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ANALISIS DE TARJETAS DE CIRCUITO IMPRESO PARA APLICACIONES EN
SISTEMAS DIGITALES DE ALTA VELOCIDAD.
Resúmen.
En éste periodo que se reporta, año 2006, se ha tenido experiencia en la detección y
medición de los efectos parásitos, capacitivos e inductivos que se presentan en las pistas de
las tarjetas de circuito impreso y se ha comprendido que estos efectos se acentúan más
cuando las señales digitales conmutan o cambian de estado más rápidamente. Se diseñaron,
construyeron y midieron varias tarjetas de experimentación, las cuales contenían un filtro
pasabajos de segundo orden y a su vez, también se hicieron mediciones de las emisiones
conducidas que provocan las líneas de alimentación de un sistema electrónico basado en un
microcontrolador de reciente diseño y se desarrolló un filtro supresor de banda que utiliza
en forma favorable los efectos parásitos capacitivos e inductivos que presentan las pistas de
las tarjetas de circuito impreso. Para el caso de los filtros de segundo orden, éstos fueron
modelados y simulados en los programas Matlab y Serenade, respectivamente. Para el caso
de las emisiones debidas a las líneas de alimentación del sistema basado en el
microcontrolador, éstas fueron medidas, estudiadas y caracterizadas para reducir los niveles
de emisión más altos que se detectaron. Por último, para el caso de los filtros supresores de
banda, se diseño y caracterizó un filtro que suprime frecuencias desde los 6.5GHz hasta los
13GHz.
Introducción.
Los dispositivos electrónicos digitales que encontramos en el mercado y que
actualmente se están desarrollando, tienen la característica principal de conmutar en
tiempos muy cortos y alimentarse con menor tensión, esto trae como consecuencia efectos
indeseados en la operación del sistema electrónico diseñado, cuando se colocan en las
tarjetas de circuito impreso, debido a que las pistas que conducen la señal de información y
las líneas de alimentación acentúan sus efectos parásitos capacitivos e inductivos conforme
se reduce el tiempo de conmutación de una señal digital.
Los estudios de estos efectos parásitos dieron inicio, en éste trabajo de investigación con el
análisis de ruido térmico que se genera en las pistas de los circuitos impresos, modelando
con circuitos electrónicos equivalentes para estudiar su efecto y su comportamiento.
Posteriormente se investigo acerca de los acoplamientos inductivos que se presentan en los
lazos cerrados que forman las pistas de interconexión en una tarjeta de circuito impreso,
para esto se utilizaron dos tipos de filtros, uno de primer orden y otro de segundo orden. En
ambos casos se ha detectado la presencia de los efectos parásitos, debidos a las pistas, los
cuales alteran la respuesta en frecuencia de operación de los sistemas diseñados.
A la par también se estuvo trabajando en la detección y caracterización de las emisiones
conducidas debidas a las líneas de alimentación en un sistema electrónico basado en un
microcontrolador, cuya frecuencia de operación es de 8MHz y cuyos tiempos de elevación
fueron de 4 ns.
Por otro lado, una vez que se caracterizaron los efectos parásitos capacitivos e inductivos,
que se presentan en las pistas de las tarjetas de circuito impreso, se aprovecharon éstos
efectos para diseñar y construir filtros supresores de banda, conocidos como “superficies de
alta impedancia” para mitigar ruido de conmutación simultánea.
Metodología.
Para observar, analizar y comprender los efectos parásitos capacitivos e inductivos que
presentan las pistas en una tarjeta de circuito impreso y su influencia en la operación
adecuada de los sistemas electrónicos, se diseñaron y construyeron 3 filtros RC tipo “PI” de
segundo orden calculados para que tuvieran una frecuencia de corte de 347 MHz,
conectados de tal forma que sus interconexiones formaran 3 mallas, las cuales fueron de
tamaño diferente. Las áreas que se formaron fueron de 3 x 3 cm, 2 x 2 cm y 1 x 1 cm.
Además también se variaron los anchos de pista de conexión, éstos anchos fueron de 1 mm
y de 0.5 mm, para los tres casos citados. Cabe mencionar que los valores de los elementos
que conformaron estos filtros fueron los mismos para todos los casos.
Una vez que se diseñaron y construyeron los filtros, se procedió a hacer las mediciones de
la respuesta en frecuencia a cada uno de ellos, utilizando un analizador de redes vectorial
representando la respuesta en frecuencia del circuito a través de los parámetros de
dispersión S21, observándose que se presentaban variaciones en cada una de ellas y que
todas quedaban lejos de la respuesta ideal que se había obtenido en forma simulada con la
computadora y el empleo del programa Serenade, el cual está basado en el SPICE.
Para el caso de las mediciones de las emisiones conducidas debidas a las señales de reloj de
un sistema electrónico basado en un microcontrolador, se hicieron varias mediciones
usando diferentes tipos de cables para alimentar al sistema electrónico. También se hicieron
en general dos pruebas extremas, una de ellas utilizando exigiendo al sistema el mínimo de
energía en la salida de sus puertos de interconexión y la segunda, exigiendo mayor cantidad
de energía en sus puertos colocando cargas que demandaban mayor cantidad de corriente.
Una vez que se hicieron las mediciones de las emisiones conducidas mediante el empleo de
una punta de corriente y un analizador de espectros, los datos obtenidos se graficaron una
vez que se hicieron las respectivas conversiones de unidades, las cuales están ya
normalizadas a nivel mundial. Aquí se pudo observar que cuando al sistema electrónico,
basado en el microcontrolador, se le exige una mayor cantidad demanda de trabajo en sus
puertos, él sistema incrementa los niveles de emisión por arriba de lo que marcan las
normas internacionales. Después de esta experiencia y esta caracterización se procedió a
buscar una solución a ésta problemática, en la cual se trabajará durante el desarrollo del
proyecto durante el año 2007.
Respecto a la utilización de los efectos parásitos capacitivos e inductivos que presentan las
pistas en una tarjeta de circuito impreso, para diseñar filtros supresores de banda, se hizo un
diseño tal que con los efectos capacitivos e inductivos se formara un filtro LC, que
suprimiera ruido de conmutación simultánea generado por arriba de los 5GHz. Para poder
conseguir esto se llevaron varias simulaciones utilizando un programa comercial basado en
el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo, el cual ayudó bastante en la fase
de diseño de dicho filtro. Una vez que se obtuvo la respuesta que se esperaba, se procedió a
construir físicamente el filtro y se realizaron las mediciones correspondientes utilizando un
analizador de redes vectoriales para ver la respuesta en frecuencia del filtro, a través de la
medición de las pérdidas por inserción representadas mediante el parámetro de dispersión
S21. Finalmente para concluir la fase de diseño del filtro supresor de banda, se propuso un
circuito eléctrico equivalente, que representa la respuesta en frecuencia de dicho filtro, el
cual fue simulado y comprobado en el programa SPICE.
Materiales utilizados:
-
Para la realización de los filtros: Capacitares de montaje superficial de 8.2 pF,
resistores de montaje superficial de 10 Ohms y tablillas de circuito impreso de una
sola cara con dieléctrico de fibra de vidrio de 1.1 mm de grosor y cobre de 34 µm.
de espesor.
-
Para el caso de las mediciones de las emisiones conducidas debidas a las líneas de
alimentación de un sistema electrónico basado en un microcontrolador, se utilizó
una zonda de corriente Rohde and Schwarz, un analizador de espectros y un
sistema mínimo comercial, que contiene un microcontrolador 68HC12 cuya
frecuencia de operación interna es de 8MHz pero que utiliza un reloj externo de
16MHz.
-
Para la fabricación del filtro supresor de banda se utilizarons tarjetas de circuito
impreso de doble cara con dieléctrico de fibra de vidrio de 1.5mm de grosor y cobre
de 34 µm de espesor.
Resultados.
Los resultados que se obtuvieron durante el desarrollo del proyecto durante el año 2006
fueron los siguientes:
- Respecto al estudio de los efectos parásitos capacitivos e inductivos en la respuesta de un
filtro de segundo orden se tuvieron resultado interesantes al observar que la función de
transferencia de todos los filtros, en vez de ser de segundo orden, ésta se vuelve de grado 5,
debido a los acoplamientos inductivos que se presentan en las pistas y a las capacitancias
que se presentan debidas a las separaciones de alguna de ellas. Producto de ésta
investigación se pudo obtener una tesis de Maestría la cual se concluyó a finales de año.
- Para el caso de la medición y caracterización de las emisiones conducidas debidas a las
líneas de alimentación, en un sistema electrónico basado en un microcontrolador, se
estuvieron analizando todos los resultados obtenidos y actualmente se esta trabajando en
una propuesta que resuelva ésta problemática reduciendo los niveles de emisión cuando se
tiene una demanda grande de energía durante su operación.
- Finalmente en el caso del diseño del filtro supresor de banda se pudo obtener un filtro LC
de alto orden colocando parches cuadrados a lo largo de la pista de conducción de la señal,
logrando de ésta forma conseguir que se incrementaran las pérdidas por inserción en un
intervalo de frecuencias de los 6 a los 15GHz. Las dimensiones físicas de la tarjeta de
circuito impreso sobre la cual se diseño y construyó el filtro es de 5cm x 1cm. Este trabajo
condujo a la obtención de grado de Doctor en Comunicaciones y Electrónica del director
del éste proyecto, a finales del año 2006.
En todos los casos, los resultados que se obtuvieron de las investigaciones, se publicaron
algunos en congresos de carácter nacional, otros en congresos de carácter internacional y
una publicación en una revista internacional (USA) ISI.
Impacto.
Durante el desarrollo de éste proyecto durante el año 2006, se han encontrado varias cosas
nuevas que han sido objeto de interés para nuestro grupo de investigación y sobre todo para
que nuestros estudiantes obtengan mayor experiencia en ésta área, para que al momento de
hacer el diseño electrónico y el diseño de las tarjetas de circuito impreso, puedan aplicar los
conocimientos y hacer uso de las experiencias adquiridas al analizar y medir los efectos
encontrados para que de esa forma sus diseños cumplan con los requisitos impuestos por
los estándares internacionales de emisiones e interferencias electromagnéticas.