El PCB en circuitos digitales.

[ENRIQUESTEFANINI]

Hola: este es un, asi llamado por algunos fabricantes, plaqueta experimental. Nada mas que un PCB universal, con paso 2.54mm para hobbistas (NO un protoboard, este tiene las pistas de cobre visibles). La que estoy usando, sobre la cual estan montados 5 SCI, 8 MSI y 3 LSI (SCI= integracion en pequena escala, ejemplo, 74LS00, MSI= integracion en mediana escala, ejemplo, 74LS373, LSI= integracion en gran escala, ejemplo, cualquier integrado de 40 patas). Asignando 1 a SCI, 100 a MSI y 10000 a LSI, (5*1+8*100+3*10000)/(5+8+3)= 1925, logaritmicamente equidistante de 100 y 10000 (1000 lo seria pero mas o menos). Luego, todo sucece como si tuviera 16 circuitos integrados a mitad de camino entre MSI y LSI.

La masa en este PCB forma este dibujo (simplificado):

///////////////////////////////////////////////////////////////////
//          //          //          //           //              //
//          //          //          //           //              //
//          //          //          //           //              // 
.           .           .            .            .               .
.           .           .            .            .               .
.           .           .            .            .               .
//          //          //          //           //              //

El bus de +5 es como el de masa pueso patas arriba y "encastrado" en él. La pregunta: puedo agregar al dibujo de arriba una segunda barra horizontal que cierra el dibujo por abajo, dejandolo en la forma de cinco rectangulos que se unen para formar la plaqueta. Desde el punto de vista del ruido, hay una gran diferencia entre dejarlo abierto y cerrarlo?

 

[Chico3001]

Si la hay, si la cierras crearas un efecto conocido como loops de tierra (ground loops) que pueden ser perjudiciales...

https://www.forosdeelectronica.com/f24/son-loops-tierra-16130/
http://www.ea1uro.com/pdf/Sistemas de tierra.pdf (el efecto es el mismo en PCBs)
http://www.epanorama.net/documents/groundloop/

 

[ENRIQUESTEFANINI]

Notataste que estamos hablando de circuitos digitales aqui?

 

[Chico3001]

Sip... el efecto aplica a todos los circuitos electricos y es especialmente peligroso conforme se incrementa la frecuencia de operacion, en Digitales como son ondas cuadradas se tienen muchos armonicos de alta frecuencia

 

[ENRIQUESTEFANINI]

Deberia darme por satisfecho con la respuesta, ya que soy el que pregunto. Pero... como explicas esto?:

Texas Instruments ' guidelines for system design with series 54/74 TTL:
Line driving and receiving.
.............................
Transmission-line ground:
Ensure that transmission-line ground returns are carried though at both transmitting and receiving ends.

 

[Fogonazo]

Deberia darme por satisfecho con la respuesta, ya que soy el que pregunto. Pero... como explicas esto?:

Publica el documento completo para analizar todos el contexto.

 

[ENRIQUESTEFANINI]

De acuerdo:

Texas Instruments es el originador de la serie 54/74. Esta es la guia de Texas Instruments para usar la línea logica de su serie TTL 54/74 (H.Bonner,To Optimize TTL Performance, Electronic Products, Deciembre 1968, p.52).

Son de relevancia para nuestro topico los paragrafos Grounding ("Haga el bus de masa tan ancho como sea posible. Siempre retorne AMBOS EXTREMOS de un largo bus de masa a un punto comun (masa de sistema)" [La mayuscula es mia.]) y Transmission-line ground.

 

[Chico3001]

Es algo complejo de explicar por aqui, pero hare el intento...

Creo que estas confundiendo lo que es un bus. Un bus es un conjunto de 2 o mas lineas electricas que transmiten informacion, el minimo es 2 por que por una se envia la informacion y por la otra se envia la tierra para el retorno electico , todos los buses se deben terminar adecuadamente ya que de lo contrario la señal electrica "rebota" cuando llega al final y regresa por el mismo bus, creando ondas estacionarias que interfieren con la transmision

En tu caso solo tienes una linea de tierra que da vueltas y se enrolla alrededor de la placa, esto es malo por que la señal viaja en ciertas direcciones, y al poner a darla vueltas creas retroalimentaciones que forman ondas estacionarias que dañan los circuitos. (la idea es sacar al ruido, no regresarlo al integrado que lo origino).

Por eso cuando se diseña un PCB se divide en subetapas, cada una con sus propias alimentaciones y señales especificas, y todas estas subetapas se unen en un unico lugar llamado toma de tierra, que va hacia la fuente o el chasis. De esta forma la que absorbe el ruido es la fuente (o el chasis) y no el integrado que lo genero.

http://www.lh-electric.net/tutorials/gnd_loop.html

Lo ideal es tener uno o varios planos eléctricos que esten separados entre si segun su funcion: Digital, Analogico, Fuentes, etc... y unir todos esos en la toma de tierra (puedes visualizarlos como capacitores gigantes que absorben los cambios bruscos de voltaje)

Aqui te dejo una presentacion que di sobre ruido electrico en PCBs y como evitarlo,
http://www.slideshare.net/Chico3001/noise-reduction-techniques

Tambien date una vuelta por las paginas de los fabricantes, Texas luego da muy buenos webcasts que hablan de diseño PCB y tecnicas de minimizacion de ruido

http://www.ti.com/ww/mx/webcasts.html?DCMP=TI_Mexico&HQS=Other+OT+mx_webcasts

 

[ENRIQUESTEFANINI]

Que entiende Texas por "ground bus" (significa bus de masa)? Usa el termino mas de una vez en el texto que envie en el post anterior. Lo leiste? Hablamos de bus de datos, bus de direcciones, bus de control. Pero "ground bus" y "+5v bus" son terminologia corriente.

Te envio parte del indice del libro "Transistor-Transistor Logic and its Interconnections":

Y estas dos ilustraciones:

Mas elocuente no puedo ser. Si no, mira la motherboard de tu PC. Veras que es en readlidad una grilla. Vale decir, muchos lazos de masa. En audio son malos. En diseno digital, se crean a proposito.

En tus links no producis una sola evidencia contra mis asertos. Tenes que tener en cuenta algo. TODO es una linea de transmision en electronica digital. Hasta los 220 que entrega la compania de electricidad. Y otra cosa: los malos ingenieros que ignoran las mas elementales practicas de diseno tambien abundan.

 

[Chico3001]

No te enojes, pero el libro que me muestras fue escrito en 1972, y muchas cosas se han ido puliendo y desechando desde entonces.

Si es cierto que la forma mas eficiente y facil de alambrar los CIs en un PCB digital es usando el sistema XY, donde se trata que en un lado de la placa queden todas las lineas verticales y en el otro todas las horizontales, pero la misma facilidad de conexionado de este sistema nos empuja a crear lazos de tierra, cosa que debemos evitar.

http://www.edn.com/electronics-blogs/signal-integrity/4403657/Ground-loops

Hay casos donde no tienes opcion y necesitas cerrar el lazo para poder alambrar un CI (y si me ha pasado), pero eso no quiere decir que tengamos que cerrarlos desde el inicio, lo ideal es comenzar dividiendo el PCB en segmentos y aun mejor es comenzar a diseñar tomando en cuenta donde pasaran los planos tierra.

Visto de otra forma, si mi objetivo es minimizar el ruido, entonces comienzo aplicando todas las tecnicas que conozco desde un inicio, (CIs con mejor calidad, planeacion adecuada de las posiciones de los chips en la placa, fuentes separadas en la medida de lo posible, etc), y en base a conforme progrese el diseño ir haciendo concesiones (cerrar buses de alimentacion donde no hay opcion, conseguir CIs mas economicos, buscar formas de usar una fuente en vez de varias, etc)

Pero nunca voy a comenzar alrevez, ya que me haria perder tiempo y recursos

Como explicarlo?

Seria como tratar de construir un edificio desde ir creando los ladrillos y fundiendo las varillas, ya sabes que alguien se dedica a hacer varillas, otra persona fabrica ladrillos, otra las tuberias, etc, tu solo vas y compras lo necesario para armarl el edificio acorde a tu diseño

Con el conocimiento es lo mismo. Si ya sabes que el ruido es malo, y hay que tratar de evitarlo, y conoces de tecnicas que ayudan, pues las aplicas, y te evitas de dolores de cabeza futuros

Enfatizo en Tratar ya que el ruido no se puede desaparecer por completo (solo podemos minimizarlo a niveles manejables), y enfatizo en usar el sistema XY por que tampoco podemos reinventar la rueda, es como el arte, tu puedes tener varias pinturas realizadas al mismo tiempo con el mismo objeto, pero solo una destacara por que la combinacion de colores y sombras es la mas adecuada, al diseñar un PCB nos pasa lo mismo... debemos tratar de equilibrar reduccion de ruido con tecnicas de alambrado rapido, para lograr algo pequeño y eficiente a la vez...

http://www.ti.com/lit/an/szza009/szza009.pdf
http://www.altera.com/literature/wp...f?GSA_pos=1&WT.oss_r=1&WT.oss=noise reduction
http://www.altera.com/literature/an/an224.pdf?GSA_pos=18&WT.oss_r=1&WT.oss=noise reduction
http://www.atmel.com/images/doc1619.pdf
http://www.atmel.com/images/doc4279.pdf

 

[ENRIQUESTEFANINI]

Me gustaria, Chico, que algo de lo que digo o del material que envie hiciera mella en vos de alguna manera. Hay una sola teoria que rige el comportamiento de los circuitos electricos, tanto de audio y, mas generalmente analogicos, como digitales: la teoria del campo electromagnetico de James Clark Maxwell, enunciada y desarrollada en el siglo XIX. Pero las condiciones en audio no son las mismas que en lo digital y tampoco se buscan las mismas metas. De es misma teoria entonces, se desprenden practicas propias de cada campo, que difieren cuando se pasa del audio al diseno digital. Ejemplo, una probada practica, en audio, recomienda, cuando se manda senal de un lado a otro de un circuito, o entre circuitos direfentes, retornar la masa en solo uno de los extremos. Y que dice Texas Instruments (primer link que envie)?: exactamente lo contrario. Ambos extremos deben ser retornados a masa. Pero Texas habla de circuitos digitales.

El link que enviaste, PCB Design Guidelines for Reduced EMI, no trata de como lograr que el ruido afecte lo menos posible a los chips que integran el diseno, sino de afectar lo menos posible el televisor que tenes al lado de la PC. Sin embargo, contiene algo que a lo mejor te abre los ojos. Cito:

It would be difficult to route a ground return underneath each trace connected to a signal pin on the microcomputer. But, this is exactly what the ground plane of a four-layer board does. No matter where the traces run, there is always a ground return path running underneath it.

La motherboard de tu PC (o cualquiera sea la computadora de escritorio que usas) tiene un plano de masa. Ese es el lazo de masa por excelencia, como comprenderas si te tomas el trabajo de leer lo que vos mismo enviaste. Que dice Texas Instruments?: "Un plano de masa es siempre deseable" (A gound plane is always desirable).

P.D.: Como no todo el mundo lee ingles, traduzco seguidamente la cita de arriba: "Seria dificil conducir un retorno de masa por debajo de cada pista conectada a un pin de senal en la microcomputadora [lease PC]. Pero, esto es exactamente lo que un plano de masa en una placa de cuatro capas hace. No importa por donde corran las pistas, habra siempre un camino de retorno de masa por debajo de ellas".

 

[Chico3001]

Entonces no entiendo la discusion, a mi modo de ver me estas dando la razon con el plano de tierra (o al menos eso fue lo que entendi)

En cuanto a la pregunta original sobre cerrar los buses de alimentacion con la barra inferior, para dejar los 5 rectangulos, insisto en que es una mala idea por que crea loops de tierra muy significativos, a mi modo de ver, la mejor manera es justo como lo dibujaste, sin cerrarlo en la parte inferior, ya que es lo mas parecido a una conexion en estrella que se puede lograr....

 

[chclau]

Lo ideal es un plano solido de masa. Pero si no hay posibilidad de un plano de masa, hacer conexiones de masa con lazos incluidos... en eso coincido con Chico, es una muy mala idea. Preferible evitarlos.

 

[cosmefulanito04]

Te recomiendo leer la IPC2221:

https://www.google.com.ar/url?sa=t&...JOYe7YmWQroRgHg&bvm=bv.44442042,d.eWU&cad=rja

Ahí tenes mucha información sobre este tema y según la fuente de ruido que tengas como te conviene poner la carga, es decir por ej. es conveniente que la etapa de mayor frecuencia del circuito este lo más cerca posible de la fuente que las de menor frecuencia, algo similar con el consumo. También recomienda usar una conexión tipo estrella a la fuente, en vez de usar buses de alimentación, es bastante completo.

 

[ENRIQUESTEFANINI]

Lo ideal es un plano solido de masa. Pero si no hay posibilidad de un plano de masa, hacer conexiones de masa con lazos incluidos... en eso coincido con Chico, es una muy mala idea. Preferible evitarlos.

Y como explica que Texas diga, como se ve en post #7, que a falta de plano de masa, se incorpore "ground bus" en la periferia del circuito donde sea posible? Hay una pregunta muy siemple: dos placas, un par trenzado va de una a la otra, un extremo del conductor de masa esta a masa. Y el otro extremo? Apuesto a que la respuesta que recibo es: en el aire. Pero en el mismo post #7, donde el originador de los 54/74 (hablo por ejemplo de una 7400, o su version low power schotky, LS), TI, dice expresamente: ambos extremos a tierra. Y lo dice Philips en sus manuales, y lo dice National, etc. No saben lo que dicen?

Creo que en nuestro sitio hay demasiada gente de audio opinando sobre diseno digital, sinceramente.

 

[Fogonazo]

. . . .Creo que en nuestro sitio hay demasiada gente de audio opinando sobre diseno digital, sinceramente.

Y yo creo que ese es un comentario descalificador.

Para tu información, en sistemas digitales existe un umbral de disparo, si el ruido se encuentra por debajo del valor del umbral no afecta.
En cambio en audio ese umbral NO existe el ruido afecta Siempre así que es tanto o mas delicada la eliminación de los ruidos en un sistema de audio que en uno digital.

Normas del Foro 2.10 Los usuarios deben usar un lenguaje cortés, respetuoso y gentil. Ningún usuario puede publicar material o contenido que sea conocidamente falso, difamatorio, insultante, acusatorio, vulgar, hostil, obsceno, profano, de orientación sexual, amenazante, racista o que fomente cualquier tipo de odio, ilegal en algún país o región, invasivo de la privacidad de alguna persona o que vulnere alguna ley o derechos de autor.