Cómo una Sola Conexión a Tierra Estropeó 100 Unidades de Reproductores de MP3

Creado: Agosto 21, 2017
Actualizado: Noviembre 23, 2020

MP3 Player

La tecnología es bastante buena y definitivamente ha facilitado ciertas cosas en la vida. Sin embargo, cuando estás haciendo malabares entre la paternidad, la codificación, el diseño electrónico y ocasionalmente escribes un artículo como este; a veces, incluso las mejores aplicaciones no pueden mitigar el estrés que experimentamos en un día. Por ejemplo, esta mañana confundí accidentalmente la sal con el azúcar y la mezclé con la papilla favorita de mi hijo. Un pequeño error de mi parte y, de repente, mi hijo de 5 años tiene el suficiente descaro como para hacerle la competencia a Gordon Ramsey.

Del mismo modo, a veces el más mínimo error podría significar deshacer un gran diseño. Si tienes mucha suerte, este error podría ser el equivalente a pasar diez minutos lidiando con el berrinche de tu hijo. Desafortunadamente, en el mundo del diseño de PCB, esto generalmente significa lidiar con cientos de diseños defectuosos. Experimenté el último escenario hace cinco años. Un pequeño error de diseño me dejó con exactamente 100 unidades de reproductores de MP3 personalizados con audio defectuoso en el canal izquierdo. Este error fue tan traumático que aún puedo recordar cada detalle.

Cuando las tierras son iguales pero diferentes

Antes de comenzar a diseñar reproductores de MP3 o cualquier proyecto de PCB basado en audio, debes centrarte en lo que es importante, y a veces eso no está del todo claro. Esta mañana pensé que conseguirle a mi hijo su papilla era el objetivo, pero realmente la clave era ponerle el tipo correcto de azúcar. Del mismo modo, es posible que estés completamente concentrado en qué tipo de chips integrados (IC) especializados vas a utilizar, pero conocer la importancia de los diversos motivos en tu electrónica cerrará el trato. En la universidad, aprendemos en diseño de circuitos sobre potencia de tierra, tierra digital y tierra analógica.

^{No todas las tierras son iguales.}

Cuando diseñas reproductores de audio tienes que lidiar con tierra analógica y digital. Estas tierras aparecieron en los esquemas con diferentes símbolos, pero parecen estar conectados entre sí en un diseño de PCB. Cuando te refieras a algunas de las mejores prácticas en la colocación de tierra, notarás que la mayoría aconsejaría que estén conectados a un solo punto, por ejemplo, una estrella.

Ignorar este consejo es imperdonable, pero lo peor que puedes hacer es tener un solo plano de tierra para todo tu diseño de audio. Cuando conectes la tierra de audio y la tierra digital con un solo punto y obtengas interferencia en tu canal de audio, comenzarás a preguntarse por qué.

En cuanto a mí, estuve a punto de perder decenas de miles de dólares y una revisión importante antes de descubrir que la interferencia fue causada por Señales de la Interfaz Periférica Serial (SPI) que conectaban el IC de audio a un microcontrolador (MCU). Sin embargo, eso no libró a mi equipo de innumerables horas de solución manual de los problemas que afectaban a cientos de unidades de reproductores de MP3.

Por qué es importante DÓNDE conectas la tierra

A partir de este fiasco aprendí dos de mis mayores lecciones en diseño electrónico. Primero, estudia siempre completamente una guía técnica del usuario. En segundo lugar, donde conectas los diversos planos de tierra importa. Hubiera evitado esta catástrofe si hubiera hecho caso a la primera lección. Esto es lo que hice mal en el diseño original:

^{Echar a perder el plano de tierra puede ser catastrófico.}

El reproductor de MP3 que diseñé consta de un MCU y un IC de audio. El MCU se conecta al audio IC a través de SPI. Necesita transmitir datos MP3 continuamente para que el IC de audio decodifique los datos en señales de audio. El error que cometí fue colocar un plano de tierra analógico debajo de todo el IC de audio y conectar la tierra analógica y la tierra digital de la MCU entre los dos componentes.

Esto provocó que las señales SPI digitales se ejecutaran estrechamente, y en paralelo, a una parte de la tierra analógica y que el acoplamiento SPI al canal de audio tuviera interferencias. Ahora, a menudo tratamos las señales y la tierra como dos entidades diferentes en el diseño, sin embargo, en física básica, los pulsos de ceros y unos están formados por un circuito de corriente completo. En este caso, la ruta de retorno para las señales SPI cruzó la tierra analógica que se suponía que estaba libre de ruido digital.

Cómo cambiar el límite de tierra digital y de audio elimina la interferencia de ruido

No corrí ningún riesgo en la segunda revisión y repasé la guía técnica del audio IC tres veces. Algunos circuitos integrados (IC) tendrán una salida analógica y digital del paquete. Estos términos son engañosos, porque a menudo se refieren al funcionamiento interno del chip, y deben estar unidos inmediatamente en el exterior del paquete. La conexión de estas dos tierras debería convertirse en el único punto donde se conectan las tierras analógica y digital. Luego, las rutas de corriente de retorno para los dos planos no se cruzarán e interferirán con ninguna señal.

Con las señales SPI teniendo su camino de regreso claramente en el terreno digital, hice una oración rápida y produje mi segundo lote de reproductores MP3 revisados. Afortunadamente, no hubo choques fuertes en estas nuevas unidades de producción.

¿Confundido sobre los diversos planos de tierra en tu diseño? Los expertos de Altium están aquí para ayudarte. Para evitar cometer mis errores, habla con un experto en Altium. ¿Quieres diseñar excelentes circuitos de audio? CircuitStudio^® puede ser el software de diseño profesional que necesitas para comenzar.

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