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... del microprocesador de protecci n al que se llama perro guardi n. El perro guardi n debe estar adaptado al funcionamiento del procesador en cuesti n, ... – PowerPoint PPT presentation

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Title: Cap


1
Capítulo 6 Diseño de circuitos analógicos y
digitales
  • Diseño para el control de las emisiones
  • Diseño con vistas a la inmunidad
  • David Reboredo Gil
  • Santiago Muíños Landín

2
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.

3
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.

4
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.

5
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.

6
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

7
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

8
Radiación procedente de los circuitos lógicos
9
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.

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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.

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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 ?IjwL 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

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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.

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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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Radiación procedente de los circuitos lógicos
  • El cuadro anterior muestra que la longitud de
    pista máxima permisible para las frecuencias
    superiores y las familias lógicas rápidas es
    impracticable. Por tanto, una sola o la
    combinación de las técnicas anteriores será
    esencial para hacer que esos circuitos obtengan
    la conformidad.
  • Está claro que si se mueve el punto de referencia
    de la figura anterior para estar al lado de la
    interfaz del cable, no se desarrolla ninguna
    tensión de ruido y el cable se hace benigno. Ésta
    es la finalidad de la estructura de masa limpia
    de la interfaz. Con esta manera de hacerlo, las
    emisiones en modo común sólo se deben a las
    corrientes en modo común que fluyen directamente
    por las pistas de la placa de circuito impreso.

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

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

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Reloj y radiación de banda ancha
  • Generación del reloj de espectro discreto
  • Una posible alternativa, es una técnica conocida
    como generación del reloj de espectro discreto.
    En esta técnica la frecuencia del reloj es
    modulada en un 1 o 2 por ciento por un código
    pseudoaleatorio seleccionado para la difusión
    espectral más uniforme. Esto tiene como resultado
    una distribución más amplia de la energía
    espectral asociada con cada armónico del reloj.
    Esto se logra sin ningún esfuerzo extraordinario
    en el diseño y sin ralentizar los tiempos de
    subida del reloj.
  • La frecuencia de reloj exhibirá algo de
    inestabilidad y la técnica puede verse
    restringida en aplicaciones que necesiten una
    sincronización muy precisa, aunque se puede
    utilizar como arreglo rápido para trabajos de
    reparación.

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Reloj y radiación de banda ancha
  • Placas madre
  • Los buses que controlan varios dispositivos o las
    placas madres transportan corrientes de
    conmutación mucho más altas que los circuitos que
    son compactos.
  • Una placa madre con zócalos de alta velocidad
    debe utilizar siempre una placa de capas
    múltiples con plano de masa y los conectores para
    los módulos deben incluir una patilla de masa
    para cada pista de reloj de alta velocidad y
    patillas de dirección o datos.
  • El bit menos significativo normalmente tiene la
    componente de frecuencia más alta de un bus y se
    debe llevar tan cerca como sea posible de su
    retorno de tierra.
  • Las pistas de distribución del reloj siempre
    deben tener un retorno de tierra adyacente.
  • La carga capacitiva sobre la señal del reloj en
    cada placa hija se debe mantener al mínimo
    utilizando una etapa intermedia en la placa para
    la distribución local de la señal del reloj.

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Reloj y radiación de banda ancha
  • Oscilaciones transitorias en las líneas de
    transmisión
  • Si se transmiten datos por líneas largas, se
    deben terminar para evitar las oscilaciones
    transitorias amortiguadas. Éstas se generan en
    las transiciones cuando una porción de la señal
    se vuelve a reflejar en la línea.
  • Una oscilación transitoria severa afectará a la
    transferencia de datos si excede el margen de
    ruido de entrada del aparato.
  • Además estas oscilaciones pueden ser también una
    fuente de interferencia por sí mismas.
  • La amplitud de las oscilaciones transitorias
    depende del grado de mala adaptación en cualquier
    extremo de la línea, mientras que la frecuencia
    depende de la longitud eléctrica de la línea. Una
    combinación excitador/receptor debe analizarse en
    términos de comportamiento de su línea de
    transmisión si
  • 2tPD longitud de línea gt tiempo de transición
  • En donde tPD es el retardo de propagación de la
    línea en ns por unidad de longitud.

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Desacoplamiento de circuitos digitales
  • Sin importar lo buenas que sean las VCC y las
    conexiones a masa, la longitud de la pista
    introducirá una impedancia que creará ruido de
    conmutación procedente de las corrientes de
    conmutación parásitas. La finalidad del
    condensador de desacoplamiento es mantener una
    baja impedancia dinámica entre la tensión de
    alimentación de cada CI y masa. Esto reduce al
    mínimo las longitudes de la pista que transportan
    altas corrientes.
  • La colocación es crítica poco más de un
    centímetro para lógica rápida y para dispositivos
    lentos de bajo consumo se permiten varios
    centímetros de separación. La figura muestra la
    colocación de este condensador de
    desacoplamiento.

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Desacoplamiento de circuitos digitales
  • Elección de los componentes
  • Para desacoplar una lógica de alta velocidad el
    factor más importante al elegir el tipo de
    condensador, es la inductancia de sus terminales
    de conexión. Los preferidos son los de película
    de poliéster o los de cerámica de capas
    múltiples, aunque los mejores son los de tipo
    chip. Un método de desacoplo recomendado para una
    lógica estándar consiste
  • Un condensador de 22 µF por placa en la entrada
    de la fuente de alimentación
  • Un condensador de tántalo de 1 µF por cada 10
    encapsulados de memoria
  • Un condensador de tántalo de 1 µF por cada 2-3
    encapsulados LSI
  • Un condensador cerámico o de poliéster de 22 nF
    para cada bus octal de memoria
  • Un condensador cerámico o de poliéster de 22 nF
    por 4 encapsulados de lógica SSI

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Desacoplamiento de circuitos digitales
  • Utilización de las inductancias en serie
  • No es el mejor método llenar la placa de
    condensadores de desacoplamiento. Un ejemplo de
    esto es el uso de un microprocesador de una sola
    pastilla sin ningún otro componente digital.
  • Cuando se coloca un condensador de
    desacoplamiento al lado del encapsulado del
    procesador y los demás se colocan en otros
    lugares de la placa, ocurre que la inductancia de
    las pistas de interconexión, forma un circuito
    sintonizado en serie con los condensadores
    distantes de desacoplamiento y en las frecuencias
    resonantes las corrientes de ruido que fluyen
    hacia los condensadores distantes, son mayores
    que si estos condensadores no existiesen. Esto
    produce peores emisiones en esas frecuencias
    cuando se añaden los condensadores.

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Desacoplamiento de circuitos digitales
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Desacoplamiento de circuitos digitales
  • Análisis de los resultados del modelo
  • La mejora más importante se produce cuando la
    impedancia vista dentro de l1 aumenta de manera
    importante. Esto sólo se puede lograr insertando
    un inductor discreto.
  • Como regla general de diseño se debe planear
    incluír esos inductores en serie en la
    alimentación VCC de cada CI que se espere que
    vaya a contribuir a la contaminación por ruido de
    las líneas de alimentación.

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Circuitos analógicos emisiones
  • En general los circuitos analógicos generan menos
    emisiones. Aquellos que generan deliberadamente
    señales de alta frecuencia deben seguir las
    mismas reglas de estructuración, desacoplamiento
    y conexión a masa ya explicadas.
  • Los circuitos analógicos pueden oscilar en la
    región de los MHz y causar interferencias por la
    siguientes razones
  • Inestabilidad del bucle de realimentación.
  • Mal desacoplamiento.
  • Inestabilidad de la etapa de salida.

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Circuitos analógicos emisiones
  • Inestabilidad del bucle de realimentación
  • Cualquier prototipo de circuito amplificador
    tiene que ser comprobado para ver su
    inestabilidad a altas frecuencias cuando se haya
    dado por terminada su configuración.
  • La inestabilidad en la realimentación se debe a
    demasiada realimentación cerca de la frecuencia
    de ganancia unidad en donde el margen de fase del
    amplificador se aproxima a su valor crítico.
  • Se puede relacionar con una incorrecta o falta de
    compensación de un amplificador operacional.

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Circuitos analógicos emisiones
  • Desacoplamiento
  • La relación de desnivel por fluctuación en la
    alimentación cae con el incremento de la
    frecuencia, al mismo tiempo que el acoplamiento
    de la fuente de alimentación a la entrada a altas
    frecuencias puede ser significativo en los
    circuitos de banda ancha.
  • Esto se soluciona desacoplando, pero los
    condensadores típicos pueden resonar con la
    inductancia parásita de los cables eléctricos
    largos en la región de los MHz. La colocación en
    paralelo de un condensador de baja magnitud con
    uno de tántalo hará caer la frecuencia de
    resonancia a un nivel manejable. Se debe señalar
    que la inductancia en serie del tántalo podría
    resonar con el condensador cerámico y empeorar
    esta situación. Para solucionar esto se necesita
    una resistencia en serie conel tántalo de unos
    cuantos ohmios.
  • Las etapas de entrada de los amplifiadores de
    alta ganancia de varias etapas pueden necesitar
    una resistencia adicional o un supresor de perla
    de ferrita en serie con la alimentación de cada
    etapa para mejorar el desacoplamiento de las
    rutas de alimentación.

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Circuitos analógicos emisiones
  • Inestabilidad de la etapa de salida
  • Las cargas capacitivas producen un retardo de
    fase en la tensión de salida al actuar en
    combinación con la resistencia de salida en bucle
    abierto de los amplificadores operacionales. Este
    incremento de desfase reduce el margen de fase de
    un circuito de realimentación lo bastante como
    para causar oscilación.
  • Para solucionar la inestabilidad de salida se
    debe desacoplar la capacitancia desde la salida
    con un resistor en serie de poco valor y añadir
    una realimentación de alta frecuencia con un
    pequeño condensador directo de realimentación CF
    que compense el retardo de fase causado por CL.

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Fuentes de alimentación conmutadas
  • Las alimentaciones conmutadas presentan
    dificultades para contener las interferencias
    generadas. Las emisiones se deben tanto a
    mecanismos en modo común como diferencial.
  • La componente principal de la emisión de una FAC
    se debe a la frecuencia de conmutación y sus
    armónicos. Otra causa de ruido puede deberse a la
    conmutación de recuperación inversa de los diodos
    rectificadores de entrada. En el esquema vemos
    una alimentación de conmutación típica con las
    principales trayectorias de emisión marcadas.

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Fuentes de alimentación conmutadas
  • Radiación desde un bucle de alto di/dt
  • La radiación de un campo magnético desde un bucle
    que 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 dimensiones
    de los componentes físicos. La di/dt es un
    compromiso entre la frecuencia de conmutación y
    el consumo del dispositivo conmutador. Se puede
    controlar reduciendo la velocidad de subida de la
    forma de onda de ataque al conmutador.
  • Construcción de componentes magnéticos
  • El núcleo del transformador debe tener forma de
    un circuito magnético cerrado para restringir la
    radiación magnética. Un toroide es una
    configuración óptima aunque puede no resultar
    práctica debido a las dificultades del bobinado o
    a las pérdidas de potencia.

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Fuentes de alimentación conmutadas
  • Acoplamiento capacitivo a masa
  • La alta dv/dt en el instante de conmutación se
    acoplará capacitivamente a masa y creará
    corrientes parásitas en modo común. La solución
    es reducir al mínimo la dv/dt así como la
    capacitancia de acoplamiento.
  • La dv/dt se reduce mediante un amortiguador y
    manteniendo bajos los niveles de di/dt así como
    la inductancia de fuga del transformador.
  • Blindaje capacitivo
  • El acoplamiento capacitivo se reduce al
    proporcionar pantallas electrostáticas adecuadas,
    sobre todo en el transformador y en el disipador
    térmico del aparato. Destaca la conexión adecuada
    de la pantalla a cualquier ruta de alimentación
    y no a masa.
  • Incluso si el transformador no está apantallado,
    su construcción puede ayudar o impedir el
    acoplamiento capacitivo de primario a secundario.
    Separar los bobinados en diferentes devanados
    reduce su capacitancia pero aumenta su
    inductancia de fuga.

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

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Fuentes de alimentación conmutadas
  • Interferencia en modo diferencial
  • 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 siempre la fuente de
    interferencia dominante en los armónicos más
    bajos de conmutación.
  • Una inductancia en serie y una capacitancia
    paralela en el lado de la salida atenuará la
    tensión transferida a los terminales de salida.
  • Cuando se compruebe el rendimiento de un filtro
    en modo diferencial, hay que asegurarse siempre
    de comprobarlo a la potencia de entrada máxima de
    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 inductores de filtro
    hacia la saturación y hacerlo ineficaz.

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Fuentes de alimentación conmutadas
  • Ruido de salida
  • Los picos parásitos de conmutación son
    característicos de la salida de CC de todas las
    alimentaciones conmutadas, sobre todo por la
    impedancia finita del filtro de salida. Estos
    picos parásitos salen de la unidad por las líneas
    de salida en los modos diferencial y común y
    pueden volver a emitir radiación sobre otros
    cables o acoplarse a masa generando
    interferencias en modo común. Es preferible un
    condensador ESL, pero se puede obtener una buena
    supresión en modo diferencial, como con la
    entrada, con un filtro de sección L de alta
    frecuencia.
  • La abrupta recuperación inversa característica
    del diodo o diodos rectificadores de salida puede
    crear transitorios y oscilaciones transitorias de
    frecuencia extremadamente alta. Se pueden atenuar
    utilizando diodos de recuperación menos abrupta o
    colocando los diodos en paralelo con una red
    amortiguadora RC.

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Diseño con vistas a la inmunidad
  • Un circuito basado en un procesador tiene
    tendencia a corromperse por culpa de transitorios
    rápidos que provoquen la aparición de estados
    falsos.
  • Es necesario tomar muchas precauciones para
    evitar que cualquier circuito sincronizado sea
    susceptible a la interferencia entrante.
  • Las señales analógicas se ven más afectadas por
    la interferencia continua, que se rectifica por
    elementos de circuito no lineales alterando la
    polarización o el nivel de la señal.
  • Se mejora la inmunidad de los circuitos
    analógicos reduciendo al mínimo el ancho de banda
    del amplificador, aumentando todo lo posible el
    nivel de señal, utilizando configuraciones
    equilibradas y aislando eléctricamente la E/S que
    se conectará a circuitos eléctricos sucios.

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Principios de inmunidad en los circuitos lógicos
  • Alejar las trayectorias de interferencia de los
    circuitos lógicos críticos
  • Estructuración
  • Filtrar y aislar las E/S
  • Utilizar lógica con umbral de ruido alto
  • Utilizar algún método de protección
  • Adoptar tácticas de protección defensivas

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  • Sin importar lo buena que sea la inmunidad del
    circuito, siempre habrá un transitorio que la
    venza.
  • Cada microprocesador debe incluir un protector.
  • Se deben utilizar técnicas informáticas para
    reducir al mínimo los efectos de la corrupción.

38
Circuitos digitales trayectorias de interferencia
  • La mayoría de la interferencia crítica en los
    circuitos basados en microprocesador se lleva a
    masa, tanto si se trata de RF en modo común como
    de transitorios. El daño se hace por la
    transformación del ruido de tierra en modo común
    a ruido en modo diferencial en los nodos
    sensibles de señal. Esto ocurre por una alta
    impedancia de transferencia en modo común a
    diferencial provocada por una mala disposición de
    la placa de circuito impreso.
  • Las interferencias en modo diferencial no se
    propagarán mucho en el circuito desde las
    interfaces externas, de modo que se debe
    estructurar el circuito para alejar las
    corrientes parásitas de masa de los circuitos
    lógicos. Si la estructuración no basta habrá que
    filtrar los cables de E/S o aislarlos para
    definir una trayectoria preferente y segura de
    corriente para la interferencia. Los campos de RF
    radiados que generan tensiones en modo
    diferencial internamente se manejan del mismo
    modo que las emisiones diferenciales RF, al
    reducir al mínimo el área del bucle, y al
    restringir el ancho de banda de los circuitos
    susceptibles donde sea posible.

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Transitorios y trayectorias de interferencia
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Trayectorias de interferencia y ESD
  • Una descarga puede ocurrir en cualquier parte
    expuesta del equipo. Los puntos problemáticos
    más normales son
  • -Teclados y mandos
  • -Cables externos
  • -Partes metálicas accesibles
  • Una descarga a un objeto conductor cercano
    producirá altas corrientes locales
  • que inducirán a su vez corrientes dentro del
    equipo mediante un acoplamiento
  • por impedancia común.

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Trayectorias de interferencia y ESD
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Transitorio y protección ESD
  • Las técnicas para protegerse de las
    perturbaciones de los transitorios y las ESD son
    generalmente similares a las usadas para evitar
    las emisiones RF
  • Las estrategias específicas tienen por objetivo
    evitar que el transitorio entrante y las
    corrientes fluyan a través del circuito. En su
    lugar absorben o desvían de manera inocua y
    directamente a masa. Para ello
  • -Mantener las interfaces externas físicamente
    unas al lado de las otras
  • -Filtrar todas las interfaces a masa en su punto
    de entrada
  • -Si no es posible, aislar las interfaces
    susceptibles con una ferrita de choque en modo
    común o con optoacopladores
  • -Utilizar un cable apantallado con la malla
    conectada directamente a masa
  • -Proteger las placas de circuito impreso de
    partes metálicas expuestas o de puntos externos
    de descarga, con placas internas adicionales
    conectadas a masa

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Inmunidad de la lógica al ruido
  • La capacidad de un elemento lógico para funcionar
    correctamente en un entorno ruidoso implica algo
    más que los márgenes normales de ruido estático.
    Para crear un problema, un transitorio generado
    externamente debe causar un cambio de estado en
    un dispositivo y propagarse después por el
    sistema.
  • Los sistemas con elemento de almacenamiento
    sincronizado por reloj o aquellos que funcionan
    lo bastante rápido como para que el transitorio
    aparezca como una señal son más susceptibles que
    los sistemas lentos o aquellos sin elementos de
    almacenamiento.

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Margen de ruido dinámico
  • El efecto de un transitorio rápido dependerá de
    la tensión máxima acoplada a
  • la entrada lógica y también de la velocidad de
    respuesta del elemento.
  • Cualquier 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 1
  • y 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 que
  • el tiempo de respuesta del elemento necesitará
    una tensión superior para
  • hacer el cambio. Esto se puede tomar como un
    argumento a favor de la lógica
  • lenta.
  • Con 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,
  • no se propagará ningún valor erróneo por la línea
    de datos del sistema.

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El microprocesador perro guardián
  • Las técnicas para reducir al mínimo la amplitud
    y controlar el camino de la interferencia no
    pueden eliminar el riesgo. La coincidencia de un
    transitorio de amplitud suficientemente alta con
    un punto vulnerable en la transferencia de datos
    es un asunto completamente estadístico.
  • La manera más económica de garantizar la
    fiabilidad de un producto basado en un
    microprocesador es aceptar que el programa se
    corromperá ocasionalmente, así como proporcionar
    los medios por los que se pueda recuperar el
    flujo del programa, preferiblemente de forma
    transparente para el usuario. Esta es la función
    del microprocesador de protección al que se llama
    perro guardián.
  • El perro guardián debe estar adaptado al
    funcionamiento del procesador en cuestión, de lo
    contrario se debe diseñar en el circuito.

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Funcionamiento básico
  • El resultado más serio de una corrupción por
    transitorio es que se perturba el
  • contador del programa del procesador o el
    registro de dirección de manera que
  • empieza a interpretar datos o memoria vacía como
    instrucciones válidas.
  • Un perro guardián protege contra esta
    eventualidad al requerir que el
  • procesador ejecute una sencilla operación
    regularmente, sin que importen las
  • demás cosas que está haciendo. Es en realidad un
    temporizador cuya salida
  • está enlazada a la entrada RESET, y que en sí,
    está haciendo redisparado
  • constantemente por el funcionamiento del
    procesador, normalmente
  • escribiendo información en un puerto de salida
    disponible.

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Período de tiempo muerto
  • Si el temporizador no recibe una patada desde
    el puerto de salida durante
  • más de su período de tiempo muerto, su salida se
    pone a nivel bajo (ladra) y
  • fuerza al microprocesador a hacer un reinicio.
  • El período de tiempo muerto debe ser lo bastante
    largo como para que el
  • procesador no tenga que interrumpir labores en
    las que el tiempo es
  • fundamental para dar servicio al perro guardián.
    Por otro lado no debe ser tan
  • largo como para que se corrompa el funcionamiento
    del equipo durante un
  • período peligroso.

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Hardware del temporizador
  • El circuito perro guardián tiene que exceder la
    fiabilidad del resto del circuito y por lo tanto
    debe ser sencillo.
  • Un divisor digital como el 4060B alimentado desde
    un reloj de alta
  • frecuencia y reajustado periódicamente por
    impulsos de notificación, es
  • una buena opción. Una de las ventajas de este
    planteamiento es que
  • su salida en la ausencia de redisparo es una
    corriente de impulsos
  • más que un solo disparo.
  • Esto es mucho más fiable que un perro guardián
    monoestable, que
  • sólo ladra una vez y luego se calla.

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Conexión al microprocesador
  • En general es preferible disparar la salida del
    temporizador mediante una señal POR para
    garantizar un ancho de impulso definido de RESET
    en el microprocesador cuando se produce la
    conexión.
  • Es esencial utilizar una entrada RESET y o alguna
    otra como una interrupción al microprocesador. El
    procesador puede estar en un estado previsible
    cuando el perro guardián ladra, pero debe volver
    a un estado completamente caracterizado, y el
    único estado que puede garantizar la vuelta al
    funcionamiento es RESET.

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Comprobación del perro guardián
  • No es sencilla, dado que todo el resto del diseño
    del circuito se ha dirigido a garantizar que el
    perro guardián no ladre.
  • Se puede someter al equipo a impulsos
    transitorios repetidos que sean de un nivel
    suficiente como para corromper el funcionamiento
    del procesador de manera predecible.
  • También se puede instalar un LED a la salida del
    perro guardián para detectar sus ladridos.
  • Además de comprobar la fiabilidad del perro
    guardián, debemos incluir una conexión para
    invalidarlo y poder comprobar las nuevas
    versiones de los programas informáticos.

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Programación defensiva
  • No todos los fallos del microprocesador son
    debidos a interferencias, también
  • otros factores como conexiones intermitentes,
    diseños deficientes del
  • hardware, errores de programación pueden ser el
    origen de estos fallos.
  • Mediante programas informáticos podremos
  • -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 prorratear en el caso de
    los analógicos o validar en el de datos
    digitales.
  • -Incorporar comprobaciones de paridad y sumas de
    comprobación de datos en todas las transmisiones
  • -Proteger los bloques de datos de la memoria
    volátil
  • -Reinicializar periódicamente los chips
    programables de interfaces

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Validación de datos y prorrateo
  • Esto se basa en que si podemos establecer los
    límites conocidos sobre las cifras que entran al
    programa informático como entrada, se pueden
    rechazar los datos que se encuentren fuera de
    estos límites.
  • El prorrateo del programa informático en una
    corriente de datos para nivelar las fluctuaciones
    de ruido del proceso puede también ayudar a
    eliminar el efecto de los datos inválidos.

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Protección de los datos y de la memoria
  • La memoria volátil es susceptible a varias formas
    de corrupción de datos. Los datos críticos de la
    RAM se pueden prevenir colocándose en tablas,
    verificándose cada una por una suma de
    comprobación que se almacena en la propia tabla.
    Esta comprobación se puede realizar
    automáticamente por una subrutina en cualquier
    intervalo para detectar alguna corrupción en la
    RAM.
  • Hay que tener cuidado con que la rutina de
    diagnóstico no sea interrumpida por una
    modificación de la tabla o viceversa, ya que los
    errores empezarían a aparecer por todas partes.

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Memoria del programa sin usar y reinicialización
  • Frente a la amenaza de que el microprocesador
    acceda a espacio sin usar debido a la corrupción
    de su contador de programa, podemos programar
    unas pocas de las últimas direcciones de la ROM
    con una instrucción JMP RESET, normalmente de
    tres bytes, con la intención de que en el caso de
    que el procesador se corrompa y acceda a
    cualquier unidad de memoria sin uso se encuentre
    con una cadena de instrucciones NOP (no
    operativa) y las ejecute hasta llegar a JMP RESET
    y por lo tanto provocar un reset.
  • Para combatir la corrupción del estado de
    arranque inicial de dispositivos programables el
    método más seguro es reinicializar periódicamente
    todos los registros críticos. El período de las
    reinicializaciones dependerá de el tiempo que el
    programa pueda tolerar un registro corrupto.

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Inmunidad a los transitorios y RF circuitos
analógicos
  • Los circuitos analógicos no serán tan
    susceptibles a las perturbaciones transitorias
    como los digitales. Sin embargo pueden ser más
    susceptibles a la desmodulación de la energía RF
  • Pueden aparecer cambios de polarización que dan
    como resultado comportamientos no lineales o
    falta de funcionamiento. Los circuitos de audio y
    vídeo suelen ser especialmente sensibles a este
    tipo de problemas.
  • Los mayores niveles de señal RF son los acoplados
    mediante cables externos de interfaz, y por lo
    tanto se debe prestar especial atención a estos
    circuitos.

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Principios de la inmunidad analógica
  • -Reducir al máximo en ancho de banda del
    circuito
  • -Maximizar los niveles de señal
  • -Utilizar configuraciones equilibradas de
    señal.
  • -Aislar las trayectorias particularmente
    susceptibles.
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