Diseño para el control de las emisiones
Los circuitos digitales son importantes generadores de interferencia electromagnética. Las ondas cuadradas de alta frecuencia se distribuyen por todo el sistema.
Los circuitos analógicos son mucho más silenciosos debido a que las ondas cuadradas no son una de sus características. Una excepción importante son los circuitos de vídeo que transmiten señales de hasta varios MHz.
También las fuentes de alimentación conmutadas de potencia son una importante causa de interferencias en frecuencias bajas y medias ya que, en esencia, es un oscilador de onda cuadrada de alta potencia.
El espectro de Fourier
Dominio temporal y dominio frecuencial:
La mayoría de diseñadores están acostumbrados a trabajar en el dominio temporal (como vemos en un osciloscopio). Pero una onda que se repita la podemos representar en el dominio de frecuencias y para ello se usa un analizador de espectro. La herramienta matemática que permite analizar una forma de onda en un dominio temporal, conocido en el dominio de la frecuencia es la transformada de Fourier.
El espectro de Fourier
Elección de la familia lógica:
El daño en cuanto a las emisiones se hace por los flancos de conmutación que tienen un tiempo de subida y bajada rápido lo cual no es lo mismo que el retardo de propagación. Utilizar el tiempo de subida más lento compatible con un funcionamiento fiable reducirá al mínimo la amplitud de los armónicos de orden superior donde la radiación es más eficaz.
Se debe utilizar la familia lógica más lenta que haga el trabajo es decir, no utilizar lógica rápida cuando no sea necesario. Utilizar lógica rápida sólo en donde las componentes del circuito tengan que funcionar a alta velocidad. Sin embargo, la preferencia por la utilización de la lógica lenta está en contra de las demandas de los técnicos de software para conseguir mayor velocidad del proceso.
El espectro de Fourier
A nivel del chip, las corrientes parásitas que aparecen en las patillas se pueden reducir al mínimo.
Los tiempos de transición se pueden optimizar en lugar de reducirlos. Diseñando cuidadosamente el encapsulado, puede introducirse un pequeño condensador de desacoplamiento tan cerca como se pueda del chip, sin la inductancia del marco metálico interno que anula su efecto. Además podemos usar la reducción de área de silicio ganada con los avances en el diseño para colocar un condensador de desacoplamiento de tamaño adecuado (de 1 nF de capacidad) sobre el silício.
Radiación procedente de los circuitos lógicos
Radiación en modo diferencial:
La eficacia de radiación de un bucle pequeño es proporcional al cuadrado de la frecuencia. Esta relación es válida hasta que la periferia del bucle se aproxima a un cuarto de longitud de onda en cuyo punto la eficacia llega al máximo. Superponiendo esta característica en la curva armónica envolvente de una forma de onda trapezoidal se observa que las emisiones en modo diferencial, debidas sobre todo a los bucles de corriente, serán más o menos constantes con la frecuencia por encima de un punto de ruptura determinado por el tiempo de subida. El coeficiente de Fourier para la frecuencia fundamental F1 es 0,64 y por tanto la emisión a F1 será:
E = 20log10·(119 ·10-6(f2 ·A ·Ipk) dBµV/m
Radiación procedente de los circuitos lógicos
Al combinar los tiempos de subida y bajada conocidos y la capacidad de corriente de salida parásita para una familia lógica con el espectro de un trapezoide de Fourier en diferentes frecuencias fundamentales, se puede calcular la emisión máxima radiada para las diferentes áreas de bucle. En la tabla siguiente muestra la zona máxima permitida para las familias lógicas y frecuencias de reloj. ?I, es la corriente de conmutación dinámica que se puede suministrar al dispositivo para cargar o descargar la capacitancia del nodo. La siguiente representación muestra emisiones de ondas trapezoides digitales a través de diferentes trayectorias:
Radiación procedente de los circuitos lógicos
Radiación procedente de los circuitos lógicos
En cuanto a las implicaciones de diseño y construcción, para frecuencias de reloj por encima de 30 MHz o para familias lógicas rápidas, es importante trazar un plano de tierra ya que no podemos restringir el área del bucle de ninguna otra forma. Esto no es suficiente si utilizamos lógica rápida por encima de 30MHz. El área de bucle introducida por las dimensiones del encapsulado del dispositivo, excede los límites permitidos por lo que tendríamos que apantallar y filtrar.
El cuadro anterior se refiere a un único bucle radiante. Para un bucle n similar, la emisión es proporcional a n1/2.
No se debe pensar que si satisfacemos las condiciones del cuadro anterior tendremos emisiones por debajo del límite ya que también entran en juego las emisiones en modo común y este cuadro sólo tiene en cuenta las emisiones en modo diferencial. Pero si no satisfacemos el cuadro anterior se necesitará apantallado y filtrado adicionales.
Radiación procedente de los circuitos lógicos
Radiación en modo común:
Este tipo de radiación se debe sobre todo a los cables y a las grandes estructuras metálicas y aumenta a una velocidad linealmente proporcional a la frecuencia. Hay dos factores principales que hacen del acoplamiento en modo común la fuente principal de las emisiones radiadas:
La radiación de los cables es mucho más eficaz que la de un bucle pequeño y por tanto se necesita una corriente en modo común más pequeña para la misma intensidad de campo.
La resonancia de cable normalmente se encuentra entre 30 y 100 MHz y la radiación se intensifica para un cable corto.
Radiación procedente de los circuitos lógicos
Podemos hacer un cálculo similar al realizado para el modo diferencial. Éste asume que el cable está impulsado por una tensión en modo común desarrollada a través de una pista de tierra que forma parte de un circuito lógico. La pista de tierra transporta la corriente ?I que genera una tensión de ruido diferencial VN de ?I·jw·L entre la referencia de tierra y la conexión del cable. Se permite un factor de -20 dB para la pérdida por acoplamiento a la referencia de tierra. Se asume que la impedancia del cable es resistiva de 150? y constante con la frecuencia y que las dimensiones de la placa del circuito impreso son insignificantes comparadas con las dimensiones del cable. Aquí tenemos un esquema del modelo:
Radiación procedente de los circuitos lógicos
Consecuencias de la longitud de pista:
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 del reloj y de la familia lógica.
Radiación procedente de los circuitos lógicos
No se debe tomar muy en serio este modelo con fines de predicción puesto que se han simplificado demasiados factores: se han omitido las variaciones de la resonancia del cable y la impedancia con la frecuencia y la estructura, las resonancias de pista y circuito y la autocapacitancia, y la resonancia y variabilidad de la trayectoria de acoplamiento a masa. La finalidad de este modelo es demostrar que las emisiones de un circuito lógico están dominadas por factores en modo común. Las corrientes en modo común se pueden combatir:
Garantizando que las corrientes lógicas no fluyen entre el punto de referencia de masa y el punto de conexión de los cables externos.
Filtrando todas las interfaces de los cables a una masa “limpia”.
Blindando los cables llevando la conexión de la pantalla a una masa “limpia”.
Reduciendo al mínimo las tensiones de ruido de masa utilizando un plano de masa.
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