Routage DAC, ADC & µC

[Antoane]

Bonjour,

Je travaille sur une carte intégrant un DAC I2C 12 bits (LTC2655 : http://cds.linear.com/docs/en/datasheet/2655f.pdf) et un µC. Le µC (MSP430G2553, DIL20) compte deux entrées analogiques (ADC interne 10 bits) et des I/O numériques commandant des NMOSFET (éventuellement PWM) via un ersatz de driver constitué d'un 74ACT245. Le µC communique également avec un module série/USB.

Je me demande comment router tout ça, et en particulier ma masse.

J’entends mettre deux plans de masse :
- l’un couvrant ma section analogique : DAC, broches analogiques du µC et leurs circuits de mise en forme ;
- l’autre blindant mes IO numérique : driver, MOSFET et circuiterie liée ;
Mais comment les relier ?
Au niveau de la broche de masse du DAC (c’est le plus sensible au bruit d’alim) ?
Au niveau du GND du µC (c’est lui qui salira le plus l’alim) ?

Nota : le DAC possède une broche pour la tension de référence basse.

Merci d’avance.
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[sandrecarpe]

Salut,
Je t'envoie un fichier qui pourrait te servir (mais ça ne m'étonnerait pas que tu l'ai déjà lu)

[micka_ch]

Bonjour,

Voici un article intéressant : Staying Well Grounded by Hank Zumbahlen

Dans le meilleures des cas on connecter les 2 plan de masse en un seul point (ou zone) et tous les signaux qui passe du plan alogique au plan digital doivent passer par ce point. Une bonne technique est de toujours imaginer le chemin du courant de retour pour tous les signaux et alime. S'il passe sous la piste du courant d'aller c'est Vici.

Pour les DAC un peu plus précis (et chère), ils possèdent généralement cette séparation AGND, DGND et le pinout du DAC est pensé pour facilité le routage et la séparation des plans de masse. EVAL-AD5764R

Salutations

[Vincent PETIT]

Salut,
Pour partager mon expérience (ou ma survie) en CEM.

1 Avoir un chaînage des courants cohérent :
Ou dit autrement il ne faut pas, en regardant ton PCB, que la partie analogique soit en sandwich entre l'alimentation et la partie numérique. A titre d'exemple, si sur un PCB tu as en haut la partie analogique, au milieu la partie numérique et en bas l'alimentation, c'est parfait car les courants de la partie numérique n'iront pas remonter dans la partie analogique pour redescendre vers l'alimentation. Attention car si on a pas ceci en tête avant de démarrer le routage et qu'on se concentre uniquement sur la longueur des pistes, on peut vite se faire avoir et se retrouver avec un mauvais chainage des courants.

2 Bien faire la distinction dans le schéma entre :

- 0V, c'est pour l'équipotentialité entre tous les composants, qu'ils soient numériques ou analogiques.
- Masse(Chassie), c'est pour la CEM (les courants de mode commun)
- Terre, pour la sécurité des personnes. Si il y a une masse elle doit être réglementairement connectée à la terre

Je ne reliais quasiment jamais directement le 0V à la masse, je le faisais via un condensateur. Lorsque tu as des équipements avec des masses métalliques reliées à la terre, tous connectés entres eux sur de grandes longueurs (~1km), tu as de belles surprise surtout lorsque tu t’aperçois que quasiment toutes les valeurs de terres sont différentes, donc des tensions différentes apparaissent lorsque des courants de défauts passent dedans et comme la masse est reliée à la terre et au 0V et bien tu perds de l'équipotentialité.....

3 Les couplages a éviter :

Couplage inductif : Un courant qui varie rapidement dans une piste créait un champs EM comme pour un antenne (mais il sera principalement magnétique a courte distance) et toutes les pistes proches qui forment un boucle vont être perturber. Deux quadripôles simplement connectés ensembles forment une boucle donc c'est vite fait si on y prend pas garde.

Couplage capacitif : Une variation de tension entre deux conducteurs, par exemple entre une piste signal et son 0V, créait un champs EM (mais il sera principalement électrique a courte distance) et toutes les structures identiques (autres pistes signaux et leurs 0V) se trouvant en parallèle seront perturbées, principe du condensateur. Il s'agit du problème du crosstalk ou diaphonie.

Les boucles de masse (on devrait dire boucle 0V) : Un courant circulant naturellement dans une boucle peut faire apparaître des tensions perturbatrices. Il s’agit du couplage entre la composante magnétique d’un champ électromagnétique et une boucle de surface 'S' formée par des conducteurs. Plus la surface est grande et plus la perturbation est grande.

Couplage par impédance commune. Si deux structures se partagent se partagent la même impédance (la même piste) pour le chemin de retour des courants on se retrouve avec un jolie démonstration du théorème de superposition. C'est un piège facile aussi celui là !

Solution : faire un seul et unique plan 0V (sauvagement traduit par plan de masse) pour casser les boucles et réduire le couplage inductif, cela va quasiment annuler les boucles de masse et les couplages par impédance commune. Faire un routage croisé sur les couches du PCB pour éviter le couplage capacitif.

4 Prendre en compte la CEM, les perturbations qui viennent de l'extérieur.
Avoir un plan de masse (un vrai plan chassie) sous les connecteurs d'entrées pour que les courants de mode commun rencontrent tout de suite un chemin favorable pour repartir. Le plus embêtant c'est quand le chemin de retour se trouve à l'autre bout du PCB... le courant de mode commun n'a d'autre choix que de traverser tout le PCB pour repartir, ce qui perturbe tout. Faire une ligne (anneau) de garde sur le tour du PCB, cette ligne de garde n'est pas un 0V c'est une masse (à moins que tu ne relies directement 0V à la masse au quel cas c'est pareil)


5 Ne jamais faire de câblage en étoile !
Cette solution génère des boucles de masse qu'on ne voit pas forcément ou que l'utilisateur va créer de lui même en reliant quelque chose dessus. Le câblage en étoile va se terminer en une boucle (de masse) gigantesques parce que ce qui va être connecté à la fin, ne sera pas en étoile. Il arrivera un moment où les masses vont se retrouver et ça créait une boucle.



Dans ton cas, si c'est moi qui ferait ton PCB.
- 1 seul plan 0V pour tout le monde, parfaitement uniforme aucune fente pour l'équipotentialité de tous (et pour éviter les couplages cités plus haut)
- Un routage en croisé pour le crosstalk
- Des capas entre le 0V est la masse à l'entrée des connecteurs pour le retour des courants de mode commun. Des ferrites juste derrière pour atténuer le résidu des courants que les capa n'aurait pas réussi a dévier dans la masse.
- Découplage des composants numérique au plus proche des GND. Donc une piste courte qui sort du GND et qui arrive à un côté de la capa céramique, ensuite ce même côté de la capa va au plan de masse toujours au plus court (évidemment l'autre côté de l'alimentation va à l'alimentation). Ceci permet "à ce qui salie l'alimentation" d'une part de ne pas se retrouver partout dans le 0V, il est contenu dans la piste jusqu'à rencontrer immédiatement un chemin de retour (la capa).
- Un possibilité : Référencement de l'ADC et DAC + voir même alimentation de la chaîne complète de conditionnement du signal (AOP etc...) avec la Vref du MSP430 pour la stabilité complète de l'analogique. Tout le monde sur Vref comme ça si VCC bouge un peu, c'est pas grave.

[A voir en vidéo sur Futura]

[bobflux]

Je seconde Vincent: les plans de masse "split" c'est le mal, en effet tout le courant qui va vouloir circuler d'un plan à l'autre va devoir passer par le point où AGND et DGND (par exemple) sont connectés ensemble (au lieu de prendre le plus court chemin) ce qui, en gros, focalise tout le courant indésirable juste en dessous de ton DAC ou ADC, vu que c'est là que tu as relié les 2 masses ensemble !

Il faut faire des plans de masse séparés, faire le placement et le routage en conséquence... et ensuite tu enlèves la séparation et tu as un beau plan de masse bien solide.

L'essentiel c'est le placement.

De plus on a les protos 4 couches à 50 boules de nos jours, il ne faut pas hésiter !

Tu peux poster ton placement si tu veux.

[Vincent PETIT]

Il faut faire des plans de masse séparés, faire le placement et le routage en conséquence... et ensuite tu enlèves la séparation et tu as un beau plan de masse bien solide.

Très bonne astuce d'artilleur, ça !

[Antoane]

Bonsoir,

Merci pour vos réponses.

L'ADC et le DAC partagent la référence fournie par le DAC.
Je ne peux séparer masse et GND, mes connecteurs sont des SMA/BNC.

Cette solution génère des boucles de masse qu'on ne voit pas forcément ou que l'utilisateur va créer de lui même en reliant quelque chose dessus. Le câblage en étoile va se terminer en une boucle (de masse) gigantesques parce que ce qui va être connecté à la fin, ne sera pas en étoile. Il arrivera un moment où les masses vont se retrouver et ça créait une boucle.

J'ai confiance en ma capacité de détection
Quand à l'utilisateur, s'il branche mal les choses : il assume. A ma décharge : c'est moi l'utilisateur
Plus sérieusement : nombre d'app. notes suggèrent de séparer les plans analogique et numérique dans le cas d'une carte mixte-signaux, mais si vous vous y mettez à deux...

En PJ un brouillon de routage, avec et sans annotations. J'avais mis toute la logique à droite, exception faite du convertisseur USB/Série (qui fournie également l'alim), et l'analogique à gauche.
Merci.

[Poseidon88]

Bonsoir,

Perso, je ferais des pistes bien plus fines et groupées par types de signaux. En général pour tout ce qui est signal 3.3V /5V je fais du 0.2 mm avec un clearance de 0.3 mm.
J'évite les angles droits également.
Si tu routes avec Eagle, revois également les empreintes, ils ont la mauvaise habitude de faire des perçages hyper larges, et des pastilles toutes fines. J'ai redéssiné toutes mes empreintes pour avoir quelque chose d'homogène : même police (font, size, ratio...) même largeur de trait de contour en Tplace (0.127) et je revois tous les perçages / taille de pastilles.

Au passage, discussion très intéressante Bon courage

[Antoane]

Bonsoir,

Merci pour tes propositions.
Ce routage est un brouillon, ne considérer que l'emplacement des composants principaux. C'est ce pourquoi il est là, bien que peu lisible en détail.

[bobflux]

4 couches avec plan de masse? Ou 2 couches?

Perso je mettrais tous les trucs bruyants d'un côté, donc le USB-série en haut à droite à la place des SMA, avec les MOSFETs là où ils sont.

Ici on a un risque que le courant envoyé dans la masse par les FET pollue la masse des SMA et donc créé des boucles gênantes avec ce qui sera à l'autre bout.

Je suppose que les 2 bornes en bas sont pour l'alim des moteurs, il faudrait une capa alu dessus, et si c'est relié à une alim de labo isolée, éviter que le courant "puissance" passe dans le plan de masse.

Puisque les SMA en haut à gauche ont l'air d'être des sorties numériques, je les mettrais en vertical entre le µC et le 74ACT245, que tu peux d'ailleurs mettre en CMS pour gagner de la place. En plus, comme les SMA sont reliées aux entrées du 245, si elles sont sur le trajet ça simplifie le routage.

Pousser le µC à gauche (vu que le USB-série n'est plus là).

Quelques ferrites dans les alims... surtout le 245 pour éviter qu'il pollue le reste...

[invite5637435c]

Bonsoir Antoane,

tu peux déjà trouver pas mal d'infos fiables que j'avais posté ici à l'époque:
http://forums.futura-sciences.com/el...ctronique.html

Voir les posts à partir de #20

Je te poste également les documents qui m'ont servi de référence et qui ont faits leurs preuves pour des signaux mixtes:
Board-Layout_mixed_formation.pdf
design_PCB_rules_for_mixed_signal_slyt499.pdf
routing_rules_part1.pdf
routing_rules_part2.pdf

@+

[Antoane]

Bonsoir,

Merci pour vos réponses et pour la biblio.

@Bob :
Je me contenterai de deux couches, éventuellement 2.5 couches en comptant quelques straps.
Les 4 SMA de gauche sont les sorties DAC, les deux BNC les entrés ADC. Les 8 SMA de droite sont des I/O logiques.
Oui/ok pour l'alim de puissance et son filtrage, ça aurait du être évident.
J'avais cherché à mettre le module USB pas trop loin du µC (et de ses broches TX et RX) pour limiter la longueur du bus.
J'ai prévu une ferrite sur l'alim du DAC, mieux vaut la mettre sur le circuit perturbateur - ok. J'hésite toujours à trop en mettre de peur de rajouter des résonances...
> Ici on a un risque que le courant envoyé dans la masse par les FET pollue la masse des SMA et donc créé des boucles gênantes avec ce qui sera à l'autre bout.
Tu vois un chemin clair pour le courant (j'ai justement essayé de le mettre dans le coin en bas à gauche, loin de tout ce qui est sensible, avec une alim séparée) ou c'est du Murphy : ça peut poser problème donc ca va poser problème, même si on ne sais pas trop comment a priori ?
> éviter que le courant "puissance" passe dans le plan de masse.
donc une masse en étoile locale, au niveau de la broche GND du 245, le plan de masse ne servant plus que de blindage ?

@Hulk :
Merci pour les doc, je (re)lirai ça demain.

[Vincent PETIT]

Moi j'ai du mal à y voir clair avec le PCB.

Tu ne fais pas de plan 0V au final ? Tu peux fournir le schéma avec ?

[bobflux]

> @Bob : Je me contenterai de deux couches, éventuellement 2.5 couches en comptant quelques straps.

Râââ, sérieux quand tu as le 4 couches pour moins de 40 euros, si tu y passes 8 heures de plus pour le faire en 2 couches, t'es payé moins cher qu'un smicard nord-coréen au goulag !

> J'hésite toujours à trop en mettre de peur de rajouter des résonances...

Une ferrite va résonner si la capa au bout est une céramique genre 1-10µF. Pour mes cartes perso, j'ai mis au point un certain nombre de recettes en utilisant les modèles spice des ferrites murata, qui sont dispo en ligne. Si je mets une capa alu à 5-10c genre FC/FR de plus de 47µF il n'y aura pas de résonance. Donc je ne prends pas vraiment le temps d'y réfléchir... je mets la capa, c'est 5-10c... pas envie de me prendre le chou.

> Tu vois un chemin clair pour le courant

Je ne sais pas à quoi seront connectés les coax SMA, je ne sais pas non plus si la masse du moteur est reliée hors du PCB à une armature métallique ou autre.

[Antoane]

Bonjour,

On est tous d'accord pour dire que je ne suis pas assez payé, même si je ne connais pas le taux de change euro/won nord-coréen

Ok pour le reste, merci.

@Vincent :
> Tu ne fais pas de plan 0V au final ? Tu peux fournir le schéma avec ?
Sisi, ils sont cachés sur les PJ du message 7 pour que le reste soit plus visible.

Je reviendrai vers vous avec un nouveau routage.

Bonne journée.

[Vincent PETIT]

Ok, Antoane vu ! Ceux sont les pointillés.

Je suis d'accord avec les suggestions d'amélioration de bobflux même si je trouvais ton placement cohérent.

Plus sérieusement : nombre d'app. notes suggèrent de séparer les plans analogique et numérique dans le cas d'une carte mixte-signaux, mais si vous vous y mettez à deux...

Excellente remarque !
Je la retrouve beaucoup dans les applications notes de chez Texas Instruments une fois que ça cause d'ADC.

Voici une doc de chez Maxim https://pdfserv.maximintegrated.com/en/an/TUT5450.pdf et je vais me permettre de traduire un petite partie de la conclusion en bas de la page car elle met tout le monde d'accord.

Conclusion - Pay Attention to Where the Current Flows
Many problems with mixed-signal PCB design can be avoided by following this simple advice: pay attention to where the current flows. For most cases all we have to do is remember two basic principles: DC and low frequencies flow mostly in the straight-line path of least resistance between source and load; and highfrequency
signals follow the path of least impedance, which is directly under the signal trace. In-between frequencies flow by both paths and in between the two paths.

The idea of using cuts to prevent interaction between different circuits is most often unnecessary, as long as we wisely place components and route traces to prevent this from happening. Sometimes a ground plane cut is needed because we are not always free to choose where components are placed. Again, place the cut
wisely, considering all the current flows. We also must remember that no signal should ever cross a cut on any layer.

Keep track of where those pesky electrons want to flow and you will make your job a lot easier. Finally, remember that, "while you can always trust your mother, you should never trust your 'ground.'

L'idée d'utiliser une séparation (des plans de masse) pour éviter les perturbations entres les différents circuits est le plus souvent inutile tant que le placement des composants, et le routage, est judicieusement choisies [...]

Bon c'est vulgairement traduit mais en gros c'est ça d'où nos remarques, bobflux dit que le plus important c'est le placement et moi j'ai utilisé le terme de chaînage cohérent des courants.

Après, je n'ai jamais rencontré le cas de figure où le choix de l'emplacement ou une partie de l'emplacement des composants m'était imposé.

La CEM n'est pas très compliqué a visualiser/appréhender puisque ce n'est que la loi des noeuds par contre pour la calculer/dimensionner bon courage car c'est très très complexes et c'est pour ça que moi aussi j'ai des recettes après avoir fait des tests CEM pendant 6 ans.

Il faut juste se dire que tous les courants perturbateurs vont retourner à la source qui les a générée (qu'ils soient de mode différentiel ou de mode commun). Le but étant de les aider en leurs donnant accès à un chemin que je qualifierai de "sous contrôle", le plus court et le plus facile possible.

Pour les courants de mode commun lorsque tu n'as pas de masse physique, le couplage carte à chassie est sacrément traître !

[Antoane]

Bonjour,

Bon c'est vulgairement traduit mais en gros c'est ça d'où nos remarques, bobflux dit que le plus important c'est le placement et moi j'ai utilisé le terme de chaînage cohérent des courants.

Merci, ça évite de sortie Google trad

Après, je n'ai jamais rencontré le cas de figure où le choix de l'emplacement ou une partie de l'emplacement des composants m'était imposé.

Par exemple pour un problème de connecteurs, d'encombrement. Je suis tombé sur une référence (peut-être d'ailleurs citée ici) qui donnait l'exemple d'une carte avec d'un côté le connecteur du cordon secteur et de l'autre une sortie de puissance. Sachant qu'il fallait mettre entre les deux une instrumentation analogique, couper le plan de masse permettait d'éviter que le courant de puissance (DC) perturbe l'instrumentation.

En PJ une nouvelle version de routage à ne considérer, encore une fois que pour le placement des composants (plans de masse inclus) :
- version complète ;
- version annotée (AN = analogique, Dg = numérique) ;
- version sans plan de masse pour plus de lisibilité.
Resterait un peu de filtrage et quelques alims à router. Et à comprimer l'ensemble dans la longueur, j'aimerais que ça passe dans du 10 cm par 16.

Autre chose : est-ce que je peux filtrer l'entrée de mes ADC avec des céramique X7R ? J'ai mis du plastique (pas piezzo), mais c'est pas pratique. Si c'est acceptable, à partir de combien de bits vous évitez ?

Je pense, ou en tous cas j'espère, avoir suivi vos recommandations.

Merci.

[bobflux]

Ça me semble bien mieux.

En déplaçant quelques vias, tu peux diminuer la taille des coupes dans le plan de masse causées par les pistes, voir dessin dégueu:

[invite5637435c]

Bonsoir,

évite les angles droits et les arrondis, préfère les angles à 45°.
A partir de 14 bits ça devient plus délicat coté capa, tu peux y aller avec des X7R.
Par contre je ne vois pas beaucoup de vias sur tes capas de découplage au gnd.
Il te faudra prévoir des anneaux de garde si tu as des entrées à hautes impédances.
Sans schéma pas facile de s'y retrouver en fait, à moins de se plonger complètement dedans.

[Antoane]

Bonsoir,

Merci pour vos retours.

> En déplaçant quelques vias, tu peux diminuer la taille des coupes dans le plan de masse causées par les pistes, voir dessin dégueu:
A vrai dire, j'avais prévu de mettre des straps, de manière à ne pas couper du tout le plan de masse.

> évite les angles droits et les arrondis, préfère les angles à 45°.
Ok, ce fichier n'est qu'un brouillon pour étude du positionnement des composants. C'est encore moche.
Le problème des arrondis, c'est pour la fabrication ?

> A partir de 14 bits ça devient plus délicat coté capa, tu peux y aller avec des X7R.
Je sais pas si j'étais clair : je parle du filtre d'entrée de l'ADC, pas de la capa de découplage (je découple toujours avec du X7R).

> Par contre je ne vois pas beaucoup de vias sur tes capas de découplage au gnd.
> Il te faudra prévoir des anneaux de garde si tu as des entrées à hautes impédances.
ok.

> Sans schéma pas facile de s'y retrouver en fait, à moins de se plonger complètement dedans.
C'est plus pour le principe et pour le côté formateur qu'autre chose ; faut pas que vous y passiez trop de temps... A vrai dire, vu ce que je vais demander à ma carte, un routage à l'auto-routeur aurait sans-doute suffit
Le schéma est en PJ.

Merci encore pour vos conseils.

[bobflux]

A vrai dire, j'avais prévu de mettre des straps, de manière à ne pas couper du tout le plan de masse.

Non, pas la peine de faire de l'intégrisme, l'important pour le plan de masse c'est qu'il soit relativement continu, si tu mets quelques petites traces de 1cm dedans ce n'est pas important, le problème c'est les longues traces qui coupent le plan de masse en plusieurs zones, comme un puzzle.

[Antoane]

ok, merci

[Vincent PETIT]

Pour moi c'est bon !

[Antoane]

Excellent, merci (une semaine plus tard )