07/06/2016 Capacitores de desacoplamento ­ Embarcados

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Por Javier Marto | 25/01/2016 | Conteúdo, Hardware

Hoje é possível alcançar as velocidades de processamentoatuais nos circuitos digitais devido, em parte, ao fato dos CIsrequererem uma menor tensão e maior corrente. Isto implicaque as margens de 1 e 0 lógico são menores, o que as tornamais fáceis de alcançar, mas também torna o CI maissuscetível a ruído. Por isso, hoje é necessário fornecer umaalimentação o mais limpa possível para os CIs de altafrequência. As fontes de chaveamento fornecem uma alimentação muitoestável e de mais alta e枌ciência energética, e é por isso quesão utilizadas em alguma etapa da PDN (Power DistributionNetwork) de praticamente todo projeto eletrônico atual, masestas possuem  o problema do ruído - ruído na frequência dechaveamento e seus harmônicos. Isso, adicionado àdensidade cada vez mais alta nos circuitos atuais - o que

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implica um crosstalk importante nos sinais - produz um nívelde ruído que pode afetar o funcionamento dos CIs. É por issoque, além de outras razões, é preciso 枌ltrar o ruído das faixasde alimentação. Essa função é cumprida pelos denominadoscapacitores de desacoplamento, os quais provêm uma faixade baixa impedância para o ruído nas altas frequências. 

Figura 1 - (esq) - capacitor de desacoplamento naalimentação do CI. (dir) Comportamento do mesmo capacitor

de desacoplamento para altas frequências.  

Modelo real de um capacitor

 Na 枌gura 2 exibe o modelo real de um capacitor em altafrequência (pode ser ainda mais complexo, mas para estepropósito explicativo este modelo é ótimo). Modelo onde sedestaca a ESR (Equivalent Series Resistor) o qual representa aresistência dos pinos e das placas do capacitor. Por outrolado está a ESL (Equivalent Series Inductor), a qual representaa indutância dos pinos e as placas do capacitor. 

Figura 2 - Modelo real de umcapacitor em alta frequência

 Por isso, a impedância equivalente do modelo é: 

 Na 枌gura 3 pode-se ver o diagrama de Bode da impedânciaequivalente de um capacitor tipico, mas com três diferentesvalores de ESL.   É possivel observar que nas baixasfrequências o termo que domina na impedância é o termo

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capacitivo, onde conforme maior é a frequência, menor é aimpedância, o que é exatamente o que se busca: uma faixa debaixa impedância para o ruído de alta frequência. Mas isso ésó até o ponto de ressonância, onde a parte capacitiva éigualada pela parte indutiva, o qual também é o ponto demenor impedância do capacitor. O único termo que atuanesse ponto, na impedância, é a ESR (termo de maiorimportância nos denominados capacitores tanque, bulkcapacitor, os quais serão explicados em alguns dos próximosartigos). Logo, para maiores frequências o termo que dominaa impedância equivalente é a ESL, onde quanto maior é afrequência, maior será a impedância. Por isso, todo o ruídonesse intervalo de frequência entrará direitamente nos CI enão será 枌ltrado pelo capacitor e possivelmente causará errosnestes. 

Figura 3 - Resposta em frequência de umcapacitor para diversos tamanhos

Fonte: www.mpdigest.com Assim, os termos de maior importância na seleção doscapacitores de desacoplamento são dois:

a capacitância, a qual tipicamente é do intervalo de queparte como máximo em 1 uF até os nF, ou até pF emalgumas aplicações;o outro é a indutância associada no capacitor, a ESL, aqual vem dada principalmente pelo loop que a correntefaz no capacitor (maior loop implica maior indutância).

 É por isso que o encapsulamento do capacitor é de grandeimportância e, assim, em projetos de alta frequência nãoadianta utilizar capacitores de baixa capacitância do tipotrough hole (como o capacitor da 枌gura 4).   E, mesmoutilizando capacitores SMD, o tamanho destes importa e temum grande impacto, como pode se ver na 枌gura 5, onde sepode veri枌car a diferença de ESL nos distintosencapsulamentos SMD de um mesmo capacitor. 

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Figura 4 - Capacitor cerâmico troughhole

 

Figura 5 - Valor da ESL para um mesmo capacitor SMD comdiferentes tamanhos

Fonte: Application Note 1325 - INTERSIL Agora, levando em conta que a maioria dos circuitos de hojesão digitais, os harmônicos dos pulsos fazem com que oruído apresentado nestes circuitos seja de muitasfrequências, por isso é ideal apresentar uma faixa de baixaimpedância para o maior intervalo de frequências possível. E,para alcançar isto, deve-se misturar capacitores de diferentesvalores e diferentes tamanhos, como pode se olhar na 枌gura6b, onde se apresenta em laranja a impedância equivalentealcançada; ou você pode simplesmente estar aumentando ocusto para seu BOM sem nenhum benefício, como se podever na 枌gura 6a. 

Figura 6a (esq) - Impedância equivalente utilizando diferentescapacitores de um mesmo tamanho. Figura 6b (dir) -

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implicação no custo de seu BOM, o qual é de gradeimportância em projetos comerciais e não de hobby, poderepresentar a estabilidade e robustez de seu projeto ou até ofuncionamento ou não deste. E, tomando em conta que umprotótipo (umas 6 unidades) de um projeto de alta frequência,controle de impedâncias, multi camadas, pode ter um custode facilmente US$ 5.000, não é algo que seus chefesgostariam e nem que você, como engenheiro e desenvolvedor,pode deixar de lado.

Capacitores de desacoplamento em projetos de altafrequência por Javier Marto. Esta obra está sob a licença

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Sobre o Autor: Javier Marto

Engenheiro Civil Eletrônico, formado naUniversidad Técnica Federico Santa María, noChile; com especialidade em sistemas digitais eeletrônica de potência. Desde 2016 morando em

Sao Paulo. Trabalho, há mais de 03 anos, no desenvolvimentode sistemas embarcados (hardware/枌rmware),principalmente no desenvolvimento de hardware/PCBs desistemas embarcados multicamadas de alta frequência (CPU,DDR3/2, HDMI, PCIe, LVDS, além muitas outras tecnologias.);tanto para o mercado latino americano em geral, como para omercado europeu e norte americano (o que implicacerti枌cados FCC e CE). Tenho interesse em P&D de eletrônicageral, hardware, FPGA, integridade de sinais, 枌rmware,astronomía e ciência em geral.

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