« Faut-il rassembler la masse en un seul point, ou en faire un plan plein (plan de masse) ? »
C’est une question fréquente en conception de masse. En cherchant, on trouve des articles disant « la masse en un point est la bonne solution » et d’autres disant « utilisez un plan de masse », et l’on ne sait plus laquelle est la bonne réponse.
La réponse en bref : les deux sont correctes, mais il faut les employer différemment selon la fréquence. Dans cet article, nous ordonnons le principe de chacune et leurs conditions d’application.
- Pourquoi, d’abord, la façon de tracer la masse pose-t-elle problème ?
- Masse en un point — L’idée d’annuler l’impédance commune
- Plan de masse (masse pleine) — L’idée d’abaisser l’impédance à fond
- Comparaison sous uSimmics — Masse en un point vs. plan de masse
- L’approche change avec la fréquence — En résumé
- Résumé
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Pourquoi, d’abord, la façon de tracer la masse pose-t-elle problème ?
Le cœur des problèmes de câblage de masse est l’impédance commune que nous avons aussi évoquée dans un article précédent.
Lorsque plusieurs circuits partagent la même piste de masse, une variation de courant dans un circuit crée une tension aux bornes de cette impédance commune et décale aussi le potentiel de masse d’un autre circuit. C’est l’« interférence de bruit par la masse ».
La manière de traiter cette impédance commune est la différence fondamentale entre la masse en un point et le plan de masse.
Masse en un point — L’idée d’annuler l’impédance commune
L’idée de la masse en un point est simple : tracer séparément la masse de chaque circuit et les réunir en un seul endroit. Ainsi les circuits ne partagent pas le câblage de masse, et aucune impédance commune n’apparaît.
L’effet est aussi démontré expérimentalement. En comparant une carte à laquelle on donne volontairement une impédance commune sur le câblage de masse avec une carte câblée en masse en un point, cette dernière présente bien moins de bruit sur la masse.
La faiblesse de la masse en un point — Elle ne fonctionne pas à haute fréquence
Cependant, la masse en un point a une limite fondamentale.
En traçant les lignes de masse séparément et longues, une capacité parasite (capacité de fuite) apparaît entre les pistes. À haute fréquence, elles se retrouvent électriquement connectées par cette capacité parasite, si bien que les lignes de masse que l’on a pris soin de tracer séparément se retrouvent « connectées là où on ne le voit pas ». Autrement dit, à haute fréquence la masse en un point cesse de fonctionner et, au contraire, ces longues lignes de masse deviennent des antennes qui captent le bruit.
La masse en un point est efficace dans la plage du continu aux basses fréquences (grosso modo en dessous de quelques dizaines de kHz). Elle reste la méthode standard dans les circuits audio et les circuits analogiques basse fréquence, mais elle ne convient pas aux circuits numériques ni haute fréquence.
Plan de masse (masse pleine) — L’idée d’abaisser l’impédance à fond
L’idée du plan de masse est l’inverse de celle de la masse en un point. Plutôt que d’« annuler » l’impédance commune, il vise à « la rendre la plus petite possible ».
En recouvrant toute une face de la carte de cuivre de masse (un plan plein), l’impédance se répartit sur toute la surface : d’où que vienne le courant, il est reçu avec une impédance très faible. L’impédance commune ne devient pas nulle, mais elle devient assez petite pour ne causer aucun dommage réel.
Le plan de masse fonctionne aussi à haute fréquence
Contrairement à la masse en un point, le plan de masse est efficace aussi à haute fréquence. Une feuille de cuivre plane est peu affectée par la capacité parasite et conserve une faible impédance même quand la fréquence augmente. En outre, effet secondaire, il blinde les couches de routage de signal.
Sur une carte 2 couches, il est classique de dédier une face au plan de masse. Sur les cartes multicouches de 4 couches ou plus, la configuration standard attribue le plan d’alimentation (V plein) et le plan de masse à leurs propres couches dédiées.
Comparaison sous uSimmics — Masse en un point vs. plan de masse
Comparaison à basse fréquence
Comparaison à haute fréquence
L’approche change avec la fréquence — En résumé
| Masse en un point | Plan de masse (masse pleine) | |
|---|---|---|
| Principe | Éliminer l’impédance commune | Minimiser l’impédance commune |
| Fréquence efficace | Continu à basse fréquence (sous quelques dizaines de kHz) | Basse à haute fréquence (largement efficace) |
| Circuits adaptés | Audio, analogique basse fréquence | Numérique, analogique haute fréquence, cartes mixtes |
| Faiblesse | Annulée par la capacité parasite à haute fréquence | L’impédance commune n’atteint jamais zéro |
Sur les cartes numériques modernes, où les fréquences d’horloge atteignent des dizaines à des centaines de MHz, le plan de masse est le standard de fait. En revanche, pour les circuits analogiques basse fréquence comme les amplificateurs audio et d’instrumentation, la masse en un point reste une option valable.
Que faire des cartes mixtes analogique + numérique ?
Sur les cartes où coexistent circuits analogiques et numériques, une méthode courante consiste à séparer la masse en une zone analogique et une zone numérique et à les relier en un seul endroit. C’est un « plan de masse divisé + connexion en un point », un compromis entre les deux. Choisissez le point de connexion là où le passage de bruit est minimal, comme juste sous le convertisseur A/N.
Résumé
- La masse en un point est une technique qui élimine l’impédance commune et est efficace pour les circuits analogiques basse fréquence.
- À haute fréquence, son effet est perdu à cause de la capacité parasite, elle ne convient donc pas aux circuits numériques.
- Le plan de masse minimise l’impédance sur toute la surface et est largement efficace jusqu’à haute fréquence.
- Sur les cartes numériques modernes, le plan de masse est le standard. Pour l’analogique basse fréquence, la masse en un point est aussi une option.
- Pour les cartes mixtes, le compromis « plan divisé + connexion en un point » est réaliste.
Il n’y a pas de « bonne réponse absolue » en conception de masse. L’important est de vérifier la fréquence de fonctionnement de votre circuit et de choisir la technique appropriée.
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