ACERVO HISTÓRICO
NOVA ELETRÔNICA n.104 Como Projetar Circuitos Impressos out.
1985 + dicas
Dicas adicionais e lembretes sobre confeição de PCB, principalmente ÁUDIO (circuito impresso) ruído, capacitância e
indutância parasita, etc.
Os circuitos impressos representam a solução ideal para montagens
modernas e práticas.
É importante observar que o projeto de uma placa nem sempre é só
se
AMONTOAR componentes ,mas sim “planejar” uma disposição de componentes e
trilhas. Existem alguns pontos críticos que o projetista deve
estar
ciente e em alguns casos ter muita experiência.
Analisando...layout de PCB
Placas de circuito impresso (PCBs em inglês ) são de longe o método mais
comum de montagem de circuitos eletrônicos modernos. Composto por um
sanduíche de camada (ou camadas) isolante e um ou mais padrões de
condutores de cobre, eles podem introduzir várias formas de falhas em um
circuito, particularmente se o circuito estiver operando em áudio . As
PCBs, então, agem como componentes “invisíveis” onde quer que sejam usados
,alterando o resultado pretendido .
Trilhas longas ou muito próximas
Trilhas muito longas ligando dois componentes numa placa, podem
representar indutâncias ou capacitâncias parasitas.
Uma trilha que corra paralela a outra, representa uma capacitância de
alguns picofarades, ou seja, como a ligação de um capacitor entre as duas
trilhas com um valor que dependerá do comprimento paralelo destas
trilhas.
Num circuito de baixa frequência ou de baixa impedância, a ligação de tal
capacitor, ou seja, sua presença pelas proximidades das trilhas nada
significa, mas no caso de um circuito de áudio de alta impedância e grande
sensibilidade, como um pré-amplificador, isso pode significar um problema:
o sinal pode ser “desviado ou embaralhado” (CROSSTALK) para a outra
trilha, pode ocorrer uma realimentação que causa a oscilação do circuito,
ou ainda pode ocorrer a captação do sinal (ruído) indesejável…
Quanto a indutâncias parasitas, uma bobina representa uma oposição à
passagem de um sinal de alta frequência, prejudicando assim o
funcionamento do circuito. Em outras palavras, nos circuitos de altas
frequências ou de pré-amplificadores de áudio e outros de alta impedância,
é preferível, às vezes, usar um jumper curtos do que fazer uma trilha
longa .
Da mesma forma, as ligações entre componentes ou placas na condução de
sinais muito distantes devem ser feitas, em muitos casos, por meio de
cabos blindados!
Os circuitos de altas frequências e mesmo de áudio mais críticos podem
trazer, às vezes, sérios problemas para o projetista, exigindo muita
prática para sua solução. Estes são os chamados problemas de layout de
placa.
Nos projetos em que a quantidade de jumpers seja grande, pode-se utilizar
um tipo de placa DUPLA FACE que facilita a elaboração do projeto.
Mas sugere-se este processo para um construtor muito experiente.
Trata-se de uma placa que possui os dois lados cobreados. No caso de
trilhas que se cruzem podemos então planejar sua colocação de tal forma
que uma fique de um lado da placa e a outra do outro lado, mas isso pode
causar muitos problemas de cruzamento ou sobre posição de trilhas
criticas...CUIDADO!
Curiosidade!
Por exemplo, tão pouco quanto 1 pF de capacitância parasita permite uma
transição lógica de 5 V para causar uma grande perturbação em um circuito de
100 kΩ,...Isso serve para ilustrar que os circuitos de alta impedância estão
cheios de parasitas potenciais que pode fazer com que um bom design no papel
tenha um desempenho insatisfatório quando realmente implementado. É preciso
prestar atenção especial ao roteamento de sinais. Curiosamente, muitas
técnicas para alta frequência de layout para eliminar parasitas também podem
ser aplicadas para baixa frequência e circuitos de baixa potência - por
diferentes razões. Enquanto os parasitas do circuito causam defasamento
indesejado ,mudanças e instabilidades em circuitos de alta frequência, os
mesmos parasitas causam indesejáveis ruídos em circuitos de precisão de
baixa potência e frequência.
Planos de Terra de uma PCB e aterramento
Um Plano de Terra (Ground Plane) de baixa indutância é fundamental para
minimizar problemas de EMC (ruído). Maximizar as áreas de terra de uma PCB
reduz a indutância de terra em um sistema, que por sua vez reduz as emissões
eletromagnéticas e o Crosstalk.
Conectando todos os terras individuais e, em seguida juntá-los e conectá-los ao plano
de terra, não é aconselhável, pois aumenta o tamanho da malha . Os sinais
podem acabar se acoplando à terra de diferentes maneiras. Se os componentes
estiverem ligados de maneira aleatória à terra do sistema, teremos uma PCB
de baixa qualidade. Esse problema de layout gera alta indutância e problemas
sérios.
A forma como um sinal de volta à terra do sistema é feito é muito
importante, pois quando um sinal toma um caminho mais longo, ele cria um
loop de terra, que forma uma antena . Assim, toda a trilha que flui corrente
de volta para a fonte deve seguir o caminho mais curto possível, e deve ir
diretamente para o plano de terra.
Uma abordagem de design recomendada é ter um plano inteiro de terra, pois
isso proporciona menor impedância para as correntes de retorno.
Circuitos Analógicos
Trilhas que transportam sinais analógicos devem ser mantidas longe de
sinais de alta velocidade ou de chaveamento, e devem sempre estar protegidas
com planos de terra. Filtro passa-baixa deve sempre ser usado para se livrar
de ruídos de alta frequência que se acoplam pelas trilhas analógicas. Além
disso, é importante não compartilhar o plano de terra com circuitos
digitais.
Capacitor de Desacoplamento
Qualquer ruído na fonte de alimentação tende a alterar o funcionamento de
um dispositivo em operação. Geralmente, o ruído acoplado na fonte de
alimentação é de uma alta frequência ou ruídos de rede. Por isso,
capacitores de by-pass ou capacitores de desacoplamento são necessários
para filtrar este ruído.
Um capacitor de desacoplamento fornece um caminho de baixa impedância para
sinais de alta frequência no plano de VCC (tensão contínua pura) para a
terra. O caminho seguido pela corrente à medida que é conduzida em
direção à terra forma um loop de terra. Este caminho deve ser o menor
possível, seguindo pelos capacitores de desacoplamento. Um loop de terra
grande aumenta a radiação e pode agir como uma fonte potencial de falha por
EMC.
A proximidade do capacitor com o circuito que deseja-se proteger é
fundamental, pois longas distâncias de trilhas significam indutâncias
indesejadas em série. Além disso, a reatância de um capacitor ideal
se aproxima de zero com o aumento da frequência.
Infelizmente, não existe
capacitor ideal. Além disso, o chumbo e o encapsulamento adicionam
indutância. Capacitores com baixo ESL (indutância em série equivalente)
devem ser usados para melhorar o efeito de desacoplamento.
Para saber como eliminar ruído em áudio!
Agrupamento ou blocos na PCB
Para um projeto livre de EMC ou ruído, componentes no PCB devem ser
agrupados de acordo com sua funcionalidade, tais como, seções analógicas,
seções digitais , RF, fonte de alimentação, circuitos de baixa velocidade,
circuitos de alta velocidade, e assim por diante. As trilhas para cada
grupo devem permanecer em sua área designada.
Além da separação em seções, é recomendado a separação das alimentações.
Deve-se fazer planos por funções, fazendo a ligação entre os planos de
terra em pontos definidos. Isso significa que, mesmo que eletricamente
conectados, tratam-se de planos de terra diferentes, como já foi dito
anteriormente.
Quando se trata de um projeto para áudio extensos é bom utilizar
módulos separados .
Crosstalk
O crosstalk pode existir entre duas quaisquer trilhas sobre um PCB e
acontece por conta da indutância mútua e capacitância mútua. É dependente
da distância entre as duas trilhas, a frequência do sinal, e a impedância
das trilhas.
Blindagem
Blindagem não é uma solução elétrica, mas uma abordagem mecânica para
reduzir EMC ou ruídos . Caixas metálicas, feitos de materiais condutores
e/ou magnéticos, são usados para evitar que a EMI irradie ou penetre no
sistema.
A blindagem pode ser utilizada para cobrir todo o sistema ou uma parte do
mesmo, dependendo dos requisitos. Funciona como um recipiente fechado
condutor ligado à terra, que reduz eficazmente a EMI ou ruído porque
absorve e reflete parte da sua radiação.
Assim que os caminhos e circuitos críticos do sistema forem
identificados, a próxima etapa para implementar o layout de PCB para áudio
é particionar a placa de circuito impresso de acordo com a função de
circuito. Isso envolve o uso apropriado da alimentação, aterramento e
caminhos de sinais. Bons layouts de PCB também isolam caminhos analógicos
críticos de fontes de alta interferência (Linhas de in / out e conectores,
por exemplo). Circuitos de alta frequência (analógicos e digitais) devem
ser separados dos de baixa frequência. Além disso, o roteamento automático
do sinal usando software de layout CAD deve ser usado com extremo cuidado.
Caminhos de sinais críticos devem ser encaminhado manualmente, para evitar
acoplamentos indesejados e / ou emissões.
Projetar placas não é difícil, mas exige prática. Quando o aparelho se
torna complexo ou opera com sinais críticos (altas frequências ou áudio)
será preciso ter algum cuidado, que a experiência vai ensinar .
O importante, para não se depender de layouts prontos, é a prática, que
deve inicialmente começar com a escolha de alguns circuitos simples
para que projete sua própria placa e vá se aprimorando nesta arte.
