Considérations sur la conception des circuits imprimés des cristaux et des oscillateurs

Découvrez comment réduire la taille des cartes et accroître l’intégration dans votre conception de circuits imprimés dans cet article rédigé par David Meaney, vice-président des ventes techniques et du marketing au niveau mondial, et Dean Clark, directeur européen des opérations chez ECS Inc. International.

La disposition de votre circuit imprimé pour accueillir les composants et assurer un fonctionnement optimal est une tâche compliquée, comme les signaux d’horloge et leur acheminement. Si nous suivons certaines règles standard de l’industrie, les problèmes d’interférence électromagnétique peuvent être minimisés sans avoir recours à des formules compliquées et à des outils de simulation coûteux.

La disposition des circuits imprimés devient de plus en plus importante, en raison de la tendance à réduire la taille des cartes et à augmenter l’intégration. Des facteurs forme plus petits et une électronique de faible puissance sont autant d’éléments à prendre en considération. Plus les fréquences de commutation sont élevées, plus le rayonnement est important. Avec une bonne mise en page, de nombreux problèmes d’EMI peuvent être minimisés afin de répondre aux spécifications requises. Vous trouverez ci-dessous quelques recommandations que ECS Inc. International vous suggère de suivre en tant que bonne pratique d’ingénierie.

  •  Directives pour la conception de cartes à circuits imprimés (CCI) en cristal
  • •  Connectez le cristal et les condensateurs de charge externes sur le circuit imprimé aussi près que possible des broches d’entrée et de sortie de l’oscillateur de la puce.
  • •  La longueur des traces dans le circuit d’oscillation doit être aussi courte que possible et ne doit pas croiser d’autres lignes de signaux.
  • •  Évitez les virages à angle droit sur les tracés.
  • •  Assurez-vous que les condensateurs de charge CX1, CX2 et CX3, en cas d’utilisation d’un cristal de troisième harmonique, ont un plan de masse commun.
  • •  Les boucles doivent être aussi petites que possible pour minimiser le bruit couplé à travers le PCB, et pour réduire les parasites autant que possible.
  • •  Ne disposez pas le motif de mise à la terre (GND) sous l’unité de cristal.
  • •  Ne pas faire passer de lignes de signaux numériques / RF ou d’alimentation sous l’unité de cristal pour les PCB multicouches.

  •  Directives pour la conception des circuits imprimés (PCB) des oscillateurs
  • •  Disposez l’empreinte de l’oscillateur sur le circuit imprimé aussi près que possible des broches d’entrée de la charge ou de la puce.
  • •  La longueur des traces doit être aussi courte que possible et ne doit pas croiser d’autres lignes de signaux.
  • •  Évitez les virages à angle droit sur les tracés. La capacité augmente dans la région du coin à 45°, ce qui modifie l’impédance caractéristique de la trace et entraîne des réflexions. Cela peut être atténué en arrondissant les angles droits.
  • •  Utilisez une terminaison en série pour réduire les ondes stationnaires entre la source et la terminaison. Celle-ci se construit en insérant une résistance en série aussi près que possible de la broche de sortie de l’oscillateur. Pour une bonne adaptation d’impédance, l’impédance de sortie du pilote d’horloge plus la résistance de terminaison en série doit être égale à l’impédance de la trace.
  • •  Gardez les traces de sortie différentielles aussi proches et de même longueur que possible. Cela augmente le facteur de couplage entre les traces, amenant le bruit dans le mode commun, ce qui est moins problématique pour un étage d’entrée différentielle.
  • •  Une bonne pratique est d’avoir l’oscillateur connecté au plan de masse commun.
  • •  Ne disposez pas le motif de mise à la terre (GND) sous l’unité de cristal, cela ajoute une capacité parasite.
  • •  Ne faites pas passer de lignes de signaux numériques / RF ou de puissance sous les oscillateurs pour les PCB multicouches, car cela ajouterait du bruit.

Disposition de l’oscillateur Pierce
Les points ci-dessus sont importants pour l’application des oscillateurs percés tels qu’utilisés par les microprocesseurs. Voir ci-dessous le circuit et une disposition typique pour un oscillateur à percuteur utilisant un cristal à 4 plots.

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Oscillateur typique de Pierce Crystal/Résonateur
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                 Oscillateur Pierce à cristal typique du PCB

La boucle de l’oscillateur à cristal présente une faible impédance d’entrée à la fréquence de l’oscillateur, mais une caractéristique d’impédance d’entrée élevée en dehors de la plage de fréquence de résonance. Cette caractéristique de haute impédance est vulnérable aux EMI lorsqu’un champ électrique est appliqué à proximité. Dans les technologies plus récentes, le niveau du signal de l’oscillateur est limité à <1V, ce qui le rend plus sensible.

Pour souligner l’importance de maintenir la capacité parasite du PCB à un niveau bas, le Cs est mis en évidence dans le calcul. Plus le CL du cristal est faible, plus la capacité parasite du PCB a un impact sur la conception.

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Les connexions de masse aux condensateurs de charge C1/C2 doivent être aussi courtes que possible pour éviter les courants de masse avec d’autres circuits. Très souvent, les broches XTAL IN et XTAL OUT sont adjacentes sur le processeur. La capacité parasite peut être un problème, les traces doivent donc être acheminées aussi loin que possible les unes des autres tout en restant aussi courtes que possible.


  • •  Les capacités typiques observées peuvent être :
  • •  XTAL IN à la terre : 1pF
  • •  XTAL OUT à la terre : 2pF
  • •  XTAL IN à XTAL OUT : 0.5pF

Les types de cristaux les plus courants ont des boîtiers scellés par soudure, dans lesquels le couvercle du boîtier est connecté électriquement aux broches de masse. Avec ce type de boîtier, il est recommandé de mettre les broches à la terre afin de réduire le potentiel d’interférences électromagnétiques provenant du couvercle. Il convient de noter que les emballages scellés par soudure offrent de meilleures performances. L’autre méthode de scellement est un cristal scellé en verre, et grâce à ce procédé, le couvercle est isolé des broches de masse. Avec ce type de boîtier, il n’est pas recommandé de mettre à la terre les broches de masse du cristal.

Compatibilité électromagnétique (EMC)
La compatibilité électromagnétique est la capacité des composants, équipements et systèmes électriques à fonctionner comme prévu dans leur environnement. Cela se fait en limitant la production, la propagation et la réception non intentionnelles d’énergie électromagnétique. Ces sources de bruit indésirables sont connues sous le nom d’interférences électromagnétiques (EMI). L’objectif de la EMC est le fonctionnement correct de différents équipements dans un environnement électromagnétique commun.

Le plan de masse
Un plan de masse est efficace lorsqu’il est utilisé avec un circuit analogique ou numérique et un mélange de composants. Les connexions à la terre sont effectuées en fonction des besoins plutôt que de manière uniforme sur l’ensemble du réseau.

On ne crée pas un plan de masse en remplissant simplement tout l’espace vide avec du cuivre et en le reliant au sol. Sa fonction est de permettre la circulation du courant de retour, et la disposition idéale doit comporter un minimum d’interruptions de ce courant. C’est pourquoi des cartes multicouches sont utilisées. Une couche uniforme entière peut être consacrée à la terre, une autre à l’alimentation et une autre à la signalisation. Cela améliore la distribution de la capacité intercouche. Cela présente également l’avantage supplémentaire d’une faible impédance entre l’alimentation et la terre à haute fréquence.

Les trous individuels ne font aucune différence pour le plan de masse, mais les grandes fentes en font une. Lorsque le plan de masse est interrompu par d’autres pistes ou trous, le flux de courant normal à faible inductance est détourné autour de l’obstacle et l’inductance est effectivement augmentée.

Les interruptions ne doivent être tolérées que si elles ne coupent pas les lignes de flux à fort di/dt. Les pistes situées sous les composants transportant des courants de commutation élevés ou des fronts logiques rapides provoquent une capacité induite. Même une piste très étroite reliant deux segments du plan de masse est préférable à aucune. À des fréquences élevées, et cela inclut les transitions de fronts de la logique numérique, le courant a tendance à suivre le chemin qui renferme le moins de flux magnétique. Cela signifie que le courant de retour du plan de masse préférera se concentrer sous sa piste de signal correspondante.

Certains fabricants de cartes ne recommandent pas de laisser de grandes zones de cuivre, car cela peut entraîner une déformation de la carte ou une fissuration de la réserve de soudure. Si cela risque d’être un problème, vous pouvez remplacer le plan de masse solide par un motif hachuré sans en dégrader l’efficacité. Pour réaliser une connexion soudée au plan de masse, ou à toute autre grande surface de cuivre à la surface de la carte, vous devez « détacher » la pastille de soudure de la zone de masse et la connecter en utilisant de courtes longueurs de piste. Cela permet d’éviter que le plan de masse ne serve de dissipateur thermique pendant le soudage, pour des joints fiables.

Interférence électromagnétique

(EMI) Rayonné - EMI
Qu’est-ce qu’un test d’émissions rayonnées (ou EMI) ? Le test des émissions rayonnées consiste à mesurer l’intensité du champ électromagnétique des émissions générées involontairement par votre produit. Les émissions sont inhérentes aux tensions et courants de commutation dans tout circuit numérique. Cela vous permettra de connaître le niveau des émissions, et vous pourrez alors déterminer si elles affecteront les performances de votre système ou des systèmes environnants.

Modes de défaillance rayonnés typiques
Il existe un nombre pratiquement illimité de conceptions ou de moyens électromécaniques permettant de provoquer des émissions rayonnées. Voici une courte liste de quelques problèmes typiques de conception EMI :

  • •  Bruit sur le câblage
  • •  Pile de couches non optimisée
  • •  Mauvaise terminaison du câble
  • •  Alimentation électrique bruyante
  • •  Réduction des voies de retour
  • •  Mise à la terre pour les dissipateurs thermiques et les LCD
  • •  Signaux proches du bord du plan de référence
  • •  Mauvaise mise à la terre de la carte
  • •  Découplage inefficace de la carte
  • •  Mauvaise intégrité des signaux
  • •  Placement des composants
  • •  Mauvaise mise à la terre de la carte
  • •  Découplage inefficace de la carte
  • •  Mauvaise intégrité des signaux
  • •  Placement des composants
  • •  Boucles de courant importantes
  • •  Remplissage segmenté du sol
  • •  Placement du condensateur de découplage
  • •  Condensateur de découplage
  • •  Remplissage segmenté du sol
  • •  Boucles de courant importantes

Conduit - EMI
Chaque appareil électronique crée de l’énergie électromagnétique et une certaine partie de celle-ci sera conduite sur l’alimentation et potentiellement couplée à l’alimentation externe.

Afin de limiter la quantité d’interférences que votre appareil peut renvoyer sur une alimentation électrique, les laboratoires d’essai mesurent ces émissions. En général, ils s’intéressent aux émissions dans la bande passante de 150 kHz ~ 30 MHz. Ils contrôlent les radiations et vérifient qu’elles sont conformes aux limites spécifiées.

Les procédures et les niveaux de test EMI sont régis par le CISPR : Comité international spécial des perturbations radioélectriques. Pour plus d’informations, veuillez consulter le site de la Commission électrotechnique internationale.

Test des émissions
Conformément à la norme ANSI C63.4, le ou les LISN sont assis sur le sol, tandis que votre produit est posé sur une table (ou reste sur le sol si l’équipement est de grande taille). Le port RF d’un LISN se connecte directement à un analyseur de spectre (ou via un limiteur de transitoires pour éviter les dommages dus aux pics de tension).

Applicabilité des émissions conduites
Les tests d’émissions conduites sont généralement effectués sur des appareils qui se connectent à une alimentation en courant alternatif. Et ce, que vous utilisiez ou non un adaptateur d’alimentation AC-DC pré-certifié. Pour certaines normes, des limites sont également imposées aux dispositifs fonctionnant à partir d’une alimentation en courant continu.

Recommandations relatives aux émissions conduites
Sans entrer dans les détails de la conception des circuits pour la conformité des émissions conduites, il existe quelques moyens simples de minimiser le risque d’échec aux tests d’émissions conduites :

  • •  Il faut toujours se procurer un bloc d’alimentation dont la valeur nominale correspond aux limites que vous devez franchir.
  • •  Si votre appareil est un appareil de classe B, assurez-vous de vous procurer un adaptateur de classe B. Un adaptateur qui n’a passé que les limites de la classe A a peu de chances d’aboutir à une réussite du système. Un adaptateur de classe B ne garantit pas la réussite des émissions conduites de classe B, mais il y contribuera certainement.
  • •  De même, pour les limites plus strictes dans les domaines militaire, médical, automobile ou aérospatial, il faut toujours s’adresser à un fournisseur dont les spécifications affirment la conformité à la limite en question.
  • •  Apportez au moins 3 alimentations électriques différentes au laboratoire d’essai.
  • •  Si votre appareil utilise un adaptateur d’alimentation externe AC-DC, apportez des équivalents de différents fabricants, au cas où. Si vous échouez, vous pouvez l’échanger et voir si les autres fournitures vous permettent de réussir.
  • •  Vérifiez l’ondulation des rails de votre alimentation électrique.
  • •  Si vous avez des alimentations électriques propres, il y a de fortes chances que votre PDN et votre découplage soient en bon état. Si vous constatez une ondulation ou des pointes excessives dans les alimentations électriques à découpage, il se peut que ce bruit soit présent du côté CA de votre alimentation.
  • •  S’il existe une raison essentielle de diviser le plan de masse, par exemple pour séparer les masses analogiques et numériques afin d’éviter le couplage du bruit, soyez prudent car les plans de masse divisés peuvent agir comme des antennes à fente et rayonner. Dans ces cas, ne connectez les plans de masse divisés qu’en un seul point. Plus vous avez de connexions de masse communes, plus vous créez de boucles et plus votre conception émet des interférences électromagnétiques.
  • •  De nombreuses conceptions comportent des condensateurs de dérivation et de découplage ; vous pouvez réduire le trajet du courant de retour en les reliant à la terre. Cela réduit la taille de la boucle de terre, et donc le rayonnement. Veillez simplement à ne pas connecter un condensateur de dérivation entre un plan de puissance et un plan de masse sans rapport, ce qui peut provoquer un couplage capacitif.

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