Cada vez más dispositivos electrónicos incorporan sensores capaces de medir movimiento, presión, temperatura, humedad, vibraciones o calidad del aire. Desde equipos de monitorización industrial y dispositivos IoT hasta instrumentación médica o sistemas de automatización, la precisión de estas medidas se ha convertido en un factor determinante para garantizar el correcto funcionamiento del producto.

Sin embargo, disponer de un sensor de alta calidad no garantiza por sí solo obtener mediciones fiables. En muchos proyectos, los errores de lectura no están provocados por el propio sensor, sino por decisiones tomadas durante el diseño electrónico y el desarrollo de la PCB. Una alimentación con demasiado ruido, un layout poco optimizado, una referencia de tensión inestable o una distribución incorrecta de los componentes pueden degradar significativamente la calidad de la señal antes incluso de que llegue al convertidor analógico-digital (ADC).

A medida que aumenta la integración de sensores en aplicaciones industriales, médicas o de monitorización remota, el diseño de la PCB adquiere un papel cada vez más importante. Aspectos como la gestión del plano de tierra, el desacoplo de la alimentación, la separación entre señales analógicas y digitales o la protección frente a interferencias electromagnéticas son tan importantes como la elección del propio sensor.

En este artículo analizaremos las principales recomendaciones para integrar sensores MEMS y señales analógicas en una PCB, explicaremos cómo minimizar el ruido eléctrico, cuándo tiene sentido utilizar un ADC de alta resolución y qué errores conviene evitar para desarrollar productos electrónicos con medidas estables y fiables.

Cuando se trabaja con señales analógicas de pequeña amplitud, el diseño de la PCB deja de ser un simple soporte físico para convertirse en un elemento fundamental del sistema de medida. Señales de apenas unos milivoltios o incluso microvoltios pueden verse alteradas por interferencias procedentes de la propia electrónica, reduciendo la precisión del sensor y dificultando el procesamiento posterior de los datos.

En muchos casos, el verdadero reto no consiste en seleccionar el sensor más preciso del mercado, sino en conseguir que esa precisión se mantenga una vez integrado dentro del producto. De poco sirve utilizar un ADC de 24 bits si el ruido generado por la alimentación o un mal diseño del layout limita la resolución efectiva del sistema a valores muy inferiores.

Los factores que más suelen afectar a la calidad de la medida son:

• Ruido en la alimentación, especialmente cuando sensores analógicos comparten fuente con convertidores DC/DC, motores o circuitos digitales de alta velocidad.
• Distribución incorrecta del plano de tierra, generando caminos de retorno poco controlados e interferencias entre distintas partes del circuito.
• Acoplamiento entre señales analógicas y digitales, especialmente cuando las pistas discurren en paralelo durante largos recorridos.
• Interferencias electromagnéticas (EMI) procedentes del propio equipo o del entorno donde va a trabajar.
• Deriva térmica, tanto del sensor como de los componentes encargados del acondicionamiento de la señal.
• Referencias de tensión poco estables, que reducen directamente la precisión del proceso de conversión analógico-digital.

Todos estos aspectos deben contemplarse desde las primeras fases del diseño. Corregir un problema de ruido una vez fabricada la PCB suele ser mucho más complejo que prevenirlo mediante una buena distribución de componentes, una alimentación correctamente filtrada o un layout optimizado.

En aplicaciones industriales esta planificación resulta especialmente importante. Equipos destinados a trabajar cerca de motores, variadores de frecuencia, líneas de potencia o maquinaria pesada están expuestos a niveles de interferencia mucho mayores que los de un laboratorio, por lo que el diseño debe contemplar estas condiciones desde el inicio para garantizar un funcionamiento estable durante toda la vida útil del producto.

Aunque los sensores MEMS son algunos de los más conocidos, actualmente existe una gran variedad de dispositivos que pueden integrarse directamente sobre una placa electrónica para adquirir información del entorno o del propio funcionamiento del equipo.

Entre los más habituales destacan:

Aunque cada uno presenta requisitos específicos, todos comparten un objetivo común: preservar la integridad de la señal desde el sensor hasta el sistema de adquisición. Para conseguirlo resulta imprescindible prestar atención tanto al diseño eléctrico como al layout de la PCB, la distribución de las masas, la alimentación y el acondicionamiento de la señal.

Precisamente por este motivo, en los siguientes apartados veremos qué aspectos conviene tener en cuenta durante la integración de sensores MEMS y cómo minimizar el ruido para aprovechar al máximo la precisión que ofrecen estos dispositivos.

Fabricantes como STMicroelectronics ofrecen una amplia gama de sensores MEMS utilizados en aplicaciones industriales, IoT y automoción.

Los sensores MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) se han convertido en un elemento habitual en multitud de productos electrónicos gracias a su reducido tamaño, bajo consumo y elevada precisión. Acelerómetros, giroscopios, magnetómetros, sensores de presión o sensores ambientales permiten incorporar nuevas funcionalidades sin aumentar significativamente el tamaño del dispositivo.

Sin embargo, su integración requiere prestar atención a numerosos aspectos del diseño electrónico. Aunque estos sensores suelen incorporar parte del acondicionamiento de señal en su propio encapsulado, siguen siendo sensibles a interferencias eléctricas, vibraciones mecánicas y variaciones térmicas que pueden afectar a la calidad de las medidas.

Por este motivo, el diseño de la PCB debe contemplar tanto el comportamiento eléctrico como el entorno físico en el que trabajará el sensor.

La ubicación del sensor dentro de la PCB tiene un impacto directo sobre la precisión de las medidas.

Siempre que sea posible, conviene situarlo alejado de componentes que puedan generar interferencias, como convertidores DC/DC, etapas de potencia, motores, relés o líneas de alta corriente. Estos elementos pueden introducir ruido tanto por conducción como por radiación electromagnética.

Además, resulta recomendable agrupar los circuitos analógicos alrededor del sensor para reducir la longitud de las pistas y minimizar la posibilidad de captar interferencias externas.

En aplicaciones donde la precisión resulta crítica, también es conveniente mantener cierta separación respecto a microcontroladores, memorias o buses digitales de alta velocidad.

Muchos problemas atribuidos a los sensores tienen realmente su origen en la alimentación.

Una fuente con demasiado ruido puede degradar la resolución efectiva del sistema de medida incluso aunque el sensor y el ADC sean de alta precisión.

Por este motivo suele ser recomendable alimentar los sensores analógicos mediante reguladores LDO de bajo ruido cuando la aplicación lo requiera, incorporando además condensadores de desacoplo muy próximos a los pines de alimentación y filtros RC o LC cuando existan fuentes importantes de interferencias.

No todas las aplicaciones necesitan una alimentación extremadamente sofisticada, pero sí resulta importante evitar que sensores especialmente sensibles compartan alimentación directamente con convertidores conmutados o cargas de elevada corriente.

El plano de masa constituye uno de los elementos más importantes para preservar la calidad de la señal.

Siempre que sea posible debe mantenerse continuo y ofrecer un camino de retorno de baja impedancia para las señales analógicas. Las interrupciones innecesarias, los planos excesivamente fragmentados o los retornos compartidos con etapas de potencia pueden incrementar considerablemente el nivel de ruido.

En diseños mixtos resulta habitual separar funcionalmente las zonas analógicas y digitales, pero evitando crear islas completamente aisladas que dificulten el retorno de corriente.

El objetivo no es disponer de muchas masas diferentes, sino controlar correctamente por dónde circulan las corrientes de retorno.

No todos los problemas tienen un origen eléctrico.

Los sensores MEMS responden a magnitudes físicas como aceleración, presión o vibración, por lo que también pueden verse afectados por la propia estructura mecánica del equipo.

En aplicaciones como drones, maquinaria industrial o vehículos, la posición del sensor respecto a motores, ventiladores o elementos sometidos a vibraciones puede modificar significativamente las lecturas obtenidas.

Del mismo modo, las deformaciones de la propia PCB provocadas por tornillos de fijación, esfuerzos mecánicos o cambios de temperatura pueden alterar el comportamiento de determinados sensores de alta sensibilidad.

Por ello, el diseño mecánico y el diseño electrónico deben abordarse de forma conjunta desde las primeras fases del desarrollo.

Una vez que el sensor ha capturado la información, el siguiente reto consiste en conservar esa señal hasta que pueda ser procesada por el convertidor analógico-digital.

En este punto entran en juego el filtrado analógico, el acondicionamiento de señal y las técnicas de procesamiento digital. Su objetivo es reducir el ruido y mejorar la relación señal/ruido sin alterar la información útil procedente del sensor.

Conviene recordar que ningún algoritmo es capaz de recuperar una señal que ya ha llegado degradada al ADC. Por ello, el acondicionamiento comienza siempre en el propio diseño electrónico.

El filtrado analógico constituye la primera barrera frente al ruido eléctrico.

Dependiendo de la aplicación pueden utilizarse filtros paso bajo, filtros activos basados en amplificadores operacionales o redes RC sencillas que atenúan las componentes de alta frecuencia antes de digitalizar la señal.

También resulta habitual incorporar ferritas, filtros LC o condensadores de desacoplo para reducir el ruido procedente de la alimentación, especialmente cuando el sistema convive con convertidores DC/DC o cargas conmutadas.

La elección del filtro dependerá del ancho de banda que realmente necesite la aplicación. Filtrar en exceso puede eliminar información útil, mientras que un filtrado insuficiente permitirá que el ruido llegue al ADC y reduzca la precisión efectiva de las medidas.

No todas las señales pueden conectarse directamente al convertidor analógico-digital.

Sensores como galgas extensométricas, termopares, fotodiodos o determinadas sondas de presión generan señales de muy baja amplitud que requieren una etapa previa de acondicionamiento.

En estos casos suele ser necesario incorporar:

• Amplificadores de instrumentación para aumentar el nivel de la señal.
• Buffers para adaptar impedancias.
• Referencias de tensión de alta estabilidad.
• Protección frente a sobretensiones y descargas electrostáticas.
• Filtros específicos adaptados a la frecuencia útil de la medida.

Un correcto acondicionamiento permite aprovechar toda la resolución disponible en el ADC y reduce considerablemente la sensibilidad frente a perturbaciones externas.

Una vez digitalizada la señal todavía es posible mejorar su estabilidad mediante técnicas de procesamiento implementadas en el firmware.

Algoritmos como la media móvil, el sobremuestreo (oversampling), los filtros exponenciales o el filtro de Kalman permiten reducir las variaciones aleatorias sin modificar el hardware.

No obstante, el filtrado digital debe entenderse como un complemento al diseño electrónico, nunca como una solución para corregir problemas provocados por una PCB mal diseñada o una alimentación excesivamente ruidosa.

En ingeniería electrónica existe una máxima que conviene recordar: es mucho más sencillo preservar una señal limpia que intentar reconstruir una señal degradada. Esa filosofía debe guiar todo el proceso de diseño cuando se desarrollan productos basados en sensores de precisión.

Todos los microcontroladores modernos incorporan convertidores analógico-digitales (ADC) integrados que permiten leer sensores analógicos sin necesidad de hardware adicional. En muchas aplicaciones estos ADC internos ofrecen un rendimiento más que suficiente y simplifican considerablemente el diseño.

Sin embargo, cuando se necesitan medidas de alta precisión, un amplio rango dinámico o una excelente estabilidad a largo plazo, utilizar un ADC externo suele convertirse en la mejor opción.

La elección dependerá siempre de los requisitos de la aplicación y no únicamente del número de bits especificado por el fabricante.

Los ADC externos suelen incorporar características que permiten obtener medidas mucho más precisas que las ofrecidas por la mayoría de microcontroladores:

• Mayor resolución (16, 18 o 24 bits).
• Menor nivel de ruido interno.
• Referencias de tensión más estables.
• Mejor linealidad y precisión.
• Mayor inmunidad frente al ruido generado por el propio microcontrolador.
• Posibilidad de incorporar amplificadores programables (PGA) para señales de muy baja amplitud.

Estas características resultan especialmente interesantes en aplicaciones donde pequeñas variaciones de tensión representan cambios importantes en la magnitud física medida.

Uno de los errores más habituales consiste en seleccionar un ADC únicamente por el número de bits.

En la práctica, un ADC de 24 bits no garantiza automáticamente una mayor precisión que uno de 16 bits. Si el diseño de la PCB introduce ruido en la alimentación, la referencia de tensión no es suficientemente estable o el layout no está optimizado, la resolución efectiva del sistema será muy inferior a la teórica.

Por este motivo, antes de aumentar la resolución del convertidor conviene asegurarse de que toda la cadena de medida —sensor, acondicionamiento de señal, alimentación y PCB— está diseñada para aprovechar realmente esa capacidad.

En muchas ocasiones, mejorar el diseño del circuito ofrece resultados mucho más significativos que sustituir el ADC por otro de mayor resolución.

Además de la resolución, existen otros parámetros que influyen directamente en el rendimiento del sistema:

La selección del ADC debe realizarse considerando el sistema completo y no únicamente las especificaciones del propio convertidor.

Colocar el sensor demasiado cerca de fuentes de ruido

Compartir la alimentación con circuitos de potencia

Descuidar el layout de las señales analógicas

Confiar únicamente en el filtrado por software

Seleccionar el sensor sin considerar la aplicación real

La experiencia demuestra que la mayoría de estos problemas pueden evitarse durante las primeras fases del desarrollo. Una buena planificación del diseño electrónico, junto con un layout optimizado y una adecuada estrategia de adquisición de datos, permite obtener medidas mucho más fiables sin necesidad de recurrir a soluciones complejas o incrementar significativamente el coste de la electrónica.

La integración de sensores MEMS y circuitos de adquisición analógica se ha convertido en un elemento clave en multitud de sectores industriales. A medida que aumenta la necesidad de obtener datos más precisos y procesarlos en tiempo real, el diseño de la PCB adquiere un papel fundamental para garantizar la fiabilidad de las medidas.

Aunque las buenas prácticas descritas en este artículo son aplicables a prácticamente cualquier desarrollo electrónico, existen aplicaciones donde un diseño cuidadoso resulta especialmente importante.

IoT industrial y monitorización remota

Los dispositivos IoT suelen incorporar sensores de temperatura, presión, humedad, vibración o calidad del aire que permanecen funcionando durante largos periodos de tiempo sin intervención humana.

En este tipo de equipos, minimizar el ruido eléctrico y garantizar la estabilidad de las medidas resulta esencial para evitar falsas alarmas, optimizar el mantenimiento predictivo y mejorar la toma de decisiones basada en datos.

Automatización e Industria 4.0

En entornos industriales conviven motores eléctricos, variadores de frecuencia, fuentes de alimentación conmutadas y maquinaria capaz de generar importantes niveles de interferencias electromagnéticas.

Diseñar correctamente la PCB permite que los sensores mantengan su precisión incluso en estas condiciones, mejorando la fiabilidad de sistemas de control, monitorización de procesos o mantenimiento predictivo.

Equipos médicos e instrumentación

Aplicaciones como equipos de monitorización biomédica, balanzas de precisión, instrumentación científica o sistemas de adquisición de datos requieren trabajar con señales de muy baja amplitud.

En estos casos, pequeños errores en el diseño del layout, la alimentación o la referencia de tensión pueden afectar directamente a la precisión de la medida y comprometer el funcionamiento del equipo.

Robótica y vehículos autónomos

Los robots móviles, AGVs, drones o vehículos autónomos combinan habitualmente acelerómetros, giroscopios, magnetómetros y sensores de presión para conocer su posición y orientación.

La correcta integración de estos sensores permite mejorar la estabilidad de los algoritmos de navegación y aumentar la precisión de los sistemas de control.

Monitorización energética y Smart Buildings

La precisión de un sistema de medida no depende únicamente de la calidad del sensor seleccionado. En la mayoría de los proyectos, el diseño de la PCB tiene una influencia mucho mayor de lo que suele pensarse y puede convertirse en el factor que determine el éxito o el fracaso del producto.

Aspectos como la distribución de los componentes, la alimentación, el diseño del plano de tierra, el acondicionamiento de la señal o la selección del convertidor analógico-digital deben abordarse como parte de un mismo sistema. Optimizar únicamente uno de estos elementos rara vez permite obtener todo el rendimiento disponible.

A medida que los dispositivos electrónicos incorporan un mayor número de sensores y aumentan las exigencias de precisión, diseñar PCBs preparadas para trabajar con señales analógicas de baja amplitud será cada vez más importante para desarrollar productos fiables, reducir errores durante la validación y facilitar la industrialización.

En empresas que desarrollan productos electrónicos para sectores como la industria, el IoT, la instrumentación o los dispositivos médicos, invertir tiempo en un buen diseño desde las primeras fases del proyecto suele traducirse en menos iteraciones, menores costes y una mayor calidad del producto final.

El desarrollo de equipos basados en sensores requiere mucho más que seleccionar el componente adecuado. La distribución de la PCB, la alimentación, el acondicionamiento de la señal y la estrategia de adquisición de datos son aspectos que influyen directamente en la precisión y fiabilidad del producto.

En Kenso Circuits diseñamos hardware para aplicaciones industriales, IoT e instrumentación, ayudando a nuestros clientes a integrar sensores MEMS, señales analógicas y sistemas de adquisición de datos preparados para fabricación e industrialización.

Si estás desarrollando un nuevo dispositivo electrónico y necesitas integrar sensores con la máxima fiabilidad, estaremos encantados de ayudarte durante todo el proceso de diseño electrónico y desarrollo de la PCB.

Preguntas frecuentes sobre sensores MEMS y señales analógicas

¿Qué es un sensor MEMS?

Un sensor MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) integra elementos mecánicos y electrónicos a escala microscópica para medir magnitudes físicas como aceleración, presión, inclinación, humedad o movimiento. Gracias a su reducido tamaño y bajo consumo, se utilizan ampliamente en dispositivos IoT, electrónica industrial, automoción y equipos médicos.

¿Cuándo es recomendable utilizar un ADC externo?

Un ADC externo resulta recomendable cuando la aplicación requiere una mayor resolución, menor nivel de ruido o una precisión superior a la que puede ofrecer el convertidor integrado en el microcontrolador. Es habitual en instrumentación, equipos médicos, sistemas de pesaje o sensores de muy baja amplitud.

¿Qué resolución de ADC necesito?

Dependerá del tipo de sensor y de la precisión requerida. Muchas aplicaciones IoT funcionan correctamente con ADC de 12 o 16 bits, mientras que sistemas de instrumentación o adquisición de señales muy pequeñas suelen utilizar convertidores de 24 bits junto con referencias de tensión de alta estabilidad.

¿Cómo puede reducirse el ruido en una señal analógica?

La mejor estrategia consiste en combinar varias medidas: una alimentación limpia, un layout optimizado, planos de tierra continuos, filtros analógicos, un correcto acondicionamiento de la señal y técnicas de filtrado digital implementadas en el firmware.

¿Es suficiente el filtrado por software?

No. El filtrado digital ayuda a mejorar la estabilidad de las medidas, pero no puede recuperar la información que ya se ha perdido debido a un diseño electrónico deficiente. La calidad de la señal debe preservarse desde el propio hardware.

¿Qué errores son más habituales al integrar sensores en una PCB?

Los más frecuentes son colocar el sensor cerca de fuentes de ruido, compartir alimentación con etapas de potencia, diseñar un layout poco optimizado, utilizar referencias de tensión inestables o confiar exclusivamente en el filtrado por software para corregir problemas de adquisición.

¿Qué sectores utilizan este tipo de diseños electrónicos?

Actualmente es habitual encontrar sensores MEMS y sistemas de adquisición analógica en aplicaciones de automatización industrial, IoT, robótica, monitorización ambiental, equipos médicos, instrumentación electrónica, agricultura inteligente, movilidad y sistemas de mantenimiento predictivo