Diseño de PCB con Ultiboard

Vamos a desarrollar un ejemplo de diseño de PCB con Ultiboard, para ello vamos a

utilizar uno de los circuitos incluidos en la carpeta de ejemplos (ícono azul de la barra de

Ultiboard)

De la carpeta Samples Analog seleccionamos el ejemplo

FullWaveVoltageConverter

Seleccionamos el archivo y damos clic en Abrir (Open). Y nos aparece este circuito en

el área de trabajo.

Antes de transferir el diseño a Ultiboard debemos asegurarnos de que todos los

componentes (resistencias, capacitores, etc.) cuentan con la información de huella

(footprint). Recordemos que la huella no es más que la representación gráfica del

componente real. Es decir, debe tener las dimensiones exactas que tendrá el

componente real. Veamos como ejemplo la huella del componente R1. Si damos doble

clic sobre el componente R1 abrimos sus propiedades, y seleccionamos la pestaña Valor

(Value). En la parte inferior de la ventana está la Configuración de diseño (Layout

Settings); allí podemos ver que R1 tiene asignada la huella RES1300-700X250 (esta es

una codificación que indica los detalles de la huella). Ahora hacemos clic en Editar

huella (Edit Footprint),

Luego hacemos clic en Seleccionar de Base de Datos (Select From Database). Se

abrirá la Base de Datos Maestra (Master Database) y veremos la imagen de dicha

huella:

En esta ventana también se puede seleccionar una huella distinta de ser necesario. El

tipo de huella dependerá del componente que vayamos a utilizar en nuestro diseño. De

manera general la información de la huella estará en la hoja de especificaciones del

componente. Vamos a dar clic en el botón Cancelar hasta cerrar todas las ventanas

abiertas.

Es necesario aclarar que si un componente no tiene una huella asignada, dicho

componente no será transferido a Ultiboard para el diseño del PCB.

Haremos un pequeño paréntesis que será importante para reiterar algo ya dado y

diferenciar componentes a la hora de transferir a Ultiboard.

Tipos de Componentes en Multisim

En Multisim los componentes se diferencian de acuerdo a la funcionalidad que ofrecen.

Existen dos reglas básicas:

Para que un componente se pueda simular este debe contener un modelo SPICE.

Para que un componente se pueda transferir a Ultiboard para el diseño del PCB,

este debe contener una huella o footprint.

Basado en lo anterior en Multisim tenemos:

1. Componentes que son solo simulables (es decir, contienen un modelo SPICE) y

son de color negro.

2. Componentes que solo sirven para captura del diagrama y transferencia a

Ultiboard para el diseño del PCB (no contienen modelo SPICE) y son de color

verde.

3. Componentes que son simulables y transferibles para diseño de PCB que son

de color azul.

Por otro lado las fuentes de poder y tierras (o masas) son elementos virtuales, así que

no se transfieren a Ultiboard.

Ahora vamos a transferir el diseño a Ultiboard, para esto vamos a ir al menú

Transferir>>Transferir a Ultiboard>>Transferir a Ultiboard 13 (Transfer>>Transfer

to Ultiboard>>Transfer To Ultiboard 13)

Se nos pedirá crear un archivo EWNET, en este caso vamos a dejar el nombre sugerido

(FullWaveVoltageConverter). El archivo EWNET contiene toda la información de cómo

están conectados los componentes en el circuito. Dar clic en Guardar/Save. En algunos

casos Multisim nos alertará de que hay componentes virtuales que no serán exportados

(fuentes de poder y tierra o masa), así como también los componentes que no tienen

huella/footprint:

Posteriormente se abrirá de manera automática la ventana Importar Netlist. Esta

ventana nos da toda la información acerca de todos los elementos (componentes, nodos)

que se están exportando de Multisim a Ultiboard:

Hacemos clic en Aceptar/Ok. Ultiboard se abrirá automáticamente y nos aparecerá

esta imagen:

Lo que vemos ahora en la pantalla de Ultiboard son las huellas de los componentes que

conforman el diseño, una serie de líneas que conectan las terminales de los

componentes (conocidas como ratnets), y una tarjeta rectangular predeterminada. Igual

que en Multisim podemos utilizar la rueda del mouse para acercanos / alejarnos en el

espacio de trabajo.

Una vez que se ha transferido el diseño de Multisim a Ultiboard el objetivo es colocar los

componentes en la tarjeta y generar las rutas (pistas) de cobre. Claro, antes de eso

debemos configurar el tamaño de la tarjeta, las capas de cobre, ancho de las pistas, etc.

También es conveniente ajustar las opciones de la interfaz de usuario de Ultiboard para

trabajar de una forma más cómoda.

Empecemos a configurar las opciones de la interfaz de usuario. Para esto vamos al menú

Opciones/Options y hacemos clic en Preferencias Globales / Global Preferences. En

esta ventana encontraremos varias pestañas donde podemos configurar la cuadrícula,

líneas de cruz colores, guardado automático, etc.

Ahora exploremos la ventana Herramientas de Diseño/Design Toolbox. Esta ventana

juega un papel muy importante cuando estamos realizando el diseño pues nos permite

habilitar/deshabilitar capas de cobre, serigrafía, máscara de soldadura, etc. Veamos más

a detalle esta ventana:

En la figura anterior podemos ver que tenemos dos capas de cobre en esta tarjeta, en la

parte superior e inferior (Copper Top y Copper Bottom); tenemos también las capas de

Serigrafía Superior e Inferior (es en estas capas donde van las imágenes de los

componentes con su identificación); la capa Contorno de Tarjeta es donde podemos

controlar el tamaño y la forma de nuestra tarjeta. Todas las capas se pueden habilitar y

deshabilitar, es decir, si no queremos ver el contorno de la tarjeta solo basta con eliminar

el tilde en la capa correspondiente y esta capa se podrá en un color gris, dando una vez

más clic desaparecerá el contorno de la tarjeta. Todo esto es útil cuando nuestro diseño

va creciendo y tenemos nuestros componentes, pistas de cobre, etc., pero sólo nos

interesa trabajar en una capa en particular.

Nótese que también en la ventana Herramientas de Diseño hay una capa que está

sombreada de rojo (en la figura anterior y por defecto, la capa Copper Top). Esto quiere

decir que esa capa está seleccionada actualmente y si colocamos pistas de cobre éstas

se colocaran en la capa superior. Si quisiéramos poner pistas en la parte inferior, dar

doble clic sobre Copper Bottom para seleccionar dicha capa.

Quizá por el momento estas herramientas parezcan algo confusas, pero a medida que

avancemos en el diseño nos quedará más claro su uso.

Ahora bien, en un diseño podemos tener componentes, pistas de cobre, terminales de

los componentes, etiquetas de texto, figuras geométricas, etc.

Imaginemos un diseño con cientos de componentes, muchas pistas de cobre, etiquetas,

etc. y que solo queremos seleccionar el terminal de un componente. Sería complicado

hacerlo sin tocar otros objetos. Es por eso que en Ultiboard tenemos una barra de

herramientas de filtros de selección.

Nótese que en esta barra de herramientas podemos dar clic en Habilitar Selección de

Partes, Habilitar Selección de Pistas, etc.

Se pueden seleccionar varios filtros a la vez de ser necesario.

Por ejemplo, si desactivamos todos los filtros, y vamos al espacio de trabajo e

intentamos seleccionar y mover un componente. ¿Se pudo realizar? Ahora vamos al

filtro de selección y demos clic en Habilitar Selección de Partes. Repitamos el

procedimiento.

En la barra de filtro únicamente seleccionemos Habilitar Selección de Otros Objetos:

Ahora hagamos clic con el botón derecho sobre el contorno de la tarjeta para abrir el

menú contextual.

En el seleccionamos Propiedades, y se abre la siguiente ventana:

En esta ventana seleccionamos la pestaña Rectángulo, acá definimos el tamaño de la

placa. Ahora vamos a pasar las unidades a mm (milímetros) y a introducir los siguientes

valores: Ancho: 100, Altura: 50. Hacemos clic en OK. El contorno de la tarjeta cambiará

de tamaño:

Ahora vemos que el tamaño de la placa es más acorde a los componentes que

tenemos:

Ahora vamos a iniciar la colocación de los componentes en la placa, es aquí donde inicia

todo un arte pues esto depende del tipo de componentes que estamos utilizando, las

conexiones que tienen entre sí, etc. Para colocar los componentes primero vayamos al

filtro de selección y activemos Habilitar Selección de Partes. Ahora simplemente hay

que dar clic en los componentes y empezar a colocarlos dentro de la placa:

Luego de darles un orden personalizado a la ubicación de los componentes, reajustamos

el tamaño de la placa a 50 mm x 35 mm y queda como nos muestra la figura anterior.

Esto no deja de ser una sugerencia, el orden es personalizado, por lo tanto cada

diseñador le dará el orden que, personalmente y en base a sus propios criterios, no existe

una solución única pues esto depende de muchos factores. También en la figura anterior

observamos el ratsnest (líneas amarillas) de este circuito, que nos indica las conexiones

entre los diversos componentes. El ratsnest va a ser la guía para empezar a crear las

pistas de cobre. Ya estamos listos para empezar a rutear la tarjeta. Existen varios

métodos en Ultiboard, incluyendo un Autoruteador, aunque hay versiones del software

que no lo incluyen. En este tutorial vamos a utilizar los dos métodos opuestos: el

autoruteador y el método manual. Primero que nada debemos decir en qué capa vamos

a crear la pista, en este caso tenemos solo dos: Capa Superior (Copper Top) y Capa

Inferior (Copper Bottom).

En esta tarjeta vamos a crear las pistas en la capa inferior. En la ventana Herramientas

de Diseño demos doble clic sobre Copper Bottom para activar esta capa.

Luego vamos a la hoja de cálculos (spreadsheet) que es la ventana que está en la parte

inferior de la pantalla, y allí buscamos la columna de las capas de ruteo (routing layers)

y selecciono toda la columna haciendo clic sobre el nombre de la misma.

Esta columna, para una placa simple, de dos capas de cobre, tiene tres valores posibles:

01 Capa superior

10 Capa inferior

11 Ambas capas

Hacemos clic en cualquiera de las celdas de las columnas y se abre la siguiente ventana:

Luego de dejar tildado solamente la capa inferior (copper bottom) hacemos clic en OK.

Todo lo realizado hasta este punto es común a los dos tipos de diseño, que vamos

a tratar por separado desde aquí.

Diseño con Autoruteador

Hacemos clic en Autorouter en la barra superior y nos genera el trazado de las pistas.

Estas aparecen en color rojo, que es el corresponde a la capa inferior.

Con lo que ya tenemos la imagen nuestra placa terminada.

Este proceso puede ser recursivo, volviendo a la etapa anterior con <crtl z> y

reacomodando los componentes para obtener un nuevo trazado, y así hasta que

obtengamos un diseño que nos satisfaga, en este caso por ejemplo sería recomendable

eliminar la agrupación de pistas que se produce en la esquina inferior izquierda, lo que

lograríamos reacomodando las resistencias hasta que nos conforme el diseño.

Ahora podemos ver la imagen 3D para saber cómo quedará la placa con los

componentes montados. Para ello vamos al menú Vista>>Vista Previa 3D:

Placa del lado de los componentes:

Placa del lado del cobre:

Para terminar el PCB se hace un plano a tierra, lo podemos encontrar en el Menú

Place>>Power Plane... y en el Netlist selecciona el nodo al cual quieres colocar a tierra,

por lo general es el 0(cero) y nos genera esta imagen:

Donde podemos ver en rojo el cobre y en negro el cobre que se elimina.

Vamos ahora a generar las impresiones:

Copper bottom (lado del cobre)

Silks screen top (lado de los componentes)

Board outline (márgenes de la placa)

Comment (si hubiera comentarios impresos sobre la placa)

Drill (máscara de perforaciones)

Drill Symbols (símbolos de perforado), donde tenemos el diámetro de cada agujero

Solder Mask Bottom (máscara de soldaduras)

En todas ellas vamos a tildar la opción outline para que nos aparezca el contorno de la

placa que mostramos a continuación, que deberemos imprimir en escala 100%:

Las imágenes que resultan impresas son, en el orden que indica la pantalla de impresión:

Copper Bottom

Silkdscreen Top

Drill Symbols

Drill

Board Outline

Solder Mask Bottom

Con lo que quedaría concluido nuestro trabajo.

Diseño Manual:

Colocamos los componentes en la placa en una ubicación que nos parezca conveniente,

como se ve en la figura:

En la barra de filtros desactivamos todos a excepción de Habilitar Selección de Pistas.

Ahora vamos al menú Colocar>>Línea / Place>>Line y utilizamos la rueda del mouse

para acercarnos a los componentes. Por ejemplo, en la siguiente figura creamos la pista

para conectar los componentes R4 y C1:

El ratsnet nos indica hacia donde debe ir la conexión. Ahora hay que dar un clic en la

terminal de R4, dibujar la línea y dar clic en la terminal de C1 para finalizar la pista:

Para salir del modo de colocación de pista dar click derecho y seleccionar 'Cancelar o

en su defecto la tecla Esc. El resto del proceso ya depende del diseñador, la idea es

buscar la mejor ruta para las pistas. Como se mencionó anteriormente, es todo un arte.

Aquí está un ejemplo de la tarjeta ruteada manualmente:

Como dijimos antes, queda a conveniencia de cada quien la manera en la que se

coloquen los componentes y se haga el ruteo. Para este ejemplo, y como en general se

va a hacer, usamos la capa inferior ya que muchas veces hay componentes que, si se

rutean las pistas en la capa superior, van a ser complicados soldarlos porque no queda

espacio entre la tarjeta y el componente (como el caso de chips, capacitores

electrolíticos, etc...). También se puede hacer el uso de vías para facilitar el ruteo, ya

que el camino a veces se hace complicado si tenemos muchos componentes. Las vías

nos sirven para pasar de una capa a otra y aprovechar el espacio de la tarjeta al

máximo.

A continuación generamos las impresiones que necesitamos para hacer nuestra placa,

como vimos anteriormente.

Cambio de ancho de las pistas

Para cambiar el ancho de las pistas (Trace Width) antes del ruteo puede utilizar el

'Spreadsheet View'. Ahi selecciona Nets, y luego da clic sobre la columna 'Trace Width'

para seleccionarla completa; da un clic en cualquiera de las celdas y cambia el valor a lo

que deseas, presiona 'Aceptar' y automáticamente se cambiarán todos los valores.

Prueba una vez mas el Autoruteo, deberá funcionar.

Ahora bien, antes de hacer el ruteo debes configurar en donde quieres en que capa

quieres que vayan pistas. Ahí mismo en 'Spreadsheet View', en Nets, hay una columna

llamada 'Routing Layers'. Verás que cada net tiene un número 000111, el 1 indica que

en determinada capa está permitido el ruteo, el 0 lo contario. En tu caso debes cambiar

esta opción para reflejar en que capa quieres las pistas. Da doble clic en alguna de las

celdas, se abrirá una ventana (Layers to Apply) donde puedes seleccionar en que capa

permites que esa determinada net pueda rutearse. Simplemente cambia este ajuste de

acuerdo a lo que se desea.