La conception de circuits électroniques est le processus de planification, de test et de construction de circuits qui effectuent des tâches spécifiques. Il s’agit de définir les exigences, de choisir des pièces fiables, de créer des schémas, de simuler les performances et de tester la conception finale. En suivant des étapes minutieuses, les circuits deviennent sûrs, efficaces et fiables. Cet article fournit des informations détaillées sur chaque étape du processus de conception.
Présentation de la conception des circuits électroniques
La conception de circuits électroniques est le processus de planification et de construction de circuits capables d’effectuer une tâche spécifique. Cela commence par de petites expériences sur une planche à pain ou par le biais de simulations informatiques pour vérifier si l’idée fonctionne. Ensuite, le dessin est dessiné dans un schéma de principe qui montre comment chaque pièce est connectée. La conception est transférée sur une carte de circuit imprimé (PCB), qui peut être produite et assemblée dans un système de travail.
Ce processus combine souvent différents types de signaux. Les circuits analogiques fonctionnent avec des signaux lisses et continus, tandis que les circuits numériques fonctionnent avec des signaux qui basculent entre deux états. Parfois, les deux sont combinés dans la même conception pour rendre le système plus complet.
L’objectif de la conception de circuits électroniques est de créer un produit final qui est non seulement fonctionnel, mais aussi fiable et prêt à l’emploi dans des conditions réelles. Une conception soignée permet de s’assurer que le circuit fonctionnera correctement, restera stable et répondra aux exigences de sécurité.
Exigences relatives aux spécifications techniques
| Catégorie | Exemples de spécifications |
|---|---|
| Électrique | Tension d’entrée : 5–12 V, Consommation de courant : <1 A, Bande passante : 10 MHz |
| Chronométrage | Latence < 50 ns, gigue d’horloge < 2 ps |
| Environnement | Fonctionne de -40 °C à +85 °C, 90 % d’humidité |
| Mécanique | Taille du circuit imprimé : 40 × 40 mm, Poids < 20 g |
| Conformité | Doit être conforme aux normes CE/FCC, EMC Classe B |
| Coût/Production | Coût de la nomenclature <\$5, Rendement de l’assemblage >95 % |
Architecture du système et conception du schéma fonctionnel
Ce schéma fonctionnel illustre la structure de base d’un système électronique en le décomposant en sous-systèmes interconnectés. Le sous-système d’alimentation fournit une énergie stable par le biais de batteries, de convertisseurs DC-DC et de régulateurs, formant la base de tous les autres blocs. Au centre se trouve le sous-système de contrôle, qui abrite un microcontrôleur, un FPGA ou un processeur responsable de la gestion du flux de données et de la prise de décision.
Le sous-système analogique gère les signaux du monde réel à l’aide de capteurs, d’amplificateurs et de filtres, tandis que les E/S numériques permettent la communication avec des périphériques externes via des normes telles que USB, SPI, UART, CAN et Ethernet. Un bloc d’horloge et de synchronisation séparé assure la synchronisation avec les oscillateurs, les PLL et un routage précis pour des performances à faible gigue.
Pour maintenir la fiabilité, l’accent est mis sur les zones d’isolation, qui éloignent les signaux numériques bruyants des circuits analogiques sensibles, réduisant ainsi les interférences et améliorant la stabilité du système.
Composants de base dans la conception de circuits électroniques
Résistances
Ceux-ci sont utilisés pour limiter et contrôler le flux de courant électrique. En ajoutant de la résistance, ils s’assurent que les parties sensibles d’un circuit ne sont pas endommagées par un courant trop important.
Condensateurs
Il agit comme un petit dispositif de stockage d’énergie. Ils retiennent une charge électrique et peuvent la libérer rapidement en cas de besoin. Cela les rend utiles pour stabiliser la tension, filtrer les signaux ou fournir de courtes rafales de puissance.
Transistors
Il sert d’interrupteurs et d’amplificateurs. Ils peuvent activer ou désactiver le courant comme une porte contrôlée ou rendre les signaux faibles plus forts. Les transistors font partie de l’électronique moderne car ils permettent aux circuits de traiter et de contrôler l’information.
Diodes
Guidez la direction du courant. Ils permettent à l’électricité de circuler dans une seule direction, la bloquant dans l’autre sens. Cela protège les circuits des courants inverses qui pourraient causer des dommages.
Recherche et sélection de composants dans la conception de circuits électroniques
Considérations relatives au rendement
Lors du choix des pièces d’un circuit, l’une des premières choses à vérifier est la performance. Cela signifie qu’il faut examiner comment le composant se comportera dans la conception. Les détails requis incluent la quantité de bruit qu’il ajoute, sa stabilité dans le temps, sa consommation d’énergie et sa capacité à gérer les signaux. Ces facteurs décident si le circuit fonctionnera comme il est censé le faire.
Sélection du forfait
L’emballage d’un composant est la façon dont il est construit et dimensionné. Cela affecte l’espace qu’il prend sur la planche, la quantité de chaleur qu’il peut supporter et la facilité de placement lors de l’assemblage. Les petits emballages permettent d’économiser de l’espace, tandis que les plus grands peuvent être plus faciles à travailler et mieux gérer la chaleur. Le choix du bon emballage permet d’équilibrer l’espace, la chaleur et la facilité d’utilisation.
Disponibilité et chaîne d’approvisionnement
Il ne suffit pas qu’une pièce fonctionne bien ; Il doit également être disponible en cas de besoin. Vous devez vérifier si la pièce peut être achetée auprès de plus d’un fournisseur et si elle sera toujours produite à l’avenir. Cela réduit le risque de retards ou de reconceptions si la pièce devient soudainement difficile à trouver.
Conformité et normes
L’électronique doit respecter des règles de sécurité et d’environnement. Les pièces doivent souvent répondre à des normes telles que RoHS, REACH ou UL. Ces approbations garantissent que le composant est sûr à utiliser, qu’il ne nuit pas à l’environnement et qu’il peut être vendu dans différentes régions. La conformité est un élément essentiel de la sélection des composants.
Fiabilité et déclassement
La fiabilité signifie la durée et la qualité de fonctionnement d’un composant dans des conditions normales d’utilisation. Pour faire durer les pièces plus longtemps, vous devez éviter de les pousser à leurs limites maximales. Cette pratique s’appelle le déclassement. En donnant aux pièces une marge de sécurité, les risques de défaillance diminuent et l’ensemble du système devient plus fiable.
Types de simulations de circuits dans la conception de circuits électroniques
| Type de simulation | Objectif de la conception de circuits |
|---|---|
| Biais DC | Confirme que tous les appareils fonctionnent aux points de tension et de courant corrects. Empêche les transistors de saturer ou de se couper involontairement. |
| Balayage AC | Évalue la réponse en fréquence, le gain et la marge de phase. Basique pour les amplificateurs, les filtres et l’analyse de stabilité. |
| Transitoire | Analyse le comportement dans le domaine temporel tel que la commutation, la réponse au démarrage, les temps de montée/descente et le dépassement. |
| Analyse du bruit | Prédit la sensibilité du circuit au bruit électrique et permet d’optimiser les stratégies de filtrage pour les applications à faible bruit. |
| Monte-Carlo | Teste les variations statistiques des tolérances des composants (résistances, condensateurs, transistors), garantissant la robustesse de la conception sur l’ensemble de l’étendue de la fabrication. |
| Thermique | Estimer la dissipation de chaleur et identifier les points chauds potentiels, ce qui est nécessaire pour les circuits d’alimentation et les conceptions compactes. |
Alimentation et intégrité du signal dans la conception des circuits
Pratiques relatives aux réseaux de distribution d’énergie (PDN)
• Mise à la terre en étoile : Utilisez une connexion en étoile pour minimiser les boucles de terre. Cela permet de réduire le bruit et d’assurer un potentiel de référence constant à tous les niveaux.
• Chemins de retour courts : Fournissez toujours des chemins de retour directs et à faible impédance pour le courant. Les boucles longues augmentent l’inductance et injectent du bruit dans les circuits sensibles.
• Condensateurs de découplage : Placez les condensateurs de découplage de petite valeur aussi près que possible des broches d’alimentation des circuits intégrés. Ils agissent comme des réservoirs d’énergie locaux et suppriment les transitoires à haute fréquence.
• Condensateurs en vrac : ajoutez des condensateurs en vrac près des points d’entrée de l’alimentation. Ceux-ci stabilisent l’alimentation lors de changements brusques de charge.
Considérations relatives à l’intégrité du signal (IS)
• Routage d’impédance contrôlée : les pistes à grande vitesse doivent être acheminées avec une impédance définie (généralement 50 Ω asymétrique ou différentielle de 100 Ω). Cela permet d’éviter les réflexions et les erreurs de données.
• Gestion du sol : Gardez les masses analogiques et numériques séparées pour éviter les interférences. Connectez-les en un seul point pour maintenir un plan de référence propre.
• Réduction de la diaphonie : maintenez l’espacement entre les lignes parallèles à grande vitesse ou utilisez des traces de garde au sol. Cela minimise le couplage et préserve la qualité du signal.
• Empilement de couches : dans les PCB multicouches, dédiez des plans continus pour l’alimentation et la terre. Cela réduit l’impédance et aide à contrôler les interférences électromagnétiques.
Disposition des circuits imprimés dans la conception de circuits
Placement des composants
Placez les composants en fonction de la fonction et du flux de signal. Regroupez les pièces connexes et minimisez les longueurs de trace, en particulier pour les circuits analogiques à grande vitesse ou sensibles. Les composants de base tels que les oscillateurs ou les régulateurs doivent être positionnés à proximité des circuits intégrés qu’ils prennent en charge.
Routage du signal
Évitez les courbures de trace à 90° pour réduire les discontinuités d’impédance et les interférences électromagnétiques potentielles. Pour les paires différentielles, telles que USB ou Ethernet, gardez les longueurs de trace correspondantes pour maintenir l’intégrité de la synchronisation. Séparez les signaux analogiques et numériques pour éviter les interférences.
Empilement des couches
Un empilement de couches équilibré et symétrique améliore la fabricabilité, réduit le gauchissement et fournit une impédance constante. Des plans de masse et d’alimentation dédiés réduisent le bruit et stabilisent la tension délivrée.
Considérations relatives à la haute vitesse
Acheminez des signaux à grande vitesse avec une impédance contrôlée, maintenez des plans de référence continus et évitez les stubs ou les vias inutiles. Gardez les chemins de retour courts pour minimiser l’inductance et préserver l’intégrité du signal.
Gestion thermique
Placez des vias thermiques sous les appareils d’alimentation pour diffuser la chaleur dans les plans de cuivre intérieurs ou le côté opposé du PCB. Utilisez des coulées de cuivre et des techniques de diffusion de la chaleur pour les circuits à haute puissance.
Conception schématique et ERC dans le développement de circuits
Étapes de conception schématique
• Feuilles hiérarchiques : décomposez la conception en sections logiques telles que les sous-systèmes d’alimentation, analogiques et numériques. Cela permet de garder les circuits complexes organisés et facilite le débogage ou les mises à jour futures.
• Nommage significatif du réseau : utilisez des noms de réseau descriptifs au lieu d’étiquettes génériques. Une dénomination claire évite toute confusion et accélère le dépannage.
• Attributs de conception : incluez les tensions nominales, les exigences de courant et les informations de tolérance directement dans le schéma. Cela facilite l’examen et garantit que les composants sont sélectionnés avec les bonnes spécifications.
• Synchronisation de l’empreinte : liez les composants à leurs empreintes de circuit imprimé correctes dès le début du processus. La détection des incohérences permet désormais d’éviter les retards et les retouches coûteuses lors de l’implantation des circuits imprimés.
• Nomenclature préliminaire (BOM) : générez une ébauche de nomenclature à partir du schéma. Cela permet d’estimer les coûts, de vérifier la disponibilité des pièces et d’orienter la planification de l’approvisionnement avant de finaliser la conception.
Vérification des règles électriques (ERC) Hygiène
• Détecte les goupilles flottantes qui peuvent provoquer un comportement indéfini.
• Signale les filets raccourcis qui pourraient entraîner une défaillance fonctionnelle.
• Garantit que les connexions d’alimentation et de terre sont cohérentes sur toute la conception.
Test et validation du circuit
• Ajoutez des points de test sur les signaux importants et les rails d’alimentation afin que les mesures puissent être effectuées facilement lors du débogage et des tests de production.
• Fournir des en-têtes de programmation et de débogage tels que JTAG, SWD ou UART pour charger le micrologiciel, vérifier les signaux et communiquer avec le système pendant le développement.
• Utilisez des alimentations à courant limité lors de la première alimentation du circuit imprimé. Cela protège les composants contre les dommages en cas de court-circuit ou d’erreurs de conception.
• Mettez sous tension et validez chaque sous-système séparément avant d’exécuter l’ensemble du système ensemble. Cela facilite l’isolation et la résolution des problèmes.
• Comparez tous les résultats mesurés avec les spécifications de conception d’origine. Vérifiez les limites thermiques, les performances de synchronisation et l’efficacité énergétique pour vous assurer que le circuit fonctionne comme prévu.
• Conservez des notes d’apport détaillées et les résultats des tests. Cette documentation facilite les révisions futures, le dépannage et le transfert aux équipes de production.
En conclusion
La conception de circuits électroniques combine la planification, la simulation et les tests pour créer des systèmes fiables. De la définition des spécifications à l’implantation et à la validation des circuits imprimés, chaque étape garantit que les circuits fonctionnent comme prévu dans des conditions réelles. En appliquant une bonne conception et de bonnes normes, vous pouvez développer des solutions électroniques sûres, efficaces et durables.
Foire aux questions
Question 1. Quels logiciels sont utilisés pour la conception de circuits électroniques ?
Altium Designer, KiCad, Eagle et OrCAD sont courants pour les schémas et l’agencement de circuits imprimés. LTspice, Multisim et PSpice sont souvent utilisés pour les simulations.
Question 2. Comment la mise à la terre affecte-t-elle un circuit ?
Une mise à la terre appropriée réduit le bruit et les interférences. Les plans de masse, la mise à la terre en étoile et la séparation des masses analogiques et numériques améliorent la stabilité.
Question 3. Pourquoi la gestion thermique est-elle nécessaire dans les circuits ?
L’excès de chaleur raccourcit la durée de vie des composants et réduit les performances. Les dissipateurs thermiques, les vias thermiques, les coulées de cuivre et le flux d’air aident à contrôler la température.
Question 4. Quels sont les fichiers nécessaires à la fabrication d’un PCB ?
Des limes Gerber, des limes de perçage, une nomenclature (BOM) et des dessins d’assemblage sont nécessaires pour la fabrication et l’assemblage précis des circuits imprimés.
Question 5. Comment l’intégrité du signal est-elle testée ?
Les oscilloscopes, la réflectométrie dans le domaine temporel (TDR) et les analyseurs de réseau vérifient l’impédance, la diaphonie et la distorsion.
Question 6. Qu’est-ce que la conception pour la fabricabilité (DFM) ?
La DFM consiste à créer des circuits faciles à produire en utilisant des empreintes standard, en respectant les limites des PCB et en simplifiant l’assemblage.