¿Qué Causa el Zumbido en una PCB y Cómo Solucionarlo?

Los circuitos digitales son particularmente sensibles a los efectos de llamada.

Crédito editorial: Dikiiy / Shutterstock.com

En mi primer laboratorio de ingeniería eléctrica, construimos un circuito para eliminar la salida de un interruptor. Recuerdo haber visto la señal de salto original y luego la salida sin rebote en la pantalla de un osciloscopio. Sentí una profunda sensación de inquietud de que algo tan inocuo en nuestras vidas podría ser tan... complicado. Fue algo bueno que yo, como estudiante de primer año, no supiera que eso era solo el comienzo de mi angustia por el ruido de frecuencia de la señal y los artefactos. El timbre es uno de esos efectos que puede ser particularmente frustrante para el rendimiento del producto.

¿Qué es el efecto de zumbido?

Cuando hablamos de PCB u otros sistemas electrónicos, el zumbido es una salida de voltaje o corriente que oscila como una onda en un estanque cuando se ve en un osciloscopio. La oscilación es una respuesta a un cambio repentino en la señal de entrada, como encenderla o cambiarla.

La oscilación a menudo elimina la frecuencia de la señal de salida fuera de tolerancia tanto en el extremo superior como en el inferior, y gradualmente se suaviza. El tiempo que tardan las oscilaciones en caer dentro de un rango de error tolerable se denomina tiempo de establecimiento.

Debido a la forma característica de la señal de salida, el zumbido a veces se denomina "ondulación". Sin embargo, la ondulación generalmente se refiere más específicamente a la salida cuando se usan fuentes de alimentación conmutadas de CA, si la fuente no suprime de manera adecuada o correcta la forma de onda de CA. 

¿Qué causa el zumbido?

La fuente del zumbido, además de las fuentes de alimentación, depende de si tus trazos son "largos" o cortos. Una regla general es que los trazos se consideran "largos" si el tiempo de propagación de ida y vuelta (hacia la carga y viceversa) es comparable al tiempo de subida de la señal en los circuitos digitales. Si está trabajando con striplines o microstrips, es un poco más complicado y recomiendo la página de Glen Dash como punto de partida para la longitud de la línea y para minimizar los efectos de la línea de transmisión como el zumbido.

De vuelta a las trazas largas y cortas... Si tiene una traza corta, el zumbido es causado por la inductancia parasitaria y la capacitancia. Un pulso o un cambio repentino en la entrada hace que los componentes parásitos resuenen en su dominio de frecuencia característico, creando el efecto de timbre en tu salida. En trazas largas, la causa del zumbido es más probable que sea la reflexión de la frecuencia de la señal de un desajuste de impedancia.

 
Testing PCB signal outputs.

El ruido de la señal me causó una cantidad desproporcionada de angustia como estudiante universitario, pero puede tener consecuencias catastróficas una vez que estás en la industria.

¿Cómo afecta el zumbido a mi sistema?

Si no sufres una crisis existencial por un osciloscopio ruidoso, es genial. Tendrás facturas de terapia mucho más bajas. Aun así, el zumbido puede tener algunos impactos negativos en tu vida y en el diseño del producto.

Aumento de EMI: el timbre puede, y a menudo lo hace, producir zumbidos e interferencias. Ese EMI puede irradiar o conducir a través de su placa, con todos los problemas de rendimiento asociados.

Aumento del flujo de corriente: el sonido hace que aumente la corriente a través de tu circuito. Eso no solo causa un aumento correspondiente en la potencia consumida por tu producto (y una vida útil más corta de la batería), sino que los componentes de tu placa experimentarán un calentamiento adicional e inesperado. Eso puede disminuir su funcionalidad y vida útil.

Disminución del rendimiento: junto con las caídas de rendimiento acumuladas por el aumento de la corriente y el calentamiento, el timbre disminuye el rendimiento en una gama de métricas. Debido a que tiene un retraso en la salida debido al tiempo de estabilización, la capacidad de respuesta de tu circuito disminuirá. La resolución de tus resultados también será mucho más pobre.

Si tienes circuitos digitales, el zumbido es especialmente perjudicial. Aún tienes todos los problemas que hemos cubierto y el umbral es mucho más bajo. Combina esto con cualquier zumbido del riel de suministro, y es probable que tenga errores y datos corruptos.

Comentarios audibles: se produce un caso especial de zumbido en aplicaciones de audio y video. La ondulación se produce en el rango audible y se escuchará en su salida. También crea artefactos visibles en pantallas de video.

 
Sound card and jacks.

En aplicaciones de audio y video, el zumbido puede afectar perceptiblemente tus salidas.

 ¿Cómo prevenir el zumbido?

El zumbido puede variar de molesto a catastrófico en el rendimiento de tu sistema. La optimización de tu diseño hace una gran diferencia en el rendimiento y la producción. Primero, deseas reducir la inductancia parasitaria y la capacitancia. Debes minimizar la longitud de los nodos, especialmente alrededor de los componentes de la etapa de potencia en tu placa. También deseas utilizar la coincidencia de impedancia para minimizar cualquier reflejo de señal. La coincidencia de impedancia varía con tu aplicación y te recomiendo comenzar con los artículos técnicos de Texas Instruments para obtener consejos muy específicos sobre una variedad de aplicaciones.

Si bien es imposible para cualquier programa existente verificar cada fuente de posible interferencia, tener una buena puede descargarte de gran parte del trabajo. Eso te deja libre para enfrentarte a los desafíos más importantes, en lugar de desesperarte con los mismos problemas de diseño mientras optimizas todos los parámetros de tu placa. Altium fabrica algunos de los mejores software de PCB, como Altium Designer®, y tiene herramientas para eliminar gran parte de esa carga de comprobación de errores. Esto te da tiempo para contemplar las implicaciones filosóficas de los circuitos ruidosos. O simplemente puedes seguir con tu vida.

¿Tienes alguna pregunta sobre el zumbido? Ponte en contacto con un experto en Altium.

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Acerca del autor

Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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