Introducción a la integridad de la señal en los circuitos de acondicionamiento

Los circuitos de acondicionamiento de señales superan la brecha entre las salidas de sensores crudos y las señales precisas requeridas por convertidores analógicos a digitales o sistemas de control. Incluso el amplificador o filtro más avanzado puede ser inútil si la ruta de señal subyacente está corrompida por el ruido, la deriva o la interferencia.

La Física de Noise y la Necesidad de Fundar

En cualquier sistema electrónico, el voltaje es una cantidad relativa. Un “signal” es la diferencia potencial entre dos nodos, y el nodo de referencia se llama típicamente tierra. Sin un terreno bien definido, cada medición se vuelve ambigua. Más críticamente, las corrientes de estrado de fuentes de energía, lógica digital, o campos electromagnéticos externos pueden inyectar ruido en la ruta de la señal.

Más allá de proporcionar una referencia, la puesta en tierra también sirve una función de seguridad atando partes conductivas expuestas a la tierra, evitando el choque eléctrico. En señalización, el objetivo principal es minimizar las diferencias de tensión entre puntos de tierra que podrían dañar la señal. Este principio conduce a varias estrategias de tierra, cada una con ventajas distintas y compensaciones.

Tipos de terrenos en estado de señalización

Los ingenieros suelen distinguir entre tres tipos de terreno, aunque en la práctica pueden estar interconectados:

  • Tierra] – Una conexión física directa a la tierra, generalmente a través de una varilla de tierra o la red de tierra de la instalación. Proporciona un camino estable de baja potencia para las corrientes de falla y protección de relámpagos. En las configuraciones de laboratorio, el terreno terrestre es a menudo la referencia final, pero puede llevar corrientes interferiendo de otros equipos.
  • Chasis Ground] – El recinto metálico o el marco del equipo. Está generalmente conectado a tierra para la seguridad. Dentro del circuito, el suelo de chasis se utiliza como punto de terminación de escudo y un retorno para las corrientes de alta frecuencia, pero no debe ser la referencia principal de señal.
  • Señal Ground] – El nodo de referencia específico para las señales analógicas. Este es el tren “cero-voltio” de la circuito analógico. El terreno de señal debe mantenerse limpio y separado de la energía ruidosa retorna para evitar contaminar las mediciones sensibles.

Elegir el tipo de terreno adecuado es sólo el comienzo; gestionar cómo se conectan estos terrenos es donde surgen la mayoría de los desafíos de diseño.

Star Grounding y la guerra contra los bucles terrestres

Un loop de tierra ocurre cuando dos puntos de tierra separados están conectados por más de un camino, creando un bucle cerrado que puede recoger campos magnéticos e inducir corrientes circulantes. Estas corrientes producen gotas de tensión a lo largo de los conductores de tierra, agregando una señal no deseada a la medición. El síntoma clásico es un hum de 50 Hz o 60 Hz (y sus señales armónicas) superimpos.

Para eliminar los bucles de tierra, la puesta en tierra] (o la topología de un solo punto) se emplea a menudo. En un terreno de estrellas, todas las conexiones terrestres se encuentran en un punto físico: la "estrella". Esto asegura que no hay dos caminos de tierra que forman un bucle de estrella cerrada. El punto de estrella se conecta generalmente al suelo de chasis y tierra en un solo terreno.

Para sistemas de señalización mixta, muchos diseñadores separan planos analógicos y digitales, conectándolos bajo la ADC usando un solo puente o una granada para evitar que el ruido digital de alta frecuencia contamina el dominio analógico. Esta técnica se describe en detalle en una nota de aplicación Analog Devices].

Consideraciones sobre la impedancia y la frecuencia de los terrenos

A bajas frecuencias, un rastro de cobre actúa como una resistencia casi cero, pero a medida que aumenta la frecuencia, la reacción inductiva del trazo se vuelve significativa. Un trazo PCB de 1 pulgada puede tener una inductancia de ~10 nH, que a 100 MHz presenta una impedancia de más de 6 Ω. Esto significa que en el voltaje de alta frecuencia puede ser una bajada de tierra de alta frecuencia (por ejemplo, por tierra).

Para circuitos de alta frecuencia, un esquema multi-point grounding] se utiliza a menudo: múltiples caminos de tierra se conectan directamente a un plano de baja potencia. El plano de tierra en sí actúa como referencia, proporcionando un potencial casi uniforme a través de la PCB. Sin embargo, este enfoque puede reintroducir los puntos de tierra si no está cuidadosamente diseñado con respecto a los caminos de retorno de energía y multipunto.

Escudo: Proteger las señales de la Interferencia Externa

El escudo se encierra en una barrera conductiva que rechaza los campos eléctricos externos (E-fields) y los campos magnéticos (H-fields). El escudo funciona reflexionando o absorbiendo energía electromagnética antes de llegar a la vía de señal. En el acondicionamiento de señal, el blindaje es esencial cuando se utilizan cables largos, o cuando el circuito opera cerca de motores, fuentes de energía o transmisores de radio frecuencia.

Escudo de campo eléctrico

Los campos eléctricos son fácilmente bloqueados por una barrera conductiva conectada al suelo. El escudo crea una jaula Faraday: cualquier incidente de campo eléctrico en el escudo induce cargos que cancelan el campo dentro. Por esta razón, escudos de aluminio y escudos trenzados en cables son muy eficaces contra el acoplamiento capacitivo. El requisito clave es una conexión de baja impedancia del escudo al suelo; de lo contrario, el escudo en sí puede convertirse en una fuente de interferencia.

Escudo magnético de campo

Los campos magnéticos de baja frecuencia (por ejemplo, de los transformadores de potencia) son más difíciles de bloquear. Mientras que los escudos eléctricos son conductores simples, los escudos magnéticos requieren materiales con alta permeabilidad magnética (como mu-metal) para desviar el flujo magnético de la zona sensible. En frecuencias superiores, las corrientes de eddy en un escudo conductivo también pueden proporcionar blindaje magnético, pero el espesor necesario para casos de baja frecuencia se vuelve impráctico.

En este informe se ofrece una excelente visión general de la eficacia de la protección de cables ]Texas Instruments application report.

Tipos de escudos

  • Cable Shields] – Envoltorios trenzados o de aluminio alrededor de cables de señal. Los escudos trenzados ofrecen baja resistencia y alta durabilidad, mientras que los escudos de aluminio proporcionan una cobertura del 100% y son mejores contra la interferencia de alta frecuencia. Los alambres de drenaje se incluyen a menudo para simplificar la terminación.
  • ] Escudos de cierre] – Cajas de metal que albergan circuitos enteros. A menudo están conectados al suelo de chasis y pueden incluir juntas de sellado. Para circuitos muy sensibles (por ejemplo, preamplificadores de sensores de ph), doble escudo con un escudo interno conectado a tierra de señal y un escudo exterior al suelo de chasis puede ser utilizado.
  • Escudos Componentes-Level – Pequeños metales que se ajustan a ICs individuales o módulos. Estos son comunes en módulos RF y en extremos analógicos sensibles.

Estrategias de puesta en marcha de escudos

La conexión incorrecta puede convertir el escudo en una antena de acoplamiento de ruido. La práctica estándar es colocar el escudo en un extremo solamente , típicamente el extremo donde la fuente de señal o receptor tiene su referencia de tierra. Esto evita que el escudo forme un cable de tierra con un cable de cable de acoplamiento que se conecta a un cable de a tierra.

Sin embargo, en frecuencias superiores a 1 MHz, el escudo puede volverse resonante debido a su inductancia distribuida y capacitancia, eficacia degradante. En tales casos, molido multipunto (enciende el escudo en ambos extremos con condensadores de bypass) o usando un escudo de terminación

Integración práctica de la puesta en tierra y el escudo

El encogimiento y el blindaje no son independientes; deben diseñarse juntos para maximizar la integridad de la señal. Un sistema bien centrado con un mal blindaje seguirá captando el ruido, y un sistema perfectamente blindado con bucles de tierra inyectará ruido de las corrientes de escudo. Las siguientes subsecciones describen las mejores prácticas para combinar ambas técnicas.

Principios de diseño PCB para diseños de señales mixtas

  • Partition the board] en secciones analógicas, digitales y de potencia. Evite la routización de trazas digitales sobre áreas de tierra analógicas.
  • Use un plano de tierra sólido para la sección analógica cuando sea posible. Si se utilizan planos analógicos y digitales separados, conéctelos bajo la ADC utilizando un puente estrecho (o una cuentas de ferrite) para mantener limpio el plano analógico.
  • Condenadores de bypass de place] cerca de los pines de potencia de los dispositivos analógicos. Sus retornos de tierra deben ir directamente al plano analógico de tierra con trazas cortas y anchas.
  • Route signal traces] sobre un plano de tierra contiguo para minimizar el área de lazo y reducir el acoplamiento inductivo.

Escudos conectados a la práctica

Al conectar un escudo a un PCB, evitar alambres de cola larga. En lugar de ello, utilizar una conexión de 360°, para cables coaxiales, un conector dedicado que une el escudo al chasis en el punto de entrada. Para cables planos con alambres de drenaje, rescinda el cable de drenaje al suelo lo más cerca posible del conector. En el PCB, el suelo de escudo debe conectarse al suelo de chasis (no tierra de señal) a través de un área estrecha

Una técnica adicional es el uso de un anillo de protección alrededor de los pines de entrada de alta impedancia. Este anillo es un rastro impulsado al mismo potencial que la entrada (utilizando un búfer) y conectado a una referencia de baja impedancia. Proporciona un escudo contra las corrientes de fuga y la recogida de campo eléctrico, especialmente en las interfaces de sensores de alta potencia.

Estudio de caso: Acondicionamiento de señal termopar

Los termopares producen señales muy bajas (microvolts por grado) y son extremadamente susceptibles al ruido. Una cadena de señal típica incluye un amplificador de instrumentación, un sensor de compensación de articulación fría (CJC) y un ADC. El encaje y el blindaje para una entrada de termopar a menudo siguen estos pasos:

  1. Use cable blindado de cable de cable retorcido del termopar a la placa de acondicionamiento de señal. Encienda el escudo sólo en el extremo de la tabla.
  2. Emplear un filtro de baja velocidad justo en la entrada para eliminar interferencia RF antes del amplificador.
  3. Asegúrese de que el pin de referencia del amplificador de instrumentación esté ligado a un terreno analógico con una conexión de baja potencia.
  4. Si el termopar se basa (por ejemplo, la unión expuesta que toca una tubería de metal), tenga cuidado de los lazos de tierra a través de la tubería. Use el aislamiento (por ejemplo, un amplificador aislado o o optocoupadores) para romper el lazo.
  5. Coloque el sensor CJC cerca del conector termopar y escudelo con un plano local.

Pitfalls comunes y cómo evitarlos

  • Usar terreno como una señal de retorno para las corrientes altas] – El suelo de alimentación y el suelo de señal debe ser separado para evitar la modulación de tensión de la referencia de la señal.
  • escudos de hinchazón] – Un escudo sin conexión es inútil; puede en realidad hacer un par de ruido más a través de acoplamiento capacitivo.
  • Multiple blind ground connections without planning – Esto crea bucles de tierra. Apegarse a un enfoque sistemático (punto individual o multipunto basado en frecuencia).
  • Ignorar el ruido de modo común – El suelo no puede cancelar la interferencia de modo común; se requieren pares retorcidos blindados y señalización diferencial. Asegúrese de que el escudo no está llevando la corriente de modo común.
  • Usando demasiados trazos de tierra estrechos] – La inductancia se eleva con longitud y cae con ancho. Usar trazas anchas o verter de cobre para retornos de tierra.

Para más información sobre errores de diseño común, el artículo EDN sobre el terreno y la enrutamiento ofrece valiosas ideas.

Conclusión

El uso de señalización no es opcional sino disciplinas fundamentales en el diseño de circuitos de señalización. Al proporcionar una referencia estable y una barrera contra la interferencia externa, estas técnicas permiten los altos niveles de precisión y repetibilidad demandados por sistemas modernos de instrumentación, adquisición de datos y control. El ingeniero debe evaluar el contenido de frecuencia de las señales, el ambiente y la arquitectura del sistema para elegir la topología de la señalización adecuada (estrella, plano de tierra o híbrido) y la estrategia de eliminación de escudo.

La interacción entre la puesta en tierra y el blindaje sigue evolucionando con avances en ICs de alta velocidad y de alta velocidad. Mantenerse al día con notas de aplicación de los principales fabricantes de semiconductores, como Analog Devices, Texas Instruments y Linear Technology, es una excelente manera de perfeccionar estas habilidades y abordar nuevos retos de diseño con confianza.