Directrices De Diseño De Circuitos Lógicos/Digitales Y Técnicas De Desacoplamiento De La Alimentación Lógica

Los circuitos lógicos/digitales se utilizan ampliamente en la electrónica actual. Estos circuitos se utilizan para una gran variedad de aplicaciones. Desde simples circuitos lógicos formados por unas pocas puertas lógicas, hasta complicados sistemas basados en microprocesadores.

Sea cual sea la forma del circuito lógico digital, hay una serie de pautas y precauciones que deben observarse al diseñar y tam bién al realizar el trazado de la placa del circuito. Si el circuito se diseña y construye correctamente, se pueden evitar problemas de funcionamiento.

Directrices De Diseño De Circuitos Lógicos/Digitales Y Técnicas De Desacoplamiento De La Alimentación Lógica

Índice De Contenidos

    Desacoplamiento

    Un punto importante dentro de cualquier conjunto de directrices y consejos de diseño lógico/digital para el éxito del diseño digital es asegurarse de que el desacoplamiento de la línea de alimentación está correctamente implementado.

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    Como rara vez es eficiente emplear diferentes reguladores para distintas partes del circuito, el ruido y otras señales pueden transferirse por el circuito, y podrían dar lugar a disparos espurios.

    La incorporación de un desacoplamiento lógico correcto garantizará que el circuito funcione correctamente y no esté sujeto a problemas derivados de señales no deseadas en la línea de alimentación.

    Puesta a tierra

    Otro elemento clave dentro de cualquier conjunto de directrices de diseño lógico o digital está asociado a los métodos de conexión a tierra utilizados.

    Es necesario garantizar que se emplee un sistema de conexión a tierra eficaz en la placa de circuito impreso. Hay una serie de requisitos: garantizar que no haya bucles de tierra; que las resistencias de retorno a tierra sean lo más bajas posible; que se reduzca la captación mutua, etc.

    Si se planifica el uso y el formato del sistema de conexión a tierra desde las primeras fases del diseño, se pueden minimizar los problemas y reducir la posibilidad de un rediseño costoso y que lleve mucho tiempo.

    Entradas no utilizadas

    En muchos circuitos habrá algunas puertas lógicas que no se utilizan en el circuito. Existe la tentación de dejarlas sin utilizar. Sin embargo, es una buena práctica terminar estos circuitos para que no causen problemas.

    Diseño general

    La disposición de una placa lógica digital puede tener un efecto significativo en su rendimiento. Dado que los bordes de las formas de onda son muy rápidos, las frecuencias que contienen son especialmente altas.

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    Por lo tanto, los cables deben ser tan cortos como sea posible para que el circuito funcione correctamente. De hecho, muchos paquetes de diseño de placas de circuito impreso de alta gama contienen software que simula los efectos de los cables en el diseño.

    Estos paquetes de software pueden ser especialmente útiles cuando la complejidad de la placa o del sistema exige longitudes de cables superiores a las que se necesitarían normalmente para poder realizar el sistema completo. Sin embargo, en muchos casos no es necesario este nivel de simulación y las longitudes de los cables pueden mantenerse cortas.

    A primera vista, puede parecer que los circuitos lógicos digitales no necesitan todo el cuidado y la atención que se presta a un circuito de radiofrecuencia (RF), pero la velocidad de algunos de los bordes de las transiciones de la forma de onda hace que contengan frecuencias muy altas.

    Para garantizar un rendimiento óptimo, es esencial un buen diseño. El cumplimiento de unas sencillas reglas suele garantizar el correcto funcionamiento del circuito

    Técnicas de desacoplamiento de la alimentación lógica

    Es importante asegurarse de que la línea de alimentación de cualquier circuito esté correctamente desacoplada para garantizar que el ruido y otras señales no se transfieran de una zona del circuito a otra.

    Aunque los circuitos lógicos se basan en señales digitales, sigue siendo necesario que los circuitos estén correctamente desacoplados. Es habitual que aparezcan picos de conmutación en las líneas de alimentación y, si son muy grandes, pueden disparar falsamente contadores, flip-flops, registros y similares.

    Por ello, es muy importante asegurarse de que el desacoplamiento de la línea de alimentación está implementado en cualquier placa de circuito digital.

    Ruido típico de la línea de alimentación

    Aunque cada circuito y placa de circuito será diferente, hay factores comunes que afectan a todas las placas de circuito digital. El rizado y el ruido en las líneas de alimentación tienen algunos rasgos comunes que dependen de las condiciones del circuito.

    Las formas de onda que se muestran a continuación son de la señal y el impacto esperado que tiene en la línea de alimentación. Los picos son causados por los controladores de salida de muy alta velocidad en los circuitos digitales.

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    Los picos de corriente son necesarios para impulsar la carga de la capacitancia en las líneas de señal. A medida que las líneas se cargan y alcanzan la tensión necesaria, la corriente requerida disminuye y la línea de alimentación vuelve a su tensión nominal.

    Si no se controla, estos picos pueden ser de una magnitud suficiente como para provocar daños en algunos de los circuitos de la placa.

    Ruido típico de la línea de alimentación

     

    Dependiendo del diseño del circuito, los picos pueden incluso sufrir algún tipo de timbre en lugar de desvanecerse exponencialmente como se muestra.

    Si se extrae una cantidad apreciable de corriente de la salida de un chip lógico, puede aplicar una ondulación adicional en la línea de alimentación más allá de los picos. La tensión de la línea puede caer ligeramente, modulando así la línea de alimentación aún más.

    Ruido típico de la línea de alimentación

     

    Se puede ver que cuando la salida de la señal es alta, se podría extraer más corriente y esto podría resultar, como se muestra, en la caída del nivel de la tensión de alimentación. Este ruido puede transferirse por la placa si no se reduce a un nivel aceptable, dando lugar a problemas en cualquier parte del circuito.

    Además de esta forma de ruido, también puede aparecer el ruido general de la fuente de alimentación y de otras fuentes. Para garantizar la protección de todos los circuitos integrados, debe incorporarse un desacoplamiento adecuado de la línea de alimentación.

    Aplicación del desacoplamiento a la línea de alimentación lógica

    Con las altísimas velocidades de conmutación que se producen en los circuitos lógicos actuales, es necesario garantizar que el desacoplamiento se aplique de la manera más eficaz. Incluso pequeñas cantidades de inductancia de las líneas de PCB u otros efectos pueden tener un efecto significativo y hacer que el desacoplamiento sea considerablemente menos efectivo.

    Además, las bajas tensiones y los estrictos requisitos de alimentación hacen que no sea posible utilizar el filtrado CR para reducir el nivel de picos y ondulaciones.

    Para superar los efectos de la inductancia parásita inherente a cualquier pista de la placa de circuito impreso o a cualquier otro cable, lo normal es distribuir el desacoplamiento por toda la placa.

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    Normalmente, esto se consigue proporcionando una forma de desacoplamiento masivo (normalmente un pequeño desacoplador para el ruido de alta frecuencia y uno más grande para eliminar las variaciones de baja frecuencia) en el punto de entrada de la alimentación a la placa, o en la salida de un regulador de a bordo si es aplicable. Además de esto, se proporciona un desacoplamiento local para cada chip lógico.

    Aplicación del desacoplamiento a la línea de alimentación lógica

    Los condensadores de desacoplamiento de baja frecuencia y de alta frecuencia tienen valores muy diferentes. La capacitancia "masiva" consiste normalmente en un pequeño condensador de tantalio.

    El tantalio tiene un mejor rendimiento en alta frecuencia con una inductancia más baja que un electrolítico y son más utilizados en las placas de montaje superficial porque la tecnología puede ser contenida dentro de los paquetes SMD que se utilizan normalmente.

    Un valor de unos 22 µF suele ser satisfactorio. Si hay un gran número de dispositivos en la placa, puede ser necesario o prudente añadir un par alrededor de la placa, especialmente para que las líneas de alimentación más largas de la placa estén adecuadamente desacopladas.

    Los condensadores más pequeños para los circuitos integrados individuales se colocan lo más cerca posible de las conexiones de alimentación. A veces se colocan en el reverso de la placa, debajo del propio CI, para garantizar que las conexiones sean lo más cortas posible.

    Con las frecuencias que se utilizan hoy en día, incluso longitudes de un centímetro pueden añadir inductancia. Los valores pueden variar entre 10 y 100 nF, pero puede ser necesario experimentar dependiendo de la tecnología, el diseño, etc. Esta capacitancia será necesaria para suministrar el pico de corriente requerido por el circuito integrado durante la conmutación.

    El valor del condensador dependerá de los chips y de la tecnología utilizada.

    Las pautas típicas de los condensadores de desacoplamiento pueden ser:

    • Un condensador de masa de unos 22µF por placa, preferiblemente de tantalio.
    • Un condensador de 1µF por cada 10 - 20 dispositivos SSI / MSI o 2 - 5 dispositivos LSI.
    • Un condensador de 10 - 100 nF por cada pin de alimentación de cada CI con cables lo más cortos posible entre los pines de alimentación y tierra.

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