El diseño de circuitos electrónicos es el proceso de planificación, prueba y construcción de circuitos que realizan tareas específicas. Implica definir requisitos, elegir piezas confiables, crear esquemas, simular el rendimiento y probar el diseño final. Al seguir pasos cuidadosos, los circuitos se vuelven seguros, eficientes y confiables. Este artículo proporciona información detallada sobre cada etapa del proceso de diseño.
Descripción general del diseño de circuitos electrónicos
El diseño de circuitos electrónicos es el proceso de planificación y construcción de circuitos que pueden realizar una tarea específica. Comienza con pequeños experimentos en una placa de pruebas o mediante simulaciones por computadora para verificar si la idea funciona. Después de eso, el diseño se dibuja en un diagrama esquemático que muestra cómo está conectada cada parte. El diseño se transfiere a una placa de circuito impreso (PCB), que se puede producir y ensamblar en un sistema de trabajo.
Este proceso a menudo combina diferentes tipos de señales. Los circuitos analógicos funcionan con señales suaves y continuas, mientras que los circuitos digitales funcionan con señales que cambian entre dos estados. A veces, ambos se combinan en el mismo diseño para hacer que el sistema sea más completo.
El objetivo del diseño de circuitos electrónicos es crear un producto final que no solo sea funcional, sino también confiable y listo para usar en condiciones reales. Un diseño cuidadoso ayuda a garantizar que el circuito funcione correctamente, permanezca estable y cumpla con los requisitos de seguridad.
Requisitos de las especificaciones técnicas
| Categoría | Especificaciones de ejemplo |
|---|---|
| Eléctrico | Voltaje de entrada: 5–12 V, Consumo de corriente: <1 A, Ancho de banda: 10 MHz |
| Tiempo | Latencia < 50 ns, fluctuación de reloj < 2 ps |
| Medio ambiente | Funciona de -40 °C a +85 °C, 90% de humedad |
| Mecánico | Tamaño de la placa de circuito impreso: 40 × 40 mm, Peso < 20 g |
| Cumplimiento | Debe cumplir con CE/FCC, EMC Clase B |
| Costo/Producción | Costo de la lista de materiales <\$5, rendimiento de montaje >95% |
Arquitectura del sistema y diseño de diagramas de bloques
Este diagrama de bloques ilustra la estructura central de un sistema electrónico dividiéndolo en subsistemas interconectados. El subsistema de alimentación suministra energía estable a través de baterías, convertidores CC-CC y reguladores, formando la base para todos los demás bloques. En el centro se encuentra el Subsistema de Control, que alberga un microcontrolador, FPGA o procesador responsable de administrar el flujo de datos y la toma de decisiones.
El subsistema analógico maneja señales del mundo real mediante sensores, amplificadores y filtros, mientras que la E/S digital permite la comunicación con dispositivos externos a través de estándares como USB, SPI, UART, CAN y Ethernet. Un bloque de sincronización y temporización separado garantiza la sincronización con osciladores, PLL y enrutamiento preciso para un rendimiento de baja fluctuación.
Para mantener la confiabilidad, se enfatizan las zonas de aislamiento, que mantienen las señales digitales ruidosas alejadas de los circuitos analógicos sensibles, lo que reduce la interferencia y mejora la estabilidad del sistema.
Componentes básicos en el diseño de circuitos electrónicos
Resistencias
Estos se utilizan para limitar y controlar el flujo de corriente eléctrica. Al agregar resistencia, se aseguran de que las partes sensibles de un circuito no se dañen por demasiada corriente.
Condensadores
Actúa como un pequeño dispositivo de almacenamiento de energía. Mantienen una carga eléctrica y pueden liberarla rápidamente cuando sea necesario. Esto los hace útiles para estabilizar el voltaje, filtrar señales o suministrar ráfagas cortas de energía.
Transistores
Sirve como interruptores y amplificadores. Pueden encender o apagar la corriente como una puerta controlada o hacer que las señales débiles sean más fuertes. Los transistores son parte de la electrónica moderna porque permiten que los circuitos procesen y controlen la información.
Diodos
Guíe la dirección de la corriente. Permiten que la electricidad fluya en una sola dirección, bloqueándola en la otra dirección. Esto protege los circuitos de corrientes inversas que podrían causar daños.
Investigación y selección de componentes en el diseño de circuitos electrónicos
Consideraciones de rendimiento
Al elegir piezas para un circuito, una de las primeras cosas que debe verificar es el rendimiento. Esto significa observar cómo se comportará el componente en el diseño. Los detalles requeridos incluyen cuánto ruido agrega, qué tan estable es con el tiempo, cuánta energía usa y qué tan bien maneja las señales. Estos factores deciden si el circuito funcionará como se supone que debe hacerlo.
Selección de paquetes
El paquete de un componente es la forma en que se construye y dimensiona. Afecta la cantidad de espacio que ocupa en la placa, la cantidad de calor que puede soportar y la facilidad de colocación durante el montaje. Los paquetes más pequeños ahorran espacio, mientras que los más grandes pueden ser más fáciles de trabajar y manejar mejor el calor. Elegir el paquete adecuado ayuda a equilibrar el espacio, el calor y la facilidad de uso.
Disponibilidad y cadena de suministro
No basta con que una pieza funcione bien; también debe estar disponible cuando sea necesario. Debe verificar si la pieza se puede comprar a más de un proveedor y si aún se producirá en el futuro. Esto reduce el riesgo de retrasos o rediseños si la pieza se vuelve difícil de encontrar repentinamente.
Cumplimiento y estándares
La electrónica debe seguir las reglas de seguridad y medio ambiente. A menudo se requiere que las piezas cumplan con estándares como RoHS, REACH o UL. Estas aprobaciones garantizan que el componente sea seguro de usar, no dañe el medio ambiente y se pueda vender en diferentes regiones. El cumplimiento es una parte principal de la selección de componentes.
Confiabilidad y reducción de potencia
La confiabilidad significa cuánto tiempo y qué tan bien un componente puede seguir funcionando con un uso normal. Para que las piezas duren más, debe evitar llevarlas a sus límites máximos. Esta práctica se llama reducción de potencia. Al dar a las piezas un margen seguro, las posibilidades de falla disminuyen y todo el sistema se vuelve más confiable.
Tipos de simulaciones de circuitos en el diseño de circuitos electrónicos
| Tipo de simulación | Propósito en el diseño de circuitos |
|---|---|
| Sesgo de DC | Confirma que todos los dispositivos funcionan en los puntos correctos de voltaje y corriente. Evita que los transistores se saturen o se corten involuntariamente. |
| Barrido de CA | Evalúa la respuesta de frecuencia, la ganancia y el margen de fase. Básico para amplificadores, filtros y análisis de estabilidad. |
| Transitorio | Analiza el comportamiento en el dominio del tiempo, como la conmutación, la respuesta de inicio, los tiempos de subida/bajada y el sobreimpulso. |
| Análisis de ruido | Predice la sensibilidad del circuito al ruido eléctrico y ayuda a optimizar las estrategias de filtrado para aplicaciones de bajo ruido. |
| Montecarlo | Prueba la variación estadística en las tolerancias de los componentes (resistencias, condensadores, transistores), lo que garantiza la solidez del diseño en toda la distribución de fabricación. |
| Térmico | Estima la disipación de calor e identifica posibles puntos calientes, lo cual es necesario para circuitos de potencia y diseños compactos. |
Suministro de energía e integridad de la señal en el diseño de circuitos
Prácticas de la red de suministro de energía (PDN)
• Conexión a tierra en estrella: use una conexión en estrella para minimizar los bucles de tierra. Esto reduce el ruido y garantiza un potencial de referencia constante en todos los ámbitos.
• Rutas de retorno cortas: Siempre proporcione rutas de retorno directas y de baja impedancia para la corriente. Los bucles largos aumentan la inductancia e inyectan ruido en circuitos sensibles.
• Condensadores de desacoplamiento: Coloque los condensadores de desacoplamiento de pequeño valor lo más cerca posible de las clavijas de alimentación del CI. Actúan como depósitos de energía locales y suprimen los transitorios de alta frecuencia.
• Condensadores a granel: agregue condensadores a granel cerca de los puntos de entrada de energía. Estos estabilizan el suministro durante cambios repentinos de carga.
Consideraciones sobre la integridad de la señal (SI)
• Enrutamiento de impedancia controlada: las trazas de alta velocidad deben enrutarse con impedancia definida (generalmente 50 Ω un solo extremo o 100 Ω diferencial). Esto evita reflejos y errores de datos.
• Gestión de tierra: Mantenga separadas las tierras analógicas y digitales para evitar interferencias. Conéctelos en un solo punto para mantener un plano de referencia limpio.
• Reducción de diafonía: Mantenga el espacio entre líneas paralelas de alta velocidad o use trazas de protección de tierra. Esto minimiza el acoplamiento y preserva la calidad de la señal.
• Apilamiento de capas: en PCB multicapa, dedique planos continuos para alimentación y tierra. Esto reduce la impedancia y ayuda a controlar la EMI.
Diseño de PCB en el diseño de circuitos
Colocación de componentes
Coloque los componentes en función de la función y el flujo de señal. Agrupe las piezas relacionadas y minimice las longitudes de traza, especialmente para circuitos analógicos sensibles o de alta velocidad. Los componentes básicos como osciladores o reguladores deben colocarse cerca de los circuitos integrados que admiten.
Encaminamiento de la señal
Evite las curvas de traza de 90° para reducir las discontinuidades de impedancia y la posible EMI. Para pares diferenciales, como USB o Ethernet, mantenga las longitudes de traza emparejadas para mantener la integridad de la sincronización. Señales analógicas y digitales separadas para evitar interferencias.
Apilamiento de capas
Un apilamiento de capas equilibrado y simétrico mejora la capacidad de fabricación, reduce la deformación y proporciona una impedancia constante. Los planos de tierra y potencia dedicados reducen el ruido y estabilizan la entrega de voltaje.
Consideraciones sobre la alta velocidad
Enrute señales de alta velocidad con impedancia controlada, mantenga planos de referencia continuos y evite trozos o vías innecesarias. Mantenga las rutas de retorno cortas para minimizar la inductancia y preservar la integridad de la señal.
Gestión térmica
Coloque las vías térmicas debajo de los dispositivos de potencia para distribuir el calor en los planos de cobre internos o en el lado opuesto de la PCB. Utilice vertidos de cobre y técnicas de propagación de calor para circuitos de alta potencia.
Diseño esquemático y ERC en el desarrollo de circuitos
Pasos de diseño esquemático
• Hojas jerárquicas: Divida el diseño en secciones lógicas como subsistemas de potencia, analógicos y digitales. Esto mantiene organizados los circuitos complejos y facilita la depuración o las actualizaciones futuras.
• Nombres de red significativos: use nombres de red descriptivos en lugar de etiquetas genéricas. La nomenclatura clara evita confusiones y acelera la resolución de problemas.
• Atributos de diseño: Incluya clasificaciones de voltaje, requisitos de corriente e información de tolerancia directamente en el esquema. Esto ayuda durante la revisión y garantiza que los componentes se seleccionen con las especificaciones correctas.
• Sincronización de huellas: Vincule los componentes a sus huellas de PCB correctas al principio del proceso. La detección de desajustes ahora evita retrasos y costosos retrabajos durante el diseño de PCB.
• Lista preliminar de materiales (BOM): Genere un borrador de la lista de materiales a partir del esquema. Esto ayuda a estimar los costos, verificar la disponibilidad de piezas y guiar la planificación de adquisiciones antes de finalizar el diseño.
Higiene de verificación de reglas eléctricas (ERC)
• Detecta pines flotantes que pueden causar un comportamiento indefinido.
• Marcar redes acortadas que podrían resultar en fallas funcionales.
• Garantiza que las conexiones de alimentación y tierra sean consistentes en todo el diseño.
Prueba y validación del circuito
• Agregue puntos de prueba en señales importantes y rieles de alimentación para que las mediciones se puedan realizar fácilmente durante la depuración y las pruebas de producción.
• Proporcione encabezados de programación y depuración como JTAG, SWD o UART para cargar firmware, verificar señales y comunicarse con el sistema durante el desarrollo.
• Utilice fuentes de alimentación con corriente limitada cuando alimente la PCB por primera vez. Esto protege los componentes de daños si hay cortocircuitos o errores de diseño.
• Encienda y valide cada subsistema por separado antes de ejecutar todo el sistema en conjunto. Esto facilita el aislamiento y la solución de problemas.
• Compare todos los resultados medidos con las especificaciones de diseño originales. Verifique los límites térmicos, el rendimiento de sincronización y la eficiencia energética para asegurarse de que el circuito funcione según lo previsto.
• Mantenga notas detalladas y resultados de pruebas. Esta documentación ayuda con futuras revisiones, resolución de problemas y entrega a los equipos de producción.
Conclusión
El diseño de circuitos electrónicos combina planificación, simulación y pruebas para crear sistemas confiables. Desde el establecimiento de especificaciones hasta el diseño y la validación de PCB, cada paso garantiza que los circuitos funcionen según lo previsto en condiciones reales. Al aplicar un buen diseño y estándares, puede desarrollar soluciones electrónicas seguras, eficientes y duraderas.
Preguntas frecuentes
Pregunta 1. ¿Qué software se utiliza para el diseño de circuitos electrónicos?
Altium Designer, KiCad, Eagle y OrCAD son comunes para esquemas y diseño de PCB. LTspice, Multisim y PSpice se utilizan a menudo para simulaciones.
Segundo trimestre. ¿Cómo afecta la conexión a tierra a un circuito?
La conexión a tierra adecuada reduce el ruido y la interferencia. Los planos de tierra, la conexión a tierra en estrella y la separación de tierras analógicas y digitales mejoran la estabilidad.
Tercer trimestre. ¿Por qué es necesaria la gestión térmica en los circuitos?
El exceso de calor acorta la vida útil de los componentes y reduce el rendimiento. Los disipadores de calor, las vías térmicas, los vertidos de cobre y el flujo de aire ayudan a controlar la temperatura.
Cuarto trimestre. ¿Qué archivos se requieren para hacer una PCB?
Se necesitan archivos Gerber, archivos de perforación, una lista de materiales (BOM) y planos de ensamblaje para una fabricación y ensamblaje precisos de PCB.
Pregunta 5. ¿Cómo se prueba la integridad de la señal?
Los osciloscopios, la reflectometría en el dominio del tiempo (TDR) y los analizadores de red verifican la impedancia, la diafonía y la distorsión.
Pregunta 6. ¿Qué es el diseño para la capacidad de fabricación (DFM)?
DFM significa crear circuitos que sean fáciles de producir mediante el uso de huellas estándar, siguiendo los límites de PCB y simplificando el ensamblaje.