Blog de PCB - Ruido en el placa de circuito impreso

En cuanto al ruido en la placa de circuito impreso, cuando se detecta que se producen interferencias electromagnéticas en el circuito digital, la razón principal es que, con un osciloscopio, se puede observar un voltaje de ruido evidente en la línea de alimentación y en la línea de tierra. Aunque muchas personas pueden llegar a la conclusión de que estos ruidos son la causa de los problemas de interferencias electromagnéticas en los circuitos, no saben cómo resolverlos. Para lograr el objetivo de eliminar el ruido, es necesario comprender primero cómo se generan estos ruidos.

1. Ruido en la línea de alimentación

En una etapa de salida típica de un circuito de puerta, cuando la salida está alta, Q3 se activa y Q4 se desactiva; cuando la salida está baja, Q3 se desactiva y Q4 se activa. Ambos estados crean una alta impedancia entre la fuente de alimentación y tierra, lo que limita el flujo de corriente procedente de la fuente de alimentación. Cuando el estado cambia, Q3 y Q4 se activan temporalmente al mismo tiempo. En ese momento, se forma una baja impedancia de corta duración entre la fuente de alimentación y tierra, lo que da lugar a un pico de corriente de 30-100 mA. Cuando el nivel de salida de la puerta cambia de bajo a alto, la fuente de alimentación no solo mantiene la corriente de salida, sino que también carga la capacitancia parásita para saturar este pico de corriente. Dado que la línea de alimentación tiene diferentes grados de inductancia, cuando la corriente cambia repentinamente, se genera un voltaje inducido. Este es el ruido que se observa en la línea de alimentación. Se produce una breve caída de tensión debido a la impedancia de la línea de alimentación.

2. Ruido en la toma de tierra

Cuando se genera la corriente de pico mencionada anteriormente, también circula corriente por el cable de tierra, especialmente cuando el nivel de salida cambia de alto a bajo, se descarga la capacitancia parásita y la corriente de pico en el cable de tierra es mayor. Dado que el cable de tierra siempre presenta distintos grados de inductancia, también se induce tensión, lo que da lugar a ruido en el cable de tierra. El ruido en las líneas de tierra y de alimentación no solo hará que el circuito funcione mal, sino que también generará una fuerte radiación electromagnética. «Icc» (corriente en la fuente de alimentación): la amplitud varía según los diferentes estados de salida. Cuando está estable, la corriente también lo está. 

Cuando el nivel de salida cambia de bajo a alto, se produce un cortocircuito instantáneo, la corriente aumenta y, al mismo tiempo, se carga la capacitancia parásita, por lo que la corriente es mayor; cuando el nivel de salida cambia de alto a bajo, se produce un cortocircuito instantáneo y la corriente aumenta, pero la capacitancia parásita no se carga, por lo que la corriente es menor que cuando el nivel de salida cambia de bajo a alto. Tensión «Vcc» (tensión de la fuente de alimentación): cuando Icc cambia bruscamente, la inductancia L de la línea de alimentación generará una tensión inducida «Ldi/dt». «Ig» (corriente de tierra): la corriente en la línea de alimentación y la descarga de las capacitancias parásitas del circuito. 

La salida es estable y la corriente es estable. Cuando el nivel de salida cambia de bajo a alto, se produce un cortocircuito instantáneo y la corriente aumenta. Cuando el nivel de salida cambia de alto a bajo, se produce un cortocircuito instantáneo, la corriente aumenta y, al mismo tiempo, se descarga la capacitancia parásita, por lo que el valor pico de la corriente es mayor que cuando el nivel de salida cambia de bajo a alto. «Vg» (tensión del cable de tierra): cuando «Ig» cambia repentinamente, la inductancia L del cable de tierra tendrá una tensión inducida «Ldi/dt».

Forma de onda del voltaje de ruido en la línea de alimentación y la línea de tierra

Aunque el método para resolver el voltaje de ruido de la línea de tierra consiste en configurar la rejilla de la línea de alimentación en la placa de circuito para reducir la inductancia, esto ocupa mucho espacio de cableado. Para reducir la inductancia de la línea de alimentación, se pueden adoptar los siguientes métodos: utilizar un condensador de almacenamiento de energía, cuya función es suministrar al chip la gran corriente necesaria cuando cambia el estado de salida del circuito, reduciendo así el voltaje de ruido inducido y evitando la mutación de corriente. Los condensadores de almacenamiento limitan los cambios de corriente a un rango reducido y reducen la radiación, por lo que conviene añadir algunos condensadores de almacenamiento cuando se utilizan redes de líneas de alimentación o planos de líneas de alimentación (los sistemas de alimentación tienen una inductancia reducida) en la placa de circuito. 

Dado que el condensador de almacenamiento de energía proporciona energía transitoria de alta potencia al chip, debe situarse lo más cerca posible de este durante la fase de cableado; es decir, el área del circuito de alimentación del condensador de almacenamiento de energía debe ser lo más pequeña posible, o bien debe reducirse al mínimo el espacio entre el condensador de almacenamiento de energía y los terminales de alimentación y de tierra del chip. Las pistas deben ser lo más cortas posible. La longitud de la pista entre el chip y el condensador de almacenamiento de energía es la suma de la longitud de los propios pines del chip y la longitud de la pista de la placa de circuito. 

Por lo tanto, para reducir la longitud total de estas dos partes, es necesario seleccionar chips cuyos pines de alimentación y de tierra estén próximos entre sí, y evitar el uso de chips montados en zócalo, chips de montaje superficial, etc. Además, tras la descarga del condensador de almacenamiento de energía de cada chip, la carga debe reponerse a tiempo para prepararse para la siguiente descarga. Para reducir las perturbaciones en el sistema de alimentación eléctrica, la carga puede proporcionarse mediante un condensador denominado «almacenamiento de energía secundario». Cuando hay pocos chips en la placa de circuito, se puede instalar un condensador de almacenamiento de energía secundario en la entrada de la línea de alimentación. La capacidad del condensador de almacenamiento de energía secundario debe ser más de 5 veces la capacidad total del condensador de almacenamiento de energía de los chips. Si hay muchos chips en la placa de circuito, coloque un condensador de almacenamiento de energía secundario cada 5 a 10 chips. Para este condensador deben utilizarse condensadores de tantalio, y la inductancia en serie debe ser lo más pequeña posible. No utilice condensadores electrolíticos de aluminio, ya que provocan inductancia interna en la placa de circuito impreso.