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Ing. Fabián Acquaticci
Facultad de IngenieríaUniversidad de Buenos AiresDepartamento de Electrónica
2016
Introducción al Diseño de Circuitos Electrónicos
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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)
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Rendimiento
Costo
Tiempo
Consideraciones críticas de diseño
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Proceso general de diseño
Diseño conceptual
Diseño circuital
Integración
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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
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Diseño Top-Down
Diseño Conceptual
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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
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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
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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
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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
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Integración● Condicionantes para el diseño del PCB:
● Encapsulados● Tipo (digital, analógico, mixto)● Disipación● Generación de ruido o susceptibilidad● Normativas IPC
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Proceso de Diseño Tradicional
Producción
Rediseño
Prueba
Integración
Diseño
No funciona?
Construcción
NO
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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
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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
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Proceso de Diseño Predictivo
Diseño
Integración
Construcción
Simulación(circuito y sistema)
Modificación del diseño
OK
OK
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Proceso de Diseño Predictivo
● Experimentar posibles soluciones circuitales● Explorar diferentes topologías● Realizar múltiples análisis rápidamente
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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)
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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)
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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.
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Resumen
RediseñoSimulac. & Medición
Funciona?
Fabricable?
Constuir
Probar
Producción
Funciona?
Integración
Diseño
NO
NO
NO
Software
Hardware
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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.)