Suprime el ruido y la EMI en tu PCB con el diseño adecuado de filtro analógico

La industria electrónica continúa incorporando más capacidades en PCBs más pequeñas y los dispositivos funcionan con menor energía y a frecuencias más altas. La supresión de ruido se vuelve aún más importante a medida que las frecuencias de operación aumentan y los niveles de señal disminuyen, esto se hace más manejable con un filtro EMI para el ruido en un diseño de PCB. Agregar filtración a tus diseños de PCB puede mejorar la integridad de la señal en entornos propensos a EMI con grandes campos magnéticos errantes y en aplicaciones de RF de baja potencia.

Los estándares de la industria incluso requieren que tu dispositivo incluya capacidades de supresión de ruido, filtro EMI y filtro EMC. Para cumplir con los estándares de emisiones conducidas, el ruido EMI debe ser suprimido en frecuencias de 150 kHz a 30 MHz. Algunos productos tienen estándares más estrictos y los límites inferiores comienzan en 9 kHz. Las aplicaciones de IoT requieren filtrado de ondulación a 1 MHz para mantener la integridad de los datos y la señal.

Filtros Activos vs. Pasivos

Uno de mis primeros diseños de PCB requería construir un dispositivo para medir señales de baja frecuencia externas. Mi primer intento resultó en un desorden embrollado de puntos de datos cuando esperaba que mis mediciones fueran bastante consistentes. Pronto, encontré al culpable: mi fuente de alimentación de baja calidad emitía un voltaje con ruido significativo. En lugar de optar por una gran actualización de la fuente de alimentación, pude resolver este problema diseñando un filtro de ruido EMI directamente en mi Placa de Circuito Impreso.

Aunque haya seguido todas las mejores técnicas de diseño para la supresión de ruido y la reducción de EMI, su diseño aún puede ser susceptible al ruido. Para mejorar aún más la integridad de la señal, se pueden utilizar métodos de filtrado activos y pasivos para reducir tanto el filtro EMI como el EMC. Antes de seleccionar qué filtros se utilizarán en su Placa de Circuito Impreso, siempre pruebe sus diseños de filtro y asegúrese de que el filtro cumpla con los estándares aplicables de reducción de ruido e Interferencia Electromagnética para PCBs.

Los filtros pasivos utilizan la impedancia de componentes electrónicos estándar para prevenir el ruido en circuitos a ciertas frecuencias. Los filtros activos combinan componentes de filtración pasiva con componentes alimentados como amplificadores o transistores. Los filtros activos también pueden empaquetarse como un dispositivo montado en superficie con una huella pequeña.

Antes de crear un diseño de filtro EMI para PCB o supresión de ruido, necesita saber algo sobre las bandas de frecuencia que está intentando filtrar de sus señales.

PCB diseñado para aplicaciones de microondas

Un ejemplo simple de un filtro activo es el filtro activo de paso bajo de primer orden. Un filtro RC de paso bajo puede conectarse a un amplificador operacional no inversor. Esta topología también es aplicable a un filtro de paso de banda o de paso alto. Los filtros activos de segundo orden tienen un diseño más complicado. Los filtros de tercer orden y superiores se construyen fácilmente encadenando en serie múltiples filtros de primer y segundo orden, y estos filtros proporcionan un corte más pronunciado en los bordes de la banda de filtrado.

La principal ventaja de usar un filtro activo es la ganancia que puede proporcionar. La amplificación se puede aplicar incluyendo resistencias de retroalimentación y de descarga en la entrada inversora.

La pequeña huella de los CI de op-amp permite colocar filtros potentes en el diseño de tu PCB, dejando mucho espacio restante para otros componentes. La desventaja de los filtros activos es que los op-amps tienen una alta atenuación en frecuencias altas, y los filtros activos solo se pueden usar en aplicaciones de baja frecuencia.

Filtros Microstrip Pasivos

Las trazas microstrip se pueden usar para construir filtros pasivos que se integran directamente en el PCB. La frecuencia central y el ancho de banda se pueden ajustar basándose en la geometría del microstrip. Estos filtros son fáciles de fabricar, pero tienden a tener una huella más grande que otros filtros pasivos.

Analizar estos filtros también es bastante simple ya que su geometría permite modelarlos como un circuito de inductores y capacitores. Si el análisis de circuitos te resulta natural, entonces estos filtros pueden ser rápidamente reducidos a un circuito equivalente y puedes determinar las fórmulas para las propiedades de filtrado a mano.

Diferentes geometrías y disposiciones de microstrip funcionarán como un filtro de paso de banda, paso bajo o paso alto. Los filtros de paso alto genuinos son extremadamente difíciles de fabricar usando elementos microstrip distribuidos. Una manera de formar un filtro de paso alto es utilizando un diseño de paso de banda con un ancho de banda extremadamente alto y una frecuencia de corte superior. Los filtros que parecen tener una topología de paso alto resultan ser filtros de paso de banda cuando se analiza su comportamiento a alta frecuencia.

Filtros para Fuentes de Alimentación

Las fuentes de alimentación de CC típicamente convierten la energía de CA a CC usando un circuito rectificador con un capacitor de suavizado. La salida de la fuente de alimentación puede contener algún voltaje residual de ondulación, incluso si la fuente de alimentación contiene filtrado incorporado. El voltaje residual de ondulación puede ser suprimido diseñando un simple filtro pasivo para la fuente de alimentación.

Los reguladores lineales pueden suprimir gran parte del rizado de baja frecuencia proveniente de una fuente de alimentación, pero pierden efectividad para componentes de ruido por encima de aproximadamente 10 kHz. Los componentes de alta frecuencia en el rango de 100 kHz pueden ser suprimidos con un filtro LC. Filtrar componentes de aún mayor frecuencia en el rango de MHz se puede lograr colocando capacitores de desacoplo entre los ICs.

Mantener en mente los requisitos de voltaje adecuados te ayudará a gestionar tu filtro EMI integrado

Filtrar el rizado de voltaje y sus armónicos de orden superior hasta 1 MHz se vuelve importante en dispositivos IoT. Durante la transmisión de datos en dispositivos IoT, los datos se envían a un módulo de banda base que codifica los datos en una señal de 1 MHz. Esta señal de 1 MHz se mezclará con la señal portadora en el módulo transmisor de RF. Eliminar el rizado de voltaje y el ruido hasta frecuencias de MHz mantiene la integridad de la señal y los datos durante la transmisión inalámbrica.

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