Con la reciente aparición de las placas similares a Arduino/Raspberry, tengo un nuevo interés en los circuitos/electrónica. Tomé algunas clases introductorias en la licenciatura y, para ser honesto, fue bastante difícil. Dicho esto, siento que mi pregunta es bastante simple para un ingeniero eléctrico experimentado, pero me está costando encontrar una respuesta directa.
Cuando compro una placa de conexiones que consta de un circuito integrado (IC), a menudo hay condensadores, resistencias, etc. colocados en línea con los pines de cabecera. ¿Para qué sirven? ¿Por qué no ponen esos componentes en el IC para empezar? El vendedor de la placa de conexión generalmente envía hojas de datos sobre el propio IC, pero no se dice mucho sobre los condensadores, resistencias, etc. adicionales.
Hipotéticamente, supongamos que quería construir mi propia placa de conexión para Arduino/Raspberry basada en un IC seleccionado. ¿Cómo puedo saber qué condensadores, resistencias, etc. adicionales se necesitan para que la placa de conexión funcione? ¿Qué tipo de preguntas debo hacerme para diseñar los circuitos que conectan el IC a los pines del cabezal? Sé que depende del IC y la placa de destino, por lo que no estoy buscando una respuesta específica, pero ¿qué pasa si cambio la placa de destino? ¿Qué pasa si cambio el IC? ¿Cómo influyen estos en el diseño?
Básicamente, estoy tratando de comprender mejor los condensadores, resistencias, etc. adicionales que se encuentran en las placas de conexión. Puedo investigar más por mi cuenta, pero al menos me gustaría obtener una explicación general que me ayude a guiarme en futuras investigaciones.
Muchas veces, lo que llama una placa de conexiones es, de hecho, un circuito completo.
Las otras partes son todas las cosas necesarias para que funcione, a menudo implementadas a partir de un circuito recomendado en la hoja de datos.
Una placa de conexiones en el sentido habitual es solo una placa en la que puede conectar un chip pequeño o complicado y tener conexiones manejables mediante cables o clavijas de placa de pruebas.
Usted averigua lo que va en el tablero al observar lo que se necesita para hacer un circuito funcional (voltaje de suministro, señales de control necesarias, componentes adicionales, etc.) lo obtiene de la hoja de datos.
Luego, mira y ve lo que su placa principal (Arduino o lo que sea) puede proporcionar.
Supongamos, por ejemplo, que su chip externo necesita 3,3 V. Bueno, hay 3.3V disponibles del Arduino. Bien. Solo que el chip es un ADC de 24 bits. Los 3,3 V del Arduino son realmente desagradables, así que incluya un regulador separado en la placa de conexión o filtre en gran medida los 3,3 V del Arduino.
Ahora, la potencia de 3,3 V para el ADC significa que también utiliza niveles lógicos de 3,3 V. ¿Puede Arduino aceptarlos? ¿Puede el ADC tolerar el nivel lógico de 5V del Arduino? De lo contrario, incluya el cambio de nivel lógico en su ruptura.
Luego, obtienes los principios generales de diseño.
En nuestro ejemplo de un ADC, necesitaremos condensadores de desacoplamiento en los pines de alimentación del ADC. Prácticamente cualquier chip necesita esto. Ya sea para evitar que su ruido de conmutación moleste a otras partes, o para evitar que el ruido de otras partes cause un problema en el chip que está mirando.
Entonces, hay mucho que involucra. No existe una solución simple de "espolvorear un montón de resistencias y condensadores como polvo de hadas".
Lo que necesita para un ADC es diferente de lo que necesita para un controlador de relé es diferente de lo que necesita para un sensor es diferente de otras cosas.
Caso por caso, lo que sea necesario/requerido para que funcione y sea seguro.
En respuesta a los comentarios de OP:
Muchas hojas de datos incluyen circuitos de ejemplo. A menudo, los ejemplos también son los circuitos utilizados cuando el fabricante midió el rendimiento real del chip; seguir esas recomendaciones debería obtener el rendimiento como en las tablas de datos de la hoja de datos. Las buenas hojas de datos también mencionan por qué se eligieron ciertas partes.
Por lo tanto, cuando diseñe una placa de conexiones (o cualquier otro circuito que use un IC en particular), comience por mirar la hoja de datos y los ejemplos que brinda.
Independientemente de si la hoja de datos proporciona o no un ejemplo, tendrá que hacer coincidir las conexiones de la ruptura con lo que el dispositivo base espera y proporciona.
Como ya ha seleccionado su dispositivo base (Arduino o Pi o lo que sea), primero familiarícese con él: qué niveles de señal espera, qué potencia puede proporcionar a los dispositivos externos, cómo puede comunicarse con los circuitos externos, etc. Luego, mira para un IC o circuito que proporcione cualquier función que necesite. Encuentre uno que coincida con sus requisitos funcionales y que también pueda comunicarse fácilmente con su dispositivo base.
Tal vez descubra que ningún IC que cumpla con los requisitos funcionales puede hablar fácilmente con su dispositivo base. Bueno, puede agregar circuitos para hacerlo posible (por ejemplo, cambio de nivel para que un IC de 1.8 V pueda hablar con un Arduino de 5 V). O bien, retrocede y reconsidera el dispositivo base; podría ser más simple usar algo que puede dirigirse de forma nativa a su dispositivo externo.
Entonces, elija un extremo y trabaje desde allí. Puede terminar haciendo un par de bucles de un lado a otro, bueno, sucede.
Puede usar programas como LTSpice para simular circuitos antes de construirlos, pero no todos contendrán modelos de todos los circuitos integrados. No soy un gran fan de ellos. Todos tienen inexactitudes en alguna parte, y como principiante (o aficionado como yo) no sabrás necesariamente cuándo un circuito está fallando porque está mal o porque te has topado con una de esas extrañas arrugas en el software.
Elija algo interesante y vea lo que se necesitaría para lograrlo. Para empezar, use los módulos disponibles; esto le brinda cierto éxito y un progreso visible.
Vea cómo funcionan los módulos y cómo están diseñados.
En su próximo proyecto, considere algo que necesite un circuito externo simple. Mira cómo otros lo logran, luego crea un circuito que creas que funcionará. Constrúyalo en una protoboard o perfboard para probarlo. Repárelo, mejórelo, haga que le fabriquen un PCB para que pueda instalarlo permanentemente en su dispositivo.
Puede publicar circuitos aquí y pedir ayuda cuando no funcionen (o no funcionen bien). Pero debe publicar sus diagramas de circuitos (y muchas veces el diseño o una imagen de su tablero) cuando lo haga. Haga preguntas directas en lugar de preguntas abiertas. (Malo: "Critique este diagrama de circuito de cinco páginas". Bueno: "Este amplificador está oscilando. Aquí está el circuito. ¿Qué he hecho que lo vuelve inestable?")
A veces, los componentes son externos al IC porque son difíciles o costosos de fabricar con el proceso del IC. A veces, los componentes externos se usan para programar el IC para que haga ciertas cosas.
Los capacitores son dos placas conductoras de un área determinada, separadas por un aislante. El área, los bienes raíces, son costosos en un IC, y las múltiples capas, la cantidad de pasos de procesamiento también son costosos. Los dieléctricos disponibles que son compatibles con el proceso de silicio solo tienen una K baja. Todo esto significa que los valores por encima de unos pocos pF generalmente se implementan preferentemente fuera del chip.
Aunque los conjuntos de resistencias de proceso estándar en el chip funcionan muy bien, tienen una tolerancia absoluta muy pobre. Si se necesita algo mejor que un pequeño porcentaje de precisión, generalmente es más barato poner esa resistencia fuera del chip. Las resistencias estándar se asientan en un pozo y, por lo tanto, no pueden salir de los rieles de alimentación. Es posible una resistencia aislada, pero ocupa más área y, por lo tanto, es más costosa.
Una parte a menudo se venderá con funciones 'programables por pin'. Se necesitarán componentes externos para establecer voltajes y corrientes en ciertos pines para controlarlos.
Todos los circuitos integrados tienen algún grado de protección de entrada, casi siempre diodos desde los pines hasta los rieles. Una resistencia en serie externa puede mejorar significativamente el manejo de potencia de estos, al limitar la corriente máxima que puede fluir. Esto puede ser útil en una placa de conexiones diseñada para ser manipulada/utilizada por aficionados.
Una placa de conexiones está diseñada para facilitar las funciones de la interfaz para algún propósito limitado. Un IC digital VLSI, como un chip ARM, tendrá una gran cantidad de componentes analógicos en su interior para relojes y PLL, pero en lugar de limitar las funciones analógicas en su interior, se dejan para usar el diseño de interfaz para protección de entrada adicional, indicadores de salida, filtros de entrada, corriente de salida limitadores, optoaisladores o componentes de temporización del usuario, tiempo de reinicio de encendido, cambiadores de nivel, etc. con compensaciones en las elecciones hechas para cada uno.
Un IC está diseñado para satisfacer la necesidad del mercado de funciones específicas con las más amplias variaciones multipropósito para funciones analógicas y algunas variaciones para la configuración del reloj en funciones digitales, por ejemplo. Por supuesto, el filtrado debe realizarse externamente para optimizar el costo y la ubicación de las piezas, ya que los circuitos integrados están limitados a los valores de C que se pueden incorporar y la complejidad del proceso y los bienes inmuebles del silicio afectan el costo del circuito integrado.
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