El ruido representa un obstáculo constante en todo dispositivo electrónico. Si bien el ruido no puede eliminarse por completo, existen técnicas que, si se adoptan, son capaces de reducirlo al mínimo. Generalmente, podemos decir que el ruido no es un problema siempre que no interfiera con el rendimiento del sistema. En caso de no contrarrestarse correctamente, el ruido puede tener efectos adversos en el funcionamiento de diversas placas de circuito impreso. Especialmente, en el caso de los circuitos que operan a altas frecuencias, por ejemplo, por encima de un megahertzio. A estas frecuencias, se crean ondas electromagnéticas alrededor de las trazas del PCB y en los propios componentes, que pueden interferir con las señales que viajan a lo largo de las otras trazas del mismo PCB. El efecto producido por estas interferencias en los valores de corriente y tensión conduce a una degradación en el rendimiento del circuito y plantea serios problemas para la integridad de la señal.
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Posibles fuentes de ruido en el PCB
En un PCB, el ruido se produce normalmente por los picos de voltaje que se producen en algunas señales eléctricas. En los circuitos digitales, los picos de voltaje se generan durante la conmutación del transistor (transiciones encendido-apagado y apagado-encendido), mientras que en los circuitos analógicos, se determinan por los cambios en la corriente de carga. A menudo, el ruido excesivo se debe también a una conexión a tierra flotante o a una conexión a tierra incorrecta. Si la frecuencia máxima de las señales en el PCB es menor a 1MHz, un punto único de conexión a tierra suele ser suficiente, mientras que para los circuitos de alta frecuencia se prefiere una conexión a tierra multipunto o en estrella, como se muestra en la figura 1. También existe una configuración híbrida que utiliza el punto único de conexión para la baja frecuencia y la conexión multipunto para la alta frecuencia.
Conexión a tierra multipunto.
Las principales fuentes de ruido pueden clasificarse como sigue:
- Rebote de tierra: en los circuitos digitales, el rápido e incesante ascenso de las frecuencias de conmutación indica que las señales eléctricas cuentan con cada vez menos tiempo para regresar al nivel de tierra de referencia. Esto puede hacer que la señal «rebote» por encima del nivel de tierra y genere picos de voltaje inesperados, que producen ruido en las señales de salida. En el caso de conmutación simultánea múltiple, la cantidad de ruido también produce conmutaciones dobles o falsas, que resultan en un fallo en el circuito.
- Diafonía: si las trazas del PCB no están lo suficientemente separadas, una señal (alta frecuencia o alta corriente) puede afectar el comportamiento de una señal transmitida en una traza adyacente. Este fenómeno de acoplamiento electromagnético no deseado se conoce como diafonía y puede ocurrir tanto cuando las trazas están muy cerca entre ellas horizontalmente, como cuando están muy cerca verticalmente en capas adyacentes.
- EMI (interferencia electromagnética): la interferencia electromagnética puede tener diferentes fuentes, pero la más común se debe a un diseño incorrecto de las rutas de retorno a tierra. La regla general para evitar estos fenómenos es insertar las trazas de las señales entre los planos de potencia y de tierra, así, se permite una ruta de retorno sin obstáculos hacia el plano de tierra. De no hacerlo, la señal de retorno seguirá rutas irregulares al querer encontrar el camino a tierra, generando interferencia y ruido.
Después de haber analizado las principales fuentes de ruido en una placa de circuito impreso, podemos analizar las cinco técnicas más efectivas para solucionar este problema.
1 – Añadir planos de tierra y de potencia
En el momento de definir el diseño del PCB, intente cubrir la mayor área posible de la placa con planos de tierra y de potencia, reservando, si posible, una capa para el plano de tierra y otra para el plano de potencia. Los planos de tierra deben diseñarse de tal manera que exista una ruta de retorno a tierra bien definida, en especial para las señales de alta frecuencia, y así evitar interrupciones o un uso excesivo de las vías.
Si, por cuestiones de espacio o presupuesto, no es posible crear planos de tierra enteros, utilizar un punto único de conexión a tierra (bajas frecuencias) o una conexión en estrella (altas frecuencias), para conectar todas las trazas de tierra en un punto de tierra común. Este método reduce el acoplamiento de impedancia, común entre los diversos subsistemas. Siempre que sea posible, las trazas que transmiten señales de potencia deben ser paralelas a las líneas de tierra.
2 – Optimizar el tamaño de las trazas
Las trazas de señal que pasan a través del PCB deben ser lo más cortas y delgadas posible. De ser necesario, inserte orificios de paso para mantener las trazas cortas. En general, las trazas con un grosor menor a 8 milímetros y un ancho de entre 4 a 8 milímetros se consideran una solución apropiada para reducir el acoplamiento capacitivo y, por ende, el ruido, especialmente a altas frecuencias. Asimismo, la distancia entre las trazas adyacentes debe ser siempre mayor que su ancho, con el fin de reducir el riesgo de diafonía. En general, los PCB multicapa son preferibles, puesto que permiten separar las capas de tierra, potencia y señales.
La inductancia de un conductor es inversamente proporcional al logaritmo del diámetro y directamente proporcional a su longitud. Por tanto, para reducir la inductancia es necesario utilizar trazas lo más cortas y anchas posible. Las líneas eléctricas y todas las señales de entrada del PCB deben filtrarse por medio de un filtro de etapa única o multietapa para atenuar el ruido.
3 – Separar las diferentes zonas del PCB
El diseño del apilamiento del PCB es de vital importancia, puesto que repercute tanto en la integridad de señal como en la reducción del ruido. Las trazas situadas en las capas de señal deben utilizar una configuración microstrip o stripline, según la posición de la capa en el diseño del apilamiento. La disposición de las capas determina tanto la cantidad de radiación electromagnética producida por la placa como el grado de inmunidad a la radiación de fuentes externas.
En el PCB, mantenga separados los circuitos analógicos y digitales. Estos últimos se encargan de generar ruido digital de alta frecuencia, que puede inducir a errores en los circuitos digitales y analógicos, en especial si estos circuitos no están suficientemente separados entre ellos. Un criterio similar se aplica a la frecuencia, por tanto, es una elección pertinente mantener los circuitos de alta frecuencia separados de los de baja frecuencia. Un ejemplo de zonificación se muestra en la Figura 2.
Zonificación de un PCB.
4 – Utilizar condensadores de desacoplamiento
El posicionamiento de los componentes en el PCB juega un rol clave en la reducción del ruido. Los componentes de potencia deben posicionarse uno cerca del otro y en la misma capa, para así reducir la inductancia que pueda generarse entre los orificios de paso. Por su parte, los componentes de alta frecuencia deben colocarse de tal forma que sus trazas sean lo más cortas posible. Los condensadores de desacoplamiento (o de derivación) deben situarse lo más cerca posible de cada pasador de potencia de los componentes activos, con el fin de reducir los picos de voltaje durante el cambio de señal y evitar el rebote de retorno a tierra. Si bien son más caros, los condensadores de tántalo de alta capacitancia ofrecen una calidad y rendimiento mayores que los condensadores electrolíticos tradicionales. Los condensadores cerámicos multicapa pueden utilizarse para desacoplar circuitos integrados, con valores de capacitancia seleccionados según la señal de frecuencia, por ejemplo, 0,1 µF para las frecuencias de hasta 15 MHz y 0,01 µF para las frecuencias superiores.
5 – Enrutamiento de las trazas
Previamente hemos dicho que, en general, cuanto más cortas y anchas las trazas en el PCB más efectiva será la reducción o contención del ruido, debido a que la inductancia de las mismas trazas es menor. Esta particularidad es especialmente cierta en las trazas que transportan señales de alta corriente o de alta frecuencia. Si existen dos capas de señal adyacentes en el apilamiento del PCB, es necesario asegurarse de que el enrutamiento sea horizontal en una capa y vertical en la otra. Así, se reduce el riesgo de acoplamiento (diafonía) entre las trazas situadas en dos capas.
Las trazas que transmiten señales sensibles deben mantenerse lejos de los circuitos osciladores, en particular cuando la traza se sitúa en la misma capa que el oscilador y cuando se sitúa en una capa adyacente. Por regla general, evite usar curvas de 90° en las trazas, reemplazando los ángulos rectos por dos ángulos de 45°.
