4Proceso de Implementación

Las PCB son la base para cualquier construcción de circuitos electrónicos. Una PCB se usa para colocar y montar los componentes electrónicos incluidos en el dispositivo y proporciona el medio de conexión eléctrica entre estos componentes.

Las conexiones necesarias entre las partes incluidas en PCB se denominan redes (nets).

Las herramientas de software son utilizadas en el diseño de PCB, incluida la captura de esquemas, el editor de huellas de componentes, el diseño de PCB y el enrutador automático. Además, la mayoría de estas herramientas incluyen capacidades de simulación analógica/digital y herramientas de análisis de integridad de señal. Algunas herramientas de software comerciales están disponibles en el mercado de varias compañías expertas en el desarrollo de paquetes de software sobre este tema, como Cadence, Altium, Mentor Graphics, Zuken o Cadsoft. Por otro lado, se pueden encontrar muchas herramientas gratuitas para el desarrollo fácil de diseños simples, como Kicad o Eagle.

El diseño de una PCB incluye algunos pasos que deben completarse cuidadosamente para lograr un circuito optimizado. Estos pasos se detallan en la tabla 2.

Table 2 – Diseño de PCB. Principales pasos.
| Características principales
Símbolos | Los símbolos de componentes del esquemático se crean en las bibliotecas de esquemas. Lea la hoja de datos para identificar los pines. Dibuje el símbolo del componente. Dibuje la huella. Añada parámetros de componentes.
Dibujar el esquemático | Coloque los símbolos de los componentes. Dibuje las pistas y los buses. Coloque, mueva y edite los componentes electrónicos.
Crear la placa | Transfiera el diagrama esquemático a un dibujo de la PCB. Tamaño de placa y ancho de traza. Colocación de los componentes electrónicos y etiquetado. Definición de planos de tierra. Trace la ruta horizontal y vertical incluyendo ángulos específicos.
Colocar las partes y enrute las señales. | Los componentes deben colocarse de acuerdo con sus conexiones a otros componentes en la placa. Se deben tener en cuenta las consideraciones térmicas, los requisitos mecánicos, así como la integridad de la señal y la capacidad de pista. Algunas huellas de dispositivos están configurados en la placa. Todos los componentes electrónicos que tienen conexiones entre sí deben colocarse cerca si es posible. Cada parte colocada consta de terminales que deben conectarse para completar el diseño. En este paso, se pueden usar las funciones de enrutamiento automático de las herramientas de diseño de software más populares. Estas funciones son útiles, pero es difícil obtener un buen diseño utilizando sólo las herramientas de enrutamiento automático.
Editar la placa y comprobar | Revise la placa diseñada para identificar cualquier error. Varias funciones de verificación están disponibles en todas las herramientas de diseño de software.
Crear los datos de fabricación de la PCB | Creación de los archivos que necesitan los fabricantes de PCB para finalizar la fabricación del circuito electrónico.

En el proceso de implementación de una PCB deben tenerse en cuenta algunas consideraciones. Los siguientes puntos resumen algunos de los más relevantes:

- Planos de masa: los retornos de corriente deben consistir en planos de tierra de área grande para baja impedancia a corrientes de alta frecuencia con el fin de evitar resistencias e inductancias parásitas, especialmente a frecuencias altas. Los planos de masa o de tierra proporcionan una conexión a tierra de baja impedancia. Elimine el retorno del área de bucle utilizando planos separados para el plano de tierra y el plano de alimentación. Si necesita dividir el plano de tierra y trazar pistas a través de la división, primero debe conectar los planos. Use planos de tierra firme junto a los planos de alimentación. En las PCB que incluyen circuitos y señales analógicas y digitales, siempre se recomienda utilizar alimentaciones separadas para circuitos digitales y analógicos.
- Diseño de la fuente de alimentación, espacios libres: los planos de alimentación se diseñan utilizando las mismas reglas que los planos de tierra. En una PCB de circuito mixto, fuentes de alimentación separadas para circuitos analógicos y digitales, incluso si el valor de las tensiones de alimentación son los mismos. Además, el plano de alimentación digital no se superpone a un plano de alimentación analógico.
- Los terminales de la fuente de alimentación deben desacoplarse directamente del plano de masa mediante el uso de condensadores de cerámica ubicados lo más cerca posible de los contactos de alimentación del circuito integrado.
- Señales de alta frecuencia y control de impedancia: los circuitos y señales de alta frecuencia emitirán radiación electromagnética a medida que viajan desde la fuente hasta el sumidero. En general, las frecuencias superiores a 1 GHz se consideran frecuencias altas.

Estas señales pueden interferir entre sí o afectar a un componente cercano. Para evitar conflictos, intente reducir las señales paralelas en la placa como mínimo para evitar cualquier acoplamiento de señal o diafonía. Además, mantenga la mayor distancia posible entre las trazas de la señal, e incluso considere enrutar las señales en una capa separada si son particularmente ruidosas.

La generación de reloj de muestreo y los circuitos de alta frecuencia deben tratarse como circuitos analógicos y también deben conectarse a tierra y desacoplarse en gran medida al plano de tierra analógico. También es importante aislar estos componentes de los circuitos digitales ruidosos.

Tenga en cuenta que los planos de tierra minimizarán las emisiones de RF.

La impedancia es una característica de CA, lo que significa que está relacionada con la frecuencia. La impedancia es la combinación de la capacitancia y la inductancia de un circuito cuando se opera a alta frecuencia. Aunque también se mide en ohmios, es algo diferente a la resistencia, que es una característica de CC.

Las trazas de PCB no se comportan como conexiones simples a altas frecuencias, la impedancia controlada nos ayuda a garantizar que las señales no se degraden cuando se enrutan alrededor de una PCB. De hecho, el control de impedancia es la coincidencia de las propiedades del material del sustrato con las dimensiones y ubicaciones de traza para garantizar que la impedancia de la señal de una traza está dentro de un cierto porcentaje de un valor específico. Las tarjetas de impedancia controlada proporcionan un rendimiento de alta frecuencia repetible. El control de impedancia requiere de una planificación del apilamiento requerido y del cálculo de los efectos electromagnéticos que rodean las trazas.

- Recomendaciones de compatibilidad electromagnética (EMC): algunas precauciones, como minimizar las interferencias, la conexión a tierra adecuada y, en particular, la acumulación de capas adecuada, reducirán significativamente los problemas de interferencia electromagnética (EMI). Un apilamiento ideal será un plano de masa debajo de cada otro plano.

En electrónica, el crosstalk es cualquier fenómeno por el cual una señal transmitida en un circuito o canal de un sistema de transmisión crea un efecto no deseado en otro circuito o canal.

- Técnicas de enrutamiento: al enrutar señales en diferentes capas, asegúrese de enrutarlas ortogonalmente entre sí. Es decir, en una capa de señal, tus trazas serán enrutadas horizontalmente, y en la otra vertical, 45 grados, etc.

Las dos opciones de enrutamiento básicas son el enrutamiento de laberinto (maze) y el enrutamiento X-Y. El enrutamiento X-Y implica al menos dos capas de enrutamiento con cables que viajan en una sola dirección en cada capa. Por otro lado, el enrutamiento Maze permite el cableado de redes completas en una sola capa, eliminando la necesidad de cambios de capa.

La longitud de Manhattan es la ruta más corta que puede tener un cable cuando se debe conectar utilizando solo segmentos que están limitados al eje X o al eje Y.

Hoy en día, los diseñadores de PCB tienen a su disposición un buen número de herramientas de enrutamiento bien desarrolladas para enrutar con eficacia la placa. Estas herramientas suelen incluir opciones de autoenrutado. Sin embargo, estas opciones no deben considerarse como la única opción de enrutamiento.

Es importante enrutar las redes para componentes críticos, como conectores o componentes FPGA, utilizando técnicas manuales o de enrutamiento automático, ya que estos componentes requieren enrutamiento debajo o entre varios pines de montaje en superficie.

En aplicaciones específicas, es importante realizar mediciones en línea y la caracterización de la temperatura durante el proceso de enrutamiento de la placa de circuito impreso, así como la optimización del diseño del enrutador basado en la investigación de la temperatura de enrutamiento [6].