CONSIDERAÇÕES GERAIS

Devido às diferenças significativas entre circuitos analógicos e circuitos digitais, a parte analógica do circuito deve ser separada do restante do circuito, e métodos e regras especiais devem ser observados ao ligá-lo. Os efeitos das características não ideais do PCB tornam-se especialmente perceptíveis em circuitos analógicos de alta frequência, mas os erros gerais descritos neste artigo podem afetar o desempenho de dispositivos operando mesmo na faixa de frequência de áudio.

A intenção deste artigo é discutir erros comuns cometidos por projetistas de PCB, descrever o impacto desses erros no desempenho e fornecer recomendações para resolver os problemas que surgirem.

Placa de circuito impresso - componente do circuito

Apenas em casos raros a placa de circuito impresso de um circuito analógico pode ser roteada de forma que os efeitos que ela introduz não tenham nenhum efeito na operação do circuito. Ao mesmo tempo, qualquer impacto desse tipo pode ser minimizado para que as características dos circuitos analógicos do dispositivo sejam as mesmas do modelo e do protótipo.

Layout

Os projetistas de circuitos digitais podem corrigir pequenos erros na placa fabricada adicionando jumpers ou, inversamente, removendo condutores desnecessários, fazendo alterações na operação de microcircuitos programáveis ​​etc., passando para o próximo desenvolvimento muito em breve. Este não é o caso de um circuito analógico. Alguns dos erros comuns discutidos neste artigo não podem ser corrigidos adicionando jumpers ou removendo fios em excesso. Eles podem e tornarão toda a placa de circuito impresso inoperável.

É muito importante para um projetista de circuito digital que usa esses métodos de correção ler e entender o material deste artigo bem antes de enviar o projeto para produção. Um pouco de atenção ao projeto e discussão de possíveis opções não apenas evitará que o PCB se torne uma sucata, mas também reduzirá o custo devido a erros em uma pequena parte analógica do circuito. Encontrar bugs e corrigi-los pode desperdiçar centenas de horas. A prototipagem pode reduzir esse tempo para um dia ou menos. Breadboard todos os seus circuitos analógicos.

Fontes de ruído e interferência

Ruído e interferência são os principais elementos que limitam as características de qualidade dos circuitos. A interferência pode ser emitida por fontes ou induzida em elementos de circuito. Circuitos analógicos são frequentemente encontrados em uma placa de circuito impresso junto com componentes digitais de alta velocidade, incluindo processadores de sinais digitais (DSPs).

Sinais lógicos de alta frequência criam interferência significativa de radiofrequência (RFI). O número de fontes de emissão de ruído é enorme: fontes de alimentação chave para sistemas digitais, telemóveis, rádio e televisão, fontes de alimentação para lâmpadas fluorescentes, computadores pessoais, descargas atmosféricas, etc. Mesmo que o circuito analógico esteja operando na faixa de frequência de áudio, o RFI pode criar um ruído perceptível no sinal de saída.

CATEGORIAS DE PCB

A escolha do projeto do PCB é um fator importante na determinação do desempenho mecânico do dispositivo como um todo. Para a fabricação de placas de circuito impresso, são utilizados materiais de diversos níveis de qualidade. O mais adequado e conveniente para o projetista será se o fabricante do PCB estiver próximo. Nesse caso, é fácil controlar a resistividade e a constante dielétrica - os principais parâmetros do material da placa de circuito impresso. Infelizmente, isso não é suficiente, e muitas vezes é necessário o conhecimento de outros parâmetros, como inflamabilidade, estabilidade em altas temperaturas e higroscopicidade. Esses parâmetros só podem ser conhecidos pelo fabricante dos componentes utilizados na produção de placas de circuito impresso.

Os materiais laminados são designados pelos índices FR (resistente à chama, resistência à ignição) e G. O material com o índice FR-1 tem a maior inflamabilidade e FR-5 a menor. Materiais com índices G10 e G11 possuem características especiais. Os materiais das placas de circuito impresso são dados na Tabela. 1.

Não use placa de circuito impresso categoria FR-1. Existem muitos exemplos de placas de circuito impresso FR-1 que sofreram danos térmicos de componentes de alta potência. PCBs nesta categoria são mais parecidos com papelão.

O FR-4 é frequentemente usado na fabricação de equipamentos industriais, enquanto o FR-2 é usado na fabricação de eletrodomésticos. Essas duas categorias são padronizadas pela indústria e as placas de circuito FR-2 e FR-4 geralmente são adequadas para a maioria das aplicações. Mas às vezes a imperfeição das características dessas categorias obriga ao uso de outros materiais. Por exemplo, para aplicações de frequência muito alta, PTFE e até mesmo cerâmica são usados ​​como materiais de placa de circuito impresso. No entanto, quanto mais exótico for o material PCB, mais alto pode ser o preço.

Ao escolher um material de PCB, preste atenção especial à sua higroscopicidade, pois esse parâmetro pode ter um forte efeito negativo nas características desejadas da placa - resistência superficial, vazamento, propriedades isolantes de alta tensão (quebras e faíscas) e resistência mecânica. Preste atenção também à temperatura de operação. Pontos quentes podem ser encontrados em lugares inesperados, como perto de grandes circuitos digitais integrados que mudam em alta frequência. Se essas áreas estiverem localizadas diretamente abaixo dos componentes analógicos, um aumento na temperatura pode afetar as características do circuito analógico.

Tabela 1

categoria	Componentes, comentários
FR-1	papel, composição fenólica: prensagem e estampagem à temperatura ambiente, alta higroscopicidade
FR-2	papel, composição fenólica: aplicável para placas de circuito impresso de face única de eletrodomésticos, baixo coeficiente de absorção de água
FR-3	papel, composição epóxi: desenvolvimentos com boas características mecânicas e elétricas
FR-4	fibra de vidro, composição epóxi: excelentes propriedades mecânicas e elétricas
FR-5	fibra de vidro, composição epóxi: alta resistência a temperaturas elevadas, não inflamável
G10	fibra de vidro, composição epóxi: altas propriedades isolantes, a maior resistência da fibra de vidro, baixa higroscopicidade
G11	fibra de vidro, composição epóxi: alta resistência à flexão em temperaturas elevadas, alta resistência a solventes

Uma vez que o material PCB é selecionado, a espessura da folha PCB deve ser determinada. Este parâmetro é selecionado principalmente com base no valor máximo da corrente de fluxo. Se possível, tente evitar o uso de papel alumínio muito fino.

NÚMERO DE CAMADAS DE PLACA IMPRESSA

Placas de circuito impresso de camada única

Circuitos eletrônicos muito simples são feitos em placas de um lado usando materiais de folha baratos (FR-1 ou FR-2) e muitas vezes têm muitos jumpers, lembrando placas de dupla face. Esta forma de criar placas de circuito impresso é recomendada apenas para circuitos de baixa frequência. Por motivos a serem descritos a seguir, placas de circuito impresso de face única são altamente suscetíveis a interferências. Um bom PCB de face única é difícil de projetar por vários motivos. No entanto, existem boas placas desse tipo, mas na hora de desenvolvê-las é preciso pensar muito com antecedência.

Placas de circuito impresso de dupla camada

No próximo nível estão as placas de circuito impresso de dupla face, que na maioria dos casos usam FR-4 como material de substrato, embora às vezes FR-2 também seja encontrado. O uso do FR-4 é mais preferível, pois deste material são obtidos furos em placas de circuito impresso de melhor qualidade. Circuitos em placas de circuito impresso de dupla face são muito mais fáceis de conectar. em duas camadas, é mais fácil rotear traços de interseção. No entanto, o cruzamento de traços não é recomendado para circuitos analógicos. Sempre que possível, a camada inferior (inferior) deve ser atribuída ao polígono de solo e o restante dos sinais deve ser roteado na camada superior (topo). O uso de um aterro como barramento terrestre oferece vários benefícios:

• o fio comum é o fio conectado com mais frequência no circuito; então faz sentido ter muito fio comum para simplificar a fiação.
• aumenta a resistência mecânica da placa.
• a resistência de todas as conexões ao fio comum é reduzida, o que, por sua vez, reduz o ruído e a interferência.
• a capacitância distribuída para cada circuito do circuito é aumentada, ajudando a suprimir o ruído irradiado.
• o polígono, que é uma tela, suprime captadores emitidos por fontes localizadas na lateral do polígono.

As placas de circuito impresso dupla face, apesar de todas as suas vantagens, não são as melhores, principalmente para circuitos de pequenos sinais ou de alta velocidade. Em geral, a espessura do PCB, ou seja, a distância entre as camadas de revestimento é de 1,5 mm, o que é muito para aproveitar totalmente algumas das vantagens de uma placa de circuito impresso de duas camadas, fornecidas acima. A capacidade alocada, por exemplo, é muito pequena devido a um espaçamento tão grande.

Placas de circuito impresso multicamadas

O projeto de circuito responsável requer placas de circuito impresso (MPBs) multicamadas. Algumas razões para seu uso são óbvias:

• o mesmo conveniente que para o barramento de fio comum, fiação do barramento de energia; se os polígonos em uma camada separada forem usados ​​\uXNUMXb\uXNUMXbcomo barramentos de energia, é bastante simples fornecer energia a cada elemento do circuito usando vias;
• as camadas de sinal são liberadas dos trilhos de energia, o que facilita a fiação dos condutores de sinal;
• a capacitância distribuída aparece entre os polígonos de terra e potência, o que reduz o ruído de alta frequência.

Além dessas razões para usar placas de circuito impresso multicamadas, existem outras menos óbvias:

• melhor supressão de interferências eletromagnéticas (EMI) e de radiofrequência (RFI) devido ao efeito de reflexão (efeito de plano de imagem), conhecido desde a época de Marconi. Quando um condutor é colocado próximo a uma superfície condutora plana, a maior parte das correntes de retorno de alta frequência fluirá no plano diretamente abaixo do condutor. A direção dessas correntes será oposta à direção das correntes no condutor. Assim, a reflexão do condutor no plano cria uma linha de transmissão de sinal. Como as correntes no condutor e no plano são iguais em magnitude e opostas em direção, alguma redução na interferência irradiada é criada. O efeito de reflexão funciona efetivamente apenas com polígonos sólidos inquebráveis ​​(eles podem ser polígonos de base e polígonos de alimentos). Qualquer quebra de integridade resultará em uma redução na supressão de interferência.
• reduzindo o custo total na produção em pequena escala. Embora as placas de circuito impresso multicamadas sejam mais caras de fabricar, sua possível emissão é menor do que as placas de camada simples e dupla. Portanto, em alguns casos, o uso apenas de placas multicamadas permitirá atender aos requisitos de radiação definidos durante o desenvolvimento, e não realizar testes e testes adicionais. O uso de MFP pode reduzir o nível de ruído irradiado em 20 dB em comparação com placas de duas camadas.

Ordem das camadas

Para designers inexperientes, muitas vezes há alguma confusão sobre a ordem ideal das camadas de PCB. Tomemos, por exemplo, uma câmara de 4 camadas contendo duas camadas de sinal e duas camadas de polígonos - uma camada de solo e uma camada de energia. Qual é a melhor ordem de camada? Camadas de sinal entre polígonos que servirão como telas? Ou tornar as camadas de polígonos internas para reduzir a interferência das camadas de sinal?

Uma coisa importante a ter em mente ao resolver esse problema é que muitas vezes a localização das camadas realmente não importa, porque os componentes ainda estão localizados nas camadas externas e os barramentos que alimentam os sinais para seus terminais às vezes passam por todos os camadas. Portanto, quaisquer efeitos de tela são apenas um compromisso. Nesse caso, é melhor cuidar de criar uma grande capacidade distribuída entre os polígonos de potência e solo, colocando-os nas camadas internas.

Outra vantagem de ter as camadas de sinal do lado de fora é a disponibilidade de sinais para teste, bem como a possibilidade de modificar conexões. Qualquer pessoa que já trocou as conexões dos condutores localizados nas camadas internas apreciará esta oportunidade.

Para placas de circuito impresso com mais de quatro camadas, é regra geral colocar traços de sinal de alta velocidade entre o solo e os planos de energia e deixar as camadas externas para as de baixa frequência.

ATERRAMENTO

Dividir o solo em partes analógicas e digitais é um dos métodos mais simples e eficazes de supressão de ruído. Uma ou mais camadas de uma placa de circuito impresso multicamadas geralmente são alocadas sob uma camada de planos de aterramento. Se o desenvolvedor não for muito experiente ou descuidado, o terra da parte analógica será conectado diretamente a esses polígonos, ou seja, a corrente de retorno analógica usará o mesmo circuito que a corrente de retorno digital. Os criadores de automóveis trabalham da mesma maneira e unem todas as terras.

Se uma placa de circuito impresso projetada anteriormente com um único polígono de aterramento combinando aterramento analógico e digital for submetida a processamento, é necessário primeiro separar fisicamente os aterramentos na placa (após esta operação, a operação da placa torna-se quase impossível). Depois disso, todas as conexões são feitas ao plano de aterramento analógico dos componentes do circuito analógico (o aterramento analógico é formado) e ao plano de aterramento digital dos componentes do circuito digital (o aterramento digital é formado). E somente depois disso, os aterramentos digital e analógico são combinados na fonte.

Outras regras de formação de terrenos:

• Os trilhos de alimentação e terra devem estar no mesmo potencial CA., o que implica o uso de capacitores de desacoplamento e capacitância distribuída.
• Evite a sobreposição de polígonos analógicos e digitais (Fig. 1). Posicione os trilhos de alimentação analógica e os polígonos acima do polígono de aterramento analógico (da mesma forma para os trilhos de alimentação digital). Se houver uma sobreposição entre as faixas analógica e digital em qualquer lugar, a capacitância distribuída entre as áreas sobrepostas criará um acoplamento CA e o ruído da operação dos componentes digitais entrará no circuito analógico. Essas sobreposições invalidarão o isolamento do polígono.
  
• A separação não significa isolamento elétrico do terra analógico do digital (Figura 2). Eles devem ser conectados juntos em algum nó, de preferência um, de baixa impedância. Um sistema aterrado adequado possui apenas um aterramento, que é o terminal de aterramento para sistemas alimentados pela rede CA ou o terra comum para sistemas alimentados por CC (como uma bateria). Todas as correntes de sinal e energia neste circuito devem retornar a este terra em um único ponto, que servirá como terra do sistema. Tal ponto pode ser a saída da caixa do dispositivo. É importante entender que os loops de aterramento podem se formar ao conectar o aterramento do circuito a vários pontos no pacote. A criação de um único ponto de aterramento comum é um dos aspectos mais difíceis do projeto do sistema.
  
• Se possível, separe os terminais dos conectores destinados a conduzir correntes de retorno - as correntes de retorno devem ser combinadas apenas no ponto de aterramento do sistema. O envelhecimento dos contatos do conector, bem como a desconexão frequente de suas partes acopladas, leva a um aumento da resistência dos contatos, portanto, para uma operação mais confiável, é necessário o uso de conectores com um determinado número de pinos adicionais. Placas de circuito impresso digital complexas têm muitas camadas e contêm centenas ou milhares de condutores. A adição de outro condutor raramente cria um problema, ao contrário da adição de pinos conectores adicionais. Se isso falhar, é necessário criar dois condutores de corrente de retorno para cada circuito de alimentação da placa, tomando precauções especiais.
• É importante separar as linhas de sinal digital dos locais na placa de circuito impresso onde estão localizados os componentes analógicos do circuito. Isso envolve isolamento (blindagem) por polígonos, caminhos de sinal analógico curtos e posicionamento cuidadoso de componentes passivos com barramentos analógicos críticos e digitais de alta velocidade adjacentes. Os barramentos de sinal digital devem ser roteados em torno das áreas de componentes analógicos e não se sobrepõem ao terra analógico e aos barramentos e polígonos de energia analógicos. Se isso não for feito, o desenvolvimento conterá um novo elemento imprevisto - uma antena, cuja radiação afetará componentes e condutores analógicos de alta impedância (Fig. 3).

• É um bom conceito colocar a parte analógica do circuito perto das conexões de E/S da placa. Os projetistas de PCB digitais que usam circuitos integrados de alta potência costumam usar barramentos de 1 mm de largura e vários centímetros de comprimento para conectar componentes analógicos, acreditando que a baixa resistência de traço ajudará a eliminar a diafonia. O que você obtém é um capacitor de filme estendido, que capta sinais espúrios de componentes digitais, terra digital e energia digital, exacerbando o problema.

Um exemplo de boa colocação de componentes

A Figura 4 mostra um layout possível de todos os componentes da placa, incluindo a fonte de alimentação. Três planos de aterramento/potência separados e isolados são usados ​​aqui: um para a fonte, um para o circuito digital e um para o circuito analógico. Os circuitos de aterramento e alimentação das partes analógica e digital são combinados apenas na fonte de alimentação. O ruído de alta frequência é filtrado nos circuitos de alimentação por indutores. Neste exemplo, os sinais de alta frequência das partes analógica e digital são separados um do outro. Tal projeto tem uma probabilidade muito alta de um resultado favorável, pois garante um bom posicionamento dos componentes e o cumprimento das regras de separação dos circuitos.

Existe apenas um caso em que os sinais analógicos e digitais precisam ser combinados em uma área de aterramento analógica. Os conversores analógico-digital e digital-analógico são alojados em caixas com pinos de aterramento analógico e digital. Considerando as considerações anteriores, pode-se supor que o pino terra digital e o pino terra analógico devem ser conectados aos barramentos de terra digital e analógico, respectivamente. No entanto, isso não é verdade neste caso.

Os nomes dos pinos (analógicos ou digitais) referem-se apenas à estrutura interna do conversor, às suas conexões internas. No circuito, esses pinos devem ser conectados ao barramento de aterramento analógico. A conexão também pode ser feita dentro do circuito integrado, porém, é bastante difícil obter uma baixa resistência de tal conexão devido a limitações topológicas. Portanto, ao usar conversores, é assumida uma conexão externa dos pinos de terra analógico e digital. Se isso não for feito, os parâmetros do microcircuito serão muito piores do que os dados na especificação.

Deve-se levar em consideração que os elementos digitais do conversor podem degradar as características de qualidade do circuito, introduzindo ruído digital no terra analógico e nos circuitos de potência analógicos. O design dos conversores leva em consideração esse impacto negativo para que a parte digital consuma o mínimo de energia possível. Nesse caso, a interferência dos elementos lógicos de comutação é reduzida. Se as saídas digitais do conversor não estiverem muito carregadas, a comutação interna geralmente não causa muitos problemas. Ao projetar uma placa de circuito impresso contendo um ADC ou DAC, deve-se levar em consideração o desacoplamento da alimentação digital do conversor para o terra analógico.

CARACTERÍSTICAS DE FREQUÊNCIA DOS COMPONENTES PASSIVOS

Um grande número de projetistas ignora completamente as limitações de frequência dos componentes passivos quando usados ​​em circuitos analógicos. Esses componentes têm faixas de frequência limitadas e sua operação fora da faixa de frequência especificada pode levar a resultados imprevisíveis. Pode-se pensar que esta discussão é apenas sobre circuitos analógicos de alta velocidade. No entanto, isso está longe de ser o caso - os sinais de alta frequência afetam fortemente os componentes passivos dos circuitos de baixa frequência por meio de radiação ou conexão direta através de condutores. Por exemplo, um simples filtro passa-baixa em um amplificador operacional pode facilmente se transformar em um filtro passa-alta quando alta frequência é aplicada à sua entrada.

Resistores

As características de alta frequência dos resistores podem ser representadas pelo circuito equivalente mostrado na Figura 5.

Capacitores

As características de alta frequência dos capacitores podem ser representadas pelo circuito equivalente mostrado na Figura 6.

Na verdade, ninguém jamais viu um capacitor eletrolítico com reatância de 160 µΩ. As placas de filme e capacitores eletrolíticos são camadas de folhas torcidas que criam indutância parasita. O efeito de auto-indutância dos capacitores de cerâmica é muito menor, o que permite que eles sejam usados ​​​​ao operar em altas frequências. Além disso, os capacitores têm uma corrente de fuga entre as placas, equivalente a um resistor conectado em paralelo com seus terminais, o que adiciona seu efeito parasitário ao efeito da resistência conectada em série dos terminais e placas. Além disso, o eletrólito não é um condutor perfeito. Todas essas resistências se somam para criar uma resistência em série equivalente (ESR). Capacitores usados ​​como desacopladores devem ter baixo ESR, uma vez que a resistência em série limita a eficácia da ondulação e da supressão de ruído. Aumentar a temperatura de operação aumenta significativamente a resistência em série equivalente e pode degradar o desempenho do capacitor. Portanto, se um capacitor eletrolítico de alumínio for usado em uma temperatura operacional elevada, o tipo apropriado de capacitor (105°C) deve ser usado.

Os terminais do capacitor também contribuem para a indutância parasita. Para valores de capacitância pequenos, é importante manter os comprimentos dos condutores curtos. A combinação de indutância parasita e capacitância pode criar um circuito ressonante. Supondo que os condutores tenham uma indutância de cerca de 8nH por centímetro, um capacitor de 0,01uF com condutores de um centímetro de comprimento terá uma frequência de ressonância de cerca de 12,5MHz. Esse efeito é conhecido pelos engenheiros que desenvolveram dispositivos eletrônicos de vácuo décadas atrás. Quem restaura rádios antigos e desconhece esse efeito enfrenta muitos problemas.

Ao usar capacitores eletrolíticos, a conexão correta deve ser observada. O terminal positivo deve ser conectado a um potencial CC mais positivo. A conexão incorreta faz com que a corrente CC flua através do capacitor eletrolítico, o que pode danificar não apenas o próprio capacitor, mas também parte do circuito.

Em casos raros, a diferença de potencial DC entre dois pontos em um circuito pode inverter o sinal. Isso requer o uso de capacitores eletrolíticos não polares, cuja estrutura interna é equivalente a dois capacitores polares conectados em série.

indutância

As características de alta frequência dos indutores podem ser representadas pelo circuito equivalente mostrado na Figura 7.

Na realidade, não há indutor de 6,28 MΩ. A natureza da resistência parasita é fácil de entender - as voltas da bobina são feitas de fio que tem alguma resistência por unidade de comprimento. A capacitância parasita é mais difícil de perceber até que se leve em consideração o fato de que a próxima volta da bobina está localizada próxima à anterior e o acoplamento capacitivo ocorre entre condutores próximos. A capacitância parasita limita a frequência operacional superior. Pequenos indutores de fio enrolado começam a se tornar ineficientes na faixa de 10...100 MHz.

Placa de circuito impresso

A própria placa de circuito impresso possui as características dos componentes passivos discutidos acima, embora não tão óbvias.

O padrão dos condutores em uma placa de circuito impresso pode ser tanto uma fonte quanto um receptor de interferência. Uma boa fiação reduz a sensibilidade do circuito analógico às fontes irradiadas.

A placa de circuito impresso é suscetível à radiação porque os condutores e terminais dos componentes formam uma espécie de antena. A teoria da antena é um assunto bastante complexo para estudar e não é abordado neste artigo. No entanto, alguns princípios básicos são dados aqui.

Um pouco de teoria da antena

Um dos principais tipos de antenas é a haste ou condutor reto. Essa antena funciona porque um condutor reto tem indutância parasita e, portanto, pode concentrar e capturar a radiação de fontes externas. A impedância total de um condutor reto tem um componente resistivo (ativo) e um indutivo (reativo):

Em corrente contínua ou baixas frequências, o componente ativo predomina. À medida que a frequência aumenta, o componente reativo torna-se cada vez mais significativo. Na faixa de 1 kHz a 10 kHz, o componente indutivo começa a fazer efeito, e o condutor não é mais um conector de baixa resistência, mas atua como um indutor.

A fórmula para calcular a indutância de um condutor PCB é a seguinte:

Normalmente, os traços de PCB têm valores entre 6 nH e 12 nH por centímetro de comprimento. Por exemplo, um condutor de 10 cm tem uma resistência de 57 mΩ e uma indutância de 8 nH por cm. Em 100 kHz, a reatância se torna 50 mΩ e, em frequências mais altas, o condutor será uma indutância em vez de uma resistência.

A regra da antena chicote afirma que ela começa a interagir visivelmente com o campo em seu comprimento de cerca de 1/20 do comprimento de onda, e a interação máxima ocorre no comprimento do pino, igual a 1/4 do comprimento de onda. Portanto, o condutor de 10 cm do exemplo do parágrafo anterior começará a se tornar uma antena muito boa em frequências acima de 150 MHz. Deve-se lembrar que, apesar do gerador de clock de um circuito digital não poder operar em frequência superior a 150 MHz, harmônicos maiores sempre estão presentes em seu sinal. Se a placa de circuito impresso contiver componentes com terminais de pinos de comprimento considerável, esses pinos também podem servir como antenas.

O outro tipo principal de antena é a antena de loop. A indutância de um condutor reto aumenta muito quando ele se dobra e se torna parte de um arco. O aumento da indutância diminui a frequência na qual a antena começa a interagir com as linhas de campo.

Projetistas de PCB experientes que são bastante versados ​​na teoria de antenas de loop sabem que não devem criar loops para sinais críticos. Alguns projetistas, no entanto, não pensam nisso, e os condutores de corrente de retorno e sinal em seus circuitos são loops. A criação de antenas de loop é fácil de mostrar com um exemplo (Fig. 8). Além disso, a criação de uma antena de slot é mostrada aqui.

Considere três casos:

A opção A é um exemplo de design ruim. Ele não usa o polígono de solo analógico. O circuito de loop é formado por um condutor de terra e sinal. Quando uma corrente passa, um campo elétrico e um campo magnético perpendicular a ela surgem. Esses campos formam a base de uma antena de loop. A regra da antena de loop afirma que, para máxima eficiência, o comprimento de cada condutor deve ser igual à metade do comprimento de onda da radiação recebida. No entanto, não devemos esquecer que mesmo em 1/20 do comprimento de onda, a antena de loop ainda é bastante eficaz.

A opção B é melhor que a opção A, mas há uma lacuna no polígono, provavelmente para criar um local específico para os fios de sinal serem roteados. O sinal e os caminhos de corrente de retorno formam uma antena de slot. Outros loops são formados nos recortes ao redor dos chips.

A opção B é um exemplo de um design melhor. Os caminhos do sinal e da corrente de retorno se sobrepõem, anulando a eficiência da antena de loop. Observe que esta opção também possui recortes ao redor dos CIs, mas eles são separados do caminho da corrente de retorno.

A teoria da reflexão e correspondência de sinais está próxima da teoria das antenas.

Quando o condutor PCB é girado em 90°, podem ocorrer reflexões. Isso se deve principalmente à mudança na largura do caminho atual. No topo do canto, a largura do traço aumenta em um fator de 1.414, o que leva a um descompasso nas características da linha de transmissão, principalmente a capacitância distribuída e a indutância intrínseca do traço. Muitas vezes é necessário girar um traço em 90° em um PCB. Muitos pacotes CAD modernos permitem suavizar os cantos dos caminhos desenhados ou desenhar os caminhos na forma de um arco. A Figura 9 mostra duas etapas para melhorar a forma do canto. Somente o último exemplo mantém a largura do traço constante e minimiza os reflexos.

Dica para layouts de PCB experientes: deixe o procedimento de alisamento para o último estágio do trabalho antes de criar gotas e despejar polígonos. Caso contrário, o pacote CAD levará mais tempo para suavizar devido a cálculos mais complexos.

EFEITOS PARASITÁRIOS DA PLACA IMPRESSA

- 4 camadas; sinal e camada de polígono de terra são adjacentes,

- intervalo entre camadas - 0,2 mm,

- largura do condutor - 0,75 mm,

- comprimento do condutor - 7,5 mm.

O valor típico de ER para FR-4 é 4.5.

Substituindo todos os valores na fórmula, obtemos o valor da capacitância entre esses dois barramentos, igual a 1,1 pF. Mesmo uma capacidade aparentemente pequena é inaceitável para algumas aplicações. A Figura 11 ilustra o efeito de uma capacitância de 1 pF quando conectada à entrada inversora de um amplificador operacional de alta frequência.

Este efeito dá origem a inúmeros problemas, para os quais, no entanto, existem muitas maneiras. A mais óbvia delas é a redução do comprimento dos condutores. Outra maneira é reduzir sua largura. Não há razão para usar um condutor dessa largura para alimentar o sinal para a entrada inversora, pois Muito pouca corrente flui através deste condutor. Reduzir o comprimento do traço para 2,5 mm e a largura para 0,2 mm reduzirá a capacitância para 0,1 pF, e tal capacitância não levará mais a um aumento tão significativo na resposta de frequência. Outra forma de resolver é retirar parte do polígono sob a entrada inversora e o condutor que chega até ela.

A entrada inversora de um amplificador operacional, especialmente um amplificador operacional de alta velocidade, é altamente propensa a oscilar em circuitos de alto ganho. Isso se deve à capacitância indesejada do estágio de entrada do amplificador operacional. Portanto, é extremamente importante reduzir a capacitância parasita e colocar os componentes de realimentação o mais próximo possível da entrada inversora. Se, apesar das medidas tomadas, o amplificador estiver excitado, é necessário reduzir proporcionalmente a resistência dos resistores de feedback para alterar a frequência de ressonância do circuito. Um aumento nos resistores também pode ajudar, porém, com muito menos frequência, porque. o efeito de excitação também depende da impedância do circuito. Ao alterar os resistores de feedback, não se deve esquecer de alterar a capacitância do capacitor de correção. Além disso, não devemos esquecer que, com a diminuição da resistência dos resistores, o consumo de energia do circuito aumenta.

A largura dos traços de PCB não pode ser reduzida indefinidamente. A largura limite é determinada pelo processo tecnológico e pela espessura da folha. Se dois condutores passarem próximos um do outro, um acoplamento capacitivo e indutivo será formado entre eles (Fig. 12).

As relações que descrevem esses efeitos parasitários são complexas o suficiente para serem apresentadas neste artigo, mas podem ser encontradas na literatura sobre linhas de transmissão e striplines.

Os fios de sinal não devem ser executados paralelamente uns aos outros, exceto no caso de fiação diferencial ou microstrip. A folga entre os condutores deve ser pelo menos três vezes a largura dos condutores.

A capacitância entre traços em circuitos analógicos pode ser problemática para grandes valores de resistor (vários MΩ). O acoplamento capacitivo relativamente grande entre as entradas inversoras e não inversoras de um amplificador operacional pode facilmente fazer com que o circuito se autoexcite.

Sempre que, ao dispor uma placa de circuito impresso, for necessário criar uma via, ou seja, interconexão (Fig. 13), deve ser lembrado que a indutância parasita também surge. Com um diâmetro de furo após o revestimento d e um comprimento de canal h, a indutância pode ser calculada usando a seguinte fórmula aproximada:

Por exemplo, com d=0,4 mm e h=1,5 mm (valores bastante comuns), a indutância do furo é de 1,1 nH.

Lembre-se de que a indutância do furo, juntamente com a mesma capacitância parasita, formam um circuito ressonante, que pode ser afetado ao trabalhar em altas frequências. A indutância intrínseca do buraco é bastante baixa e a frequência ressonante está em algum lugar na faixa de gigahertz, mas se o sinal for forçado a passar por várias vias ao longo de seu caminho, suas indutâncias se somam (na conexão em série) e a frequência ressonante cai. Conclusão: tente evitar um grande número de vias ao rotear os condutores críticos de alta frequência de circuitos analógicos. Outro fenômeno negativo é que, com um grande número de vias no polígono de solo, podem ser criados loops. A melhor fiação analógica - todos os condutores de sinal estão na mesma camada de PCB.

Além dos efeitos parasitas discutidos acima, também existem aqueles associados a uma superfície insuficientemente limpa da placa.

Lembre-se de que, se houver grandes resistências no circuito, deve-se prestar atenção especial à limpeza da placa. Resíduos de fluxo e contaminantes devem ser removidos durante os estágios finais da fabricação de PCB. Recentemente, ao montar placas de circuito impresso, fluxos solúveis em água são frequentemente usados. Sendo menos nocivos, são facilmente removidos com água. Mas, ao mesmo tempo, lavar a placa com água insuficientemente limpa pode levar a contaminação adicional, o que piora as características dielétricas. Portanto, é muito importante limpar o PCB com circuito de alta impedância com água destilada.

INTERACOPLAMENTO DE SINAL

Se você precisar separar uma placa de circuito impresso que tenha partes analógicas e digitais, precisará ter pelo menos uma pequena ideia sobre as características elétricas dos elementos lógicos.

Um estágio de saída típico de um elemento lógico contém dois transistores conectados em série entre si, bem como entre os circuitos de alimentação e terra (Fig. 14).

A situação muda drasticamente quando o estágio de saída muda de um estado lógico para outro. Nesse caso, por um curto período de tempo, os dois transistores podem ser abertos simultaneamente, e a corrente de alimentação do estágio de saída aumenta muito, pois a resistência da seção do caminho de corrente do barramento de força ao barramento de terra através de dois conectados em série transistores diminui. O consumo de energia aumenta abruptamente e depois também diminui, o que leva a uma mudança local na tensão de alimentação e ao aparecimento de uma mudança brusca e de curto prazo na corrente. Tais mudanças de corrente resultam na emissão de energia de RF. Mesmo em uma placa de circuito impresso relativamente simples, pode haver dezenas ou centenas de estágios de saída considerados de elementos lógicos, de modo que o efeito total de sua operação simultânea pode ser muito grande.

É impossível prever com precisão a faixa de frequência na qual esses surtos de corrente ocorrerão, pois a frequência de sua ocorrência depende de muitos fatores, incluindo o atraso de propagação dos transistores de comutação no elemento lógico. O atraso, por sua vez, também depende de muitas causas aleatórias que ocorrem durante o processo de produção. O ruído de comutação tem uma distribuição harmônica de banda larga em toda a faixa. Para suprimir o ruído digital, existem vários métodos, cuja aplicação depende da distribuição espectral do ruído.

A Tabela 2 lista as frequências máximas de operação para tipos de capacitores comuns.

Tabela 2

tipo	Freqüência máxima
eletrolítico de alumínio	100 кГц
eletrolítico de tântalo	1 MHz
mica	500 MHz
керамический	1 GHz

A partir da tabela, é óbvio que capacitores eletrolíticos de tântalo são usados ​​para frequências abaixo de 1 MHz, em frequências mais altas, capacitores cerâmicos devem ser usados. Deve ser lembrado que os capacitores têm sua própria ressonância e a escolha errada deles pode não apenas não ajudar, mas também agravar o problema. A Figura 15 mostra auto-ressonâncias típicas de dois capacitores de uso geral, um eletrolítico de tântalo de 10 µF e um cerâmico de 0,01 µF.

As especificações reais podem variar de fabricante para fabricante e até mesmo de lote para lote do mesmo fabricante. É importante entender que, para que o capacitor funcione efetivamente, as frequências que ele suprime devem estar em uma faixa inferior à frequência auto-ressonante. Caso contrário, a natureza da reatância será indutiva e o capacitor não funcionará mais com eficiência.

Não se engane, pois um único capacitor de 0,1uF rejeitará todas as frequências. Capacitores pequenos (10 nF ou menos) podem funcionar com mais eficiência em frequências mais altas.

Desacoplamento de energia IC

O desacoplamento de energia do circuito integrado para suprimir o ruído de alta frequência consiste em um ou mais capacitores conectados entre os pinos de energia e terra. É importante que os condutores que conectam os condutores aos capacitores sejam mantidos curtos. Se não for esse o caso, a auto-indutância dos condutores desempenhará um papel significativo e anulará os benefícios do uso de capacitores de desacoplamento.

Um capacitor de desacoplamento deve ser conectado a cada pacote do microcircuito, independentemente de haver 1, 2 ou 4 opamps dentro do pacote. Se o op-amp for alimentado por uma fonte bipolar, nem é preciso dizer que os capacitores de desacoplamento devem ser localizado em cada pino de alimentação. O valor da capacitância deve ser escolhido com cuidado dependendo do tipo de ruído e interferência presente no circuito.

Em casos particularmente difíceis, pode ser necessário adicionar um indutor conectado em série com a saída de energia. A indutância deve ser colocada antes, não depois dos capacitores.

Outra maneira mais barata é substituir a indutância por um resistor de baixa resistência (10 ... 100 ohms). Nesse caso, junto com o capacitor de desacoplamento, o resistor forma um filtro de baixa frequência. Este método reduz a faixa de alimentação do amplificador operacional, que também se torna mais dependente do consumo de energia.

Normalmente, para suprimir o ruído de baixa frequência em circuitos de energia, é suficiente usar um ou mais capacitores eletrolíticos de alumínio ou tântalo no conector de entrada de energia. Um capacitor de cerâmica adicional suprimirá o ruído de alta frequência de outras placas.

DEPÓSITO DE ENTRADA E SAÍDA

Em uma situação em que a faixa de frequência do ruído induzido é significativamente diferente da faixa de frequência do circuito, a solução é simples e óbvia - colocar um filtro RC passivo para suprimir o ruído de alta frequência. No entanto, ao usar um filtro passivo, deve-se ter cuidado: suas características (devido à imperfeição das características de frequência dos componentes passivos) perdem suas propriedades em frequências 100 ... 1000 vezes maiores que a frequência de corte (f_3db). Ao usar filtros conectados em série sintonizados em diferentes faixas de frequência, o filtro passa-altas deve estar mais próximo do interferente. Indutores de ferrite também podem ser usados ​​para supressão de ruído; eles retêm a natureza indutiva da resistência até uma certa frequência específica e acima de sua resistência se torna ativa.

A interferência no circuito analógico pode ser tão grande que é possível eliminá-la (ou pelo menos reduzi-la) apenas com o uso de telas. Para funcionar de forma eficaz, eles devem ser cuidadosamente projetados para que as frequências que causam mais problemas não possam entrar no circuito. Isso significa que a blindagem não deve ter furos ou recortes maiores que 1/20 do comprimento de onda da radiação blindada. É uma boa ideia permitir espaço suficiente para a tela pretendida desde o início do projeto do PCB. Ao usar uma blindagem, você também pode usar anéis de ferrite (ou grânulos) para todas as conexões ao circuito.

CORPOS OP-AMP

Em um único amplificador operacional, a saída está localizada no lado oposto das entradas. Isso pode dificultar a operação do amplificador em altas frequências devido ao comprimento dos fios de realimentação. Uma maneira de superar isso é colocar o amplificador e os componentes de realimentação em lados opostos do PCB. Isso, no entanto, resulta em pelo menos dois orifícios e recortes adicionais no polígono de solo. Às vezes vale a pena usar um amplificador operacional duplo para resolver esse problema, mesmo que o segundo amplificador não seja usado (e suas saídas devem ser conectadas corretamente). A Figura 17 ilustra o encurtamento dos fios do loop de realimentação para uma conexão inversora.

Amplificadores operacionais duplos e quádruplos, além dos anteriores, permitem uma montagem mais compacta. Amplificadores separados são, por assim dizer, espelhados um em relação ao outro (Fig. 18).

As Figuras 17 e 18 não mostram todas as conexões necessárias para operação normal, como um driver de médio porte com uma única fonte. A Figura 19 mostra um diagrama desse driver ao usar um amplificador quádruplo.

O diagrama mostra todas as conexões necessárias para a implementação de três estágios inversores independentes. É necessário atentar para o fato de que os condutores do driver de meia tensão estão localizados diretamente sob o pacote do circuito integrado, o que permite reduzir seu comprimento. Este exemplo ilustra não como deveria ser, mas o que deveria ser feito. A tensão de nível médio, por exemplo, pode ser a mesma para todos os quatro amplificadores. Componentes passivos podem ser dimensionados adequadamente. Por exemplo, os componentes planares de tamanho 0402 correspondem ao espaçamento de pinos de um pacote SO padrão. Isso permite comprimentos de condutor muito curtos para aplicações de alta frequência.

Os tipos de pacotes de amplificadores operacionais incluem principalmente DIP (dual-in-line) e SO (small-outline). À medida que o tamanho da embalagem diminui, também diminui o espaçamento dos eletrodos, permitindo o uso de componentes passivos menores. Reduzir o tamanho do circuito como um todo reduz as indutâncias parasitas e permite a operação em frequências mais altas. No entanto, isso também resulta em diafonia mais forte devido ao aumento do acoplamento capacitivo entre componentes e condutores.

MONTAGEM VOLUMÉTRICA E SUPERFÍCIE

Além disso, ao usar componentes adicionais, as dimensões da placa e o comprimento dos condutores aumentam, o que não permite que o circuito opere em altas frequências. As vias possuem indutância própria, o que também impõe restrições às características dinâmicas do circuito. Portanto, os componentes plug-in não são recomendados para circuitos de alta frequência ou para circuitos analógicos localizados próximos a circuitos lógicos de alta velocidade.

Alguns projetistas, na tentativa de reduzir o comprimento dos condutores, colocam os resistores na vertical. À primeira vista, pode parecer que isso reduz o comprimento do percurso. No entanto, isso aumenta o caminho da corrente através do resistor, e o próprio resistor é um loop (bobina de indutância). A capacidade de irradiação e recepção aumenta muitas vezes.

A montagem em superfície não requer um furo para cada pino do componente. No entanto, existem problemas ao testar um circuito e você deve usar vias como pontos de teste, especialmente ao usar componentes de pequena escala.

SEÇÕES DE UO NÃO UTILIZADAS

CONCLUSÃO

• pense na placa de circuito impresso como um componente de circuito elétrico;
• ter uma ideia e compreensão das fontes de ruído e interferência;
• circuitos de modelagem e layout.

Placa de circuito impresso:

• use placas de circuito impresso apenas de material de alta qualidade (por exemplo, FR-4);
• circuitos feitos em placas de circuito impresso multicamadas são 20 dB menos suscetíveis a interferências externas do que circuitos feitos em placas de duas camadas;
• use polígonos separados e não sobrepostos para diferentes terras e feeds;
• coloque os polígonos de terra e energia nas camadas internas do PCB.

Componentes:

• estar ciente das limitações de frequência introduzidas pelos componentes e traços passivos da placa;
• tente evitar a colocação vertical de componentes passivos em circuitos de alta velocidade;
• para circuitos de alta frequência, use componentes projetados para montagem em superfície;
• os condutores devem ser quanto mais curtos, melhor;
• se for necessário um comprimento maior do condutor, reduza sua largura;
• condutores não utilizados de componentes ativos devem ser conectados corretamente.

• coloque o circuito analógico próximo ao conector de alimentação;
• nunca passe fios portando sinais lógicos pela área analógica da placa, e vice-versa;
• torne os condutores adequados para a entrada inversora do curto-circuito do amplificador operacional;
• certifique-se de que os condutores das entradas inversoras e não inversoras do amplificador operacional não estejam paralelos entre si por uma longa distância;
• tente evitar o uso de vias extras, porque sua própria indutância pode levar a problemas adicionais;
• não passe condutores em ângulos retos e alise os topos dos cantos, se possível.

Intercâmbio:

• use os tipos corretos de capacitores para suprimir o ruído nos circuitos de energia;
• para suprimir interferência e ruído de baixa frequência, use capacitores de tântalo no conector de entrada de energia;
• para suprimir interferência e ruído de alta frequência, use capacitores de cerâmica no conector de entrada de energia;
• use capacitores de cerâmica em cada saída de energia do microcircuito; se necessário, use vários capacitores para diferentes faixas de frequência;
• se ocorrer excitação no circuito, é necessário usar capacitores com valor de capacitância menor, e não maior;
• em casos difíceis em circuitos de potência, use resistores conectados em série de pequena resistência ou indutância;
• os capacitores de desacoplamento de energia analógica devem ser conectados apenas ao terra analógico, não ao terra digital.

Doces que restauram o esmalte dos dentes 06.06.2023

Cientistas americanos da Universidade de Washington desenvolveram pastilhas que sustentam e restauram o esmalte dos dentes. A droga já foi testada em ratos e dentes extraídos de humanos e porcos.

Os pirulitos com sabor de menta são baseados em um peptídeo geneticamente modificado derivado da proteína amelogenina. A amelogenina é uma proteína chave na formação do esmalte e da coroa dentária.

O peptídeo, que estará contido no doce, se conectará à dentina - a camada do dente que fica sob o esmalte. Assim, uma nova camada de esmalte será criada.

Os cientistas prevêem que, para manter a força do esmalte dos dentes, bastará usar uma pastilha por dia, e duas já ajudarão a restaurar o esmalte danificado.