Layout Pierce Gate Oscillator

[micka_ch]

Bonjour à tous,

Je suis actuellement en train de designer une carte électronique qui embarque un MCU (STM32) et j'utilise un quartz externe 8MHz comme source pour l'horloge. Comme la plupart des circuits numérique, la topologie utilisée de type "Pierce" avec un inverseur en parallèle a une résistance de feedback, auquel on rajout un quartz et des capa. Après avoir calculé et sourcé mes composants, me voici dans la phase de routage.

Après avoir lu pleins de note d'application, de forum et j'en passe, je me tourne vers la communauté de FS pour discuter de mon layout de l'oscillateur que voici :



Le PCB est un 4 couches :

top : signal
in1 : GND
in2 : VCC
bot : signal

A votre avis dois-je détourer le GND sur la couche top en dessous du quartz ?
Est ce que je dois aussi détourer le GND in1 et VCC in2 dessous l'oscillateur ?
Est-ce que le design du "guard ring" est OK ?

J'ai déjà réalisé plusieurs cartes avec des quartz sans me poser ces questions et l'oscillateur à toujours démarré. La seul contrainte était la proximité avec le MCU.

Meilleures salutations
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[Vincent PETIT]

Salut,
Avec un perturbateur de 8Mhz quasiment sans courant, il n'y aura que très peu de victimes aux alentours mise à part si un signal analogique plutôt haute impédance, passe dessous mais ce n'est pas le cas.

A votre avis dois-je détourer le GND sur la couche top en dessous du quartz ?

Moi je ne le ferai pas car ça fendrait mon plan 0V

Est ce que je dois aussi détourer le GND in1 et VCC in2 dessous l'oscillateur ?

Moi je ne le ferai pas car ça fendrait mon plan 0V

Est-ce que le design du "guard ring" est OK ?

Non, une ligne/anneau de garde du côté signal doit être littéralement mitraillé de via au plan 0V (augmentation du maillage = diminution de l'impédance des vias qui se retrouvent donc tous en parallèles.) Lorsque je fais une ligne de garde masse/chassis (pas 0V!) tout le tour de mon PCB, je trace deux pistes identiques une sur top et l'autre sur bottom sur tout le tour de ma carte et je mitraille de via pour protéger les côtés des perturbations extérieurs. On y pense pas toujours mais sur les flancs du PCB il n'y a pas l'écran que forme le plan 0V pour protéger. Si je n'ai pas de masse de dispo (genre électronique dans un boîtier plastique) alors ma ligne de garde est un 0V.


Dans la photo, on voit une ligne de garde chassie qui n'est pas relié au plan 0V

Mes 4 couches étaient empilés :

- plan 0V (top)
- signal
- signal
- signal (bottom)

J'ai parfois réussi à avoir un plan VCC mais pas très souvent

[Vincent PETIT]

J'oubliais !
La vigilance CEM se trouve aussi (surtout ?) aux connecteurs d'entrées/sorties.

[micka_ch]

Bonjour,

Merci du retour. En fait j'avais lu :

There will be significant high frequency content in the microcontroller return currents and the currents thru the crystal caps. These should be contained locally and NOT allowed to flow accross the main ground plane. If you don't avoid that, you don't have a ground plane anymore but a center-fed patch antenna.
Tie all the ground immediately associated with the micro together on the top layer. This includes the micro's ground pins and the ground side of the crystal caps. Then connect this net to the main ground plane in only one place. This way the high frequency loop currents caused by the micro and the crystal stay on the local net. The only current flowing thru the connection to the main ground plane are the return currents seen by the rest of the circuit.

Sur Electrical Engineering Stack Exchange.

Je pense que le plus simple est de relier les capa directement an plan 0V principal (couche interne), même si cela va à l'encontre du conseil cité ci-dessus ou encore de certaine note d'application des fabricants de MCU. Voici ce que cela donnerais :
Oscillator.jpg

Salutations

[A voir en vidéo sur Futura]

[Vincent PETIT]

A propos de ce que la personne a écrit sur Electrical Engineering Stack Exchange, (si j'ai bien compris le contexte et si j'ai bien traduit) c'est pour moi encore un vestige de la "masse en étoile". L'histoire du plan de masse local isolé par une impédance (car relié en un seul point) du plan de masse global.

Pour se convaincre du problème, on devrait pouvoir imaginer l'expérience suivante (grossière mais révélatrice du problème qu'on peut généraliser à l'électronique sur un PCB) :

Sur une table en bois, on pose à plat deux tôles métalliques de taille différentes et on les places l'une au dessus de l'autre pour simuler les plans de masses (allez, disons à 10cm l'une de l'autre afin de visualiser l'expérience). Seule la plus grande des tôles est reliée à la terre via un câble, ce sera notre plan de masse global. La plus petite des tôles sera notre plan de masse local. On connecte une résistance entre les deux tôles pour simuler notre via, c'est à dire la connexion unique et en un seul point entre le plan de masse local et le plan de masse global.

Maintenant on approche un émetteur avec son antenne (par la droite, gauche, haut bas, de travers...peu importe). Ce qu'on va constater c'est que le champs électromagnétique perturbateur de l'antenne va faire apparaître, par absorption, des petits courants de mode commun sur les deux tôles, le plus gros du champs sera "réfléchit" par le métal. Ces petits courants de mode commun, circulent dans le même sens, ils suivent la loi des noeuds et vont chercher à rejoindre l'émetteur. L'un des courants, celui sur la grande tôle peut retourner à la terre directement via la câble de terre pour repartir d'où il vient. L'autre courant va devoir passer par la résistance entre les tôles pour repartir dans la grande tôle, puis dans la terre jusqu'à l'émetteur. Le problème est qu'une différence de potentiel va apparaître entre les deux tôles à cause du courant qui va passer dans la résistance qui se trouve entres les deux et on perd de l'équipotentialité entre nos plans de masses.... avec tous les problèmes que cela peut causer.

Après si on réduit le spectre de la CEM à la propagation en mode différentiel (du + vers le -) des courants perturbateurs alors je suis d'accord, le plan de masse local est une solution séduisante ! Les courants perturbants suivent la loi des noeuds et si je fais un 0V local pour une maille locale c'est parfait. Sauf que le problème de la CEM c'est surtout le courant de mode commun, qui sont des courants circulant dans le même sens dans la piste signal et dans le plan de masse locale, ils répondent aussi à la loi des noeuds et chercheront à se rejoindre pour retourner à ce qui les a généré.

Je n'ai pas la prétention de dire que des fabricants se plantent mais je suis quasiment sur qu'ils ne tiennent pas compte de toutes les dimensions de la CEM. Ils prennent en compte CEM interne à la carte électronique mais pas la CEM externe et encore moins le pire du pire : le courant mode commun arrivant de l’extérieur. Et celui là, les deux plans de masse vont le ramasser et si il y a une impédance entre les deux, il y aura apparition d'un potentiel très gênant !

[micka_ch]

Ok merci pour la réponse.

Moi aussi en générale j'évite de couper dans le plan 0V et j’essaie de connecter les masses local avec plusieurs via. Je pense que les techniques proposées ne sont que applicable que si l'on à de l'analogique très sensible sur la carte, ce qui n'est pas mon cas ici.

Salutations

[Vincent PETIT]

Je suis d'accord.
Ce genre de technique faible bruit doit fonctionner, je n'ai pas de doute là dessus mais arrive un moment où le produit passe dans un labo CEM (chambre anéchoïque, injection directe de courants de mode commun/différentiel, injection indirecte de courants de mode commun/différentiel par couplage inductif, idem par couplage capacitif, décharge ESD 4/8kV sur les pièces nues apparentes et sur un plan vertical puis sur un plan horizontal) et c'est là qu'arrive le drame !

Je n'ai plus aussi facilement accès qu'avant à mon ancien labo CEM mais j'aurai bien aimé tester ce genre de technique faible bruit, qui doit être redoutablement efficace dans des conditions très favorables (sur une table de bureau d'étude ou autres), dans des conditions sévères de tests. Je suis quasi sur que c'est pire qu'un plan de masse global.

On va attendre d'autres avis quand même.
A+

[C2H5OH]

Bonjour à tous,


Je suis du même avis que Vincent Petit.
Le plan de masse local tel qu'il est montré au premier message constitue un magnifique résonateur quart d'onde, avec un seul point de liaison au plan principal, car il y a une distance de plusieurs cm entre le via et l'extrémité la plus éloignée de cette masse locale. Notamment ça peut poser des pb de CEM en rayonné autour du GHz... Rien ne vaut un seul plan principal exempt de fentes.

Personnellement, je supprime même tous ces ilots de masse qu'on a l'habitude de conserver coté actif, qui ne servent qu'à générer des couplages par résonnance ( sauf exception si on veut isoler l'une de l'autre deux pistes proches, mais il faut alors les mitrailler de vias... )