Ing. Fabián Acquaticci

Facultad de IngenieríaUniversidad de Buenos AiresDepartamento de Electrónica

2016

Introducción al Diseño de Circuitos Electrónicos

Etapas del Proceso de DesarrolloR – D – Q – P – M – AIT – PC – C - S

R: RequerimientosD: DiseñoQ: 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

AmbientalesPC: Pre-Commissioning (Pruebas finales)C: Commissioning (Puesta en Marcha)S: Start –Up (Arranque. Aceptación final)

Rendimiento

Costo

Tiempo

Consideraciones críticas de diseño

Proceso general de diseño

Diseño conceptual

Diseño circuital

Integración

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

Diseño Top-Down

Diseño Conceptual

Diagramas en Bloques

ECUALIZADOR

Buffer + amplificador x10

Buffer + protección de entrada

Primer mezclador

Control de tonos (Treble)

Control de tonos (Bass)

Detector de sobrecarga

Red de resistencias

Filtro sintonizado 1 Filtro sintonizado 2 Filtro sintonizado 11

...

Amplificador sumador

Segundo mezclador

Amplificador inversor

Fuente de alimentación

Circuito de silenciamiento

(muting)

Entrada balanceada

Entrada no balanceada

Salida no invertida

Salida invertida

h

w

Id

Vds

Diseño a nivel de circuito

● 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

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

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

Integración● Condicionantes para el diseño del PCB:

● Encapsulados● Tipo (digital, analógico, mixto)● Disipación● Generación de ruido o susceptibilidad● Normativas IPC

Proceso de Diseño Tradicional

Producción

Rediseño

Prueba

Integración

Diseño

No funciona?

Construcción

NO

Oscila!

espúreos!

Como no lo vi antes!

Integración & Prueba

● Ensamblado● Ensayos funcionales y ambientales● Puesta en marcha, Pruebas, validación final y aceptación

● 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

El rendimiento del sistema puede diferir significativamente de los resultados esperados

circuitos sistema

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

Proceso de Diseño Predictivo

Diseño

Integración

Construcción

Simulación(circuito y sistema)

Modificación del diseño

OK

OK

Proceso de Diseño Predictivo

● Experimentar posibles soluciones circuitales● Explorar diferentes topologías● Realizar múltiples análisis rápidamente

Proceso de Diseño Predictivo

• Combinar técnicas de simulación y medición durante el proceso de diseño

!Freq.[Hz] MagS11[dB] PhaseS11[DEG] MagS21[dB] PhaseS21[DEG] MagS12[dB] PhaseS12[DEG] 300000 -5.986E-07 -1.151E-02 -7.394E+01 8.997E+01 -7.394E+01 8.997E+01 -5.986E-07 -1.151E-02315229 -6.384E-07 -1.210E-02 -7.351E+01 8.997E+01 -7.351E+01 8.997E+01 -6.384E-07 -1.210E-02331231 -6.812E-07 -1.271E-02 -7.308E+01 8.997E+01 -7.308E+01 8.997E+01 -6.812E-07 -1.271E-02348046 -7.273E-07 -1.336E-02 -7.265E+01 8.997E+01 -7.265E+01 8.997E+01 -7.273E-07 -1.336E-02365714 -7.769E-07 -1.403E-02 -7.222E+01 8.997E+01 -7.222E+01 8.997E+01 -7.769E-07 -1.403E-02384279 -8.303E-07 -1.475E-02 -7.179E+01 8.997E+01 -7.179E+01 8.997E+01 -8.303E-07 -1.475E-02403787 -8.879E-07 -1.550E-02 -7.136E+01 8.997E+01 -7.136E+01 8.997E+01 -8.879E-07 -1.550E-02424285 -9.501E-07 -1.628E-02 -7.093E+01 8.997E+01 -7.093E+01 8.997E+01 -9.501E-07 -1.628E-02445823 -1.017E-06 -1.711E-02 -7.050E+01 8.997E+01 -7.050E+01 8.997E+01 -1.017E-06 -1.711E-02468455 -1.090E-06 -1.798E-02 -7.007E+01 8.997E+01 -7.007E+01 8.997E+01 -1.090E-06 -1.798E-02492235 -1.168E-06 -1.889E-02 -6.964E+01 8.997E+01 -6.964E+01 8.997E+01 -1.168E-06 -1.889E-02517223 -1.252E-06 -1.985E-02 -6.921E+01 8.997E+01 -6.921E+01 8.997E+01 -1.252E-06 -1.985E-02543479 -1.344E-06 -2.086E-02 -6.878E+01 8.997E+01 -6.878E+01 8.997E+01 -1.344E-06 -2.086E-02

Ibe=(IBbif(exp(Vbe/NbfVT)-1.0))+Ise(exp(Vbe/(NexVt))-1.0)

2

Simulado

medido

s21 log mag 10dB/div 0dB ref

Proceso de Diseño Predictivo

● Medir a nivel de sistema (interacciones)

● Modificar el diseño para reflejar las mediciones (si es necesario)

Primero verificar que no haya errores de implementación o de medición. Verificar todos los componentes, dimensiones de líneas de transmisión, conexiones, etc.

El prototipo no funciona!

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.

Resumen

RediseñoSimulac. & Medición

Funciona?

Fabricable?

Constuir

Probar

Producción

Funciona?

Integración

Diseño

NO

NO

NO

Software

Hardware

TP y Proyecto Final

• www.tpdce.wordpress.com

• 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.)