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Consejos para Diseño de Hardware
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Entradas Paralelas Asincrónicas

• Alrededor del flanco de clock, hay una ventana
  de tiempo durante la cual no deberían cambiar las
  señales de entrada
• Pero si esas entradas no están sincronizadas con
  la MCU, no hay manera de evitarlo
• Si cambian durante la ventana, el comportamiento
  es indefinido
• Quizás se lea 1, quizás 0, o quede grogüi y,
  después de un tiempo de duración indeterminada
  pero corta, pase a ser 0 o 1
• A esta última condición se la denomina
  meta-estabilidad.

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Qué pasa si se viola tsetup y/o thold?

• Si se trata de un entrada individual, no hay
  problema
• Mientras la MCU tenga, internamente,
  sincronizadores para resolver la
  meta-estabilidad, que es lo usual
• Se leerá el nuevo valor, o el viejo (como si el
  nuevo entrase recién después de la ventana)
• Si se trata de una entrada de varias conexiones,
  sí hay problema
• Algunos bits se leerán con su nuevo valor, otros
  con el viejo, resultando un dato de entrada
  erróneo
• Solución aprovechar una conexión de handshaking
• Un request, cuyo valor sea cambiado, por el
  emisor, recién cuando aquellos bits en paralelo
  (o sea, datos) estén estables con sus nuevos
  valores
• Recordar el two-phase handshaking y el four-phase
  handshaking de la actividad de la presentación
  sobre modelado
• El handshaking también sirve determinar cuándo se
  transmitió un nuevo dato y cuándo está disponible
  el receptor para recibir
• Otra solución leer varias veces y aceptar una
  entrada sólo cuando dos lecturas seguidas son
  iguales
• Útil sólo cuando la frecuencia de los datos de
  entrada no es demasiado alta y no hace falta el
  handshaking

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Capacitores Electrolíticos

• Cómo están construidos
• Una placa es un foil de aluminio
• La otra es un electrolito (o sea, un fluido
  conductor)
• El dieléctrico es una capa de óxido entre ambas
• Problema la capa de óxido se disuelve
• El funcionamiento normal va regenerando la capa
• Pero, si se disuelve mucho, puede quedar en corto
• Y si la corriente no está lo suficientemente
  limitada por otros componentes, podemos tener un
  show de papelitos y olor a electrolito evaporado
• Para evitarlo
• No hay que tenerlos muchos tiempo (años) sin
  usarse
• En especial si es a alta temperatura
• Si se lo hizo, se puede regenerar la capa,
  sometiéndolos a una corriente de valor limitado
• Evitar especificarlos de tensión muy superior a
  la que van a ser sometidos
• Desde ya, respetar la polaridad

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Capacitores Electrolíticos (cont.)

• Problema el electrolito se evapora
• Resultado pierde capacitancia
• Por esto es que la vida útil de los
  electrolíticos es bastante limitada
• Ej. a las 1000 horas a temperatura (interna)
  máxima, puede perder un 20 de la capacitancia
  inicial
• Esa duración (y la vida útil del componente)
  crece exponencialmente con la baja de la
  temperatura
• Esto es un corolario de la Ley de Arrhenius
• Tener en cuenta que, si el capacitor está siendo
  cargado y descargado, se eleva la temperatura
  interna
• Para aumentar la vida útil del capacitor
• No superar la corriente de ripple especificada
  por el fabricante
• Iripple corriente media de carga y descarga
• Usar los de mayor temperatura de trabajo, de ser
  necesario
• Típicamente los hay de 85ºC y 105ºC
• También hay series especiales para alta Iripple
• Evitar exponerlos al calor

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Capacitores Electrolíticos (cont.)

• Problema la resistencia equivalente serie (ESR)
  no es despreciable
• ESR equivalent series resistance
• Debido, principalmente, a la resistividad del
  electrolito
• Los fabricantes a veces dan la ESR (máxima) en
  ohms
• Pero más frecuentemente la expresan por medio del
  factor de disipación (tan ?) máximo a una
  frecuencia determinada
• tan ? XR/XC ESR / 1/?C
• Resultado el capacitor no filtra bien la alta
  frecuencia
• Otro corolario es que la Iripple incide
  sensiblemente en la temperatura interna, pero eso
  ya fue tratado en la diapositiva anterior
• Si esto constituye un problema, se puede optar
  por alguna de las siguientes soluciones (usar la
  que se ajuste al caso)
• Poner otro capacitor (ej., cerámico) en paralelo
  con el electrolítico
• Usar un electrolítico de tantalio
• Usar un electrolítico de aluminio pero especial,
  de baja ESR

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Tolerancias de los Valores Nominales

• Siempre presten atención a la tolerancia de los
  componentes que especifican
• Ej., para capacitores electrolíticos, la más
  común es la tolerancia M (o sea, 20)
• Ej., muchos capacitores cerámicos vienen con
  tolerancia Z(o sea, -20 / 80)
• Imagínense si diseñan un filtro o una constante
  de tiempo sin preocuparse por la tolerancia, y
  después ponen uno de estos
• No especifiquen tolerancias poco comunes,
  innecesariamente
• Ej., un resistor al 1 no es ni muy caro ni
  imposible de conseguir, pero
• Aumenta el riesgo de que el proveedor de
  componentes no tenga stock
• Complica la uniformización de los componentes
• Haciendo más complejas las compras, el stock, el
  armado y el mantenimiento

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Descargas Electroestáticas en las Entradas

• El cuerpo humano puede estar cargado con miles de
  voltios
• Hasta unos 20 KV
• Si entonces toca un sistema electrónico, esa
  energía puede terminar en alguna juntura y
  destruirla
• Particularmente, si la tensión es suficiente como
  para formarse un arco voltaico
• Este problema es más grave en sitios con clima
  seco
• Los circuitos integrados generalmente tienen
  protecciones (limitadas) contra estas descargas
  electroestáticas (ESD)
• En muchos casos se justifica aumentarla, poniendo
  en paralelo dispositivos de descarga de
  transitorios, que funcionan de manera similar a
  los diodos Zener
• Esos dispositivos también sirven para filtrar
  transitorios de la línea de 220 volts, o
  producidos por relés, etc.
• ESD electrostatic discharge

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Dispositivos Típicos Para Absorber Transitorios

• Diodo Zener
• Disparo rápido
• Poca capacidad de absorción de energía
• Unidireccionales (o sea, polarizados)
• Baratos y fáciles de conseguir
• Varistor
• Disparo lento
• Buena capacidad de absorción de energía
• Bidireccionales
• Baratos y fáciles de conseguir
• Para aprovechar el fuerte de cada dispositivo,
  puede emplearse un varistor en paralelo con un
  zener
• O dos zeners en anti-serie, si la protección
  debe ser bidireccional
• TVS (transient voltage supressor)
• Disparo rápido
• Buena capacidad de absorción de energía
• Los hay unidireccionales y bidireccionales
• No tan baratos, fáciles de conseguir pero no en
  Argentina
• Es básicamente un zener fuerte

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Programación de Firmware

• Eventos de ESD, y transitorios en la
  alimentación, pueden alterar valores en memoria y
  registros
• Por eso, para aumentar la confiabilidad
• Refrescar regularmente la configuración de los
  periféricos
• Programar para que cambios imprevistos en el
  contenido de la memoria no provoquen fallas
  catastróficas
• Ej., completar las tablas de saltos y los
  vectores de interrupción con valores que no hagan
  daño
• Ej., usar condiciones más débiles (ej., agt1 en
  lugar de a1), else, default, etc., para
  controlar por dónde sigue el flujo del programa
  ante valores inesperados
• Revisar regularmente el puntero al stack
• Usar un watchdog timer
• Lo vamos a estudiar en las clases complementarias
• Si el almacenamiento de un valor es crítico,
  considerar usar un código de corrección de
  errores
• Ejemplo trivial pero útil guardarlo en 3 lugares
• Si se puede, también es buena idea leer 2 veces
  los pines de entrada, para filtrar ruidos

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Interferencia Electromagnética (EMI)

• A veces llamado ruido eléctrico es causado por
  motores, emisoras de radio, etc.
• EMI electromagnetic interference
• Es deseable
• Bajar la susceptibilidad del circuito a la EMI
  externa
• Y también disminuir la radiación electromagnética
  indeseada que genera el circuito
• En otros países existen normas que ponen límites
  a la emisión electromagnética y a la
  suceptibilidad a la EMI y ESD
• Siendo electromagnética, recordemos que la EMI
  induce corrientes
• Por lo tanto, a menor impedancia de la conexión
  en cuestión, menor ruido (en volts) ocasionará
• Nos conviene que las conexiones largas (ej., los
  cables de señal) sean de baja impedancia
• Hay que evitar los lazos grandes en el diseño de
  los impresos, para que no se induzca demasiada
  corriente en ellos

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Diseño de Circuitos Impresos

• Evitar lazos grandes
• Que los planos de alimentación sean grandes y
  estén cerca uno del otro
• Llenar espacios vacíos con masa
• Aprovecharlo también para disipar calor
• Para eso, es más efectiva una grilla que un plano

Fuente Electrostatic Discharge and Electronic
Equipment W.Boxleitner IEEE Press 1989
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Capacitores de Desacople

• Son capacitores aptos para alta frecuencia
• Ej., cerámicos
• Se agregan entre alimentación y masa
• Repartidos en distintos puntos del circuito pero
• Cerca de circuitos integrados que sean
  susceptibles al ruido y/o generadores de este
• Evitando formar lazos grandes
• Para filtrar ruidos debidos a
• La conmutación en los circuitos integrados
• EMI
• ESD
• Transitorios en la alimentación de 220 V
• Típicamente se usan cerámicos de 0,1?F
• Uno por CI, o uno cada varios CI

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Conclusiones

• Lean las hojas de datos de los componentes que
  usen
• Y no sólo las de los semiconductores
• Para diseñar con confiabilidad y durabilidad,
  estudien las limitaciones de los componentes
  reales y la problemática EMI y ESD
• Preguntas? Comentarios?