Sensores Embebidos en PCBs: Integración de MEMS y Señales Analógicas

(Filtrado de Ruido, ADC de Alta Resolución y Diseño Óptimo)

La integración de sensores embebidos directamente en PCBs está revolucionando aplicaciones como IoT médico, wearables y sistemas industriales. Sin embargo, combinar sensores MEMS (microelectromecánicos) con señales analógicas de baja amplitud exige un diseño cuidadoso para evitar ruido, deriva térmica y pérdida de precisión.

En este artículo, exploraremos:
Cómo integrar sensores MEMS (acelerómetros, giroscopios) en PCBs sin degradar la señal.
Técnicas de filtrado de ruido para señales analógicas críticas.
Selección de ADCs de alta resolución (16-bit, 24-bit) y su configuración óptima.
Casos prácticos en IoT y robótica.

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1. Integración de Sensores MEMS en PCBs: Retos y Soluciones

Los sensores MEMS (ej: MPU6050, BME280) miden movimiento, presión o humedad, pero generan señales débiles susceptibles a interferencias.

Problemas Comunes

• Acoplamiento de ruido desde fuentes digitales (MCUs, buses SPI/I2C).

• Vibraciones mecánicas que falsean lecturas (ej: en drones o maquinaria industrial).

• Deriva térmica en sensores de presión o acelerómetros.

Soluciones de Diseño

Separación física:

• Ubicar sensores MEMS lejos de componentes que introducen ruido en la señal o l alimentación (convertidores DC/DC, motores).

• Usar islas de tierra dedicadas para evitar acoplamiento capacitivo.

Alimentación limpia:

• Reguladores LDO (ej: TPS7A47) en lugar de otros reguladores con más ruido para sensores analógicos.

• Filtros RC/LC (ej: ferritas + capacitores cerámicos X7R).

Ejemplo: En una PCB para un dron, un acelerómetro MEMS cerca del motor recibía ruido por el funcionamiento de este. La solución fue:

• Aislarlo con una zona de tierra separada.

• Usar un filtro paso-bajo (R = 100Ω, C = 100nF) en la alimentación.

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2. Filtrado de Ruido en Señales Analógicas

Las señales de sensores (ej: termopares, micrófonos MEMS) suelen estar en el rango de microvoltios a milivoltios, lo que las hace vulnerables.

Técnicas Clave

• Filtrado hardware:

  • Filtro paso-bajo activo (con op-amps como ADA4528) para eliminar ruido HF.

  • Twisted-pair o guard traces en rutas críticas para reducir EMI.

• Filtrado software:

  • Promediado de muestras (oversampling) + algoritmos (media móvil, Kalman).

  • Ejemplo en código:

    #define MUESTRAS 10  
    float leerSensor() {  
      float suma = 0;  
      for (int i = 0; i < MUESTRAS; i++) {  
        suma += analogRead(A0);  
        delay(1);  
      }  
      return suma / MUESTRAS;  
    }

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3. ADCs de Alta Resolución: Cómo Elegirlos y Configurarlos

Un ADC (convertidor analógico-digital) de alta resolución (16-bit o más) es crucial para sensores de precisión.

Comparativa de ADCs

Ejemplo de placa de expansión para un ADC de 16 bits:

Configuración Óptima

1. Referencia de voltaje estable: Usar REF5050 (ruido ultra bajo) en lugar de la referencia interna del MCU.

2. Muestreo sincrónico: Evitar cruce con ruido de clock (ej: habilitar 50/60 Hz rejection en ADCs delta-sigma).

3. Aislamiento digital: Optoacopladores o ADuM3151 (SPI aislado) en entornos ruidosos.

Error común: Usar un ADC de 24-bit sin cuidar el layout. La ganancia real puede limitarse por ruido de pista. Tener más resolución en la lectura no nos ayuda si la señal recibida y la tensión de referencia no es lo bastante estable para que las lecturas estén correctamente referenciadas

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4. Casos Prácticos

Aplicación en IoT Médico

• Sensores: ECG (señales de 0.5–4 mV) + MEMS para monitoreo postural.

• Solución:

  • ADC ADS1298 (24-bit, 8 canales) con filtro notch a 50 Hz.

  • PCB de 4 capas con plano de tierra sólido.

Robótica Submarina

• Problema: Un sensor de presión (MS5837) daba lecturas erráticas por ruido en la alimentación.

• Fix:

  • ADC externo ADS1220 (24-bit) + filtro paso-bajo en la alimentación.

  • Recubrimiento conformal coating contra humedad.

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Conclusión: Claves para un Diseño Exitoso

1. Aislar sensores MEMS de fuentes de ruido con partición adecuada.

2. Combinar filtrado hardware y software para señales analógicas críticas.

3. Usar ADCs de alta resolución con referencias estables.

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