Laboratório de Comunicações

Técnicas de blindagem e desacoplamento

Adaptação: Prof. Dr. Carlos Allan Caballero Petersen

Bypass, Desacoplamento, Blindagem e Plano de Terra

Bypass, Desacoplamento, Blindagem e Plano de Terra são propriedades que permitem que um circuito, análogo ou digital, funcione adequadamente. A razão é simples: vamos supor que temos um conjunto de amplificadores cascateados que estão amplificando um sinal fraco. A entrada é muito sensível a sinais pequenos, e os estágios sucessivos estão, progressivamente, drenando mais corrente de forma a produzir uma replica cada vez maior deste sinal fraco de entrada. Desta forma, o estágio de saída drena bastante corrente e esta é variável. Esta grande corrente variável é “vista” ou “sentida” pelo estágio de entrada através do barramento comum de alimentação de energia, que alimenta todos os estágios. Isto pode acontecer se o barramento de alimentação, condutor ou trilha de circuito impresso, possue uma impedância suficientemente alta. Mesmo se o barramento fosse ideal (zero ohms) isto pode acontecer para freqüências mais altas onde a reatância indutiva dos condutores ou das trilhas de circuito impresso aumenta. Por exemplo, se uma transição rápida do sinal de entrada causa uma perturbação resultante sobre o barramento de alimentação que se propaga pelo barramento até outros circuitos, pode se produzir oscilações ou outros tipos de instabilidades que podem causar distorção ou deixar o circuito inoperante. Podemos, assim, pensar que existe uma realimentação não desejada entre estágios, facilitada pelo barramento que não opera como um aterramento virtual para corrente alternada.

B y p a s s A única forma de manter a integridade da distribuição de energia a vários circuitos, i.e., manter a baixa impedância de uma fonte de tensão ideal (zero ohms), é contra-restar a indutância dos condutores que distribuem a energia aos circuitos. Isto pode ser realizado aplicando suficiente capacitância entre o pino de alimentação de cada dispositivo ativo ou estágio e terra ou barramento comum, usando a caminho mais curto possível.

Domínio da Freqüência-->Domínio do Tempo Domínio da

Freqüência--> Domínio do Tempo

Efeitos do excesso do comprimento dos condutores e tipo de capacitor 

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Adicionando o CapacitorWire Wrap, Plano de Terra, Capacitor de Bypass (SMT Capacitor tipo Chip)

A única forma de manter a integridade da distribuição de energia a vários circuitos, i.e., manter a baixa impedância de uma fonte de tensão ideal (zero ohms), é contra-restar a indutância dos condutores que distribuem a energia aos circuitos. Isto pode ser realizado aplicando suficiente capacitância entre o pino de alimentação de cada dispositivo ativo ou estágio e terra ou barramento comum, usando a caminho mais curto possível.

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Ilustração do efeito da indutância dos condutores em um capacitor.

Plano de Terra

Plano de Terra

DesacoplamentoDesacoplamento Existem situações onde o barramento de alimentação entre estágios não pode ser suficientemente “bypasseado”. Neste caso, o projetista estará tentado de usar diferentes fontes de alimentação. Porem, provendo ou fornecendo a alimentação de corrente continua, cc, a cada estágio através de indutores separados ou “choques” e, ao mesmo tempo, “bypasseando” à terra esse estágio, se obterá o mesmo efeito. Ou seja, o choque oferece um caminho de alta impedância para qualquer sinal errante ou ruído entre estágios, no entanto que oferece um caminho de baixa resistência à alimentação de cc: isto é conhecido como desacoplamento. Dispositivos ativos tais como reguladores de tensão, também podem ser usados como estágios de desacoplamento.  Neste último caso, considerando o tamanho físico dos indutores em comparação com o tamanho dos reguladores de tensão de montagem superficial, os reguladores são a melhor opção. Para melhor entender estes fatos, é necessário lembrar que o indutor ou choque é um dos dois componentes requeridos para formar um circuito ressonante. Portanto, a combinação entre o indutor de desacoplamento e o capacitor de “bypass” pode ressonar a uma freqüência qualquer e que pode chegar a ser problemática. Tendo isto em mente parece obvio que o indutor deve ser o menor possível, e o capacitor de “bypass” tão grande quanto a prática permita. Isto é essencialmente correto, porém, existe ainda a possibilidade de que esta combinação possa ter uma freqüência de ressonância que produza algum problema; ou pior ainda, o indutor pode ter uma freqüência de auto-ressonância que produza problemas.  

Outra questão que deve ser considerada nos choques de RF e indutores é o seu Fator de Qualidade, Q, que tem um efeito sobre sua eficiência. Como estabelecido previamente, o indutor deve aparecer como um curto-circuito à corrente continua que esta passando a través dele, e uma alta impedância à corrente alternada, i.e., não deve possuir resistência série. Na prática isto não é realizável; porém, se requeremos um choque que possa suportar grandes correntes, então o choque deve ter um alto Q, i.e., menos condutor e, portanto menor R. Isto poder realizado com choques com núcleo de ferrite que requerem consideravelmente menos fio condutor para um mesmo valor de indutância que, por exemplo, um choque com núcleo de ar; aqui o núcleo atua como um multiplicador do Q. Também se utilizam regularmente pequenos núcleos toroidais ou cilíndricos de ferrite (beads) que usados como elementos de isolamento, efetivamente permitem prevenir oscilações parasitas. Devemos lembrar aqui que usando ferrites a indutância pode mudar quando muda a corrente ou o fluxo magnético e no caso de grandes correntes o núcleo pode saturar. Sim embargo, selecionando corretamente o componente, freqüência, corrente AC e CC, etc., a ferrite é uma boa ferramenta para o projetista.

Dicas práticas

  1... O desacoplamento deve ser usado onde a tensão de alimentação não pode ser reduzida, i.e., digamos que desejamos uma tensão de +12 volts livre de ruído em uma barramento de um PC. Podemos ter estes 12 volts “limpos” usando um regulador de tensão...mas só se podemos dispor de +15 volts ou mais para partir. Mas esse não é o caso. Assim devemos usar indutores de alto fator de mérito Q (chokes de RF) junto com capacitores de “bypass” apropriados para efetivamente ter um filtro passa-baixa na linha de alimentação de +12 volts. Para uma fonte realmente ruidosa pode-se usar mais de um indutor. 

  2... Um dos meios para conseguir um excelente indutor é o núcleo toroidal de ferrite. Tem alto Q, baixo R, e devido a sua forma de tiróide seu campo magnético fica muito bem confinado ao núcleo e, portanto, tem um campo disperso muito baixo. A “super estrela” para indutores de alto Q e transformadores é o núcleo tipo xícara (pot core). Não podemos deixar de mencionar as contas de ferrite (ferrite bead). Passar um fio através desta conta uma vez ou várias e tudo o que se requer para ter o efeito desejado.

  3... O desacoplamento é tão bom quanto os componentes usados nele. A parte capacitiva do circuito deve ser de alto Q e mínima indutância: o ruído aparecerá nesta indutância e o capacitor deve excluir o ruído remanente. Em outras palavras, no mundo perfeito o indutor é um circuito aberto para o ruído (AC) e o capacitor é um curto circuito (zero, nada, caput, zilch). Assim, uma pequena indutância em série com o capacitor garante ter ruído de alta freqüência.

  4... SMT ou capacitores chip fabricados de cerâmica são melhores. Também, às vezes, em circuitos críticos, vários capacitores de diferentes valores, e tamanhos, em paralelo é o mais apropriado, por exemplo, 1 F || 0,1 F || 0,01 F, etc. A razão disto é que capacitores de pequena capacitância são menores e tem menor indutância. Embora usando capacitores SMT este efeito é menor, vale a pena considerar a dica. Consultar a base de dados do fabricante destes capacitores para verificar sua impedância em função da freqüência.

Blindagem   

Blindagem pode ser qualquer coisa desde usar um cabo coaxial até uma câmara selada condutora para isolamento de um circuito. A blindagem serve para um propósito recíproco: protege o circuito que está blindando de ruídos externos ou sinais não desejadas; e inversamente, contendo seus próprios sinais protege o mundo externo de interferências geradas em seu interior. A blindagem é muito usada para bloquear eletrostática ou campos elétricos (Gaiola de Faraday). Também, se para construir a blindagem é usado metal ferroso, pode-se proteger os circuitos de campos elétricos e de algum nível de campos magnéticos. Isto é especialmente útil quando se usam transformadores abertos e indutores sem blindagem casos em que acontecerá acoplamento indutivo.

Quando uma Blindagem Blinda? Um requerimento importante para que uma blindagem seja efetiva, é que não exista nenhuma corrente fluindo através da blindagem. Isto é conseguido conectando a referência ou terminal comum a um só ponto na blindagem, prevenindo ou evitando assim o fluxo de corrente nela. A razão disto é que qualquer corrente fluindo no material da blindagem pode produzir campos

secundários no outro lado do material da blindagem reduzindo a efetividade da blindagem. O caso extremo é aquele de um cabo blindado em que a blindagem tem diferentes potenciais nos seus extremos, resultando um fluxo de corrente na blindagem, induzindo ruído no condutor central ou condutores blindados. (Nesta situação uma solução é desconectar um dos extremos da blindagem do cabo. Porém, em certos ambientes esta solução não é satisfatória, e pode requerer um potencial de “Guarda”, que é um certo potencial externo de compromisso).

B l i n d a g e m A c t i v a Existe uma forma ativa de blindagem onde são gerados campos de contra-fem para cancelar os campos interferentes. Um exemplo simples e bom deste caso é o transformador de alimentação, onde se coloca uma espira externa em corto circuito para gerar um campo nulo.  A espira externa em curto é uma placa fina de cobre que envolve o núcleo do transformador em uma direção. Esta espira recebe o campo magnético disperso pela ação do transformador, assim esta espira em curto atua como um secundário de impedância muito baixa e alta corrente e gera uma força contra eletromotriz, e como está em curto gera um campo magnético de polaridade oposta ao campo disperso original do transformador, anulando-o.

Plano de Terra Um plano de terra é um componente especial e muito importante em todo circuito elétrico. Em essência é o caminho de retorno para todos os sinais incluindo a distribuição da polarização. O plano de terra pode ser imaginado como homogêneo somente para corrente continua. Para qualquer outra situação é estritamente não homogêneo. Tudo isto significa que todas as terras não são as mesmas. Como vários circuitos usam o plano de terra como caminho de retorno de seus sinas e correntes de polarização, correntes de condução e induzidas são forçadas a fluir pelo plano de terra e seus efeitos podem potencialmente influir qualquer ou todos os outros circuitos, podendo causar grandes problemas. 

Existem duas formas de modelar o plano de terra neste ambiente complexo de sinais.

Pode-se começar por entender a função e projeto de plano de terra da seguinte forma:

1) Traçar um mapa de todos os sinais no circuito, suas entradas, saídas, caminhos e suas várias conexões ao e desde o plano de terra;

2) Modelar agora indutâncias, capacitâncias e resistências série e paralelo anotando o caminho da distribuição de potência e retornos e seus respectivos conteúdos de ruído;

3) Não esquecer todos os dispositivos de “bypass” e sua distribuição no modelo;

4) Como o plano de terra é essencialmente indutivo, deve-se anotar qualquer outra indutância nas proximidades do plano de terra, tal como transformadores, chokes, circuitos sintonizados, etc., e

suas contribuições de campo magnético nas freqüências relevantes. 

O uso de circuitos impressos multi-camada permite a utilização de vários planos de terra. Estas camadas atuam, também, como eficientes capacitores distribuídos de “bypass”. Uma variação desta técnica é usar as camadas de Vcc e Terra como as camadas mais externas ou intermediarias, blindando assim as camadas com sinal.  

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Entrada / Saída ou

"Cada sinal deve ter seu próprio retorno de terra" 

Quando interconectamos sinais, analógicas ou digitais, para ou desde um dispositivo, a abordagem ideal é que cada sinal tenha seu próprio retorno ou retorno comum. No melhor dos casos um par de cabos trançados balanceados (igual referência a terra) alimentados por um amplificador diferencial de alta qualidade que tenha tempos de crescimento e queda bem controlados e excelente resposta de baixas freqüências (minimum skew), e terminados em um receptor diferencial apropriado será o melhor. Como não tudo é ideal devem-se fazer compromissos adequados. 

Ruído de Modo Comum  Ruído de Modo Comum é qualquer ruído que incide da mesma forma na entrada e sue retorno, com a mesma polaridade, i.e., ambos os terminais de um circuito diferencial ou par trançado devem ter o mesmo sinal ou polaridade, e na situação do par trançado com entrada diferencial, deve existir uma rejeição a tudo o ruído de modo comum.

Ruído de Modo Diferencial  Ruído de Modo Diferencia é qualquer ruído que se caracteriza de tal forma de ter polaridade oposta entre a entrada de sinal e seu retorno. Por exemplo, uma entrada diferencia, que refeita normalmente o ruído de modo comum, será suscetível a este tipo de ruído. 

Vídeo No caso de interconectar sinais de banda base de vídeo, o padrão é cabo coaxial desbalanceado de 75 (RG-59). O padrão RS-170 para vídeo cobre muita oitavas, i.e., 10 Hz até 4,2 MHz, e é um sinal muito frágil. A fonte de interferência mais comum e irritante para uma banda base de vídeo são os 60 Hz das linhas de alimentação ac. Este ruído se manifesta como umas “barras” que varrem repetida e lentamente invadem o display de vídeo.