Introduction

Les plans de masse servent à plein de choses : réduire le crosstalk, contrôler l'impédance d'une piste, ... Mais pour ça, il faut qu'ils soient bien faits. Une des règles de base est qu'ils doivent être "pleins", c'est-à-dire qu'il n'y ait pas de trous dedans. Pourquoi ?

Rappels

Spectre d'un signal numérique

Un signal numérique, même de faible fréquence, peut comporter des composantes hautes-fréquence. Plus ses fronts seront raides, plus il y aura de hautes fréquences. Plus précisément, la bande passante d'un signal ne dépend pas de sa fréquence, mais seulement de la raideur des fronts. Si Tf est le temps de montée des fronts, la bande passante vaut environ $BP=\frac{0.5}{Tf}$.

Le spectre de tout signal numérique contient donc des composantes basse-fréquence et des composantes hautes-fréquence. Avec un temps de montée de 5ns, les composantes haute-fréquence vont jusqu'à environ 100MHz. Ce sont ces hautes-fréquences qu'il faut gérer correctement sinon elles causent des problèmes...

Écoulement des courants

Une règle de base à retenir est que tous les courant s'écoulent en boucle. Le chemin physique suivi par cette boucle est celui qui minimise l'impédance totale de la boucle.

Courants sur un circuit imprimé

Où se trouve le chemin de retour ?

Prenons un signal sur un circuit imprimé, qui sort d'une porte A et va jusqu'à une porte B. Le courant dû à ce signal circule sur une piste du circuit imprimé, allant de la première première porte à la deuxième. Mais que se passe-t-il après ? Le courant s'écoule en boucle. Arrivé à la seconde porte B, il doit trouver un moyen de revenir à la première. Le retour se fait par le chemin qui va minimiser l'impédance totale de la boucle, autrement dit par l'alimentation (la masse), car elle est justement faite pour présenter une impédance très faible. Pour le courant de notre signal, on aura donc comme chemin total :
  • Porte A vers porte B, par une piste du circuit imprimé
  • intérieur du circuit intégré B vers une des broches de masse de B
  • retour vers la porte A par la masse (un plan s'il y en a un)
Imaginons qu'on a un plan de masse sur tout le circuit imprimé. Tous les signaux disposent donc d'un chemin de retour, passant dans ce plan de masse. Regardons plus précisément la tête de ces chemins.

Impédance du chemin de retour

Les courants suivent la boucle d'impédance minimale. L'impédance du cuivre a deux composantes principales : la résistance et l'inductance, et vaut $Z=R + jL\omega$. Elle dépend donc de la fréquence.

Basse fréquence

À basse fréquence, $\omega \approx 0$, donc $Z \approx R$. Le chemin de retour va donc suivre la boucle de résistance minimale, et s'écouler en suivant le chemin le plus court à vol d'oiseau, comme c'est indiqué dans la figure ci-dessous.

chemin bf.png
Chemin de retour à basse fréquence

Haute fréquence

À haute fréquence, $\omega$ est grand. Donc $Z \approx jL\omega$. Le chemin de retour va donc suivre la boucle de d'inductance minimale. L'inductance minimale d'une boucle est obtenue en minimisant sa surface. Le chemin de retour en haute fréquence va donc se trouver dans le plan, mais juste en dessous de la piste. Il va en quelque sorte coller au trajet de la piste.

chemin hf.png
Chemin de retour à haute fréquence

Signal numérique

Pour un signal numérique normal, le chemin de retour dans le plan de masse sera un mélange des deux :
  • Les composantes basse-fréquence vont suivre le trajet le plus court à vol d'oiseau
  • Les composantes haute-fréquence vont suivre le tracé de la piste

Influence des trous

Que se passe-t-il s'il y a un trou dans le plan de masse ? C'est simple, le courant dans le plan de masse sera dévié. Il va devoir

contourner le trou

.
  • Pour les basses fréquences, ce n'est généralement pas très grave, car la résistance du cuivre est faible et que les basses fréquences ne posent pas vraiment de problème.
  • Pour les hautes fréquences, c'est embêtant : la déviation va forcer la boucle à avoir une surface plus grande que prévue, comme illustré dans la figure ci-dessous. Qui dit surface plus grande dit aussi inductance plus grande. Et là, les problèmes commencent...
pcb avec slots.png slots.png
Un PCB avec 3 pistes, et un plan de masse comportant des trous (l'un est voulu, l'autre est une conséquence d'une clearance trop grande au niveau du connecteur de gauche). les chemins HF suivis par les signaux des deux pistes du haut.

Effets de l'augmentation de l'inductance

L'inductance supplémentaire sur le chemin du signal va causer quatre problèmes majeurs :
  • ralentissement des fronts : les fronts seront érodés, ramollis, à cause de cette inductance supplémentaire. D'un point de vue pratique, ça peut empêcher le circuit de fonctionner à la fréquence prévue
  • créations d'oscillations : si la piste est courte et pilote une charge capacitive (par exemple une porte CMOS), on se retrouve avec un circuit LC qui peut se mettre à osciller
  • crosstalk : si le trou crée une déviation sur deux chemins de retour, comme dans l'image ci-dessus, les deux boucles vont être magnétiquement couplées. Une transition sur un des deux signaux va se retrouver en partie sur l'autre. La quantité exacte qui sera injectée dépend de plein de paramètres, mais elle est :
    • inversement proportionelle au temps de montée des fronts si les lignes sont longues
    • inversement proportionelle au carré du temps de montée des fronts si les lignes sont courtes et aboutissent à des portes capacitives (CMOS)
  • l'impédance catactéristique de la piste n'est plus connue. Pour éviter les réflexions, on adapte l'impédance d'un driver ou d'une charge à celle de la piste entre les deux. Pour cela, on a besoin de connaître précisément l'impédance de la piste. On sait la calculer si le plan de masse n'a pas de trous, mais s'il y a un trou on ne sait plus. Autrement dit, on ne peut plus adapter les impédances, et on aura des réflexions (oscillations, distorsion, ...).

Moralité

S'il n'y a pas de plan de masse, la situation est encore pire ! Les chemins de retour sont loins de la piste - généralement on ne sait même pas où ils sont - donc on a des inductances parasites en pagaille partout, du crosstalk (couplage), des réflexions, etc... Bref :
  • Si on a des fronts raides, il faut un plan de masse
  • Et, quelles que soient les circonstances, le plan doit être un vrai plan, sans trous !
Images reproduites avec l' autorisation de leur auteur...