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DISEÑO DE UNA ETAPA DE
AMPLIFICACIÓN PARA UN
SISTEMA DE BALIZAS
ULTRASÓNICAS
Presentado por: Adrián Moreno Pina
Dirigido por: Álvaro Henández Alonso Jesús Ureña Ureña
Alcalá de Henares, a 6 de enero de 2014
Máster Universitario en Sistemas Electrónicos Avanzados Sistemas Inteligentes
Departamento de Electrónica
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TRABAJO FIN DE MASTER Diseño de una etapa de amplificación para un sistema de balizas ultrasónicas
MASTER SISTEMAS ELECTRÓNICOS AVANZADOS, SISTEMAS INTELIGENTES Universidad de Alcalá. Departamento de Electrónica
2
Índice General 1. RESUMEN ................................................................................................................ 11
2. INTRODUCCION ....................................................................................................... 12
2.1 Problemática .................................................................................................... 13
2.2 Justificaciones .................................................................................................. 14
2.3 Contexto ........................................................................................................... 15
2.4 Estructura ......................................................................................................... 15
3. ANTECEDENTES ....................................................................................................... 16
3.1 Introducción a los sistemas de posicionamiento .................................................. 16
3.2 Técnica CDMA ....................................................................................................... 20
Generación de la señal CDMA ................................................................................. 21
Acceso múltiple por división de código (CDMA síncrono) ...................................... 22
CDMA asíncrono ...................................................................................................... 23
4. REGLAS DE DISEÑO DE UN CIRCUITO IMPRESO ...................................................... 25
4.1 Introducción ..................................................................................................... 25
Problemas debidos a la alta velocidad .................................................................... 26
Los dominios del tiempo y la frecuencia ................................................................. 27
Efectos de línea de Transmisión .............................................................................. 28
Impedancia característica y adaptación de impedancia ......................................... 30
Diafonía ................................................................................................................... 31
El rebote de masa y las conmutaciones simultáneas ............................................. 32
Trazado de las pistas de señal ................................................................................. 33
Asignación de capas y selección del sustrato ......................................................... 34
4.2 Conceptos Aplicados al diseño del PCB ........................................................... 35
Líneas de transmisión en PCBs ................................................................................ 36
Impedancia característica en las distintas topologías de un PCB. .......................... 41
Longitudes críticas ................................................................................................... 51
Líneas de transmisión en un PCB ............................................................................ 55
Terminaciones de las líneas .................................................................................... 61
Crosstalk .................................................................................................................. 64
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Stack-UP .................................................................................................................. 81
Redes de desacoplo ................................................................................................. 91
Compatibilidad electromagnética ......................................................................... 103
5. DISEÑO DEL PCB .................................................................................................... 110
5.1 Especificaciones de Diseño ............................................................................ 110
5.2 Esquemas Eléctricos ....................................................................................... 111
Etapa de Alimentación .......................................................................................... 111
FPGA ...................................................................................................................... 116
Memorias DDR2 .................................................................................................... 120
Etapa analógica ..................................................................................................... 121
Comunicaciones .................................................................................................... 123
Circuitos periféricos .............................................................................................. 125
5.3 LayOut PCB ..................................................................................................... 127
Áreas del PCB ........................................................................................................ 127
Situación de los componentes .............................................................................. 128
Stack-Up seleccionado .......................................................................................... 133
Rutado del Circuito ................................................................................................ 133
5.4 Especificaciones del sistema .......................................................................... 135
Especificaciones Técnicas ...................................................................................... 135
Especificaciones Eléctricas .................................................................................... 135
Especificaciones Mecánicas .................................................................................. 136
Especificaciones de Funcionamiento .................................................................... 136
6. RESULTADOS ......................................................................................................... 137
6.1 Accesos de usuario ......................................................................................... 137
6.2 Imágenes resultados obtenidos ..................................................................... 138
7. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS ................................................................ 141
8. BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................ 142
9. ANEXOS ................................................................................................................. 145
9.1 Esquemas eléctricos ....................................................................................... 145
9.2 Planos de LayOut ........................................................................................... 153
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9.3 Lista de Materiales ......................................................................................... 179
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Índice de Figuras
Figura 1: Método de lateración ...................................................................................... 18
Figura 2: Método de Angulación .................................................................................... 19
Figura 3: Técnica CDMA .................................................................................................. 21
Figura 4: CDMA Síncrono ................................................................................................ 22
Figura 5: Espectro de la señal ......................................................................................... 27
Figura 6: Reflexión de la Señal ........................................................................................ 28
Figura 7: Señal de reloj digital ........................................................................................ 29
Figura 8: Construcción de un circuito impreso ............................................................... 30
Figura 9: Terminaciones de señal ................................................................................... 31
Figura 10: Efecto de Diafonía ......................................................................................... 32
Figura 11: Efecto de rebote de masa.............................................................................. 33
Figura 12: Línea de Transmisión I ................................................................................... 36
Figura 13: Línea de Transmisión II .................................................................................. 37
Figura 14: Línea de transmisión III .................................................................................. 38
Figura 15: Línea de transmisión IV ................................................................................. 38
Figura 16: Rizado de la señal .......................................................................................... 40
Figura 17: Impedancia característica I ............................................................................ 40
Figura 18: Impedancia característica II ........................................................................... 41
Figura 19: Impedancia característica III .......................................................................... 41
Figura 20: Modelo de Microstrip .................................................................................... 42
Figura 21: Modelo de Microstrip en paralelo ................................................................. 42
Figura 22: Impedancia característica III .......................................................................... 43
Figura 23: Impedancia característica IV ......................................................................... 43
Figura 24: Impedancia característica V .......................................................................... 44
Figura 25: Microstrip empotrado ................................................................................... 44
Figura 26: Microstrip con dos pistas empotrado ........................................................... 45
Figura 27: Modelo de Stripline ....................................................................................... 45
Figura 28: Modelo de dos pistas Stripline ...................................................................... 46
Figura 29: Impedancia característica VI ......................................................................... 47
Figura 30: Impedancia característica VII ........................................................................ 47
Figura 31: Impedancia característica VIII ....................................................................... 48
Figura 32: Stripline asimétrico ........................................................................................ 48
Figura 33: Impedancia característica IX .......................................................................... 49
Figura 34: Impedancia característica X ........................................................................... 49
Figura 35: Impedancia característica XI .......................................................................... 50
Figura 36: Frecuencia de codo ........................................................................................ 51
Figura 37: Longitud crítica .............................................................................................. 52
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6
Figura 38: Perturbación por diferencia de longitud ....................................................... 52
Figura 39: Modelo de efecto pelicular ........................................................................... 53
Figura 40: Aumento de la atenuación ............................................................................ 53
Figura 41: Modelo de Surfaceroughness ........................................................................ 54
Figura 42: Absorción dieléctrica ..................................................................................... 54
Figura 43: Tipos de atenuaciones ................................................................................... 55
Figura 44: Lineas diferenciales de un PCB ...................................................................... 55
Figura 45: Modelo de ruido ............................................................................................ 56
Figura 46: Modelo de línea diferencial .......................................................................... 56
Figura 47: Terminación punto a punto ........................................................................... 57
Figura 48: Terminación bidireccional ............................................................................. 57
Figura 49: Interferencia entre símbolos ......................................................................... 58
Figura 50: Análisis de señal ............................................................................................. 58
Figura 51: Diagrama de ojos I ......................................................................................... 59
Figura 52: Diagrama de ojos II ........................................................................................ 59
Figura 53: Diagrama de ojos III ....................................................................................... 59
Figura 54: Diagrama de ojos IV ....................................................................................... 60
Figura 55: Diagrama de ojos V ........................................................................................ 60
Figura 56: Terminaciones de líneas ................................................................................ 61
Figura 57: Serie fuente ................................................................................................... 61
Figura 58: Serie en la fuente con más de una carga....................................................... 62
Figura 59: Ejemplo de serie en la fuente en un PCB ...................................................... 62
Figura 60: Paralelo en la carga........................................................................................ 63
Figura 61: Modelo de Thevenin ...................................................................................... 63
Figura 62: Modelo de AC ................................................................................................ 63
Figura 63: Terminación mediante diodos ....................................................................... 64
Figura 64: Acoplamiento eléctrico.................................................................................. 65
Figura 65: Perturbaciones magnéticas y eléctricas de un PCB ....................................... 65
Figura 66: Acoplamiento inductivo ................................................................................ 66
Figura 67: Acoplamiento capacitivo ............................................................................... 67
Figura 68: Efectos magnéticos ........................................................................................ 67
Figura 69: Efecto magnético sobre otra pista ................................................................ 68
Figura 70: Efectos provocados por un campo eléctrico ................................................. 69
Figura 71: Efecto de dos pistas paralelas ....................................................................... 69
Figura 72: Matriz de capacitancia ................................................................................... 71
Figura 73: Circuito equivalente....................................................................................... 71
Figura 74: Efecto del crosstalk ........................................................................................ 73
Figura 75: Modelo de Backward Crosstalk ó Near-End Crosstalk .................................. 73
Figura 76: Efecto del Crosstalk ....................................................................................... 74
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Figura 77: Efecto del Crosstalk sobre la otra línea ......................................................... 74
Figura 78: Modelo de Forward Crosstalk o Far-End Crosstalk ....................................... 74
Figura 79: Efecto del Crosstalk ....................................................................................... 75
Figura 80: Flanco de subida ............................................................................................ 75
Figura 81: Crostalk provocado por un flanco de subida ................................................. 75
Figura 82: Even Mode ..................................................................................................... 76
Figura 83: Odd Mode ...................................................................................................... 76
Figura 84: Iteración de los campos magnéticos ............................................................. 77
Figura 85: Circulación de corriente I............................................................................... 77
Figura 86: Circulación de corriente II.............................................................................. 78
Figura 87: Circulación de corriente III............................................................................. 78
Figura 88: Circulación de corriente IV ............................................................................ 79
Figura 89: Retardo de propagación ................................................................................ 80
Figura 90: Efecto del Crosstalk ....................................................................................... 80
Figura 91: Circuito Multicapa ......................................................................................... 81
Figura 92: Pre-Preg ......................................................................................................... 81
Figura 93: Propiedades de los materiales ...................................................................... 82
Figura 94: Detalle del Stack-Up ...................................................................................... 82
Figura 95: Detalle Vía y Pad ............................................................................................ 82
Figura 96: Generación de las capas internas .................................................................. 83
Figura 97: Pulido mediante UV ....................................................................................... 83
Figura 98: Proceso final de limpieza ............................................................................... 83
Figura 99: Resultado final del PCB .................................................................................. 84
Figura 100: Realización de los taladros y vías ................................................................ 84
Figura 101: Metalización de las vías ............................................................................... 84
Figura 102: Máscara fotosensible .................................................................................. 85
Figura 103: Atacado químico .......................................................................................... 85
Figura 104: Proceso de UV ............................................................................................. 86
Figura 105: Acabado metálico ........................................................................................ 86
Figura 106: Tipos de Vías ................................................................................................ 87
Figura 107: Panel de PCB ................................................................................................ 87
Figura 108: PCB de Tester ............................................................................................... 87
Figura 109: Camino de menor inductancia .................................................................... 88
Figura 110: Diferencia de alta frecuencia y baja frecuencia .......................................... 89
Figura 111: Densidad de corriente ................................................................................. 89
Figura 112: Discontinuidad entre planos ....................................................................... 89
Figura 113: Clearance de los planos ............................................................................... 90
Figura 114: Circuito equivalente de Stack Up ................................................................ 90
Figura 115: Condensador de Bulk ................................................................................... 91
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8
Figura 116: Efecto del condensador de Bulk I ................................................................ 91
Figura 117: Efecto del condensador de Bulk II ............................................................... 92
Figura 118: Condensadores de desacoplo de un CI ....................................................... 93
Figura 119: Capacidad equivalente del Stack-Up ........................................................... 93
Figura 120: Impedancia en función de la frecuencia ..................................................... 94
Figura 121: Ancho de banda ........................................................................................... 94
Figura 122: Circuito equivalente .................................................................................... 96
Figura 123: Conexión Vía plano ...................................................................................... 97
Figura 124: Capacidad entre planos ............................................................................. 101
Figura 125: Efecto del FR4 ............................................................................................ 101
Figura 126: Capacidad entre planos ............................................................................. 101
Figura 127: Tipos de materiales dieléctricos ................................................................ 102
Figura 128: Modelo de cavidad .................................................................................... 102
Figura 129: Plano de masa de una FPGA ...................................................................... 103
Figura 130: Curva de coste ........................................................................................... 106
Figura 131: Proceso de fabricación .............................................................................. 107
Figura 132: Elementos EMC de un PCB ........................................................................ 107
Figura 133: Modelos de ruido ...................................................................................... 108
Figura 134: Reglas básicas ............................................................................................ 108
Figura 135: Diagrama de bloques ................................................................................. 110
Figura 136: Conversor 230Vac a 24Vdc ........................................................................ 112
Figura 137: Etapa de entrada de alimentación ............................................................ 112
Figura 138: Conversor de +24Vdc a ±15Vdc ................................................................. 113
Figura 139: Etapa de alimentación de ±15Vdc ............................................................. 113
Figura 140: Conversor de +24Vdc a +5Vdc ................................................................... 114
Figura 141: Etapa de alimentación de 5Vdc ................................................................. 114
Figura 142: Etapa de alimentación de +2.5Vdc y +1.2Vdc ........................................... 115
Figura 143: Etapa de alimentación de +3.3Vdc y +1.8Vdc ........................................... 116
Figura 144: Etapa de alimentación de +0.9Vdc ............................................................ 116
Figura 145: Puerto de programación............................................................................ 117
Figura 146: Memoria de programación ........................................................................ 118
Figura 147: Memoria auxiliar de programación ........................................................... 118
Figura 148: Reloj del sistema ........................................................................................ 119
Figura 149: Condensadores de desacoplo .................................................................... 120
Figura 150: Memorias DDR2 ......................................................................................... 121
Figura 151: Conversor DAC ........................................................................................... 122
Figura 152: Amplificador de potencia .......................................................................... 123
Figura 153: Comunicación USB ..................................................................................... 123
Figura 154: Comunicación Ethernet ............................................................................. 124
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9
Figura 155: Comunicación WiFi .................................................................................... 125
Figura 156: Sensor de Temperatura ............................................................................. 125
Figura 157: Reloj Calendario ......................................................................................... 126
Figura 158: Puerto libre y Leds de depuración ............................................................. 127
Figura 159: Elementos del PCB ..................................................................................... 128
Figura 160: Circuitos de la tarjeta ................................................................................ 128
Figura 161: Etapa de alimentación, cara Top ............................................................... 129
Figura 162: Etapa de alimentación, cara Bottom ......................................................... 129
Figura 163: Circuitos periféricos ................................................................................... 130
Figura 164: FPGA .......................................................................................................... 130
Figura 165: Memorias DDR2 ......................................................................................... 131
Figura 166: Etapa Analógica ......................................................................................... 131
Figura 167: Puertos Libres ............................................................................................ 132
Figura 168: Etapa de comunicación ............................................................................. 132
Figura 169: Stack Layer de la PCB ................................................................................. 133
Figura 170: Accesos de Usuario .................................................................................... 137
Figura 171: Resultado final I ......................................................................................... 138
Figura 172: Resultado final II ........................................................................................ 139
Figura 173: Resultado final III ....................................................................................... 139
Figura 174: Resultado final IV ....................................................................................... 140
Figura 175: Resultado final V ........................................................................................ 140
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Índice de Tablas
Tabla 1: Longitud critica para familias lógicas ................................................................ 52
Tabla 2: Perdidas por transmisión .................................................................................. 53
Tabla 3: Clases de PCB .................................................................................................... 86
Tabla 4: Modelos de condensadores Multicapa ............................................................ 95
Tabla 5: Tamaños de condensadores multicapa ............................................................ 95
Tabla 6: Porcentaje de condensadores de desacoplo .................................................. 100
Tabla 7: Valor de los condensadores en función de la frecuencia ............................... 100
Tabla 8: Consumos de la tarjeta ................................................................................... 111
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1. RESUMEN En este trabajo se mostrarán los conceptos esenciales a tener en cuenta a la hora de
realizar un diseño electrónico de alta velocidad. Este documento muestra los
elementos hardware y la disposición de los mismos a la hora de llevar a cabo el diseño
de una tarjeta electrónica, impidiendo posibles problemas una vez fabricada y
posibilitando el cumplimiento de las normativas vigentes.
A modo de ejemplo se ha realizado un diseño de una tarjeta de control de un sistema
de posicionamiento interior basado en balizas ultrasónicas. La elección de dicho diseño
está basada en que en él se pueden encontrar los circuitos más característicos y
comunes a los que deberá enfrentarse un diseñador. Contando con circuitos de
potencia, analógicos y digitales de alta velocidad, que hacen de dicho circuito, él
idóneo para mostrar toda la información recibida en la parte teórica.
-------------------------------
This master thesis deals with relevant concepts to be deemed when developing a high-
speed electronic design. It shows the hardware elements and their placement and
arrangement in order to carry out the design of an electronic card, not only avoiding
possible problems appearing after manufacturing, but also enabling compliance with
regulations.
As an guidance example, a design of a control board of an indoor positioning system
based on ultrasonic beacons has been presented. The interest of this design is based
on the fact that most characteristic and common circuits in electronic design can be
found here, such as power electronic circuits, or high-speed analog and digital circuits.
This makes the proposed design suitable to show all the techniques, considerations
and information described previously in the theoretical part.
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12
2. INTRODUCCION En el presente trabajo se detalla los detalles técnicos existentes a la hora de
implementar o diseñar un circuito impreso. Debido a las altas velocidades de los
circuitos digitales y el nivel de integración de la electrónica que encontramos en estos
días, el diseño de circuitos impresos se ha convertido en una especialidad de muchos
diseñadores electrónicos de la actualidad.
Antiguamente los diseñadores electrónicos que tenían que enfrentarse a un diseño
carecían de las herramientas informáticas que actualmente se tiene, su método de
diseño y rutado era de modo manual y carecían de análisis informáticos sobre posibles
efectos que podrían aparecer en la tarjeta una vez fabricada, dificultando el proceso
de diseño y fabricación del mismo.
Es cierto, que la electrónica ha variado mucho desde su comienzo, llegando a obtener
niveles de integración y velocidad de las señales unas 1000 veces mayor que en sus
inicios. La dificultad en los primeros diseños electrónicos se basaba en la colocación de
los componentes que formaban el circuito en la placa, teniendo en cuenta la manera
más simple para llevar a cabo el proceso de rutado y el tamaño de la misma.
A comienzos de los años 80 el nivel de integración aumento y la velocidad de
conmutación de los procesadores se disparó, apareciendo los primeros problemas de
acoplamiento y diseño de las líneas de transmisión. Con la aparición de los
ordenadores personales el nivel de integración llegó a su punto óptimo, donde era
necesario conseguir que un gran número de componentes y conexiones funcionaran
en un pequeño espacio. La respuesta a esto fue los circuitos multicapa, dichos circuitos
impresos permitían al diseñador llevar a un gran número de señales por la tarjeta sin
aumentar el tamaño de la misma. La unión de esta tecnología junto con los circuitos
integrados en SMD permitieron a los diseñadores llevar la tecnología a el plano del
diseño 3D.
La aparición con el tiempo de procesadores de velocidad mayor, los problemas
técnicos que aparecían en las transmisión de las señales aumentaron siendo de estudio
el comportamiento y aparición de los primeros manuales técnicos sobre el correcto
diseño de circuitos integrados.
A partir de la última década las frecuencias de los circuitos integrados fueron
multiplicándose complicando aún más el diseño de las tarjetas electrónicas. La ayuda a
este problema apareció gracias al aumento en la computación informática y la
aparición de software de diseño y simulación del comportamiento de un diseño
electrónico que aplican las reglas estudiadas en dicho documento.
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Las herramientas informáticas que existen actualmente necesitan de un diseñador
experto y con conocimientos en las reglas existentes a la hora de acontecer un diseño
electrónico. En el presente trabajo se llevará a cabo la explicación y demostración de
las reglas a tener en cuenta a la hora de diseñar un circuito electrónico de alta
frecuencia. Para llevar a cabo dicha explicación se diseñara una tarjeta electrónica que
combina el diseño digital de alta velocidad con el diseño analógico de alta potencia.
La tarjeta electrónica forma parte de un sistema de posicionamiento interior basado
en balizas de ultrasonidos que tienen la función de emitir impulsos de ultrasonidos al
entorno que serán captados por el receptor, posicionando el mismo.
Dicha tarjeta por lo tanto contendrá una parte digital de procesamiento de la señal de
ultrasonidos a enviar basado en una arquitectura abierta de una FPGA, también dicho
procesador tendrá la responsabilidad de llevar a cabo la comunicación con un usuario
a través de una conexión vía Ethernet y USB.
En cuanto a la etapa de potencia se divide en dos partes, en la etapa de alimentación y
la etapa de amplificación de la señal de ultrasonidos. La etapa de potencia tendrá que
convertir la alimentación de la red de 220Vac a las diferentes alimentaciones que tiene
la tarjeta. La etapa de amplificación estará compuesta por una batería de conversores
ADC y Amplificadores de potencia que tendrán la función de aumentar la potencia del
pulso ultrasónico para ser enviado las balizas de las mismas.
En las siguientes páginas del documento se detallarán todas las etapas y diferentes
circuitos de los que está compuesta la tarjeta explicando teóricamente los efectos que
podemos encontrar en el diseño y las razones o justificaciones de porque se ha llevado
a cabo el diseño del mismo de dicha manera.
2.1 Problemática
El gran problema que se encuentra actualmente en el diseño electrónico se divide en
ciertos apartados:
- Problemas del nivel de integración -> Debido a la cantidad de funcionalidades
y reducidos tamaños de los diseños electrónicos actuales, pues dificulta y
encarece el método de fabricación y ensamblaje de los componentes
electrónicos en la tarjeta. Antiguamente en los primeros diseños electrónicos,
los componentes de las tarjetas eran de un tamaño aparentemente grande y el
método de montaje era la inserción, por lo que simplificaba mucho el proceso
de montaje de las tarjetas electrónicas. A medida que el número de
prestaciones fue en aumento los componentes fueron reduciendo de tamaño
hasta llegar en la actualidad al orden de micras en el tamaño de los mismos.
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Pero la gran evolución se dio cuando se introdujeron los componentes en SMD.
Este tipo de componentes permitían a los diseñadores la utilización de las dos
caras de las tarjetas para el posicionamiento de los dispositivos, lo que redujo
el tamaño de las mismas.
A medida que los componentes fueron reduciendo el tamaño, aparecieron
ciertos problemas en el montaje de los mismos, pues era necesaria la
utilización de maquinaria y utillaje especializado para llevar a cabo el montaje
de los componentes sobre el circuito.
- Problemas de temperatura -> Debido a lo comentado anteriormente, el
aumento de nivel de integración junto con el aumento de la velocidad de los
dispositivos ha llevado a un amento en la temperatura de los diseños
electrónicos. Está es una de las mayores problemáticas a las que se enfrenta un
diseñador a la hora de llevar a cabo la colocación y disposición de los
componentes en una tarjeta, pues dicho posicionamiento recaerá en un futuro
en la posible colocación mecánica de radiadores y ventiladores que permitan
evacuar el calor de dichos componentes al exterior. Es por ello que habrá que
tener en cuenta a la hora de llevar el diseño electrónico el uso de planos
mecánicos y colocación de los componentes en la tarjeta a diseñar.
- Problemas de acoplamientos y ruidos en la señal -> Sin duda este es uno de los
mayores problemas a los que se enfrenta un diseñador electrónico a la hora de
realizar una tarjeta. Debido a las causas anteriormente comentadas, alto nivel
de integración y aumento de la velocidad y número de señales el trazado de las
pistas por el circuito y acomodación de las mismas se ha convertido en una de
las tareas más complejas en el diseño de las mismas.
En el presente trabajo se tratará de justificar las acciones tomadas durante el diseño
del circuito, la colocación de los componentes, selección de los mismos y rutado de las
señales en la tarjeta de control del sistema de posicionamiento interno basado en
balizas ultrasónicas.
2.2 Justificaciones
Existen en el mercado actualmente tarjetas electrónicas que contienen la mayor parte
de la electrónica de cómputo necesaria para el control de las balizas del sistema de
posicionamiento, pero su precio y recursos son demasiados elevados para la aplicación
final a diseñar.
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Es por ello que la justificación de llevar a cabo el diseño y fabricación de una tarjeta
que contenga únicamente la electrónica requerida por la aplicación, que permitirá
disminuir el precio del sistema de posicionamiento y aumentar las características del
sistema, optimizando también el tamaño del equipo.
2.3 Contexto
El grupo de investigación GEINTRA (Grupo de Ingeniería Electrónica Aplicada a Espacios
Inteligentes y Transporte). Es un grupo oficialmente reconocido por la UAH (referencia
CCTT2006/R37) que aglutina a un total de 23 profesores doctores y numerosos
becarios asociados a distintos proyectos de investigación y programas de formación.
Las líneas de investigación abordadas comprenden un amplio conjunto de áreas de
trabajo en aplicaciones relacionadas, principalmente, con el uso de la tecnología
electrónica en los espacios inteligentes y los sistemas de transporte.
El grupo GEINTRA participa de forma permanente en un gran número de proyectos de
investigación, tanto de financiación pública como privada. Fruto de la intensa labor
investigadora llevada a cabo se genera de forma continuada una importante actividad
de: transferencia tecnológica a diversas empresas del sector electrónico, divulgación
de resultados en revistas de alto índice de impacto, ponencias en congresos, desarrollo
de tesis doctorales, generación de patentes, etc.
El presente trabajo está relacionado con las actividades de investigación sobre
sistemas de posicionamiento interior, basados en balizas ultrasonicas.
2.4 Estructura
En la primera parte del documento se tratarán todos los aspectos teóricos
relacionados con el diseño de un circuito impreso.
En esta sección se detallarán las reglas e implantaciones necesarias que se deberán
llevar a cabo durante la fase de diseño, antes de la fabricación del circuito. En ella se
tratarán los temas relacionados con las terminaciones de las líneas de transmisión, los
efectos de acople entre las líneas, la utilidad y uso de los condensadores de desacoplo
y los efectos y soluciones con los problemas relacionados con EMC.
En la segunda parte del documento se tratará un ejemplo de diseño implementado
para el control de un sistema de posicionamiento basado en balizas ultrasónicas. En
esta tarjeta se observan distintos tipos de electrónicas de potencia, digital y analógica
que deberán coexistir en el mismo entorno. Para ello será necesario el uso de las
reglas explicadas en la primera parte del documento.
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3. ANTECEDENTES
3.1 Introducción a los sistemas de posicionamiento
Aunque el trabajo presentado está más relacionado a explicar las reglas básicas a
implementar a la hora de realizar un circuito impreso, se ha utilizado a modo de
ejemplo el diseño de un PCB que se encargará del control de un sistema de
posicionamiento interior basado en ultrasonidos.
Desde hace muchos años el ser humano ha intentado buscar las formas de
posicionarse dentro del mundo que le rodea. Ya era desde la antigüedad cuando los
navegantes utilizaban la cosmología como elemento necesario para llevar a cabo la
navegación de sus naves a través de los mares.
Posteriormente en la edad media aparecieron novedosos artilugios como el astrolabio,
que utilizaban la posición del Sol para conocer la latitud a la que se encontraban los
navíos.
A comienzos del siglo XX empezaron a aparecer los primeros sistemas electrónicos de
posicionamiento basados en balizas electrónicas que transmitían una señal de radio,
que era captada por los navíos y a través de triangulación, con esta ayuda, estos eran
capaces de posicionarse dentro de los océanos.
A lo largo del siglo XX los sistemas electrónicos fueron evolucionando hasta llegar al
sistema de posicionamiento global, basado en satélites geoestacionarios denominado
GPS. El GPS se ha convertido en una herramienta fundamental en los tiempos que
corren permitiendo llevar a cabo el guiado de barcos, aviones y ayudando a los
conductores a encontrar su destino cuando llevan su automóvil.
Pero el GPS presenta un fundamental inconveniente y es que su uso queda delimitado
a espacios exteriores impidiendo su utilización en los espacios cerrados. La necesidad
de llevar a cabo el posicionamiento en espacios cerrados ha aumentado su demanda
en función del desarrollo tecnológico de la robótica y del desarrollo de dispositivos
electrónicos móviles personales (teléfonos, tabletas electrónicas….).
Debido a esta necesidad de consumo ha sido necesario desarrollar sistemas que nos
permitan conocer nuestra posición o la posición de un robot móvil en un espacio
interior. No existe en la actualidad un sistema ni técnica estandarizada para el
posicionamiento interior que permita definir una arquitectura fija de sistemas, a
continuación se mostrarán las utilidades de los sistemas de posicionamiento, los
sistemas más comúnmente utilizados y que se encuentran a nuestro alcance.
Pero, ¿Cuáles pueden ser las aplicaciones de un sistema de posicionamiento interior?
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- Localización y guiado de personas dentro de infraestructuras.
- Sistemas y servicios de emergencias.
- Aplicaciones de guiado de personal y enfermos en hospitales.
- Juegos.
- Modelado de infraestructuras.
- ….
Las características principales que diferencia de un sistema de posicionamiento a otro
son las siguientes:
- Sistema diseñado para posicionamiento Interior o Exterior.
- Si las posiciones son físicas o simbólicas.
- Si la posición dictada por el sistema es absoluta o relativa.
- Precisión.
- Escala de operación.
- Algoritmos de procesamiento.
- Sistema de sensorización.
- Reconocimiento del objeto.
- Coste.
- Operación en tiempo real o procesado.
- Limitaciones.
Los sistemas de posicionamiento se diferencian en dos tipos, dependiendo de la
información que generan:
- Posición física: Proporciona una posición física respecto de un origen de
referencia. Por ejemplo el GPS.
- Posición simbólica: Proporciona una posición relativa a un objeto o punto de un
escenario conocido. Por ejemplo la distancia en un punto de un edificio a la
salida más cercana.
En cuanto a la sensorización más comúnmente utilizada, se destacan:
- Sistemas de posicionamiento global.
o GPS.
o GSM, UMTS, WiMAX.
- Sistemas de posicionamiento local.
o Encoders. Basados en odometría.
o Ultrasonidos. Basados en la medición del tiempo de vuelo de la señal.
o Infrarrojos y Laser. Basados en principios de interferometría.
o Sistemas de radio frecuencia.
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LORAN
Radar
WiFi
Bluetooth
Zigbee
RFID
Las técnicas de posicionamiento más comúnmente utilizados son tres:
- Triangulación
- Análisis del escenario
- Proximidad
La técnica de triangulación o multilateración se basa en el uso de las propiedades
geométricas o triángulos para la localización del objeto. Existen dos métodos:
- Lateración
- Angulación
La lateración consiste en la medida de las distancias de balizas al objeto. Para la
localización e 2D es necesario el uso de tres balizas no colineales, mientras que para la
localización 3D es necesario el uso de 4 balizas.
Figura 1: Método de lateración
Para el uso de esta técnica existen tres tipos de medidas:
- Medida Directa. Requiere una acción física o movimiento del objeto. Es
complicada de llevar a cabo en la realidad.
- Tiempo de Vuelo. Se basa en la medición del tiempo que tarda la señal en
recorrer la distancia entre la baliza y el objeto.
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- Atenuación de la Señal. Medida de la perdida de intensidad de la señal en
función de la distancia.
La técnica de angulación se basa en medir el ángulo de incidencia que existe entre la
baliza y el objeto móvil. Para el posicionamiento en 2D es necesario un mínimo de 2
balizas.
Figura 2: Método de Angulación
Es un método utilizado en antenas arrays y en los sistemas de navegación.
En cuanto a las técnicas de proximidad. Se basan en determinar cuándo un objeto está
cercano a una posición conocida. Existen tres métodos para ello.
- Contacto físico.
- Monitorizando la distancia a un acceso inalámbrico.
- A través de un sistema de identificación automática, como por ejemplo son los
códigos de barras, tarjetas ID…
La técnica de análisis del escenario se basa en la utilización de señales que barren todo
el espacio y analizan el movimiento de objetos en dicho espacio en función del tiempo
transcurrido. Ejemplos de sistemas que utilizan estas técnicas son los radares y
sonares.
Para llevar a cabo el posicionamiento de objetos es necesario el desarrollo de una
infraestructura que deberá de contener los elementos hardware que posibiliten la
localización. Estos elementos deberán estar compuestos por la red de sensores, la red
de comunicación la unidad de procesamiento de la información y el software de
control necesario.
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Una vez llevado a cabo la introducción sobre los diferentes tipos de sistemas de
posicionamiento y el hardware necesario para llevarlo a cabo hay que destacar el
método utilizado y presentado en este trabajo. El sistema de posicionamiento
desarrollado por este trabajo consiste en un sistema de posicionamiento basado en
balizas ultrasónicas, en concreto cinco que permiten realizar el posicionamiento de un
objeto móvil dentro de un espacio 3D.
Nuestro sistema de posicionamiento estará compuesto por unos sensores ultrasónicos
que deberán de ser capaces de enviar una información única por cada baliza al objeto
móvil a localizar. Dicho objeto móvil deberá de procesar la información y ser capaz de
analizar la distancia existente a cada una de las balizas, permitiéndole así localizarse
dentro del escenario.
Para la encriptación de la información será necesaria la utilización de codificaciones y
técnicas especiales de codificación como es el CDMA.
3.2 Técnica CDMA
La multiplexación por división de código, acceso múltiple por división de
código o CDMA (del inglés Code División Múltiple Access) es un término genérico para
varios métodos de multiplexación o control de acceso al medio basados en la
tecnología de espectro expandido.
La traducción del inglés spread spectrum se hace con distintos adjetivos según las
fuentes; pueden emplearse indistintamente espectro ensanchado, expandido, difuso o
disperso para referirse en todos los casos al mismo concepto. Habitualmente se
emplea en comunicaciones inalámbricas (por radiofrecuencia), aunque también puede
usarse en sistemas de fibra óptica o de cable.
En CDMA, la señal se emite con un ancho de banda mucho mayor que el precisado por
los datos a transmitir; por este motivo, la división por código es una técnica de acceso
múltiple de espectro expandido. A los datos a transmitir simplemente se les aplica la
función lógica XOR con el código de transmisión, que es único para ese usuario y se
emite con un ancho de banda significativamente mayor que los datos.
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Figura 3: Técnica CDMA
Generación de la señal CDMA
A la señal de datos, con una duración de pulso Tb, se le aplica la función XOR con el
código de transmisión, que tiene una duración de pulso Tc. (Nota: el ancho de banda
requerido por una señal es 1/T, donde T es el tiempo empleado en la transmisión de
un bit). Por tanto, el ancho de banda de los datos transmitidos es 1/Tb y el de la señal
de espectro expandido es 1/Tc. Dado que Tc es mucho menor que Tb, el ancho de
banda de la señal emitida es mucho mayor que el de la señal original, y de ahí el
nombre de "espectro expandido".
Cada usuario de un sistema CDMA emplea un código de transmisión distinto (y único)
para modular su señal. La selección del código a emplear para la modulación es vital
para el buen desempeño de los sistemas CDMA, porque de él depende la selección de
la señal de interés, que se hace por correlación cruzada de la señal captada con el
código del usuario de interés, así como el rechazo del resto de señales y de las
interferencias multi-path (producidas por los distintos rebotes de señal).
El mejor caso se presenta cuando existe una buena separación entre la señal del
usuario deseado (la señal de interés) y las del resto; si la señal captada es la buscada, el
resultado de la correlación será muy alto, y el sistema podrá extraer la señal. En
cambio, si la señal recibida no es la de interés, como el código empleado por cada
usuario es distinto, la correlación debería ser muy pequeña, idealmente tendiendo a
cero (y por tanto eliminando el resto de señales). Y además, si la correlación se
produce con cualquier retardo temporal distinto de cero, la correlación también
debería tender a cero. A esto se le denomina autocorrelación y se emplea para
rechazar las interferencias multi-path.
En general, en división de código se distinguen dos categorías básicas: CDMA síncrono
(mediante códigos ortogonales) y asíncrono (mediante secuencias pseudoaleatorias).
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Acceso múltiple por división de código (CDMA síncrono)
El CDMA síncrono explota las propiedades matemáticas de
ortogonalidad entre vectores cuyas coordenadas representan los datos a transmitir.
Por ejemplo, la cadena binaria "1011" sería representada por el vector (1, 0, 1, 1).
Figura 4: CDMA Síncrono
Dos vectores pueden multiplicarse mediante el producto escalar (·), que suma los
productos de sus respectivas coordenadas. Si el producto escalar de dos vectores es 0,
se dice que son ortogonales entre sí. (Nota: si dos vectores se definen u = (a, b) y v = (c,
d); su producto escalar será u·v = a*c + b*d).
Algunas propiedades del producto escalar ayudan a comprender cómo funciona
CDMA. Si los vectores a y b son ortogonales, y representan los códigos de dos usuarios
de CDMA síncrono A y B, entonces:
Ecuación 1
Ecuación 2
Ecuación 3
Ecuación 4
Por tanto, aunque el receptor capte combinaciones lineales de los vectores a y b (es
decir, las señales procedentes de A y B al mismo tiempo, sumadas en el aire), si conoce
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el código de transmisión del usuario de interés siempre podrá aislar sus datos de los
del resto de usuarios, simplemente mediante el producto escalar de la señal recibida
con el código del usuario; al ser el código del usuario ortogonal respecto a todos los
demás, el producto aislará la señal de interés y anulará el resto. Este resultado para
dos usuarios es extensible a todos los usuarios que se desee, siempre que existan
códigos ortogonales suficientes para el número de usuarios deseado, lo que se logra
incrementando la longitud del código.
Cada usuario de CDMA síncrono emplea un código único para modular la señal, y los
códigos de los usuarios en una misma zona deben ser ortogonales entre sí. En la
imagen se muestran cuatro códigos mutuamente ortogonales. Como su producto
escalar es 0, los códigos ortogonales tienen una correlación cruzada igual a cero, y, en
otras palabras, no provocan interferencias entre sí.
Este resultado implica que no es necesario emplear circuitería de filtrado en frecuencia
(como se emplearía en FDMA), ni de conmutación de acuerdo con algún esquema
temporal (como se emplearía en TDMA) para aislar la señal de interés; se reciben las
señales de todos los usuarios al mismo tiempo y se separan mediante procesado
digital.
En el caso de IS-95, se emplean códigos ortogonales de Walsh de 64 bits para codificar
las señales y separar a sus distintos usuarios.
CDMA asíncrono
Los sistemas CDMA síncronos funcionan bien siempre que no haya excesivo retardo en
la llegada de las señales; sin embargo, los enlaces de radio entre teléfonos móviles y
sus bases no pueden coordinarse con mucha precisión. Como los terminales pueden
moverse, la señal puede encontrar obstáculos a su paso, que darán origen a cierta
variabilidad en los retardos de llegada (por los distintos rebotes de la señal, el efecto
Doppler y otros factores). Por tanto, se hace aconsejable un enfoque algo diferente.
Por la movilidad de los terminales, las distintas señales tienen un retardo de llegada
variable. Dado que, matemáticamente, es imposible crear secuencias de codificación
que sean ortogonales en todos los instantes aleatorios en que podría llegar la señal, en
los sistemas CDMA asíncronos se emplean secuencias únicas "pseudoaleatorias" o de
"pseudorruido" (en inglés, PN sequences). Un código PN es una secuencia binaria que
parece aleatoria, pero que puede reproducirse de forma determinista si el receptor lo
necesita. Estas secuencias se usan para codificar y decodificar las señales de interés de
los usuarios de CDMA asíncrono de la misma forma en que se empleaban los códigos
ortogonales en el sistema síncrono.
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Las secuencias PN no presentan correlación estadística, y la suma de un gran número
de secuencias PN resulta en lo que se denomina interferencia de acceso múltiple (en
inglés, MAI, multiple access interference), que puede estimarse como un
proceso gaussiano de ruido que sigue el teorema central del límite estadístico. Si las
señales de todos los usuarios se reciben con igual potencia, la varianza (es decir, la
potencia del ruido) de la MAI se incrementa en proporción directa al número de
usuarios. En otras palabras, a diferencia de lo que ocurre en CDMA síncrono, las
señales del resto de usuarios aparecerán como ruido en relación con la señal de
interés, y provocarán interferencia con la señal de interés: cuantos más usuarios
simultáneos, mayor interferencia.
Por otra parte, el hecho de que las secuencias sean aparentemente aleatorias y de
potencia distribuida en un ancho de banda relativamente amplio conlleva una ventaja
adicional: son más difíciles de detectar en caso de que alguien intente captarlas,
porque se confunden con el ruido de fondo. Esta propiedad ha sido aprovechada
durante el siglo XX en comunicaciones militares.
Todos los tipos de CDMA aprovechan la ganancia de procesado que introducen los
sistemas de espectro extendido; esta ganancia permite a los receptores discriminar
parcialmente las señales indeseadas. Las señales codificadas con el código PN
especificado se reciben, y el resto de señales (o las que tienen el mismo código pero
distinto retardo, debido a los diferentes trayectos de llegada) se presentan como ruido
de banda ancha que se reduce o elimina gracias a la ganancia de procesado.
Como todos los usuarios generan MAI, es muy importante controlar la potencia de
emisión. Los sistemas CDMA síncrono, TDMA o FDMA pueden, por lo menos en teoría,
rechazar por completo las señales indeseadas (que usan distintos códigos, ranuras
temporales o canales de frecuencia) por la ortogonalidad de estos esquemas de acceso
al medio. Pero esto no es cierto para el CDMA asíncrono; el rechazo de las señales
indeseadas sólo es parcial. Si parte (o el total) de las señales indeseadas se reciben con
potencia mucho mayor que la de la señal deseada, ésta no se podrá separar del resto.
Para evitar este problema, un requisito general en el diseño de estos sistemas es que
se controle la potencia de todos los emisores; se busca asegurar que la potencia
captada por el receptor sea aproximadamente la misma para todas las señales
entrantes. En los sistemas de telefonía celular, la estación base emplea un esquema de
control de potencia por bucle cerrado (fast closed-loop power control, en inglés) para
controlar estrictamente la potencia de emisión de cada teléfono.
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4. REGLAS DE DISEÑO DE UN CIRCUITO IMPRESO
4.1 Introducción
Cuando se debe diseñar una nueva tarjeta de circuito impreso multicapa compleja con
cuatro o más capas, con frecuencias de reloj muy altas, con comunicaciones de alta
velocidad, con tensiones de alimentación bajas, con alta complejidad de conexionado,
con memorias de alta velocidad (DDR2 por ejemplo) y con circuitos integrados con
muchas patillas, se presenta un importante reto: asegurar la integridad de la señal.
Para estar al día en el mundo de la electrónica en continuo cambio, cada vez con
circuitos integrados más densos operando cada vez con mayores velocidades, un
ingeniero de diseño tiene que ser consciente de los continuos nuevos retos de diseño.
Los efectos como las líneas de transmisión, la falta de adaptación de impedancias, la
diafonía y los rebotes de masa (“groundbounce”) pueden impedir que el producto
funcione correctamente. Del mismo modo, estos efectos pueden crear problemas
difíciles de encontrar y difíciles de resolver que pueden retardar el inicio de la
producción del nuevo producto.
Los diseños digitales han sido tradicionalmente bastante más inmunes a los problemas
más comunes en los sistemas analógicos. Las interferencias electromagnéticas (EMI) o
el trazado de la tarjeta de circuito impreso (TCI) no han representado grandes
problemas en los circuitos digitales de baja velocidad. Desde hace un tiempo, la
tecnología ha cambiado y no para facilitar el proceso del diseño electrónico.
La comprensión y el control de la integridad de la señal (calidad de señal) son aspectos
esenciales para el diseñador para realizar su diseño tal como se espera. Hay varios
aspectos importantes en la integridad de la señal a considerar: la miniaturización, la
alta densidad de los encapsulados, la disminución de los anchos de pista, la
disminución de la separación entre pistas, las tecnologías incompatibles cerca unas de
otras, las bajas tensiones de alimentación, las altas corrientes de alimentación, los
niveles lógicos bajos, los bajos márgenes de ruido, las señales digitales de alta
frecuencia, las altas velocidades de los datos, los componentes rápidos con altas
corrientes de conmutación, los encapsulados con muchas patillas de E/S, los efectos de
las líneas de transmisión, y el número de capas y su funcionalidad en las TCIs.
La miniaturización de los componentes obliga a los diseñadores electrónicos a colocar
uno muy cerca del otro. Simplemente no hay espacio adicional disponible en las TCIs.
La alta densidad de componentes requiere disminuir el ancho de las pistas y la
separación entre ellas, con lo que se propicia tener problemas de diafonía. Como el
nivel de integración de sistemas se hace mayor día a día, provoca que diferentes
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tecnologías y funciones (como la fuente de alimentación, los circuitos digitales, los
subsistemas analógicos o los módulos de RF) se deban disponer cerca de las demás.
Las frecuencias de operación, los niveles de impedancia, así como los niveles de
tensión y corriente varían en gran medida entre ellas y pueden interferir entre las
diferentes tecnologías cercanas. Los niveles de tensión de alimentación disminuyen
debido a los cambios en los procesos productivos de los semiconductores. Hoy en día,
las tensiones como 5V, 3.3V, 2.8V, 2.5V, 1.8V, 1.5V son comunes en los sistemas
electrónicos.
Los dispositivos de baja tensión utilizan niveles lógicos bajos, y como resultado, los
márgenes de ruido del sistema también son bajos.
En los sistemas de alto rendimiento, el consumo de energía es alto, tienen bajas
tensiones de alimentación y en consecuencia circulan corrientes de alimentación muy
altas. Los dispositivos rápidos no toleran largas pistas en las TCI sin las adaptaciones de
impedancia adecuadas, debido a las reflexiones en las líneas de transmisión, que
pueden reducir la calidad de la señal. A bajas velocidades, la respuesta en frecuencia
de la pista tiene poca influencia sobre la señal, a menos que la pista sea excesivamente
larga.
Conforme aumenta la velocidad, el número de efectos de alta velocidades más y más
importante. La inductancia de las pistas conectadas a los circuitos integrados (CIs) con
encapsulados con muchas patillas de E/S puede introducir nuevos retos como los
efectos del rebote de masa (“groundbounce”).
Problemas debidos a la alta velocidad
Los problemas y efectos comunes a los que se enfrenta el diseñador durante el diseño
de alta velocidad digital y sus pruebas son típicamente:
- Efectos de línea de transmisión
- Desadaptación de impedancia
- Diafonía
- Rebotes de masa (“groundbounce”)
- Atenuación de la señal
Estos efectos pueden obstaculizar seriamente la integridad, la calidad y la respuesta de
la señal. Sólo se puede superar estos problemas primero entendiendo la base de sus
síntomas, en segundo lugar estudiando cuidadosamente el diseño a realizar para
identificar las áreas más problemáticas y en tercer lugar siguiendo unas buenas
técnicas de diseño. Descuidar estos efectos y simplemente cerrar los ojos durante la
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fase de diseño no ayudará a evitar y resolver los problemas de integridad, propiciando
retardos en el desarrollo y en la llegada del producto al mercado.
Localizar el origen de los problemas que puedan existir en el prototipo, por no
mencionar su solución puede ser difícil. Soldar hilos o unos componentes al aire en una
TCI problemática no suele solucionar prácticamente nada, sino que simplemente
puede crear todavía más problemas. En los diseños de alta velocidad, el conocimiento
y la previsión son los factores clave para evitar que estos problemas aparezcan.
Los dominios del tiempo y la frecuencia
Hoy en día, la mayoría de los diseños de sistemas electrónicos principalmente son
digitales. Las señales analógicas se convierten normalmente al mundo digital tan
pronto como es posible porque así es más fácil procesarlas.
El ancho de banda de una señal digital depende de la forma de la señal, tiempos de
subida y bajada, los métodos de modulación, etc. Sin embargo, el ancho de banda de la
señal se propaga a través de un amplio espectro que excede la frecuencia de su banda
base (frecuencia fundamental) debido a los flancos verticales de la señal digital.
Figura 5: Espectro de la señal
La figura muestra dos señales de reloj y sus espectros de frecuencia. Las frecuencias de
las señales son iguales (100 MHz), pero los tiempos de subida son diferentes (2 ns y
100 ps). Cuando los tiempos de conmutación de las señales son más rápidos, el
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espectro de frecuencia de sus armónicos se extiende a mayores frecuencias (señal y
espectro rojos en la figura). Cuanta más alta es la frecuencia, más probable es tener
problemas de integridad y compatibilidad electromagnética.
Efectos de línea de Transmisión
Conforme aumenta la velocidad de la señal, se deben considerar los efectos de línea
de transmisión en la pista. Estos efectos entran en juego cuando la longitud de la pista
de circuito impreso (o cualquier otro cableo conductor que lleve la señal) es tan larga
que el retardo de la señal hacia atrás y hacia adelante por la pista es mayor que el
tiempo de conmutación de la señal.
Las diferencias entre la impedancia característica de la pista y la impedancia de salida
del conductor o la impedancia de entrada de la carga crean reflexiones de la señal.
Estas reflexiones, a su vez distorsionan la forma de onda de la señal de la figura.
Las reflexiones reducen los márgenes de ruido del sistema y pueden causar fallos no
deseados en las señales. Los efectos de líneas de transmisión dependen del tiempo de
conmutación y no de la frecuencia de la señal.
Figura 6: Reflexión de la Señal
La figura muestra gráficamente la diferencia entre las oscilaciones y las reflexiones.
Nótese el alisamiento de la señal entre cada transición; lo cual es característico de las
reflexiones.
Esta parte lisa o llana puede dar una idea del retardo de propagación de la línea de
transmisión. Las oscilaciones se muestran mayormente como el comportamiento típico
de un circuito estándar L-C con una mayor frecuencia. Se puede optar por utilizar un
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solo dispositivo rápido (con señales de flancos rápidos) en un sistema de baja
velocidad. En este caso, los efectos de líneas de transmisión pueden dar problemas
inesperados. Los efectos de línea de transmisión deben tenerse en cuenta en todos los
sistemas que contienen señales rápidas, sin importarla frecuencia de la señal de reloj.
Figura 7: Señal de reloj digital
La figura muestra señales de reloj (verdes arriba y abajo) que tienen frecuencias
idénticas, pero diferentes tiempos de conmutación. Nótese que la señal con tiempos
lentos de conmutación resulta en señales de buena calidad en la carga (roja superior),
pero los tiempos rápidos de subida generan una gran distorsión en la carga (roja
inferior). El material dieléctrico de la TCI afecta al retardo de propagación de la señal.
Cuanto mayor es la constante dieléctrica del sustrato, el retardo de propagación es
más alto. Como regla general, el retardo de propagación TPD de una pista con un
dieléctrico FR-4 típico de una TCI es de aproximadamente 5,5 ns/m.
La longitud de una pista de TCI en la que se deben considerar los efectos de línea de
transmisión (oscilaciones y sobre-impulsos) depende del retardo de propagación y del
tiempo de subida del flanco. La longitud máxima de una línea de transmisión, sin
necesitar adaptación de impedancia es Lmax=tr/4tpd, donde Lmáx es la longitud
máxima de la pista, tr es el tiempo de subida de la señal y tPD es el retardo de
propagación de la señal. Por ejemplo, si el tiempo de subida/bajada de la señal (tr) es
de 2 ns, y el retardo de propagación de la señal es de 5,5 ns/m, la longitud máxima de
una pista trazada sin terminaciones es de 90 mm. Si hay múltiples cargas conectadas a
la pista, la capacidad de estas cargas aumenta aún más el retardo de propagación.
Por lo tanto, como un resultado, una pista muy cargada requiere adaptación de
impedancias, incluso con pistas más cortas que una pista ligeramente cargada.
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Impedancia característica y adaptación de impedancia
Cada conductor tiene una impedancia característica, que depende de sus limitaciones
físicas. La impedancia característica ZO se refiere a la línea de transmisión equivalente
si el conductor fuese infinitamente largo. Un conductor uniforme adaptado con su
impedancia característica no tiene ondas estacionarias (reflexiones). Por lo tanto, tiene
una relación constante de tensión a corriente a una frecuencia dada, en cada punto del
conductor. La impedancia característica de cada tipo de conductor depende de su
construcción: las dimensiones, la forma de la ruta de retorno de la señal, las
propiedades dieléctricas, etc.
Los circuitos impresos normalmente contienen pistas tipo microstrip y stripline. Al
igual que con todos los tipos de conductores, la impedancia característica de estas
pistas dependen de las dimensiones de la pista y de la construcción del circuito
impreso.
Figura 8: Construcción de un circuito impreso
Típicamente, la impedancia de una pista “microstrip” está en un intervalo de 50 a 150
Ω, y la de una “stripline” en una gama de 30 a 80 Ω, debido a la mayor proximidad al
plano de masa. Se necesita la conexión de una fuente de señal (generador) a una carga
para que la transferencia de la señal tenga lugar. Si las impedancias de la fuente y de la
carga son distintas inevitablemente habrá reflexiones y pérdidas de señal. Ajustando
las impedancias (adaptación de impedancias) de las distintas partes del sistema, el
diseñador puede minimizar estas reflexiones y garantizar la calidad de la señal
adecuadamente.
Por ejemplo, un sistema de distribución de vídeo requiere el uso de conexiones de 50 o
75 Ω con el fin de conectar varios sistemas juntos. Con el vídeo, las reflexiones debido
a la desadaptación de impedancias pueden causar ruido y efecto de doble imagen en
el monitor. En los sistemas digitales, las desadaptaciones de impedancia pueden dar
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como resultado una señal distorsionada de reloj, interrupciones espureas, o incluso
datos erróneos leídos desde un dispositivo periférico. Esto puede provocar un mal
funcionamiento grave del sistema.
En los sistemas digitales, se utilizan diversos métodos de adaptación de impedancias.
Figura 9: Terminaciones de señal
Diafonía
La diafonía es un problema en las TCIs con CIs con encapsulados con muchas patillas.
Los dispositivos empotrados contienen sistemas de señales mixtas, todo en un área
pequeña de una TCI. Algunos sistemas contienen sistemas analógicos sensibles como
amplificadores y convertidores A/D, y otros pueden contener electrónica de potencia
(control de motor DC o AC, drivers de solenoides o similares). Los mecanismos típicos
de interferencia en sistemas empotrados son:
- Acoplamiento de la fuente de alimentación (por impedancia común)
- Diafonía capacitiva
- Diafonía inductiva.
Varias partes del diseño comparten las fuentes de alimentación, por lo que, la parte
digital del diseño pueden interferir la parte analógica o viceversa. Las transiciones
rápidas de tensiones tienden a acoplarse a otras partes de la circuitería a través de la
capacidad mutua entre los circuitos.
En algunos sistemas, las corrientes de retorno pueden compartir la misma trayectoria,
que se traduce en diafonía debido a la impedancia mutua: los cambios en la corriente
que fluye a través de la impedancia son acopladas al otro subsistema. Los diseños de
alta densidad tienen componentes y pistas muy cercanas.
Como cada parte o pista están conectados realmente otros circuitos alrededor, con
capacidad parásita, es propensa a la diafonía a través de la capacidad. Las señales de
alta velocidad con flancos muy rápidos trazadas cerca de un circuito de alta
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impedancia (por ejemplo, un circuito CMOS o analógico) son ejemplo de sistemas
susceptibles a la diafonía capacitiva.
Las señales que se circulan en pistas de la TCI estrechamente adyacentes pueden
perturbar las señales que circulan por otras pistas si la longitud de pistas paralelas es lo
suficientemente larga, provocando picos de tensión o “clichés”.
Figura 10: Efecto de Diafonía
En los sistemas digitales de alta velocidad, las inductancias de los cables o pistas
desempeñan un papel importante.
Las corrientes de retorno retornan a masa a través de una impedancia distinta de cero.
La impedancia existe debida principalmente a los efectos resistivos e inductivos de las
pistas de la TCI. La inductancia de la pista genera diferencias de tensión entre varios
puntos de la masa de la TCI. Desde el punto de vista de la alta frecuencia del potencial
de masa de referencia no es homogéneo y no tiene el mismo potencial en toda su
superficie. Diferencias de tensión generados por las señales de alta frecuencia causan
fácilmente problemas de integridad de la señal. Con demasiada frecuencia, los
síntomas de un diseño inadecuado pueden ser detectados durante las mediciones de
compatibilidad electromagnética como altas emisiones o un nivel de inmunidad
deficiente.
El rebote de masa y las conmutaciones simultáneas
Cuando los dispositivos digitales son más rápidos, los tiempos de conmutación
disminuyen. Para conmutar rápido, las salidas de los dispositivos deben cargar o
descargar las capacidades de carga con altas corrientes.
Como las pistas, las conexiones internasen los encapsulados de los CIs (pequeños hilos
unidos a las patillas del chip real) no son conductores ideales y su inductancia no es
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siempre pequeña. Las altas corrientes de conmutación generan diferencias de tensión
en estas inductancias de las patillas de alimentación y masa del CI (Ley de Lenz).
Este fenómeno se conoce como rebote de masa (“groundbounce”) y puede afectar a la
TCI completa. El rebote de masa es debido a múltiples factores y no hay métodos
estándar para la predicción de los problemas que genera. Hoy en día, los diseños
contienen dispositivos integrados de gran escala de integración y dispositivos lógicos
programables que pueden tener encapsulados con muchas patillas.
Basta pensar, por ejemplo, en un dispositivo FPGA con 1020 patillas en un encapsulado
FBGA. Cuando varias salidas conmutan simultáneamente, inducen una caída de
tensión en la distribución de alimentación del dispositivo. Al mismo tiempo, la
corriente de conmutación aumenta momentáneamente la tensión de masa interna del
dispositivo en relación a la masa del sistema.
Cuanto mayor es la inductancia de las conexiones de masa del dispositivo, mayor es la
tensión del rebote de masa. Controlar el rebote de masa depende en gran medida del
diseño de la TCI, ya que no queda mucho más por hacer a nivel de la arquitectura del
diseño. Las altas corrientes transitorias debido a la conmutación simultánea de los CIs
digitales pueden generar excesiva cantidad de ruido de masa.
Figura 11: Efecto de rebote de masa
Los altos niveles de ruido de masa hacen que el sistema sea propenso al aumento de
las emisiones (EMI). Además de esto, el sistema puede sufrir falta de fiabilidad y fallos
funcionales.
Trazado de las pistas de señal
Para evitar problemas de funcionamiento es esencial realizar el trazado
cuidadosamente de la TCI cuando se tiene CIs alta velocidad. Los efectos de línea de
transmisión establecen los límites de la longitud de una pista de TCI sin adaptación de
impedancias.
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Las reflexiones de señal en las pistas largas pueden arruinar la integridad de la señal y
provocar muchos fallos funcionales. Un grupo de señales rápidas a menudo tienen que
llegar a la carga dentro de un intervalo de tiempo muy estrecho, para procesar la
información en paralelo correctamente.
La variación de la longitud de las pistas provoca variaciones de tiempo que pueden ser
difíciles de corregir. El retardo de propagación de una pista depende de su trazado y de
la carga conectada a la pista.
Así las señales conectadas a las pistas cortas llegan mucho antes de las señales
conectadas a las pistas largas. La diferencia a menudo se establece por el tiempo de la
señal de reloj en comparación con las demás señales.
Hay otras consideraciones a tener en cuenta además de las longitudes de las pistas. La
impedancia de la pista depende de las limitaciones físicas de la pista (anchura y
espesor), así como de la construcción de la TCI (dimensiones, material dieléctrico,
número y asignación de capas, etc.). La impedancia de la pista está relacionada
también con la adaptación de impedancias y sus requisitos.
Debe diseñarse cuidadosamente la distribución de la señal de reloj para reducir al
mínimo los retardos y el “jitter”, y para garantizar que la señal de reloj pueda ser
utilizada con seguridad en las diferentes partes de la placa de la TCI. Puede haber otras
señales de control, además de las señales de reloj que requieran especial cuidado en
su trazado. El pequeño espaciado entre pistas permite una alta densidad de trazado en
la TCI, pero al disponer múltiples pistas en paralelo puede provocar interferencias
entre las señales debido a una diafonía capacitiva excesiva.
Del mismo modo, el uso de pistas estrechas para aumentar el espacio de trazado
disponible en la TCI aumenta la inductancia de la pista y puede hacer que la señal
tenga peores problemas de integridad.
Asignación de capas y selección del sustrato
La construcción de la tarjeta de circuito impreso deseada depende de los encapsulados
de los componentes utilizados en el diseño, de la requerida densidad de pistas de
señal, de los requisitos de adaptación de impedancias, de la asignación funcional y
número de capas, etc. Las TCIs tradicionales de dos capas usan pistas de alimentación y
masa (no planos).
Este tipo de TCI no debe utilizarse con circuitos de alta velocidad, porque proporcionar
un nivel de referencia sólido (masa) para estas señales es imposible.
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Para las TCIs de alta velocidad, es obligatorio usar cuatro o más capas con planos de
masa y alimentación. Los planos sólidos de cobre permiten al diseñador mantener
cortas las conexiones de masa y alimentación de los componentes. Además, el plano
de masa ofrece conexiones de masa de baja inductancia para las señales de alta
velocidad. Conviene disponer el plano de masa y el plano de positivo muy juntos en el
interior de la TCI para obtener la menor impedancia característica.
Hoy en día, el material laminado FR-4 se utiliza ampliamente en las TCIs, siendo una
solución económica para la mayoría de los diseños digitales, siempre y cuando las
frecuencias puedan mantenerse por debajo de un rango de 2,5 a 3 GHz. A altas
velocidades, la señal digital puede verse afectada por los parámetros del sustrato de la
TCI. Los sustratos para alta velocidad tienen mejores propiedades que el FR-4 en las
frecuencias más altas.
El uso de materiales adecuados puede ayudar a los diseñadores a llegar a su objetivo
de diseño más sencillo y más fiable que con el materialFR-4. Una señal que viaja a
través de la TCI tiene una velocidad que depende de la constante dieléctrica relativa de
la TCI. Por ejemplo, cuando la frecuencia de la señal va más allá de 5 GHz, la constante
dieléctrica típica de FR-4 (ronda 4.7) cae cerca de 4. Sin embargo, la constante
dieléctrica relativa del material Rogers 4350 es constante (aproximadamente 3,5) de 0
hasta 15GHz. Si la constante dieléctrica de la TCI cambia en función de la frecuencia,
las diferentes componentes de frecuencia de la señal (armónicos) tendrán diferentes
velocidades.
Esto significa, que estas componentes llegan a la carga en diferentes momentos. Como
resultado, esto es la causa de la distorsión de la señal digital. En segundo lugar, las
pérdidas de señal debido al material de la TCI aumentan con la frecuencia. Una vez
más, cada armónico de la señal digital será atenuado de acuerdo con su frecuencia. El
aumento de las pérdidas de las componentes de la señal se sumará a la distorsión de la
señal digital.
4.2 Conceptos Aplicados al diseño del PCB
A continuación se va llevar a cabo la descripción de una serie de conceptos específicos
a tener en cuenta a la hora de llevar a cabo el diseño de un PCB. Todos los efectos
comentados a continuación serán reflejados en el PCB diseñado realizado para la
aplicación del sistema de posicionamiento.
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36
Líneas de transmisión en PCBs
Definición
Las líneas de transmisión son el recurso para guiar la energía eléctrica de un punto a
otro del circuito. Las líneas de transmisión confinan la energía electromagnética a una
región del espacio limitada por el medio físico.
La línea de transmisión está formada por conductores eléctricos con una disposición
geométrica, que condiciona las características de las ondas electromagnéticas que
viajan por ella.
Los parámetros primarios que definen una línea de transmisión son:
Figura 12: Línea de Transmisión I
- R (en serie) depende de la resistividad del conductor y de la frecuencia.
Si la frecuencia aumenta -> Aumenta la Resistencia.
- L (en serie) es la consecuencia del hecho de que todo conductor por el circula
una corriente tiene una inductancia asociada.
- Capacidad (en paralelo), una línea de transmisión, está formada por dos o más
conductores separados por un dieléctrico, constituyendo un condensador cuya
capacidad depende del área de los conductores, su separación y la constante
del dieléctrico del material que los separa.
- La conductancia (en paralelo) es la consecuencia de que el dieléctrico no es
perfecto y tiene resistividad finita, con lo que parte de la corriente se fuga
entre los conductores.
La conductividad y la resistencia, son los elementos que contribuyen a las perdidas o
atenuación en una línea de transmisión.
Impedancia característica
Se define la impedancia característica como el ratio de tensión frente a la corriente en
una línea de transmisión infinita. La impedancia característica se simboliza como Zo y
se expresa en ohmios. Se representa a través de la ecuación:
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√
√
Ecuación 5
Si la frecuencia es alta como para que se cumpla que R<<wL y G<<wC, se puede
aproximar a la siguiente ecuación:
√
Ecuación 6
En estas condiciones, la impedancia es real, puramente resistiva y no depende de la
frecuencia. Por lo tanto depende únicamente de la inductancia y capacidad
distribuidas. La capacidad depende a su vez de la permitividad del dieléctrico.
La permitividad se define como la tendencia de un material a polarizarse ante la
aplicación de un campo eléctrico y de esa forma anular parcialmente el campo interno
del material. Por ejemplo, en un condensador una alta permitividad hace que la misma
cantidad de carga eléctrica se almacene con un campo eléctrico menor y, por ende, a
un potencial menor, llevando a una mayor capacitancia del mismo.
La caracterización de una línea de transmisión se representa de la siguiente forma:
Figura 13: Línea de Transmisión II
Los problemas que pueden aparecer en una línea de transmisión son muy diversos,
pero el principal son las reflexiones que a continuación comentaremos.
Es muy importante conocer que impedancia tiene la línea, ya que conociendo este
valor se podrán minimizar las reflexiones de señal en ella.
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Reflexiones
Teniendo en cuenta el siguiente modelo para representar una línea de transmisión:
Figura 14: Línea de transmisión III
Si la longitud de la línea es de longitud infinita, la reflexión será de tiempo infinito y se
asume que no existe reflexión. Para que esto ocurra, la uniformidad a lo largo de toda
la línea de transmisión tiene que ser óptima.
En la realidad las líneas de transmisión han de ser finitas, y para que las reflexiones no
aparezcan o no interfieran hay que acabar la línea con una terminación.
La terminación deberá ser del mismo valor óhmico que el de la impedancia
característica de la línea:
Figura 15: Línea de transmisión IV
Con este resultado se consigue una línea de transmisión infinita.
- Si Zo es un circuito abierto, la impedancia es infinita.
- Los condensadores C1-C5 estarán cargados.
- La corriente tenderá a eliminarse a través de ellos.
- Pero las inductancias, no pueden dejar de conducir de forma brusca.
- “Inyectar” corriente en la línea intentando mantener el flujo.
- Con este incremento de corriente, la tensión en los condensadores aumenta un
poco más de la tensión de la amplitud de la señal transmitida.
- Esto va ocurriendo uno a uno y para cada asociación L-C.
- Produciendo un frente de ondas en sentido contrario al emitido.
- Provocando Overshoots y Undershoots (reflexiones en la señal).
- La señal a transmitir, al llegar al final de la línea.
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- La pareja de inductancias finales conducen con una corriente que no puede
variar bruscamente.
- Lo cual hace que la tensión en sus extremos empiece a decrecer.
- Por eso los condensadores finales ve un cortocircuito y empieza a descargarse
suministrando a los inductores finales la corriente necesaria para que ellos la
mantengan.
- Llegado el momento en el que el potencial en los condensadores finales sea 0V
como en la carga del corto y todo esto sucede mientras las capacidades unas
tras otras van descargándose hasta que todas quedan descargadas.
- El coeficiente de reflexión en este caso es negativo, con lo cual provoca una
señal con la misma amplitud pero con polaridad negativa.
- Siguiendo la misma estrategia que en los ejemplos explicados, si la terminación
de línea es igual en valor a la de la impedancia característica de la línea, el
coeficiente de reflexión será nulo. Una vez transmitida la señal, cuando el
frente de ondas llega a la terminación la corriente sigue fluyendo
idénticamente igual en la línea de transmisión lo cual hace que haya onda
reflejada.
Con una terminación de valor finito, superior a la de la impedancia característica la
explicación es análoga. La diferencia será la amplitud de la sobretensión o reflexión. La
magnitud y polaridad de la onda reflejada son descritas por el coeficiente de reflexión
según se indica en la siguiente ecuación:
Ecuación 7
Pueden darse valores de entre -1 y +1:
- Con Zt= infinito y =1 entonces la onda reflejada tendrá la misma amplitud
que la transmitida y de la misma polaridad.
- Con Zt=0 y =-1 entonces la onda reflejada tendrá la misma amplitud que la
transmitida y con polaridad contraria a la transmitida.
- Con Zt=Zline y =0 entonces no existirá onda reflejada.
Overshoot ringing
Cuando el coeficiente de reflexión no es nulo, produce reflexiones. Estas reflexiones
provocan overshoots y ringing en la señal detectada en la carga. Las reflexiones, son
interferencias que aumentan o disminuyen la amplitud (tensión de ruptura) de los
circuitos empleados. Pueden provocar daños irreparables y/o producir interferencias
en señales o sistemas adyacentes.
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Pueden producir errores en las lecturas, disparos por flanco erróneos. La magnitud y
frecuencia del rizado depende de:
- La velocidad de propagación de la señal.
- La longitud de línea.
- Del coeficiente de reflexión en cada discontinuidad de impedancia.
La forma de distorsión en la señal puede indicar el tipo de problema que lo provoca.
Una señal con excesivo rizado indica una excesiva influencia inductiva. Una señal con
flancos lentos, indica una excesiva influencia capacitiva.
Figura 16: Rizado de la señal
Adaptación
La adaptación de impedancias tiene como finalidad reducir los efectos de reflexión que
pueden provocar reflexiones en la línea.
La adaptación de impedancias puede realizarse con criterios distintos:
Adaptación en tensión de la impedancia característica, para evitar onda
reflejada.
Figura 17: Impedancia característica I
Adaptación en potencia, para transmitir la señal con la mayor potencia posible.
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Figura 18: Impedancia característica II
Adaptación conjugada, combina las dos anteriores.
Figura 19: Impedancia característica III
Impedancia característica en las distintas topologías de un PCB.
En la práctica, calcular la impedancia característica y la inductancia de las pistas en un
PCB es demasiado complejo. Depende en gran medida de la topología del circuito.
Las ecuaciones que se van a mostrar a continuación representan la forma general el
comportamiento de las topologías existentes de la fabricación de PCBs.
Actualmente la tecnología ha permitido que el diseñador de PCBs tenga el control de
decidir el ancho de la pista (w), y control parcial del espesor de cobre sobre la misma
(t). Cualquier pista de un PCB tiene una impedancia característica asociada. Esta
impedancia es dependiente del ancho de pista (w), espesor de la pista (t), la constante
del dieléctrico € y la distancia entre los planos de referencia (h).
Esta impedancia es dependiente del ancho de pista (w), espesor de la pista (t), la
constante del dieléctrico € y la distancia entre los planos de referencia (h).
De forma más genérica se puede resumir las ecuaciones de las topologías existentes
en:
- Microstrip
- Stripline
- Stack Up, siendo la combinación de las dos anteriores.
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Microstrip
En la siguiente figura puede observarse la representación de una pista por un PCB.
Figura 20: Modelo de Microstrip
En esta topología las ecuaciones están representadas por:
- Donde h es la distancia entre la pista y el plano de retorno y k es una constante
con valores:
o K=87 -> cuando-> 15mils<W<25mils
o K=79 -> cuando -> 5mils<W<15mils.
- εr es la constante del dieléctrico que depende del material usado para el FR4
que está comprendido entre 4 y 4.5.
Las unidades de la medida se expresan en milésimas de pulgada (mils).
Las ecuaciones quedan:
√ (
)
Ecuación 8
Ecuación 9
Ecuación 10
En el caso de tener dos pistas en paralelo el modelo es el siguiente:
Figura 21: Modelo de Microstrip en paralelo
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En el siguiente grafico se puede comprobar la relación de la impedancia Zo con la
anchura de la pista (w).
Figura 22: Impedancia característica III
En el siguiente grafico se puede comprobar la relación de la impedancia Zo con la
anchura del dieléctrico (h).
Figura 23: Impedancia característica IV
En el siguiente grafico se puede comprobar la relación de la impedancia Zo con la
altura de la pista (t).
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Figura 24: Impedancia característica V
Microstrip empotrado
A continuación se muestra el gráfico de una pista enterrada en un PCB.
Figura 25: Microstrip empotrado
√ (
)
Ecuación 11
Ecuación 12
A continuación se muestra un gráfico de dos pistas empotradas y paralelas.
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Figura 26: Microstrip con dos pistas empotrado
(
)
Ecuación 13
- Dónde: h=h1=h2
Las restricciones que validan las ecuaciones son: 0.1<w/h<3 y 1<εr<15 siendo
Zo<Zdiff<2Zo
A continuación se detalla una serie de conceptos que deberán de aplicarse al diseño
del microstrip:
- Retardo de propagación. El retardo de propagación Tpd es el tiempo que tarda
en viajar una señal de un extremo a otro de la pista del PCB. Y depende
principalmente de la constante del dieléctrico del material base del PCB.
- La topología del microstrip se calcula según la siguiente ecuación:
√
Ecuación 14
Stripline
En el siguiente gráfico se muestra la disposición de una pista de un PCB en un striline.
Figura 27: Modelo de Stripline
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√ (
)
Ecuación 15
Ecuación 16
Ecuación 17
A continuación se muestra un stripline de un pcb con dos pistas en paralelo.
Figura 28: Modelo de dos pistas Stripline
(
)
Ecuación 18
Las restricciones que validan las ecuaciones son: w/(h-t) < 0.35 y w/h < 2, t/h < 0.25 y
w<15mils
En el siguiente gráfico se muestra la relación de la impedancia Z0 en función de la
anchura de pista (w).
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Figura 29: Impedancia característica VI
En el siguiente gráfico se muestra la relación de la impedancia Z0 en función de la
anchura del dieléctrico (h).
Figura 30: Impedancia característica VII
En el siguiente gráfico se muestra la relación de la impedancia Z0 en función de la
altura de la pista (t).
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Figura 31: Impedancia característica VIII
Stripline Asimétrico
A continuación se muestra un gráfico de un stripline que contiene una pista en el
dieléctrico asimétrica a los planos de referencia.
Figura 32: Stripline asimétrico
√ (
)
Ecuación 19
Ecuación 20
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Las restricciones que validan las ecuaciones son: w/(h2*t) < 0.35 y t/h2 < 0.25.
Existen una serie de cálculos adaptados a la configuración de stripline
- Tiempo de retardo. Queda representado por la siguiente ecuación.
√
Ecuación 21
Figura 33: Impedancia característica IX
Figura 34: Impedancia característica X
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Figura 35: Impedancia característica XI
Calculo de la impedancia real de una pista
La impedancia característica de una pista también está influenciada por la geometría
de está. Las ecuaciones anteriores no tienen en cuenta la geometría. SI el valor de Z0
depende en gran medida de la geometría complica el cálculo de Z0. Lo cual no se
puede expresar con una ecuación.
La impedancia también se ve afectada por la carga capacitiva de la pista, ya que cada
receptor y cada vía añaden un pequeño incremento de capacidad. En este caso se
puede expresar mediante la ecuación:
√
Ecuación 22
Donde C0 es el valor de la capacidad que aporta el dispositivo, C0 es la capacidad por
unidad de longitud intrínseca de la línea y l es la longitud de la línea.
Al igual se ve modificado el tiempo de propagación:
√
Ecuación 23
Además contando que el dieléctrico de los PCBs no es totalmente homogéneo, donde
la constante del dieléctrico sufre irregularidades. Hace realmente complicado saber
exactamente el valor de Z0, aunque las ecuaciones vistas nos darán un resultado
aproximado.
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Por estas razones el cálculo real de Z0 es excesivamente complicado. En la práctica en
diseños de PCBs, se usan herramientas automatizadas para prever el valor de Z0.
Longitudes críticas
En los años 80 las interconexiones en un PCB no se consideraban como líneas de
transmisión sino como cortocircuitos ideales. Hoy en día, los flancos de subida y bajada
de una señal son tan cortos que la señal lleva componentes de muy alta frecuencia. Las
interconexiones ya no son cortas comparadas con las longitudes de ondas asociadas.
Esto afecta también a los caminos de retorno de las señales. Ya no son ideales.
Las líneas consideradas como largas, incluyendo sus caminos de retorno, afectarán
negativamente a la propagación de las señales (reflexiones, distorsión, retardos,
radiación) a no ser que se realice algo para evitarlo.
Concepto de Frecuencia de Codo
Dado el ancho de banda practico de una señal digital, la frecuencia de codo se define
como:
Figura 36: Frecuencia de codo
Criterio para considerar una pista como línea de transmisión.
Se trata de un concepto más o menos arbitrario pero se define como:
Cuando el tiempo que tarda una señal en propagarse hasta la carga es mayor a 1/5
de la duración del flanco.
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Figura 37: Longitud crítica
A continuación se detalla una tabla donde se especifican las longitudes críticas para las
distintas familias lógicas, suponiendo Tpd=60ps/cm
Tabla 1: Longitud critica para familias lógicas
En la siguiente figura se muestra un ejemplo gráfico de la perturbación que aparece en
la señal debido a la diferencia de la longitud de su pista.
Figura 38: Perturbación por diferencia de longitud
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53
Pérdidas de transmisión
A modo de esquema, podemos catalogar las pérdidas como:
Tabla 2: Perdidas por transmisión
Efecto Pelicular
La resistencia de un conductor aumenta con √ debido a una reducción de la sección
efectiva del conductor por el que circula corriente.
Figura 39: Modelo de efecto pelicular
Para estimar el aumento de atenuación debido al efecto pelicular se debe de realizar
los siguientes cálculos.
Figura 40: Aumento de la atenuación
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54
Surfaceroughness
Las capas de cobre en un PCB tienen una de las dos caras rugosas con el fin de
aumentar la adherencia al dieléctrico, mejorando el retwork y la resistencia mecánica.
La rugosidad se especifica con el valor rms de las irregularidades.
Cuando el Skin depth se aproxima a este valor, en frecuencias superiores a 100-
300Mhz, la resistencia aumenta hasta un 50% respecto a lo que explicaría el efecto
pelicular.
Figura 41: Modelo de Surfaceroughness
Absorción dieléctrica
Se trata de la energía perdida a la hora de reorientar los dipolos eléctricos en presencia
de un campo eléctrico variable (flancos de la señal).
Figura 42: Absorción dieléctrica
Viene definida por la tan(δ) que es la tangente o factor de pérdidas. En un
condensador de capacidad C, la conductancia es: G=2π*f*C*tan(δ). Como conclusión
se obtiene que las pérdidas son proporcionales a la frecuencia y sólo a frecuencias muy
altas >1Ghz superan en valor a las pérdidas resistivas.
A modo de resumen de las diferentes pérdidas, se muestra el siguiente gráfico.
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55
Figura 43: Tipos de atenuaciones
Líneas de transmisión en un PCB
Líneas diferenciales
En ciertos diseños es necesario el uso de líneas diferenciales de entrada y salida. En la
siguiente imagen se observa un ejemplo de tarjeta con líneas diferenciales.
La transmisión diferencial consiste en dos salidas separadas con un offset fijo de
tensión V0. El voltaje V1 se suma a una línea, recta en la otra.
La tensión diferencia (oddmode) es:
Ecuación 24
Figura 44: Lineas diferenciales de un PCB
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56
La tensión en modo común (even mode) es:
Ecuación 25
El ruido común, en la línea de masa o el que se acopla por crosstalk no afecta a la señal
de entrada.
Figura 45: Modelo de ruido
El concepto de LVDS (Low-Voltage Differential Signaling) es un estándar que define una
transmisión balanceada de hasta 655Mbps en un par de pistas de PCB o en un par de
cables. La transmisión se realiza a corriente constante, aproximadamente a 3.5mA y el
sentido de la corriente diferencia al 0 del 1.
Figura 46: Modelo de línea diferencial
Existen dos tipos de topologías en las líneas diferenciales:
- Punto a Punto.
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57
Figura 47: Terminación punto a punto
- Bidireccional o Half-Duplex.
Figura 48: Terminación bidireccional
Cuando resulta idóneo utilizar una transmisión diferencial:
- Cuando se quiere reemplazar un grupo de líneas single-ended lentas por un
número reducido de pares diferenciales rápidos.
- Cuando haya que transmitir datos/relojes entre dos circuitos (PCBs) cuyas
masas estén a distinta tensión. Por ejemplo Ethernet.
- Cuando la señal vaya a sufrir un elevada atenuación.
- Cuando haya que transmitir datos/relojes por encima de los 100-150Mb/s.
Para rutarlas de una manera correcta hay que intentar llevarlas lo más paralelas
posibles, intentando mantener la misma longitud en cada una de ellas, también es
aconsejable, separarlas un poco más cuando sea necesario sin alterar
significativamente Zo. Además hay que reducir el ancho de la pista para reducir las
pérdidas.
Interferencias entre símbolos
La interferencia entre símbolos aparece cuando tras varios símbolos del mismo valor
hay una transición al valor contrario.
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58
Figura 49: Interferencia entre símbolos
Como consecuencia, el primer símbolo del nuevo valor queda atenuado y puede no ser
detectado. Esta atenuación afecta a la posición temporal de los flancos de señal. Se
aprecia el fenómeno de Jitter.
Para entender este fenómeno se ha de pensar qué línea es un condensador que se
carga durante el tiempo que dura un valor y se descarga durante el valor contrario. La
interferencia entre símbolos se puede solucionar aplicando un pre-enfasis al primer bit
de una secuencia de 1s o 0s.
Figura 50: Análisis de señal
Diagramas de ojos
El diagrama de ojos es la herramienta que permite estudiar el Jitter total y la
interferencia entre símbolos, así como la amplitud, constituyendo una importante
herramienta en el análisis de señales multigigabit.
El diagrama de ojos se forma superponiendo secuencias de señal de la misma
duración, alineadas con los flancos de reloj.
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59
Figura 51: Diagrama de ojos I
Los parámetros a medir en un diagrama de ojos son:
Niveles del 1 y del 0, Apertura del ojo, Tiempo de Subida y de Bajada.
Figura 52: Diagrama de ojos II
Anchura del ojo
Figura 53: Diagrama de ojos III
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60
Altura del ojo, Amplitud del ojo, Relación S/N y Jitter
Figura 54: Diagrama de ojos IV
Utilización de las Mascaras
Para su análisis han de definirse áreas prohibidas que el ojo no debe de cruzar para
garantizar una adecuada calidad de la señal. Estas áreas son diferentes para cada
estándar de transmisión.
Figura 55: Diagrama de ojos V
Si se realiza el análisis y sé observa que ninguna señal cruza nuestra mascara,
significará que las condiciones establecidas son correctas para el diseño.
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61
Terminaciones de las líneas
El efecto característico que aparece en las terminaciones de líneas es el fenómeno de
reflexión que puede provocar:
- Falsos flancos en las señales de reloj. (CASO A)
- Niveles lógicos no validos en los instantes de muestreo. (CASO B)
- Posibles daños a los buffers por sobretensión.
Figura 56: Terminaciones de líneas
Los efectos negativos pueden provocar falsos flancos de reloj, falsos unos y falsos
ceros, sobrecorriente en los diodos de protección y por tanto acortar la vida del
componente.
Serie en la fuente
Consiste en una resistencia serie cuyo valor, más la impedancia de salida de la fuente,
es igual a la impedancia característica de la línea.
Figura 57: Serie fuente
Típicamente Zo=50Ω, Rd=18Ω. Luego se suele colocar Rs=33Ω. Pero la pregunta es.
¿Por qué es necesario colocar la terminación muy cerca de la fuente?
- Como Rs+Rd=Zo, una onda de amplitud mitad se propaga hacia la carga.
- Como ρl=1, se recupera toda la amplitud en la carga (incidente+reflejada).
- La onda reflejada hacia la fuente no vuelve a reflejarse, ya que ρs=0.
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- Entonces se reduce el Crosstalk de la línea.
La terminación serie en la fuente funciona correctamente para señales punto a punto.
Pero, ¿Qué sucede si hay más de una carga?
Figura 58: Serie en la fuente con más de una carga
- La onda incidente produce sólo la mitad de la amplitud en A. Es necesario
esperar a la onda reflejada para alcanzar la amplitud total.
- Esto produce flancos no monótonos y retardos elevados, lo que no es
apropiado para señales de reloj o cuando queremos minimizar los retardos.
Por lo tanto, este tipo de terminación es adecuado para líneas punto a punto o, si hay
más de una carga, cuando Lb es pequeña (a efectos prácticos, Lb<Lcritica), topología
que se conoce como heavy point-to-point.
Figura 59: Ejemplo de serie en la fuente en un PCB
Paralelo en la carga
Este método es adecuado cuando una línea tiene cargas distribuidas. La principal
desventaja es que los drivers deben de conducir una corriente muy elevada.
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Figura 60: Paralelo en la carga
Al adaptar el extremo de la línea, no se producen reflexiones. La terminación Rt puede
llevarse a masa o a Vcc indistintamente, siempre que haya un buen desacople entre
ambos planos. Este método tiene la ventaja de su sencillez, pero no se puede utilizar,
excepto excepciones, por la elevada corriente requerida (típicamente > 60mA).
Thevenin
Este método requiere menos corriente del driver, pero en cambio son necesarias dos
resistencias por línea, lo que es muy costoso al rutar buses.
Figura 61: Modelo de Thevenin
Es un método adecuado para buffers de corriente de salida alta o medio-alta
(típicamente > 30mA).
AC
Este método evita el consumo de corriente estática, debido a que el condensador la
bloquea.
Figura 62: Modelo de AC
La reactancia del condensador debe ser pequeña para los condensadores de
frecuencias altas de la señal, lo que fija un límite inferior al valor de C que es
aproximadamente:
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Ecuación 26
Además, hay que hacer que RxC<<Tp, periodo de la señal, fijando un límite superior al
valor de C. En la práctica, los valores ideales de R y C se obtienen iterativamente o
mediante herramientas software.
Terminación mediante Diodos
No se trata de una verdadera terminación, simplemente limita los sobreimpulsos y los
subimpulsos.
Figura 63: Terminación mediante diodos
Muchos circuitos integrados incorporan estos diodos de protección en sus buffers de
entrada como protección parcial frente a descargas ESD y otros transitorios. El peligro
reside en que los diodos de protección resulten dañados con el tiempo por pequeñas
sobrecorrientes repetitivas.
Crosstalk
El fenómeno denominado crosstalk es el acoplamiento de energía existente entre dos
líneas. Crosstalk (XT), es un fenómeno por el cual una señal transmitida en un circuito
o canal crea un efecto indeseado en los canales adyacentes.
Es causado normalmente por efectos indeseados de capacitancia e inductancia en el
canal o circuito. Por esa razón se debe de diferenciar entre:
- Crosstalk capacitivo
- Crosstalk inductivo
Los efectos indeseados provocados son los siguientes:
- Empeoramiento de la calidad de la señal víctima, dándose los siguientes
comportamientos:
o Reducción de los márgenes de ruido VIH y VIL.
o Overshoots
o Flancos indeseados
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o Flancos no mono tónicos
- Problemas de EMC
o Emisiones radiadas, EMI.
o Emisiones inducidas, EMS.
Por lo tanto se dice que el crosstalk es un acoplamiento electromagnético indeseado
entre pistas, hilos y cables.
Figura 64: Acoplamiento eléctrico
El acoplamiento producido no es solo susceptible de un sólo plano. Afectando al
comportamiento de los circuitos del sistema por perturbaciones del campo magnético.
- Perturbaciones por Campo Eléctrico E.
- Perturbaciones por Campo Magnético B.
Figura 65: Perturbaciones magnéticas y eléctricas de un PCB
Este efecto indeseable puede presentarse en:
- Señales de reloj flancos no monótonos
- Señales periódicas provocando flancos indeseados.
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- Señales de datos, direcciones o de control en sistemas digitales variando el
nivel.
Todos estos errores conllevan a un error en la lectura de un dato por nivel, por flancos
no deseados, etc.
En señales de medida de circuitos analógicos también se pueden encontrar problemas,
variando la magnitud en de la medida, conllevando a un Error en la Medida.
Mecanismos de Crosstalk
Los mecanismos físicos que intervienen en el crosstalk son:
-Acoplamiento inductivo, provocado por un campo magnético B.
Figura 66: Acoplamiento inductivo
- Acoplamiento capacitivo, provocado por un campo eléctrico E.
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Figura 67: Acoplamiento capacitivo
Efectos provocados por un campo magnético
En una pista de un PCB, un campo magnético B se genera cuando atraviesa una
corriente por ella, según la ley de Ampere.
Figura 68: Efectos magnéticos
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Si hay próxima otra pista, se genera un flujo de corriente en está por inducción
magnética.
Figura 69: Efecto magnético sobre otra pista
Por lo tanto el campo magnético B generado en la pista agresora por el paso de una
corriente ha inducido una diferencia de potencial por el flujo de corriente en la pista
víctima. La ecuación que cuantifica la diferencia de potencial en la victima está
representada por:
Ecuación 27
Dónde:
- F=frecuencia de la corriente
- Lm=inductancia mutua entre las pistas
- I=corriente por el agresor
La tensión en la inductancia mutua puede definirse por:
Ecuación 28
Con lo cual la inductancia mutua induce corriente en la víctima en sentido opuesto al
de la fuente.
También la tensión acoplada en el circuito victima depende del área y la proximidad de
las pistas. Debido a que la inductancia mutua se calcula como:
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Ecuación 29
Donde n es el número de las (=1), Al es la superficie, donde interviene la distancia
entre pistas y la longitud de las pistas, que ocupa l circuito y u0 es el coeficiente de
permeabilidad del medio, que en los PCBs es 1.
Efectos provocados por un campo eléctrico
En una pista donde se aplica una diferencia de potencial existe un campo eléctrico E.
Figura 70: Efectos provocados por un campo eléctrico
Cuyas líneas de campo son perpendiculares al conductor. Si existe una pista adyacente,
normalmente en distinta capa y paralela a la pista agresora. Se induce una corriente.
Figura 71: Efecto de dos pistas paralelas
La corriente inducida en la pista víctima se expresa como:
Ecuación 30
Dónde:
- I=corriente inducida
- f=frecuencia de la V en el agresor
- Cm=capacidad mutua entre las dos pistas
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70
- V=tensión en el agresor
La corriente inducida da lugar a una tensión que depende también de la impedancia
característica de la pista.
Ecuación 31
La ecuación que indica el paso de corriente de la fuente víctima es:
Ecuación 32
Con lo cual la tensión en la victima se expresa como:
Ecuación 33
La capacidad mutua depende de, la permeabilidad del medio ε0, A el área de los
planos paralelos y d de la distancia entre las pistas. Con lo que se obtiene:
Ecuación 34
Haciendo más próximos los planos, menor d, se obtiene mayor capacidad que a su vez
hace que se reduzca la reactancia capacitiva y aumentando la posibilidad de crosstalk:
Ecuación 35
Por esta razón el crosstalk capacitivo está fuertemente determinado por el área de
acoplamiento y la distancia entre los planos.
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71
Matriz de capacitancia e inductancia
Partiendo el circuito acoplado como se muestra en la siguiente figura:
Figura 72: Matriz de capacitancia
Y ampliando el circuito acoplado con todos los elementos parásitos que intervienen se
obtiene el modelo siguiente:
Figura 73: Circuito equivalente
La matriz de capacitancia básica se define como:
[
]
Ecuación 36
- Donde Csg es la capacidad parásita entre la pista y el retorno.
- Donde Cvg es la capacidad parásita entre la pista fuente y la pista víctima. Lo
que se ha estado denominando capacidad mutua a lo largo del documento.
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72
Para líneas sin pérdidas, las matrices de resistencia y conductividad se suelen tomar a
cero. Pero asumiendo que realmente existen pérdidas se asume la matriz de
resistencia no nula pero la de conductancia sí.
[
]
Ecuación 37
Si se representa la ecuación de corriente real del circuito seria así:
Ecuación 38
Tomando que las pérdidas en el dieléctrico son nulas G=0. Se obtiene la ecuación que
determina la corriente inducida.
Ecuación 39
La matriz de inductancia básica se define como:
*
+
Ecuación 40
Donde Lm es la inductancia mutua.
Donde Ls es la inductancia parasita de la pista fuente.
Donde Lv es la inductancia parasita víctima.
Si se representa la ecuación de tensión real del circuito así:
Ecuación 41
Tomando que las pérdidas en el dieléctrico son nulas R=0. Se Obtiene la ecuación que
determina la tensión inducida.
Ecuación 42
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73
Tipos de Crosstalk
El crosstalk entre las pistas adyacentes, sólo ocurre en las conmutaciones de la señal
que es transmitida.
Figura 74: Efecto del crosstalk
Existen dos tipos de crosstalk:
- Backward Crosstalk o Near-End Crosstalk.
- Forward Crosstalk o Far-End Crosstalk.
Backward Crosstalk o Near-End Crosstalk
Ante la conmutación en la pista fuente, ocurre lo siguiente:
Figura 75: Modelo de Backward Crosstalk ó Near-End Crosstalk
Está formada por la suma de corrientes generada por la inductancia mutua y la
capacitancia mutua. La corriente se propaga en sentido contrario al de la pista
agresora.
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74
Figura 76: Efecto del Crosstalk
La diferencia de potencial generada en la pista victima tiene la misma polaridad que la
que ha generado el XT. El acoplamiento capacitivo provoca una opuesta y otra en el
mismo sentido, y eso se debe por el comportamiento capacitivo, en el punto X en el
agresor los electrones tienen carga negativa, en ese mismo punto el otro conductor
estará intentando repeler esa carga negativa, lo cual hace que esa repulsión envía
electrones a los dos lados del punto X.
Figura 77: Efecto del Crosstalk sobre la otra línea
Forward Crosstalk o Far-End Crosstalk
Figura 78: Modelo de Forward Crosstalk o Far-End Crosstalk
Es la diferencia de la corriente inducida por la capacidad mutua menos la corriente
inducida por la inductancia mutua. La corriente se propaga en el mismo sentido que la
del agresor.
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75
Figura 79: Efecto del Crosstalk
El ancho del pulso del crosstalk es igual al del tiempo de subida o bajada en la
conmutación de la señal agresora. La amplitud aumenta con el paralelismo. La
amplitud tiene una polaridad contraria a la del agresor:
- Flanco de subida, provoca XT negativo.
Figura 80: Flanco de subida
Figura 81: Crostalk provocado por un flanco de subida
Las ecuaciones que cuantifican la amplitud o la cantidad de crosstalk son:
[
]
Ecuación 43
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76
Donde
- CM=Csv
- LM=Msg
[
]
Ecuación 44
Donde el retardo de propagación queda:
√
Ecuación 45
- Siendo L=Ls y C=Cm+Csg
Modos de Crosstalk
A base de ejemplo de dos líneas acopladas tendrá dos modos de propagación.
- Even-Mode: donde las dos líneas transmiten señales que no tienen desfase.
Figura 82: Even Mode
- Odd-Mode: Las líneas transmiten señales desfasadas 180º
Figura 83: Odd Mode
La iteración de los campos magnéticos y eléctricos serán diferentes dependiendo de
estos modos.
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77
Figura 84: Iteración de los campos magnéticos
Como las corrientes circulan con el mismo sentido la inductancia mutua incrementa el
nivel de inducido.
Figura 85: Circulación de corriente I
Como las dos líneas tienen el mismo potencia la capacidad mutua es mínima y el
efecto capacitivo también.
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78
Figura 86: Circulación de corriente II
La diferencia de potencial entre los conductores incrementa el efecto capacitivo por
que aumenta la capacidad mutua.
Figura 87: Circulación de corriente III
Como la corriente circula en sentidos opuestos, el campo magnético será opuestos. Lo
cual hace que reduzca la inductancia mutua.
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79
Figura 88: Circulación de corriente IV
Todo ello afecta a:
- Valor de la impedancia característica:
√
√
Ecuación 46
√
√
Ecuación 47
- Valor de retardo de propagación:
√ √
Ecuación 48
√ √
Ecuación 49
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80
Figura 89: Retardo de propagación
Técnicas para reducir el Crosstalk
Reducir la distancia de las pistas al plano de masa.
Maximizar la distancia entre las pistas. Aplicar la regla de los 3W.
Figura 90: Efecto del Crosstalk
- Evitar el paralelismo
- Hacer pistas cortas
- Rutear en distintas capas de forma ortogonal
- Reducir la constante del dieléctrico.
- Insertar líneas de guarda (GND) entre las pistas.
- Conmutaciones simultaneas de las señales.
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81
Stack-UP
Antes del estudio y diseño de los Stack-Ups, se va a proceder a estudiar la estructura
de un PCB multicapa.
Un PCB se compone de capas de cobre y material aislante para separar las capas
conductoras y dar rigidez al conjunto. Como material aislante se emplean capas de
material base. Se utiliza pre-preg como adhesivo.
El material base está compuesto a base de resina epóxica reforzada con tela de fibra
de vidrio y completamente curado.
El pre-preg es un material similar al base pero que ha sufrido un proceso de curado
incompleto.
Figura 92: Pre-Preg
Vertiendo resina epoxica sobre tela de fibra de vidrio y sometiendo el conjunto a un
proceso de curado se obtiene el prepreg. Añadiendo láminas de cobre en ambas caras
del pre-preg y procediendo a un curado completo (calor+presión) se obtienen los
llamados núcleos (cores). Aplicando núcleos pegados entre sí con pre-preg y curando
se obtiene la estructura resultante de un PCB.
Hay diferentes espesores de pre-preg más o menos estandarizados como es el 106 (50-
60um), 1080 (70-80um), 2116 ( 120-130um) y 7628 (180-200um).
Figura 91: Circuito Multicapa
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82
A continuación se observa una gráfica con las distintas propiedades de los materiales:
Figura 93: Propiedades de los materiales
Para las capas externas se depositan láminas de (foil) de cobre sobre pre-preg, si bien
algunos fabricantes usan también cores para las capas externas.
Figura 94: Detalle del Stack-Up
Se considera el PCB de 6 capas de la figura, en el cote transversa definido por la línea
roja.
Figura 95: Detalle Vía y Pad
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El proceso de fabricación comienza con la generación de las capas internas a base de
núcleos. Los núcleos (cores) internos constan generalmente de una capa de material
base recubierta de dos capas de cobre. Se puede usar varios grosores de material y
espesores de cobre disponibles (para Cu hay poca elección 0.5oz y 1oz).
Figura 96: Generación de las capas internas
Se deposita una capa sensible a los ultravioletas en ambas capas de cobre donde se
quiera conservar cobre (pistas). Posteriormente se endurece la capa mediante rayos
ultravieloletas.
Figura 97: Pulido mediante UV
Se elimina el cobre sobrante mediante un proceso de atacado químico.
Posteriormente se elimina la capa de material fotosensible.
Figura 98: Proceso final de limpieza
Se sigue el mismo proceso para el resto de las capas. Se realiza una inspección visual
de los núcleos y se rechazan los defectuosos. Se introduce el conjunto en un horno y se
somete a un prensado para curar el pre-preg y dar rigidez al conjunto.
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84
Figura 99: Resultado final del PCB
Procesos adicionales:
- Realización de los taladros y vías.
Figura 100: Realización de los taladros y vías
- Metalización de las vías:
Figura 101: Metalización de las vías
- Adición de una máscara fotosensible u posteriormente adición de cobre y
estaño a todas las superficies expuestas.
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Figura 102: Máscara fotosensible
- Eliminación de la película fotosensible y atacado para eliminar el cobre
expuesto.
Figura 103: Atacado químico
Con estos pasos el PCB queda prácticamente terminado, solo quedaría la máscara de
soldaduras, acabado en Sn/Au/Ag/Pb y la leyenda.
La máscara de soldadura afecta a la impedancia de las capas externas.
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Figura 104: Proceso de UV
El acabado metálico se deposita sobre los pads para proteger de la corrosión y facilitar
la soldadura.
Figura 105: Acabado metálico
El fabricante de PCBs dispone de núcleos, capas de pre-preg y de cobre de distintos
espesores. Dependerá del fabricante determinar el grosor y materiales de cada uno de
ellos.
Los valores de ancho mínimo de pista y diámetro de la vía, entre otros, determinan la
clase del PCB. Cuanto mayor clase, más cara será su fabricación. Algunos ejemplos son:
Tabla 3: Clases de PCB
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Por lo tanto nuestro objetivo será intentar
realizar la PCB con la mayor clase posible.
Otros parámetros a tener en cuenta son:
- Grosor final del PCB.
- Tipos de vías a utilizar.
Impedancia Controlada
Por impedancia controlada se entiende la
certeza de que las imprecisiones y tolerancias del proceso de fabricación no han
introducido discontinuidades de impedancia y que los valores de impedancia reales
coinciden con los esperados.
Son causas de discontinuidades de impedancia:
- Espesor de cobre y anchura no uniforme en la pista.
- Espesor y propiedades del dieléctrico no uniformes.
Para verificar la ausencia de desviaciones importantes respecto a los valores calculados
se utilizan placas de test denominadas test coupon.
Figura 107: Panel de PCB
Un test coupon contiene líneas de unos 15cm en cada una de las capas
de señal. Todos los planos de masa y alimentación están unidos. Suele
hacer un test coupon en cada extremo del PCB para asegurar que las
medidas representan a todo el panel.
¿Por qué usar test coupon y no líneas especiales en el PCB?
- Es difícil que un PCB tenga pistas punto a punto mayores a
Figura 106: Tipos de Vías
Figura 108: PCB de Tester
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15cm
- Los planos ni están unidos y hay muchas vías.
- Los pads para el test ocuparían espacio en el PCB.
El diseñador del PCB debe de especificar al fabricante :
- Que capas contienen señales de impedancia controlada.
- El valor de impedancias que se necesite obtener en cada capa.
Planos de masa y alimentación
Las ventajas de usar planos de masa y alimentación en lugar de pistas más o menos
gruesas son, entre otras:
- Proporcionar referencias de tensión y alimentaciones estables.
- Reducir el Crosstalk.
- Reducir discontinuidades de impedancias (reflexiones)
- Reducir ground y SSN.
Se va a considerar para nuestro diseño y hablar con mayor detalles los siguientes
aspectos:
- Las corrientes de retorno de alta velocidad siguen el camino de menor
inductancia.
- Qué efecto producen las discontinuidades en los planos.
- Que ocurre cuando una señal cambia de plano de referencia al cambiar de
capa.
Camino de menor inductancia
De nada sirve una pista bien trazada si no se piensa en el camino de retorno de
corriente:
Figura 109: Camino de menor inductancia
N baja frecuencia del elemento dominante de la impedancia es la resistencia, en alta
frecuencia la inductancia.
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Figura 110: Diferencia de alta frecuencia y baja frecuencia
Densidad de corriente de retorno en el plano de referencia en alta frecuencia
Figura 111: Densidad de corriente
En el caso de no poder disponer de un plano de grandes dimensiones, se recomienda
que esté tenga al menos una anchura de 12H.
Discontinuidades en los planos
Una discontinuidad en el plano de tipo slot (ranura) hace que la mayor parte de la
corriente de retorno tenga que dar un rodeo y por tanto aumentar el retardo de
propagación. Una pequeña parte atraviesa la ranura (capacidad entre los borde). Como
resultado del incremento de inductancia y de la aparición de varios caminos, la señal
queda distorsionada.
Figura 112: Discontinuidad entre planos
Las discontinuidades en los planos de referencia suelen ser debidas a antipads y a
planos partidos (Split planes)
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Figura 113: Clearance de los planos
Figura 114: Circuito equivalente de Stack Up
Inicialmente, la señal se propaga por la capa Top y está referenciada al plano GND y
por tanto la corriente de retorno viaja por GND. Hay un cambio a la capa Bottom, cuyo
plano de referencia en el stack-up es GND. No obstante, la corriente de retorno debe
cerrarse finalmente por VCC.
Como consecuencia, la corriente de retorno busca el camino de menor inductancia
desde Vcc hasta Gnd, generalmente a través de un condensador de desacoplo. El
efecto descrito es similar en una discontinuidad tipo slot.
Diseño del Stack-Up
El stack-up define la estructura del PCB (número de capas, espesores de cobre y de
dieléctrico, anchura de las pistas y vías, asignación de los planos de alimentación y
masa). El número final de capas lo determinará el experto en layout, pero el diseño del
stack-up es responsabilidad del diseñador del sistema.
Todas las capas deben de tener la misma impedancia, una diferencia de impedancias
del x% dará lugar a una reflexión del X/2%. Conviene que un plano de alimentación sea
adyacente a otro de masa para mejorar el desacoplo. Conviene interconectar los
planos de masa mediante vías para minimizar la impedancia de los caminos de
retorno.
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Redes de desacoplo
Funciones del condensador de desacoplo
La utilidad de las redes de desacoplo son las siguientes
1. Eliminar fluctuaciones de baja frecuencia en Vcc: Se colocan los
condensadores lo más cercano posible de la entrada de alimentación de la
placa, independizando al diseño de la inductancia de los cables de
alimentación.
Figura 115: Condensador de Bulk
Estos condensadores de elevado valor, típicamente uno por tensión de alimentación
sólo sirven para filtrar las perturbaciones de baja frecuencia. Dicho de otro modo,
proporcionan una fuente de carga con baja impedancia Vcc-Gnd a frecuencias a las
que la inductancia de los cables provocaría demasiada caída.
Un condensador de elevado valor se sitúa entre la fuente de alimentación y el circuito
integrado, reduciendo la inductancia del camino de L2 + L1 a sólo L2 (mucho menor).
Figura 116: Efecto del condensador de Bulk I
La inductancia se opone a cambios bruscos en la corriente. Sin el condensador de bulk,
las demandas instantáneas de corriente producirían caídas importantes en la tensión
de alimentación.
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Figura 117: Efecto del condensador de Bulk II
Conociendo el máximo ∆V que tolera el sistema y la máxima ∆I, peor caso, para toda la
placa, se determina la máxima reactancia admisible entre masa y alimentación:
Ecuación 50
Se determina la frecuencia a la que el cableado de alimentación presenta esta
reactancia:
Ecuación 51
La inductancia del cableado en nH, puede estimarse como:
Ecuación 52
Donde l es la longitud del cable en cm, H es la separación media entre cables y D el
diámetro de los cables.
Para garantizar una baja impedancia entre la masa y alimentación por encima de Find-
cable se necesita un condensador, que calcularemos para tener una reactancia Xmax a
Find-cable:
Ecuación 53
2. Eliminación fluctuaciones de alta frecuencia en Vcc
La capacidad de bulk, por su tamaño y características, es lenta. Los picos de
demanda instantánea de corriente debe proporcionarlos una red de
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condensadores de menor tamaño, colocados junto a los Circuitos integrados, lo
que constituye un segundo nivel de desacoplo. Se crea así una jerarquía o un
diseño multinivel de la red de desacoplo.
Figura 118: Condensadores de desacoplo de un CI
3. Proporcionar un camino de baja inductancia para las corrientes de
retorno.
Se añadirán estratégicamente algunos condensadores por todo el PCB para reducir la
inductancia de los caminos de retorno. En este sentido, el acoplo capacitivo entre los
planos Vcc y masa contribuye positivamente a partir de 150-200 Mhz
aproximadamente.
Figura 119: Capacidad equivalente del Stack-Up
Comportamiento en frecuencia de un condensador real
Impedancia de un condensador real
Componentes parásitas:
- R=30mΩ
- L=1-5nH
Margen útil para desacoplo.
Fr entre 10 y 100Mhz para condensadores de pequeño valor.
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Figura 120: Impedancia en función de la frecuencia
Se podrá aumentar el ancho de banda útil añadiendo Condensadores en paralelo.
Figura 121: Ancho de banda
A una frecuencia dada, estarán efectivamente en paralelo todos los condensadores
dentro de un diámetro D<<λ
Tipos de condensadores para desacoplo
Los condensadores utilizados en desacoplo son básicamente tres tipos:
- Cerámicos multicapa: Hasta 100uF. Muy baja inductancia debido a su pequeño
tamaño y muy baja ESR. Serán utilizados para los condensadores de desacoplo
de pequeño valor, en el encapsulado más pequeño que se encuentren. No son
condensadores polarizados.
- Tántalo: Hasta 1mF. Baja inductancia pero ESR alta. Pueden formar parte de la
capacidad de bulk. Se tratan de condensadores polarizados.
- Electrolíticos: A partir de 470uF. Se colocarán junto a los reguladores de
tensión y terminales de entrada de alimentación. Sólo en PCBs con muchos
Circuitos integrados. Son condensadores polarizados.
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Condensadores Cerámicos Multicapa:
Disponibles en distintos dieléctricos agrupados en dos clases: NPO (clase 1 ), X7R, X5R
e Y5V (Clase 2).
Tabla 4: Modelos de condensadores Multicapa
Difieren en estabilidad, en el margen de temperatura y en valores disponibles
- NPO-> Hasta 10nF y 300ppm/ºC
- X7R-> Hasta 1uF y ±15% de variación
- Y5V-> Hasta 10uF y +30 -80% de variación.
Conclusión: en caso de elegir X7R o Y5V, escoger un valor de capacidad nominal mayor
que el requerido.
Encapsulados y tamaños disponibles.
Tabla 5: Tamaños de condensadores multicapa
Selección de los condensadores
Para aumentar la vida útil, la tensión nominal del condensador debe ser al menos el
doble de la tensión máxima que tendrá que soportar 2xVcc. Se seleccionarán el
encapsulado más pequeño disponible para reducir la inductancia, y siempre
encapsulados de montaje superficial, excepto en los electrolíticos.
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Tendremos en cuenta la variación termina en MLCC y se escogerán valores
ligeramente superiores.
- Se seleccionarán condensadores de baja ESR
- Se preferirán MLCC antes que tántalo
- Se preferirán tántalo antes que aluminio
Diseño de una red de desacoplo para un circuito.
Principios generales:
Normalmente, los circuitos integrados no toleran más de un ±5% de variación respecto
a la tensión de alimentación nominal. Teniendo en cuenta además la demanda de
corriente, se obtendrá un objetivo para la impedancia máxima del desacoplo entre DC
t Fcodo.
⁄
Ecuación 54
Se deberá de tener en cuenta la inductancia de las corrientes de los C a los planos y de
las vías, aproximadamente 1nH. De este modo, la frecuencia de resonancia del
componente Frself es mayor que cuando está montado en el sistema FRIS.
Figura 122: Circuito equivalente
Efecto de las vías:
Además de la inductancia del condensador, la inductancia debida a las conexiones a los
planos de alimentación y masa ha de ser tenida en cuenta, ya que se suma
directamente a la ESL del condensador.
Por lo tanto, conviene minimizar la longitud de las conexiones a las vías.
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Figura 123: Conexión Vía plano
Inductancia de una vía (h, d en cm):
Ecuación 55
Diseño de la Red de Desacoplo:
Parea el diseño de la red se estudiará las recomendaciones de tres fabricantes de
Circuitos Integrados: Cypress Semiconductor, Micron Technologies y Xilinx. Los tres
fabricantes proponen distintas soluciones al problema. Cuantos condensadores de
desacoplo y de qué valor se deberán de colocar rodeando el CI.
En lo que sí coinciden es en la necesidad de minimizar la inductancia de las conexiones
entre condensadores, los pines y los planos de alimentación y masa mediante:
- Colocar los condensadores lo más cerca posible de los Circuitos Integrados y de
los pines a desacoplar.
- Colocar los condensadores en la capa opuesta al Circuito Integrado ayuda a
reducir la longitud de las conexiones.
Recomendaciones de Cypress
- Usar un solo valor de capacidad, ayuda a evitar antiresonancias.
- Elegir el valor de forma que la frecuencia de resonancia coincida con la del reloj
del sistema.
- Poner tantos condensadores en paralelo como sea necesario para extender el
rango útil al ancho de banda de las señales.
- Debe de desacoplarse todos los pines de alimentación con al menos un
condensadores por pin.
- Colocar condensadores en la misma cara del PCB que el CI a desacoplar y lo
más cerca posible de éste.
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Recomendaciones de Micron.
Pensadas para memorias DDR.
Método 1: Cálculo de la capacidad de desacoplo total que requiere el CI en función de
slew rate de corriente de las salidas y de la máxima caída de tensión aceptable.
Ejemplo: Una memoria SRAM de 36 líneas de datos, cada una de las cuales conduce
una carga de 30pF con flancos de 2ns y con niveles de 3.3V:
Ecuación 56
Si las 36 salidas conmutarán simultáneamente:
Ecuación 57
Se permite un ±5% de variación de la alimentación (165mV para 3.3V)
Ecuación 58
Se necesitarán al menos 22nF de desacoplo. En vez de un condensador único poner
dos de 15nF en paralelo para reducir el ESR. Este método no tienen en cuenta la caída
de tensión por la inductancia serie total. En el ejemplo anterior, sí se supone L=1.5nH,
resulta:
Ecuación 59
Lo que es INACEPTABLE
Por lo tanto, el método 1 es incompleto. Será necesario tener en cuenta la inductancia
serie a la hora de elegir el condensador de desacoplo.
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Método 2: Se parte del cálculo de la corriente total calculada según el método 1.
Partiendo de una variacion maxima de 165mV.
Ecuación 60
Las señales tienen un ancho de banda aproximado de:
Ecuación 61
La impedancia del desacoplo será inductiva, estaremos por encima de la frecuencia de
resonancia, por lo que la inductancia máxima es de:
Ecuación 62
Si se utilizan condensadores de 1.5nH, se necesitarían 1500/57=27 condensadores de
pequeño valor, que totalicen al menos valor:
Ecuación 63
Debería disponerse en el PCB de 27 condensadores de al menos 270pF solo para el
desacoplo de las líneas de datos de la memoria.
Recomendaciones de Xilinx
Pensadas para CI de gran tamaño e interfaces a distinta velocidad.
Proporcionan un desacoplo efectivo entre 500Khz y 500Mhz mediante una
combinación de condensadores de varios valores, usando la siguiente tabla como guía.
Debe de haber al menos un condensador de cada rango de valores y debe de haber al
menos tantos condensadores como pines de alimentación en el CI:
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Tabla 6: Porcentaje de condensadores de desacoplo
Tabla 7: Valor de los condensadores en función de la frecuencia
Capacidad entre planos
A partir aproximadamente de 150Mhz los condensadores de desacoplo son ineficaces
como desacoplo. Esta limitación se debe a la inductancia de los encapsulados y de las
vías.
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Figura 124: Capacidad entre planos
Un adecuado diseño de stack-up permite contar una capacidad de desacoplo de
inductancia despreciable: la capacidad entre planos, constituye un tercer nivel de la
red de desacoplo.
Figura 125: Efecto del FR4
Empleando el material FR4 y los espesores habituales se consiguen 50pF/cm^2 entre
planos. Usando materiales con εr elevada y reduciendo la separación, se puede llegar a
los 4nF/cm^2 entre planos.
Esta técnica no evita tener que seguir colocando la capacidad de bulk. Tampoco
elimina completamente la inductancia: sigue habiendo vías a Vcc y Gnd.
Figura 126: Capacidad entre planos
A modo de ejemplo, en la siguiente tabla se muestra una PCB con distintos dieléctricos
Vs FR4 con 33 Condensadores a 10nF. Todos los PCBs llevan además un condensador
de 22uF de Bulk y varios CI.
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Figura 127: Tipos de materiales dieléctricos
Hay que tener especial cuidado con las resonancias de los planos. A ciertas frecuencias
la estructura resuena, la impedancia es elevada, el desacoplo es malo y la radiación del
PCB es elevada.
Figura 128: Modelo de cavidad
En los diseños hay numerosas vías cuyos antipads tienen efecto de:
- Crear ranuras en los planos.
- Reducir el área efectiva de cobre y por tanto la capacidad entre planos.
- Provocar aumento de la caída de tensión.
Se puede llegar a cerrar o reducir mucho el camino de corrientes de masa o
alimentación a un área del PCB.
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Figura 129: Plano de masa de una FPGA
Metodología para el diseño de la red de desacoplo:
Una red de desacoplo multinivel debe de contener: capacidad de bulk para el PCB,
reguladores de tensión con sus condensadores de desacoplo para cada CI.
Adicionalmente, a alta frecuencia, se puede diseñar el PCB para aprovechar la
capacidad natural entre los planos Vcc y Gnd.
La capacidad de Bulk, generalmente uno o pocos condensadores de valor elevado, se
puede calcular de una forma sencilla a partir de las necesidades del PCB y de la
inductancia de los cables a la fuente de alimentación. Su “ratio de acción” es todo el
PCB dentro de su bajo margen de frecuencia útil.
La red de desacoplo para cada CI estará formada por varios condensadores y debe
diseñarse teniendo en cuenta que:
- Sólo los condensadores dentro de un diámetro Lc pueden considerarse en
paralelo a efectos de cálculo/simulación.
- Buscar para garantizar entre DC y Fcodo una Z<∆V/∆I para ek CI.
- Utilizar varios condensadores y la mejor forma de obtener una distribución
adecuada, sin antiresonancias, es mediante simulación.
- Diseñar el Stack-Up favoreciendo la capacidad entre planos de alimentación y
masa. Su efecto se observa mucho, mucho antes del GHz.
Compatibilidad electromagnética
El objetivo de este punto es el de conocer las distintas fuentes de ruido que afectan a
dispositivos y equipos electrónicos. Diferenciar las técnicas de trabajo frente a las
emisiones radiadas o conducidas y analizar la manera de proteger al sistema de
posibles emisiones.
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Definiciones Básicas
Entorno electromagnético: Se define entorno electromagnético como la totalidad de
los fenómenos electromagnéticos variables con el tiempo, que existen en una región
dada. Esto incluye señales electromagnéticas deseadas y no deseadas.
Se puede describir por fuentes que pueden estar activas o mediante parámetros
medibles como voltajes e intensidades de campo eléctrico y magnético. Al igual que un
equipo activo encendido contribuye al entorno de forma activa, un equipo pasivo o
apagado también puede contribuir al entorno de forma pasiva.
Perturbación electromagnética: Se denomina perturbación electromagnética a todo
fenómeno electromagnético susceptible de crear anomalías en el funcionamiento de
un dispositivo, de un aparato o de un sistema que ha de funcionar de una manera
preestablecida o de afectar desfavorablemente a la materia viva o inerte.
Puede ser:
- Un ruido electromagnético.
- Una señal no deseada.
- Una modificación del medio de propagación en sí mismo.
Interferencia electromagnética: Se define interferencia electromagnética como
cualquier anomalía aportada al funcionamiento de un dispositivo de un aparato o de
un sistema por una perturbación electromagnética.
Degradación de funcionamiento: Es la desviación no deseada de las características de
funcionamiento de un dispositivo, aparato o sistema que ha de funcionar de una
manera preestablecida, sin degradación de calidad en presencia de una perturbación
electromagnética.
EMC: Es la capacidad de cualquier aparato, equipo o sistema para funcionar de forma
satisfactoria en su entorno electromagnético sin provocar perturbaciones
electromagnéticas sobre cualquier cosa de ese entorno. La compatibilidad
electromagnética debe de ocuparse de tres problemas diferentes, describiendo la
capacidad de:
- Los sistemas electrónicos para funcionar sin interferir en otros sistemas.
- Que dichos sistemas deben funcionar de manera correcta en un entorno
electromagnético específico.
- No provocar interferencias con uno mismo.
Una EMC eficaz requiere un sistema diseñado, fabricado y comprado según el entorno
electromagnético operativo al que se destina.
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105
Inmunidad electromagnética: Capacidad que hace que el aparato, equipo o sistema
sea capaz de operar adecuadamente en un entorno sin ser interferido por otros o por
el mismo.
Susceptibilidad electromagnética (EMS): Es la incapacidad de un dispositivo, equipo o
sistema de funcionar sin degradación en presencia de una perturbación
electromagnética.
Interferencia electromagnética (EMI): No debe ser fuente de interferencia que afecten
a otros equipos de ese entorno.
Emisión electromagnética (EME): La emisión electromagnética es el fenómeno por el
cual la energía emana de una fuente. La energía electromagnética puede alcanzar a un
sistema por:
- Radiación.
- Conducción.
Estas dos formas de iteración pueden estar presentes simultáneamente y dar lugar a
efectos no deseados dentro y fuera del sistema que contiene las fuentes de
perturbación.
Emisión radiada: Es la componente de energía de radio frecuencia transmitida a través
de un medio en forma de campo magnético.
Emisión Conducida: Es la componente de energía de radio frecuencia transmitida a
través de un medio físico como un cable o hilo.
Descarga electrostática (ESD): Transferencia de electricidad en el que intervienen dos
cuerpos con diferente nivel electroestático.
Diseñando para EMC
Los efectos que pueden aparecer en un diseño por EMC son los siguientes:
- Ruido indeseado en la recepción de las emisiones.
- Potenciales accidentes mortales debido a la degradación de los sistemas
críticos de seguridad.
Las diversas formas de EMI pueden causar fallos en:
- Funciones eléctricas y electromagnéticas.
- Evitar el uso adecuado del espectro radioeléctrico.
- Encender atmósferas inflamables.
- Tener efectos en el tejido humano.
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106
….
La compatibilidad electromagnética de los dispositivos y equipos electrónicos es
actualmente una de las principales exigencias de calidad. En la Unión Europea está
establecida una directiva 89/336/EEC sobre EMC, de la que es de obligatorio
cumplimiento desde el año 1996, que cubre un gran conjunto de sistemas y equipos
eléctricos y electrónicos comercializados en su territorio.
Para cubrir estas necesidades restrictivas en cuanto a EMC, es necesario llevar un
estricto control desde el primer momento del diseño del dispositivo. Existen dos
formas de llevar a cabo un diseño de EMC.
- Crisis Approach: El diseñador se despreocupa de la EMC hasta que ha finalizado
el producto. Esto implica problemas en la etapa final y costes añadidos al
proyecto.
- System Approach: El diseñador es consciente desde el primer momento de los
problemas ocasionados por el EMC e implementa medidas para corregirlos a
tiempo.
En la siguiente gráfica se observa los costes del producto en función de la fase de
diseño del mismo.
Figura 130: Curva de coste
Para llevar a cabo todas las fases del diseño de una manera correcta, existen infinidad
de diagramas de trabajo donde se separan las tareas, en función de la responsabilidad
de las mismas. En la siguiente figura se muestra un ejemplo de la misma.
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Figura 131: Proceso de fabricación
Elementos que intervienen en el EMC
Las fuentes de EMC más comunes que se podrá encontrar en los PCBs son:
- Circuitos Integrados
- Condensadores
- Pistas
- Vías
- Planos de alimentación
- Aperturas
- Cables
- Crosstalk entre pistas
La clasificación del EMC en función de los
caminos de acoplamientos puede ser:
- Acoplamientos Radiados: Se transmiten a través del aire en forma de campo E,
H u Onda plana.
o Campo Próximo
Acoplo Capacitivo
Acoplo Inductivo
o Campo Radiado
- Acoplamientos Conducidos: Se transmiten por conductores eléctricos en forma
de V e I
o Impedancia Común
o Red Eléctrica
Figura 132: Elementos EMC de un PCB
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o Capacidades parasitas
En la siguiente figura se muestra un circuito de ejemplo donde se pueden observar
todos los tipos de acoplamiento que se deberá de minimizar en un diseño.
Figura 133: Modelos de ruido
Reglas de diseño para cumplir con el EMC
A continuación se dictan una serie de reglas a tener en cuenta a la hora de llevar a
cabo un diseño electrónico.
- Utilizar componentes SMD. Reducen la dimensión y los bucles, reduciendo
también el acoplamiento parasito.
- En el caso de utilizar componentes pasantes, intentar reducir al máximo los
pines pasantes.
- El objetivo general del diseño es reducir la inductancia de las conexiones,
reduciendo la longitud del conductor.
- Reducir el acoplamiento por diafonía capacitiva. Para ello habrá que aumentar
la distancia de separación de los conductores.
- Reducir las emisiones electromagnéticas
radiadas en el Lay-Out de una fuente de
alimentación. Para ello habrá que reducir
el área de los bucles.
- Utilización de apantallamientos de
Circuitos Integrados con alta inmunidad al
ruido o generadores del mismo.
- Durante la fase de rutado intentar no
hacer demasiadas aristas sobre pistas de
alta velocidad.
- Apantallar las señales analógicas a través de planos.
Figura 134: Reglas básicas
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- Utilización de planos de alimentación.
- Utilización de condensadores de desacoplo.
- Utilización de ferritas en las alimentaciones.
- Instalación de una toma de tierra en la electrónica.
- Derivación de la energía de un pulso de ESD en la alimentación, a través de
varistores, condensadores…. Al plano de tierra o chasis.
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5. DISEÑO DEL PCB En esta sección se detallarán las características de la tarjeta de control diseñada para el
sistema de posicionamiento interior.
5.1 Especificaciones de Diseño
Las especificaciones para el comienzo del diseño fueron las siguientes:
- Sistema basado en arquitectura FPGA Xilinx de la familia Spartan 6.
- Alimentación de entrada de 230Vac con fusible de protección, el sistema
deberá ser capaz de generar las diferentes alimentaciones internas.
- Programación de la FPGA a través de un puerto de programación exclusivo de
Xilinx con memoria de programación propia.
- Control de un total de cinco balizas ultrasónicas basadas en actuadores piezo-
eléctricos, a través de conversores analógicos-digitales (DAC) gobernados
mediante un bus SPI independiente para cada baliza. La etapa de amplificación
deberá quedar incluida en la tarjeta.
- Integración de dos memorias DDR2.
- Integración de comunicaciones con la FPGA a través de la conexión Ethernet,
WiFi y USB para permitir el control y depuración del sistema.
- Posibilitar un puerto de entradas salidas libres para las tareas de depuración.
- Integración del hardware periférico que sea necesario.
Con esta serie de pautas, se presenta el siguiente esquema grafico de bloques que
contiene todas las interconexiones del circuito eléctrico.
Figura 135: Diagrama de bloques
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5.2 Esquemas Eléctricos
A continuación se estudiarán los diferentes circuitos que componen la tarjeta. Se
estudiarán los circuitos dependiendo de la función que desarrollan cada uno de ellos
dentro del sistema.
Etapa de Alimentación
La etapa de alimentación siempre es uno de los puntos más técnicos y complicados a la
hora de llevar a cabo el diseño de cualquier circuito. Pues el diseñador ha de tener en
cuenta una gran cantidad de parámetros y valores para diseñar de una manera
correcta dicha etapa. Dichos parámetros hacen referencia en primer lugar al consumo
máximo de mi sistema y la alimentación de entrada de la que se dispone.
En este diseño se tiene una clausura principal y era la de alimentar el circuito a través
de una tensión alterna comprendida entre los 220 y 230 Vac. Por lo que el primer
objetivo de dicho diseño era el de convertir la tensión en alterna en una tensión en
continua válida para nuestro circuito.
La elección del conversor fue basada en la potencia máxima del sistema que rondaba
los 80W de potencia. Dichos valores se obtienen de la siguiente manera.
Tabla 8: Consumos de la tarjeta
Alimentación Potencia
Consumo Parte Digital 15W
Consumo Analógico 75W
Dando un total de 95 W, por lo que el regulador que se ajustaba a dichos valores era
de 100W. El regulador seleccionado es del fabricante Traco Power, concretamente el
modelo TOP 100-124 que presenta una conversión de 230Vac a 24Vdc con una
corriente máxima de salida de 4.2A.
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Figura 136: Conversor 230Vac a 24Vdc
La conexión del conversor en el esquema eléctrico se muestra en la siguiente figura:
Figura 137: Etapa de entrada de alimentación
Como medida de seguridad se ha añadido un fusible no rearmable de 8A a 250V en la
entrada del circuito. Dicho componente quedará alojado en un portafusibles para
facilitar su remplazo en el caso de avería.
Una vez obtenida la tensión en continua, se procede a la selección de los reguladores
que convertirán los niveles de tensión de +24V a los requeridos por el sistema.
El siguiente paso fue la conversión de los +24V en dos niveles de tensión ±15Vdc y
+5Vdc. La tensión de ±15Vdc es necesaria para llevar a cabo la alimentación de los
amplificadores de potencia de las balizas ultrasónicas, mientras que la alimentación de
+5Vdc es necesaria para la conversión en diferentes niveles de tensión para la
alimentación de los circuitos digitales de la tarjeta.
Para la alimentación de ±15Vdc se ha utilizado un conversor del fabricante Traco
Power concretamente el modelo TEN 60-2413 que es capaz de suministrar una
corriente máxima de 4 A.
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Figura 138: Conversor de +24Vdc a ±15Vdc
La conexión del regulador en el esquema eléctrico se presenta en la siguiente figura.
Figura 139: Etapa de alimentación de ±15Vdc
Para la alimentación de +5Vdc se ha utilizado un conversor del fabricante Traco Power
concretamente el modelo THN 15-2411 que es capaz de suministrar una corriente
máxima de 3 A.
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Figura 140: Conversor de +24Vdc a +5Vdc
La conexión del regulador en el esquema eléctrico se presenta en la siguiente figura.
Figura 141: Etapa de alimentación de 5Vdc
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Una vez que ya tenemos la tensión de +5Vdc se convertirá a los niveles de tensión
necesarios de la tarjeta. Dichos niveles de tensión son los siguientes:
- +3,3Vdc
- +1,8Vdc
- +1,2Vdc
- +0,9Vdc
- +2,5Vdc
Para su conversión se han utilizado los siguientes reguladores:
- Tensión 2.5Vdc y 1.2Vdc. Se obtiene a través del regulador LTC3546EUFD. Para
presentar el valor exacto de salida se ha debido configurar de la manera
mostrada en la siguiente figura:
Figura 142: Etapa de alimentación de +2.5Vdc y +1.2Vdc
- Tensión 3.3Vdc y 1.8Vdc. Se obtiene a través del regulador LTC3501EFE. Para
presentar el valor exacto de salida se ha debido configurar de la manera
mostrada en la siguiente figura:
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Figura 143: Etapa de alimentación de +3.3Vdc y +1.8Vdc
- Tensión 0.9Vdc. Se obtiene a través del regulador LTC3501EFE. Para presentar
el valor exacto de salida se ha debido configurar de la manera mostrada en la
siguiente figura:
Figura 144: Etapa de alimentación de +0.9Vdc
FPGA
La unidad central de procesamiento de la tarjeta es una FPGA sobre la que correrá una
arquitectura realizada en VHDL. Dicho componente tienen la capacidad y
responsabilidad de procesar toda la información recibida a través de las líneas de
comunicación y actuar en consecuencia con el control de los amplificadores de
potencia que serán utilizados para excitar las balizas ultrasónicas.
La familia de las FPGAs seleccionada es la Spartan del fabricante Xilinx, concretamente
el modelo XC6SLX45-2CSG324C. Dicho dispositivo presenta una serie de características
que cumplen con las especificaciones del sistema.
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Para poder adecuar la FPGA al circuito es necesaria la instalación de un hardware
adicional que proporcione al dispositivo las condiciones idóneas de funcionamiento.
Dichos circuitos adicionales son los siguientes:
- Puerto de programación.
- Memoria de programación.
- Reloj del sistema.
- Red de desacoplo
Puerto de programación.
Para la programación del dispositivo se ha optado por la utilización del protocolo JTAG.
Para poder conectar el programador propio de Xilinx a la tarjeta, queda instalado un
conector de 6 pines que cumplen con la conexión estándar de dicho programador. En
la siguiente figura se muestra el conector implementado.
Figura 145: Puerto de programación
Para añadir seguridad al conector y protegerlo de posibles descargas ESD que el
usuario pudiera realizar se han instalado una serie de diodos Zener que protegerán de
dichas sobre tensiones. Dichos diodos pueden verse en el esquema eléctrico.
Memoria de programación
Para llevar a cabo la programación del dispositivo se ha optado por la implementación
de una memoria PROM de Xilinx de 32Mb de capacidad, modelo XCF04SVOG20C con la
configuración en paralela del dispositivo. Dicha memoria contiene el código básico de
inicialización del dispositivo. En la siguiente figura se muestra la conexión paralela con
la FPGA.
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Figura 146: Memoria de programación
Adicionalmente a esta memoria se han instalado dos memorias EEPROM, modelo
N25Q128A13ESE40F del fabricante Numonyx de capacidad 128Mb cada una con un
protocolo de comunicación SPI a la FPGA. El uso de dichas memorias EEPROM queda
reservado a la aplicación del usuario. En la siguiente figura se muestra la ubicación de
dichas memorias.
Figura 147: Memoria auxiliar de programación
Reloj del Sistema
Para suministrar la frecuencia de funcionamiento de la FPGA se dispone de un
oscilador de 40mHZ frecuencia instalado en la placa del fabricante Silicon Labs. Dicho
oscilador quedará conectado directamente al dispositivo FPGA.
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119
Figura 148: Reloj del sistema
Red de Desacoplo
Siguiendo los consejos y recomendaciones mencionados en la parte teórica de dicho
documento sobre el diseño de la red de desacoplo se ha procedido a la
implementación de la siguiente configuración.
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120
Figura 149: Condensadores de desacoplo
Memorias DDR2
Una de las especificaciones de la tarjeta era la capacidad de tener 2G de memoria
DDR2. Para su implantación se ha optado por la utilización de dos unidades de
memoria de 1G del fabricante Micron, concretamente el modelo MT47H64M16HR.
Dicho dispositivo necesita de una serie de componentes adicionales para hacerla
funcionar:
- Red de resistencias de PULL-UP.
- Red de desacoplo.
El valor de las resistencias utilizadas es suministrado por el datasheet del fabricante y
la red de desacoplo quedará diseñada utilizando las reglas mencionadas
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121
anteriormente. En la siguiente figura se muestra la configuración de una de las
memorias DDR2.
Figura 150: Memorias DDR2
Etapa analógica
La etapa analógica tiene la función de convertir las instrucciones enviadas por el
sistema de control y convertir dichas señales digitales a una señal analógica diferencial
de tensión máxima ±15Vdc con una potencia máxima de 15W. Para su implementación
son necesarias el uso de dos dispositivos principales.
- DAC.
- Amplificador de potencia.
DAC
El DAC tendrá la función de convertir las instrucciones digitales suministradas por la
FPGA en una tensión analógica de ±15Vdc. El protocolo de comunicación del DAC
elegido es el SPI. Cumpliendo con estos requisitos el DAC seleccionado será el AD5131
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122
del fabricante Analog Devices. Este dispositivo tiene la capacidad de trabajar con una
resolución de salida de 14bits por lo que nuestro paso de consigna mínimo será de:
Ecuación 64
Incremento de señal suficiente para la aplicación que necesitamos. En la siguiente
figura se muestra la configuración utilizada para la implementación del mismo en el
circuito eléctrico.
Figura 151: Conversor DAC
Amplificador de Potencia
El amplificador de potencia tendrá la función de generar la potencia eléctrica
necesaria para excitar el cristal piezoeléctrico de las balizas ultrasónicas. El
amplificador utilizado es el modelo MAX9703ETJ del fabricante MAXIM. Dicho
amplificador es capaz de generar una potencia máxima de salida de 15W en una señal
diferencial. El criterio de selección de este amplificador ha sido el reducido tamaño
que presenta, la potencia entregada en su salida y la capacidad de poder generar una
señal diferencial en su salida. En la siguiente figura se muestra la configuración
utilizada para la implementación del mismo en el circuito eléctrico.
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123
Figura 152: Amplificador de potencia
Comunicaciones
La tarjeta de control presenta una serie de comunicaciones, que permitirán al usuario
generar la configuración con el sistema de control de la manera que más le convenga,
en función de la aplicación a utilizar. Los diferentes medios de los que dispondrá el
usuario para comunicarse con la tarjeta son:
- Comunicación USB
- Comunicación Ethernet
- Comunicación inalámbrica WIFI
Comunicación USB
La tarjeta de control presenta un puerto de comunicación USB, a través de un conector
micro USB. Dicha comunicación pasara a través de un Driver FTDI, concretamente el
modelo FTDI232RL que convertirá el protocolo de comunicación USB al protocolo de
comunicación UART que está directamente conectado con la FPGA del sistema.
Figura 153: Comunicación USB
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124
Comunicación Ethernet
La tarjeta de control dispone de un puerto de comunicación RJ-45 para poder realizar
la comunicación, a través del protocolo Ethernet con la FPGA del sistema. Para adaptar
las señales del protocolo de comunicación Ethernet a la FPGA se dispone de un Driver
88E111 del fabricante Marvell, este driver permite configurar el protocolo de
comunicación a 10/100/1000 Base-T.
Figura 154: Comunicación Ethernet
Comunicación WIFI
La tarjeta dispone de un módulo de comunicación WIFI de microchip para poder
realizar la comunicación de manera Inalámbrica con el sistema. El módulo
seleccionado es el MRF24WB0MA. Este dispositivo se encuentra en el rango de
frecuencias de los 2.4Ghz en el estándar de comunicación 802.11. Dicho dispositivo
dispone en su encapsulado de una pequeña antena de comunicación, aunque cuenta
con la capacidad de poder conectar una antena para poder aumentar su rango de
funcionamiento.
La comunicación con la FPGA se realiza a través de una comunicación SPI que ya es
proporcionada por el propio dispositivo.
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125
Figura 155: Comunicación WiFi
Circuitos periféricos
Se han instalado en la tarjeta de control una serie de periféricos que permitirán al
usuario final de la aplicación conocer la temperatura interna del sistema y tiempo de
uso del mismo. Para ello se han implementado en la tarjeta un sensor de temperatura
y un reloj calendario.
Sensor de Temperatura
El sensor de temperatura le será muy útil al usuario final en el caso de que desee
realizar ajustes de offset en las balizas electrónicas, provocados por la temperatura del
equipo. También sería útil en el caso de averías por sobrecalentamiento del sistema.
Por estas razones se ha implementado un sensor TCN75A que tiene la capacidad de
medir temperaturas de rango -40ºC a +125ºC con una resolución máxima de 0.06ºC. La
comunicación con dicho sensor se realiza a través de un protocolo I2C con la FPGA.
Figura 156: Sensor de Temperatura
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Reloj calendario
El reloj calendario le permitirá al usuario conocer la fecha y hora actual que tiene el
sistema, lo que le permitirá conocer las horas de uso del mismo. Se trata de un sensor
muy útil en el momento que se quiere valorar la durabilidad del sistema o se desea
gestionar algún tipo de temporización con el mismo.
Para su utilización es necesaria la instalación de una pila de 3.3V que permitirá al reloj
mantener la hora en el caso de que la tarjeta no esté alimentada. El reloj calendario
utilizado es el modelo MCP79410 del fabricante microchip.
La comunicación de dicho circuito con la FPGA se realiza a través del protocolo de
comunicación I2C.
Figura 157: Reloj Calendario
Puertos libres y Leds de depuración
Durante la fase de diseño del FW puede ser útil de disponer de una serie de puertos de
entrada y salida libres y de Leds que permitan realizar las tareas de depuración del
sistema. Para ello la tarjeta cuenta con un total de 8 Entradas y Salidas configurables a
una tensión de 3.3V conectadas directamente a la FPGA. También se dispone de un
total de 8 Leds conectados a una alimentación de 3.3V que permitan visualizar las
operaciones de depuración.
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127
Figura 158: Puerto libre y Leds de depuración
5.3 LayOut PCB
En este punto se analizara la posición y rutado de los componentes del esquema
eléctrico en la tarjeta.
Áreas del PCB
La tarjeta “Control UT” se divide en una serie de zonas que englobarán la función de
los circuitos alojados en dicha zona en una función única.
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Figura 159: Elementos del PCB
1. Etapa de alimentación.
2. Circuitos Periféricos.
a. Reloj calendario.
b. Termómetro.
3. FPGA.
4. Memorias DDR2.
5. Etapa Analógica.
6. Puertos Libres.
7. Etapa de Comunicación.
Situación de los componentes
Dentro de cada una de las etapas existentes en la tarjeta se detallan los componentes
más importantes de las mismas.
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Etapa de alimentación
Figura 161: Etapa de alimentación, cara Top
Figura 162: Etapa de alimentación, cara Bottom
Conversor 230Vac->24Vdc Conector de entrada de alimentación
Fusible de protección
Conversor 24Vdc -> 5Vdc
Conversor de 24Vdc -> ±15Vdc
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Circuitos periféricos
Figura 163: Circuitos periféricos
FPGA
Figura 164: FPGA
RelojCalendario
Usb de comunicaciones
Led estado de las alimentaciones
Fpga
Reloj
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Memorias DDR2
Figura 165: Memorias DDR2
Etapa Analógica
Figura 166: Etapa Analógica
Memorias DDR2 Condensadores Desacoplo
DAC
Conector Balizas
Amplificadores
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Puertos Libres
Figura 167: Puertos Libres
Etapa de comunicación
Figura 168: Etapa de comunicación
Puerto de
Programación
Puerto Libre Leds de Depuración
Ethernet
WiFi
Leds Estado de las
comunicaciones
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133
Stack-Up seleccionado
El Stack-Up seleccionado para este circuito se muestra a continuación.
Figura 169: Stack Layer de la PCB
La asignación de las capas es la siguiente:
- Capa 1, Top -> Capa para señales.
- Capa 2 -> Plano de 3.3Vdc.
- Capa 3 -> Plano de Chasis.
- Capa 4 -> Capa de señales.
- Capa 5 -> Capa de señales.
- Capa 6 -> Plano de GND.
- Capa 7 -> Plano de alimentación de 1.2v, 1.8v y ±15v y Señales.
- Capa 8 -> Capa de señales.
- Capa 9 -> Plano de GND.
- Capa 10, Bottom -> Capa de Señales.
Rutado del Circuito
Para el rutado del circuito se ha utilizado la herramienta informática Altium Designer,
concretamente la versión 9. Se trata de una potente herramienta informática que
permite la visualización de la tarjeta electrónica en 3D una vez finalizada. En el
software Altium se han seguido las siguientes pautas y reglas de diseño para adaptarse
a los estándares de los fabricantes más conocidos.
- Mínimo ancho de pista = 0.2mm.
- Mínima claridad plano-pista = 0.25mm.
- Tolerancia de antenas = 0mm.
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- Presencia de cortocircuitos = 0.
- Mínima separación entre componentes = 0.5mm
- Mínimo taladro = 3mm
- Mínimo ancho de via = 0.2mm
- Tamaño de la serigrafía mínimo = Altura=1mm, Anchura = 0.2mm
- Solape de la serigrafía por Pads y Vías = Activado.
- Mínima distancia entre plano, pista y borde de placa = 1.5mm
Llevando a cabo estas reglas y realizando el rutado de acuerdo a lo especificado en las
reglas teóricas para su realización se lleva a cabo como fase final la comprobación de
que las reglas se han cumplido en el diseño. El resultado obtenido por el programa
Altium es el siguiente:
Se presentan que se tienen 0 errores en el PCB y 2 Warnings. Los dos warnings
aparecidos son debido a una metalización que se realiza en los pasadores del conector
de Ethernet, ya que su librería no soportaba darle Chasis a este conector, cuando si
debe de ser conectado a dicha señal.
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135
5.4 Especificaciones del sistema
A continuación se detallaran las especificaciones de la tarjeta de control del sistema de
posicionamiento diseñada como objeto del presente trabajo.
Especificaciones Técnicas
El hardware de la tarjeta se divide en:
- Unidad de procesamiento principal basado en una arquitectura VHDL sobre una
Spartan 6.
- Capacidad de memoria Ram a través de dos memorias DDR2 de 1G cada una.
- Alimentación a través de la red eléctrica alterna.
- Gestión del resto de alimentaciones del circuito de manera interna.
- Programación de la FPGA a través de la conexión del JTAG de programación.
- Comunicación con el sistema de procesamiento a través de conexión por cable
a puerto USB y Ethernet (RJ-45) ó inalámbricamente a través de conexión Wifi.
- Capacidad de control de 5 balizas analógicas con salida diferencial de una
potencia máxima de 15W cada una.
- Bloque de terminales libres de I/0 de nivel de tensión 3.3V
- 7 Leds para depuración del sistema.
- Reloj y Calendario interno del sistema.
Sensor de temperatura integrado en la tarjeta.
Especificaciones Eléctricas
Las especificaciones eléctricas del equipo son:
- Tensión de alimentación: 220 a 230 Vac
- Tensiones de alimentación internas:
o +24Vdc
o +5Vdc
o +3.3Vdc
o ±15Vdc
o +1.8Vdc
o +1.2Vdc
o +0.9Vdc
- Consumo máximo de la tarjeta 100W.
- Protección en la entrada a través de fusible no rearmable de 8A a 250V.
Potencia máxima de salida a través de los conectores de las balizas analógicas
de 15W a ±15V.
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Especificaciones Mecánicas
- Medidas mecánicas de la tarjeta: 165.25mm X 185mm
- Numero de taladros de anclaje: 4
- Diámetro de los taladros de anclaje: 3mm
- Peso de la tarjeta: 400 gramos
- Color de la tarjeta: Verde
Especificaciones de Funcionamiento
- Temperatura de funcionamiento Máxima: 85ºC
- Temperatura de funcionamiento Mínima: 0ºC
- Temperatura de almacenamiento: 0ºC con humedad relativa del 5%
- Humedad máxima de funcionamiento: 40%
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6. RESULTADOS A continuación se muestran una serie de imágenes del resultado final de la tarjeta
detallando los conectores y acceso de usuario disponible en la misma.
6.1 Accesos de usuario
Los accesos de usuario disponibles en la tarjeta son:
En la figura anterior se observa la situación de los circuitos de la tarjeta por la cara TOP
de la misma.
Conector
Alimentación
Fusible
Leds de
Alimentación
Conector de
programación
Free Pins
Leds de
depuración
Conector de
Ethernet
Leds estado de
las balizas Conector Balizas
Ultrasónicas
Puerto de
configuración
del WiFi
Figura 170: Accesos de Usuario
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6.2 Imágenes resultados obtenidos
Las siguientes imágenes muestran los resultados del diseño de la tarjeta de control.
Figura 171: Resultado final I
En esta imagen se presenta la PCB en modo 3D, proporcionada por el programa Altium
Designer.
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Cara Top de la Tarjeta
Figura 172: Resultado final II
Cara Bottom de la tarjeta
Figura 173: Resultado final III
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Figura 174: Resultado final IV
Figura 175: Resultado final V
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7. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS En este trabajo se han estudiado las reglas de diseño que se deberían de aplicar a la
hora de llevar a cabo un diseño de un circuito impreso, precisando que la posición y
número de componentes, así como de las pistas, es muy delicado, pudiendo influir en
el comportamiento del circuito una vez fabricado.
En los estudios de EMC se deben de considerar todos los aspectos o reglas expuestas si
no se quiere obtener un fracaso a la hora de realizar las pruebas de homologación
marcadas por las normativas vigentes.
En dicho trabajo, también se ha estudiado los efectos de llevar a cabo un desembolso a
la hora de especificar y realizar labores de diseño y pruebas antes de la fabricación del
circuito, y como puede convertirse un diseño electrónico en un completo desastre, y
por consiguiente una pérdida económica, si se detecta el fallo una vez realizada la
fabricación.
A modo de ejemplo práctico se ha llevado a cabo el diseño de la tarjeta electrónica
denominada “Control UT”. Dicha tarjeta, tiene la capacidad de llevar a cabo el control
de un sistema de posicionamiento basado en balizas ultrasónicas. La elección de dicha
electrónica, presenta un ejemplo perfecto para poder llevar a cabo todas las lecciones
aprendidas en la parte teórica del trabajo.
Como trabajo futuro se podría analizar el uso de herramientas informáticas, tipo
“Hyperlinx” para llevar a cabo los análisis Pre-Fabricación necesarios en un diseño
electrónico. El manejo de estos programas de increíble potencia, pueden ayudar a
analizar en gran profundidad los diseños electrónicos una vez realizado el layout.
Actualmente se vive en un momento donde la potencia informática avanza a pasos
agigantados permitiendo simular casi cualquier sistema de una manera muy precisa,
por lo que dichas herramientas se convertirán en fundamentales para los diseñadores
electrónicos que deberán de enfrentarse a circuitos cada vez con frecuencias mayores.
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TRABAJO FIN DE MASTER Diseño de una etapa de amplificación para un sistema de balizas ultrasónicas
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Última consulta: Octubre/2014. Información consultada tipo documentación. Autor:
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de encriptación y CDMA, Fecha de Última consulta: Octubre/2014. Información
consultada tipo documentación. Autor: Jesús Ureña Ureña.
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http://es.rs-online.com/web/?cm_mmc=ES-PPC-0914-_-google-_-0_RS-Brand-
Campana-Corporativa_All_Languages_No_Spanish-_-RS+-
+Exact_rs+espa%C3%B1a_E&gclid=CjwKEAiAodOlBRDCjr-
UlJDjtVUSJABR7fxy7l3w6Igp_7yVnwTfpuBKZsy9bpfoXjrzSmZMB5hwDxoCEZzw_wcB,
Fecha de Última consulta: 10/9/2014. Fecha de Última consulta: Diciembre/2014.
Información consultada tipo datasheet.
Farnell España, Url:
http://es.farnell.com/, Fecha de Última consulta: 10/9/2014. Fecha de Última consulta:
Diciembre/2014. Información consultada tipo datasheet.
Digikey, Url:
http://www.digikey.es/?WT.srch=1&WT.medium=cpc&WT.mc_id=IQ68149139-VQ2-g-
VQ6-49002118637-VQ15-1t1-VQ16-c, Fecha de Última consulta: 10/9/2014. Fecha de
Última consulta: Diciembre/2014. Información consultada tipo datasheet.
Mouser,Url:
http://www.google.es/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&ved=0CD4QFjA
A&url=http%3A%2F%2Fwww.mouser.es%2F&ei=6PK0VPW3JcXwUoeigpgJ&usg=AFQjC
NHC5NdEh20GZDOcg7FrKMXpiape1w&sig2=P-3rPWgyoBk5bEFtpv-
5lA&bvm=bv.83339334,d.d24, Fecha de Última consulta: 10/9/2014. Fecha de Última
consulta: Diciembre/2014. Información consultada tipo datasheet.
Fuentes de Imágenes
Todas las imágenes de la documentación están extraídas de las siguientes fuentes:
- “Curso de integridad de señal y diseño de PCBs”, impartido por la Universidad
Autónoma de Madrid, concretamente el grupo Electratraining.
- “Curso EMC en PCBs”, impartido por la Universidad Autónoma de Madrid,
concretamente el grupo Electratraining.
- Apuntes de la asignatura “Sistemas de localización y posicionamiento
interior”, impartida en el master de MUSEA por la Universidad de Alcala.
- Imágenes del diseño del PCB extraídas del software Altium Designer 9.
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TRABAJO FIN DE MASTER Diseño de una etapa de amplificación para un sistema de balizas ultrasónicas
MASTER SISTEMAS ELECTRÓNICOS AVANZADOS, SISTEMAS INTELIGENTES Universidad de Alcalá. Departamento de Electrónica
145
9. ANEXOS
9.1 Esquemas eléctricos
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D D
C C
B B
A A
DISEÑADO:(DESIGNED):
REVISADO:(CHECKED):
FECHA:(DATE):
REV.:(REV.):
ARCHIVO:(FILE NAME):
NUM.:(NR.):
HOJA(SHEET)
NOMBRE:(NAME):
PROYECTO:(PROJECT):
DE(OF)
A2
A.H
A.M.P
05/2014
0
Power_Supply.SchDoc
0 1 7
POWER SUPPLY
POSITION UT-CONTROL
AC_IN+1
AC_IN-2
VOUT-3
VOUT-4
VOUT-5
VOUT+6
VOUT+7
VOUT+8
U1
TOP100-124
VIN+1
VIN-2
VOUT+3
ON/OFF6
VOUT-5
TRIM4
U3
THN 15-2411
VIN+1
VIN-2
COMMON5
VOUT-6
ON/OFF3
VOUT+4
U5
TEN60-2422
SVIN1
PGOOD2
ITH3
VFB4
RT5
VREF6
RUN/SS7
SGND8
PVIN9
SW10
SW11
PGND12
PGND13
SW14
SW15
PVIN16
EP17
U6
LTC3413EFE
VIN11
SW12
IND13
VOUT14
PG15
PG26
VOUT27
IND28
SW29
VIN210
BST211
SS/TRACK212
VC213
FB214
SHDN15
RT/SYNC16
FB117
VC118
SS/TRACK119
BST120
EP21
U4
LT3501EFE
SW1D12
SW113
RUN117
ITH119
VFB120
TRACK/SS121
PGOOD123
U2A
LTC3546EUFD
TRACK/SS22
VFB23
ITH24
RUN26
SW2A10
SW2B11
PGOOD228
U2B
LTC3546EUFD
BMC21
VCCD5
VIN27
VIN18
VIN1D9
PGND1D14
PGND115
PGND216
PHASE18
BMC122
FREQ24
GNDA25
VCCA26
SYNC/MODE27
EP29
U2C
LTC3546EUFD
132
P1
Plug AC Male
CHASSIS
F1
8 A
12 R6
CN2220K30G
12 R4
CN2220K30G
12 R8
CN2220K30G
CHASSIS
+24VdcFASE
NEUTRO
D1SMBJ28CA 0.1uF
C4100uF/50vC3
21FB1
BLM21PG220SN1D
1K2R5
D2Led 0603
1 2
3 4
CG
CG
1
FR1
BNX022-01L
24V
24V_GND
24V
24V_GND
4.7uFC14
0.1uF
C12
0.1uF
C19
0.1uFC16
100uF/50vC15
1K2R17
D6Led 0603
GND
5V
+5Vdc
1 2
3 4
CG
CG
1
FR2
BNX022-01L
24V
24V_GND
4.7uFC29 ENABLE_15V
1K2R26
5V 0.1uF
C26
0.1uF
C32
0.1uFC28
0.1uFC31
100uF/50vC27
100uF/50vC30
1K2R27
D13Led 0603 1K2
R29
D12Led 0603
+15V -15V
GND
+15V -15V
GND GND
+15Vdc
-15Vdc
5V
GND
ENABLE_2V5
PGOOD_FA1
5V
1.5uH
L1
Inductor Iron
1uH
L2
Inductor Iron
95.3KR3
100pFC1
22uFC2
GND
2V5
33KR7
30K1R9
30K1R10
100pFC5
47uFC6
47uFC7
1V2
1nFC10
10pFC11
13KR14
1nFC8
10pFC9
13KR13
GND
1K2R11
D3Led 0603
GND
1K2R12
D4Led 0603
GND
+2.5Vdc
+1.2VdcENABLE_1V2
4K7R1
4K7R2
5V
ENABLE_FA1
4K7R19
PGOOD_3V3PGOOD_1V2
0.1uF
C18
GND
61.9K
R20
10pFC21
470pFC22
40K2R24
47pFC23
470pFC24
40K2R25
24K9R15
8K
R18
470nFC17
1.5uH
L3Inductor Iron
D5Diode BAT17
D8
Diode BAT17
47uFC13
GND
3V3
10KR21
8K
R23
470nFC25
2.2uH
L4
Inductor Iron
D9Diode BAT17
D11
Diode BAT17
100uFC20
GND
1V8
1K2R16
D7Led 0603
GND
1K2R22
D10Led 0603
GND
+3.3Vdc
+1.8Vdc
3V31V8
GND
1K2R28
330pFC33
GND
PGOOD_0V9
5K1R31
2.2nFC36
100pFC37
309KR32
1.5uH
L5
Inductor Iron
100uFC34
100uFC35
0V9
1K2R30
D14Led 0603
+0.9Vdc
PIC101
PIC102COC1
PIC201
PIC202COC2
PIC301
PIC302COC3
PIC401
PIC402COC4
PIC501
PIC502COC5
PIC601
PIC602COC6
PIC701
PIC702COC7
PIC801
PIC802COC8
PIC901
PIC902COC9
PIC1001
PIC1002COC10
PIC1101
PIC1102COC11
PIC1201PIC1202
COC12
PIC1301
PIC1302COC13
PIC1401
PIC1402COC14 PIC1501
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PIC1601
PIC1602COC16 PIC1701
PIC1702COC17
PIC1801PIC1802
COC18
PIC1901PIC1902
COC19
PIC2001
PIC2002COC20
PIC2101
PIC2102COC21
PIC2201
PIC2202COC22
PIC2301
PIC2302COC23
PIC2401
PIC2402COC24 PIC2501
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PIC2601PIC2602
COC26
PIC2701
PIC2702COC27
PIC2801
PIC2802COC28
PIC2901
PIC2902COC29 PIC3001
PIC3002
COC30
PIC3101
PIC3102COC31
PIC3201PIC3202
COC32
PIC3301
PIC3302COC33
PIC3401
PIC3402COC34
PIC3501
PIC3502COC35
PIC3601
PIC3602COC36
PIC3701
PIC3702COC37
PID101
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PID201PID202
COD2
PID301
PID302COD3
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PID501
PID503COD5
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COD7
PID801PID803
COD8
PID901PID903
COD9
PID1001PID1002
COD10
PID1101PID1103
COD11
PID1201PID1202 COD12
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COD13
PID1401
PID1402COD14
PIF101 PIF102
COF1PIFB101 PIFB102
COFB1
PIFR101 PIFR102
PIFR103 PIFR104
PIFR10CGPIFR10CG1
COFR1
PIFR201 PIFR202
PIFR203 PIFR204
PIFR20CGPIFR20CG1
COFR2
PIL101 PIL102
COL1
PIL201 PIL202
COL2
PIL301 PIL302COL3
PIL401 PIL402
COL4
PIL501 PIL502
COL5
PIP101
PIP102
PIP103
COP1 PIR101
PIR102COR1
PIR201
PIR202COR2
PIR301
PIR302COR3
PIR401
PIR402 COR4
PIR501
PIR502COR5
PIR601
PIR602 COR6
PIR701
PIR702COR7
PIR801
PIR802COR8
PIR901
PIR902COR9
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PIR1002COR10
PIR1101
PIR1102COR11
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PIR1202COR12
PIR1301
PIR1302COR13
PIR1401
PIR1402COR14
PIR1501
PIR1502
COR15
PIR1601
PIR1602COR16
PIR1701
PIR1702COR17
PIR1801 PIR1802COR18
PIR1901
PIR1902COR19
PIR2001PIR2002COR20 PIR2101
PIR2102
COR21
PIR2201
PIR2202COR22
PIR2301 PIR2302COR23
PIR2401
PIR2402
COR24PIR2501
PIR2502
COR25
PIR2601
PIR2602COR26
PIR2701
PIR2702COR27
PIR2801
PIR2802COR28
PIR2901
PIR2902
COR29
PIR3001
PIR3002COR30
PIR3101
PIR3102COR31
PIR3201
PIR3202COR32
PIU101
PIU102
PIU103
PIU104
PIU105
PIU106
PIU107
PIU108
COU1
PIU2012
PIU2013PIU2017
PIU2019
PIU2020
PIU2021
PIU2023
COU2A
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PIU203
PIU204
PIU206 PIU2010
PIU2011
PIU2028
COU2B
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PIU205
PIU207
PIU208
PIU209 PIU2014
PIU2015
PIU2016
PIU2018
PIU2022 PIU2024
PIU2025
PIU2026
PIU2027
PIU2029
COU2C
PIU301
PIU302
PIU303
PIU304
PIU305
PIU306
COU3
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PIU402
PIU403
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PIU405
PIU406
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PIU408
PIU409
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PIU4011
PIU4012
PIU4013
PIU4014
PIU4015
PIU4016
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PIU4018
PIU4019
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PIU4021
COU4
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PIU503
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PIU505
PIU506
COU5
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PIU602
PIU603
PIU604
PIU605
PIU606
PIU607
PIU608
PIU609 PIU6010
PIU6011
PIU6012
PIU6013
PIU6014
PIU6015
PIU6016
PIU6017
COU6
PIC3401 PIC3501
PIL502
PIR3002
PIU604
NL0009Vdc
PIC502 PIC602 PIC702PIL202 PIR702
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NL0102Vdc
PIC2001
PIR2101PIR2202
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PIU606
NL0108Vdc
PIC102 PIC202PIL102 PIR302
PIR1202
NL0205Vdc
PIC1301
PID501
PID901
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PIR2802
PIU404
PIU601
PIU609
PIU6016
NL0303Vdc
PIC2601
PIC2701PIC2802
PIR2702
PIU504NL015Vdc
PIC301 PIC402
PIFB102
PIFR101
PIFR201
PIR502
NL024Vdc
PIC3002PIC3101
PIC3201
PID1202
PIU506NL015Vdc
PIC1201
PIC1501PIC1602
PIR102 PIR202
PIR1702
PIR1902
PIR2602
PIU201
PIU205
PIU207
PIU208
PIU209
PIU2022 PIU2024
PIU2026
PIU2027
PIU303
PIU401
PIU4010
NL05Vdc
PIC302 PIC401PID101PID202
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PIFR203
PIR601
PIR802PIU103
PIU104
PIU105
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PIR801
PIF101PIP101NLFASE
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PIC601 PIC701
PIC801 PIC901 PIC1001 PIC1101
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PIC1901
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PID1302
PID1402
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PIR901 PIR1001
PIR1002
PIR1802
PIR2002
PIR2302
PIR2402 PIR2502
PIR2902
PIR3201
PIU2014
PIU2015
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PIU2020
PIU2025
PIU2029
PIU305
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PIU505
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PIU6013
PIU6017
PIC501PIR701
PIR902PIU203
PIC802
PIR1301
PIC902
PIR1302
PIU2019
PIC1002
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PIC1102
PIR1402
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PIC1202
PIC1402
PIFR102 PIU301
PIC1401
PIC1902
PIFR104
PIFR10CGPIFR10CG1
PIU302
PIC1701
PID503
PIU4020PIC1702
PID803
PIL302
PIU402PIC1801
PIU4012
PIU4019
PIC2101 PIC2201
PIU4018
PIC2202PIR2401
PIC2301 PIC2401PIU4013
PIC2402PIR2501
PIC2501PID903
PIU4011
PIC2502PID1103
PIL402
PIU409
PIC2602
PIC2902
PIFR202 PIU501
PIC2901
PIC3202
PIFR204
PIFR20CGPIFR20CG1PIU502
PIC3301
PIR2801PIU607
PIC3601PIR3101
PIC3701
PIR3102PIU603
PID102
PIFB101
PIR402PIR602
PIU106
PIU107
PIU108
PID201PIR501
PID301PIR1101
PID401PIR1201
PID601PIR1701
PID701PIR1601
PID1001PIR2201
PID1201PIR2901PID1301
PIR2701
PID1401PIR3001
PIF102 PIU101 PIL101PIU2013
PIL201PIU2010
PIU2011
PIU2012
PIL301PIU403
PIL401
PIU408
PIL501PIU6010
PIU6011
PIU6014
PIU6015
PIR101PIU2017POENABLE02V5
PIR201
PIU206POENABLE01V2
PIR1502 PIR1801
PIU4017
PIR1901
PIU4015POENABLE0FA1
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PIU4014
PIR2601
PIU503POENABLE015V
PIR3202PIU605
PIU202
PIU2021
PIU2023
PIU2028
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PIU304PIU306
PIU405POPGOOD03V3PIU406POPGOOD01V2
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PIP102
PIU102
NLNEUTRO
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C C
B B
A A
DISEÑADO:(DESIGNED):
REVISADO:(CHECKED):
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NUM.:(NR.):
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DE(OF)
A3
A.H
A.M.P
05/2014
0
Fpga_Configuration.SchDoc
0 2 7
FPGA CONFIGURATION
POSITION UT-CONTROL
1 23 45 67 89 1011 1213 14
CN1
Xilinx JTAG Header
GND
3V3
JTAG-TMSJTAG-TCKJTAG-TDOJTAG-TDI
D15
BZT
52C
3V3-
7-F
D16
BZT
52C
3V3-
7-F
D17
BZT
52C
3V3-
7-F
D18
BZT
52C
3V3-
7-F
GND
200R36
200R37
200R42
D01
DNC2
CLK3
TDI4
TMS5
TCK6
CF7
OE/RESET8
DNC9
CE10
GND11
DNC12
CEO13
DNC14
DNC15
DNC16
TDO17
VCCINT18
VCCO19
VCCJ20
U11
XCF04SVOG20C
DONE
JTAG-TCKJTAG-TMS
TDO
CCLK
INIT_B
JTAG-TDO
DIN
GND
3V3
PROGRAM_B
3K3R45
3V3
200
R47
3K3R44
S#1
DQ12
W#/VPP/DQ23
VSS4
DQ05
C6
HOLD#/DQ37
VCC8
U7
N25Q128A13ESE40F
3V3
GND
FLASH_SCLKFLASH_SDIFLASH_SDO
FLASH_CSFLASH_WPFLASH_HOLD
1K8R33
1K8R34
1K8R35
3V3
S#1
DQ12
W#/VPP/DQ23
VSS4
DQ05
C6
HOLD#/DQ37
VCC8
U9
N25Q128A13ESE40F
3V3
GND
100R38
100R40
100R41100
R39
1uFC151
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U6 U63V3
GND
1uFC153
0.1uFC154
U7 U7
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0.1uFC156
U9 U93V3
GND
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PICN109 PICN1010
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COCN1
PID1501PID1502
COD15
PID1601PID1602
COD16
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COD17
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COD18
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PIR3302
COR33PIR3401
PIR3402
COR34PIR3501
PIR3502
COR35
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PIR3701PIR3702COR37
PIR3801 PIR3802COR38
PIR3901 PIR3902COR39
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PIR4201PIR4202COR42
PIR4401
PIR4402
COR44 PIR4501
PIR4502
COR45
PIR4701 PIR4702COR47
PIU701
PIU702
PIU703
PIU704
PIU705
PIU706
PIU707
PIU708
COU7
PIU901
PIU902
PIU903
PIU904
PIU905
PIU906
PIU907
PIU908
COU9
PIU1101
PIU1102
PIU1103
PIU1104
PIU1105
PIU1106
PIU1107
PIU1108
PIU1109
PIU11010
PIU11011
PIU11012
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PIU11014
PIU11015
PIU11016
PIU11017
PIU11018
PIU11019
PIU11020
COU11
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PIC15501 PIC15601
PICN102
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PIR4401 PIR4501
PIU708
PIU908
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PIU11019
PIU11020
PIC15102 PIC15202 PIC15302 PIC15402
PIC15502 PIC15602
PICN101
PICN103
PICN105
PICN107
PICN109
PICN1011
PICN1013
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PIU704
PIU904
PIU11011
PICN104
PID1802
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PID1702
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PID1502
PIR4202
PICN1012
PICN1014
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PIU901
POFLASH0CS
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PIU903
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PIU907
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PIU1106
POJTAG0TCK PIR3801POFLASH0SDI PIR3802 PIU705
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PIR4102 POFLASH0HOLDPIR4201 POJTAG0TDI
PIR4402PIU11010PODONE
PIR4502
PIU1107 POPROGRAM0BPIR4701POCCLK PIR4702 PIU1103
PIU706
PIU906
POFLASH0SCLK
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PIU1102
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PIU1109
PIU11012
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PIU11014
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PIU11016
PICN108
PID1602
PIU11017 POJTAG0TDO
POCCLK
PODIN
PODONE
POFLASH0CS
POFLASH0HOLD
POFLASH0SCLKPOFLASH0SDIPOFLASH0SDO
POFLASH0WP
POINIT0B
POJTAG0TCK
POJTAG0TDIPOJTAG0TDO
POJTAG0TMS
POPROGRAM0B
POTDO
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1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
D D
C C
B B
A A
DISEÑADO:(DESIGNED):
REVISADO:(CHECKED):
FECHA:(DATE):
REV.:(REV.):
ARCHIVO:(FILE NAME):
NUM.:(NR.):
HOJA(SHEET)
NOMBRE:(NAME):
PROYECTO:(PROJECT):
DE(OF)
A2
A.H
A.M.P
05/2014
0
Fpga-XC6SLX45.SchDoc
0 3 7
FPGA
POSITION UT-CONTROL
VCCAUXB1
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VCCAUXE9
VCCAUXG10
VCCAUXJ12
VCCAUXK7
VCCAUXM9
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VCCAUXP14
VCCAUXP5
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VCCINTL8
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U8F
XC6SLX45-2CSG324C
BAN
K 3 IO_L1P_3
N4
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IO_L2P_3P4
IO_L2N_3P3
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IO_L31N_VREF_3M5
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IO_L54N_M3A11_3D3
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IO_L83P_3C2
IO_L83N_VREF_3C1
U8D
XC6SLX45-2CSG324C
BA
NK
2 IO_L1P_CCLK_2R15
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IO_L2N_CMPMOSI_2V16
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IO_L5N_2V15
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IO_L29N_GCLK2_2T10
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IO_L45N_2V6
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IO_L47P_2N6
IO_L47N_2P7
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U8C
XC6SLX45-2CSG324C
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GNDV18
U8G
XC6SLX45-2CSG324C
NCF7
NCE6
NCE7
NCE8
NCG8
NCF8
NCG11
NCF10
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NCE11
NCD12
NCC12
NCF12
NCE12
U8H
XC6SLX45-2CSG324C
VDD4
GND2
OUT3
OE1
U10
SG8002JF
3V3
0.1uFC150
GND
GCLK
GCLK
CCLK
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E-INT
E-RESET
E-COLE-CRS
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E-RXER
E-RXD0E-RXD1
E-RXD2E-RXD3E-RXD4E-RXD5E-RXD6E-RXD7
E-GTXCLK
E-TXCLK
E-TXERE-TXEN
E-TXD0E-TXD1E-TXD2E-TXD3E-TXD4E-TXD5E-TXD6E-TXD7
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DDR2_BA2
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DDR2_CKE
DDR2_WE
DDR2_RASDDR2_CAS
DDR2_ODT
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DDR2_LDMDDR2_UDM
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FLASH_WPFLASH_HOLD
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ENABLE_FA1
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PGOOD_0V9
ENABLE_15V
WIFI_RESET
WIFI_WP
WIFI_INTWIFI_CS
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PH_SCL
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CLOCK_CONFIG
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SCLK_DAC_2
SCLK_DAC_3
SCLK_DAC_4
SCLK_DAC_5
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GND GND
10nFC38
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3V3
GND
VCC0
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1V8
GND
VCC1
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GND
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GND
VCC3
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GND
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3V3
GND
VCCAUX
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1V2
GND
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1V2
GND
VCCINT
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4.7uFC149
USB-TXDUSB-RXDUSB-CTSUSB-DCD
DAC_RESET
DAC2_SYNCDAC1_SYNC
DAC4_SYNCDAC3_SYNC
DAC5_SYNC
BAN
K 1 IO_L1P_A25_1
F15
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U8B
XC6SLX45-2CSG324C
FLASH_SCLK
FLASH_SDIFLASH_SDO
BA
NK
0 IO_L1P_HSWAPEN_0D4
IO_L1N_VREF_0C4
IO_L2P_0B2
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PIU80F3 PODDR10A4PIU80F4 PODDR10A10
PIU80F5PIU80F6
PIU80F7
PIU80F8
PIU80F9 PODAC30SYNC
PIU80F10
PIU80F11
PIU80F12
PIU80F13 POB30OK
PIU80F14
PIU80F15
PIU80F16
PIU80F17 PODDR20A7PIU80F18 PODDR20A2
PIU80G1 PODDR10CK0NPIU80G3 PODDR10CK0P
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PIU80G8
PIU80G9 PODAC20SYNC
PIU80G11
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PIU80H1 PODDR10DQ5PIU80H2 PODDR10DQ4
PIU80H3 PODDR10A6PIU80H4 PODDR10A5
PIU80H5 PODDR10A2PIU80H6 PODDR10A7
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PIU80H13 PODDR20BA0PIU80H14 PODDR20BA1PIU80H15 PODDR20A0PIU80H16 PODDR20A1
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PIU80J1 PODDR10DQ7PIU80J3 PODDR10DQ6
PIU80J6 PODDR10A1PIU80J7 PODDR10A0
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PIU80L6
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PIU80N4
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PIU80P16
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PIU80T3 POFREE0PIN010PIU80T4 POWIFI0RESET
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PIU80V2POPROGRAM0B
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PIU80V4 POWIFI0INT
PIU80V5 POFREE0PIN08
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PIU80V15 POE0RXD1
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PIU80V17PODONE
POB10OKPOB20OKPOB30OKPOB40OKPOB50OK
POCCLK
POCLOCK0CONFIG
PODAC10SYNCPODAC20SYNCPODAC30SYNCPODAC40SYNCPODAC50SYNC
PODAC0RESET
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PODDR10BA0PODDR10BA1
PODDR10BA2
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PODDR10DQ0PODDR10DQ1PODDR10DQ2PODDR10DQ3
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PODDR10RAS
PODDR10UDM
PODDR10UDQS0NPODDR10UDQS0P
PODDR10WE
PODDR20A0PODDR20A1
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PODDR20A5PODDR20A6
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PODDR20A8PODDR20A9PODDR20A10
PODDR20A11
PODDR20A12
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PODDR20BA2
PODDR20CAS
PODDR20CK0NPODDR20CK0P
PODDR20CKE
PODDR20DQ0PODDR20DQ1
PODDR20DQ2PODDR20DQ3
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PODDR20DQ12PODDR20DQ13PODDR20DQ14PODDR20DQ15
PODDR20LDM
PODDR20LDQS0NPODDR20LDQS0P
PODDR20ODT
PODDR20RAS
PODDR20UDM
PODDR20UDQS0NPODDR20UDQS0P
PODDR20WE
PODONE
POE0COLPOE0CRS
POE0GTXCLK
POE0INT
POE0MDCPOE0MDIO
POE0RESET
POE0RXCLK
POE0RXD0POE0RXD1
POE0RXD2POE0RXD3POE0RXD4POE0RXD5POE0RXD6POE0RXD7
POE0RXDVPOE0RXER
POE0TXCLK
POE0TXD0POE0TXD1POE0TXD2POE0TXD3POE0TXD4POE0TXD5POE0TXD6POE0TXD7
POE0TXENPOE0TXER
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POENABLE015VPOENABLE0FA1
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POFLASH0HOLD
POFLASH0SCLK
POFLASH0SDIPOFLASH0SDO
POFLASH0WP
POFREE0PIN00POFREE0PIN01
POFREE0PIN02
POFREE0PIN03
POFREE0PIN04
POFREE0PIN05
POFREE0PIN06
POFREE0PIN07POFREE0PIN08POFREE0PIN09POFREE0PIN010
POGCLK
POINIT0B
POJTAG0TCKPOJTAG0TDI
POJTAG0TMS
POJTAG0EN
POLED0TEST00POLED0TEST01POLED0TEST02POLED0TEST03POLED0TEST04POLED0TEST05POLED0TEST06POLED0TEST07
POPGOOD00V9POPGOOD01V2POPGOOD03V3POPGOOD0FA1
POPH0SCLPOPH0SDA
POPROGRAM0B
POPROGRAM0RUNNING
POSCLK0DAC01
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POSCLK0DAC04
POSCLK0DAC05
POSDI0DAC01
POSDI0DAC02
POSDI0DAC03
POSDI0DAC04
POSDI0DAC05
POSDO0DAC01
POSDO0DAC02
POSDO0DAC03
POSDO0DAC04
POSDO0DAC05
POTDO
POTEMP0ALERT0
POUSB0CTSPOUSB0DCD
POUSB0RXDPOUSB0TXD
POWIFI0CS
POWIFI0HIBERNATE
POWIFI0INTPOWIFI0RESET
POWIFI0WP
![Page 149: DISEÑO DE UNA ETAPA DE AMPLIFICACIÓN PARA UN SISTEMA DE ... · A modo de ejemplo se ha realizado un diseño de una tarjeta de control de un sistema de posicionamiento interior basado](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022013114/5ba6929c09d3f2dd318c05c4/html5/thumbnails/149.jpg)
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
D D
C C
B B
A A
DISEÑADO:(DESIGNED):
REVISADO:(CHECKED):
FECHA:(DATE):
REV.:(REV.):
ARCHIVO:(FILE NAME):
NUM.:(NR.):
HOJA(SHEET)
NOMBRE:(NAME):
PROYECTO:(PROJECT):
DE(OF)
A2
A.H
A.M.P
05/2014
0
Analog_Control.SchDoc
0 4 7
Analog Control
POSITION UT-CONTROL
VDD22
VDD21
VDD3
PGND2
PGND1
VDD4
PGND23
PGND24
IN+12
IN-11
FS118
FS219
SHDN14
G115
G216
SS13
REG9
AGND10
CHOLD7
C1P6
C1N5
OUT-27
OUT-28
OUT+29
OUT+30
N.C8
N.C17
N.C20
N.C25
N.C26
N.C31
N.C32
U12
MAX9703
DAC1_SCLKDAC1_SDINDAC1_SDODAC1_SYNC
DAC_RESET
REFAGND1
REFIN2
LDAC3
SDIN4
SYNC5
RBEN6
SCLK7
SDO8
CLR9
PD10
GND11
NC12
VSS13
DUTGND14
VOUT15
VDD16
U14
AD5531BRUZ
GND
5V
GND
5V
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1K8R49
1K8R50
1K8R51
1K8R52
3V3
+15V
-15V
+15V
GND
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+15V
0.1uF
C159
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0.1uFC164DAC1_SYNC
5V5V
Vout_1
Out1_+
5
1
2 3 4
J1
COAX-F
VDD22
VDD21
VDD3
PGND2
PGND1
VDD4
PGND23
PGND24
IN+12
IN-11
FS118
FS219
SHDN14
G115
G216
SS13
REG9
AGND10
CHOLD7
C1P6
C1N5
OUT-27
OUT-28
OUT+29
OUT+30
N.C8
N.C17
N.C20
N.C25
N.C26
N.C31
N.C32
U16
MAX9703
DAC2_SCLKDAC2_SDINDAC2_SDODAC2_SYNC
DAC_RESET
REFAGND1
REFIN2
LDAC3
SDIN4
SYNC5
RBEN6
SCLK7
SDO8
CLR9
PD10
GND11
NC12
VSS13
DUTGND14
VOUT15
VDD16
U17
AD5531BRUZ
GND
5V
GND
5V
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1K8R58
1K8R59
1K8R60
3V3
+15V
-15V
GND
0.1uFC184
0.1uFC182
+15V
0.1uF
C183
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0.1uFC186DAC2_SYNC
5V5V
Vout_2
Out2_+
5
1
2 3 4
J5
COAX-F
VDD22
VDD21
VDD3
PGND2
PGND1
VDD4
PGND23
PGND24
IN+12
IN-11
FS118
FS219
SHDN14
G115
G216
SS13
REG9
AGND10
CHOLD7
C1P6
C1N5
OUT-27
OUT-28
OUT+29
OUT+30
N.C8
N.C17
N.C20
N.C25
N.C26
N.C31
N.C32
U18
MAX9703
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DAC_RESET
REFAGND1
REFIN2
LDAC3
SDIN4
SYNC5
RBEN6
SCLK7
SDO8
CLR9
PD10
GND11
NC12
VSS13
DUTGND14
VOUT15
VDD16
U19
AD5531BRUZ
GND
5V
GND
5V
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1K8R64
3V3
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-15V
GND
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+15V
0.1uF
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5V5V
Vout_3
Out3_+
5
1
2 3 4
J7
COAX-F
VDD22
VDD21
VDD3
PGND2
PGND1
VDD4
PGND23
PGND24
IN+12
IN-11
FS118
FS219
SHDN14
G115
G216
SS13
REG9
AGND10
CHOLD7
C1P6
C1N5
OUT-27
OUT-28
OUT+29
OUT+30
N.C8
N.C17
N.C20
N.C25
N.C26
N.C31
N.C32
U20
MAX9703
DAC4_SCLKDAC4_SDINDAC4_SDODAC4_SYNC
DAC_RESET
REFAGND1
REFIN2
LDAC3
SDIN4
SYNC5
RBEN6
SCLK7
SDO8
CLR9
PD10
GND11
NC12
VSS13
DUTGND14
VOUT15
VDD16
U21
AD5531BRUZ
GND
5V
GND
5V
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1K8R68
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-15V
GND
0.1uFC2290.1uF
C227
+15V
0.1uF
C228
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0.1uFC231DAC4_SYNC
5V5V
Vout_4
Out4_+
5
1
2 3 4
J9
COAX-F
VDD22
VDD21
VDD3
PGND2
PGND1
VDD4
PGND23
PGND24
IN+12
IN-11
FS118
FS219
SHDN14
G115
G216
SS13
REG9
AGND10
CHOLD7
C1P6
C1N5
OUT-27
OUT-28
OUT+29
OUT+30
N.C8
N.C17
N.C20
N.C25
N.C26
N.C31
N.C32
U13
MAX9703
DAC5_SCLKDAC5_SDINDAC5_SDODAC5_SYNC
DAC_RESET
REFAGND1
REFIN2
LDAC3
SDIN4
SYNC5
RBEN6
SCLK7
SDO8
CLR9
PD10
GND11
NC12
VSS13
DUTGND14
VOUT15
VDD16
U15
AD5531BRUZ
GND
5V
GND
5V
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1K8R54
1K8R55
1K8R56
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-15V
GND
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+15V
0.1uF
C160
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0.1uFC166DAC5_SYNC
5V5V
Vout_5
Out5_+
5
1
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J2
COAX-F
GND
GND
GND
GND
GND
5
1
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J4
COAX-F
GND
5
1
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COAX-F
GND
5
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COAX-F
GND
5
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J8
COAX-F
GND
5
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J10
COAX-F
GND
Out1_-
Out2_-
Out3_-
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Out5_-
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GND
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+15V
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0.1uF
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0.1uF
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0.1uF
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C1791uFC180
0.1uF
C171T491A 0.1uF
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-15V
GND
0.1uF
C187T491A 0.1uF
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0.1uF
C190T491A 0.1uF
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0.1uF
C193T491A 0.1uF
C1951uFC197
0.1uF
C196T491A 0.1uF
C1981uFC200
0.1uF
C199T491A 0.1uF
C201
U11 U11 U11 U13 U13 U13 U14 U14 U14 U15 U15 U15U12 U12 U12
U11 U11 U11 U13 U13 U13 U14 U14 U14 U15 U15 U15U12 U12 U12
21
FB16BLM21PG220SN1D
21
FB17BLM21PG220SN1D
21
FB10BLM21PG220SN1D
21
FB11BLM21PG220SN1D
21
FB22BLM21PG220SN1D
21
FB23BLM21PG220SN1D
21
FB28BLM21PG220SN1D
21
FB29BLM21PG220SN1D
21 FB221 FB421 FB621 FB8
+15V
21 FB1221 FB1321 FB1421 FB15
+15V
21 FB1821 FB1921 FB2021 FB21
+15V
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+15V
21 FB321 FB521 FB721 FB9
0.1uFC204
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1uFC221
U23 U25 U26 U27 U24U23 U23 U23 U25 U25 U25 U26 U26 U26 U27 U27 U27 U24 U24 U24
21
FB61
21
FB60PIC15701
PIC15702COC157
PIC15801
PIC15802COC158
PIC15901PIC15902
COC159
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COC160
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NLOut200
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PODAC0RESET
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1
2
2
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3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
D D
C C
B B
A A
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A2
A.H
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05/2014
0
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LDQS#/NUE8
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LDMF3
LDQSF7
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WE#K3
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CAS#L7
CS#L8
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A12R2
CKJ8
CKEK2
CK#K8
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BA0L2
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NCA2
NCE2
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VSSQH8
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VDDM9
VSSN1
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U22B
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COU22B
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PIU230P7
PIU230P8
PIU230R2
PIU230R3
PIU230R7
PIU230R8
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PIU230P9
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1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
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6
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7
8
8
D D
C C
B B
A A
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A2
A.H
A.M.P
05/2014
0
Network Interface.SchDoc
0 6 7
Network
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MDC35
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XTAL275
XTAL176
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CONFIG088
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CONFIG481
CONFIG580
CONFIG679
U24
88E1111-B2-RCJ1-C000
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TDO-2
TD1+3
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TD2+4
TD2-5
TD3+7
TD3-8
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SH
IELD
M1
SH
IELD
M2
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CHASSIS
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GND
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1 2Y1
XTAL
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2V5
GND
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2V5
E-MDIOE-MDC
GND
4K7
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4K7
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WIFI_WP
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GND
4K7R141
3V3
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WIFI_HIBERNATE
123
P2
Header 3
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1
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2
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5
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C C
B B
A A
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C
0.1uF
C358
T491AGND
3V3
0.1uF
C356T491A
1uF
C357T491A
GND GND
0.1uF
C362T491A
4K7R156
10KR157
VC
C
GND GND
GND
100R152
100R153
100R154
100R155
D25Led 0603
D26Led 0603
470R158
470R159
3V3 3V3
USB-TXDUSB-RXD
USB-CTSUSB-DCD
PROGRAM_RUNNING
LED_TEST_0LED_TEST_1LED_TEST_2LED_TEST_3LED_TEST_4LED_TEST_5LED_TEST_6LED_TEST_7
B1_OKB2_OKB3_OKB4_OKB5_OK
FREE_PIN_0 FREE_PIN_1FREE_PIN_2 FREE_PIN_3FREE_PIN_4 FREE_PIN_5FREE_PIN_6 FREE_PIN_7FREE_PIN_8 FREE_PIN_9FREE_PIN_10
1 23 45 67 89 1011 12
CN3
Header 6X2
GND
D27
Led 0603
1K2R162
D28
Led 0603
1K2R163
D29
Led 0603
1K2R164
D30
Led 0603
1K2R165
D31
Led 0603
1K2R166
D32
Led 0603
1K2R167
D33
Led 0603
1K2R168
D34
Led 0603
1K2R169
3V3 3V3 3V3 3V3 3V3 3V3 3V3 3V3
D35Led 0603
1K2R170
3V3
D36Led 0603
1K2R171
3V3
D37Led 0603
1K2R172
3V3
D38Led 0603
1K2R173
3V3
D39Led 0603
1K2R174
3V3
D40Led 0603
1K2R175
3V3
21
FB90
21
FB92
3V3
21
FB91
PIBT101
PIBT102COBT1
PIC35601
PIC35602
COC356 PIC35701
PIC35702
COC357
PIC35801PIC35802
COC358
PIC35901
PIC35902
COC359PIC36001
PIC36002COC360
PIC36101
PIC36102COC361
PIC36201
PIC36202
COC362
PIC36301
PIC36302COC363
PIC36401
PIC36402COC364
PIC36501
PIC36502COC365
PIC36601
PIC36602COC366
PIC36701
PIC36702COC367
PICN301 PICN302
PICN303 PICN304
PICN305 PICN306
PICN307 PICN308
PICN309 PICN3010
PICN3011 PICN3012
COCN3
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PID2601PID2602 COD26
PID2701PID2702
COD27 PID2801PID2802
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COD33 PID3401PID3402
COD34
PID3501PID3502
COD35
PID3601PID3602
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COD37PID3801PID3802
COD38PID3901PID3902
COD39PID4001PID4002
COD40
PIFB9001
PIFB9002
COFB90
PIFB9101
PIFB9102
COFB91
PIFB9201
PIFB9202
COFB92
PIJ1101
PIJ1102
PIJ1103
PIJ1104
PIJ1105
PIJ110MH1
PIJ110MH2
PIJ110MH3
PIJ110MH4
PIJ110MH5
COJ11
PIR14901
PIR14902
COR149PIR15001
PIR15002
COR150PIR15101
PIR15102
COR151
PIR15201PIR15202
COR152
PIR15301PIR15302COR153
PIR15401PIR15402COR154
PIR15501PIR15502COR155
PIR15601
PIR15602COR156
PIR15701
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PIR15801
PIR15802
COR158PIR15901
PIR15902
COR159PIR16001
PIR16002COR160
PIR16101 PIR16102COR161
PIR16201
PIR16202COR162
PIR16301
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PIR16401
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PIR16501
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PIR16601
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PIR16701
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PIR16802COR168
PIR16901
PIR16902COR169
PIR17001
PIR17002COR170
PIR17101
PIR17102COR171
PIR17201
PIR17202COR172
PIR17301
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PIR17401
PIR17402COR174
PIR17501
PIR17502COR175
PIU2601
PIU2602
PIU2603
PIU2604
PIU2605
PIU2606
PIU2607
PIU2608
COU26
PIU2701PIU2702
PIU2703
PIU2704
PIU2705
PIU2706
PIU2707
PIU2708
PIU2709
PIU27010
PIU27011
PIU27012
PIU27013
PIU27014
PIU27015
PIU27016
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PIU27018
PIU27019
PIU27020
PIU27021
PIU27022
PIU27023
PIU27024
PIU27025
PIU27026
PIU27027
PIU27028
PIU27029
PIU27030
PIU27031
PIU27032
PIU27033
COU27
PIU2801
PIU2802
PIU2803
PIU2804
PIU2805
PIU2806
PIU2807
PIU2808
COU28
PIY201PIY202
COY2
PIC35601 PIC35701
PIC35901PIC36002 PIC36102
PIC36602 PIC36702
PIFB9002PIFB9102
PIFB9201
PIR14901 PIR15001 PIR15101
PIR15802 PIR15902
PIR16002
PIR16202 PIR16302 PIR16402 PIR16502 PIR16602 PIR16702 PIR16802 PIR16902
PIR17002
PIR17102 PIR17202 PIR17302 PIR17402 PIR17502
PIU27016
PIJ110MH1
PIJ110MH2
PIJ110MH3
PIJ110MH4
PIJ110MH5
PIBT102
PIC35602 PIC35702PIC35802
PIC35902PIC36001 PIC36101
PIC36202
PIC36301PIC36401 PIC36501
PIC36601 PIC36701
PICN3012
PIJ1105
PIR15701
PIU2604
PIU2605
PIU2606
PIU2607
PIU2704 PIU27017 PIU27020PIU27024PIU27026
PIU27033
PIU2804
PIBT101PIR16101
PIC36201
PIR15601
PIR15702PIU27018
PIC36302PIR16102 PIU2803
PIC36402
PIU2801
PIY202
PIC36502
PIU2802
PIY201
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PID2501PIR15801
PID2502
PIU27021
PID2601PIR15901
PID2602
PIU27022
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PID2802
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PID2902
POLED0TEST02
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PID3102
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PID3402
POLED0TEST07
PID3501PIR17001
PID3502POPROGRAM0RUNNING
PID3601PIR17101
PID3602POB10OK
PID3701PIR17201
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POB20OK
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POB30OK
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PID3902
POB40OK
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PID4002
POB50OK
PIFB9001
PIU2608
PIFB9101
PIU2701
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PIC35801
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PIU27019
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PIU27015
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PIU27014
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PIU2703
PIU2705
PIU2706
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PIU2602
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POB10OKPOB20OKPOB30OKPOB40OKPOB50OK
POCLOCK0CONFIG
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POPH0SCLPOPH0SDA
POPROGRAM0RUNNING
POTEMP0ALERT0
POUSB0CTSPOUSB0DCD
POUSB0RXDPOUSB0TXD
POUSB0D0
POVCC
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TRABAJO FIN DE MASTER Diseño de una etapa de amplificación para un sistema de balizas ultrasónicas
MASTER SISTEMAS ELECTRÓNICOS AVANZADOS, SISTEMAS INTELIGENTES Universidad de Alcalá. Departamento de Electrónica
153
9.2 Planos de LayOut
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TRABAJO FIN DE MASTER Diseño de una etapa de amplificación para un sistema de balizas ultrasónicas
MASTER SISTEMAS ELECTRÓNICOS AVANZADOS, SISTEMAS INTELIGENTES Universidad de Alcalá. Departamento de Electrónica
179
9.3 Lista de Materiales
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Project
Title
Reference
Revision 0
Date 12/01/2014
Designed A.M.P
Checked
Item Referencia Designator Quantity Value Fabricante Suministrador Part-Number Description
1 502 BT1 1 KEYSTONE RS 430-669 Portapilas PCB
2 CONDENSADOR C1, C5, C37 3 100pF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
3 CONDENSADOR C2 1 22uF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
4 CONDENSADOR C3, C15, C27, C30 4 100uF/50v N/A N/A N/A Condensador de Aluminion
5 CONDENSADOR
C4, C12, C16, C18, C19, C26, C28, C31, C32, C150, C152, C154, C156,
C157, C158, C159, C160, C161, C162, C163, C164, C165, C166, C173,
C175, C177, C179, C181, C182, C183, C184, C185, C186, C189, C192,
C195, C198, C201, C202, C204, C206, C208, C210, C212, C214, C216,
C218, C220, C222, C223, C224, C225, C226, C227, C228, C229, C230,
C231, C232, C233, C304, C305, C308, C309, C316, C317, C318, C319,
C320, C321, C326, C327, C328, C329, C330, C331, C332, C333, C334,
C337, C338, C339, C340, C341, C342, C343, C344, C345, C346, C347,
C348, C352, C353, C360, C363, C366
96 0.1uF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
6 CONDENSADOR C6, C7, C13 3 47uF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
7 CONDENSADOR C8, C10 2 1nF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
8 CONDENSADOR C9, C11, C21 3 10pF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
9 CONDENSADORC14, C29, C50, C51, C65, C78, C79, C92, C93, C106, C107, C120, C121,
C134, C135, C148, C149, C296, C297, C300, C30121 4.7uF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
10 CONDENSADOR C17, C25 2 470nF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
11 CONDENSADOR C20, C34, C35 3 100uF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
12 CONDENSADOR C22, C24 2 470pF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
13 CONDENSADOR C23 1 47pF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
14 CONDENSADOR C33 1 330pF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
15 CONDENSADOR C36 1 2.2nF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
16 CONDENSADOR
C38, C39, C40, C41, C42, C43, C52, C53, C54, C55, C56, C57, C66, C67,
C68, C69, C70, C71, C80, C81, C82, C83, C84, C85, C94, C95, C96, C97,
C98, C99, C108, C109, C110, C111, C112, C113, C122, C123, C124, C125,
C126, C127, C136, C137, C138, C139, C140, C141, C234, C235, C236,
C237, C238, C239, C249, C250, C251, C252, C253, C254, C264, C265,
C266, C267, C268, C269, C279, C280, C281, C282, C283, C284, C302,
C303, C306, C307, C310, C311, C312, C313, C324, C325, C336, C351
84 10nF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
17 CONDENSADOR
C44, C45, C46, C47, C48, C49, C58, C59, C60, C61, C62, C63, C64, C72,
C73, C74, C75, C76, C77, C86, C87, C88, C89, C90, C91, C100, C101,
C102, C103, C104, C105, C114, C115, C116, C117, C118, C119, C128,
C129, C130, C131, C132, C133, C142, C143, C144, C145, C146, C147,
C240, C241, C242, C243, C244, C245, C246, C247, C248, C255, C256,
C257, C258, C259, C260, C261, C262, C263, C270, C271, C272, C273,
C274, C275, C276, C277, C278, C285, C286, C287, C288, C289, C290,
C291, C292, C293
85 47nF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
18 CONDENSADOR
C151, C153, C155, C172, C174, C176, C178, C180, C188, C191, C194,
C197, C200, C203, C205, C207, C209, C211, C213, C215, C217, C219,
C221, C322, C323, C335, C349, C350, C354, C355, C361, C367
32 1uF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
19 CONDENSADORC167, C168, C169, C170, C171, C187, C190, C193, C196, C199, C356,
C358, C359, C36214 0.1uF N/A N/A N/A Condensador de Tantalo
20 CONDENSADOR C294, C295, C298, C299 4 0.47uF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
21 CONDENSADOR C314, C315, C364, C365 4 22pF N/A N/A N/A Condensador Ceramico
22 CONDENSADOR C357 1 1uF N/A N/A N/A Condensador de Tantalo
23 SSW-107-01-G-D CN1 1 N/A SAMTEC RS 765-5685 Conector 7Pines, Hembra, Paso 2,54mm, 2 Filas
24 HFJ11-1G01ERL CN2 1 N/A HALO ELECTRONICS RS 736-9873 Conector Ethernet RJ-45
25 SSW-106-01-G-D CN3 1 N/A SAMTEC RS 765-5663 Conector 6Pines, Hembra, Paso 2,54mm, 2 Filas
26 SMBJ28CA D1 1 N/A ST MICROELECTRONICS RS 486-1685 Diodo TVS 28V
27 LG L29K-G2J1-24D2, D3, D4, D6, D7, D10, D12, D13, D14, D19, D20, D21, D22, D23, D24,
D25, D26, D27, D28, D29, D30, D31, D32, D33, D34, D35, D36, D37, D38,
D39, D40
31 N/A OSRAM RS 665-6028 Led
28 BAT17 D5, D8, D9, D11 4 N/A NXP RS 509-982 Diodo Schottky
29 BZT52C3V3-7-F D15, D16, D17, D18 4 N/A DIODES ZETEX RS 751-3730 Diodo Zener
30 RS F1 1 N/A RS RS 563-700 Fusible
31 BLM21PG220SN1D
FB1, FB4, FB5, FB6, FB7, FB8, FB9, FB10, FB11, FB13, FB14, FB15, FB16,
FB17, FB19, FB20, FB21, FB22, FB23, FB25, FB26, FB27, FB28, FB29,
FB30, FB31, FB32, FB33, FB34, FB35, FB36, FB37, FB38, FB39, FB40,
FB41, FB42, FB43, FB44, FB45, FB46, FB47, FB48, FB49, FB50, FB51,
FB52, FB53, FB54, FB55, FB56, FB57, FB58, FB59, FB60, FB61, FB62,
FB63, FB64, FB65, FB66, FB67, FB68, FB69, FB70, FB71, FB72, FB73,
FB74, FB75, FB76, FB77, FB78, FB79, FB80, FB81, FB82, FB83, FB84,
FB85, FB86, FB87, FB88, FB89, FB90, FB91, FB92
89 N/A Murata RS 724-1539 Ferrita
32 BLM21PG220SN1D FB2, FB3, FB12, FB18, FB24 5 N/A Murata RS 724-1539 Ferrita
33 BNX022-01L FR1, FR2 2 N/A MURATA RS 724-1643 Filtro EMI
34 R56-006-00-002632000 J1, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8, J9, J10 10 N/A RS RS 738-5844 Conector Coaxial
35 DX4R005J91 J11 1 N/A JAE RS 435-645 Conector Micro USB
36 822LY-1R5M L1, L3, L5 3 1.5uH TOKO RS 724-7048 Bobina
37 822LY-1R5M L2 1 1uH TOKO RS 724-7048 Bobina
38 822LY-1R5M L4 1 2.2uH TOKO RS 724-7048 Bobina
39 PX0580/PC/12132 P1 1 N/A BULGIN RS 261-5840 Conector IEC Hembra
40 70553-0037 P2 1 N/A MOLEX RS 670-0879 Conector 3Pines, Hembra, Paso 2,54mm, Acodado
41 RESISTENCIA
R1, R2, R19, R43, R107, R108, R110, R111, R117, R118, R119, R120,
R121, R136, R137, R138, R139, R140, R141, R145, R146, R147, R148,
R151, R156, R160
26 4K7 N/A N/A N/A Resistencia
42 RESISTENCIA R3 1 95.3K N/A N/A N/A Resistencia
43 B72540V300K62 R4, R6, R8 3 N/A EPCOS RS 255-7716 Varistor
44 RESISTENCIA
R5, R11, R12, R16, R17, R22, R26, R27, R28, R29, R30, R162, R163,
R164, R165, R166, R167, R168, R169, R170, R171, R172, R173, R174,
R175
25 1K2 N/A N/A N/A Resistencia
45 RESISTENCIA R7 1 33K N/A N/A N/A Resistencia
46 RESISTENCIA R9, R10 2 30K1 N/A N/A N/A Resistencia
47 RESISTENCIA R13, R14 2 13K N/A N/A N/A Resistencia
48 RESISTENCIA R15 1 24K9 N/A N/A N/A Resistencia
49 RESISTENCIA R18, R23 2 8K N/A N/A N/A Resistencia
50 RESISTENCIA R20 1 61.9K N/A N/A N/A Resistencia
51 RESISTENCIA R21, R157 2 10K N/A N/A N/A Resistencia
52 RESISTENCIA R24, R25 2 40K2 N/A N/A N/A Resistencia
53 RESISTENCIA R31 1 5K1 N/A N/A N/A Resistencia
54 RESISTENCIA R32 1 309K N/A N/A N/A Resistencia
55 RESISTENCIAR33, R34, R35, R48, R49, R50, R51, R52, R53, R54, R55, R56, R57, R58,
R59, R60, R61, R62, R63, R64, R65, R66, R67, R6824 1K8 N/A N/A N/A Resistencia
56 RESISTENCIA R36, R37, R42, R47 4 200 N/A N/A N/A Resistencia
57 RESISTENCIAR38, R39, R40, R41, R105, R106, R109, R112, R152, R153, R154, R155,
R16113 100 N/A N/A N/A Resistencia
58 RESISTENCIA R44, R45, R142, R143, R144, R149, R150 7 3K3 N/A N/A N/A Resistencia
59 RESISTENCIA R46 1 1K N/A N/A N/A Resistencia
60 RESISTENCIA
R69, R70, R71, R72, R73, R74, R75, R76, R77, R78, R79, R80, R81, R82,
R83, R84, R85, R86, R87, R88, R89, R90, R91, R92, R93, R94, R95, R96,
R97, R98, R99, R100, R101, R102, R103, R104
36 49K9 N/A N/A N/A Resistencia
61 RESISTENCIA R113, R114, R115, R116 4 20K N/A N/A N/A Resistencia
62 RESISTENCIA R122, R123, R124, R125, R126, R127, R128, R129 8 47 N/A N/A N/A Resistencia
63 RESISTENCIA R130, R131, R132, R133, R134, R135 6 150 N/A N/A N/A Resistencia
64 RESISTENCIA R158, R159 2 470 N/A N/A N/A Resistencia
65 TOP 100-124 U1 1 N/A TRACOPOW ER RS 665-5741 Conversor AC-DC
66 LTC3546IUFD#PBF U2 1 N/A LINEAR TECHNOLOGY RS 761-9456 Regulador de Voltage
67 THN 15-2411 U3 1 N/A TRACO POW ER RS 438-351 Conversor DC-DC
68 LT3501EFE#PBF U4 1 N/A LINEAR TECHNOLOGY RS 423-620 Regulador de Voltage
69 TEN 60-2412 U5 1 N/A TRACOPOW ER RS 168-951 Conversor DC-DC
70 LTC3413EFE#PBF U6 1 N/A LINEAR TECHNOLOGY RS 786-9929 Regulador de Voltage
71 N25Q128A13ESE40F U7, U9 2 N/A MICRON RS 735-0125 Memoria Flash 128Mb
72 XC6SLX45-2CSG324C U8 1 N/A XILINX FARNELL 1762496 FPGA Spartan 6
73 SG-8002JF-MPT U10 1 40MHz EPSON DIGIKEY SG-8002JF-PHM-ND Oscilador
74 XCF04SVOG20C U11 1 N/A XILINX RS 626-0961 Memoria PROM de Configuracion
75 MAX9703ETJ+ U12, U13, U16, U18, U20 5 N/A MAXIM RS 786-1332 Amplificador de Potencia
76 AD5531BRUZ U14, U15, U17, U19, U21 5 N/A ANALOG DEVICES RS 497-0802 Conversor Digital Analogico
77 MT47H64M16HR-3:H U22, U23 2 N/A MICRON RS 708-1116 Memoria DDR2
78 88E1111-B2-RCJ1C000 U24 1 N/A MARVELL AVNET 5A991.B.1 Transmisor/Receptor Ethernet
79 MRF24WB0MA/RM U25 1 N/A MICROCHIP RS 737-9811 Transmisor/Receptor W ifi
80 TCN75AVOA U26 1 N/A MICROCHIP RS 738-6014 Sensor de Temperatura
81 FT232RQ U27 1 N/A FTDI RS 730-0168 Conversor USB a UART
82 MCP79410-I/MS U28 1 N/A MICROCHIP RS 723-4749 Reloj Calendario
83 FOXSDLF/100-20 Y1, Y2 2 10Mhz FOX RS 547-6468 Oscilador de Crystal
BILL OF MATERIALSPOSITION CONTROL UT
LISTA DE MATERIALES