Le contournement et la mise à la terre sont malheureusement des sujets qui semblent mal enseignés et mal compris. Ce sont en fait deux problèmes distincts. Vous posez des questions sur le contournement, mais vous vous êtes implicitement mis à la terre.
Pour la plupart des problèmes de signal, et ce cas ne fait pas exception, il est utile de les considérer à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel. Théoriquement, vous pouvez analyser l'un ou l'autre et convertir mathématiquement l'un en l'autre, mais chacun donne un aperçu différent au cerveau humain.
Le découplage fournit un quasi-réservoir d’énergie permettant d’atténuer la tension due aux changements à très court terme de la consommation de courant. Les lignes de retour à l'alimentation ont une certaine inductance, et il faut un peu de temps à l'alimentation pour répondre à une chute de tension avant de produire plus de courant. Sur une seule carte, il peut généralement se rattraper au bout de quelques microsecondes (nous) ou de plusieurs dizaines d’entre nous. Toutefois, les puces numériques peuvent modifier considérablement leur consommation actuelle en seulement quelques nanosecondes. Le capuchon de découplage doit être proche de la puissance de la puce numérique et des câbles de masse doivent faire leur travail, sinon l'inductance de ces câbles gênerait la fourniture du courant supplémentaire rapidement avant que l'alimentation principale puisse rattraper son retard.
C'était la vue du domaine temporel. Dans le domaine fréquentiel, les puces numériques sont des sources de courant alternatif entre leurs broches d’alimentation et de masse. En courant continu, l’alimentation provient de l’alimentation principale et tout va bien, nous allons donc ignorer le courant continu. Cette source de courant génère une large gamme de fréquences. Certaines fréquences sont si élevées que la faible inductance relativement longue conduit le début de l'alimentation principale à devenir une impédance importante. Cela signifie que ces hautes fréquences provoqueront des fluctuations de tension locales à moins qu'elles ne soient traitées. Le bouchon de dérivation est le shunt à basse impédance pour ces hautes fréquences. Encore une fois, les dérivations du cache de dérivation doivent être courtes, sinon leur inductance sera trop élevée et empêchera le condensateur de court-circuiter le courant haute fréquence généré par la puce.
Dans cette vue, toutes vos mises en page semblent bonnes. Le capuchon est proche des puces d'alimentation et de masse dans chaque cas. Cependant, je ne les aime pas pour une raison différente, et cette raison est ancrée.
Une bonne mise à la terre est plus difficile à expliquer que de la contourner. Il faudrait tout un livre pour vraiment aborder cette question, alors je ne ferai que citer des morceaux. La première tâche de la mise à la terre consiste à fournir une référence de tension universelle, que nous considérons généralement comme 0V puisque tout le reste est considéré par rapport au réseau de terre. Cependant, pensez à ce qui se passe lorsque vous utilisez le réseau terrestre. Sa résistance n'est pas nulle, ce qui entraîne une petite différence de tension entre différents points de la terre. La résistance CC d'un avion en cuivre sur un circuit imprimé est généralement suffisamment basse pour que cela ne pose pas trop de problème pour la plupart des circuits. Un circuit purement numérique a au moins une centaine de marges de bruit en mV. Par conséquent, quelques décalages de 10 ou de 100 centraux uV ne sont pas un gros problème. C'est le cas dans certains circuits analogiques, mais ce n'est pas le problème que j'essaie de résoudre.
Pensez à ce qui se passe lorsque la fréquence du courant traversant le plan de sol augmente de plus en plus. À un moment donné, tout le plan de sol n'a qu'une demi-longueur d'onde. Maintenant, vous n'avez plus un avion au sol mais une antenne patch. Rappelons maintenant qu'un microcontrôleur est une source de courant large bande avec des composants haute fréquence. Si vous faites circuler même un petit peu son courant de terre sur le plan de sol, vous avez une antenne patch alimentée au centre.
La solution que j’utilise habituellement, et pour laquelle j’ai la preuve quantitative que cela fonctionne bien, est de garder les courants haute fréquence locaux hors du plan du sol. Vous souhaitez créer un réseau local des connexions d'alimentation et de mise à la terre du microcontrôleur, les contourner localement, puis créer une seule connexion entre chaque réseau et les réseaux d'alimentation et de mise à la terre du système principal. Les courants haute fréquence générés par le microcontrôleur sortent par les broches d’alimentation, par les bouchons de dérivation, puis dans les broches de terre. Il peut y avoir beaucoup de vilains courants haute fréquence autour de cette boucle, mais si cette boucle ne dispose que d’une connexion unique à la carte d’alimentation et aux réseaux de mise à la terre, ces courants resteront en grande partie hors de ceux-ci.
Donc, pour revenir à votre présentation, ce que je n’aime pas, c’est que chaque bouchon de dérivation semble avoir un via séparé pour le pouvoir et la terre. Si ce sont les plans d'alimentation principale et de masse du tableau, c'est mauvais. Si vous avez suffisamment de couches et que les vias vont vraiment aux plans d'alimentation et de masse locaux, c'est normal tant que ces plans locaux sont connectés aux plans principaux en un seul point .
Cela ne prend pas les avions locaux pour le faire. J'utilise régulièrement la technique locale d'alimentation et de mise à la terre même sur des panneaux à 2 couches. Je connecte manuellement toutes les broches de terre et toutes les broches d’alimentation, puis les bouchons de dérivation, puis le circuit en cristal avant d’acheminer quoi que ce soit. Ces réseaux locaux peuvent être une étoile ou tout autre droit sous le microcontrôleur, tout en permettant à d’autres signaux d’être acheminés autour d’eux selon les besoins. Cependant, encore une fois, ces réseaux locaux doivent avoir exactement une connexion aux réseaux d'alimentation et de mise à la terre de la carte principale. Si vous avez un plan de masse de niveau planche, il y en aura un via un endroit quelconque pour connecter le réseau de masse local au plan de masse.
Je vais généralement un peu plus loin si je peux. Je mets des capuchons de dérivation en céramique de 100nF ou 1uF aussi près que possible des broches d'alimentation et de masse, puis achemine les deux réseaux locaux (alimentation et terre) vers un point d'alimentation et leur pose un capuchon plus large (généralement de 10uF) et effectue les connexions simples. au sol de la planche et des filets d’alimentation juste de l’autre côté du capuchon. Ce capuchon secondaire fournit un autre shunt aux courants haute fréquence qui ont échappé au shunté par les capuchons de dérivation individuels. Du point de vue du reste de la carte, l’alimentation du microcontrôleur se fait sans trop de hautes fréquences désagréables.
Alors maintenant, pour répondre enfin à votre question de savoir si la disposition que vous avez est importante est comparée à ce que vous pensez être les meilleures pratiques. Je pense que vous avez assez bien contourné les broches d’alimentation / de masse de la puce. Cela signifie que cela devrait fonctionner correctement. Cependant, si chacun a un via séparé vers le plan de sol principal, vous pourriez avoir des problèmes EMI plus tard. Votre circuit fonctionnera bien, mais vous ne pourrez peut-être pas le vendre légalement. Gardez à l'esprit que la transmission et la réception RF sont réciproques. Un circuit qui peut émettre des signaux RF à partir de ses signaux est également susceptible de capter ces signaux externes et de générer du bruit au-dessus du signal. Ce problème ne concerne donc pas que tous les autres. Votre appareil peut fonctionner correctement jusqu'à ce qu'un compresseur à proximité soit démarré, par exemple. Ce n'est pas qu'un scénario théorique. J'ai vu des cas exactement comme ça,
Voici une anecdote qui montre à quel point cela peut faire une réelle différence. Une entreprise fabriquait de petits gadgets qui leur coûtaient 120 dollars à produire. J'ai été embauché pour mettre à jour la conception et obtenir un coût de production inférieur à 100 dollars si possible. L'ancien ingénieur ne comprenait pas vraiment les émissions RF et la mise à la terre. Il avait un microprocesseur qui émettait beaucoup de merde RF. Sa solution pour réussir les tests de la FCC consistait à enfermer tout le gâchis dans une boîte de conserve. Au moment de la production, il a fabriqué un panneau à 6 couches avec la couche inférieure moulée, puis a fait souder une pièce de tôle personnalisée sur la section désagréable. Il pensait que rien qu'en enfermant tout ce qu'il y avait dans le métal, il ne rayonnerait pas. C'est faux, mais je ne vais pas entrer dans les détails maintenant. La boîte a effectivement réduit les émissions, de sorte qu’elles ont tout juste gâché avec les tests de la FCC avec 1/2 dB à perdre
Ma conception utilisait seulement 4 couches, un seul plan de masse sur toute la largeur de la carte, aucun plan d'alimentation, mais des plans de masse locaux pour quelques-uns des circuits intégrés de choix avec des connexions à point unique pour ces plans de masse locaux et les réseaux de puissance locaux, comme je l'ai décrit. Pour raccourcir la longueur de l’histoire, cela a dépassé la limite de la FCC de 15 dB (c’est beaucoup). Un autre avantage était que cet appareil était aussi en partie un récepteur radio et que les circuits beaucoup plus silencieux alimentaient la radio en moins de bruit et doublaient sa portée (c'est beaucoup aussi). Le coût de production final était de 87 $. L'autre ingénieur n'a plus jamais travaillé pour cette entreprise.
Il est donc essentiel de contourner, de mettre à la terre, de visualiser et de gérer les courants de boucle à haute fréquence. Dans ce cas, cela a contribué à rendre le produit meilleur et moins cher en même temps, et l’ingénieur qui ne l’avait pas obtenu a perdu son travail. Non, c'est vraiment une histoire vraie.