capítulo 6: diseño de circuitos analógicos y digitales

Capítulo 6: Diseño de Capítulo 6: Diseño de circuitos analógicos y circuitos analógicos y

digitalesdigitales

1.1. Diseño para el control de las Diseño para el control de las emisionesemisiones

2.2. Diseño con vistas a la inmunidadDiseño con vistas a la inmunidad

David Reboredo GilDavid Reboredo Gil

Santiago Muíños LandínSantiago Muíños Landín

Diseño para el control de las Diseño para el control de las emisionesemisiones

Los circuitos digitales son importantes generadores de Los circuitos digitales son importantes generadores de interferencia electromagnética. Las ondas cuadradas de interferencia electromagnética. Las ondas cuadradas de alta frecuencia se distribuyen por todo el sistema.alta frecuencia se distribuyen por todo el sistema.

Los circuitos analógicos son mucho más silenciosos debido Los circuitos analógicos son mucho más silenciosos debido a que las ondas cuadradas no son una de sus a que las ondas cuadradas no son una de sus características. Una excepción importante son los circuitos características. Una excepción importante son los circuitos de vídeo que transmiten señales de hasta varios MHz.de vídeo que transmiten señales de hasta varios MHz.

También las fuentes de alimentación conmutadas de También las fuentes de alimentación conmutadas de potencia son una importante causa de interferencias en potencia son una importante causa de interferencias en frecuencias bajas y medias ya que, en esencia, es un frecuencias bajas y medias ya que, en esencia, es un oscilador de onda cuadrada de alta potencia.oscilador de onda cuadrada de alta potencia.

El espectro de FourierEl espectro de Fourier Dominio temporal y dominio frecuencialDominio temporal y dominio frecuencial::

La mayoría de diseñadores están acostumbrados a trabajar La mayoría de diseñadores están acostumbrados a trabajar en el dominio temporal (como vemos en un osciloscopio). en el dominio temporal (como vemos en un osciloscopio). Pero una onda que se repita la podemos representar en el Pero una onda que se repita la podemos representar en el dominio de frecuencias y para ello se usa un analizador de dominio de frecuencias y para ello se usa un analizador de espectro. La herramienta matemática que permite analizar espectro. La herramienta matemática que permite analizar una forma de onda en un dominio temporal, conocido en el una forma de onda en un dominio temporal, conocido en el dominio de la frecuencia es la transformada de Fourier. dominio de la frecuencia es la transformada de Fourier.

El espectro de FourierEl espectro de Fourier

Elección de la familia lógicaElección de la familia lógica::

El daño en cuanto a las emisiones se hace por los flancos de El daño en cuanto a las emisiones se hace por los flancos de conmutación que tienen un tiempo de subida y bajada rápido conmutación que tienen un tiempo de subida y bajada rápido lo cual no es lo mismo que el retardo de propagación. Utilizar lo cual no es lo mismo que el retardo de propagación. Utilizar el tiempo de subida más lento compatible con un el tiempo de subida más lento compatible con un funcionamiento fiable reducirá al mínimo la amplitud de los funcionamiento fiable reducirá al mínimo la amplitud de los armónicos de orden superior donde la radiación es más eficaz.armónicos de orden superior donde la radiación es más eficaz.

Se debe utilizar la familia lógica más lenta que haga el trabajo Se debe utilizar la familia lógica más lenta que haga el trabajo es decir, no utilizar lógica rápida cuando no sea necesario. es decir, no utilizar lógica rápida cuando no sea necesario. Utilizar lógica rápida sólo en donde las componentes del Utilizar lógica rápida sólo en donde las componentes del circuito tengan que funcionar a alta velocidad. Sin embargo, la circuito tengan que funcionar a alta velocidad. Sin embargo, la preferencia por la utilización de la lógica lenta está en contra preferencia por la utilización de la lógica lenta está en contra de las demandas de los técnicos de software para conseguir de las demandas de los técnicos de software para conseguir mayor velocidad del proceso.mayor velocidad del proceso.

El espectro de FourierEl espectro de Fourier A nivel del chip, las corrientes parásitas que aparecen en las A nivel del chip, las corrientes parásitas que aparecen en las

patillas se pueden reducir al mínimo.patillas se pueden reducir al mínimo. Los tiempos de transición se pueden optimizar en lugar de Los tiempos de transición se pueden optimizar en lugar de

reducirlos. Diseñando cuidadosamente el encapsulado, puede reducirlos. Diseñando cuidadosamente el encapsulado, puede introducirse un pequeño condensador de desacoplamiento introducirse un pequeño condensador de desacoplamiento tan cerca como se pueda del chip, sin la inductancia del tan cerca como se pueda del chip, sin la inductancia del marco metálico interno que anula su efecto. Además marco metálico interno que anula su efecto. Además podemos usar la reducción de área de silicio ganada con los podemos usar la reducción de área de silicio ganada con los avances en el diseño para colocar un condensador de avances en el diseño para colocar un condensador de desacoplamiento de tamaño adecuado (de 1 nF de desacoplamiento de tamaño adecuado (de 1 nF de capacidad) sobre el silício. capacidad) sobre el silício.

Radiación procedente de los circuitos lógicosRadiación procedente de los circuitos lógicos

Radiación en modo diferencialRadiación en modo diferencial::

La eficacia de radiación de un bucle pequeño es proporcional al La eficacia de radiación de un bucle pequeño es proporcional al cuadrado de la frecuencia. Esta relación es válida hasta que la cuadrado de la frecuencia. Esta relación es válida hasta que la periferia del bucle se aproxima a un cuarto de longitud de onda periferia del bucle se aproxima a un cuarto de longitud de onda en cuyo punto la eficacia llega al máximo. Superponiendo esta en cuyo punto la eficacia llega al máximo. Superponiendo esta característica en la curva armónica envolvente de una forma de característica en la curva armónica envolvente de una forma de onda trapezoidal se observa que las emisiones en modo onda trapezoidal se observa que las emisiones en modo diferencial, debidas sobre todo a los bucles de corriente, serán diferencial, debidas sobre todo a los bucles de corriente, serán más o menos constantes con la frecuencia por encima de un más o menos constantes con la frecuencia por encima de un punto de ruptura determinado por el tiempo de subida. El punto de ruptura determinado por el tiempo de subida. El coeficiente de Fourier para la frecuencia fundamental F1 es 0,64 coeficiente de Fourier para la frecuencia fundamental F1 es 0,64 y por tanto la emisión a F1 será:y por tanto la emisión a F1 será:

E = 20logE = 20log1010∙(119 ∙10∙(119 ∙10-6-6(f(f22 ∙A ∙I ∙A ∙Ipkpk) dB) dBμμV/mV/m

Radiación procedente de los circuitos Radiación procedente de los circuitos lógicoslógicos

Al combinar los tiempos de subida y bajada conocidos y la Al combinar los tiempos de subida y bajada conocidos y la capacidad de corriente de salida parásita para una familia capacidad de corriente de salida parásita para una familia lógica con el espectro de un trapezoide de Fourier en lógica con el espectro de un trapezoide de Fourier en diferentes frecuencias fundamentales, se puede calcular la diferentes frecuencias fundamentales, se puede calcular la emisión máxima radiada para las diferentes áreas de bucle. emisión máxima radiada para las diferentes áreas de bucle. En la tabla siguiente muestra la zona máxima permitida En la tabla siguiente muestra la zona máxima permitida para las familias lógicas y frecuencias de reloj. para las familias lógicas y frecuencias de reloj. ΔΔI, es la I, es la corriente de conmutación dinámica que se puede corriente de conmutación dinámica que se puede suministrar al dispositivo para cargar o descargar la suministrar al dispositivo para cargar o descargar la capacitancia del nodo. La siguiente representación muestra capacitancia del nodo. La siguiente representación muestra emisiones de ondas trapezoides digitales a través de emisiones de ondas trapezoides digitales a través de diferentes trayectorias:diferentes trayectorias:


En cuanto a las implicaciones de diseño y construcción, En cuanto a las implicaciones de diseño y construcción, para frecuencias de reloj por encima de 30 MHz o para para frecuencias de reloj por encima de 30 MHz o para familias lógicas rápidas, es importante trazar un plano de familias lógicas rápidas, es importante trazar un plano de tierra ya que no podemos restringir el área del bucle de tierra ya que no podemos restringir el área del bucle de ninguna otra forma. Esto no es suficiente si utilizamos ninguna otra forma. Esto no es suficiente si utilizamos lógica rápida por encima de 30MHz. El área de bucle lógica rápida por encima de 30MHz. El área de bucle introducida por las dimensiones del encapsulado del introducida por las dimensiones del encapsulado del dispositivo, excede los límites permitidos por lo que dispositivo, excede los límites permitidos por lo que tendríamos que apantallar y filtrar.tendríamos que apantallar y filtrar.

El cuadro anterior se refiere a un único bucle radiante. Para El cuadro anterior se refiere a un único bucle radiante. Para un bucle n similar, la emisión es proporcional a nun bucle n similar, la emisión es proporcional a n1/21/2..

No se debe pensar que si satisfacemos las condiciones del No se debe pensar que si satisfacemos las condiciones del cuadro anterior tendremos emisiones por debajo del límite cuadro anterior tendremos emisiones por debajo del límite ya que también entran en juego las emisiones en modo ya que también entran en juego las emisiones en modo común y este cuadro sólo tiene en cuenta las emisiones en común y este cuadro sólo tiene en cuenta las emisiones en modo diferencial. Pero si no satisfacemos el cuadro anterior modo diferencial. Pero si no satisfacemos el cuadro anterior se necesitará apantallado y filtrado adicionales.se necesitará apantallado y filtrado adicionales.


Radiación en modo comúnRadiación en modo común::

Este tipo de radiación se debe sobre todo a los cables y a las Este tipo de radiación se debe sobre todo a los cables y a las grandes estructuras metálicas y aumenta a una velocidad grandes estructuras metálicas y aumenta a una velocidad linealmente proporcional a la frecuencia. Hay dos factores linealmente proporcional a la frecuencia. Hay dos factores principales que hacen del acoplamiento en modo común la principales que hacen del acoplamiento en modo común la fuente principal de las emisiones radiadas:fuente principal de las emisiones radiadas:

1.1. La radiación de los cables es mucho más eficaz que la de un La radiación de los cables es mucho más eficaz que la de un bucle pequeño y por tanto se necesita una corriente en modo bucle pequeño y por tanto se necesita una corriente en modo común más pequeña para la misma intensidad de campo.común más pequeña para la misma intensidad de campo.

2.2. La resonancia de cable normalmente se encuentra entre 30 y La resonancia de cable normalmente se encuentra entre 30 y 100 MHz y la radiación se intensifica para un cable corto.100 MHz y la radiación se intensifica para un cable corto.


Podemos hacer un cálculo similar al realizado para el modo Podemos hacer un cálculo similar al realizado para el modo diferencial. Éste asume que el cable está impulsado por una diferencial. Éste asume que el cable está impulsado por una tensión en modo común desarrollada a través de una pista de tensión en modo común desarrollada a través de una pista de tierra que forma parte de un circuito lógico. La pista de tierra tierra que forma parte de un circuito lógico. La pista de tierra transporta la corriente transporta la corriente ΔΔI que genera una tensión de ruido I que genera una tensión de ruido diferencial Vdiferencial VN N de de ΔΔI∙jw∙L entre la referencia de tierra y la I∙jw∙L entre la referencia de tierra y la conexión del cable. Se permite un factor de -20 dB para la conexión del cable. Se permite un factor de -20 dB para la pérdida por acoplamiento a la referencia de tierra. Se asume que pérdida por acoplamiento a la referencia de tierra. Se asume que la impedancia del cable es resistiva de 150Ω y constante con la la impedancia del cable es resistiva de 150Ω y constante con la frecuencia y que las dimensiones de la placa del circuito impreso frecuencia y que las dimensiones de la placa del circuito impreso son insignificantes comparadas con las dimensiones del cable. son insignificantes comparadas con las dimensiones del cable. Aquí tenemos un esquema del modelo:Aquí tenemos un esquema del modelo:


Consecuencias de la longitud de pistaConsecuencias de la longitud de pista::

La inductancia L es importantísima en cuanto al nivel de ruido. El cuadro que sigue La inductancia L es importantísima en cuanto al nivel de ruido. El cuadro que sigue tabula, igual que antes, las longitudes de pista permisibles en función de la frecuencia tabula, igual que antes, las longitudes de pista permisibles en función de la frecuencia del reloj y de la familia lógica.del reloj y de la familia lógica.


No se debe tomar muy en serio este modelo con fines de No se debe tomar muy en serio este modelo con fines de predicción puesto que se han simplificado demasiados factores: se predicción puesto que se han simplificado demasiados factores: se han omitido las variaciones de la resonancia del cable y la han omitido las variaciones de la resonancia del cable y la impedancia con la frecuencia y la estructura, las resonancias de impedancia con la frecuencia y la estructura, las resonancias de pista y circuito y la autocapacitancia, y la resonancia y pista y circuito y la autocapacitancia, y la resonancia y variabilidad de la trayectoria de acoplamiento a masa. La finalidad variabilidad de la trayectoria de acoplamiento a masa. La finalidad de este modelo es demostrar que las emisiones de un circuito de este modelo es demostrar que las emisiones de un circuito lógico están dominadas por factores en modo común. Las lógico están dominadas por factores en modo común. Las corrientes en modo común se pueden combatir:corrientes en modo común se pueden combatir:

Garantizando que las corrientes lógicas no fluyen entre el punto Garantizando que las corrientes lógicas no fluyen entre el punto de referencia de masa y el punto de conexión de los cables de referencia de masa y el punto de conexión de los cables externos.externos.

Filtrando todas las interfaces de los cables a una masa “limpia”.Filtrando todas las interfaces de los cables a una masa “limpia”.

Blindando los cables llevando la conexión de la pantalla a una Blindando los cables llevando la conexión de la pantalla a una masa “limpia”.masa “limpia”.

Reduciendo al mínimo las tensiones de ruido de masa utilizando Reduciendo al mínimo las tensiones de ruido de masa utilizando un plano de masa.un plano de masa.


El cuadro anterior muestra que la longitud de pista máxima El cuadro anterior muestra que la longitud de pista máxima permisible para las frecuencias superiores y las familias permisible para las frecuencias superiores y las familias lógicas rápidas es impracticable. Por tanto, una sola o la lógicas rápidas es impracticable. Por tanto, una sola o la combinación de las técnicas anteriores será esencial para combinación de las técnicas anteriores será esencial para hacer que esos circuitos obtengan la conformidad.hacer que esos circuitos obtengan la conformidad.

Está claro que si se mueve el punto de referencia de la Está claro que si se mueve el punto de referencia de la figura anterior para estar al lado de la interfaz del cable, no figura anterior para estar al lado de la interfaz del cable, no se desarrolla ninguna tensión de ruido y el cable se hace se desarrolla ninguna tensión de ruido y el cable se hace benigno. Ésta es la finalidad de la estructura de masa benigno. Ésta es la finalidad de la estructura de masa limpia de la interfaz. Con esta manera de hacerlo, las limpia de la interfaz. Con esta manera de hacerlo, las emisiones en modo común sólo se deben a las corrientes emisiones en modo común sólo se deben a las corrientes en modo común que fluyen directamente por las pistas de en modo común que fluyen directamente por las pistas de la placa de circuito impreso.la placa de circuito impreso.


Comparación modo común y modo diferencialComparación modo común y modo diferencial::

El gráfico de la figura muestra el perfil de la emisión real El gráfico de la figura muestra el perfil de la emisión real para la misma señal emitida en modo diferencial a través para la misma señal emitida en modo diferencial a través de un pequeño bucle y en modo común como resultado de de un pequeño bucle y en modo común como resultado de estar acoplado a un cable conectado. Se asume que el estar acoplado a un cable conectado. Se asume que el cable no es resonante y que un cable daría una respuesta cable no es resonante y que un cable daría una respuesta diferente en esta región pero en término medio, la eficacia diferente en esta región pero en término medio, la eficacia está bien representada por este modelo.está bien representada por este modelo.

Reloj y radiación de banda anchaReloj y radiación de banda ancha La principal fuente de radiación en los circuitos digitales es el reloj, o La principal fuente de radiación en los circuitos digitales es el reloj, o

relojes, y sus armónicos. En donde las restricciones del circuito lo relojes, y sus armónicos. En donde las restricciones del circuito lo permitan, se deben retardar los flancos del reloj para reducir al permitan, se deben retardar los flancos del reloj para reducir al mínimo la generación de armónicos. Esto se puede llevar a cabo de mínimo la generación de armónicos. Esto se puede llevar a cabo de tres maneras: impedancia serie, capacitancia paralela o con la tres maneras: impedancia serie, capacitancia paralela o con la utilización de una etapa intermedia de baja calidad de baja actuación. utilización de una etapa intermedia de baja calidad de baja actuación. En la figura se muestran las dos primeras. La segunda opción no es En la figura se muestran las dos primeras. La segunda opción no es recomendable ya que aunque produce el efecto deseado, aumenta la recomendable ya que aunque produce el efecto deseado, aumenta la carga capacitiva en el excitador. El efecto general puede ser carga capacitiva en el excitador. El efecto general puede ser empeorar las emisiones en vez de mejorarlas. Es mejor aumentar la empeorar las emisiones en vez de mejorarlas. Es mejor aumentar la impedancia serie de la salida del excitador en las frecuencias impedancia serie de la salida del excitador en las frecuencias armónicas y esto se puede llevar a cabo mejor con un elemento de armónicas y esto se puede llevar a cabo mejor con un elemento de impedancia en serie con la salida. Un resistor de baja magnitud suele impedancia en serie con la salida. Un resistor de baja magnitud suele ser a menudo un buen sustituto.ser a menudo un buen sustituto.

Reloj y radiación de banda anchaReloj y radiación de banda ancha

Generación del reloj de espectro discretoGeneración del reloj de espectro discreto::

Una posible alternativa, es una técnica conocida como Una posible alternativa, es una técnica conocida como generación del reloj de espectro discreto. En esta técnica la generación del reloj de espectro discreto. En esta técnica la frecuencia del reloj es modulada en un 1 o 2 por ciento por frecuencia del reloj es modulada en un 1 o 2 por ciento por un código pseudoaleatorio seleccionado para la difusión un código pseudoaleatorio seleccionado para la difusión espectral más uniforme. Esto tiene como resultado una espectral más uniforme. Esto tiene como resultado una distribución más amplia de la energía espectral asociada distribución más amplia de la energía espectral asociada con cada armónico del reloj. Esto se logra sin ningún con cada armónico del reloj. Esto se logra sin ningún esfuerzo extraordinario en el diseño y sin ralentizar los esfuerzo extraordinario en el diseño y sin ralentizar los tiempos de subida del reloj.tiempos de subida del reloj.

La frecuencia de reloj exhibirá algo de inestabilidad y la La frecuencia de reloj exhibirá algo de inestabilidad y la técnica puede verse restringida en aplicaciones que técnica puede verse restringida en aplicaciones que necesiten una sincronización muy precisa, aunque se puede necesiten una sincronización muy precisa, aunque se puede utilizar como “arreglo rápido” para trabajos de reparación.utilizar como “arreglo rápido” para trabajos de reparación.

Reloj y radiación de banda anchaReloj y radiación de banda ancha

Placas madrePlacas madre::

Los buses que controlan varios dispositivos Los buses que controlan varios dispositivos o las placas madres transportan corrientes o las placas madres transportan corrientes de conmutación mucho más altas que los de conmutación mucho más altas que los circuitos que son compactos. circuitos que son compactos.

Una placa madre con zócalos de alta Una placa madre con zócalos de alta velocidad debe utilizar siempre una placa velocidad debe utilizar siempre una placa de capas múltiples con plano de masa y los de capas múltiples con plano de masa y los conectores para los módulos deben incluir conectores para los módulos deben incluir una patilla de masa para cada pista de una patilla de masa para cada pista de reloj de alta velocidad y patillas de reloj de alta velocidad y patillas de dirección o datos.dirección o datos.

El bit menos significativo normalmente El bit menos significativo normalmente tiene la componente de frecuencia más tiene la componente de frecuencia más alta de un bus y se debe llevar tan cerca alta de un bus y se debe llevar tan cerca como sea posible de su retorno de tierra.como sea posible de su retorno de tierra.

Las pistas de distribución del reloj siempre Las pistas de distribución del reloj siempre deben tener un retorno de tierra deben tener un retorno de tierra adyacente.adyacente.

La carga capacitiva sobre la señal del reloj La carga capacitiva sobre la señal del reloj en cada placa hija se debe mantener al en cada placa hija se debe mantener al mínimo utilizando una etapa intermedia en mínimo utilizando una etapa intermedia en la placa para la distribución local de la la placa para la distribución local de la señal del reloj.señal del reloj.

Reloj y radiación de banda anchaReloj y radiación de banda ancha Oscilaciones transitorias en las Oscilaciones transitorias en las

líneas de transmisiónlíneas de transmisión::

Si se transmiten datos por líneas largas, Si se transmiten datos por líneas largas, se deben terminar para evitar las se deben terminar para evitar las oscilaciones transitorias amortiguadas. oscilaciones transitorias amortiguadas. Éstas se generan en las transiciones Éstas se generan en las transiciones cuando una porción de la señal se vuelve cuando una porción de la señal se vuelve a reflejar en la línea.a reflejar en la línea.

Una oscilación transitoria severa afectará Una oscilación transitoria severa afectará a la transferencia de datos si excede el a la transferencia de datos si excede el margen de ruido de entrada del aparato.margen de ruido de entrada del aparato.

Además estas oscilaciones pueden ser Además estas oscilaciones pueden ser también una fuente de interferencia por sí también una fuente de interferencia por sí mismas.mismas.

La amplitud de las oscilaciones La amplitud de las oscilaciones transitorias depende del grado de mala transitorias depende del grado de mala adaptación en cualquier extremo de la adaptación en cualquier extremo de la línea, mientras que la frecuencia depende línea, mientras que la frecuencia depende de la longitud eléctrica de la línea. Una de la longitud eléctrica de la línea. Una combinación excitador/receptor debe combinación excitador/receptor debe analizarse en términos de analizarse en términos de comportamiento de su línea de comportamiento de su línea de transmisión si:transmisión si:

22∙t∙tPDPD ∙ longitud de línea > tiempo de ∙ longitud de línea > tiempo de transicióntransición

En donde tEn donde tPD PD es el retardo de propagación es el retardo de propagación de la línea en ns por unidad de longitud.de la línea en ns por unidad de longitud.

Desacoplamiento de circuitos Desacoplamiento de circuitos digitalesdigitales

Sin importar lo buenas que sean las VSin importar lo buenas que sean las VCCCC y las conexiones a y las conexiones a masa, la longitud de la pista introducirá una impedancia que masa, la longitud de la pista introducirá una impedancia que creará ruido de conmutación procedente de las corrientes de creará ruido de conmutación procedente de las corrientes de conmutación parásitas. La finalidad del condensador de conmutación parásitas. La finalidad del condensador de desacoplamiento es mantener una baja impedancia dinámica desacoplamiento es mantener una baja impedancia dinámica entre la tensión de alimentación de cada CI y masa. Esto reduce entre la tensión de alimentación de cada CI y masa. Esto reduce al mínimo las longitudes de la pista que transportan altas al mínimo las longitudes de la pista que transportan altas corrientes.corrientes.

La colocación es crítica: poco más de un centímetro para lógica La colocación es crítica: poco más de un centímetro para lógica rápida y para dispositivos lentos de bajo consumo se permiten rápida y para dispositivos lentos de bajo consumo se permiten varios centímetros de separación. La figura muestra la varios centímetros de separación. La figura muestra la colocación de este condensador de desacoplamiento.colocación de este condensador de desacoplamiento.


Elección de los componentesElección de los componentes::

Para desacoplar una lógica de alta velocidad el factor más Para desacoplar una lógica de alta velocidad el factor más importante al elegir el tipo de condensador, es la inductancia importante al elegir el tipo de condensador, es la inductancia de sus terminales de conexión. Los preferidos son los de de sus terminales de conexión. Los preferidos son los de película de poliéster o los de cerámica de capas múltiples, película de poliéster o los de cerámica de capas múltiples, aunque los mejores son los de tipo chip. Un método de aunque los mejores son los de tipo chip. Un método de desacoplo recomendado para una lógica estándar consiste:desacoplo recomendado para una lógica estándar consiste:

1.1. Un condensador de 22 Un condensador de 22 μμF por placa en la entrada de la fuente F por placa en la entrada de la fuente de alimentación;de alimentación;

2.2. Un condensador de tántalo de 1 Un condensador de tántalo de 1 μμF por cada 10 encapsulados F por cada 10 encapsulados de memoria;de memoria;

3.3. Un condensador de tántalo de 1 Un condensador de tántalo de 1 μμF por cada 2-3 F por cada 2-3 encapsulados LSI;encapsulados LSI;

4.4. Un condensador cerámico o de poliéster de 22 nF para cada Un condensador cerámico o de poliéster de 22 nF para cada bus octal de memoria;bus octal de memoria;

5.5. Un condensador cerámico o de poliéster de 22 nF por 4 Un condensador cerámico o de poliéster de 22 nF por 4 encapsulados de lógica SSI;encapsulados de lógica SSI;


Utilización de las inductancias en serieUtilización de las inductancias en serie::

No es el mejor método llenar la placa de condensadores de No es el mejor método llenar la placa de condensadores de desacoplamiento. Un ejemplo de esto es el uso de un desacoplamiento. Un ejemplo de esto es el uso de un microprocesador de una sola pastilla sin ningún otro componente microprocesador de una sola pastilla sin ningún otro componente digital.digital.

Cuando se coloca un condensador de desacoplamiento al lado del Cuando se coloca un condensador de desacoplamiento al lado del encapsulado del procesador y los demás se colocan en otros encapsulado del procesador y los demás se colocan en otros lugares de la placa, ocurre que la inductancia de las pistas de lugares de la placa, ocurre que la inductancia de las pistas de interconexión, forma un circuito sintonizado en serie con los interconexión, forma un circuito sintonizado en serie con los condensadores distantes de desacoplamiento y en las frecuencias condensadores distantes de desacoplamiento y en las frecuencias resonantes las corrientes de ruido que fluyen hacia los resonantes las corrientes de ruido que fluyen hacia los condensadores distantes, son mayores que si estos condensadores distantes, son mayores que si estos condensadores no existiesen. Esto produce peores emisiones en condensadores no existiesen. Esto produce peores emisiones en esas frecuencias cuando se añaden los condensadores.esas frecuencias cuando se añaden los condensadores.


Análisis de los resultados del modeloAnálisis de los resultados del modelo::

La mejora más importante se produce cuando la impedancia La mejora más importante se produce cuando la impedancia vista dentro de lvista dentro de l11 aumenta de manera importante. Esto sólo se aumenta de manera importante. Esto sólo se puede lograr insertando un inductor discreto.puede lograr insertando un inductor discreto.

Como regla general de diseño se debe planear incluír esos Como regla general de diseño se debe planear incluír esos inductores en serie en la alimentación +Vinductores en serie en la alimentación +VCCCC de cada CI que se de cada CI que se espere que vaya a contribuir a la contaminación por ruido de espere que vaya a contribuir a la contaminación por ruido de las líneas de alimentación.las líneas de alimentación.

Circuitos analógicos: Circuitos analógicos: emisionesemisiones

En general los circuitos analógicos generan menos En general los circuitos analógicos generan menos emisiones. Aquellos que generan deliberadamente señales emisiones. Aquellos que generan deliberadamente señales de alta frecuencia deben seguir las mismas reglas de de alta frecuencia deben seguir las mismas reglas de estructuración, desacoplamiento y conexión a masa ya estructuración, desacoplamiento y conexión a masa ya explicadas.explicadas.

Los circuitos analógicos pueden oscilar en la región de los Los circuitos analógicos pueden oscilar en la región de los MHz y causar interferencias por la siguientes razones:MHz y causar interferencias por la siguientes razones:

1.1. Inestabilidad del bucle de realimentación.Inestabilidad del bucle de realimentación.

2.2. Mal desacoplamiento.Mal desacoplamiento.

3.3. Inestabilidad de la etapa de salida.Inestabilidad de la etapa de salida.

Circuitos analógicos: Circuitos analógicos: emisionesemisiones

Inestabilidad del bucle de realimentaciónInestabilidad del bucle de realimentación::

Cualquier prototipo de circuito amplificador tiene que ser Cualquier prototipo de circuito amplificador tiene que ser comprobado para ver su inestabilidad a altas frecuencias comprobado para ver su inestabilidad a altas frecuencias cuando se haya dado por terminada su configuración.cuando se haya dado por terminada su configuración.

La inestabilidad en la realimentación se debe a demasiada La inestabilidad en la realimentación se debe a demasiada realimentación cerca de la frecuencia de ganancia unidad en realimentación cerca de la frecuencia de ganancia unidad en donde el margen de fase del amplificador se aproxima a su donde el margen de fase del amplificador se aproxima a su valor crítico.valor crítico.

Se puede relacionar con una incorrecta o falta de Se puede relacionar con una incorrecta o falta de compensación de un amplificador operacional.compensación de un amplificador operacional.

Circuitos analógicos: emisionesCircuitos analógicos: emisiones DesacoplamientoDesacoplamiento::

La relación de desnivel por fluctuación en la alimentación cae con el La relación de desnivel por fluctuación en la alimentación cae con el incremento de la frecuencia, al mismo tiempo que el acoplamiento de incremento de la frecuencia, al mismo tiempo que el acoplamiento de la fuente de alimentación a la entrada a altas frecuencias puede ser la fuente de alimentación a la entrada a altas frecuencias puede ser significativo en los circuitos de banda ancha.significativo en los circuitos de banda ancha.

Esto se soluciona desacoplando, pero los condensadores típicos Esto se soluciona desacoplando, pero los condensadores típicos pueden resonar con la inductancia parásita de los cables eléctricos pueden resonar con la inductancia parásita de los cables eléctricos largos en la región de los MHz. La colocación en paralelo de un largos en la región de los MHz. La colocación en paralelo de un condensador de baja magnitud con uno de tántalo hará caer la condensador de baja magnitud con uno de tántalo hará caer la frecuencia de resonancia a un nivel manejable. Se debe señalar que frecuencia de resonancia a un nivel manejable. Se debe señalar que la inductancia en serie del tántalo podría resonar con el condensador la inductancia en serie del tántalo podría resonar con el condensador cerámico y empeorar esta situación. Para solucionar esto se necesita cerámico y empeorar esta situación. Para solucionar esto se necesita una resistencia en serie conel tántalo de unos cuantos ohmios.una resistencia en serie conel tántalo de unos cuantos ohmios.

Las etapas de entrada de los amplifiadores de alta ganancia de varias Las etapas de entrada de los amplifiadores de alta ganancia de varias etapas pueden necesitar una resistencia adicional o un supresor de etapas pueden necesitar una resistencia adicional o un supresor de perla de ferrita en serie con la alimentación de cada etapa para perla de ferrita en serie con la alimentación de cada etapa para mejorar el desacoplamiento de las rutas de alimentación.mejorar el desacoplamiento de las rutas de alimentación.

Circuitos analógicos: emisionesCircuitos analógicos: emisiones

Inestabilidad de la etapa de salidaInestabilidad de la etapa de salida::

Las cargas capacitivas producen un retardo de fase en la Las cargas capacitivas producen un retardo de fase en la tensión de salida al actuar en combinación con la resistencia tensión de salida al actuar en combinación con la resistencia de salida en bucle abierto de los amplificadores de salida en bucle abierto de los amplificadores operacionales. Este incremento de desfase reduce el margen operacionales. Este incremento de desfase reduce el margen de fase de un circuito de realimentación lo bastante como de fase de un circuito de realimentación lo bastante como para causar oscilación. para causar oscilación.

Para solucionar la inestabilidad de salida se debe desacoplar Para solucionar la inestabilidad de salida se debe desacoplar la capacitancia desde la salida con un resistor en serie de la capacitancia desde la salida con un resistor en serie de poco valor y añadir una realimentación de alta frecuencia con poco valor y añadir una realimentación de alta frecuencia con un pequeño condensador directo de realimentación Cun pequeño condensador directo de realimentación CFF que que compense el retardo de fase causado por Ccompense el retardo de fase causado por CLL..

Fuentes de alimentación Fuentes de alimentación conmutadasconmutadas

Las alimentaciones conmutadas presentan dificultades para Las alimentaciones conmutadas presentan dificultades para contener las interferencias generadas. Las emisiones se deben contener las interferencias generadas. Las emisiones se deben tanto a mecanismos en modo común como diferencial.tanto a mecanismos en modo común como diferencial.

La componente principal de la emisión de una FAC se debe a la La componente principal de la emisión de una FAC se debe a la frecuencia de conmutación y sus armónicos. Otra causa de frecuencia de conmutación y sus armónicos. Otra causa de ruido puede deberse a la conmutación de recuperación inversa ruido puede deberse a la conmutación de recuperación inversa de los diodos rectificadores de entrada. En el esquema vemos de los diodos rectificadores de entrada. En el esquema vemos una alimentación de conmutación típica con las principales una alimentación de conmutación típica con las principales trayectorias de emisión marcadas.trayectorias de emisión marcadas.


Radiación desde un bucle de alto di/dtRadiación desde un bucle de alto di/dt::

La radiación de un campo magnético desde un bucle que La radiación de un campo magnético desde un bucle que transporte altas di/dt se puede reducir al mínimo reduciendo el transporte altas di/dt se puede reducir al mínimo reduciendo el área del bucle o las di/dt. Esta área, depende de la estructura y área del bucle o las di/dt. Esta área, depende de la estructura y dimensiones de los componentes físicos. La di/dt es un dimensiones de los componentes físicos. La di/dt es un compromiso entre la frecuencia de conmutación y el consumo compromiso entre la frecuencia de conmutación y el consumo del dispositivo conmutador. Se puede controlar reduciendo la del dispositivo conmutador. Se puede controlar reduciendo la velocidad de subida de la forma de onda de ataque al velocidad de subida de la forma de onda de ataque al conmutador.conmutador.

Construcción de componentes magnéticosConstrucción de componentes magnéticos::

El núcleo del transformador debe tener forma de un circuito El núcleo del transformador debe tener forma de un circuito magnético cerrado para restringir la radiación magnética. Un magnético cerrado para restringir la radiación magnética. Un toroide es una configuración óptima aunque puede no resultar toroide es una configuración óptima aunque puede no resultar práctica debido a las dificultades del bobinado o a las pérdidas práctica debido a las dificultades del bobinado o a las pérdidas de potencia.de potencia.


Acoplamiento capacitivo a masaAcoplamiento capacitivo a masa::

La alta dv/dt en el instante de conmutación se acoplará La alta dv/dt en el instante de conmutación se acoplará capacitivamente a masa y creará corrientes parásitas en modo capacitivamente a masa y creará corrientes parásitas en modo común. La solución es reducir al mínimo la dv/dt así como la común. La solución es reducir al mínimo la dv/dt así como la capacitancia de acoplamiento.capacitancia de acoplamiento.

La dv/dt se reduce mediante un amortiguador y manteniendo La dv/dt se reduce mediante un amortiguador y manteniendo bajos los niveles de di/dt así como la inductancia de fuga del bajos los niveles de di/dt así como la inductancia de fuga del transformador.transformador.

Blindaje capacitivoBlindaje capacitivo::

El acoplamiento capacitivo se reduce al proporcionar pantallas El acoplamiento capacitivo se reduce al proporcionar pantallas electrostáticas adecuadas, sobre todo en el transformador y en el electrostáticas adecuadas, sobre todo en el transformador y en el disipador térmico del aparato. Destaca la conexión adecuada de la disipador térmico del aparato. Destaca la conexión adecuada de la pantalla; a cualquier ruta de alimentación y no a masa.pantalla; a cualquier ruta de alimentación y no a masa.

Incluso si el transformador no está apantallado, su construcción Incluso si el transformador no está apantallado, su construcción puede ayudar o impedir el acoplamiento capacitivo de primario a puede ayudar o impedir el acoplamiento capacitivo de primario a secundario. Separar los bobinados en diferentes devanados secundario. Separar los bobinados en diferentes devanados reduce su capacitancia pero aumenta su inductancia de fuga. reduce su capacitancia pero aumenta su inductancia de fuga.


El acoplamiento es mejor entre El acoplamiento es mejor entre nodos de alta dv/dt; por tanto, nodos de alta dv/dt; por tanto, el extremo del bobinado que el extremo del bobinado que está conectado a Vestá conectado a Vcccc o masa o masa puede proteger al resto del puede proteger al resto del bobinado en un diseño de bobinado en un diseño de capas múltiples. Una pantalla capas múltiples. Una pantalla externa de lámina metálica a 0 externa de lámina metálica a 0 V también reducirá al V también reducirá al acoplamiento de alta dv/dt en acoplamiento de alta dv/dt en la parte exterior del bobinado a la parte exterior del bobinado a otras partes del circuito. La otras partes del circuito. La separación física de las partes separación física de las partes que transportan una dv/dt alta que transportan una dv/dt alta es deseable, aunque difícil de es deseable, aunque difícil de realizar en productos realizar en productos compactos. Una alternativa es compactos. Una alternativa es el apantallado adicional del el apantallado adicional del componente o componentes componente o componentes culpables.culpables.


Interferencia en modo diferencialInterferencia en modo diferencial::

La interferencia de modo diferencial está causada por la tensión que se transforma a La interferencia de modo diferencial está causada por la tensión que se transforma a través de la impedancia finita del condensador de filtro en una di/dt alta. Es casi través de la impedancia finita del condensador de filtro en una di/dt alta. Es casi siempre la fuente de interferencia dominante en los armónicos más bajos de siempre la fuente de interferencia dominante en los armónicos más bajos de conmutación.conmutación.

Una inductancia en serie y una capacitancia paralela en el lado de la salida atenuará Una inductancia en serie y una capacitancia paralela en el lado de la salida atenuará la tensión transferida a los terminales de salida.la tensión transferida a los terminales de salida.

Cuando se compruebe el rendimiento de un filtro en modo diferencial, hay que Cuando se compruebe el rendimiento de un filtro en modo diferencial, hay que asegurarse siempre de comprobarlo a la potencia de entrada máxima de asegurarse siempre de comprobarlo a la potencia de entrada máxima de funcionamiento. No sólo las corrientes de conmutación más altas generan más ruido, funcionamiento. No sólo las corrientes de conmutación más altas generan más ruido, sino que la corriente máxima de entrada de la red puede llevar al inductor o a los sino que la corriente máxima de entrada de la red puede llevar al inductor o a los inductores de filtro hacia la saturación y hacerlo ineficaz.inductores de filtro hacia la saturación y hacerlo ineficaz.


Ruido de salidaRuido de salida::

Los picos parásitos de conmutación son característicos de la Los picos parásitos de conmutación son característicos de la salida de CC de todas las alimentaciones conmutadas, sobre salida de CC de todas las alimentaciones conmutadas, sobre todo por la impedancia finita del filtro de salida. Estos picos todo por la impedancia finita del filtro de salida. Estos picos parásitos salen de la unidad por las líneas de salida en los parásitos salen de la unidad por las líneas de salida en los modos diferencial y común y pueden volver a emitir radiación modos diferencial y común y pueden volver a emitir radiación sobre otros cables o acoplarse a masa generando interferencias sobre otros cables o acoplarse a masa generando interferencias en modo común. Es preferible un condensador ESL, pero se en modo común. Es preferible un condensador ESL, pero se puede obtener una buena supresión en modo diferencial, como puede obtener una buena supresión en modo diferencial, como con la entrada, con un filtro de sección L de alta frecuencia.con la entrada, con un filtro de sección L de alta frecuencia.

La abrupta recuperación inversa característica del diodo o La abrupta recuperación inversa característica del diodo o diodos rectificadores de salida puede crear transitorios y diodos rectificadores de salida puede crear transitorios y oscilaciones transitorias de frecuencia extremadamente alta. oscilaciones transitorias de frecuencia extremadamente alta. Se pueden atenuar utilizando diodos de recuperación menos Se pueden atenuar utilizando diodos de recuperación menos abrupta o colocando los diodos en paralelo con una red abrupta o colocando los diodos en paralelo con una red amortiguadora RC.amortiguadora RC.

Diseño con vistas a la Diseño con vistas a la inmunidadinmunidad

Un circuito basado en un procesador tiene tendencia a Un circuito basado en un procesador tiene tendencia a corromperse por culpa de transitorios rápidos que provoquen corromperse por culpa de transitorios rápidos que provoquen la aparición de estados falsos.la aparición de estados falsos.

Es necesario tomar muchas precauciones para evitar que Es necesario tomar muchas precauciones para evitar que cualquier circuito sincronizado sea susceptible a la cualquier circuito sincronizado sea susceptible a la interferencia entrante.interferencia entrante.

Las señales analógicas se ven más afectadas por la interferencia Las señales analógicas se ven más afectadas por la interferencia continua, que se rectifica por elementos de circuito no continua, que se rectifica por elementos de circuito no lineales alterando la polarización o el nivel de la señal.lineales alterando la polarización o el nivel de la señal.

Se mejora la inmunidad de los circuitos analógicos reduciendo al Se mejora la inmunidad de los circuitos analógicos reduciendo al mínimo el ancho de banda del amplificador, aumentando mínimo el ancho de banda del amplificador, aumentando todo lo posible el nivel de señal, utilizando configuraciones todo lo posible el nivel de señal, utilizando configuraciones equilibradas y aislando eléctricamente la E/S que se equilibradas y aislando eléctricamente la E/S que se conectará a circuitos eléctricos “sucios”.conectará a circuitos eléctricos “sucios”.

Principios de inmunidad en Principios de inmunidad en los circuitos lógicoslos circuitos lógicos

Alejar las trayecAlejar las trayecttorias de interferencia de los circuitos orias de interferencia de los circuitos lógicos críticos:lógicos críticos:

– EstructuraciónEstructuración– Filtrar y aislar las E/SFiltrar y aislar las E/S

Utilizar lógica con umbral de ruido altoUtilizar lógica con umbral de ruido alto

Utilizar algún método de protecciónUtilizar algún método de protección

Adoptar tácticas de protección defensivasAdoptar tácticas de protección defensivas

Sin importar lo buena que sea la Sin importar lo buena que sea la inmunidad del circuito, siempre inmunidad del circuito, siempre habrá un transitorio que la venza. habrá un transitorio que la venza.

Cada microprocesador debe incluir Cada microprocesador debe incluir un protector.un protector.

Se deben utilizar técnicas Se deben utilizar técnicas informáticas para reducir al mínimo informáticas para reducir al mínimo los efectos de la corrupción.los efectos de la corrupción.

Circuitos digitales: trayectorias de Circuitos digitales: trayectorias de interferenciainterferencia

La mayoría de la interferencia crítica en los circuitos basados en La mayoría de la interferencia crítica en los circuitos basados en microprocesador se lleva a masa, tanto si se trata de RF en modo microprocesador se lleva a masa, tanto si se trata de RF en modo común como de transitorios. El daño se hace por la transformación común como de transitorios. El daño se hace por la transformación del ruido de tierra en modo común a ruido en modo diferencial en del ruido de tierra en modo común a ruido en modo diferencial en los nodos sensibles de señal. Esto ocurre por una alta impedancia los nodos sensibles de señal. Esto ocurre por una alta impedancia de transferencia en modo común a diferencial provocada por una de transferencia en modo común a diferencial provocada por una mala disposición de la placa de circuito impreso.mala disposición de la placa de circuito impreso.

Las interferencias en modo diferencial no se propagarán mucho en Las interferencias en modo diferencial no se propagarán mucho en el circuito desde las interfaces externas, de modo que se debe el circuito desde las interfaces externas, de modo que se debe estructurar el circuito para alejar las corrientes parásitas de masa estructurar el circuito para alejar las corrientes parásitas de masa de los circuitos lógicos. Si la estructuración no basta habrá que de los circuitos lógicos. Si la estructuración no basta habrá que filtrar los cables de E/S o aislarlos para definir una trayectoria filtrar los cables de E/S o aislarlos para definir una trayectoria preferente y segura de corriente para la interferencia. Los campos preferente y segura de corriente para la interferencia. Los campos de RF radiados que generan tensiones en modo diferencial de RF radiados que generan tensiones en modo diferencial internamente se manejan del mismo modo que las emisiones internamente se manejan del mismo modo que las emisiones diferenciales RF, al reducir al mínimo el área del bucle, y al diferenciales RF, al reducir al mínimo el área del bucle, y al restringir el ancho de banda de los circuitos susceptibles donde restringir el ancho de banda de los circuitos susceptibles donde sea posible.sea posible.

Transitorios y trayectorias de Transitorios y trayectorias de interferenciainterferencia

Trayectorias de interferencia y Trayectorias de interferencia y ESDESD

Una descarga puede ocurrir en cualquier parte expuesta del Una descarga puede ocurrir en cualquier parte expuesta del equipo. Los puntos problemáticos más normales son:equipo. Los puntos problemáticos más normales son:

-Teclados y mandos-Teclados y mandos

-Cables externos-Cables externos

-Partes metálicas accesibles-Partes metálicas accesibles

Una descarga a un objeto conductor cercano producirá altas Una descarga a un objeto conductor cercano producirá altas corrientes localescorrientes locales

que inducirán a su vez corrientes dentro del equipo mediante un que inducirán a su vez corrientes dentro del equipo mediante un acoplamientoacoplamiento

por impedancia común.por impedancia común.

Trayectorias de interferencia y Trayectorias de interferencia y ESDESD

Transitorio y protección ESDTransitorio y protección ESDLas técnicas para protegerse de las perturbaciones de los transitorios y las Las técnicas para protegerse de las perturbaciones de los transitorios y las

ESD son generalmente similares a las usadas para evitar las emisiones RFESD son generalmente similares a las usadas para evitar las emisiones RF

Las estrategias específicas tienen por objetivo evitar que el transitorio Las estrategias específicas tienen por objetivo evitar que el transitorio entrante y las corrientes fluyan a través del circuito. En su lugar entrante y las corrientes fluyan a través del circuito. En su lugar absorben o desvían de manera inocua y directamente a masa. Para ello:absorben o desvían de manera inocua y directamente a masa. Para ello:

-Mantener las interfaces externas físicamente unas al lado de las otras-Mantener las interfaces externas físicamente unas al lado de las otras

-Filtrar todas las interfaces a masa en su punto de entrada-Filtrar todas las interfaces a masa en su punto de entrada

-Si no es posible, aislar las interfaces susceptibles con una ferrita de -Si no es posible, aislar las interfaces susceptibles con una ferrita de choque en modo común o con optoacopladoreschoque en modo común o con optoacopladores

-Utilizar un cable apantallado con la malla conectada directamente a -Utilizar un cable apantallado con la malla conectada directamente a masamasa

-Proteger las placas de circuito impreso de partes metálicas expuestas o -Proteger las placas de circuito impreso de partes metálicas expuestas o de puntos externos de descarga, con placas internas adicionales de puntos externos de descarga, con placas internas adicionales conectadas a masaconectadas a masa

Inmunidad de la lógica al Inmunidad de la lógica al ruidoruido

La capacidad de un elemento lógico para funcionar correctamente La capacidad de un elemento lógico para funcionar correctamente en un entorno ruidoso implica algo más que los márgenes en un entorno ruidoso implica algo más que los márgenes normales de ruido estático. Para crear un problema, un transitorio normales de ruido estático. Para crear un problema, un transitorio generado externamente debe causar un cambio de estado en un generado externamente debe causar un cambio de estado en un dispositivo y propagarse después por el sistema. dispositivo y propagarse después por el sistema.

Los sistemas con elemento de almacenamiento sincronizado por Los sistemas con elemento de almacenamiento sincronizado por reloj o aquellos que funcionan lo bastante rápido como para que el reloj o aquellos que funcionan lo bastante rápido como para que el transitorio aparezca como una señal son más susceptibles que los transitorio aparezca como una señal son más susceptibles que los sistemas lentos o aquellos sin elementos de almacenamiento.sistemas lentos o aquellos sin elementos de almacenamiento.

Margen de ruido dinámicoMargen de ruido dinámicoEl efecto de un transitorio rápido dependerá de la tensión máxima acoplada aEl efecto de un transitorio rápido dependerá de la tensión máxima acoplada a

la entrada lógica y también de la velocidad de respuesta del elemento.la entrada lógica y también de la velocidad de respuesta del elemento.

Cualquier impulso positivo que vaya desde 0V pero por debajo del umbralCualquier impulso positivo que vaya desde 0V pero por debajo del umbral

lógico de conmutación no hará que la entrada de elementos conmute de 0 a 1lógico de conmutación no hará que la entrada de elementos conmute de 0 a 1

y no se propagará en el sistema. Del mismo modo, un impulsor por encima dely no se propagará en el sistema. Del mismo modo, un impulsor por encima del

umbral hará que el elemento conmute. Pero un impulso que sea más corto queumbral hará que el elemento conmute. Pero un impulso que sea más corto que

el tiempo de respuesta del elemento necesitará una tensión superior parael tiempo de respuesta del elemento necesitará una tensión superior para

hacer el cambio. Esto se puede tomar como un argumento a favor de la lógicahacer el cambio. Esto se puede tomar como un argumento a favor de la lógica

lenta.lenta.

Con una lógica sincronizada, el tiempo de llegada del transitorio con respectoCon una lógica sincronizada, el tiempo de llegada del transitorio con respecto

al reloj es importante. Si el transitorio no coincide con el flaco activo del reloj,al reloj es importante. Si el transitorio no coincide con el flaco activo del reloj,

no se propagará ningún valor erróneo por la línea de datos del sistema.no se propagará ningún valor erróneo por la línea de datos del sistema.

El microprocesador perro El microprocesador perro guardiánguardián

Las técnicas para reducir al mínimo la amplitud y controlar el Las técnicas para reducir al mínimo la amplitud y controlar el camino de la interferencia no pueden eliminar el riesgo. La camino de la interferencia no pueden eliminar el riesgo. La coincidencia de un transitorio de amplitud suficientemente alta coincidencia de un transitorio de amplitud suficientemente alta con un punto vulnerable en la transferencia de datos es un asunto con un punto vulnerable en la transferencia de datos es un asunto completamente estadístico.completamente estadístico.

La manera más económica de garantizar la fiabilidad de un La manera más económica de garantizar la fiabilidad de un producto basado en un microprocesador es aceptar que el producto basado en un microprocesador es aceptar que el programa se corromperá ocasionalmente, así como proporcionar programa se corromperá ocasionalmente, así como proporcionar los medios por los que se pueda recuperar el flujo del programa, los medios por los que se pueda recuperar el flujo del programa, preferiblemente de forma transparente para el usuario. Esta es la preferiblemente de forma transparente para el usuario. Esta es la función del microprocesador de protección al que se llama perro función del microprocesador de protección al que se llama perro guardián.guardián.

El perro guardián debe estar adaptado al funcionamiento del El perro guardián debe estar adaptado al funcionamiento del procesador en cuestión, de lo contrario se debe diseñar en el procesador en cuestión, de lo contrario se debe diseñar en el circuito.circuito.

Funcionamiento básicoFuncionamiento básico

El resultado más serio de una corrupción por transitorio es que se El resultado más serio de una corrupción por transitorio es que se perturba elperturba el

contador del programa del procesador o el registro de dirección de contador del programa del procesador o el registro de dirección de manera quemanera que

empieza a interpretar datos o memoria vacía como instrucciones empieza a interpretar datos o memoria vacía como instrucciones válidas.válidas.

Un perro guardián protege contra esta eventualidad al requerir que elUn perro guardián protege contra esta eventualidad al requerir que el

procesador ejecute una sencilla operación regularmente, sin que procesador ejecute una sencilla operación regularmente, sin que importen lasimporten las

demás cosas que está haciendo. Es en realidad un temporizador cuya demás cosas que está haciendo. Es en realidad un temporizador cuya salidasalida

está enlazada a la entrada RESET, y que en sí, está haciendo está enlazada a la entrada RESET, y que en sí, está haciendo redisparadoredisparado

constantemente por el funcionamiento del procesador, normalmenteconstantemente por el funcionamiento del procesador, normalmente

escribiendo información en un puerto de salida disponible.escribiendo información en un puerto de salida disponible.

Período de tiempo muertoPeríodo de tiempo muerto

Si el temporizador no recibe una “patada” desde el puerto de salida Si el temporizador no recibe una “patada” desde el puerto de salida durantedurante

más de su período de tiempo muerto, su salida se pone a nivel bajo más de su período de tiempo muerto, su salida se pone a nivel bajo (“ladra”) y(“ladra”) y

fuerza al microprocesador a hacer un reinicio. fuerza al microprocesador a hacer un reinicio.

El período de tiempo muerto debe ser lo bastante largo como para El período de tiempo muerto debe ser lo bastante largo como para que elque el

procesador no tenga que interrumpir labores en las que el tiempo esprocesador no tenga que interrumpir labores en las que el tiempo es

fundamental para dar servicio al perro guardián. Por otro lado no fundamental para dar servicio al perro guardián. Por otro lado no debe ser tandebe ser tan

largo como para que se corrompa el funcionamiento del equipo largo como para que se corrompa el funcionamiento del equipo durante undurante un

período peligroso.período peligroso.

Hardware del temporizadorHardware del temporizadorEl circuito perro guardián tiene que exceder la fiabilidad del El circuito perro guardián tiene que exceder la fiabilidad del

resto del circuito y por lo tanto debe ser sencillo. resto del circuito y por lo tanto debe ser sencillo. Un divisor digital como el 4060B alimentado desde un reloj de Un divisor digital como el 4060B alimentado desde un reloj de

altaaltafrecuencia y reajustado periódicamente por impulsos de frecuencia y reajustado periódicamente por impulsos de

notificación, es notificación, es una buena opción. Una de las ventajas de este planteamiento una buena opción. Una de las ventajas de este planteamiento

es que es que su salida en la ausencia de redisparo es una corriente de su salida en la ausencia de redisparo es una corriente de

impulsos impulsos más que un solo disparo.más que un solo disparo.Esto es mucho más fiable que un perro guardián monoestable, Esto es mucho más fiable que un perro guardián monoestable,

que que sólo ladra una vez y luego se calla.sólo ladra una vez y luego se calla.

Conexión al Conexión al microprocesadormicroprocesador

En general es preferible disparar la salida del En general es preferible disparar la salida del temporizador mediante una señal POR para garantizar un temporizador mediante una señal POR para garantizar un ancho de impulso definido de RESET en el ancho de impulso definido de RESET en el microprocesador cuando se produce la conexión.microprocesador cuando se produce la conexión.

Es esencial utilizar una entrada RESET y o alguna otra Es esencial utilizar una entrada RESET y o alguna otra como una interrupción al microprocesador. El procesador como una interrupción al microprocesador. El procesador puede estar en un estado previsible cuando el perro puede estar en un estado previsible cuando el perro guardián ladra, pero debe volver a un estado guardián ladra, pero debe volver a un estado completamente caracterizado, y el único estado que completamente caracterizado, y el único estado que puede garantizar la vuelta al funcionamiento es RESET.puede garantizar la vuelta al funcionamiento es RESET.

Comprobación del perro Comprobación del perro guardiánguardián

No es sencilla, dado que todo el resto del diseño del circuito No es sencilla, dado que todo el resto del diseño del circuito se ha dirigido a garantizar que el perro guardián no ladre.se ha dirigido a garantizar que el perro guardián no ladre.

Se puede someter al equipo a impulsos transitorios Se puede someter al equipo a impulsos transitorios repetidos que sean de un nivel suficiente como para repetidos que sean de un nivel suficiente como para corromper el funcionamiento del procesador de manera corromper el funcionamiento del procesador de manera predecible.predecible.

También se puede instalar un LED a la salida del perro También se puede instalar un LED a la salida del perro guardián para detectar sus ladridos.guardián para detectar sus ladridos.

Además de comprobar la fiabilidad del perro guardián, Además de comprobar la fiabilidad del perro guardián, debemos incluir una conexión para invalidarlo y poder debemos incluir una conexión para invalidarlo y poder comprobar las nuevas versiones de los programas comprobar las nuevas versiones de los programas informáticos.informáticos.

Programación defensivaProgramación defensiva

No todos los fallos del microprocesador son debidos a interferencias, No todos los fallos del microprocesador son debidos a interferencias, tambiéntambién

otros factores como conexiones intermitentes, diseños deficientes del otros factores como conexiones intermitentes, diseños deficientes del

hardware, errores de programación… pueden ser el origen de estos hardware, errores de programación… pueden ser el origen de estos fallos.fallos.

Mediante programas informáticos podremos:Mediante programas informáticos podremos:

-Comprobar el tipo y el rango de todos los datos de entrada-Comprobar el tipo y el rango de todos los datos de entrada

-Hacer la toma de muestras de datos de la entrada varias veces y -Hacer la toma de muestras de datos de la entrada varias veces y prorratear en el caso de los analógicos o validar en el de datos prorratear en el caso de los analógicos o validar en el de datos digitales.digitales.

-Incorporar comprobaciones de paridad y sumas de comprobación -Incorporar comprobaciones de paridad y sumas de comprobación de datos en todas las transmisionesde datos en todas las transmisiones

-Proteger los bloques de datos de la memoria volátil-Proteger los bloques de datos de la memoria volátil

-Reinicializar periódicamente los chips programables de interfaces-Reinicializar periódicamente los chips programables de interfaces

Validación de datos y Validación de datos y prorrateoprorrateo

Esto se basa en que si podemos establecer los límites Esto se basa en que si podemos establecer los límites conocidos sobre las cifras que entran al programa conocidos sobre las cifras que entran al programa informático como entrada, se pueden rechazar los datos informático como entrada, se pueden rechazar los datos que se encuentren fuera de estos límites.que se encuentren fuera de estos límites.

El prorrateo del programa informático en una corriente de El prorrateo del programa informático en una corriente de datos para nivelar las fluctuaciones de ruido del proceso datos para nivelar las fluctuaciones de ruido del proceso puede también ayudar a eliminar el efecto de los datos puede también ayudar a eliminar el efecto de los datos inválidos.inválidos.

Protección de los datos y de la Protección de los datos y de la memoriamemoria

La memoria volátil es susceptible a varias formas de La memoria volátil es susceptible a varias formas de corrupción de datos. Los datos críticos de la RAM se pueden corrupción de datos. Los datos críticos de la RAM se pueden prevenir colocándose en tablas, verificándose cada una por prevenir colocándose en tablas, verificándose cada una por una suma de comprobación que se almacena en la propia una suma de comprobación que se almacena en la propia tabla. Esta comprobación se puede realizar tabla. Esta comprobación se puede realizar automáticamente por una subrutina en cualquier intervalo automáticamente por una subrutina en cualquier intervalo para detectar alguna corrupción en la RAM.para detectar alguna corrupción en la RAM.

Hay que tener cuidado con que la rutina de diagnóstico no Hay que tener cuidado con que la rutina de diagnóstico no sea interrumpida por una modificación de la tabla o sea interrumpida por una modificación de la tabla o viceversa, ya que los errores empezarían a aparecer por viceversa, ya que los errores empezarían a aparecer por todas partes.todas partes.

Memoria del programa sin usar y Memoria del programa sin usar y reinicializaciónreinicialización

Frente a la amenaza de que el microprocesador acceda a Frente a la amenaza de que el microprocesador acceda a espacio sin usar debido a la corrupción de su contador de espacio sin usar debido a la corrupción de su contador de programa, podemos programar unas pocas de las últimas programa, podemos programar unas pocas de las últimas direcciones de la ROM con una instrucción JMP RESET, direcciones de la ROM con una instrucción JMP RESET, normalmente de tres bytes, con la intención de que en el normalmente de tres bytes, con la intención de que en el caso de que el procesador se corrompa y acceda a caso de que el procesador se corrompa y acceda a cualquier unidad de memoria sin uso se encuentre con una cualquier unidad de memoria sin uso se encuentre con una cadena de instrucciones NOP (no operativa) y las ejecute cadena de instrucciones NOP (no operativa) y las ejecute hasta llegar a JMP RESET y por lo tanto provocar un reset.hasta llegar a JMP RESET y por lo tanto provocar un reset.

Para combatir la corrupción del estado de arranque inicial Para combatir la corrupción del estado de arranque inicial de dispositivos programables el método más seguro es de dispositivos programables el método más seguro es reinicializar periódicamente todos los registros críticos. El reinicializar periódicamente todos los registros críticos. El período de las reinicializaciones dependerá de el tiempo período de las reinicializaciones dependerá de el tiempo que el programa pueda tolerar un registro corrupto.que el programa pueda tolerar un registro corrupto.

Inmunidad a los transitorios y Inmunidad a los transitorios y RF: circuitos analógicosRF: circuitos analógicos

Los circuitos analógicos no serán tan susceptibles a las Los circuitos analógicos no serán tan susceptibles a las perturbaciones transitorias como los digitales. Sin embargo perturbaciones transitorias como los digitales. Sin embargo pueden ser más susceptibles a la desmodulación de la pueden ser más susceptibles a la desmodulación de la energía RFenergía RF

Pueden aparecer cambios de polarización que dan como Pueden aparecer cambios de polarización que dan como resultado comportamientos no lineales o falta de resultado comportamientos no lineales o falta de funcionamiento. Los circuitos de audio y vídeo suelen ser funcionamiento. Los circuitos de audio y vídeo suelen ser especialmente sensibles a este tipo de problemas.especialmente sensibles a este tipo de problemas.

Los mayores niveles de señal RF son los acoplados Los mayores niveles de señal RF son los acoplados mediante cables externos de interfaz, y por lo tanto se mediante cables externos de interfaz, y por lo tanto se debe prestar especial atención a estos circuitos.debe prestar especial atención a estos circuitos.

Principios de la inmunidad Principios de la inmunidad analógica:analógica:

-Reducir al máximo en ancho de banda del circuito -Reducir al máximo en ancho de banda del circuito

-Maximizar los niveles de señal -Maximizar los niveles de señal

-Utilizar configuraciones equilibradas de señal.-Utilizar configuraciones equilibradas de señal.

-Aislar las trayectorias particularmente susceptibles.-Aislar las trayectorias particularmente susceptibles.

capítulo 6: diseño de circuitos analógicos y digitales

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