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Chaque circuit imprimé que vous construisez présente un certain nombre de problèmes, dont certains sont invisibles. L'un des plus importants est la capacité. Les traces, les pastilles et les plans de votre circuit imprimé peuvent fonctionner comme de minuscules condensateurs. Vous ne voulez pas inclure cette capacité involontaire dans votre conception. Le fonctionnement de la carte est la raison de son existence. Cet effet, appelé capacité parasite, est difficile à gérer pour les ingénieurs. Lors de la conception de votre carte de circuits imprimés, il est essentiel de savoir comment minimiser la capacité parasite.
Cette capacité supplémentaire peut poser de gros problèmes. Elle peut ralentir les signaux qui passent par vos traces. Elle peut modifier la forme d'un signal, ce qui peut poser des problèmes lors de l'envoi de données. Enfin, elle peut entraîner une fuite du signal d'une trace vers une trace voisine, ce qui génère du bruit et des interférences. Cette fuite est connue sous le nom de diaphonie. Ces problèmes font qu'il est très difficile de gérer la capacité en conception de circuits imprimés à grande vitesse. Ces petits effets capacitifs sont d'autant plus importants que vos signaux sont rapides.
Un manuel utile pour réduire la capacité de traçage des circuits imprimés
Qu'est-ce que la capacité de traçage des circuits imprimés ?
Nous devons avoir une compréhension de base de la capacité avant de pouvoir la réduire. Un condensateur se compose essentiellement de deux conducteurs électriques séparés par une substance isolante. Le terme diélectrique désigne la substance isolante.
Cette configuration exacte se retrouve sur l'ensemble d'un circuit imprimé. Un conducteur est une trace de cuivre. Un autre conducteur est un plan de masse situé à proximité. L'isolant entre les deux est le panneau en fibre de verre. Ainsi, un minuscule condensateur est formé par la trace et le plan de masse. De même, deux conducteurs sont deux pistes en cuivre adjacentes l'une à l'autre. L'isolant entre eux est le matériau de la carte et l'air. Un condensateur est donc également formé par ces deux traces.
C'est l'origine du terme capacité parasite (PCB). Parce qu'il se nourrit de votre conception et ne vous apporte rien, c'est un parasite. Que vous le vouliez ou non, il est toujours présent. Il est impossible de l'éradiquer totalement. Cependant, vous pouvez faire certaines choses pour le réduire de manière significative.
Nous pouvons examiner la formule fondamentale de la capacité de la trace du circuit imprimé pour savoir comment la réduire. La formule se présente comme suit : C = (ε × A) / d : C = (ε × A) / d. Décortiquons cette formule en ses éléments les plus élémentaires par rapport à un circuit imprimé.
C = (ε × A) / d
C" est l'abréviation de "capacitance". Nous souhaitons réduire cette valeur.
La constante diélectrique du matériau isolant est "ε" (epsilon). Chaque matériau a une valeur unique. Certains matériaux ont une constante plus faible et sont de meilleurs isolants. Une capacité plus faible est corrélée à une constante diélectrique plus faible.
La zone où les deux conducteurs se chevauchent est indiquée par "A". Deux traces longues et larges ont une grande zone de chevauchement si elles sont très proches l'une de l'autre. La capacité augmente avec la surface.
La distance entre les deux conducteurs est désignée par "d". C'est l'épaisseur de l'isolant qui les sépare. La capacité diminue avec l'augmentation de la distance.
Toute la stratégie de réduction de la capacité est fournie par cette formule simple. Il y a trois façons de réduire 'C'. On peut utiliser un matériau dont le "ε" est plus faible. Nous pouvons réduire la taille de la zone de chevauchement "A". Nous pouvons également augmenter la distance "d". L'un de ces trois objectifs est l'objectif de toute méthode viable de réduction de la capacité de la trace. Une version plus sophistiquée de cette formule est utilisée par l'Institut de recherche et de développement de l'Union européenne (IRU). Calculateur de capacité de trace de circuit imprimé que l'on trouve dans de nombreux outils de conception de circuits imprimés pour estimer la capacité de votre circuit.
Les décisions de conception cruciales qui régulent la capacité
L'influence la plus importante sur la capacité parasite provient des décisions que vous prenez au cours de la phase de mise en page de la carte de circuit imprimé. La géométrie et les matériaux de la carte sont directement sous votre contrôle. La première étape d'une meilleure conception consiste à comprendre l'impact de ces décisions sur la capacité.
Le matériau diélectrique de votre circuit imprimé est le premier élément à prendre en compte. FR-4 est le matériau le plus utilisé pour les circuits imprimés. La plupart des produits l'utilisent parce qu'il est abordable et fiable. Toutefois, la constante diélectrique du FR-4 est comparativement élevée. La capacité est directement et significativement affectée par la constante diélectrique du circuit imprimé. Changer le matériau de la carte est l'une des meilleures options si votre conception est très sensible à la capacité. La constante diélectrique des matériaux à haute performance, tels que le Téflon ou le Rogers, est nettement inférieure.
Sans apporter d'autres modifications à votre agencement, vous pouvez réduire considérablement votre capacité parasite en passant du FR-4 à l'un de ces matériaux. En raison de son coût élevé, cette option n'est généralement utilisée que dans les applications à haute fréquence où le coût est moins important que la performance.
L'épaisseur du matériau diélectrique est un facteur secondaire.
L'épaisseur de votre matériau diélectrique est la deuxième considération. Cela est lié au "d" de notre formule pour la distance. Lorsque l'on parle de la capacité d'une trace, on se réfère souvent à sa capacité par rapport à un plan de référence situé en dessous, tel qu'un plan de masse.
L'épaisseur du matériau pré-imprégné ou de l'âme dans votre Empilage de circuits imprimés est la distance entre ce plan de masse et la trace du signal. La distance "d" augmente lorsqu'un matériau plus épais est utilisé. Une capacité plus faible est indiquée par un "d" plus grand. L'épaisseur de ces couches isolantes peut être choisie lors de la conception de l'empilement des couches de votre carte. Une méthode simple pour réduire la capacité des signaux à grande vitesse consiste à sélectionner une couche diélectrique plus épaisse entre la couche du signal et son plan de référence.
Le troisième élément est la géométrie de la trace de cuivre.
Le troisième aspect de la conception, et le plus souvent ajusté, est la géométrie des traces de cuivre. L'épaisseur, la largeur et l'espacement ont tous une incidence sur les performances. De nombreux concepteurs ne comprennent pas comment la capacité est liée à la largeur des circuits imprimés. Des traces plus larges ajoutent de la surface, ce qui augmente la surface "A" dans l'équation et accroît la capacité par rapport au plan de masse. Si vous souhaitez réduire la capacité entre le tracé et le plan de masse, utilisez un tracé plus étroit. Cependant, les tracés plus étroits augmentent la résistance et limitent le transfert de puissance. Vous devez peser soigneusement ces compromis lors de la conception.
Pour minimiser la diaphonie, les concepteurs de circuits imprimés augmentent simplement la distance entre les traces. Selon la "règle des 3W", deux traces doivent être séparées par au moins trois fois la largeur d'une trace. L'élément géométrique le plus important que les concepteurs peuvent contrôler est l'espacement. Il s'agit du "d" qui sépare deux conducteurs proches sur la même couche. La capacité entre deux traces augmente avec leur proximité.
Vous pouvez avoir besoin d'encore plus d'espace pour les signaux extrêmement sensibles ou rapides. La méthode la plus simple et la plus efficace pour réduire la capacité d'une trace à l'autre consiste souvent à augmenter la distance entre les traces.
Méthodes de mise en page utiles pour concevoir des produits à faible capacité
Les connaissances théoriques sont utiles, mais vous avez également besoin de techniques de mise en page utiles. Ces techniques de mise en page sont parmi les meilleures pour réduire la capacité indésirable.
La première tactique consiste à minimiser la longueur de vos traces. Étant donné qu'une trace plus courte couvre moins de terrain, la capacité des structures adjacentes est diminuée et la surface "A" de la formule est réduite. Des traces courtes sont garanties lorsque les composants sont positionnés correctement. Placez les pièces similaires les unes à côté des autres. Placez un microprocesseur et sa mémoire l'un à côté de l'autre, par exemple, de sorte que les traces de connexion soient aussi courtes que possible. Les traces longues et sinueuses augmentent le risque de capacité parasite et compromettent l'intégrité du signal.
La deuxième stratégie consiste à réduire la durée pendant laquelle vos traces sont parallèles l'une à l'autre. L'effet d'un long condensateur est produit en faisant courir deux traces ensemble sur une longue distance. Plus elles sont longues, plus la capacité entre elles est grande. C'est l'une des principales causes de diaphonie. La meilleure façon d'y remédier est de maintenir les tracés parallèles aussi courts que possible. Un bus de données et un bus d'adresses sont deux exemples de signaux qui doivent être acheminés de manière à éviter de parcourir de longues distances en parallèle. Si vous devez les acheminer sur la même couche, utilisez autant d'espace que votre conception le permet entre eux.
Les concepteurs peuvent contrôler efficacement la capacité en acheminant les signaux voisins sur des couches distinctes. Ils construisent souvent des circuits à grande vitesse en utilisant le routage orthogonal. Chaque trace sur la première couche de cette méthode est horizontale, tandis que chaque trace sur la couche de signaux suivante est verticale. Les tracés des différentes couches ne se croisent qu'à angle droit. Cette configuration réduit la capacité de traçage du circuit imprimé et la zone de chevauchement entre les couches. En outre, elle permet aux concepteurs de contrôler de manière plus fiable les signaux sur un bus de données très fréquenté.
La troisième méthode consiste à utiliser une trace de garde Disposition du circuit imprimé. C'est un moyen très efficace de protéger un signal d'horloge à grande vitesse ou un signal analogique sensible. Une trace de garde est une trace de cuivre que vous placez à côté de la trace de votre signal sensible. Mais cette trace de garde est généralement reliée à la masse par quelques vias sur toute sa longueur. Elle fonctionne comme un bouclier. Elle capte les lignes de champ électrique provenant de la trace du signal.
Lorsque des lignes de champ électrique émanent de la trace du signal, la trace de garde les capte et les achemine en toute sécurité vers la terre. Cela empêche la diaphonie d'atteindre un signal voisin. Cette technique offre une protection robuste contre les interférences tout en isolant les signaux importants de leur environnement. Lorsqu'elle est placée à côté de signaux numériques rapides, elle est particulièrement efficace pour empêcher le bruit d'atteindre des signaux analogiques sensibles et de faible niveau.
Contrôles finaux et impédance contrôlée
Dans les conceptions à très grande vitesse, l'objectif n'est plus de réduire la capacité, mais de la contrôler. À ce stade, le débat entre l'impédance et la capacité contrôlées devient crucial. Les concepteurs fixent les pistes à des valeurs d'impédance spécifiques, telles que 50 ou 90 ohms, pour des signaux tels que l'USB, l'Ethernet ou la mémoire DDR. L'impédance combine la résistance, la capacité et l'inductance, et chaque facteur nécessite une gestion minutieuse.
Pour obtenir la bonne impédance, vous devez ajuster avec précision l'épaisseur du diélectrique, la constante diélectrique et la largeur de la trace. La réduction de la capacité ne suffit pas. Vous devez plutôt concevoir une valeur de capacité spécifique qui, associée aux autres variables, produit l'impédance souhaitée.
Dans ces conceptions, la capacité est plus qu'un effet parasite. Elle devient essentielle au fonctionnement du circuit. Vous déterminez la géométrie exacte nécessaire pour atteindre votre objectif d'impédance à l'aide d'un outil de résolution de champ ou d'un Calculateur de capacité de traçage de circuits imprimés. L'objectif n'est plus de minimiser la capacité, mais de la contrôler avec précision.
Le contrôle de la capacité parasite des circuits imprimés est l'un des aspects les plus importants de la conception électronique moderne. Vous ne pouvez pas la traiter comme une réflexion après coup à la fin du projet. Vous devez l'intégrer dans le plan dès le début, en commençant par le placement des composants et la conception de l'empilement des couches. En suivant ces principes, vous créez des conceptions fiables et efficaces.
En conclusion
Il n'est pas nécessaire de recourir à la magie pour réduire la capacité de traçage des circuits imprimés. Il suffit de bien comprendre les idées fondamentales. Les approches les plus simples sont souvent les plus efficaces. Éloignez vos traces les unes des autres. Évitez les longs tracés parallèles et gardez vos traces courtes. Entre votre plan de masse et votre couche de signal, utilisez un diélectrique plus épais.
En outre, utilisez une trace de garde mise à la terre pour protéger les signaux extrêmement sensibles. La sélection d'un matériau de circuit imprimé de qualité supérieure à faible constante diélectrique est un choix judicieux pour les applications les plus exigeantes. En vous concentrant sur ces concepts fondamentaux, vous pouvez créer des dispositifs électroniques fiables et performants et naviguer avec succès dans le royaume caché de la capacité parasite.
