CONSIDERACIONES GENERALES

Debido a las diferencias significativas entre los circuitos analógicos y digitales, la parte analógica del circuito debe separarse del resto y se deben seguir métodos y reglas especiales al cablearlo. Los efectos del rendimiento no ideal de la PCB son particularmente notables en circuitos analógicos de alta frecuencia, pero el tipo general de errores descritos en este artículo puede afectar el rendimiento de los dispositivos que funcionan incluso en el rango de frecuencia de audio.

La intención de este artículo es analizar los errores comunes cometidos por los diseñadores de PCB, describir el impacto de estos errores en el rendimiento de calidad y brindar recomendaciones para resolver los problemas que surjan.

Placa de circuito impreso - componente del circuito

Sólo en casos excepcionales se puede tender una placa de circuito analógico de modo que las influencias que introduce no afecten al funcionamiento del circuito. Al mismo tiempo, cualquier impacto de este tipo puede minimizarse de modo que las características del circuito analógico del dispositivo sean las mismas que las del modelo y prototipo.

Diseño

Los desarrolladores de circuitos digitales pueden corregir pequeños errores en la placa fabricada agregándole puentes o, por el contrario, eliminando conductores innecesarios, realizando cambios en el funcionamiento de chips programables, etc., pasando muy rápidamente al siguiente desarrollo. Este no es el caso de un circuito analógico. Algunos de los errores comunes analizados en este artículo no se pueden corregir agregando puentes o quitando conductores sobrantes. Pueden dejar inoperativa toda la placa de circuito impreso, y lo harán.

Es muy importante que un diseñador de circuitos digitales que utilice dichos métodos de corrección lea y comprenda el material presentado en este artículo mucho antes de enviar el diseño a producción. Un poco de atención al diseño y discusión de las posibles opciones no sólo evitará que la PCB se convierta en chatarra, sino que también reducirá el costo de errores graves en una pequeña parte analógica del circuito. Encontrar errores y corregirlos puede resultar en cientos de horas perdidas. La creación de prototipos puede reducir este tiempo a un día o menos. Placa de pruebas para todos tus circuitos analógicos.

Fuentes de ruido e interferencia

El ruido y las interferencias son los principales elementos que limitan la calidad de los circuitos. Las interferencias pueden ser emitidas por fuentes o inducidas en elementos del circuito. Los circuitos analógicos suelen estar ubicados en una placa de circuito impreso junto con componentes digitales de alta velocidad, incluidos los procesadores de señales digitales (DSP).

Las señales lógicas de alta frecuencia generan importantes interferencias de radiofrecuencia (RFI). El número de fuentes de emisión de ruido es enorme: fuentes de alimentación clave para sistemas digitales, teléfonos móviles, radio y televisión, fuentes de alimentación para lámparas fluorescentes, ordenadores personales, rayos, etc. Incluso si un circuito analógico funciona en el rango de frecuencia de audio, la interferencia de radiofrecuencia puede crear un ruido notable en la señal de salida.

CATEGORÍAS DE PCB

La elección del diseño de la PCB es un factor importante a la hora de determinar el rendimiento mecánico del dispositivo en general. Para la fabricación de placas de circuito impreso se utilizan materiales de distintos niveles de calidad. Será más adecuado y conveniente para el desarrollador si el fabricante de PCB se encuentra cerca. En este caso, es fácil controlar la resistividad y la constante dieléctrica, los principales parámetros del material de la placa de circuito impreso. Desafortunadamente, esto no es suficiente y a menudo es necesario conocer otros parámetros como la inflamabilidad, la estabilidad a altas temperaturas y el coeficiente de higroscopicidad. Estos parámetros sólo pueden ser conocidos por el fabricante de los componentes utilizados en la producción de placas de circuito impreso.

Los materiales en capas se designan con los índices FR (resistente al fuego) y G. El material con el índice FR-1 tiene la mayor inflamabilidad y el FR-5 la menor. Los materiales con índices G10 y G11 tienen características especiales. Los materiales de las placas de circuito impreso se dan en la tabla. 1.

No utilice PCB de categoría FR-1. Hay muchos ejemplos de PCB FR-1 que han sufrido daños térmicos debido a componentes de alta potencia. Las placas de circuito impreso de esta categoría se parecen más al cartón.

El FR-4 se utiliza a menudo en la fabricación de equipos industriales, mientras que el FR-2 se utiliza en la fabricación de electrodomésticos. Estas dos categorías están estandarizadas en la industria y los PCB FR-2 y FR-4 suelen ser adecuados para la mayoría de las aplicaciones. Pero a veces las características imperfectas de estas categorías obligan al uso de otros materiales. Por ejemplo, para aplicaciones de muy alta frecuencia, se utilizan fluoroplásticos e incluso cerámicas como materiales para placas de circuito impreso. Sin embargo, cuanto más exótico sea el material de la PCB, mayor puede ser el precio.

Al elegir un material de PCB, preste especial atención a su higroscopicidad, ya que este parámetro puede tener un fuerte efecto negativo en las características deseadas de la placa: resistencia de la superficie, fugas, propiedades aislantes de alto voltaje (averías y chispas) y resistencia mecánica. También preste atención a la temperatura de funcionamiento. Los puntos calientes pueden ocurrir en lugares inesperados, como cerca de grandes circuitos integrados digitales que conmutan a altas frecuencias. Si dichas áreas están ubicadas directamente debajo de los componentes analógicos, el aumento de temperaturas puede afectar el rendimiento del circuito analógico.

Tabla 1

categoría	Componentes, comentarios
FR-1	papel, composición fenólica: prensado y estampado a temperatura ambiente, alto coeficiente de higroscopicidad
FR-2	Papel, composición fenólica: aplicable a placas de circuito impreso de una sola cara de electrodomésticos, bajo coeficiente de higroscopicidad.
FR-3	Papel, composición epoxi: diseños con buenas características mecánicas y eléctricas.
FR-4	Fibra de vidrio, composición epoxi: excelentes propiedades mecánicas y eléctricas.
FR-5	fibra de vidrio, composición epoxi: alta resistencia a temperaturas elevadas, no inflamable
G10	fibra de vidrio, composición epoxi: altas propiedades aislantes, mayor resistencia de la fibra de vidrio, bajo coeficiente de higroscopicidad
G11	fibra de vidrio, composición epoxi: alta resistencia a la flexión a temperaturas elevadas, alta resistencia a los disolventes

Una vez seleccionado el material de la PCB, es necesario determinar el grosor de la lámina de la PCB. Este parámetro se selecciona principalmente en función del valor máximo de la corriente que fluye. Si es posible, trate de evitar el uso de papel de aluminio muy fino.

NÚMERO DE CAPAS DE CARTON IMPRESO

Placas de circuito impreso de una sola capa

Los circuitos electrónicos muy simples se fabrican en placas de una sola cara utilizando materiales laminados baratos (FR-1 o FR-2) y, a menudo, tienen muchos puentes, que se asemejan a placas de doble cara. Este método de creación de placas de circuito impreso se recomienda sólo para circuitos de baja frecuencia. Por razones que se describirán a continuación, Las placas de circuito impreso de una sola cara son muy susceptibles a las interferencias.. Una buena PCB de una sola cara es bastante difícil de diseñar por muchas razones. Sin embargo, existen buenos tableros de este tipo, pero a la hora de diseñarlos hay que pensar mucho con antelación.

Placas de circuito impreso de doble capa

En el siguiente nivel se encuentran las placas de circuito impreso de doble cara, que en la mayoría de los casos utilizan FR-4 como material de sustrato, aunque a veces también se encuentra FR-2. Es más preferible el uso de FR-4, ya que los orificios en las placas de circuito impreso de este material son de mejor calidad. Los circuitos en placas de circuito impreso de doble cara son mucho más fáciles de cablear porque En dos capas es más fácil trazar rutas que se cruzan. Sin embargo, para circuitos analógicos, no se recomienda cruzar pistas. Siempre que sea posible, la capa inferior (inferior) debe asignarse al polígono de tierra y las señales restantes deben enrutarse a la capa superior (superior). Utilizar un vertedero como bus terrestre ofrece varias ventajas:

• el cable común es el cable que se conecta con más frecuencia en el circuito; Por lo tanto, es razonable tener muchos cables comunes para simplificar el cableado.
• aumenta la resistencia mecánica del tablero.
• la resistencia de todas las conexiones al cable común disminuye, lo que, a su vez, reduce el ruido y las interferencias.
• La capacitancia distribuida para cada circuito aumenta, lo que ayuda a suprimir el ruido irradiado.
• el polígono, que es una pantalla, suprime las interferencias emitidas por fuentes situadas en el lateral del polígono.

Los PCB de doble cara, a pesar de todas sus ventajas, no son los mejores, especialmente para circuitos de baja señal o alta velocidad. En general, el espesor de la placa de circuito impreso, es decir la distancia entre las capas de metalización es de 1,5 mm, lo cual es demasiado para aprovechar plenamente algunas de las ventajas de una placa de circuito impreso de dos capas mencionadas anteriormente. La capacidad distribuida, por ejemplo, es demasiado pequeña debido a un intervalo tan grande.

Placas de circuito impreso multicapa

Para el diseño de circuitos críticos, se requieren placas de circuito impreso multicapa (MPB). Algunas razones para su uso son obvias:

• La distribución de los buses de energía es tan conveniente como la del bus de cables común; si se utilizan polígonos en una capa separada como buses de energía, entonces es bastante sencillo suministrar energía a cada elemento del circuito mediante vías;
• las capas de señal están libres de los buses de potencia, lo que facilita el cableado de los conductores de señal;
• Aparece capacitancia distribuida entre los polígonos de tierra y de potencia, lo que reduce el ruido de alta frecuencia.

Además de estas razones para utilizar placas de circuito impreso multicapa, existen otras menos obvias:

• mejor supresión de las interferencias electromagnéticas (EMI) y de radiofrecuencia (RFI) gracias al efecto de reflexión (efecto plano de imagen), conocido desde la época de Marconi. Cuando un conductor se coloca cerca de una superficie conductora plana, la mayoría de las corrientes de retorno de alta frecuencia fluirán a lo largo del plano directamente debajo del conductor. La dirección de estas corrientes será opuesta a la dirección de las corrientes en el conductor. Así, la reflexión del conductor en el plano crea una línea de transmisión de señal. Dado que las corrientes en el conductor y en el plano son iguales en magnitud y opuestas en dirección, se crea cierta reducción en la interferencia radiada. El efecto de reflexión sólo funciona eficazmente con polígonos sólidos continuos (pueden ser tanto polígonos terrestres como polígonos de potencia). Cualquier pérdida de integridad dará como resultado una reducción de la supresión de interferencias.
• Reducción del coste global de la producción a pequeña escala. Aunque los PCB multicapa son más caros de fabricar, su radiación potencial es menor que la de los PCB de una o dos capas. Por lo tanto, en algunos casos, el uso exclusivo de tableros multicapa permitirá cumplir con los requisitos de emisiones establecidos durante el diseño, sin pruebas ni pruebas adicionales. El uso de MPP puede reducir el nivel de interferencia radiada en 20 dB en comparación con las placas de doble capa.

Orden de capas

Los diseñadores sin experiencia suelen tener cierta confusión sobre el orden óptimo de las capas de PCB. Tomemos, por ejemplo, una cámara de 4 capas que contiene dos capas de señal y dos capas poligonales: una capa de tierra y una capa de energía. ¿Cuál es el mejor orden de capas? ¿Capas de señal entre polígonos que servirán de pantallas? ¿O deberíamos hacer que las capas poligonales sean internas para reducir la interferencia de las capas de señal?

Al abordar este tema, es importante recordar que a menudo la ubicación de las capas no importa mucho, ya que los componentes están ubicados en las capas exteriores de todos modos, y los buses que suministran señales a sus pines a veces pasan a través de todas las capas. Por lo tanto, cualquier efecto de pantalla es sólo un compromiso. En este caso, es mejor encargarse de crear una gran capacidad distribuida entre los polígonos de potencia y de tierra, colocándolos en las capas internas.

Otra ventaja de colocar las capas de señal en el exterior es la disponibilidad de señales para realizar pruebas, así como la posibilidad de modificar las conexiones. Cualquiera que haya cambiado alguna vez las conexiones de los conductores ubicados en las capas internas apreciará esta oportunidad.

Para PCB con más de cuatro capas, la regla general es colocar conductores de señales de alta velocidad entre la tierra y los polígonos de potencia, y encaminar los conductores de señales de baja frecuencia hacia las capas exteriores.

TOMA DE TIERRA

Dividir el terreno en partes analógicas y digitales es uno de los métodos más simples y efectivos de reducción de ruido. Una o más capas de una placa de circuito impreso multicapa suelen estar dedicadas a una capa de polígonos de tierra. Si el desarrollador no tiene mucha experiencia o no está atento, entonces la tierra de la parte analógica se conectará directamente a estos polígonos, es decir, El retorno de corriente analógica utilizará el mismo circuito que la corriente de retorno digital. Los distribuidores automáticos funcionan de la misma manera y unen todas las tierras.

Si se procesa una placa de circuito impreso previamente desarrollada con un solo polígono de tierra que combina tierras analógicas y digitales, primero es necesario separar físicamente las tierras en la placa (después de esta operación, el funcionamiento de la placa se vuelve casi imposible). Después de esto, se realizan todas las conexiones a la tierra analógica de los componentes del circuito analógico (se forma la tierra analógica) y a la tierra digital de los componentes del circuito digital (se forma la tierra digital). Y solo después de esto, la tierra digital y analógica se combinan en la fuente.

Otras reglas de formación de tierras:

• Los buses de alimentación y tierra deben tener el mismo potencial de CA., lo que implica el uso de condensadores de desacoplamiento y capacitancia distribuida.
• Evite la superposición de polígonos analógicos y digitales (Fig. 1). Coloque los rieles de alimentación analógicos y los polígonos sobre el polígono de tierra analógico (similar a los rieles de alimentación digitales). Si hay una superposición entre las áreas analógicas y digitales en cualquier ubicación, la capacitancia distribuida entre las áreas superpuestas creará un acoplamiento de CA y el ruido de los componentes digitales se transportará al circuito analógico. Estas superposiciones invalidan el aislamiento de los vertederos.
  
• La separación no significa aislar eléctricamente la tierra analógica de la tierra digital (Figura 2). Deben estar conectados entre sí en algún nodo, preferiblemente uno, de baja impedancia. Un sistema de tierra correcto tiene solo una tierra, que es la clavija de tierra para sistemas alimentados por CA o la tierra común para sistemas alimentados por CC (como una batería). Todas las corrientes de señal y potencia en este circuito deben regresar a esta tierra en un punto, que servirá como tierra del sistema. Un punto de este tipo puede ser el terminal del cuerpo del dispositivo. Es importante comprender que al conectar el terminal común del circuito a varios puntos del chasis, se pueden formar bucles de tierra. Crear un único punto común de consolidación parcelaria es uno de los aspectos más difíciles del diseño del sistema.
  
• Siempre que sea posible, separe las clavijas del conector destinadas a transportar corrientes de retorno; las corrientes de retorno solo deben combinarse en el punto de tierra del sistema. El envejecimiento de los contactos del conector, así como la desconexión frecuente de sus partes coincidentes, conduce a un aumento en la resistencia del contacto, por lo que para un funcionamiento más confiable es necesario utilizar conectores con una cierta cantidad de pines adicionales. Las placas de circuito impreso digitales complejas tienen muchas capas y contienen cientos o miles de conductores. Agregar otro conductor rara vez crea un problema, pero agregar pines de conector adicionales sí lo crea. Si esto no se puede hacer, entonces es necesario crear dos conductores de corriente de retorno para cada ruta de alimentación en la placa, tomando precauciones especiales.
• Es importante separar los buses de señales digitales de los lugares de la PCB donde se encuentran los componentes analógicos del circuito. Esto implica el aislamiento (blindaje) mediante polígonos, la creación de rutas cortas de señales analógicas y la colocación cuidadosa de componentes pasivos con buses de señales analógicas de misión crítica y digitales de alta velocidad adyacentes. Las líneas de señal digital deben enrutarse alrededor de áreas con componentes analógicos y no superponerse con áreas y buses de tierra analógicos y de alimentación analógica. Si no se hace esto, la estructura contendrá un nuevo elemento no deseado: una antena, cuya radiación afectará a los componentes y conductores analógicos de alta impedancia (Fig. 3).

• Una buena idea es colocar la parte analógica del circuito cerca de las conexiones de E/S de la placa. Los diseñadores de placas de circuitos impresos digitales que utilizan circuitos integrados de alta potencia tienden a tender buses de 1 mm de ancho y unos pocos centímetros de largo para conectar componentes analógicos, creyendo que una baja resistencia de traza ayudará a eliminar las interferencias. Lo que esto crea es un condensador de película extendida que será inducido por señales espurias de los componentes digitales, tierra digital y energía digital, exacerbando el problema.

Un ejemplo de buena colocación de componentes

La Figura 4 muestra una posible disposición de todos los componentes de la placa, incluida la fuente de alimentación. Esto utiliza tres planos de potencia/tierra separados y aislados: uno para la fuente, uno para el circuito digital y otro para el circuito analógico. Los circuitos de tierra y de alimentación de las partes analógica y digital se combinan únicamente en la fuente de alimentación. Los ruidos de alta frecuencia se filtran en los circuitos de potencia mediante bobinas de choque. En este ejemplo, las señales de alta frecuencia de las partes analógica y digital están separadas entre sí. Este diseño tiene una probabilidad muy alta de obtener un resultado favorable, ya que garantiza una buena ubicación de los componentes y el cumplimiento de las reglas de separación de circuitos.

Sólo hay un caso en el que es necesario combinar señales analógicas y digitales sobre un área de tierra analógica. Los convertidores analógico-digital y digital-analógico están alojados en carcasas con clavijas de tierra analógicas y digitales. Teniendo en cuenta la discusión anterior, se puede suponer que el pin de tierra digital y el pin de tierra analógico deben conectarse a los buses de tierra digital y analógico, respectivamente. Sin embargo, en este caso esto no es cierto.

Los nombres de los pines (analógicos o digitales) se refieren únicamente a la estructura interna del convertidor, a sus conexiones internas. En el circuito, estos pines deben estar conectados al bus de tierra analógico. La conexión también se puede realizar dentro de un circuito integrado, pero lograr una baja resistencia de dicha conexión es bastante difícil debido a restricciones topológicas. Por lo tanto, cuando se utilizan convertidores, se supone que las clavijas de tierra analógicas y digitales están conectadas externamente. Si no se hace esto, los parámetros del microcircuito serán significativamente peores que los indicados en la especificación.

Hay que tener en cuenta que los elementos digitales del convertidor pueden degradar las características de calidad del circuito al introducir ruido digital en los circuitos analógicos de tierra y de potencia analógicos. A la hora de diseñar los convertidores se tiene en cuenta este impacto negativo para que la parte digital consuma la menor energía posible. Al mismo tiempo, se reducen las interferencias de los elementos lógicos de conmutación. Si los pines digitales del convertidor no están muy cargados, la conmutación interna no suele causar ningún problema especial. Al diseñar una PCB que contenga un ADC o DAC, se debe considerar cuidadosamente el desacoplamiento de la fuente de alimentación digital del convertidor a tierra analógica.

CARACTERÍSTICAS DE FRECUENCIA DE LOS COMPONENTES PASIVOS

Un gran número de diseñadores ignoran por completo las limitaciones de frecuencia de los componentes pasivos cuando se utilizan en circuitos analógicos. Estos componentes tienen rangos de frecuencia limitados y operarlos fuera del rango de frecuencia especificado puede generar resultados impredecibles. Algunos pueden pensar que esta discusión sólo se refiere a circuitos analógicos de alta velocidad. Sin embargo, esto está lejos de ser cierto: las señales de alta frecuencia tienen un fuerte impacto en los componentes pasivos de los circuitos de baja frecuencia a través de la radiación o la comunicación directa a través de conductores. Por ejemplo, un simple filtro de paso bajo en un amplificador operacional puede convertirse fácilmente en un filtro de paso alto cuando se expone a alta frecuencia en su entrada.

Resistencias

Las características de alta frecuencia de las resistencias se pueden representar mediante el circuito equivalente que se muestra en la Figura 5.

Condensadores

Las características de alta frecuencia de los condensadores se pueden representar mediante el circuito equivalente que se muestra en la Figura 6.

De hecho, nadie ha visto nunca un condensador electrolítico con una reactancia de 160 μΩ. Las placas de película y los condensadores electrolíticos son capas de lámina retorcidas que crean una inductancia parásita. El efecto de la autoinductancia en los condensadores cerámicos es mucho menor, lo que permite su uso cuando funcionan a altas frecuencias. Además, los condensadores tienen una corriente de fuga entre las placas, que equivale a una resistencia conectada en paralelo a sus terminales, lo que suma su efecto parásito al efecto de la resistencia conectada en serie de los terminales y placas. Además, el electrolito no es un conductor ideal. Todas estas resistencias se suman para crear una resistencia en serie equivalente (ESR). Los condensadores utilizados como desacopladores deben tener una ESR baja porque la resistencia en serie limita la eficacia de la supresión de ondulación y ruido. El aumento de la temperatura de funcionamiento aumenta significativamente la resistencia en serie equivalente y puede provocar un deterioro del rendimiento del condensador. Por lo tanto, si se pretende utilizar un condensador electrolítico de aluminio a temperaturas de funcionamiento elevadas, entonces es necesario utilizar condensadores del tipo apropiado (105 ° C).

Los cables del condensador también contribuyen al aumento de la inductancia parásita. Para valores de capacitancia pequeños, es importante mantener cortas las longitudes de los cables. La combinación de inductancia y capacitancia parásitas puede crear un circuito resonante. Suponiendo que los conductores tienen una inductancia de aproximadamente 8 nH por centímetro de longitud, un condensador de 0,01 µF con conductores de cada centímetro de longitud tendrá una frecuencia de resonancia de aproximadamente 12,5 MHz. Este efecto lo conocen los ingenieros que desarrollaron dispositivos electrónicos de vacío hace décadas. Quien restaura radios antiguas y desconoce este efecto se enfrenta a muchos problemas.

Cuando se utilizan condensadores electrolíticos, se debe tener cuidado para garantizar una conexión correcta. El terminal positivo debe conectarse a un potencial constante más positivo. Una conexión incorrecta hace que fluya corriente continua a través del capacitor electrolítico, lo que puede dañar no solo el capacitor en sí, sino también parte del circuito.

En casos raros, la diferencia de potencial de CC entre dos puntos del circuito puede cambiar de signo. Esto requiere el uso de condensadores electrolíticos no polares, cuya estructura interna equivale a dos condensadores polares conectados en serie.

inductancia

Las características de alta frecuencia de las inductancias se pueden representar mediante el circuito equivalente que se muestra en la Figura 7.

En realidad, no existe ninguna inductancia con una reactancia de 6,28 MΩ. La naturaleza de la aparición de la resistencia parásita es fácil de entender: las espiras de la bobina están hechas de alambre que tiene cierta resistencia por unidad de longitud. La capacitancia parásita es más difícil de percibir a menos que se tenga en cuenta que la siguiente vuelta de la bobina está ubicada cerca de la anterior y el acoplamiento capacitivo se produce entre conductores muy próximos entre sí. La capacitancia parásita limita la frecuencia de operación superior. Los inductores de alambre pequeño comienzan a volverse ineficaces en el rango de 10...100 MHz.

Placa de circuito

La propia placa de circuito impreso tiene las características de los componentes pasivos comentados anteriormente, aunque no tan obvias.

El patrón de conductores en una placa de circuito impreso puede ser tanto una fuente como un receptor de interferencias. Un buen cableado reduce la sensibilidad del circuito analógico a las fuentes de radiación.

La placa de circuito impreso es susceptible a la radiación porque los conductores y cables de los componentes forman una especie de antena. La teoría de las antenas es un tema bastante complejo de estudiar y no se trata en este artículo. Sin embargo, aquí se proporcionan algunos conceptos básicos.

Un poco de teoría de antenas

Uno de los principales tipos de antenas es el de látigo o de conductor recto. Una antena de este tipo funciona porque el conductor recto tiene inductancia parásita y, por lo tanto, puede concentrar y atrapar la radiación de fuentes externas. La impedancia total de un conductor recto tiene componentes resistivos (activos) e inductivos (reactivos):

En corriente continua o bajas frecuencias predomina el componente activo. A medida que aumenta la frecuencia, el componente reactivo se vuelve cada vez más significativo. En el rango de 1 kHz a 10 kHz, el componente inductivo comienza a actuar y el conductor ya no es un conector de baja impedancia, sino que actúa como un inductor.

La fórmula para calcular la inductancia de un conductor de PCB es la siguiente:

Normalmente, las pistas en una placa de circuito impreso tienen valores de 6 nH a 12 nH por centímetro de longitud. Por ejemplo, un conductor de 10 cm tiene una resistencia de 57 mOhm y una inductancia de 8 nH por cm. A una frecuencia de 100 kHz, la reactancia se convierte en 50 mOhm, y a frecuencias más altas el conductor será de inductancia en lugar de resistivo. .

La regla para una antena de látigo es que comienza a interactuar notablemente con el campo aproximadamente a 1/20 de la longitud de onda, y la interacción máxima ocurre con una longitud de varilla de 1/4 de la longitud de onda. Por tanto, el conductor de 10 cm del ejemplo del párrafo anterior empezará a convertirse en una antena bastante buena en frecuencias superiores a 150 MHz. Hay que recordar que a pesar de que el generador de reloj de un circuito digital puede no funcionar a frecuencias superiores a 150 MHz, siempre hay armónicos más altos en su señal. Si la placa de circuito impreso contiene componentes con clavijas de longitud considerable, dichas clavijas también pueden servir como antenas.

El otro tipo principal de antena es la antena de cuadro. La inductancia de un conductor recto aumenta mucho cuando se dobla y forma parte de un arco. El aumento de la inductancia reduce la frecuencia a la que la antena comienza a interactuar con las líneas de campo.

Los diseñadores de PCB experimentados con un conocimiento razonable de la teoría de las antenas de bucle saben que no deben diseñar bucles para señales críticas. Algunos diseñadores, sin embargo, no piensan en esto y los conductores de corriente de señal y de retorno en sus circuitos son bucles. La creación de antenas de cuadro es fácil de demostrar con un ejemplo (Fig. 8). Además, aquí se muestra la creación de una antena de ranura.

Considere tres casos:

La opción A es un ejemplo de mal diseño. No utiliza ningún polígono de tierra analógico. El circuito en bucle está formado por los conductores de tierra y de señal. Cuando pasa una corriente, surgen un campo eléctrico y un campo magnético perpendicular a ella. Estos campos forman la base de la antena de cuadro. La regla de la antena de cuadro establece que para una mayor eficiencia, la longitud de cada conductor debe ser igual a la mitad de la longitud de onda de la radiación recibida. Sin embargo, no debemos olvidar que incluso a 1/20 de la longitud de onda, la antena de cuadro sigue siendo bastante eficaz.

La opción B es mejor que la opción A, pero hay un espacio en el polígono, probablemente para crear un lugar específico para enrutar los conductores de señal. Las rutas de señal y de corriente de retorno forman una antena ranurada. Se forman otros bucles en los recortes alrededor de las virutas.

La opción B es un ejemplo de un mejor diseño. Las rutas de la señal y la corriente de retorno coinciden, anulando la efectividad de la antena de cuadro. Tenga en cuenta que este diseño también tiene recortes alrededor de los chips, pero están separados de la ruta de la corriente de retorno.

La teoría de la reflexión y adaptación de señales se acerca a la teoría de las antenas.

Cuando el conductor de la PCB se gira en un ángulo de 90°, puede producirse un reflejo de la señal. Esto se debe principalmente a cambios en el ancho del camino actual. En el vértice de la esquina, el ancho de la traza aumenta 1.414 veces, lo que conduce a una discrepancia en las características de la línea de transmisión, especialmente la capacitancia distribuida y la propia inductancia de la traza. Muy a menudo es necesario girar la pista en una placa de circuito impreso 90°. Muchos paquetes CAD modernos le permiten suavizar las esquinas de rutas dibujadas o dibujar rutas en forma de arco. La Figura 9 muestra dos pasos para mejorar la forma de la esquina. Sólo el último ejemplo mantiene un ancho de camino constante y minimiza los reflejos.

Consejo para diseñadores de PCB experimentados: deje el proceso de suavizado para la última etapa del trabajo antes de crear pines en forma de lágrima y rellenar polígonos. De lo contrario, el paquete CAD tardará más en suavizarse debido a cálculos más complejos.

EFECTOS PARASITARIOS DE LA PIZARRA IMPRESA

- 4 capas; la señal y la capa de polígono de tierra son adyacentes,

- espacio entre capas - 0,2 mm,

- ancho del conductor - 0,75 mm,

- longitud del conductor - 7,5 mm.

La constante dieléctrica ER típica para FR-4 es 4.5.

Sustituyendo todos los valores en la fórmula, obtenemos un valor de capacitancia entre estos dos buses igual a 1,1 pF. Incluso una capacidad aparentemente tan pequeña es inaceptable para algunas aplicaciones. La Figura 11 ilustra el efecto de una capacitancia de 1 pF cuando se conecta a la entrada inversora de un amplificador operacional de alta frecuencia.

Este efecto da lugar a numerosos problemas, para los que, sin embargo, existen muchas maneras de solucionarlos. El más obvio de ellos es la reducción de la longitud de los conductores. Otra forma es reducir su ancho. No hay razón para utilizar un conductor de este ancho para conectar la señal a la entrada inversora, porque A través de este conductor fluye muy poca corriente. Reducir la longitud de la pista a 2,5 mm y el ancho a 0,2 mm conducirá a una disminución de la capacitancia a 0,1 pF, y dicha capacitancia ya no conducirá a un aumento tan significativo en la respuesta de frecuencia. Otra solución es quitar parte del polígono debajo de la entrada inversora y el conductor que va a ella.

La entrada inversora de un amplificador operacional, especialmente uno de alta velocidad, es muy propensa a oscilar en circuitos de alta ganancia. Esto se debe a la capacitancia no deseada de la etapa de entrada del amplificador operacional. Por lo tanto, es extremadamente importante reducir la capacitancia parásita y ubicar los componentes de retroalimentación lo más cerca posible de la entrada inversora. Si, a pesar de las medidas tomadas, el amplificador está excitado, entonces es necesario reducir proporcionalmente la resistencia de las resistencias de retroalimentación para cambiar la frecuencia de resonancia del circuito. Aumentar las resistencias también puede ayudar, aunque con mucha menos frecuencia, porque El efecto de excitación también depende de la impedancia del circuito. Al cambiar las resistencias de retroalimentación, no debemos olvidarnos de cambiar la capacitancia del condensador de corrección. Tampoco debemos olvidar que a medida que disminuye la resistencia de las resistencias, aumenta el consumo de energía del circuito.

El ancho de los conductores de la PCB no se puede reducir indefinidamente. El ancho máximo está determinado tanto por el proceso tecnológico como por el espesor de la lámina. Si dos conductores pasan cerca uno del otro, se forma entre ellos un acoplamiento capacitivo e inductivo (Fig. 12).

Las relaciones que describen estos efectos parásitos son lo suficientemente complejas como para ser presentadas en este artículo, pero se pueden encontrar en la literatura sobre líneas de transmisión y líneas de transmisión.

Los conductores de señal no deben tenderse paralelos entre sí, excepto en el caso de líneas diferenciales o microstrip. La separación entre conductores debe ser al menos tres veces el ancho de los conductores.

La capacitancia entre pistas en circuitos analógicos puede crear problemas con valores de resistencia grandes (varios megaohmios). El acoplamiento capacitivo relativamente grande entre las entradas inversoras y no inversoras de un amplificador operacional puede hacer que el circuito oscile fácilmente.

Siempre que, al diseñar una placa de circuito impreso, sea necesario crear una vía, es decir, conexión entre capas (Fig. 13), debe recordarse que también surge la inductancia parásita. Con un diámetro de orificio después de la metalización d y una longitud de canal h, la inductancia se puede calcular utilizando la siguiente fórmula aproximada:

Por ejemplo, con d=0,4 mm y h=1,5 mm (valores bastante comunes), la inductancia del agujero es 1,1 nH.

Tenga en cuenta que la inductancia del orificio, junto con la misma capacitancia parásita, forma un circuito resonante, que puede tener efecto cuando se opera a altas frecuencias. La autoinductancia de la vía es bastante pequeña y la frecuencia de resonancia está en algún lugar del rango de los gigahercios, pero si la señal se ve obligada a pasar por varias vías durante su recorrido, entonces sus inductancias se suman (conexión en serie) y la resonancia la frecuencia disminuye. Conclusión: Intente evitar una gran cantidad de vías al enrutar conductores críticos de alta frecuencia de circuitos analógicos.. Otro fenómeno negativo: con una gran cantidad de vías en el polígono terrestre, se pueden crear secciones en bucle. El mejor cableado analógico: todos los conductores de señal están ubicados en una capa de la placa de circuito impreso.

Además de los efectos parásitos comentados anteriormente, también existen aquellos que están asociados con una superficie del tablero insuficientemente limpia.

Recuerde que si hay grandes resistencias en el circuito, se debe prestar especial atención a la limpieza de la placa. Durante las operaciones finales de fabricación de una placa de circuito impreso, se deben eliminar cualquier resto de fundente y contaminantes. Recientemente, al instalar placas de circuito impreso, se utilizan a menudo fundentes solubles en agua. Al ser menos dañinos, se eliminan fácilmente con agua. Pero al mismo tiempo, lavar la placa con agua insuficientemente limpia puede provocar una contaminación adicional que empeore las características dieléctricas. Por lo tanto, es muy importante limpiar la placa de circuito de alta impedancia con agua destilada fresca.

INTERACOPLAMIENTO DE SEÑAL

Si necesita diseñar una placa de circuito impreso que tenga partes analógicas y digitales, entonces debe tener al menos un pequeño conocimiento de las características eléctricas de los elementos lógicos.

Una etapa de salida típica de un elemento lógico contiene dos transistores conectados en serie entre sí, así como entre los circuitos de alimentación y de tierra (Fig. 14).

La situación cambia drásticamente cuando la etapa de salida cambia de un estado lógico a otro. En este caso, durante un corto período de tiempo, ambos transistores pueden estar abiertos simultáneamente y la corriente de suministro de la etapa de salida aumenta considerablemente, ya que la resistencia de la ruta de corriente desde el bus de alimentación al bus de tierra a través de dos transistores conectados en serie disminuye. El consumo de energía aumenta bruscamente y luego también disminuye, lo que provoca un cambio local en la tensión de alimentación y la aparición de un cambio brusco y de corta duración en la corriente. Estos cambios en la corriente dan como resultado la emisión de energía de radiofrecuencia. Incluso en una placa de circuito impreso relativamente simple puede haber decenas o cientos de etapas de salida consideradas de elementos lógicos, por lo que el efecto total de su funcionamiento simultáneo puede ser muy grande.

Es imposible predecir con precisión el rango de frecuencia en el que se producirán estas sobretensiones, ya que la frecuencia de su aparición depende de muchos factores, incluido el retardo de propagación de los transistores de conmutación del elemento lógico. El retraso, a su vez, también depende de muchas razones aleatorias que surgen durante el proceso de producción. El ruido de conmutación tiene una distribución de banda ancha de componentes armónicos en todo el rango. Existen varios métodos para suprimir el ruido digital, cuya aplicación depende de la distribución espectral del ruido.

La Tabla 2 muestra las frecuencias operativas máximas para los tipos de condensadores comunes.

Tabla 2

tipo	Frecuencia máxima
electrolítico de aluminio	100 кГц
electrolítico de tantalio	1 MHz
mica	500 MHz
керамический	1 GHz

De la tabla se desprende claramente que los condensadores electrolíticos de tantalio se utilizan para frecuencias inferiores a 1 MHz; a frecuencias más altas, se deben utilizar condensadores cerámicos. Debe recordarse que los condensadores tienen su propia resonancia y su elección incorrecta puede no solo no ayudar, sino también agravar el problema. La Figura 15 muestra las autorresonancias típicas de dos condensadores comunes: electrolítico de tantalio de 10 μF y cerámico de 0,01 μF.

Las especificaciones reales pueden variar entre diferentes fabricantes e incluso de un lote a otro dentro del mismo fabricante. Es importante comprender que para que un condensador funcione eficazmente, las frecuencias que suprime deben estar en un rango más bajo que su propia frecuencia de resonancia. De lo contrario, la naturaleza de la reactancia será inductiva y el condensador ya no funcionará eficazmente.

No se equivoque al pensar que un condensador de 0,1 µF suprimirá todas las frecuencias. Los condensadores pequeños (10 nF o menos) pueden funcionar de manera más eficiente a frecuencias más altas.

Desacoplamiento de potencia IC

Desacoplar la fuente de alimentación de circuitos integrados para suprimir el ruido de alta frecuencia consiste en utilizar uno o más condensadores conectados entre los pines de alimentación y tierra. Es importante que los conductores que conectan los cables a los condensadores estén cortos. Si este no es el caso, entonces la autoinductancia de los conductores jugará un papel importante y anulará las ventajas del uso de condensadores de desacoplamiento.

Se debe conectar un capacitor de desacoplamiento a cada paquete de chip, independientemente de si hay 1, 2 o 4 amplificadores operacionales dentro del paquete. Si el amplificador operacional tiene suministro dual, entonces no hace falta decir que los capacitores de desacoplamiento deben ubicarse en cada pin de alimentación. El valor de capacitancia debe seleccionarse cuidadosamente según el tipo de ruido e interferencia presentes en el circuito.

En casos especialmente difíciles, puede ser necesario añadir una inductancia conectada en serie con la salida de potencia. La inductancia debe ubicarse antes, no después, de los capacitores.

Otra forma más económica es sustituir la inductancia por una resistencia de baja resistencia (10...100 ohmios). En este caso, la resistencia forma junto con el condensador de desacoplamiento un filtro de paso bajo. Este método reduce el rango de suministro de energía del amplificador operacional, que también se vuelve más dependiente del consumo de energía.

Normalmente, para suprimir el ruido de baja frecuencia en los circuitos de alimentación, basta con utilizar uno o más condensadores electrolíticos de aluminio o tantalio en el conector de entrada de alimentación. Un condensador cerámico adicional suprimirá las interferencias de alta frecuencia de otras placas.

DEPÓSITO DE ENTRADA Y SALIDA

En una situación en la que el rango de frecuencia del ruido inducido es significativamente diferente del rango de frecuencia del circuito, la solución es simple y obvia: colocar un filtro RC pasivo para suprimir las interferencias de alta frecuencia. Sin embargo, cuando se utiliza un filtro pasivo, hay que tener cuidado: sus características (debido a las características de frecuencia no ideales de los componentes pasivos) pierden sus propiedades en frecuencias 100...1000 veces superiores a la frecuencia de corte (f_3db). Cuando se utilizan filtros conectados en serie sintonizados en diferentes rangos de frecuencia, el filtro de frecuencia más alta debe estar más cerca de la fuente de interferencia. Los inductores de anillo de ferrita también se pueden utilizar para suprimir el ruido; Conservan el carácter inductivo de la resistencia hasta una determinada frecuencia y, por encima de ella, su resistencia se vuelve activa.

La interferencia en un circuito analógico puede ser tan grande que sólo es posible eliminarla (o al menos reducirla) mediante el uso de pantallas. Para funcionar eficazmente, deben diseñarse cuidadosamente para que las frecuencias que causan más problemas no puedan ingresar al circuito. Esto significa que la pantalla no debe tener agujeros o cortes mayores a 1/20 de la longitud de onda de la radiación que se está apantallando. Es una buena idea asignar suficiente espacio para el blindaje propuesto desde el principio del diseño de la PCB. Cuando utilice un blindaje, opcionalmente puede utilizar anillos (o cuentas) de ferrita para todas las conexiones al circuito.

CUERPOS DE AMPLIFICADOR OP

En un amplificador operacional único, la salida está ubicada en el lado opuesto de las entradas. Esto puede dificultar el funcionamiento del amplificador a altas frecuencias debido a las largas líneas de retroalimentación. Una forma de superar esto es colocar el amplificador y los componentes de retroalimentación en diferentes lados de la PCB. Sin embargo, esto da como resultado al menos dos agujeros y cortes adicionales en el polígono del suelo. A veces vale la pena usar un amplificador operacional dual para resolver este problema, incluso si no se usa el segundo amplificador (y sus pines deben estar conectados correctamente). La Figura 17 ilustra la reducción en la longitud de los conductores del circuito de retroalimentación para una conexión inversora.

Los amplificadores operacionales duales y cuádruples, además de los anteriores, permiten una instalación más densa. Los amplificadores individuales parecen ser una imagen especular entre sí (Fig. 18).

Las figuras 17 y 18 no muestran todas las conexiones necesarias para el funcionamiento normal, como el controlador de nivel medio en un solo suministro. La Figura 19 muestra un diagrama de dicho modelador cuando se utiliza un amplificador cuádruple.

El diagrama muestra todas las conexiones necesarias para implementar tres etapas inversoras independientes. Es necesario prestar atención al hecho de que los conductores del controlador de voltaje medio están ubicados directamente debajo de la carcasa del circuito integrado, lo que permite reducir su longitud. Este ejemplo ilustra no lo que debería ser, sino lo que debería hacerse. El nivel de tensión medio, por ejemplo, podría ser el mismo para los cuatro amplificadores. Los componentes pasivos se pueden dimensionar en consecuencia. Por ejemplo, los componentes planos del tamaño de bastidor 0402 coinciden con el espacio entre pasadores de un encapsulado SO estándar. Esto permite que las longitudes de los conductores se mantengan muy cortas para aplicaciones de alta frecuencia.

Los tipos de paquetes de amplificadores operacionales incluyen principalmente DIP (doble en línea) y SO (contorno pequeño). A medida que disminuye el tamaño del paquete, también disminuye el espacio entre cables, lo que permite el uso de componentes pasivos más pequeños. La reducción del tamaño general del circuito reduce las inductancias parásitas y permite el funcionamiento a frecuencias más altas. Sin embargo, esto también da como resultado una mayor diafonía debido al mayor acoplamiento capacitivo entre componentes y conductores.

MONTAJE VOLUMÉTRICO Y SUPERFICIE

Además, cuando se utilizan componentes externos, aumentan las dimensiones de la placa y la longitud de los conductores, lo que no permite que el circuito funcione a altas frecuencias. Las vías tienen su propia inductancia, lo que también limita las características dinámicas del circuito. Por lo tanto, no se recomiendan los componentes aéreos para implementar circuitos de alta frecuencia o para circuitos analógicos ubicados cerca de circuitos lógicos de alta velocidad.

Algunos diseñadores, tratando de reducir la longitud de los conductores, colocan resistencias verticalmente. A primera vista puede parecer que esto acorta la longitud del recorrido. Sin embargo, esto aumenta el camino de la corriente a través de la resistencia, y la resistencia misma representa un bucle (vuelta de inductancia). La capacidad de emisión y recepción aumenta muchas veces.

El montaje en superficie no requiere un orificio para cada cable de componente. Sin embargo, surgen problemas al probar el circuito y es necesario utilizar vías como puntos de prueba, especialmente cuando se utilizan componentes pequeños.

SECCIONES OU NO UTILIZADAS

CONCLUSIÓN

• piense en una placa de circuito impreso como un componente de un circuito eléctrico;
• tener conocimiento y comprensión de las fuentes de ruido e interferencias;
• Modelo y diseño de circuitos.

Placa de circuito impreso:

• utilice placas de circuito impreso únicamente hechas de material de alta calidad (por ejemplo, FR-4);
• los circuitos fabricados en placas de circuito impreso multicapa son 20 dB menos susceptibles a interferencias externas que los circuitos fabricados en placas de doble capa;
• utilice polígonos separados y que no se superpongan para diferentes terrenos y fuentes;
• Coloque los polígonos de tierra y energía en las capas internas de la PCB.

Componentes:

• Tenga en cuenta las limitaciones de frecuencia introducidas por los componentes pasivos y las trazas de la placa;
• trate de evitar la colocación vertical de componentes pasivos en circuitos de alta velocidad;
• Para circuitos de alta frecuencia, utilice componentes diseñados para montaje en superficie;
• los conductores deberían ser más cortos, mejor;
• si se requiere una longitud de conductor mayor, reduzca su ancho;
• Los pines no utilizados de los componentes activos deben conectarse correctamente.

• coloque el circuito analógico cerca del conector de alimentación;
• nunca encamine conductores que transmitan señales lógicas a través del área analógica de la placa y viceversa;
• acortar los conductores adecuados para la entrada inversora del amplificador operacional;
• asegúrese de que los conductores de las entradas inversoras y no inversoras del amplificador operacional no estén ubicados paralelos entre sí a una gran distancia;
• Trate de evitar el uso de vías adicionales, porque... su propia inductancia puede causar problemas adicionales;
• No tienda los conductores en ángulo recto y, si es posible, alise la parte superior de las esquinas.

Intercambio:

• utilizar los tipos correctos de condensadores para suprimir el ruido en los circuitos de suministro de energía;
• para suprimir las interferencias y el ruido de baja frecuencia, utilice condensadores de tantalio en el conector de entrada de alimentación;
• Para suprimir el ruido y las interferencias de alta frecuencia, utilice condensadores cerámicos en el conector de entrada de alimentación;
• use condensadores cerámicos en cada pin de alimentación del microcircuito; si es necesario, utilice varios condensadores para diferentes rangos de frecuencia;
• si se produce excitación en el circuito, entonces es necesario utilizar condensadores con un valor de capacitancia más bajo y no más grande;
• en casos difíciles, utilice resistencias conectadas en serie de baja resistencia o inductancia en los circuitos de potencia;
• Los condensadores de desacoplamiento de potencia analógicos solo deben conectarse a la tierra analógica, no a la tierra digital.

Meteoritos en piedra caliza 21.10.2003

Se han encontrado grandes cantidades de meteoritos antiguos en varias canteras en una vasta región de piedra caliza en el sur de Suecia. Esta piedra caliza se acumuló a partir de sedimentos marinos durante un período de unos dos millones de años y apareció en la tierra hace unos 480 millones de años.

Los meteoritos yacen en esas capas que se formaron hace 500 millones de años. La intensidad de la caída de meteoritos ahora es baja: en promedio, un evento por año por cada 12,5 mil kilómetros cuadrados de la superficie terrestre. Hace XNUMX millones de años, a juzgar por el hallazgo sueco, los meteoritos caían cien veces más a menudo. Los astrónomos sugieren que luego ocurrieron algunas poderosas colisiones en el cinturón de asteroides, como resultado, un gran asteroide se rompió en piedras separadas y algunos de sus fragmentos cayeron a la Tierra.

Ahora los científicos tienen la intención de examinar depósitos similares del mismo período en China y América del Sur.