Introducción al Diseño de Circuitos Electrónicos

Transcripción

1 Introducción al Diseño de Circuitos Electrónicos Ing. Fabián Acquaticci Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires Departamento de Electrónica 2016

2 Etapas del Proceso de Desarrollo R D Q P M AIT PC C - S R: Requerimientos D: Diseño Q: Calificación o validación del diseño (mixto por análisis, simulación y ensayo de prototipos) P: Procuramiento (Compras y contrataciones) M: Manufactura (decisión de hacer o comprar componentes, módulos, sub-sistemas, etc.) AIT: Integración, Ensamblado, y Pruebas Funcionales y Ambientales PC: Pre-Commissioning (Pruebas finales) C: Commissioning (Puesta en Marcha) S: Start Up (Arranque. Aceptación final)

3 Consideraciones críticas de diseño Tiempo Rendimiento Costo

4 Proceso general de diseño Diseño conceptual Diseño circuital Integración

5 Diseño Conceptual Comprensión del problema a resolver Análisis de los requerimientos del usuario Definición de los requerimientos técnicos Definición de las especificaciones funcionales y de diseño Relevamiento de soluciones existentes Propuestas de alternativas de diseño Elección ponderada de una solución

6 Diseño Conceptual Diseño Top-Down

7 Diagramas en Bloques Entrada balanceada Buffer + amplificador x10 Detector de sobrecarga Entrada no balanceada Buffer + protección de entrada Control de tonos (Treble) Control de tonos (Bass) Primer mezclador ECUALIZADOR Red de resistencias Filtro sintonizado 1 Filtro sintonizado 2... Filtro sintonizado 11 Amplificador sumador Fuente de alimentación Segundo mezclador Amplificador inversor Salida no invertida Circuito de silenciamiento (muting) Salida invertida

8 Diseño a nivel de circuito Id Explorar posibles topologías circuitales Calcular los componentes de los circuitos individuales Investigar y seleccionar los componentes Calificación del diseño mediante análisis, simulaciones y ensayo de prototipos Decisión de construir o comprar a nivel de componentes, módulos, susbsistemas, etc. Determinar si las especificaciones del circuito son alcanzables Verificar el desempeño del sistema h Vds w

9 Integración Visión de conjunto (interacciones) Combinar circuitos individuales Consideraciones mécanicas, térmicas y eléctricas Definición de módulos Diseño de PCB`s (es un componente más del sistema) Validación Problemas: Rediseño del sistema o del circuito Modificar las especificaciones del sistema Redefinir el proyecto

10 Integración Condicionantes de diseño eléctrico: Requerimientos funcionales Seguridad eléctrica Compatibilidad electromagnética Elementos y caminos críticos, análisis de fallos (FMECA) Condicionantes de diseño mecánico Dimensiones y forma de la estructura o gabinete Materiales Determinar el sistema de fijación Dimensión y posición de los puntos de fijación Considerar requerimientos de vibración, rigidez y flexibilidad Condicionantes de diseño térmico Determinar/calcular la disipación de los componentes Conocer el rango de temperatura del soporte o estructura Análisis térmicos En función de los resultados: Reposicionar los componentes Diseño de mecanismos de disipación

11 Integración Condicionantes para el diseño del PCB: Encapsulados Tipo (digital, analógico, mixto) Disipación Generación de ruido o susceptibilidad Normativas IPC

12 Proceso de Diseño Tradicional Diseño Integración Rediseño Construcción Prueba No funciona? NO Producción

13 Integración & Prueba Oscila! Ensamblado Ensayos funcionales y ambientales Puesta en marcha, Pruebas, validación final y aceptación circuitos sistema Problemas!: A nivel de circuitos A nivel de sistema Necesidad de Optimizar el diseño (confiabilidad, manufacturabilidad, mantenibilidad, costos, etc.) Proceso ineficiente, cambios costosos, poca flexibilidad espúreos! El rendimiento del sistema puede diferir significativamente de los resultados esperados Como no lo vi antes!

14 Proceso de Diseño Tradicional Se pasa directamene del papel a un prototipo físico para verificar el diseño Se diseña mayormente por prueba y error Dificultad de verificar el cumplimiento de los requerimientos a nivel del sistema Dificultad para predecir interacciones Dificultad para comprender por qué el diseño no funciona Dificultad para optimizar el diseño Elevado costo y tiempo desperdiciado

15 Proceso de Diseño Predictivo Diseño Simulación (circuito y sistema) OK Modificación del diseño Integración OK Construcción

16 Proceso de Diseño Predictivo Experimentar posibles soluciones circuitales Explorar diferentes topologías Realizar múltiples análisis rápidamente

17 Proceso de Diseño Predictivo Combinar técnicas de simulación y medición durante el proceso de diseño Ibe=(IBbif(exp(Vbe/NbfVT)-1.0))+Ise(exp(Vbe/(NexVt))-1.0)!Freq.[Hz] MagS11[dB] PhaseS11[DEG] MagS21[dB] PhaseS21[DEG] MagS12[dB] PhaseS12[DEG] E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E E-02

18 Proceso de Diseño Predictivo Medir a nivel de sistema (interacciones) Modificar el diseño para reflejar las mediciones (si es necesario) s21 log mag 10dB/div 0dB ref Simulado medido 2

19 El prototipo no funciona! Primero verificar que no haya errores de implementación o de medición. Verificar todos los componentes, dimensiones de líneas de transmisión, conexiones, etc. Modificar el diseño para que coincida con el comportamiento del prototipo a fin de crear un punto de partida para rediseñar. Cuanto mayor sea la coincidencia entre el prototipo y el modelo, mayor será la probabilidad de éxito de su próximo prototipo. La probabilidad de éxito depende de la cantidad y el alcance de los cambios realizados y la experiencia del diseñador.

20 Resumen Diseño Software Integración Simulac. & Medición Rediseño Funciona? NO Fabricable? NO Constuir Probar Funciona? NO Producción Hardware

21 TP y Proyecto Final PARA CONSIDERAR EL PROTOTIPO DEL PROYECTO FINAL APROBADO 1. Deberá estar implementada en tecnología SMD. 2. Deberá ser completamente caracterizable. 3. Deberá cumplir las especificaciones propuestas. 4. Deberá estar encuadrado en el proyecto propuesto originalmente. 5. Haber considerado la calidad técnica y las condiciones ambientales que enfrentará (Ej. MIL-STD-810, IRAM2392, IRAM4025, etc.)