Conception et dépannage électroniques : schémas, simulation, circuits imprimés, soudure et mesures à l'oscilloscope
Entre l'idée d'un circuit et l'appareil qui fonctionne, il y a un métier. On dessine le schéma. On le simule pour vérifier qu'il marche et qu'il marchera encore avec des composants imparfaits. On trace le circuit imprimé, on soude les composants. Puis on mesure, et souvent on cherche pourquoi ça ne marche pas du premier coup. Cinq planches pour pratiquer ces gestes avec des outils simulés : analyse nodale, calcul des pistes, thermique de la soudure, sonde et bande passante de l'oscilloscope, et méthode de dépannage.
Le cycle de développement d'une carte électronique suit toujours les mêmes étapes. Le schéma décrit les composants et leurs liaisons : c'est le plan logique. La simulation (SPICE et ses descendants) résout les lois de Kirchhoff pour prédire tensions et courants, y compris quand les composants s'écartent de leur valeur nominale. Le routage transforme le schéma en circuit imprimé : des pistes de cuivre dont il faut choisir la largeur et le tracé. La soudure assure le contact électrique et mécanique ; elle demande d'amener chaque joint au-delà de la fusion de l'alliage. Enfin, la mise au point et le dépannage se font au multimètre et à l'oscilloscope, en comparant méthodiquement ce qu'on mesure à ce que le schéma prévoit.
| Étape | Outil | Ce qu'on vérifie | Erreur typique |
|---|---|---|---|
| Schéma | logiciel de saisie (KiCad, Altium…) | connexions, valeurs, alimentations | broche non reliée, polarité inversée |
| Simulation | SPICE | points de fonctionnement, réponse, tolérances | circuit qui ne marche qu'avec des valeurs exactes |
| Circuit imprimé | routage, règles de conception | largeur des pistes, isolements, plan de masse | piste trop fine qui chauffe, boucle de masse |
| Soudure | fer régulé, four de refusion | mouillage, forme du joint | soudure sèche, pont entre broches |
| Mesure | multimètre, oscilloscope | tensions, formes d'onde, temps | sonde mal compensée, bande passante insuffisante |
Simuler le schéma : l'analyse nodale et la méthode de Monte-Carlo
Un simulateur de circuits n'a rien de magique. Il écrit la loi des nœuds de Kirchhoff en chaque point du circuit : la somme des courants qui arrivent est nulle. Il obtient un système linéaire G·V = I, où G est la matrice des conductances, et le résout. Pour un réseau simple, on peut vérifier à la main, par exemple avec le théorème de Thévenin. Mais l'intérêt du simulateur est ailleurs : il peut refaire le calcul des milliers de fois avec des résistances tirées au hasard dans leur tolérance. C'est la méthode de Monte-Carlo, qui dit si le circuit réel restera dans les spécifications. L'analyse de sensibilité prévoit l'écart-type obtenu, et le pire cas combine toutes les tolérances dans le mauvais sens.
Tracer les pistes : résistance, coudes et échauffement
Une piste de circuit imprimé est un ruban de cuivre de 35 µm d'épaisseur. Sa résistance se compte en carrés : un carré de cuivre, quelle que soit sa taille, oppose la même résistance d'un bord à l'autre, ρ/e ≈ 0,49 mΩ. Une piste de longueur L et de largeur l compte L/l carrés. Dans un coude, le courant prend le chemin le plus court et se concentre dans l'angle intérieur : un coin à 90° ne compte que 0,56 carré. Un rétrécissement crée un goulot où la densité de courant explose. Pour l'échauffement, les concepteurs utilisent une loi empirique tirée de mesures, celle de la norme IPC-2221. Le simulateur résout ici l'équation de Laplace sur la forme de la piste pour trouver la répartition du courant.
Souder : amener le joint au-delà de la fusion
Une bonne soudure demande que la pastille et la patte du composant atteignent toutes deux la température de fusion de l'alliage. Sinon, la soudure ne mouille pas le métal : elle forme une boule terne posée dessus, la soudure sèche, qui conduit mal et finit par casser. Le fer apporte la chaleur par sa pointe, mais le circuit l'évacue, surtout si la pastille est reliée à un plan de masse en cuivre. Pour limiter cette fuite, on relie la pastille au plan par quelques rayons fins, les freins thermiques. La pointe a une réserve de chaleur limitée et un élément chauffant de puissance limitée : sur un gros plan de masse, elle se refroidit. Depuis 2006, la soudure sans plomb (SAC305, qui fond à 217 °C) a remplacé l'étain-plomb (183 °C), et elle demande plus de chaleur.
Mesurer à l'oscilloscope : la sonde et la bande passante
Une sonde ×10 contient une résistance de 9 MΩ qui forme, avec l'entrée de 1 MΩ de l'oscilloscope, un diviseur par 10. Mais le câble et l'entrée ont aussi une capacité, ici 110 pF, qui forme un second diviseur, capacitif, pour les fronts rapides. Les deux ne divisent par 10 que si R1·C1 = R2·C2. On règle C1 avec une petite vis, en regardant le signal carré de 1 kHz fourni par l'oscilloscope : c'est la compensation. Mal compensée, la sonde arrondit ou pique les fronts. Ensuite, l'oscilloscope a une bande passante limitée : il ajoute son propre temps de montée, environ 0,35/BP, à celui du signal. Pour mesurer un front sans le déformer, il faut une bande passante 3 à 5 fois plus grande que 0,35/tm.
Dépanner : déclencher, raisonner, découpler
Trois situations de banc de mesure. Un signal qui « tremble » à l'écran, est-ce l'oscilloscope ou le circuit ? Une carte qui ne marche pas : quelle mesure faire d'abord, et que conclure ? Un microcontrôleur qui redémarre au hasard : et si c'était son alimentation, qui s'effondre à chaque appel de courant ?
L'oscilloscope superpose des acquisitions successives en les alignant sur l'instant où le signal franchit le niveau de déclenchement. Si le signal est bruité, cet instant varie d'une acquisition à l'autre : c'est la gigue de déclenchement, qui rend la trace floue. Un bruit de σ volts décale l'instant de franchissement d'environ σ divisé par la pente du signal à cet endroit. Il faut donc déclencher là où le signal est le plus raide. Pour une sinusoïde, c'est au passage par zéro, pas près des crêtes.
Une carte en panne, un schéma, un voltmètre. Une résistance est défectueuse : coupée, en court-circuit ou de valeur doublée. Mesurez les tensions des nœuds en cliquant sur les points du schéma (ou avec le menu), comparez-les à celles que prévoit le schéma, puis proposez un diagnostic. La bonne méthode : partir de l'alimentation, couper le circuit en deux par une mesure au milieu, et suivre la moitié où les valeurs divergent. Chaque mesure est calculée exactement par l'analyse nodale du circuit défectueux.
Un circuit numérique appelle des pointes de courant à chaque front d'horloge. L'alimentation arrive par des pistes qui ont une petite inductance, de l'ordre de 10 nH par centimètre de boucle. Elle s'oppose à la montée du courant : sans réserve locale, la tension de la puce s'effondre, de L·di/dt. Le condensateur de découplage, placé tout près de la puce, fournit ce courant le temps que l'alimentation suive. Avec l'inductance de la piste, il forme un circuit résonant : la tension descend d'environ I·√(L/C), puis oscille. Les fabricants recommandent 100 nF par broche d'alimentation, plus un condensateur plus gros à proximité.
Repères historiques
- 1845Gustav Kirchhoff énonce les lois des nœuds et des mailles, sur lesquelles reposent tous les simulateurs.
- 1897Ferdinand Braun construit le tube cathodique, à l'origine de l'oscilloscope.
- 1936Paul Eisler dépose le brevet du circuit imprimé par gravure d'une feuille de cuivre.
- 1947Tektronix commercialise le 511, oscilloscope à balayage déclenché : une trace stable, enfin.
- 1973Laurence Nagel présente SPICE à l'université de Californie à Berkeley.
- années 1980Les composants montés en surface remplacent peu à peu les composants traversants.
- 2006La directive européenne RoHS impose la soudure sans plomb dans la plupart des appareils.
Ce qu'il faut retenir
Concevoir
Un simulateur résout les lois de Kirchhoff, comme on le ferait à la main, mais il sait aussi tirer des milliers de circuits imparfaits : on voit d'avance la dispersion réelle et la résistance qui la cause. Une piste se dimensionne en carrés et en degrés d'échauffement ; les coudes et les goulots concentrent le courant.Fabriquer
Une soudure réussie exige que le joint dépasse la fusion de l'alliage. Les plans de masse aspirent la chaleur : freins thermiques, fer assez puissant et préchauffage sont les remèdes. Le sans-plomb demande environ 35 °C de plus que l'étain-plomb.Mesurer et dépanner
Compenser la sonde, choisir une bande passante suffisante, déclencher sur une partie raide du signal. Pour dépanner, on compare chaque mesure au schéma et on coupe le problème en deux à chaque mesure. Une alimentation propre exige un découplage au plus près de chaque puce.Pour aller plus loin : modèles et calculs de contrôle
Planche 1. Système nodal à deux inconnues résolu par élimination ; sensibilités par dérivées numériques centrées ; 20 000 tirages uniformes, graine fixe ; pire cas sur les 16 combinaisons des extrêmes.
Planche 2. Piste discrétisée en cellules carrées, 12 cellules dans la largeur. Équation de Laplace résolue par surrelaxation jusqu'à convergence. Électrodes à potentiel imposé aux deux extrémités ; le nombre de carrés est l'inverse du courant total.
Planche 3. Deux nœuds thermiques : la pointe (capacité 2 J/K, chauffe régulée, 60 W au plus) et le joint. Contact pointe-joint : 0,5 W/K. Capacités du joint, pastille et cuivre voisin compris : 0,15 J/K (surface) ou 0,6 J/K (traversant). Fuite vers le plan : 0,002, 0,03 ou 0,3 W/K.
Planche 4. Sonde : R1 = 9 MΩ, R2 = 1 MΩ, C2 = 110 pF, réponse calculée exactement. Bande passante : signal et oscilloscope modélisés chacun par un filtre du premier ordre.
Planche 5. Déclenchement : bruit filtré à 5 MHz, échantillonné à 5 GHz ; chaque acquisition démarre au creux de la sinusoïde. Panne : analyse nodale à quatre nœuds. Découplage : Runge-Kutta à pas fin, courant appelé en rampe de 5 ns.