à signaux mixtes consiste en une configuration où les parties analogique et numérique de la carte sont directement reliées l’une à l’autre au moyen d’un « pont ». Bien que les masses numérique et analogique soient directement connectées entre elles dans un tel schéma, toutes les pistes reliant la partie analogique à la partie numérique de la carte sont routées au‑dessus de la zone de la carte où les masses analogique et numérique sont connectées. De cette façon, les signaux CA haute vitesse circulant entre les deux circuits disposeront d’un chemin de retour direct, mais les plans de masse resteront tout de même quelque peu séparés. Cette configuration de type pont permettra, en théorie, à la partie numérique de la carte de partager le même plan de masse que la partie analogique, tout en offrant une isolation supplémentaire par rapport au simple fait de faire partager aux deux parties de la carte un plan de masse continu. Bien que ce type de configuration aboutisse généralement à une carte aux bonnes performances, pourquoi utiliser un pont en premier lieu ? Les courants de retour des signaux CA haute vitesse resteront intrinsèquement très proches de leurs pistes d’origine, de sorte que la nécessité d’un pont peut être évitée par un routage réfléchi des signaux numériques.

La meilleure et la plus simple approche pour réaliser un routage à signaux mixtes consiste simplement à diviser lecarte de circuit impriméen une partition analogique et une partition numérique. Ces deux partitions peuvent alors partager le même plan de masse, qui sera constitué d’un plan de cuivre couvrant toute la carte PCB. Les interférences entre les deux côtés peuvent alors être facilement évitées en ne routant pas les signaux numériques à haute vitesse sur la partie analogique du PCB.

Il s’ensuit que, dans chacune de ces configurations, la ligne de séparation entre les partitions sera l’emplacement logique du ou des convertisseurs analogique‑numérique utilisés dans la conception du PCB. Il n’est pas rare de voir des convertisseurs analogique‑numérique chevaucher des plans de masse analogiques et numériques isolés, mais, comme nous l’avons vu, une très bonne solution consiste simplement à placer les convertisseurs analogique‑numérique le long de la ligne de séparation entre les parties numérique et analogique de la carte, là où la carte possède un unique 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 analogique et numérique de la carte peuvent effectivement disposer chacune de leur propre plan de masse électriquement isolé. Ce type de configuration fonctionne également en isolant les deux parties d’un circuit imprimé à l’aide d’un transformateur, où les deux côtés de la carte sont couplés magnétiquement. Bien que ces deux approches soient valides, elles sont généralement réservées à des applications spécialisées.

Règles générales