Découplages des circuits intégrés J-L. Bolli (EIG) M.Tognolini (HEIG-VD) M.Girardin (HEIG-VD) 2 octobre 2009

(1)

MTI/MGN 02/10/2009 v1.1 1 iAi institut d’Automatisation industrielle

Découplages des circuits intégrés

J-L. Bolli (EIG) M.Tognolini (HEIG-VD)

M.Girardin (HEIG-VD)

2 octobre 2009

(2)

iAi institut d’Automatisation industrielle MTI/MGN CEL 13/10/2008 v1.1

2 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.

(3)

3

Résistance des pistes

• Les pistes du PCB ont une résistance

• 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,

Rs= 0.5 mΩ/carré

(4)

4

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

(5)

5 Etape 1: effet des R pistes

IC perturbateur IC perturbé

piste de W= 1 mm; L= 100 mm

(6)

6

Etape 1: R pistes

(7)

7 Etape 2: effet de R + L pistes

(8)

8

Etape 2: R + L pistes

(9)

9 Etape 2: effet de R + L pistes+ AO

(10)

10

Etape 2: R + L pistes+ AO

(11)

11 Etape 3: effet de R + L pistes + découplage IC digital

modèle HF condensateur SMD

100 nF; taille 3 x 1.5 mm (1206)

(12)

12 Etape 3: R + L pistes

+ découplage IC digital

(13)

13 Etape 4: R + L pistes

+ découplage IC digital et IC analogique

modèle HF condensateur SMD

100 nF; taille 3 x 1.5 mm (1206)

(14)

14 Etape 4: R + L pistes

+ découplage IC digital et IC analogique

(15)

15 Etape 4: R + L pistes

+ découplage IC digital et IC analogique

(16)

16 Etape 4: R + L pistes

+ découplage IC digital et IC analogique

(17)

17 Etape 4: R + L pistes

+ découplage IC digital et IC analogique

(18)

18 Modèle HF de la résistance

Zr pour résistance SMD de 3.0 x 1.5 mm (1206)

Cp = 0.2 pF; Lp = 3 nH

(19)

19 Modèle HF de l’inductance

Z _L pour inductance SMD de 3.0 x 1.5 mm (1206)

Rp = 1200 Ω * f ^½ ; Cp = 0.2 pF

(20)

20 Modèle HF du condensateur

Zc pour condensateur SMD céramique de 3.0 x 1.5 mm (1206)

Rp = 0.2 Ω; Lp = 3 nH

(21)

Les différents diélectriques

(22)

Comparaison tantale / céramique

(23)

Variation de C avec la tension appliquée

Ce phénomène est particulièrement marqué pour le capacité

de type céramique avec les diélectriques X5R ou Y7R:

(24)

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

(25)

23 But du découplage

• Le découplage des IC sert donc à:

– isoler un IC sensible des

perturbations présentes sur les lignes d’alimentation

– empêcher un IC « bruyant » de perturber les lignes d’alimentation

• Le filtre idéal serait constitué d’une capacité C très peu inductive et d’une impédance série Z ayant une très faible résistance en DC (pour laisser passer le courant sans chute de tension) ET une résistance très élevée en HF pour filtrer les signaux parasites

• Cet élément Z existe…

(26)

24 La perle en ferrite (ferrite bead) Un composant « magique »

• Faible résistance en DC

• Résistance HF élevée due aux pertes dans le matériau magnétique ( ≠ inductance!!!)

• La version « perle » était

surtout utilisée avec les

composants à fils.

(27)

25 La perle en ferrite

version montage en surface (SMD)

(28)

26 Impédance d’une bead; Z: module, R: partie réelle, X: partie imaginaire

La croissance de R avec la fréquence

provient des pertes dans le matériau

magnétique

(29)

27 Choix du composant

– Compromis entre

• résistance en DC

• impédance à 100 MHz

• courant maximum

(provoque la saturation du matériau

magnétique)

– Les IC qui consomment

beaucoup peuvent être alimentés par

plusieurs « beads » en

parallèles

(30)

28 Règles de découplage et distribution des alimentations

1. Utiliser si possible des plans de masse et utiliser de nombreux trous de passage (vias) en parallèle. Le but est d’avoir un potentiel de référence avec l’inductance la plus faible possible.

Découplages des circuits intégrés J-L. Bolli (EIG) M.Tognolini (HEIG-VD) M.Girardin (HEIG-VD) 2 octobre 2009

Découplages des circuits intégrés

J-L. Bolli (EIG) M.Tognolini (HEIG-VD)

M.Girardin (HEIG-VD)

2 octobre 2009

2

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.

3

Résistance des pistes

• Les pistes du PCB ont une résistance

• 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,

Rs= 0.5 mΩ/carré

4

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

5

Etape 1: effet des R pistes

IC perturbateur IC perturbé

piste de W= 1 mm; L= 100 mm

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Etape 1: R pistes

7

Etape 2: effet de R + L pistes

8

Etape 2: R + L pistes

9

Etape 2: effet de R + L pistes+ AO

10

Etape 2: R + L pistes+ AO

11

Etape 3: effet de R + L pistes + découplage IC digital

modèle HF condensateur SMD

100 nF; taille 3 x 1.5 mm (1206)

12

Etape 3: R + L pistes

+ découplage IC digital

13

Etape 4: R + L pistes

+ découplage IC digital et IC analogique

modèle HF condensateur SMD

100 nF; taille 3 x 1.5 mm (1206)

14

Etape 4: R + L pistes

+ découplage IC digital et IC analogique

15

Etape 4: R + L pistes

+ découplage IC digital et IC analogique

16

Etape 4: R + L pistes

+ découplage IC digital et IC analogique

17

Etape 4: R + L pistes

+ découplage IC digital et IC analogique

18

Modèle HF de la résistance

Zr pour résistance SMD de 3.0 x 1.5 mm (1206)

Cp = 0.2 pF; Lp = 3 nH

19

Modèle HF de l’inductance

Z L pour inductance SMD de 3.0 x 1.5 mm (1206)

Rp = 1200 Ω * f ½ ; Cp = 0.2 pF

20

Modèle HF du condensateur

Zc pour condensateur SMD céramique de 3.0 x 1.5 mm (1206)

Rp = 0.2 Ω; Lp = 3 nH

Les différents diélectriques

Comparaison tantale / céramique

Variation de C avec la tension appliquée

Ce phénomène est particulièrement marqué pour le capacité

de type céramique avec les diélectriques X5R ou Y7R:

– ρ: résistivité de la couche 1.72*10 ^-8 [Ωm]

Z _L pour inductance SMD de 3.0 x 1.5 mm (1206)

Rp = 1200 Ω * f ^½ ; Cp = 0.2 pF