Conceptos básicos de mitigación de ruido con uSimmics: Fuente → Camino → Víctima

Cuando hablamos de contramedidas contra el ruido, es fácil caer en “por ahora, pongo un condensador de desacoplo” o “por ahora, pongo una perla de ferrita”. A menudo funcionan, pero si avanzamos solo por intuición, no sabremos por qué funcionó y no podremos repetir el resultado la próxima vez.

En este artículo presento un marco básico para organizar las contramedidas contra el ruido. Además, con uSimmics (QucsStudio) construiremos un modelo de circuito muy simple y, basándonos en las formas de onda de la simulación, veremos cómo los elementos “invisibles” (parasitajes) afectan la señal.

Agrupar los problemas de ruido en 3 tipos ayuda a ordenarlos

Cuando sientes “quizá es ruido”, conviene primero clasificar los síntomas en tres tipos.

• Mal funcionamiento: decisiones H/L incorrectas en señales digitales, reinicios inesperados, caídas de comunicación, interrupciones falsas
• Degradación de rendimiento: menor sensibilidad de recepción, peor SNR, más jitter, distorsión de imagen/audio
• Impacto externo / incumplimiento: superar límites EMI/EMC (radiadas/conducidas), interferencia a equipos cercanos

Esta clasificación en 3 tipos organiza los síntomas. Sin embargo, la estructura de la causa suele ser común, y puede explicarse con Fuente → Camino → Víctima (por ejemplo, en EMI radiada: “Fuente = conmutación”, “Camino = pistas/carcasa”, “Víctima = dispositivos cercanos”). Por eso, tanto los problemas internos (mal funcionamiento/rendimiento) como los externos (cumplimiento EMI/EMC) pueden analizarse con el mismo enfoque.

Marco básico: Fuente → Camino → Víctima

El ruido no es un problema solo por “existir”. Se vuelve un problema cuando se genera, luego se acopla/propaga y finalmente entra en un punto sensible.

• Fuente (Source): conmutación, reloj, DC/DC, flancos rápidos de I/O, motores/relés, etc.
• Camino / Acoplamiento (Path / Coupling): pistas, alimentación, GND, cables, espacio (acoplo C/L, reflexión, impedancia común)
• Víctima (Victim): circuito receptor, referencia de tensión, ADC, entrada de reloj, reset, líneas de sensores, etc.

Con estos tres puntos, suele ser más claro dónde conviene actuar primero.

¿Dónde actuar primero? (una prioridad simple)

Para reducir retrabajos, este orden suele ser una buena base.

• Si puedes debilitar la fuente, es lo más efectivo: ralentizar el flanco, reducir el drive, desplazar la frecuencia, usar spread spectrum, etc. (con posible trade-off de rendimiento)
• Si no puedes parar la fuente, controla el camino: ordenar el camino de retorno, reducir el área de lazo, terminación, filtros, blindaje, etc.
• Por último, hacer a la víctima más robusta: aunque entre ruido, evitar decisiones erróneas—añadir margen, estabilizar la entrada (histéresis/RC), y si hace falta, protección y mejora de ruteo para que sea “más difícil que entre / más difícil que dañe”.

En la práctica, lo que más suele rendir es controlar el “Camino (Path)”. En PCB, los elementos parásitos que no aparecen en el esquema crean ese camino.

Los “culpables invisibles”: parásitos (L/C/R)

En problemas de ruido, lo esencial a menudo no está en el esquema. Estos tres aparecen casi siempre.

Pistas y vías se comportan como inductores (L)

Las pistas, las vías y el retorno de masa tienen inductancia. Cuando la corriente cambia rápido (di/dt grande), esa inductancia crea una caída de tensión de L × di/dt.

Idealmente, GND es 0 V en todas partes. Pero en la realidad, GND está conectado por conductores (pistas/vías), por lo que esa caída de tensión hace que el potencial de GND en ese punto suba y baje. A esto se le llama rebote de masa (ground bounce).

Cuando GND se mueve, pines de reset y referencias parecen moverse “respecto a masa”, y pueden aparecer reinicios falsos o decisiones erróneas.

Pistas cercanas se acoplan como un capacitor (C)

Dos pistas cercanas tienen una pequeña capacitancia de acoplamiento. Aunque no esté dibujada, se comportan como si hubiese un “pequeño capacitor” entre ellas.

Si la tensión en una pista cambia rápido (dv/dt grande), una corriente breve fluye a través de esa capacitancia. Esa corriente crea un pequeño cambio de tensión en la otra pista, que suele verse como un pico en la forma de onda.

Este fenómeno se llama diafonía (crosstalk). Flancos más rápidos generan picos mayores, y una línea víctima con mayor impedancia suele mostrarlo más.

La “pérdida (R)” también es importante

Un L o C ideal solo almacena y devuelve energía. Como la energía no se disipa en calor, una vez que empieza el ringing, puede tardar en desaparecer.

Para detener el ringing necesitamos una forma de “sacar” energía. Ahí entra la pérdida (R): R consume energía como calor y puede amortiguar la oscilación.

Esto también ayuda a entender por qué una perla de ferrita puede funcionar: a alta frecuencia suele aportar más pérdida, ayudando a “apagar” ringing y picos de alta frecuencia.

uSimmics: GND no es un 0 V ideal

Aquí construimos un modelo mínimo en uSimmics para ver en la forma de onda que “con una L parásita, GND puede moverse”. El objetivo es captar dónde nace el Camino (Path).

Esquema del circuito

• VPulse (pulso 0 → 1 V)
• Rload (resistencia de carga)
• GND
• Añadir una pequeña L en el retorno de masa (por ejemplo 5 nH) para representar la inductancia parásita del cableado/pistas

VPulse → Rload → node(out) → Lgnd(5nH) → GND

Puntos de observación (sondas de tensión)

• V(out): nodo de salida de Rload (el punto de señal)
• V(gnd_local): nodo en la parte superior de Lgnd (masa del lado del circuito)

Si haces más rápido el flanco de VPulse (por ejemplo TR = 1 ns), aparecerá un pequeño pulso en V(gnd_local). Ese es el efecto “GND sube por la inductancia en el retorno”.

Así, el problema no siempre es “la señal está sucia”. A veces el referente (GND) se mueve, y eso puede causar mal funcionamiento o degradación del rendimiento.

Organizar el significado de las contramedidas típicas (desacoplo, ferrita, plano de masa)

A continuación resumimos qué intenta resolver cada contramedida típica.

• Añadir un condensador de desacoplo: desvía el ruido de alta frecuencia cerca del IC para que la tensión de alimentación no “tiemble”. La clave es colocarlo muy cerca del pin de alimentación. Si está lejos, la inductancia parásita de las pistas bloquea la corriente de alta frecuencia y la eficacia baja.
• Añadir una perla de ferrita: hace que los componentes de alta frecuencia sean más difíciles de pasar, evitando que el ruido se propague. Suele colocarse en el límite entre la parte “ruidosa” y la parte “limpia” (por ejemplo, entre un DC/DC y un bloque RF). La eficacia depende de la banda de frecuencia, así que conviene elegir según el objetivo.
• Usar un plano de masa sólido: proporciona un camino de retorno cercano para que la corriente no haga rodeos. Un retorno cercano reduce el área de lazo (ida + vuelta), reduciendo radiación y acoplos no deseados. Pero si el plano está dividido o una señal cruza una ranura, el retorno puede desviarse y empeorar, así que conviene pensar por dónde circula la corriente.

Resumen

Para tratar el ruido, primero organízalo con Fuente → Camino → Víctima. En PCBs, los parásitos (L/C/R) que no aparecen en el esquema suelen crear el “camino”, y el ruido se vuelve un problema cuando entra en un punto víctima.

Con uSimmics, un modelo mínimo y sus formas de onda ayudan a “entender” por qué una contramedida funciona. En próximos artículos, con el mismo marco, veremos reflexión y ringing (terminación / líneas de transmisión), perlas de ferrita (por qué funciona la pérdida), diafonía (acoplo C/L) y desacoplo + GND (impedancia común), paso a paso y con formas de onda.