Le plan de masse d’un circuit imprimés est généralement une grande surface métallique reliée à la masse du circuit. Cette surface métallique peut occuper seulement une petite partie de la carte ou, dans les conceptions multicouches, s’étendre sur toute une couche. Selon les exigences de conception, elle peut même s’étendre sur plusieurs couches.
En termes simples, la mise à la terre consiste à définir un « point zéro de référence » pour un circuit. L’objectif de ce « point zéro » est double : premièrement, fournir un chemin de retour clair pour le courant et, deuxièmement, stabiliser la tension du circuit et supprimer les interférences parasites. D’un point de vue technique, la mise à la terre consiste à établir un point de référence à faible impédance, qui est généralement connecté au nœud commun du système ou directement à une tige de mise à la terre.
Cependant, la mise à la terre des circuits imprimés ne se limite pas à un seul mode ; il en existe plusieurs types, chacun ayant ses fonctions et ses scénarios d’application propres :
Mise à la terre du signal : la mise à la terre du signal fournit une « ligne de référence » stable pour les signaux analogiques ou numériques, empêchant ainsi la dérive du signal. Dans la plupart des cas, la mise à la terre du signal et la mise à la terre de l’alimentation sont combinées, mais dans certains circuits de précision nécessitant une très grande précision, la mise à la terre du signal est effectuée séparément. Les circuits à très haute sensibilité au signal, tels que les amplificateurs audio, utilisent souvent la mise à la terre du signal.
Mise à la terre de l’alimentation : la mise à la terre de l’alimentation a pour fonction de conduire les courants élevés dans le circuit d’alimentation, garantissant ainsi une alimentation électrique stable. En raison du flux de courant élevé, le chemin de mise à la terre de l’alimentation doit être conçu pour être robuste et solide ; sinon, des chutes de tension se produiront lorsque des courants élevés le traverseront. La mise à la terre de l’alimentation est couramment utilisée dans les circuits qui nécessitent une puissance élevée, tels que les modules d’alimentation et les entraînements de moteurs.
Mise à la terre de sécurité : La mise à la terre de sécurité relie le boîtier de l’équipement au système de mise à la terre. En cas de défaut provoquant un courant de fuite, elle détourne rapidement le courant afin d’éviter tout risque d’électrocution. La mise à la terre de sécurité est généralement connectée directement à la terre et respecte strictement les normes de sécurité. Les appareils électroménagers et les équipements industriels doivent tous être équipés d’une mise à la terre de sécurité afin de garantir une utilisation sûre.
Mise à la terre du blindage : La mise à la terre du blindage consiste à mettre à la terre la couche de blindage afin de bloquer les interférences électromagnétiques externes. Pour éviter la formation de boucles d’interférence, la mise à la terre du blindage utilise généralement une méthode de mise à la terre en un seul point. Dans les scénarios où les exigences en matière d’environnement électromagnétique sont élevées, tels que les circuits RF et les câbles blindés, la mise à la terre du blindage joue un rôle essentiel.
Mise à la terre virtuelle : quelle est la fonction d’une mise à la terre virtuelle ? Prenons l’exemple d’un amplificateur opérationnel, qui possède un « point zéro analogique » en interne. Ce « point zéro » n’est pas réellement connecté à la terre, mais son potentiel est le même que celui du point zéro réel. Une mise à la terre virtuelle est obtenue grâce à un contrôle par rétroaction, et aucun courant ne la traverse. Le concept de mise à la terre virtuelle est fréquemment utilisé dans la conception de circuits analogiques et l’analyse des performances des amplificateurs.
Mise à la terre CA : La mise à la terre CA fournit un potentiel de référence stable pour la borne d’entrée de l’alimentation électrique tout en résistant efficacement aux interférences haute fréquence. Elle présente une faible impédance CC et maintient un potentiel stable même dans des environnements haute fréquence. La mise à la terre CA est couramment utilisée dans les circuits impliquant une conversion de puissance CA, tels que les alimentations à découpage et les circuits de transformateurs.
Le plan de masse d’un circuit imprimé a trois fonctions importantes:
Retour de tension : la plupart des composants d’un circuit imprimés sont connectés au réseau d’alimentation, et la tension de retour est renvoyée via le réseau de masse. Sur les cartes à une ou deux couches, le réseau de masse nécessite généralement des pistes plus larges pour le routage. Cependant, en consacrant une couche entière au plan de masse sur une carte multicouche, le processus de connexion de chaque composant au réseau de masse est simplifié.
Retour du signal : les signaux réguliers doivent également être renvoyés, et pour les conceptions à haute vitesse, il est très important de disposer d’un chemin de retour clair sur la masse. Sans un tel chemin de retour clair, ces signaux peuvent causer des interférences importantes avec le reste du circuit imprimé.
Réduction du bruit et des interférences : à mesure que la vitesse des signaux augmente, les états de commutation des circuits numériques deviennent également plus fréquents. Cela génère des impulsions de bruit à travers le circuit de mise à la terre, qui peuvent affecter d’autres parties du circuit. Une couche de mise à la terre avec une plus grande surface conductrice contribue à réduire ces interférences, car elle présente une impédance plus faible que le routage du réseau de mise à la terre via des pistes.
Méthodes de mise à la terre des circuits imprimés
La mise à la terre des circuits imprimés peut être mise en œuvre de différentes manières, notamment la mise à la terre en un seul point, la mise à la terre en plusieurs points, la mise à la terre flottante et la mise à la terre hybride. Chaque méthode de mise à la terre a ses propres scénarios d’application et ses avantages/inconvénients, et les concepteurs doivent choisir la stratégie de mise à la terre appropriée en fonction des exigences spécifiques de l’application et des caractéristiques du circuit.
Mise à la terre en un seul point :
La mise à la terre en un seul point fait référence à un système dans lequel un seul point physique est défini comme point de référence de mise à la terre, et tous les autres points nécessitant une mise à la terre sont directement connectés à ce point. Cette méthode est particulièrement efficace dans les circuits à basse fréquence, car la longueur des conducteurs et les effets parasites ont un impact minimal à basse fréquence. La mise à la terre en un seul point réduit le couplage d’impédance en mode commun et les interférences de boucle de terre à basse fréquence, mais peut introduire de nouveaux problèmes dans les circuits à haute fréquence.
Mise à la terre multipoint :
La mise à la terre multipoint consiste à connecter chaque point de mise à la terre d’un appareil électronique directement au plan de masse le plus proche (tel que la plaque métallique de base de l’appareil). Cette méthode est plus courante dans les circuits à haute fréquence, car les effets de la capacité et de l’inductance parasites deviennent importants à haute fréquence. La mise à la terre multipoint réduit les interférences causées par l’impédance de masse commune et minimise l’impact de la capacité et de l’inductance parasites sur l’intégrité du signal.
Mise à la terre flottante :
La technologie de mise à la terre flottante désigne une mise à la terre de circuit imprimés qui n’est pas directement connectée à la terre via un conducteur. Cette méthode de mise à la terre isole le circuit des propriétés électriques de la terre, offrant une résistance d’isolation élevée entre la terre d’alimentation et la terre de signal, bloquant ainsi efficacement les interférences électromagnétiques. Cependant, la mise à la terre flottante est sensible aux effets de la capacité parasite, qui peuvent provoquer des fluctuations du potentiel de terre et augmenter les interférences induites dans les circuits analogiques.
Mise à la terre mixte :
La mise à la terre mixte est une solution de compromis qui combine les caractéristiques de la mise à la terre à point unique et à points multiples afin de répondre à différentes exigences en matière de fréquence. Dans les circuits sensibles à la large bande, la mise à la terre mixte optimise les performances en présentant des caractéristiques différentes aux basses et hautes fréquences. Par exemple, la séparation de la mise à la terre CC de la mise à la terre RF via un condensateur empêche la formation de boucles de masse tout en maintenant des connexions à faible impédance aux points de signal à haute fréquence.
La mise à la terre des circuits imprimés est un art fondamental mais complexe dans la conception des circuits électroniques. Il ne s’agit pas seulement de fournir une simple référence « à potentiel zéro », mais aussi d’assurer un retour efficace du courant, la stabilité de la tension du système, la suppression du bruit et l’optimisation de la compatibilité électromagnétique.