Um entendimento completo dos capacitores de bypass o ajudará a incorporar adequadamente estes componentes críticos em seus projetos.
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Não é inconcebível que um estudante de engenharia dedicado e bem sucedido se formaria na faculdade sabendo quase nada sobre um dos componentes mais difundidos e importantes encontrados em circuitos reais: o capacitor de bypass. Mesmo engenheiros experientes podem não entender completamente porque incluem condensadores cerâmicos de 0,1 µF ao lado de cada pino de potência de cada CI em cada placa de circuito que projetam. Este artigo fornece informações que o ajudarão a entender porque os capacitores de bypass são necessários e como eles melhoram o desempenho do circuito, e um artigo de acompanhamento irá focar nos detalhes relacionados à escolha dos capacitores de bypass e as técnicas de layout da placa de circuito impresso que maximizam sua eficácia.
Os Perigos da Corrente de Transição
Um componente no qual a transição rápida das saídas de um estado para outro irá gerar correntes transitórias. Quando essas correntes transientes são tiradas diretamente da fonte de alimentação, as tensões transientes são criadas como resultado da impedância da fonte de alimentação, bem como da indutância parasitária associada a fios e traços de PCB. Este efeito é cada vez mais problemático quando um componente deve conduzir uma carga de baixa resistência ou alta capacitância: cargas de baixa resistência criam transientes de maior magnitude, e cargas de alta capacitância podem levar a toques ou mesmo a oscilações severas na linha de alimentação. O resultado final pode ser qualquer coisa desde o desempenho subótimo do circuito até falha do sistema.
Vamos explorar brevemente esta questão da corrente transitória usando uma simulação muito simples.
O circuito é o famoso inversor CMOS, como confirmado pela relação entre a tensão de entrada e a tensão de saída. Embora o design eminentemente inteligente deste inversor não exija corrente em estado estacionário, precisamos lembrar que uma corrente transiente significativa flui à medida que a tensão de entrada passa pela região na qual ambos os transistores estão conduzindo. Esta corrente cria uma perturbação na alimentação de tensão do inversor correspondente à queda de tensão através da resistência da fonte (esta simulação usa 2 Ω, que é sobre quanta resistência interna você esperaria de uma bateria de 9 V):
É verdade que a magnitude desta perturbação é muito pequena, mas lembre-se que um circuito integrado pode conter centenas ou milhares ou milhões de inversores. Sem um bypass adequado, o efeito cumulativo de todas estas correntes transitórias seria um ruído sério – se não catastroficamente instável – de alimentação de tensão. Experiências realizadas por engenheiros da Texas Instruments demonstraram que uma comutação de IC do driver de linha mal ultrapassada a 33 MHz resultou em uma amplitude de anel tão alta quanto 2 V pico a pico em um trilho de energia de 5 V!
O gráfico seguinte mostra a tensão de alimentação quando o circuito de simulação é expandido para incluir apenas 8 inversores juntamente com 1 nH de indutância parasitária em série com a resistência da fonte:
A magnitude dos transientes aumentou para quase 0.5 mV, e ambas as perturbações exibem algum comportamento oscilatório:
Circuitos digitais certamente têm uma aptidão especial para degradar a qualidade da energia, mas os circuitos integrados analógicos também precisam de um bypass para compensar transições rápidas de saída e para protegê-los do ruído de alimentação gerado por outros dispositivos. Por exemplo, a taxa de rejeição da fonte de alimentação de um op-amp diminui à medida que o ruído da fonte de alimentação aumenta na frequência; isto significa que um op-amp desviado inadequadamente poderia criar perturbações na linha de alimentação de alta frequência que se propagariam ao próprio sinal de saída do op-amp.
A Solução
É conveniente que um problema tão grave possa ser resolvido eficazmente com um componente simples e amplamente disponível. Mas porquê o condensador? Uma explicação simples é a seguinte: Um capacitor armazena carga que pode ser fornecida ao CI com resistência em série muito baixa e indutância em série muito baixa. Assim, as correntes transitórias podem ser fornecidas a partir do condensador de bypass (através de resistência e indutância mínimas) em vez da linha de alimentação (através de resistência e indutância comparativamente grandes). Para melhor entender isso, precisamos rever alguns conceitos básicos relacionados a como um condensador afeta um circuito.
Primeiro, porém, uma breve nota sobre terminologia: Os componentes discutidos neste artigo são regularmente referidos como “condensadores de bypass” e “condensadores de desacoplamento”. Há uma distinção sutil aqui – “desacoplamento” refere-se a reduzir o grau em que uma parte de um circuito influencia outra, e “bypass” refere-se a fornecer um caminho de baixa impedância que permite que o ruído “passe” por um CI no seu caminho para o nó de terra. Ambos os termos podem ser usados corretamente porque um capacitor de desvio/desacoplamento realiza ambas as tarefas. Neste artigo, no entanto, “condensador de bypass” é favorecido para evitar confusão com um condensador de desacoplamento em série utilizado para bloquear a componente DC de um sinal.
Carga e Descarga
A acção fundamental de um condensador é armazenar carga e libertar carga de tal forma que se opõe às mudanças de tensão: Se a tensão diminuir subitamente, o condensador fornece corrente das suas placas carregadas, numa tentativa de manter a tensão anterior. Se a tensão aumenta repentinamente, as placas do condensador armazenam a carga da corrente gerada pelo aumento da tensão. A seguinte simulação simples pode ajudá-lo a visualizar isto:
Nota que a corrente é positiva (isto é, fluindo da fonte através de R1 a C1) quando o condensador está a carregar e negativa (isto é fluindo de C1 a R1 até à fonte) quando o condensador está a descarregar.
Este comportamento fundamental de carga e descarga não muda dependendo se o condensador está exposto a sinais de baixa ou alta frequência. No entanto, em uma discussão sobre bypass de alimentação, é útil analisar a influência de um capacitor de duas maneiras diferentes – uma para situações de baixa frequência e outra para situações de alta frequência. Num contexto de baixa frequência ou DC, um condensador de bypass opõe-se às mudanças na linha de tensão carregando ou descarregando. O condensador funciona como uma bateria de baixa impedância que pode fornecer pequenas quantidades de corrente transitória. Num contexto de alta frequência, o condensador é um caminho de baixa impedância para a terra que protege o CI do ruído de alta frequência na linha de alimentação.
A Standard Approach
A análise anterior ajuda-nos a compreender um esquema clássico de bypass: um condensador de 10 µF dentro de uma polegada ou duas do CI, e um 0.1 µF condensador de cerâmica o mais próximo possível do pino de potência:
O condensador maior suaviza as variações de baixa frequência na tensão de alimentação, e o condensador menor filtra mais eficazmente o ruído de alta frequência na linha de alimentação.
Se incorporarmos estes condensadores de bypass na simulação de 8interesses discutida acima, o anel é eliminado e a magnitude do distúrbio de tensão é reduzida de 1 mV para 20 µV:
Ideal vs. Realidade
Neste ponto você pode estar se perguntando porque precisamos de um condensador de 0,1 µF além de um condensador de 10 µF. Qual é a diferença entre 10 µF e 10,1 µF? É aqui que a discussão sobre o bypass-cap se torna mais complicada. A eficácia de um determinado esquema de bypass está intimamente relacionada com duas das características não ideais do condensador escolhido: resistência em série equivalente (ESR) e indutância em série equivalente (ESL). Na simulação mencionada, os condensadores paralelos 10 µF e 0,1 µF ideais tornam-se nada mais do que um condensador ideal de 10,1 µF. Para que a simulação seja realista, precisamos incluir valores razoáveis de ESR e ESL. Com esta modificação, temos o seguinte:
Pois ainda uma melhoria em relação ao caso sem condensadores de bypass, estes resultados são significativamente piores do que o que vimos com as tampas ideais.
Esta simulação simples não pode possivelmente explicar todas as impedâncias parasitárias e outras influências sutis presentes com circuitos integrados reais em uma PCB real (especialmente uma que inclui sinais digitais de alta velocidade). O objetivo aqui é demonstrar que o projeto de uma rede de bypass envolve uma cuidadosa consideração do ESR e ESL de um capacitor. Igualmente importantes são a colocação adequada dos componentes e as técnicas de layout da placa de circuito impresso. Vamos explorar todos estes detalhes no próximo artigo.
Próximo Artigo em Série: Clean Power for Every IC, Part 2: Choosing and Using Your Bypass Capacitors