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15vo CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA
ELECTROMECÁNICA Y DE SISTEMAS (CNIES 2015)
ARTÍCULO No. TEL12
ARTÍCULO ACEPTADO POR REFEREO
Diseño de un filtro EBG Hibrido para reducir
ruido en diseños digitales
Francia-Gómez A., Peña-Rivero R., Ramírez-García E.
efectos donde se observa más el deterioro de la misma y los
diferentes tipos de problemas que se pueden presentar, como
lo son: los sobre-impulsos (ver parte superior de la figura 1),
oscilaciones e indefiniciones del estado lógico cuando se
presentan deformaciones en la señal digital (ver parte inferior
de la figura 1).
Resumen— En éste artículo se presenta el diseño de un filtro de
línea EBG Hibrido de gran ancho de banda ( 13.16 GHz), que no
contiene bandas de paso, construido en una área pequeña
(225 mm2) para reducir la amplitud de señales indeseadas debidas
al ruido de conmutación simultanea (SNN) que afecta la
integridad de la señal en sistemas digitales. Se presentan
resultados obtenidos mediante simulación y mediciones
experimentales.
Palabras Clave— Estructuras EBG, filtro de línea, ruido de
conmutación simultánea, ruido de banda ancha, tarjetas de
circuito impreso.
Abstract— A design of a broadband line filter hybrid EBG based
on without pass-band built in a small area (225 mm2) to reduce
unwanted signals due to the simultaneous switching noise (SNN)
which affect the signal integrity in recent digital systems is
presented. Simulated and measured results are also present.
Keywords— EBG structure, line filter, simultaneous switching
noise, broadband noise, printed circuit board.
I. INTRODUCCIÓN
En la actualidad la tecnología digital en muchos ámbitos de
la vida es importante, por el tipo y cantidad de información
que se maneja y se procesa.
Figura 1.- Deformaciones que sufre un pulso digital
y que afectan su integridad [2].
La tendencia de aumentar cada vez más esta cantidad de
información y de reducir los tiempos de procesamiento de la
misma, así como el consumo de potencia de los sistemas
durante su funcionamiento, requiere que trabajen con señales
de mayor velocidad y menores niveles de voltaje. Esto se
sintetiza por la ley de Moore [1].
Una señal digital, idealmente se puede ejemplificar como un
tren de pulsos cuadrados, pero en realidad es un tren de pulsos
trapezoidales, que transformados al dominio de la frecuencia,
se puede observar que:
1. Señales con tiempos de conmutación grandes,
contienen espectros con armónicos de amplitud
pequeña en altas frecuencias.
Trabajar con niveles bajos de voltaje implica tener sistemas
más susceptibles a ruido, esto nos ha llevado a comprometer la
integridad de la señal. En la figura 1 [2] se muestran estos
2. Señales con tiempos de conmutación pequeños,
contienen espectros con armónicos de amplitud
grande en altas frecuencias.
Los autores están adscritos al Instituto Politécnico Nacional, SEPI-ESIMEZac,
correos:
[email protected],
[email protected],
y
[email protected].
México D.F., 19 al 23 de octubre 2015
Lo anterior se ejemplifica en la figura 2 [3] en la cual se
observan dos señales con la misma frecuencia fundamental (10
MHz), pero con tiempos de conmutación diferentes una de 20
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ns y la segunda de 5 ns, además de tener una amplitud de 1 V
y un ciclo útil del 50%.
Para tratar de minimizar las perturbaciones que se presentan en
las señales digitales, actualmente se utilizan diferentes
técnicas, las cuales se muestran gráficamente en la figura 4.
Como puede verse en ésta figura, para intervalos de frecuencia
menores a 500 MHz se han estado utilizando capacitores de
montaje superficial, para el caso de frecuencias comprendidas
entre 10 MHz y 1GHz el empleo de la capacitancia intrínseca
que se obtiene entre las pistas que forman las capas de las
tarjetas de circuito impreso (PCB Printed Circuit Board) ha
sido una buena solución y aunque la técnica que se denomina
segmentación de planos, hasta ahora cubre el intervalo de
frecuencias que lo hacían las técnicas anteriormente descritas,
ésta última está limitada a frecuencias de hasta unas cuantas
unidades de Giga Hertz, por lo que para las frecuencias
superiores a este intervalo de frecuencia, se ha estado
proponiendo el empleo de estructuras EBG (bandas
electromagnéticamente prohibidas) para reducir los niveles de
potencia de los armónicos de señales digitales que operan
actualmente por arriba de 1 GHz y sus correspondientes
armónicos que se generan.
a) 20 ns
b) 5 ns
Figura 2.- Graficas en el tiempo y frecuencia de señales
trapezoidales de 10 MHZ con 1 V de amplitud. Caso (a) con
un tiempo de subida de 20 ns. Caso (b) con un tiempo de
subida de 5 ns [3].
El ruido de conmutación simultánea SSN (Simultaneous
Switching Noise) llamado también Delta I Noise o ruido de
rebote en tierra (Ground Bounce Noise) se considera como
uno de los problemas más críticos en el diseño de sistemas
digitales [4], este ruido se puede apreciar en la gráfica de color
azul de la figura 3 [5], donde se puede observar que el valor
de referencia, el cual debería ser 0 V, presenta diferencias de
potencial con valor positivo y negativo de hasta 1 V,
provocando inestabilidades en la operación general del sistema
debido a éstas variaciones.
Figura 4.- Intervalo de operación de las diferentes técnicas
utilizadas para minimizar las perturbaciones presentes en las
señales digitales [7].
El problema de las estructuras EBG, que hasta el momento se
han estado probando en diferentes partes del mundo, es que
para obtener un efecto filtrante por debajo de 1 GHz, éstas
deben de ser de gran tamaño (equivalentes al tamaño de una
hoja carta) lo que hace que no sea tangible su utilización en
sistemas o equipos portátiles como lo son las computadoras
portátiles, las tablets y los teléfonos celulares.
Es por estas limitantes que se propone trabajar con una
estructura EBG hibrida [7], en la cual se utilizan los
capacitores de desacoplamiento y una estructura EBG simple
para aumentar el ancho de banda de operación y reducir la
complejidad y tamaño de la estructura.
El trabajo está dividido de la siguiente forma, en la sección II
se detalla el diseño
del filtro EBG hibrido y las
modificaciones que se realizaron respecto al filtro de
referencia, en la sección III se muestran los resultados de las
mediciones obtenidas de la nueva propuesta filtro EBG
hibrido.
Figura 3.- Perturbaciones que se presentan
en una señal digital. [5].
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II. DESARROLLO
Lo primero que se consideró fue la frecuencia del corte que
presenta la estructura EBG, por lo que basándose en el
esquema de la figura 4, se decidió utilizar capacitores de
montaje superficial con un valor ligeramente mayor al
utilizado en [7]. En teoría el valor del capacitor podría ser de
cualquier valor superior a 1 pF para obtener una frecuencia de
corte inferior en la respuesta del filtro, a más bajas
frecuencias, sin embargo, llevando a cabo una serie de
simulaciones utilizando un programa comercial de simulación
electromagnética, se observó que el valor de estos capacitores
no deben ser muy grandes ya que en la respuesta en frecuencia
del filtro tipo EBG híbrido, se identifican dos regiones de
supresión de frecuencias, una de ellas debida a los capacitores
de montaje superficial y otra a la contribución de los parches
que forman la estructura EBG, lo cual hace que si se tienen
éstas regiones separadas una de la otra se obtiene un intervalo
de frecuencias que pueden pasar sin ser atenuadas. A éste
intervalo de frecuencias le llamamos banda de paso del filtro
EBG híbrido. Para prevenir la presencia de esta región y
obtener una frecuencia de corte inferior, conservando un
amplio ancho de banda de supresión, se llevaron a cabo varias
simulaciones electromagnéticas a la estructura mostrada en la
figura 5, en las cuales se consideraron:
En [7] se propone una estructura EBG hibrida, la cual se
muestra en la figura 5, ésta estructura es pequeña (con una área
de 225 mm2) y tiene un ancho de banda de rechazo
considerable (9.77 GHz) con frecuencia de corte inferior de
3.13 GHz y frecuencia de corte superior de 12.9 GHz, en la
gráfica de la figura 6 se pueden apreciar éstas frecuencias y los
niveles de atenuación que se obtienen con éste tipo de
estructuras. La principal problemática de esta propuesta es que
al reducir la estructura en complejidad y tamaño se pierde la
supresión en frecuencias menores a 3 GHz con lo cual,
sistemas que trabajan por debajo de estas frecuencias se verían
comprometidos en su funcionamiento.
Partiendo como referencia, del filtro propuesto en [7], se
realizó un análisis para optimizar su respuesta, ampliar el
ancho de banda a frecuencias inferiores a 3 GHz, pero
conservando las dimensiones originales del filtro.
a
a
a
a
1. La reducción de la separación “a” que existe entre los
parches con el objeto de obtener efectos capacitivos
más acentuados y así lograr atenuaciones a medianas
frecuencias, e incrementar más la distancia “b” para
que los efectos capacitivos debidos a esta separación
fueran de menor orden y por consiguiente sus
respuestas formaran resonancias a mayores
frecuencias.
b
b
a
2. Modificar la ubicación de las vías, para observar su
contribución en la respuesta del filtro agregando
efectos inductivos.
a
a
a
Figura 5.- Estructura EBG hibrida propuesta en [7].
3. Llevar a cabo un análisis, de las dimensiones de los
parches, ya que éstos generan efectos capacitivos e
inductivos.
4. Mantener el radio de las vías, basándose en los
resultados de [7] y [8].
Tomando en cuenta éstas modificaciones, se rediseño el
filtro EBG hibrido, con lo cual se obtuvo un filtro muy
similar, como puede observarse en la figura 7, la respuesta
de esta nueva propuesta se puede apreciar en la gráfica de
la figura 8, donde se pueden apreciar las frecuencias de
corte inferior y superior.
Figura 6.- Respuesta del filtro EBG hibrido propuesto en [7].
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pendiente en las mediciones, lo cual no se aprecia en la
simulación, se puede deducir que se presenta una inductancia
la cual ocasiona que se presente este efecto, a partir de ahí se
tiene una similitud respecto a las formas de onda pero con
ciertos desfases en algunas resonancias. A pesar de que no se
tiene una respuesta idéntica (debido a que la simulación
considera un modelo idealizado), en todo el intervalo de
medición y simulación, se presenta una tendencia similar en
ambas respuestas,
En la forma de onda correspondiente a la simulación, se
muestra que el diseño en condiciones ideales tiene un ancho de
banda de que va de 0.22 GHz hasta superar los 20 GHz, pero
en condiciones reales se tiene una banda de paso que va de
13.38 hasta 14.84 GHz con una atenuación máxima de -2.2
dB, teniendo un total de 1.46 GHz de ancho de banda, por lo
cual solo se considerara la respuesta en la medición a partir de
0.22 GHz hasta 13.38 GHz teniendo un ancho de banda
efectivo de 13.16 GHz.
Los resultados nos muestran que con esta nueva propuesta ya
es posible incluir dichos sistemas. A continuación en la tabla 1
se muestra un comparativo entre el filtro de referencia y la
propuesta de este trabajo.
Figura 7.- Propuesta de filtro EBG hibrido.
Para la construcción se utilizó una tarjeta de circuito impreso
tipo microcinta, hecha con material de fibra de vidrio, el cual
presenta una permitividad dieléctrica de 4.7, ya que las
atenuaciones que presenta a altas frecuencias favorecen a la
reducción de las amplitudes de las señales indeseadas que
queremos eliminar.
III. RESULTADOS
Una vez terminado el proceso de construcción de dicho filtro
el cual se muestra esquemáticamente, en la figura 7, se llevó a
cabo la medición del parámetro S21 el cual nos indica la
relación de la señal incidente con la de salida, en el intervalo
de frecuencias de 0 a 20 GHz. Esta respuesta se puede
observar en la gráfica mostrada en la figura 8, donde podemos
ver un comparativo entre la respuesta obtenida por simulación
electromagnética (rojo) y la medición (azul).
Tabla 1. Comparativo de las características del filtro de
referencia y el filtro EBG hibrido propuesto.
Filtro EBG
Filtro EBG
Características
hibrido de
hibrido
referencia
propuesto
Frecuencia de
3.13 GHz
0.22 GHz
corte inferior
Frecuencia de
12.9 GHz
13.38 GHz
corte superior
Ancho de banda
9.77 GHz
13.16 GHz
Área total del
2
225 mm
225 mm2
filtro
IV. CONCLUSIONES
Al cambiar la ubicación de los parches y las vías para poder
aumentar los efectos capacitivos e inductivos entre ellos, se
pudo obtener una mejora significativa en altas frecuencias
mientras que con el empleo de capacitores SMT de 10 pF se
pudo lograr tener una frecuencia de corte por debajo de 1
GHz. Como se puede apreciar de la gráfica de la figura 8, no
fue necesario modificar el tamaño de la estructura para poder
obtener una mejor respuesta, si no encontrar la mejor
ubicación de los elementos dentro de la misma.
Con todos los cambios anteriores se obtuvo un incremento en
el ancho de banda de 3.39 GHz, lo cual lo hace bastante
atractivo para utilizarse en sistemas que requieran reducir las
amplitudes de frecuencias indeseadas, cercanas a los 200
MHz, con lo cual esta nueva propuesta puede ser
implementada en algunos sistemas electrónicos portátiles en la
actualidad y poder reducir los efectos ocasionados por el ruido
de conmutación simultánea (SNN) a pesar de que los niveles
Figura 8.- Respuesta de la propuesta de filtro EBG hibrido
Como se puede observar de los resultados medidos y
simulados, en 0.22 GHz se tiene un valor de -3 dB, el cual se
debe a la respuesta de los capacitores de montaje superficial
(SMT), a partir de ese punto y hasta 1.3 GHz, tanto la
respuesta obtenida por simulación como la obtenida por
medición tienen coincidencia, pero en la banda de 1.3 GHz a
4.3 GHz se pierde la forma de onda ya que se tiene una
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aplicaciones en el dominio de los terahertz.
Actualmente
labora
como
profesor
investigador en el Instituto Politécnico
Nacional (México).
de atenuación para algunas frecuencias es inferior a los -10
dB.
V. AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al Instituto Politécnico Nacional, y a la
Secretaria de Posgrado e Investigación, por el apoyo brindado
para la realización de los proyectos que llevaron a cabo para la
obtención de este producto a través de los financiamientos a
los proyectos SIP20140893 y SIP20151656.
Raúl Peña Rivero. Egresado de la ESIMEZacatenco del Instituto Politécnico
Nacional en 1990, Obtuvo el grado de
Maestria en Bioelectrónica en 1993 en el
CINVESTAV-IPN y el grado de Doctor en
Comunicaciones y Electrónica en la
ESIME-Culhuacán en el año 2006.
Actualmente trabaja en la SEPI-ESIMEZacatenco, en el Laboratorio de
Compatibilidad Electromagnética. Su área
de investigación está relacionada con el
ruido digital en los sistemas electrónicos.
VI. REFERENCIAS
[1] Ethan Mollick, “Establishing Moore’s Law”, MIT Sloan
School of Management, Published by the IEEE Computer
Society 2006.
[2] Schmitt R, “Electromagnetics Explained: A Handbook for
Wireless/RF, EMC, and High-Speed Electronics”, Elsevier
Science, USA, 2002.
[3] C. R. Paul, “Introduction to Electromagnetic
Compatibility”, 2nd ed, John Wiley and Sons, new Jersey,
2006.
[4] H. W. Ott, “Electromagetic Compatibility Engineering”,
Jhon Wiley and Sons, 2009.
[5] Altera White Paper, “minimizing Ground Bounce and VCC
Sag”, ver. 1.0, Altera Corporation, San Jose California, 2001.
[6] Brooks Douglas, “Ground bounce part 2”, Printed Circuit
Design Magazine, Miller Freeman Publications, September
1997.
[7] H. Alejandro M. T. “Desarrollo de un filtro EBG hibrido
de tamaño pequeño para reducir ruido de onmutacion
simultanea” Tesis de maestría SEPI ESIME Zacatenco I.P.N.,
Junio 2011.
[8] H. Diane C. G. “Control de resonancias que se presentan
en una tarjeta de circuito impreso tipo microcinta” Tesis de
maestría SEPI ESIME Zacatenco I.P.N., Junio 2012.
VII. BIOGRAFIAS
Armando Francia Gómez. Egresado de la
ESIME-Zacatenco del Instituto Politécnico
Nacional en 2012, estudiante para obtener el
grado de Maestría en Telecomunicaciones en
2016 en la ESIME-IPN. Sus intereses
consisten en el desarrollo, modelado y
caracterización de circuitos y filtros de banda
electromagnética prohibida.
Eloy Ramirez-Garcia es Ing. en Electrónica
y M. en C. en Ing. de Telecomunicaciones
por el Instituto Politécnico Nacional y
Doctor en Física Aplicada por la Universidad
París Sur XI.
Sus intereses de investigación incluyen la
caracterización
y el
modelado
de
dispositivos activos y pasivos para
México D.F., 19 al 23 de octubre 2015
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