Qué Causa la Oscilación Transitoria en una Placa de Circuito Impreso y Cómo Resolverla

En mi primera práctica de laboratorio de ingeniería eléctrica, construimos un circuito para rebotar la salida de un interruptor. Recuerdo ver la señal inestable original y luego la salida rebotada en la pantalla de un osciloscopio. Sentí un malestar profundo por el hecho de que algo tan inocuo en nuestras vidas podría ser tan… desordenado. Por suerte, la persona que era yo en mi primer año de estudios no sabía que ésto era solo el comienzo de mi angustia con el ruido y los artefactos de las frecuencias de señales. La oscilación transitoria es uno de esos efectos que pueden ser especialmente frustrantes para el rendimiento de un producto.   

¿Qué es el efecto de oscilación transitoria?

Cuando hablamos de placas de circuito impreso u otros sistemas electrónicos, la oscilación transitoria es un voltaje o salida de corriente que oscila como una onda en un estanque cuando se observa en un osciloscopio. La oscilación es una respuesta al cambio súbito en la señal de entrada, como por ejemplo al encenderla o al realizar una conmutación.

La oscilación a menudo elimina la tolerancia de la frecuencia de la señal de salida tanto en el extremo alto como en el bajo, y gradualmente se suaviza. El tiempo que toman las oscilaciones para poder caer dentro de un rango de error tolerable es denominado tiempo de estabilización.

Debido a la forma característica de la señal de salida, la oscilación transitoria a veces es llamada “ondulación” o “rizado”. No obstante, la ondulación se refiere más específicamente a la salida cuando se utilizan fuentes de alimentación con conmutación de corriente alterna, si la fuente no suprime debidamente o de forma adecuada la forma de la onda de corriente alterna.

¿Qué causa la oscilación transitoria?

La fuente de la oscilación transitoria, aparte de las fuentes de alimentación, depende de sus trazos, si son “largas” o cortas. Una regla general es que los trazos son consideradas “largos” si el tiempo de propagación de ida y vuelta (para la carga y de regreso) es comparable al tiempo de subida de señal en los circuitos digitales. Si da la casualidad que está trabajando con las líneas TEM (stripline, en inglés) o líneas microstrips, es un poco más complicado, y recomiendo la página de Glen Dash como punto de partida para la longitud de línea y la minimización de los efectos de la línea de transmisión, tales como las oscilaciones transitorias. 

Volviendo a los trazos largos y cortos… si tiene un trazo corto, la oscilación transitoria es causada por la inductancia y capacitancia parásitas. Un pulso o cambio súbito en la entrada causa los componentes parásitos de resonar en su dominio característico de frecuencia, creando el efecto de oscilación transitoria en su salida. En las trazas largas, la causa de la oscilación transitoria es más probable de ser la reflexión de la frecuencia de la señal de una desadaptación de impedancia.

^{El ruido de la señal me causó una cantidad desproporcionada de angustia cuando era estudiante universitario, pero puede tener consecuencias catastróficas una vez que está en la industria.}

¿Cómo la oscilación transitoria afecta a mi sistema?

Si no sufre una crisis existencial a causa de un osciloscopio ruidoso, me alegro por usted. Tendrá facturas de terapia muy reducidas. Aun así, la oscilación transitoria puede tener efectos negativos en su vida y en el diseño del producto.

Aumento de interferencia electromagnética: La oscilación transitoria puede producir ruido e interferencias, y lo hace frecuentemente. Esa interferencia electromagnética puede irradiar o conducir por toda su placa, con todos los problemas asociados con el rendimiento.

Aumento de flujo de corriente: La oscilación transitoria causa que un aumento de corriente fluya por su circuito. Esto no solo causa un aumento correspondiente en la potencia consumida por su producto (y una menor duración de la batería), sino que los componentes en su placa conocerán un calentamiento adicional inesperado. Eso puede disminuir su funcionalidad y vida útil.

Disminución del rendimiento: Junto con la acumulación de bajas en rendimiento a causa del aumento de corriente y calefacción, la oscilación transitoria disminuye el rendimiento a través de una gama de criterios de medición. Como tiene un retraso en la salida debido al tiempo de estabilización, disminuirá la capacidad de respuesta de su circuito. La resolución de sus salidas también será mucho más pobre.  

Si tiene circuitos digitales, la oscilación transitoria es particularmente dañina. Aún tiene todos los problemas que hemos cubierto y el umbral es mucho más bajo. Combine esto con cualquier ruido de línea de alimentación, y es probable que tendrá errores y datos dañados.

Retroalimentación audible: Un caso especial de oscilación transitoria ocurre en las aplicaciones de audio y video. Las ondulaciones ocurren en el rango audible y serán oídas en su salida. También crea artefactos visibles en las pantallas de video.

 

^{En las aplicaciones de audio y video, la oscilación transitoria puede afectar manera audible a sus salidas.}

¿Cómo puedo prevenir la oscilación transitoria?

La oscilación transitoria puede variar desde un nivel molesto a uno catastrófico en el rendimiento de su sistema. La optimización de su diseño logra una diferencia enorme en el rendimiento y salida. Primero, debe reducir la inductancia y capacitancia parásita. Debe minimizar la longitud de los nódulos, sobre todo al entorno de los componentes de la etapa de potencia en su placa. También debe utilizar la adaptación de impedancia para minimizar cualquier reflexión de la señal. La coincidencia de impedancia varía con su aplicación y le recomiendo comenzar con los artículos técnicos de Texas Instruments para recibir consejos muy particulares sobre una gama de aplicaciones.

Si bien es imposible para cualquier programa existente comprobar todo origen de posible interferencia, tener un buen programa puede liberar una buena cantidad de esta labor. Eso le da libertad para lidiar con los retos más importantes, en lugar de jugar “whack-a-mole”, es decir, no dar abasto con el diseño mientras que usted optimiza todos los parámetros de su placa. Altium produce algunos de los mejores software de placas de circuito impreso, como por ejemplo Altium Designer, y tiene herramientas para eliminar gran parte de ese error de comprobación de carga. Esto le da tiempo para contemplar las implicaciones filosóficas de los circuitos ruidosos. O simplemente puede seguir con su vida.

¿Tiene alguna duda sobre la oscilación transitoria? Comuníquese con un experto en Altium.

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