Los ingenieros a menudo esperan que la radiosensibilidad (RS) o la radioinmunidad se puedan curar con antibióticos, vacunas o alguna forma de panacea. Desafortunadamente, resolver el problema de RS no es tan fácil. De hecho, se aplican las leyes de la física. Este artículo describe la fuente de RS. También proporciona consejos para proteger su sistema, la fuente de alimentación, la placa de circuito impreso (PCB) y los componentes electrónicos de la interferencia de radiofrecuencia.
prólogo
La exposición a niveles muy altos de radiación de radiofrecuencia representa una amenaza para la salud humana, ya que se sabe que la energía de radiofrecuencia calienta rápidamente el tejido vivo. Este es el principio de calentar alimentos en un horno de microondas. Si fuera el cuerpo humano el que estuviera expuesto, no sería capaz de disipar el calor excesivo que podría generarse en el proceso.
Los ingenieros a menudo esperan que la radiosensibilidad (RS) o la radioinmunidad se puedan curar con antibióticos, vacunas o alguna forma de panacea. Desafortunadamente, resolver el problema de RS no es tan fácil. De hecho, se aplican las leyes de la física. Este artículo describe la fuente de RS. También proporciona consejos para proteger su sistema, la fuente de alimentación, la placa de circuito impreso (PCB) y los componentes electrónicos de la interferencia de radiofrecuencia.
El moho azul verdoso del pan se ha utilizado durante cientos de años para tratar infecciones. Luego, en 1932, Alexander Fleming reconoció la eficacia de los antibióticos y nombró a la droga penicilina. Aunque no fue el primero en descubrir el valor terapéutico, inició la cadena de eventos que condujo a la comercialización y producción masiva de penicilina en la década de 1940. Literalmente, millones de vidas han sido salvadas por el “moho de pan refinado”.
¿Con qué frecuencia querría uno tomar un medicamento y aplicarlo como cura para otro problema?, tal vez más de lo que creemos. La penicilina es una panacea para los humanos, pero no funciona para la radiosensibilidad (RS). Para este problema, debemos observar las leyes de la física que nos dicen cómo controlar nuestra susceptibilidad a las interferencias de radio.
Comprender la naturaleza del problema RS
Según Sayre, la susceptibilidad es “el grado en que un dispositivo electrónico se ve afectado negativamente por los campos electromagnéticos de otros dispositivos”. En general, los campos electromagnéticos son señales de radio. La interferencia electromagnética (EMI) y la interferencia de radiofrecuencia (RFI) están relacionadas y, a menudo, se usan indistintamente.
“Los circuitos integrados digitales son inmunes a la RFI, entonces, ¿por qué no lo son los circuitos integrados analógicos?”, pregunta un nuevo ingeniero digital. Los circuitos integrados digitales se ven afectados por RFI, pero es menos obvio. De hecho, lo digital es analógico con un umbral. Si el nivel de la señal digital está por encima o por debajo de los dos umbrales, los niveles bajos de RFI son en su mayoría insignificantes. Sin embargo, este no es siempre el caso, ya que la fluctuación de fase en los bordes es causada por la interferencia en las transiciones. La mayoría de los dispositivos digitales tienen protección a nivel de sistema. Por lo tanto, duplicar o triplicar el costo de las puertas lógicas digitales y agregar protección RFI no es económico, especialmente si la mayoría de los clientes no la necesitan.
RS es principalmente una especificación de sistema para circuitos integrados (IC) de radio, con algunas excepciones. La mayoría de estos circuitos en la mayoría de los sistemas están aislados del mundo exterior por redes de desacoplamiento de energía de caja (blindaje), filtros de línea de energía y circuitos de aislamiento. Hay dos excepciones a esta norma. Estos son los dispositivos de radio que están conectados directamente a la antena y otros dispositivos que están conectados a los puertos de entrada/salida del sistema. Ed Hare analiza el problema de la interferencia en dispositivos de consumo, televisión por cable, televisores, videograbadoras, teléfonos y otros sistemas de audio de posibles radioaficionados entusiastas (HAM). El capítulo 17 de su libro simplifica las normas y los estándares de RFI de EE. UU., y el Apéndice C reproduce la interferencia con el manual de equipos de entretenimiento doméstico de la FCC.
Protección de las conexiones analógicas con el mundo exterior
ESD requiere dos niveles diferentes de protección. ESD a nivel de sistema está en los puertos de entrada/salida (IO), es más robusto y requiere dispositivos discretos que no caben dentro del IC.
La conectividad del sistema con el mundo exterior es donde RS es la parte más importante. Los ejemplos típicos son donde la alimentación de CA ingresa a una caja del sistema, o donde una señal ingresa a un dispositivo como una antena de TV, una antena parabólica o un cable Ethernet. Otra área de preocupación son los puntos de salida de cables para conexiones de audio, video y red.
Conexión de alimentación (emisión conducida)
En el punto de entrada de la línea de alimentación de CA hay un bloque de filtro de paso bajo. Esto protege su sistema de RFI proveniente de fuentes externas. Los filtros también funcionan juntos para evitar que las señales del sistema y las fuentes de alimentación conmutadas se propaguen a las líneas de alimentación de CA. Este filtro es pasivo y consta de un estrangulador de modo común (inductor) y un condensador. En la Figura 1 se muestra un esquema de un filtro de potencia Corcom® típico.
Protección RFI de entrada y salida (emisiones conducidas)
Corcom también fabrica otros módulos de filtro para voltaje de CC, conector RJ-11 (teléfono) y conector RJ-45 (Ethernet). Estos módulos evitan que la RFI ingrese al gabinete del sistema y atenúan las señales espurias generadas por el sistema para que no salgan del gabinete. Los puntos de entrada y salida suelen estar protegidos por filtros de paso bajo hechos de componentes pasivos. Las señales de radiofrecuencia de radio y televisión, que están protegidas por filtros de paso de banda, son una excepción. En la práctica, se bloquean tanto las señales por debajo como por encima de la frecuencia de radio deseada.
RS en semiconductores y circuitos integrados
El semiconductor más simple es un diodo, un pequeño interruptor unidireccional. La figura 2 muestra una radio de cristal de un diseño muy común de la década de 1930. No se proporciona sintonización para seleccionar entre estaciones. En ese momento, no había muchas estaciones alrededor, y la estación más cercana y más ruidosa abrumó a las demás. Los diodos rectifican la RF y la convierten en energía de audio que los auriculares de alta impedancia producen sonido.
¿Se vio afectado el diodo por la señal de radio? Sí, de hecho, ese es el punto de inclusión aquí. La figura 3 es el circuito más común que se encuentra dentro de los circuitos integrados modernos. Este circuito gestiona ESD usando diodos en la estructura ESD. Al igual que con las radios de cristal, los diodos ESD también pueden demodular señales de radio. Por lo tanto, se deben tomar medidas para proteger los diodos ESD de las señales de radio.
¿Qué sucede cuando se aplica una señal de RF al pin de señal o al pin de alimentación VCC?La función del circuito se remonta a la radio de cristal. Una pregunta obvia es, ¿los diodos IC ESD comunes son susceptibles a las señales de radio? absolutamente. Como se muestra en la Figura 3, la línea VCC tiene un capacitor conectado a tierra. Esto proporciona un camino a través del cual la señal de radio se desvía a tierra a través del capacitor. Por ejemplo, las estaciones de radiodifusión AM en los Estados Unidos están en la banda de alrededor de 1MHz. Si el condensador de la Figura 3 (B) es de 0,1 µF, la señal de radio AM se reducirá porque el condensador tiene una baja impedancia en esa frecuencia.
De hecho, las no linealidades en el circuito rectifican las señales espurias. Un amplificador altamente lineal tiene menos efecto rectificador que un amplificador menos lineal. Incluso los buenos amplificadores pueden sufrir graves distorsiones y falta de linealidad cuando se sobrecargan.
¿Qué pasa con los reguladores de voltaje de tres terminales, como los LDO (caída baja) y las referencias de voltaje? Estos consisten en una referencia interna (generalmente un diodo de banda prohibida o Zener), un amplificador y un transistor de paso. El amplificador usa retroalimentación para comparar el voltaje de referencia con el voltaje de salida y proporciona una señal de error que corrige la salida. La salida deseada es un voltaje de CC estable. Un regulador debe tener alguna velocidad de corrección o ancho de banda porque debe funcionar cuando cambia el voltaje de la línea de entrada o cuando cambia la carga de salida. Sin embargo, la velocidad de corrección debe limitarse para garantizar un control y una estabilidad suaves. Por lo tanto, los anchos de banda típicos son de hasta 200 kHz a 1 MHz. Ahora, ¿qué sucede cuando se aplica una señal de radio de alta frecuencia alrededor de 800 MHz a cualquier terminal (entrada, salida o tierra)?Las señales de radio no son atenuadas ni modificadas por el circuito de retroalimentación. Por lo tanto, la señal de radio se propaga a través del regulador. Afortunadamente, los reguladores requieren el desacoplamiento de la fuente de alimentación para filtrar tales señales de radio. Los condensadores solo funcionan por debajo de su punto de autorresonancia. Por lo tanto, puede encontrar cuatro capacitores de desacoplamiento en dispositivos que necesitan filtrar RFI.
resumen
La mayoría de los circuitos integrados comunes no han sido probados para determinar la susceptibilidad a la radio. Esto se debe a que en el 99,9 % de las aplicaciones, el sistema ya está protegido contra RFI y EMI, tanto de intrusión como de radiación del sistema. Los circuitos integrados inalámbricos son una excepción. Dado que estos circuitos requieren RF para funcionar, se requiere una combinación de filtrado de paso de banda interno y externo para permitir que solo las frecuencias deseadas entren o salgan del sistema.