¿Cuál es la diferencia entre un diseño de placa de circuito impreso de señal mixta y una placa analógica pura o un sistema digital puro?
¿Cuál es la diferencia entre un diseño de placa de circuito impreso de señal mixta y una placa analógica pura o un sistema digital puro?
Si estás aquí y estás leyendo esto, es probable que tengas algún concepto o idea de lo que es el diseño de señales mixtas. Como mínimo, me gustaría saber qué es el diseño de señal mixta y por qué es tan difícil diseñar una placa de circuito impreso (PCB) que abarque varios tipos de componentes de circuito.
Comencemos por usar la fuente de información favorita de todos: Google. La búsqueda de “qué es el diseño de señal mixta” le dará diferentes resultados según lo que esté buscando. La mayoría de los resultados pertenecen a implementaciones de nivel de circuito integrado (IC), incluidos SoC (sistema en chip), ASIC (circuitos integrados específicos de la aplicación) o ASSP (componentes estándar específicos de la aplicación). Un ejemplo de un ASIC/ASSP de señal mixta simple es un convertidor de analógico a digital (ADC). Dicho esto, los conceptos generales y las definiciones de los circuitos integrados de señal mixta se pueden aplicar a los PCB de señal mixta.Por ejemplo, la entrada de Wikipedia circuito integrado de señal mixta Se lee así:
Los circuitos integrados de señal mixta son circuitos integrados que tienen circuitos tanto analógicos como digitales en una sola matriz de semiconductor. Los diseños de señal mixta se utilizan en todas partes en aplicaciones del mundo real, incluidos los teléfonos móviles inteligentes.
Por lo tanto, para los propósitos de la discusión aquí, simplemente reemplazando “semiconductor die” con algunas expresiones como “placa de circuito impreso” produce las siguientes definiciones.
Una placa de circuito impreso de señal mixta es una placa de circuito impreso que tiene circuitos analógicos y digitales en una sola placa. Los diseños de señal mixta son omnipresentes en las aplicaciones prácticas. Por ejemplo, los teléfonos inteligentes.
romper las cosas aún más
entiendo. Ahora tenemos una definición de trabajo. Pero ¿qué significa esto? ¿Circuitos analógicos y digitales? ¿No es todo analógico de todos modos? El mundo es analógico. Entonces, una señal digital es solo una señal analógica que se interpreta como un valor de 0 o 1, ¿verdad?
así es. Todo lo anterior es correcto en el nivel conceptual más básico. Sin embargo, desde una perspectiva de diseño, lo que desea hacer con la señal que está generando o midiendo tiene un impacto bastante grande en lo que debe tener en cuenta al crear su diseño.
En concreto, se deben considerar las señales analógicas, las señales digitales de baja velocidad, las señales digitales de alta velocidad, la potencia, etc. Echemos un vistazo más de cerca a estos conceptos de la siguiente manera…
Señal analoga
¿Qué quieren decir los diseñadores de señales mixtas y qué piensan cuando dicen que necesitan realizar “acondicionamiento de señales analógicas” o generar “voltajes o corrientes analógicas” en su diseño?
La respuesta es, y este va a ser un tema dolorosamente preocupante, lo prometo, ¡depende!) es una señal continua.
Ejemplos comunes a considerar son:
- Medición de voltaje analógico o salida de corriente de transductores que miden propiedades físicas como fuerza, temperatura y presión.
- Tal vez se use un componente de amplificador operacional (op amp) para convertir voltajes pequeños en voltajes grandes (o viceversa) para que puedan ser muestreados y procesados en el dominio digital.
- Convierte flujos de comunicación digital en señales analógicas que se pueden usar para controlar cosas como motores.
En términos generales (porque depende después de todo), se espera que las señales analógicas sean libres de ruido, puras, estables y, en la mayoría de los casos, “silenciosas”.
Por ejemplo, si controla un motor con una señal de control entre 0 y 10 V y desea que el motor funcione al 50 % de la velocidad, debe mantener constante el voltaje de control en 5,00 V. No necesita 5,10 V o 4,90 V. Además, los cambios bruscos en el valor del voltaje de control son ciertamente indeseables.
Como otro ejemplo, si está midiendo la salida de un termopar, el circuito de acondicionamiento tiene poco margen de error si desea una medición confiable. Como se muestra en la siguiente tabla, una diferencia de tan solo 4 mV puede cambiar la lectura en 100°C.
señal digital lenta
¿Qué quieren decir y qué piensan los diseñadores de señales mixtas cuando afirman que sus diseños incluyen señales digitales de baja velocidad?
De nuevo, ¡depende! En su nivel más básico, una señal digital se refiere a una señal eléctrica que se convierte en un patrón de bits: los 0 y los 1, nuestros viejos amigos de los números binarios. A diferencia de las señales analógicas, las señales digitales tienen valores discretos en los puntos muestreados.
¡El concepto de “lento” también es relativo (es decir, dependiente)! A los efectos de estas discusiones, trazaremos la línea a 10 MHz. ¿Por qué 10 MHz? Bueno, es una aproximación y la línea tenía que dibujarse en alguna parte.
Ejemplos comunes a considerar son:
- Los pines de entrada/salida de propósito general (GPIO) se utilizan para controlar ciertos actuadores o establecer modos específicos para el dispositivo. Puede encender o apagar este dispositivo cada minuto, hora o día.
- Comunicación I2C entre circuitos integrados. Por ejemplo, utiliza Arduino, BeagleBone o Raspberry Pi para comunicarse con un sensor de temperatura controlado digitalmente o un chip de memoria externo, e I2C funciona a una frecuencia modesta de 100-400 kHz.
- Comunicación RS232 desde la placa de circuito a otra placa/sistema. Esto incluye una espera leal de ingenieros en todas partes. Buen viejo UART.
Con respecto al último elemento anterior, para nuestros amigos que pueden ser demasiado jóvenes para saber qué es un UART: Entrada UART de Wikipedia son como sigue:
Un receptor/transmisor asíncrono universal (UART para abreviar) es un dispositivo de hardware de computadora que convierte datos entre formatos paralelos y seriales. Los UART se usan comúnmente junto con estándares de comunicación como TIA (anteriormente EIA) RS-232, RS-422 o RS-485. La designación universal indica que el formato de datos y la velocidad de transmisión son configurables. Los niveles y métodos de las señales eléctricas (como las señales diferenciales) son manejados por un circuito controlador externo al UART.
¿Recuerdas el ejemplo de la señal analógica? A veces importan 100 mV, otras veces 10 mV. De hecho, hay casos extremos en los que importan los microvoltios y los picoamperios.
¿señal digital? Son mucho más indulgentes en este sentido. Echemos un vistazo a algunos niveles de voltaje comunes como se muestra a continuación.
Mira esos rangos. Para la lógica LVC, puede “solucionarlo” suministrando un voltaje entre 2,0 y 3,6 V.
En este punto, es posible que se pregunte por qué es importante la velocidad. esa es una gran pregunta Cuanto mayor sea la frecuencia de su señal, más considerará los efectos de la línea de transmisión, las corrientes de retorno, las áreas de bucle, EMI/EMC (electromagnetismo; sí, también odiamos esa clase, pero no se preocupe), etc.
Siguen siendo importantes a 10 MHz, pero infinitamente más importantes a 1 GHz. El procesador de BeagleBone funciona cerca de 1 GHz, por lo que no es sorprendente que considere diseñar para frecuencias más altas.
señal digital de alta velocidad
¿Qué quieren decir y qué piensan los diseñadores de señales mixtas cuando dicen que tienen señales digitales de alta velocidad en su diseño?
Como siempre, ¡depende! Podríamos estar hablando de interfaces de comunicación serie de alta velocidad como RGMII (comúnmente utilizado para la comunicación entre dispositivos PHY de transceptor Ethernet), USB 3.0 o interfaces de memoria DDR. También puede tener un chip de internet inalámbrico (Bluetooth) para proyectos IoT. De hecho, puede haber múltiples instancias de todo lo anterior.
El tema del diseño digital de alta velocidad podría convertirse en una serie por sí mismo. De hecho, la gente ha escrito cientos de artículos y libros sobre los matices del diseño digital de alta velocidad.
Lo importante a tener en cuenta es que estos tipos de interfaces son difíciles de enrutar en una PCB y muy sensibles incluso a errores pequeños. Comprometer la impedancia de seguimiento, la estructura de enrutamiento o la terminación de la señal puede dar como resultado una interfaz completamente no funcional para un circuito integrado de red o memoria.
(A veces, incluso peor que una interfaz no funcional es una interfaz con poca funcionalidad. Aquí es donde la simulación y la verificación del diseño se vuelven importantes, pero aparte).
Lo mismo es cierto para el diseño de RF. El diseño de RF tiene todas las trampas del diseño digital de alta velocidad, y algunas.
diseño de fuente de alimentación
¿Qué quieren decir y qué piensan los diseñadores de señales mixtas cuando dicen que necesitan hacer un diseño de potencia? Ahora no me sorprendería descubrir que depende, estoy seguro.
Formule una hipótesis y parta de allí. Suponga que se le pide que diseñe un sistema que opere a un voltaje de “bus” particular. Esto podría ser de 24 V CC para equipos de sobremesa, podría incluir paquetes de baterías para teléfonos móviles y otros dispositivos IoT portátiles, y podría ser de 24 V CA para aplicaciones industriales.
Entonces, si piensa en la situación anterior como diseñador, piense en todos los diferentes niveles de voltaje que necesita proporcionar. Por ejemplo:
- Núcleo del microcontrolador y voltajes de E/S: 5,0 V, 3,3 V, 2,5 V, 1,8 V
- Tensiones auxiliares para válvulas, ventiladores, relés, etc.: 48 V, 24 V, 12 V
Hay muchos voltajes que deben crearse y también puede haber muchas corrientes detrás de ellos, lo que puede afectar los circuitos analógicos sensibles).
Además, si necesita diseñar un circuito que “encienda” y apague la energía que genera para activar y desactivar válvulas y relés cuando sensores analógicos sensibles le indiquen que haga algo. También hay
Resumen (por ahora)
Ahora ya sabe lo que significa el diseño de PCB de señal mixta. Y estoy seguro de que puede comenzar a pensar en algunos de los desafíos que conlleva.
Todo esto puede parecer un poco desalentador, pero no se preocupe. Todo este trabajo de diseño se puede hacer con éxito. Nosotros (el autor y sus colegas) diseñamos tableros con todos los atributos anteriores (y posiblemente más) y los enviamos a producción en todo el mundo.
¡Si nosotros podemos aprenderlo, tú también puedes! No tengas miedo de hacer preguntas o cometer errores. He aprendido mucho de mis errores, pero no de mis aciertos fáciles.
En la siguiente columna, veremos más de cerca por qué el diseño de PCB de señal mixta es (más difícil) que otros diseños de PCB (que en sí mismos no son fáciles).
Espero que hayas disfrutado esta columna. Espero verte de nuevo la próxima vez. También agradecemos sus preguntas y comentarios.