O número de designers digitais e especialistas em design de placas de circuito digital na área de engenharia está aumentando constantemente, o que reflete a tendência de desenvolvimento da indústria. Embora a ênfase no design digital tenha trazido grandes desenvolvimentos em produtos eletrônicos, ela ainda existe, e sempre haverá alguns projetos de circuitos que fazem interface com ambientes analógicos ou reais. As estratégias de fiação nos campos analógico e digital têm algumas semelhanças, mas quando você deseja obter melhores resultados, devido às diferentes estratégias de fiação, o design simples da fiação do circuito não é mais a solução ideal.

Este artigo discute as semelhanças e diferenças básicas entre a fiação analógica e digital em termos de capacitores de bypass, fontes de alimentação, projeto de aterramento, erros de tensão e interferência eletromagnética (EMI) causada pela fiação da PCB.

O número de designers digitais e especialistas em design de placas de circuito digital na área de engenharia está aumentando constantemente, o que reflete a tendência de desenvolvimento da indústria. Embora a ênfase no design digital tenha trazido grandes desenvolvimentos em produtos eletrônicos, ela ainda existe, e sempre haverá alguns projetos de circuitos que fazem interface com ambientes analógicos ou reais. As estratégias de fiação nos campos analógico e digital têm algumas semelhanças, mas quando você deseja obter melhores resultados, devido às diferentes estratégias de fiação, o design simples da fiação do circuito não é mais a solução ideal.

Este artigo discute as semelhanças e diferenças básicas entre a fiação analógica e digital em termos de capacitores de bypass, fontes de alimentação, projeto de aterramento, erros de tensão e interferência eletromagnética (EMI) causada pela fiação da PCB.

Adicionar capacitores de bypass ou desacoplamento na placa de circuito e a localização desses capacitores na placa são de senso comum para projetos digitais e analógicos. Mas, curiosamente, as razões são diferentes.

No projeto de fiação analógica, os capacitores de bypass são geralmente usados ​​para desviar sinais de alta frequência na fonte de alimentação. Se capacitores de bypass não forem adicionados, esses sinais de alta frequência poderão entrar em chips analógicos sensíveis através dos pinos da fonte de alimentação. De modo geral, a frequência desses sinais de alta frequência excede a capacidade dos dispositivos analógicos de suprimir sinais de alta frequência. Se o capacitor de bypass não for utilizado no circuito analógico, poderá ser introduzido ruído no caminho do sinal e, em casos mais graves, poderá até causar vibração.

No projeto de PCB analógica e digital, os capacitores de bypass ou desacoplamento (0,1uF) devem ser colocados o mais próximo possível do dispositivo. O capacitor de desacoplamento da fonte de alimentação (10uF) deve ser colocado na entrada da linha de alimentação da placa de circuito. Em todos os casos, os pinos destes capacitores devem ser curtos.

Na placa de circuito da Figura 2, diferentes rotas são usadas para direcionar os fios de alimentação e terra. Devido a esta cooperação inadequada, os componentes eletrônicos e circuitos da placa de circuito estão mais sujeitos a interferências eletromagnéticas.

No painel único da Figura 3, os fios de alimentação e terra dos componentes da placa de circuito estão próximos um do outro. A relação de correspondência da linha de alimentação e da linha de aterramento nesta placa de circuito é apropriada conforme mostrado na Figura 2. A probabilidade de componentes eletrônicos e circuitos na placa de circuito serem submetidos a interferência eletromagnética (EMI) é reduzida em 679/12,8 vezes ou cerca de 54 vezes.
　　
Para dispositivos digitais, como controladores e processadores, também são necessários capacitores de desacoplamento, mas por motivos diferentes. Uma função desses capacitores é atuar como um banco de carga “em miniatura”.

Em circuitos digitais, geralmente é necessária uma grande quantidade de corrente para realizar a comutação do estado da porta. Como as correntes transitórias de comutação são geradas no chip durante a comutação e fluem através da placa de circuito, é vantajoso ter cargas “sobressalentes” adicionais. Se não houver carga suficiente ao realizar a ação de comutação, a tensão da fonte de alimentação mudará bastante. Muita mudança de tensão fará com que o nível do sinal digital entre em um estado incerto e pode fazer com que a máquina de estado no dispositivo digital opere incorretamente.

A corrente de comutação que flui através do traço da placa de circuito fará com que a tensão mude, e o traço da placa de circuito terá indutância parasita. A seguinte fórmula pode ser usada para calcular a mudança de tensão: V = LdI/dt. Entre eles: V = mudança de tensão, L = indutância do traço da placa de circuito, dI = mudança de corrente através do traço, dt = tempo de mudança de corrente.
　　
Portanto, por vários motivos, é melhor aplicar capacitores de bypass (ou desacoplamento) na fonte de alimentação ou nos pinos da fonte de alimentação de dispositivos ativos.

O cabo de alimentação e o fio terra devem ser encaminhados juntos

A posição do cabo de alimentação e do fio terra são bem combinadas para reduzir a possibilidade de interferência eletromagnética. Se a linha de energia e a linha de aterramento não corresponderem adequadamente, um loop do sistema será projetado e provavelmente será gerado ruído.

Um exemplo de projeto de PCB onde a linha de alimentação e a linha de aterramento não combinam corretamente é mostrado na Figura 2. Nesta placa de circuito, a área do loop projetada é de 697 cm². Usando o método mostrado na Figura 3, a possibilidade de ruído irradiado dentro ou fora da placa de circuito induzindo tensão no circuito pode ser bastante reduzida.

A diferença entre estratégias de fiação analógica e digital

▍O plano terrestre é um problema

O conhecimento básico da fiação da placa de circuito é aplicável a circuitos analógicos e digitais. Uma regra básica é usar um plano de aterramento ininterrupto. Esse bom senso reduz o efeito dI/dt (mudança na corrente com o tempo) em circuitos digitais, que altera o potencial de terra e faz com que o ruído entre nos circuitos analógicos.

As técnicas de fiação para circuitos digitais e analógicos são basicamente as mesmas, com uma exceção. Para circuitos analógicos, há outro ponto a ser observado, ou seja, manter as linhas e loops de sinal digital no plano de terra o mais distante possível dos circuitos analógicos. Isso pode ser conseguido conectando o plano de aterramento analógico à conexão de aterramento do sistema separadamente ou colocando o circuito analógico na extremidade da placa de circuito, que é o fim da linha. Isso é feito para manter ao mínimo a interferência externa no caminho do sinal.

Não há necessidade de fazer isso para circuitos digitais, que podem tolerar muito ruído no plano de terra sem problemas.

A Figura 4 (esquerda) isola a ação de comutação digital do circuito analógico e separa as partes digital e analógica do circuito. (Direita) A alta frequência e a baixa frequência devem ser separadas tanto quanto possível, e os componentes de alta frequência devem estar próximos aos conectores da placa de circuito.

Figura 5 Layout de dois traços próximos no PCB, é fácil formar capacitância parasita. Devido à existência deste tipo de capacitância, uma rápida mudança de tensão em um traço pode gerar um sinal de corrente no outro traço.

Figura 6 Se você não prestar atenção ao posicionamento dos traços, os traços na PCB podem produzir indutância de linha e indutância mútua. Esta indutância parasita é muito prejudicial à operação de circuitos, incluindo circuitos de comutação digital.

▍Localização do componente

Conforme mencionado acima, em cada projeto de PCB, a parte com ruído do circuito e a parte “silenciosa” (parte sem ruído) devem ser separadas. De modo geral, os circuitos digitais são “ricos” em ruído e são insensíveis ao ruído (porque os circuitos digitais têm uma tolerância maior ao ruído de tensão); pelo contrário, a tolerância ao ruído de tensão dos circuitos analógicos é muito menor.

Dos dois, os circuitos analógicos são os mais sensíveis ao ruído de comutação. Na fiação de um sistema de sinais mistos, esses dois circuitos devem ser separados, conforme mostra a Figura 4.
　　
▍Componentes parasitas gerados pelo projeto de PCB

Dois elementos parasitas básicos que podem causar problemas são facilmente formados no projeto de PCB: capacitância parasita e indutância parasita.

Ao projetar uma placa de circuito, colocar dois traços próximos um do outro gerará capacitância parasita. Você pode fazer isso: Em duas camadas diferentes, coloque um traço em cima do outro traço; ou na mesma camada, coloque um traço próximo ao outro traço, conforme mostrado na Figura 5.
　　
Nessas duas configurações de traço, alterações na tensão ao longo do tempo (dV/dt) em um traço podem causar corrente no outro traço. Se o outro traço for de alta impedância, a corrente gerada pelo campo elétrico será convertida em tensão.
　　
Transientes rápidos de tensão ocorrem com mais frequência no lado digital do projeto de sinal analógico. Se os traços com transientes de tensão rápidos estiverem próximos dos traços analógicos de alta impedância, esse erro afetará seriamente a precisão do circuito analógico. Neste ambiente, os circuitos analógicos apresentam duas desvantagens: sua tolerância ao ruído é muito menor que a dos circuitos digitais; e traços de alta impedância são mais comuns.
　　
Usar uma das duas técnicas a seguir pode reduzir esse fenômeno. A técnica mais comumente usada é alterar o tamanho entre os traços de acordo com a equação de capacitância. O tamanho mais eficaz para alterar é a distância entre os dois traços. Deve-se notar que a variável d está no denominador da equação de capacitância. À medida que d aumenta, a reatância capacitiva diminuirá. Outra variável que pode ser alterada é o comprimento dos dois traços. Neste caso, o comprimento L diminui e a reatância capacitiva entre os dois traços também diminuirá.
　　
Outra técnica é colocar um fio terra entre esses dois traços. O fio terra é de baixa impedância e adicionar outro traço como esse enfraquecerá o campo elétrico de interferência, conforme mostrado na Figura 5.
　　
O princípio da indutância parasita na placa de circuito é semelhante ao da capacitância parasita. É também traçar dois traços. Em duas camadas diferentes, coloque um traço em cima do outro traço; ou na mesma camada, coloque um traço próximo ao outro, conforme mostra a Figura 6.

Nessas duas configurações de fiação, a variação da corrente (dI/dt) de um traço com o tempo, devido à indutância deste traço, gerará tensão no mesmo traço; e devido à existência de indutância mútua, uma corrente proporcional será gerada no outro traço. Se a mudança de tensão no primeiro traço for grande o suficiente, a interferência poderá reduzir a tolerância de tensão do circuito digital e causar erros. Este fenômeno não ocorre apenas em circuitos digitais, mas é mais comum em circuitos digitais devido às grandes correntes de comutação instantânea em circuitos digitais.
　　
Para eliminar ruído potencial de fontes de interferência eletromagnética, é melhor separar linhas analógicas “silenciosas” de portas de E/S barulhentas. Para tentar obter uma rede de energia e aterramento de baixa impedância, a indutância dos fios do circuito digital deve ser minimizada e o acoplamento capacitivo dos circuitos analógicos deve ser minimizado.
　　
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Conclusão

Depois que as faixas digitais e analógicas forem determinadas, o roteamento cuidadoso é essencial para um PCB bem-sucedido. A estratégia de fiação geralmente é apresentada a todos como regra prática, porque é difícil testar o sucesso final do produto em um ambiente de laboratório. Portanto, apesar das semelhanças nas estratégias de fiação dos circuitos digitais e analógicos, as diferenças nas suas estratégias de fiação devem ser reconhecidas e levadas a sério.