Séance No. 5Découplages de circuits électroniques1 novembre 2010(CSYEI)

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Séance No. 5

Découplages de

circuits électroniques 1 novembre 2010

(CSYEI)

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MTI 01.11.2010 v2.0

iAi institut d’Automatisation industrielle 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.

dimanche, 31 octobre 2010

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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.

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MTI 01.11.2010 v2.0

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.

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• 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

Rappel: Résistance des pistes

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MTI 01.11.2010 v2.0

• 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

Rappel: Inductance des pistes

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Modèle électrique d’ordre zéro (resistences) du cas étudié

IC perturbateur IC perturbé

piste de W= 1 mm; L= 100 mm

0

Vagnd1 Vdgnd1

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MTI 01.11.2010 v2.0

Simulation SICE du modèle

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Modèle électrique du premier ordre (résistance + self) du cas étudié

On néglige les inductance des connexions de inductance des connexions de l’alimentation

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MTI 01.11.2010 v2.0

Simulation SICE du modèle du premier ordre

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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.

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MTI 01.11.2010 v2.0

Perturbations d’un amplificateur à AO en tension unipolaire

0

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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

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MTI 01.11.2010 v2.0

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.

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modèle HF condensateur SMD 100 nF; taille 3 x 1.5 mm (1206)

Modèle du découplage de l’IC numérique

a. atténuer la perturbation sur l’alimentation du circuit perturbateur

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MTI 01.11.2010 v2.0

Résultat de la simulation avec découplage sur IC num.

Réduction de la perturbation à 0.3V

a. atténuer la perturbation sur l’alimentation du circuit perturbateur

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modèle HF condensateur SMD 100 nF; taille 3 x 1.5 mm (1206)

Modèle du découplage de l’IC numérique et analogique

a. stockage d'énergie localement à chaque IC.

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MTI 01.11.2010 v2.0

Résultat de la simulation avec découplages num. et analog.

La perturbation sur VA est fortement réduite.

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Simulation SPICE du circuit avec AO

La tension de sortie n’est plus perturbée.

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MTI 01.11.2010 v2.0 iAi institut d’Automatisation industrielle

Zr pour résistance SMD de 3.0 x 1.5 mm (1206) Cp = 0.2 pF; Lp = 3 nH

Modèle HF de la résistance (composant)

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

Modèle HF d’une self

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MTI 01.11.2010 v2.0

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

Rp = 0.2 Ω; Lp = 3 nH

Modèle HF d’un condensateur

22

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Comparaison des différents diélectriques

(24)

Comparaison tantale / céramique

24

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Variation de C avec la tension appliquée

Ce phénomène est particulièrement marqué pour le capacité de type

céramique avec les diélectriques X5R ou Y7R:

(26)

•

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 = CVcc doit être bien supérieure (10x) à la charge consommé par l’IC: Iccdt

26

Les condensateurs polarisés

(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.

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MTI 01.11.2010 v2.0

La perle ferrite - pour le découplage

• L'impédance en BF est très faible (quelques m Ω ).

• 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

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La perle ferrite - impédance

La croissance de R avec la fréquence provient des pertes dans le matériau magnétique

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MTI 01.11.2010 v2.0

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.

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Répartition des signaux sur les couches du PCB

PCB 4 Couches PCB 6 Couches

35 um

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MTI 01.11.2010 v2.0

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)

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Inductance des VIA

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MTI 01.11.2010 v2.0

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.

(35)

Impédance de connexion comparaison piste et plan

(36)

MTI 01.11.2010 v2.0

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

(37)

Distribution de la densité de courant à haute fréquence

(38)

MTI 01.11.2010 v2.0

Diaphonie - Crosstalk

(39)

Experience pour montrer l’effet de diaphonie

(40)

MTI 01.11.2010 v2.0

Mesures

(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.

(42)

MTI 01.11.2010 v2.0

Séance No. 5Découplages de circuits électroniques1 novembre 2010(CSYEI)

Séance No. 5

Découplages de

circuits électroniques 1 novembre 2010

(CSYEI)

Programme du jour

1. Découplage des IC

2. Choix des composants de découplage.

3. Règles de routage des PCB 4. Phénomène de diaphonie

Découplage des circuits électroniques

Etude d’un cas simple

• 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

[Ωm]

• Pour le cuivre, avec t=35µm (1OzCu), Rs= 0.5 mΩ/carré

• Pour le cuivre, avec t=17.5 µm

Rappel: Résistance 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

Rappel: Inductance des pistes

Modèle électrique d’ordre zéro (resistences) du cas étudié

Simulation SICE du modèle

Modèle électrique du premier ordre (résistance + self) du cas étudié

Simulation SICE du modèle du premier ordre

Perturbations provenant des lignes d’alimentation

Perturbations d’un amplificateur à AO en tension unipolaire

Simulation SPICE du circuit avec AO

Réduction du couplage par les alimentations

Modèle du découplage de l’IC numérique

Résultat de la simulation avec découplage sur IC num.

Modèle du découplage de l’IC numérique et analogique

Résultat de la simulation avec découplages num. et analog.

Simulation SPICE du circuit avec AO

Modèle HF de la résistance (composant)

Modèle HF d’une self

Modèle HF d’un condensateur

Comparaison des 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:

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

Les condensateurs polarisés

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.

La perle ferrite - pour le découplage

• L'impédance en BF est très faible (quelques m Ω ).

• A haute fréquence les pertes

Foucault dans la ferrite deviennent importantes (des dizaines de Ω)

• Une version SMD est largement utilisé aujourd’hui.

La perle ferrite - impédance

Règles de distribution des alimentations

Répartition des signaux sur les couches du PCB

Connexion des condensateurs de découplage SMD

Inductance des VIA

Impédence entre deux points d’un plan en f(Freq)

Impédance de connexion comparaison piste et plan

Pourquoi un plan de masse est mieux que une connexion par piste

Distribution de la densité de courant à haute fréquence

Diaphonie - Crosstalk

Experience pour montrer l’effet de diaphonie

Mesures

Diaphonie à cause d’un plan coupé

Diaphonie à cause d’un mauvais layout de connecteur

La quantité de charge Q = CVcc doit être bien supérieure (10x) à la charge consommé par l’IC: Iccdt