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Tag Archive | "PCB"

Evita retrabajos, estabiliza primero los buffers Op-Amps

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Los buffer amplificadores deben ser primeramente estabilizados para evitar que funcionen inadecuadamente ya montados en la tarjeta, y sea obligatorio un antipático retrabajo.

(ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas).-

En el mundo del diseño electrónico, el retrabajo es el ente malévolo más temido y evitado por los ingenieros, ya que consume tiempo, desgasta la entereza emocional, retrasa el lanzamiento de producto y significa pérdidas económicas importantes para el fabricante.

Evita retrabajos, estabiliza primero los buffers Op-Amps

Para que un sistema sea retrabajado se requiere que funcione erráticamente al someterlo a la fase de validación y pruebas, y ya montado en la placa el circuito responda con un desempeño inferior al establecido en el ‘roadmap’ inicial. Pero en este documento abordaremos un elemento que es intrínseco a la efectividad de los sistemas que poseen potencia digital, los búfer, utilizados comúnmente como amplificadores operacionales para transformar la impedancia de una señal, pero que su implementación no resulta nada sencillo como parece, ya que ni el uso de un novedoso analizador de señales previene de errores si el diseñador no aplica técnicas adecuadas de medición.

En los proyectos de desarrollo el uso de un circuito búfer ayuda a transformar la impedancia alta en salida con baja impedancia, aunque también puede ser utilizado un convertidor ADC para reducir el ruido de voltaje producido por el muestreo de corriente.

Las maniobras de anclaje de búfers no son nada sencillo como anteriormente mencionamos y es que estos circuitos son vulnerables a una inestabilidad que puede degradar su condición operativa. El principal factor de esta afectación es la carga capacitiva de salida tanto de otros componentes cercanos o por la propia capacitancia del PCB. La mala práctica derivará en niveles altos de impedancia y ruido.

El procedimiento para estabilizar un amplificador operacional sometido a pruebas de medición no es un trabajo que prometa relajar al técnico en turno, ya que tendrá que sortear las dificultades del ancho de banda y la interacción entre el Op-Amp y la tarjeta de circuito impreso.

Keysight E5061A
Analizadores como el Keysight E5061A ofrecen automatización de medición, en este caso cuenta con capacitores para la lectura de cargas en la propia PCB.

Si existiera la posibilidad de elegir, la medición de impedancia del búfer tendería a ser directamente desde el circuito, pero esto es altamente complejo, por lo que la opción restante es realizar una prueba fija replicando la carga del PCB.

En el caso del ancho de banda, este representa otro reto, ya que si tenemos un circuito con ‘bandwidth’ de 200 MHz podría ser sujeto a una medición utilizando un Analizador de Respuesta de Frecuencia (FRA) pero asimismo debemos tomar en cuenta las interconexiones entre los instrumentos y el PCB que incrementa la dificultad.

Una alternativa para medir las impedancias de salida es hacer uso de un VNA (Analizador de Redes Vectoriales) el cual puede conectarse a un bloque DC de baja frecuencia enlazado a un puerto de prueba con línea de transmisión de 50-Ω. Algunas soluciones del mercado como el Keysight E5061B poseen un módulo de software denominado Margen de Estabilidad no-Invasiva (NISM) que transforma las mediciones de impedancia en un plano de margen de fase. Este software NISM se encarga de computar directamente la estabilidad de las mediciones de impedancia.

 Medición de Impedancia
La magnitud y fase de impedancia se puede documentar en dispositivos que cuentan con software para el cálculo de estabilidad no-invasiva

A fin de mejorar la estabilidad de los circuitos búfer se puede optar por reducir el PCB o la carga de capacitancia, aunque esto solo es recomendado para quienes cuentan con un dominio del campo ya que suele ser complejo.

De forma primaria se requiere colocar una resistencia de aislamiento entre la salida del amplificador y el resto del circuito. El valor del resistor está calculado desde dos puntos de datos, uno el de la frecuencia resonante, y el otro cualquier punto por debajo de la resonancia.
Su tuviéramos un caso donde los valores fueran 164 MHz para el primer punto, que es el de la frecuencia resonante, y el punto conveniente o segundo fuera de 20 dBΩ sobre 100 MHz, obtendríamos el siguiente ejercicio:

Ecuación Impedancia
Ecuación de medición que requiere rediseño de PCB

Esto significaría que es necesario colocar una serie de resistencias en la salida de búfer para mejorar la estabilidad, pudiendo utilizar una serie RC en red desde la salida del amplificador hasta la señal de regreso. El valor de la resistencia es el mismo que el calculado anteriormente, mientras que el capacitor puede ser calculado de la forma siguiente:

Ecuación Op-Amps
Ejemplo de medición de capacitancia.

Durante esta técnica para resolver la pobreza de inestabilidad, se debe procurar implementar solo en casos donde sea viable, ya que no en todos los casos funciona efectivamente. Para un amplificador operacional y tomando en cuenta su ancho de banda, la inductancia efectiva del Op-Amp siempre es un valor de capital importancia, así como la reducción de impedancia y el aumento de la tolerancia del circuito búfer hacia las cargas capacitivas del PCB.

Algo que es sumamente importante al momento de elegir un amplificador operacional, es procurar que posea valor de impedancia de salida en las especificaciones técnicas a fin de alcanzar una buena comparativa con otras soluciones similares del mercado.

Sistemas silenciosos dependen del diseño de PCB

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Cuando los objetivos del ingeniero diseñador es lograr un sistema silencioso y térmicamente resistente es necesario tomar en cuenta ciertas consideraciones al crear la tarjeta de circuito impreso.

(ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas)

El proyecto ya está terminado; ya se corrieron todas las pruebas de validación y los resultados arrojaron que el sistema registra índices óptimos de resistencia térmica, y lo que es mejor, no genera ruidos relativos a campos magnéticos internos.

Esta quimera es el blanco dentro de las ingenierías y la etapa de documentación de todo especialista en diseño y desarrollo de sistemas electrónicos que trabajan con módulos de potencia; señal de éxito que se deriva de la buena aplicación de conocimientos en diseño electrónico y de las tarjetas de circuito impreso (PCBs).

Desafortunadamente no todo es color de rosa y este objetivo suele ser muy difícil para conseguirlo ya que para desarrollar un sistema térmicamente resistente y libre de ruidos depende en demasía de cómo el ingeniero cree el prototipo base.

Cabe mencionar que uno de los problemas más comunes durante la etapa de desarrollo al momento de encender el sistema, los módulos de potencia resultan inestables liberando formas de onda también inestables que pueden vulnerar el sistema general con ruido por campos electromagnéticos o bien reducir el rendimiento del sistema, en última instancia también pueden sobrecalentar ciertas regiones de la PCB haciendo lento el sistema.

Algunas veces las formas de onda generan cierta interferencia tan pronunciada que pueden dar paso a ruidos tan significativos que incluso pueden escucharse en aquellos componentes magnéticos integrados en el sistema.

Si el problema está relacionado con el diseño de la tarjeta de circuito impreso (PCB) o como en la industria es conocido como “layout”, identificar la causa de tales ruidos puede ser similar a buscar una aguja en un pajar, es por eso que en este artículo se precisa la importancia de dar atención al layout del PCB desde que se trabajan en las primeras etapas.

En un proyecto el vínculo de comunicación y espíritu de trabajo en equipo entre los ingenieros diseñadores es importante para lograr el éxito buscado, pues tan solo basta subrayar la participación en un proyecto del diseñador del módulo de potencia o de suministro de energía y del diseñador de la tarjeta de circuito impreso (PCB).

Tomando en cuenta que el layout del PCB debe trabajar apropiadamente y converger de la mejor manera técnica posible con los componentes magnéticos y viceversa, es más sencillo deducir que un buen diseño de tarjeta impresa optimiza el suministro de energía, los problemas térmicos y más importante aun, permite minimizar el ruido y las interacciones entre las pistas y los componentes.

Los elementos que deben ser considerados como importantes a la hora de comenzar un proyecto por parte del diseñador es la estructura apropiada de los ‘paths’ de corriente y los flujos de señales en el módulo de suministro de energía, por supuesto acompañados de una excelente planificación del layout.

Módulo de potencia ahorra hasta 70% de espacio en PCB

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La nueva familia de módulos integrados de potencia “PowlRaudio” de International Rectifier tienden a reducir el especio utilizado en las tarjetas y simplificar el diseño de amplificadores clase D.

(ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas)

Reducir el footprint en las tarjetas electrónicas hasta un 70% y simplificar el diseño de amplificadores clase D, son dos de los objetivos principales de la nueva familia de módulos de potencia PowlRaudio de la compañía International Rectifier.

En el informe de la firma en su sitio Web, los nuevos módulos están dirigidos al desarrollo de sistemas de teatro en casa (home theatre) y amplificadores de potencia para sistemas de audio automotriz.

En la ficha técnica de la compañía se explica que los nuevos módulos cuentan con un controlador integrado PWM (Modulación por Ancho de Pulsos), dos MOSFETs (Transistor de Efecto de Campo Metal-Óxido-Semiconductor) para el audio digital y un controlador de audio avanzado, todo en un solo circuito integrado.

Cabe mencionar que los componentes cuentan con un excelente perfil térmico, con lo cual pueden ser capaces de operar sin otros elementos adicionales como reguladores o disipadores, que al mismo tiempo ocupan espacio al momento de ser integrados en la placa base.

Los módulos vienen en dos versiones: el IR4301M de un solo cana y el IR4302M de canal dual, ambos diseñados para la construcción de amplificadores estéreos y otros sistemas multi canal con la ventaja de ser altamente configurables.

Sus dimensiones son 5mm x 6mm y 7mm x 7mm, respectivamente en un formato de encapsulado PQFN lo cual promueve un excelente nivel de optimización para el diseño de amplificadores clase D más pequeños.

De acuerdo al informe, la combinación del circuito integrado (IC) de audio avanzado junto con el MOSFETs, generan una reacción de mejora en el sistema donde es integrado ya que en base con las declaraciones de sus fabricantes, los componentes han sido optimizados para incrementar el rendimiento y eficiencia energética principalmente en los sistemas de audio. Además, con la implementación de ambas tecnologías, se promueve la respuesta del THD y EMI, permitiendo a la gama de módulos IR43xxM operar sin disipadores, como se indicó anteriormente.

“Las soluciones existentes de amplificadores Clase D de IR garantizan un rendimiento de audio equivalente para los amplificadores AB, mientras que al mismo tiempo se obtienen beneficios adicionales y todo en un espacio pequeño”, dijo Jun Honda, Director de Sistemas de Audio para International Rectifier. “El alto nivel de integración de nuestros nuevos módulos PowIRaudio permiten a nuestros clients realizer diseños más rápidos y de una manera más sencilla en sus proyectos que involucran sistemas de audio con amplificadores clase D”.

Otras funciones clave de los módulos de IR incluyen administración de voltajes, protección contra descargas dieléctricas, reguladores internos y externos, inmunidad contra el ruido y entradas diferenciales por mencionar algunos.

Para conocer otros datos técnicos de la gama PowIRaudio lo invitamos a visitar el sitio de Internet de la compañía: http://www.irf.com/whats-new/nr120517.html

PCB-FPGA, difícil mezcla en diseño

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Ingenieros desarrolladores concluyeron en un foro estadounidense que los diseñadores de PCBs son actualmente la clave para que un proyecto basado en FPGAs resulte exitoso o fallido.

(ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas)

Ingenieros desarrolladores que participaron en el congreso DesignCon, realizado del 31 de enero al 2 de febrero en Santa Clara (California), demandaron mayor concientización por parte de los diseñadores de PCBs en proyectos basados en FPGAs pues los consideraron como la clave para que el proyecto resulte en éxito o en falla.

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De acuerdo a la unanimidad mostrada por la participación de los especialistas congregados en el foro de desarrolladores y los panelistas invitados, los diseñadores de PCB se han convertido hoy en día en “el chivo expiatorio” de los proyectos basados en FPGAs (Field Programmable Gate Array) pues son los responsables de una de las etapas más importantes en esta clase de complejas combinaciones.

En un artículo publicado en la revista EETimes este mes de febrero, el especialista en Investigación y Desarrollo de PCBs (Tarjetas de Circuito Impreso) para la compañía Hewlett-Packard, John Hutton, comentó que a lo largo de su trayectoria ha identificado ventajas en el desarrollo de PCBs con FPGAs, y que una –quizás la mejor- de su perfil programable es que: “Los FPGAs son muy flexibles”.

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Hutton añadió que de no seguir cuidadosamente las reglas sobre cómo usar los pines, los mismos dispositivos FPGAs pueden ocasionar problemas. “Lo que necesitamos es una metodología de ruta automatizada de rompimiento con pines externos de tiempo correcto”, comentó.

El documento refiere que el uso de los FPGAs creció significativamente durante la pasada década y que a la fecha su aumento ha sido constante, por lo que los problemas de diseño de PCBs basados en FPGAs auguran un único reto para los diseñadores de PCBs y sistemas, que es el hecho de que son configurables.

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La configuración de los FPGAs obliga prácticamente a los equipos de diseño a enfrentar retos como la optimización de los diseños FPGAs a través de múltiples dominios de PCB esquemáticos y tiempos del propio FPGA.

Ante esta aseveración, otros ingenieros responsables de departamentos de desarrollo se unieron al comentario de Hutton, tal es el caso de Darren Hopcroft ingeniero diseñador de PCBs para la compañía Cisco quien dijo: “Asignar apropiadamente los pines de salida es un reto que permanece para hacer la tarjeta PCB efectiva”.

Por su parte Andy DeBaets, Director de Sistemas e Ingeniería de Aplicaciones para la compañía Xilinx, sugirió no asignar pines estándar en FPGAs para las tarjetas impresas debido a la experiencia de la

firma a la que representa y su importante trayectoria en el segmento de los dispositivos de compuertas programables.

“La asignación de pines en BGA (ball grid array) no está estandarizada debido a que la retroalimentación de los diseñadores de PCs está muy restringida”, dijo DeBaets.

El directivo añadió que un documento PDF con 416 páginas titulado Virtex-5 FPGA Packing and Pinout Specification ofrece ideas para seleccionar la mejor de entre una serie de opciones para la asignación de pines e iteraciones en cambios de asignación a los que se ven enfrentados hoy en día los ingenieros diseñadores.

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Método BGA (ball grid array).

DeBaets sugirió que los diseñadores de PCBs enviaran de manera temprana sus diseños FPGA RTL a través de una implementación común de herramientas para validar el mismo proyecto, “de esta manera hay el mínimo de problemas al término del diseño”.

Uno de los instrumentos propuestos por DeBaets fue el sistema Allegro del fabricante de herramientas EDA Cadence Design Systems, Inc., la cual provee a los ingenieros de una radiografía temprana del desarrollo de sus diseños y ayuda a disminuir conflictos de ejecución.

Otro de los panelistas de nombre Nagesh Gupta, Director del Grupo de Ingeniería para la compañía Cadence Design Systems opinó que “los diseños FPGA y sus múltiples requerimientos; los cambios son costosos cuando son hechos manuales; más aun los últimos cambios van a ser más costosos para ti”.

El foro constituido por los especialistas permitió conocer los actuales retos a los que se enfrentan los ingenieros diseñadores de PCBs ante proyectos basados en FPGAs, pues de alguna manera u otra es totalmente reconfigurable por lo que su tarjeta de circuito impreso o PCB debe de contener un perfil mayormente flexible en términos de conectividad como lo es la asignación de pines.

Pero la pregunta primordial para esta polémica es ¿cómo conseguir una excelente estructura enteramente compatible con los FPGAs desde su tarjeta impresa? Para esto el Vicepresidente de Negocios y Marketing para la empresa InPA Systems, Joel Gianelli, sugirió “un bus de diagnóstico al interior del sistema”.

Lo anterior fue propuesto íntegramente por el ejecutivo de la firma debido a el respaldo que le otorga el proceso obtención de patente para una tecnología desarrollada por ellos mismos para una “activa depuración” que presuntamente provee visibilidad para detectar fallas en hardware, reducir el espacio de FPGA y rutear las iteraciones.

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Una de las herramientas propuestas es un sistema desarrollado por la empresa InPA Systems, que promueve una mayor visibilidad en la detección prematura de fallas del hardware asociado a proyectos basados en FPGAs.

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