Séance No. 5 Découplages de circuits électroniques 1 novembre 2010 (CSYEI)

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1 Séance No. 5 Découplages de circuits électroniques 1 novembre 2010 (CSYEI) 1

2 Programme du jour 1. Découplage des IC 2. Choix des composants de découplage. 3. Règles de routage des PCB 4. Phénomène de diaphonie Référence:High Speed Digital Design, Howard Johnson; Cours Découplages hes-ge, J-L Bolli, M.Tognolini. 2

3 Découplage des circuits électroniques 1. Dans le cas idéal la source d alimentation fournit la tension d alimentation à tous les circuits à l aide d une impédance de connexion nulle. 2. Dans le cas réel l'impédance de sortie de la source d alimentation ainsi que les impédances de connexions ne sont pas nulles et leur effet s'accroît avec la fréquence. 3. Un des deux potentiels de l alimentation (GND) est utilisé comme référence pour tous les signaux, la connexion de GND doit donc avoir l'impédance la plus faible possible pour que le potentiel de GND sur tous les circuits soit le plus proche possible. 4. Pour que les perturbations sur les lignes d alimentation générées par un circuit ne perturbent pas les autres circuits l'impédance entre les circuits doit être la plus grande possible (ce qui est en désaccord avec le point 1). 5. Les circuits logiques produisent les perturbations à plus haute fréquence (flancs, clocks), ceci est vrais aussi pour le systèmes à découpage. 6. Les circuits analogiques sont les plus sensibles aux perturbations superposés aux alimentations. 3

4 Etude d un cas simple Etude d un cas très simplifié, mais représentatif. Circuit imprimé (PCB) avec une seule couche et un mélange de circuit intégrés (IC) analogique et digitaux. 4

5 Rappel: Résistance des pistes Les pistes du PCB ont une résistance et une inductance. Rs: résistance spécifique de la couche ou résistance par carré. Parfois notée R W: largeur L: Longeur t: épaisseur de la couche [µm] ρ: résistivité de la couche 1.72*10-8 [Ωm] Pour le cuivre, avec t=35µm (1OzCu), Rs= 0.5 mω/carré Pour le cuivre, avec t=17.5 µm (0.5OzCu) Rs = 1 mω/carré 5

6 Rappel: Inductance des pistes Les pistes du PCB ont une aussi une inductance Ordre de grandeur: 1 nh/mm ou 10 nh/cm ou 1 uh/m Formule exacte mais peu pratique 6

7 Modèle électrique d ordre zéro (resistences) du cas étudié piste de W= 1 mm; L= 100 mm IC perturbé IC perturbateur Vagnd1 Vdgnd

8 Simulation SICE du modèle 8

9 Modèle électrique du premier ordre (résistance + self) du cas étudié inductance des connexions de l alimentation On néglige les inductance des connexions de GND 9

10 Simulation SICE du modèle du premier ordre 10

11 Perturbations provenant des lignes d alimentation Dans la simulation précédente on voit que: 1. Le potentiel de la ligne d alimentation VA2 varie rapidement en correspondance des flancs de commutation, la tension varie de façon importante. 2. Le potentiel de référence VAGND2 varie aussi de quelques mv mais très rapidement. 3. Tous les signaux émis par le circuit analogique reçu par un autre circuit contiennent le signal sur VAGND2. 4. Les perturbations sur les alimentations se retrouvent superposés aux signaux de sortie à cause de la réjection sur les alimentations (PSSR) qui n est pas infinie et se déteriore avec la fréquence! Dans l exemple suivant le circuit analogique est un AO qui amplifie un signal sinusoïdal. 11

12 Perturbations d un amplificateur à AO en tension unipolaire 0 12

13 Simulation SPICE du circuit avec AO Tension de sortie Vout2 par rapport à GND 0 Tension d entrée par rapport à agnd2 Courant absorbé par circuit perturbateur Tension d alimentations analogique VA2 et numérique VD2 Potentiels de référence analogique VAGND2 et numérique VDGND2 13

14 Réduction du couplage par les alimentations Pour réduire la perturbation: 1. Il faut réduire le couplage entre les deux circuits à haute fréquence. a. atténuer la perturbation sur l alimentation du circuit perturbateur. b. augmenter l'impédance à haute fréquence entre les deux circuits 2. Il faut diminuer l'impédance de alimentations pour chaque circuit. a. stockage d'énergie localement à chaque IC. Dans les circuits suivants on ajoute progressivement un condensateur de découplage sur le circuit perturbateur et ensuite un condensateur de découplage sur le circuit perturbé. 14

15 Modèle du découplage de l IC numérique a. atténuer la perturbation sur l alimentation du circuit perturbateur modèle HF condensateur SMD 100 nf; taille 3 x 1.5 mm (1206) 15

16 Résultat de la simulation avec découplage sur IC num. a. atténuer la perturbation sur l alimentation du circuit perturbateur Réduction de la perturbation à 0.3V 16

17 Modèle du découplage de l IC numérique et analogique a. stockage d'énergie localement à chaque IC. modèle HF condensateur SMD 100 nf; taille 3 x 1.5 mm (1206) 17

18 Résultat de la simulation avec découplages num. et analog. La perturbation sur VA est fortement réduite. 18

19 Simulation SPICE du circuit avec AO La tension de sortie n est plus perturbée. 19

20 Modèle HF de la résistance (composant) Zr pour résistance SMD de 3.0 x 1.5 mm (1206) Cp = 0.2 pf; Lp = 3 nh 20

21 Modèle HF d une self Z L pour inductance SMD de 3.0 x 1.5 mm (1206) Rp = 1200 Ω * f ½ ; Cp = 0.2 pf 21

22 Modèle HF d un condensateur Zc pour condensateur SMD céramique de 1.5 mm (1206) Rp = 0.2 Ω; Lp = 3 nh x 22

23 Comparaison des différents diélectriques 23

24 Comparaison tantale / céramique 24

25 Variation de C avec la tension appliquée Ce phénomène est particulièrement marqué pour le capacité de type céramique avec les diélectriques X5R ou Y7R: 25

26 Les condensateurs polarisés Utiliser un condensateur électrolytique (quelques 10 aines de uf) et plusieurs de 100 nf à l entrée de la carte. Utiliser une C de 0.1 uf comme découplage de chaque IC avec en parallèle une C de 10 nf si logique rapide (céramique SMD). La quantité de charge Q = C*Vcc doit être bien supérieure (10x) à la charge consommé par l IC: Icc*dt 26

27 Augmentation de l'impédance de la ligne d alimentation entre deux circuits Une autre façon de diminuer le couplage (augmenter le découplage) entre deux circuits est de augmenter l'impédance en HF de la ligne d alimentation entre deux IC ( pas le GND!). Ceci est possible seulement si un stockage local (condensateur) est appliqué à chaque IC. Il faut trouver un composant qui a une impédance quasi nulle en DC (alimentation) et grande (Z>> Zc découplage) en HF. Une self aurait ces caractéristiques mais elle va résonner avec le condensateur de découplage. Le composant idéal aurait une résistance qui augmente avec la fréquence. 27

28 La perle ferrite - pour le découplage L'impédance en BF est très faible (quelques mω). A haute fréquence les pertes Foucault dans la ferrite deviennent importantes (des dizaines de Ω) Une version SMD est largement utilisé aujourd hui. Version pour montage conventionnel. Version pour montage en surface SMD 28

29 La perle ferrite - impédance La croissance de R avec la fréquence provient des pertes dans le matériau magnétique 29

30 Règles de distribution des alimentations 1. Les connexions de GND doivent avoir la plus faible impédance, l utilisation de plans de cuivre peut réduire fortement l impédance. 2. Tous les circuits doivent être muni de condensateur de découplage pouvant stocker la charge nécessaire et ayant une fréquence de résonance beaucoup (min 10 x) plus haute que la plus haute composante fréquentielle (Fk = 0.5/Tr). 3. Les connexions d alimentation (Vcc) doivent aussi être à impédance faible surtout entre circuits logiques rapides qui sont reliés par des signaux rapides (clk ou bus données). 4. L utilisation de perles ferrite est utile pour séparer une alimentation pour IC numériques de celle pour circuits analogiques. 5. Utiliser des PCB multicouche afin de pouvoir réserver des couches aux alimentations et aux GND. 6. Relier les lignes d alimentation des IC ainsi que les condensateurs de découplage directement aux plans de GND et alimentation. 30

31 Répartition des signaux sur les couches du PCB PCB 4 Couches PCB 6 Couches 35 um Extrait de High-Speed Digital design ; H. Johnson M. Graham 31

32 Connexion des condensateurs de découplage SMD 1. Pour améliorer l efficacité des condensateurs de découplage il faut réduire au minimum l impédance des connexions, et augmenter du même coup la fréquence de résonance du circuit d alimentation. 2. Les techniques de connexion ont évolué depuis l apparition des composants SMD et avec elles l'efficacité des découplages, et les fréquences de travail ont fortement augmentées. 3. Entre la disposition de gauche (A) et celle de droite (D) la self des connexions est 16 fois plus grande! (A) (B) (C) (D) 32

33 Inductance des VIA 33

34 Impédence entre deux points d un plan en f(freq) A Lambda / 4 + k Lambda/2 l'impédance devient théoriquement infinie car toute l énergie est transformée en onde EM. 34

35 Impédance de connexion comparaison piste et plan 35

36 Pourquoi un plan de masse est mieux que une connexion par piste Exemple de connexion entre la sortie d un IC et une charge (GND plan) A basse fréquence le courant prend le chemin à plus faible résistance. A haute fréquence le courant prend le chemin à plus faible inductance. Extrait de High-Speed Digital design ; H. Johnson M. Graham 36

37 Distribution de la densité de courant à haute fréquence Extrait de High-Speed Digital design ; H. Johnson M. Graham 37

38 Diaphonie - Crosstalk 38

39 Experience pour montrer l effet de diaphonie 39

40 Mesures 40

41 Diaphonie à cause d un plan coupé Le plan GND est coupé une fente a été faite pour passer une piste sur la même couche. 41

42 Diaphonie à cause d un mauvais layout de connecteur 42