El número de diseñadores digitales y expertos en diseño de placas de circuitos digitales en el campo de la ingeniería aumenta constantemente, lo que refleja la tendencia de desarrollo de la industria. Aunque el énfasis en el diseño digital ha provocado importantes avances en los productos electrónicos, todavía existe y siempre habrá algunos diseños de circuitos que interactúen con entornos analógicos o reales. Las estrategias de cableado en los campos analógico y digital tienen algunas similitudes, pero cuando se desean obtener mejores resultados, debido a sus diferentes estrategias de cableado, el diseño de cableado de circuito simple ya no es la solución óptima.

Este artículo analiza las similitudes y diferencias básicas entre el cableado analógico y digital en términos de condensadores de derivación, fuentes de alimentación, diseño de tierra, errores de voltaje e interferencia electromagnética (EMI) causada por el cableado de PCB.

El número de diseñadores digitales y expertos en diseño de placas de circuitos digitales en el campo de la ingeniería aumenta constantemente, lo que refleja la tendencia de desarrollo de la industria. Aunque el énfasis en el diseño digital ha provocado importantes avances en los productos electrónicos, todavía existe y siempre habrá algunos diseños de circuitos que interactúen con entornos analógicos o reales. Las estrategias de cableado en los campos analógico y digital tienen algunas similitudes, pero cuando se desean obtener mejores resultados, debido a sus diferentes estrategias de cableado, el diseño de cableado de circuito simple ya no es la solución óptima.

Este artículo analiza las similitudes y diferencias básicas entre el cableado analógico y digital en términos de condensadores de derivación, fuentes de alimentación, diseño de tierra, errores de voltaje e interferencia electromagnética (EMI) causada por el cableado de PCB.

Agregar capacitores de derivación o desacoplamiento en la placa de circuito y la ubicación de estos capacitores en la placa es de sentido común para diseños digitales y analógicos. Pero, curiosamente, las razones son diferentes.

En el diseño de cableado analógico, los condensadores de derivación se suelen utilizar para derivar señales de alta frecuencia en la fuente de alimentación. Si no se agregan condensadores de derivación, estas señales de alta frecuencia pueden ingresar a chips analógicos sensibles a través de los pines de la fuente de alimentación. En términos generales, la frecuencia de estas señales de alta frecuencia excede la capacidad de los dispositivos analógicos para suprimir señales de alta frecuencia. Si el condensador de derivación no se utiliza en el circuito analógico, se puede introducir ruido en la ruta de la señal y, en casos más graves, incluso puede provocar vibraciones.

En el diseño de PCB analógico y digital, los condensadores de derivación o desacoplamiento (0,1 uF) deben colocarse lo más cerca posible del dispositivo. El condensador de desacoplamiento de la fuente de alimentación (10 uF) debe colocarse en la entrada de la línea de alimentación de la placa de circuito. En todos los casos, los pines de estos condensadores deben estar cortos.

En la placa de circuito de la Figura 2, se utilizan diferentes rutas para encaminar los cables de alimentación y de tierra. Debido a esta cooperación inadecuada, es más probable que los componentes y circuitos electrónicos de la placa de circuito estén sujetos a interferencias electromagnéticas.

En el panel único de la Figura 3, los cables de alimentación y de tierra de los componentes de la placa de circuito están cerca uno del otro. La relación de coincidencia de la línea de alimentación y la línea de tierra en esta placa de circuito es apropiada como se muestra en la Figura 2. La probabilidad de que los componentes y circuitos electrónicos en la placa de circuito estén sujetos a interferencias electromagnéticas (EMI) se reduce en 679/12,8 veces o unas 54 veces.
　　
Para dispositivos digitales como controladores y procesadores, también se requieren condensadores de desacoplamiento, pero por diferentes motivos. Una función de estos condensadores es actuar como un banco de carga "en miniatura".

En los circuitos digitales, generalmente se requiere una gran cantidad de corriente para realizar la conmutación del estado de la puerta. Dado que las corrientes transitorias de conmutación se generan en el chip durante la conmutación y fluyen a través de la placa de circuito, es ventajoso tener cargas "de repuesto" adicionales. Si no hay suficiente carga al realizar la acción de conmutación, el voltaje de la fuente de alimentación cambiará mucho. Demasiado cambio de voltaje hará que el nivel de la señal digital entre en un estado incierto y puede provocar que la máquina de estado del dispositivo digital funcione incorrectamente.

La corriente de conmutación que fluye a través de la traza de la placa de circuito hará que el voltaje cambie y la traza de la placa de circuito tendrá inductancia parásita. Se puede utilizar la siguiente fórmula para calcular el cambio de voltaje: V = LdI/dt. Entre ellos: V = cambio de voltaje, L = inductancia de traza de la placa de circuito, dI = cambio de corriente a través de la traza, dt = tiempo de cambio de corriente.
　　
Por lo tanto, por muchas razones, es mejor aplicar condensadores de derivación (o desacoplamiento) en la fuente de alimentación o en los pines de alimentación de los dispositivos activos.

El cable de alimentación y el cable de tierra deben tenderse juntos

La posición del cable de alimentación y el cable de tierra coinciden bien para reducir la posibilidad de interferencias electromagnéticas. Si la línea eléctrica y la línea de tierra no coinciden adecuadamente, se diseñará un circuito del sistema y probablemente se generará ruido.

En la Figura 2 se muestra un ejemplo de un diseño de PCB en el que la línea de alimentación y la línea de tierra no coinciden correctamente. En esta placa de circuito, el área del bucle diseñada es de 697 cm². Utilizando el método mostrado en la Figura 3, se puede reducir considerablemente la posibilidad de que el ruido irradiado dentro o fuera de la placa de circuito induzca voltaje en el bucle.

La diferencia entre estrategias de cableado analógico y digital.

▍El plano de tierra es un problema

El conocimiento básico del cableado de placas de circuito es aplicable tanto a circuitos analógicos como digitales. Una regla básica es utilizar un plano de tierra ininterrumpido. Este sentido común reduce el efecto dI/dt (cambio de corriente con el tiempo) en los circuitos digitales, que cambia el potencial de tierra y provoca que entre ruido en los circuitos analógicos.

Las técnicas de cableado para circuitos digitales y analógicos son básicamente las mismas, con una excepción. Para los circuitos analógicos, hay otro punto a tener en cuenta: mantener las líneas y bucles de señal digital en el plano de tierra lo más lejos posible de los circuitos analógicos. Esto se puede lograr conectando el plano de tierra analógico a la conexión a tierra del sistema por separado, o colocando el circuito analógico en el extremo más alejado de la placa de circuito, que es el final de la línea. Esto se hace para mantener al mínimo la interferencia externa en la ruta de la señal.

No es necesario hacer esto para los circuitos digitales, que pueden tolerar mucho ruido en el plano de tierra sin problemas.

La Figura 4 (izquierda) aísla la acción de conmutación digital del circuito analógico y separa las partes digital y analógica del circuito. (Derecha) La alta frecuencia y la baja frecuencia deben estar lo más separadas posible y los componentes de alta frecuencia deben estar cerca de los conectores de la placa de circuito.

Figura 5 Diseñe dos pistas cercanas en la PCB, es fácil formar capacitancia parásita. Debido a la existencia de este tipo de capacitancia, un cambio rápido de voltaje en una traza puede generar una señal de corriente en la otra traza.

Figura 6 Si no presta atención a la ubicación de las pistas, las pistas en la PCB pueden producir inductancia de línea e inductancia mutua. Esta inductancia parásita es muy perjudicial para el funcionamiento de circuitos, incluidos los circuitos de conmutación digital.

▍Ubicación de componentes

Como se mencionó anteriormente, en cada diseño de PCB, la parte ruidosa del circuito y la parte “silenciosa” (parte sin ruido) deben estar separadas. En términos generales, los circuitos digitales son "ricos" en ruido y son insensibles al ruido (porque los circuitos digitales tienen una mayor tolerancia al ruido de voltaje); por el contrario, la tolerancia al ruido de voltaje de los circuitos analógicos es mucho menor.

De los dos, los circuitos analógicos son los más sensibles al ruido de conmutación. En el cableado de un sistema de señal mixta, estos dos circuitos deben estar separados, como se muestra en la Figura 4.
　　
▍Componentes parásitos generados por el diseño de PCB

En el diseño de PCB se forman fácilmente dos elementos parásitos básicos que pueden causar problemas: la capacitancia parásita y la inductancia parásita.

Al diseñar una placa de circuito, colocar dos pistas cerca una de la otra generará capacitancia parásita. Puedes hacer esto: en dos capas diferentes, coloca un trazo encima del otro; o en la misma capa, coloque un trazo al lado del otro, como se muestra en la Figura 5.
　　
En estas dos configuraciones de traza, los cambios en el voltaje a lo largo del tiempo (dV/dt) en una traza pueden causar corriente en la otra traza. Si la otra traza es de alta impedancia, la corriente generada por el campo eléctrico se convertirá en voltaje.
　　
Los transitorios de voltaje rápidos ocurren con mayor frecuencia en el lado digital del diseño de la señal analógica. Si las pistas con transitorios de voltaje rápidos están cerca de las pistas analógicas de alta impedancia, este error afectará seriamente la precisión del circuito analógico. En este entorno, los circuitos analógicos tienen dos desventajas: su tolerancia al ruido es mucho menor que la de los circuitos digitales; y las trazas de alta impedancia son más comunes.
　　
El uso de una de las dos técnicas siguientes puede reducir este fenómeno. La técnica más utilizada es cambiar el tamaño entre trazas según la ecuación de capacitancia. El tamaño más efectivo para cambiar es la distancia entre las dos trazas. Cabe señalar que la variable d está en el denominador de la ecuación de capacitancia. A medida que d aumenta, la reactancia capacitiva disminuirá. Otra variable que se puede cambiar es la longitud de las dos trazas. En este caso, la longitud L disminuye y la reactancia capacitiva entre las dos trazas también disminuirá.
　　
Otra técnica consiste en tender un cable a tierra entre estas dos pistas. El cable de tierra tiene baja impedancia y agregar otro rastro como este debilitará el campo eléctrico de interferencia, como se muestra en la Figura 5.
　　
El principio de inductancia parásita en la placa de circuito es similar al de la capacitancia parásita. También es para trazar dos huellas. En dos capas diferentes, coloque un trazo encima del otro; o en la misma capa, coloque un trazo al lado del otro, como se muestra en la Figura 6.

En estas dos configuraciones de cableado, el cambio de corriente (dI/dt) de una traza con el tiempo, debido a la inductancia de esta traza, generará tensión en la misma traza; y debido a la existencia de inductancia mutua, se generará una corriente proporcional en la otra traza. Si el cambio de voltaje en la primera traza es lo suficientemente grande, la interferencia puede reducir la tolerancia de voltaje del circuito digital y causar errores. Este fenómeno no sólo ocurre en los circuitos digitales, sino que es más común en los circuitos digitales debido a las grandes corrientes de conmutación instantáneas en los circuitos digitales.
　　
Para eliminar el ruido potencial de fuentes de interferencia electromagnética, es mejor separar las líneas analógicas "silenciosas" de los puertos de E/S ruidosos. Para intentar lograr una red de tierra y alimentación de baja impedancia, se debe minimizar la inductancia de los cables del circuito digital y se debe minimizar el acoplamiento capacitivo de los circuitos analógicos.
　　
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Conclusión

Una vez determinados los rangos digital y analógico, es esencial un enrutamiento cuidadoso para lograr una PCB exitosa. La estrategia de cableado generalmente se presenta a todos como regla general, porque es difícil probar el éxito final del producto en un entorno de laboratorio. Por lo tanto, a pesar de las similitudes en las estrategias de cableado de los circuitos digitales y analógicos, las diferencias en sus estrategias de cableado deben reconocerse y tomarse en serio.