Diseño

El arte del ruido

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En un mundo ideal, los márgenes de tensión y temporización de las señales son siempre positivos, las tensiones de alimentación están siempre dentro del rango de tensión de funcionamiento y nuestro entorno es completamente benigno.
Por desgracia, vivimos en el mundo real. El mundo real es sucio y ruidoso, con sistemas de distribución de energía que no son perfectos. La tensión de alimentación puede caer por debajo de la tensión de funcionamiento, lo que provoca un mal funcionamiento o un fallo del sistema. Los transitorios de conmutación crean ruido y reducen los márgenes de señal, y las discontinuidades de impedancia pueden distorsionar las señales, reduciendo los márgenes operativos de la señal.

También hay que tener en cuenta el ruido radiado o conducido procedente de fuentes internas y externas. Las descargas electrostáticas y las sobretensiones de los rayos pueden perturbar o incluso destruir los sistemas, y la tensión térmica, la tensión mecánica y el envejecimiento de los componentes pueden provocar fallos en los sistemas. En este artículo veremos algunos de estos problemas y las medidas que podemos aplicar a nuestros diseños para eliminarlos o, al menos, minimizarlos. También veremos cómo algunas de las funciones que implementamos en nuestros microcontroladores pueden mitigar muchos de estos problemas.
Hace veinticinco años, diseñábamos con microcontroladores que se implementaban en tecnología CMOS de 1,0μm o incluso de 0,8μm. Los dispositivos actuales utilizan una tecnología de proceso significativamente más avanzada, con anchos de línea órdenes de magnitud más pequeños. Los últimos microcontroladores de la familia RA de Renesas se implementan en las últimas geometrías de proceso de 40 nm y 22 nm.
A medida que el tamaño de los transistores de los últimos dispositivos se hace más pequeño y la frecuencia de conmutación de los transistores se hace más rápida, el ruido se convierte en una preocupación cada vez mayor.


Diagrama 1: Señal frente a ruido


El diagrama 1 muestra una comparación simplificada entre un dispositivo de 1,0 µm que funciona a 8 MHz y un dispositivo moderno que funciona a 100 MHz en un proceso de 40 nm. Está claro que el tiempo de conmutación del dispositivo de 40 nm es mucho más rápido y que las señales con las que tratamos pueden ser más rápidas que la típica señal de ruido. El ruido se convierte en una preocupación mayor a medida que avanzamos hacia geometrías de proceso más pequeñas. Renesas ha avanzado varios pasos en nuestros dispositivos, diseñándolos con características que ayuden a funcionar en un entorno de este tipo, con circuitos de alimentación cuidadosamente diseñados, buffers de E/S optimizados y circuitos de protección especializados, pero sigue siendo importante minimizar cualquier efecto en nuestros diseños tanto como sea posible. Al fin y al cabo, una vez que el ruido entra en el dispositivo, es mucho más difícil eliminarlo.
Las fuentes de ruido externas suelen ser una de las mayores amenazas para un funcionamiento fiable. Por ejemplo, el ruido de conmutación de una fuente de alimentación, el ruido provocado por las chispas de la maquinaria industrial, los motores, etc. Otras fuentes son el ruido de inducción de relés, transformadores, zumbadores, lámparas fluorescentes, etc., así como las descargas estáticas, normalmente procedentes del cuerpo de los usuarios, pero también de otros lugares, y, por supuesto, los rayos.
El ruido interno puede proceder de fuentes muy diversas. Los bucles de corriente en una placa de circuito impreso pueden ser una fuente importante de ruido radiado. Si la corriente fluye en un bucle cerrado formado por el MCU y sus señales de E/S, como se muestra en el diagrama 2, este bucle de corriente puede actuar como una antena, y puede irradiarse un ruido significativo, especialmente si la corriente es grande.


Diagrama 2: Bucles de corriente en la PCB

Con un plano de tierra mal diseñado, donde hay una diferencia de tensión entre la tierra en diferentes puntos de la PCB, la corriente puede fluir entre estos puntos, lo que puede actuar como una antena. Los circuitos osciladores mal diseñados también pueden irradiar ruido. Siempre sugerimos a los usuarios que sigan los parámetros de circuito y el plano de masa recomendados. Esto es especialmente importante, ya que un oscilador mal diseñado puede proyectar ruido en muchas partes del circuito, y un circuito oscilador mal diseñado también puede fallar.
Otra área clave es el sistema de E/S, especialmente con múltiples dispositivos de alta velocidad en un bus externo. Un sistema de E/S mal diseñado, en el que se produzcan sobreimpulsos o subimpulsos, puede hacer que los dispositivos superen sus especificaciones eléctricas. Esto puede dañar los dispositivos con el tiempo y provocar fallos, así como un mayor consumo de energía y radiación de ruido.
El ruido puede afectar a cualquier pin de un microcontrolador. Sin embargo, los pines de sistema de los microcontroladores son especialmente sensibles al ruido, ya que suelen controlar el funcionamiento fundamental del dispositivo, y aquí, un fallo inducido por ruido podría provocar el mal funcionamiento del dispositivo. Por tanto, hay que tener especial cuidado para asegurarse de que se minimiza la posibilidad de que el ruido interfiera en el funcionamiento normal de los pines del sistema.



Diagrama 3: Pines de sistema del microcontrolador

Los pines del sistema en un microcontrolador típico pueden incluir el pin de reset, los pines de la fuente de alimentación, los pines del oscilador y los pines de modo o función especial. Para minimizar la posibilidad de que el ruido perturbe estos pines, debemos tener especial cuidado, asegurándonos de que los pines de la fuente de alimentación tienen niveles de tensión sólidos con el filtrado necesario y que el plano de tierra no tiene ningún bucle de corriente. También debemos asegurarnos de que el oscilador está colocado lo más cerca posible del chip, que la disposición de la placa de circuito impreso sigue las recomendaciones del proveedor y que el pin de reset está protegido de señales transitorias rápidas.

Hay algunas reglas útiles que podemos utilizar en nuestros diseños para minimizar los efectos del ruido.
- Proteja las pistas de memoria/reloj de otras señales.
- Considere la posibilidad de filtrar y/o amortiguar las conexiones externas.
- Utilice siempre condensadores de derivación Vcc/Vss de alta frecuencia cerca de cada dispositivo.
- Utilice siempre Vcc/Vss en paralelo y lo más cerca posible para minimizar los bucles de corriente.
- Utilice trazados de señal/retorno paralelos en la placa de circuito impreso, especialmente para señales rápidas o trazados que transporten mucha corriente.
- Considere el uso de una placa multicapa con planos Vss/Vcc dedicados e ininterrumpidos. @
- No utilice una frecuencia superior a la necesaria, esto no sólo es bueno para minimizar el ruido, sino también el consumo de energía.
Veamos algunos de estos puntos con más detalle.


Diagrama 4: Relación entre el microcontrolador y la PCB


Debemos intentar mantener el área entre las líneas de alimentación lo más pequeña posible para minimizar la antena potencial. También debemos minimizar el flujo de corriente a esta antena para mantener el ruido radiado al mínimo.
La fuente de alimentación del sistema suele ser una de las mayores fuentes de ruido interno. Debemos diseñar un sistema de distribución de energía eficaz utilizando condensadores de derivación y filtros EMI. También debemos mantener el área del patrón de antena entre las pistas de alimentación en la PCB lo más pequeña posible para que el área del bucle de corriente circundante (S0, S1, S2) se reduzca al mínimo. La forma más eficaz de hacerlo es utilizar pistas paralelas para las líneas Vcc y Vss.
Un condensador de bypass conectado a través de las líneas de alimentación a cada circuito integrado reducirá significativamente el ruido, por lo que debemos tratar de mantenerlos lo más cerca posible de cada dispositivo. Normalmente, los valores de condensador más efectivos son de 0,01 µF ~ 0,1 µF. En un sistema especialmente ruidoso, puede merecer la pena combinar diferentes valores de un condensador para intentar mejorar el rendimiento frente al ruido.
Debido a las diferencias en las características de alta frecuencia de los distintos tipos de condensadores de bypass, los usuarios deben elegir el condensador más adecuado y de menor impedancia en función del rango de frecuencias de ruido. Para la mayoría de los microcontroladores, los condensadores cerámicos y de tántalo suelen ser adecuados. Se puede utilizar un condensador electrolítico para filtrar en la entrada de la fuente de alimentación de la PCB.
Debemos intentar minimizar el número de pistas entre dispositivos y mantener la longitud de cada una lo más corta posible. Las pistas entre el MCU y otros dispositivos actúan como una antena que provoca ruido. Los usuarios podrían considerar el uso de un bus serie, como I2C o SPI, para comunicarse con dispositivos externos en lugar de un bus paralelo completo. Esto minimiza el ruido, así como el consumo de energía y el espacio en la placa de circuito impreso. Estas conexiones suelen ser de alta frecuencia, por lo que los usuarios deben asegurarse de mantener las pistas cortas.
Las pistas que transportan mucha corriente en un diseño requieren un cuidado especial. Por este motivo, no deben colocarse pistas con mucha corriente cerca del oscilador u otros pines del sistema, como el pin de modo o reset. Éstos podrían ser fácilmente interferidos por ruido.

Hay que tener especial cuidado con cualquier circuito oscilador externo, especialmente si el diseño utiliza el cristal de baja potencia de 32 kHz para el funcionamiento de bajo consumo. Los usuarios deben asegurarse de seguir la disposición del circuito oscilador en el manual de hardware, seguir las recomendaciones del circuito del proveedor del oscilador, y aprovechar su servicio de especificación del oscilador si lo ofrecen (especialmente para un diseño de oscilador de 32 kHz). Otras líneas de señal no deben cruzar las pistas del oscilador para evitar la diafonía.
Es importante mantener las pistas de señal y alimentación lo más lejos posible del oscilador, y no alimentar la masa entre los pines del MCU. Un circuito oscilador estable con un gran margen operativo tiene muchas menos probabilidades de causar problemas. El uso de un oscilador interno también resuelve muchos de estos problemas.
Otras buenas prácticas de diseño para sistemas de microcontroladores incluyen:
- El uso de pistas anchas y cortas para Vcc/Vss siempre que sea posible.
- La reducción de la impedancia del circuito de alimentación reducirá los problemas de ruido inductivo.
- El uso de planos Vss/Vcc siempre que sea posible. A frecuencias más altas, normalmente > 4 MHz, la corriente de retorno sigue la trayectoria de la señal lo más cerca posible. Por lo tanto, los usuarios deben planificar cuidadosamente los caminos de retorno de la señal, especialmente para señales con altas corrientes.
- El plano de tierra no debe romperse, ya que esto aumenta la impedancia de la trayectoria de la señal.

- Los usuarios deberían considerar el uso de resistencias limitadoras de corriente en los pines de E/S.

Renesas ha utilizado una amplia gama de técnicas de diseño en sus microcontroladores RA para minimizar los problemas causados por el ruido externo. Normalmente utilizamos técnicas como la separación del bus de la CPU (con memoria) del bus de periféricos, que puede minimizar las perturbaciones del funcionamiento de la CPU, un sistema de reloj distribuido y una función de parada de módulo en cada periférico. También utilizamos el filtrado de ruido en chip en algunas de las entradas más sensibles, como el reset, las entradas del oscilador, etc., además de optimizar los buffers de E/S y el diseño de la fuente de alimentación.
La integración de varios componentes que de otro modo tendrían que ser externos, debido a la avanzada tecnología de proceso que utilizamos, también ayuda a mejorar la fiabilidad, eliminando la necesidad de circuitos externos como osciladores y dispositivos de gestión de potencia. La integración en el chip de osciladores, POR/LVD (sistemas de caída de tensión) y temporizadores de vigilancia puede contribuir en gran medida a reducir el impacto del ruido.
Los usuarios también deben tener en cuenta la velocidad que necesitan para hacer funcionar su CPU. La velocidad máxima puede venir dictada por la velocidad en baudios necesaria para la UART o por el tiempo en que debe completarse una función de filtro de Transformada Rápida de Fourier (FFT). Sin embargo, la mayor parte del tiempo, y para muchos diseños, no necesitamos operar a toda la velocidad de la que es capaz el dispositivo. Sólo ejecute tan rápido como sea necesario para lograr todo lo requerido, y no más rápido. Cuanto mayor sea la velocidad de reloj, más rápidas serán las señales y más problemas pueden surgir. Cuanto más despacio funcione, menos corriente se utiliza y conmuta en la fuente de alimentación, y menos ruido se genera. Para algunas cosas, más lento es casi siempre mejor.
Los microcontroladores RA tienen la capacidad de "estrangular" su velocidad. Los usuarios pueden cambiar los divisores de reloj dinámicamente si es necesario para acelerar y reducir la velocidad. Esto a veces puede añadir mucha complejidad a una aplicación, ya que los usuarios deben gestionar los relojes de los periféricos, pero siempre merece la pena considerar si se puede reducir la velocidad del reloj.
Los usuarios deben asegurarse de que las dimensiones de la fuente de alimentación sean correctas para su diseño y no deben intentar reutilizar siempre el mismo circuito de fuente de alimentación. Pueden asegurarse de que es capaz de suministrar la cantidad máxima de corriente que necesitan. Si la alimentación cae ocasionalmente, puede causar problemas de ruido y generar otros problemas en el sistema.
Muchos pines de entrada de periféricos también tienen filtros de ruido programables. Estos se encuentran comúnmente en los periféricos de comunicación como las interfaces UART, SPI e I2C, así como en muchas entradas de temporizador. La elección correcta de la selección del reloj del filtro es importante para obtener el mejor rendimiento de estos filtros. A menudo, se requiere algo de prueba y error para lograrlo.
Las interfaces de comunicación están conectadas al mundo exterior y a menudo introducen señales de alta velocidad en el sistema, por lo que hay que tener cuidado en su diseño. El uso de circuitos de protección externos suele ser aconsejable en función de la naturaleza del entorno externo.

Los temporizadores Watchdog son un método excelente para recuperar una aplicación cuando el ruido provoca la caída de un sistema. Sin embargo, es importante tener en cuenta cómo utilizarlos correctamente.
En los microcontroladores RA, los temporizadores watchdog vienen en dos formas. El primero es el temporizador de vigilancia estándar que puede ser sincronizado desde varias de las fuentes de reloj estándar del microcontrolador. Este watchdog se utiliza normalmente para comprobar la ejecución del código de la aplicación y detectar cualquier mal funcionamiento o funcionamiento inesperado. Normalmente se desactiva durante las aplicaciones de bajo consumo. Este watchdog puede generar un RESET o una interrupción.
El segundo temporizador de vigilancia es el temporizador de vigilancia inteligente (iWDT). Este WDT utiliza un oscilador dedicado de baja velocidad en el chip como fuente de reloj, lo que permite un largo tiempo de espera y un funcionamiento independiente de los relojes normales de la CPU. Incluso si el reloj de la CPU falla, el iWDT provocará un reset o una interrupción después de que se agote su tiempo de espera. Cada uno de los watchdog puede operar con una función de "ventana", donde un "cosquilleo" que se produce demasiado pronto, así como el tiempo de espera del watchdog, puede causar un reinicio. Cada watchdog se puede seleccionar para que se inicie automáticamente después de un reinicio configurando los bits correspondientes en el registro de selección de función de opción, un registro basado en flash que contiene datos de inicialización para el dispositivo.
Un error común que vemos a menudo es colocar el "cosquilleo" del watchdog dentro de una rutina de servicio de interrupción, ya que esto se considera eficiente, ya que normalmente sólo se requiere una instancia. Sin embargo, esto puede ser peligroso, ya que mientras que la aplicación principal puede fallar, el sistema de interrupción puede seguir funcionando, anulando así el watchdog.

Cuando su aplicación está completa, los usuarios deben analizar todas las posibles rutas de ejecución. Esto puede ser difícil para aplicaciones complejas que utilizan un sistema operativo, pero las herramientas modernas de análisis de código integradas en las herramientas de desarrollo modernas pueden ser de ayuda.
A continuación, deben colocar múltiples instancias del cosquilleo del watchdog en lugares relevantes a lo largo de la aplicación. Esto hará que la aplicación sea mucho más fiable y tendrá la ventaja añadida de que detectará si la aplicación toma una ruta de ejecución inesperada. Esto es normalmente una indicación de un problema grave, como un fallo del sistema o un desbordamiento de puntero.
Ya hemos mencionado las aplicaciones de bajo consumo, y el uso de temporizadores watchdog en aplicaciones de bajo consumo también necesita una consideración especial. Los usuarios deben considerar cuidadosamente lo que ocurre cuando el sistema se pone en bajo consumo.
En cualquier sistema, la mejor manera de evitar problemas de ruido es considerar la reducción de ruido desde el principio del diseño. Es importante conocer el entorno en el que funcionará el sistema, qué fuentes de ruido estarán presentes y qué medidas se pueden tomar para mitigarlas.
Siempre merece la pena dedicar algo de tiempo a considerar estas cuestiones al principio del diseño, ya que es mucho más fácil diseñar mitigaciones de ruido desde el principio que añadirlas al final del diseño o, peor aún, modificar un diseño cuando se descubren problemas de ruido sobre el terreno.
En este artículo se tratan algunos de los problemas relacionados con el ruido en los sistemas de microcontroladores y se describen algunas de las características de los microcontroladores RA de Renesas diseñadas para aumentar la fiabilidad del sistema. Espero que este artículo haya suscitado algunas preguntas sobre la necesidad de que los usuarios tengan en cuenta los temas relacionados con el ruido en todos sus diseños desde el principio.

Autor: Autor: Graeme Clark, Ingeniero Principal, Renesas Electronics

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