Capacitores de desacoplamento em projetos de alta frequência

Conheça os capacitores de desacoplamento em projetos de alta frequência, os quais provêm uma faixa de baixa impedância para o ruído nas altas frequências
Capacitores de desacoplamento
Este post faz parte da série Capacitores de desacoplamento. Leia também os outros posts da série:

Hoje é possível alcançar as velocidades de processamento atuais nos circuitos digitais devido, em parte, ao fato dos CIs requererem uma menor tensão e maior corrente. Isto implica que as margens de 1 e 0 lógico são menores, o que as torna mais fáceis de alcançar, mas também torna o CI mais suscetível a ruído. Por isso, hoje é necessário fornecer uma alimentação o mais limpa possível para os CIs de alta frequência.

As fontes de chaveamento fornecem uma alimentação muito estável e de mais alta eficiência energética, e é por isso que são utilizadas em alguma etapa da PDN (Power Distribution Network) de praticamente todo projeto eletrônico atual, mas estas possuem  o problema do ruído – ruído na frequência de chaveamento e seus harmônicos. Isso, adicionado à densidade cada vez mais alta nos circuitos atuais – o que implica um crosstalk importante nos sinais – produz um nível de ruído que pode afetar o funcionamento dos CIs. É por isso que, além de outras razões, é preciso filtrar o ruído das faixas de alimentação. Essa função é cumprida pelos denominados capacitores de desacoplamento, os quais provêm uma faixa de baixa impedância para o ruído nas altas frequências.

Capacitores de desacoplamento
Figura 1 – (esq) – capacitor de desacoplamento na alimentação do CI. (dir) Comportamento do mesmo capacitor de desacoplamento para altas frequências.

Modelo real de um capacitor

Na figura 2 exibe o modelo real de um capacitor em alta frequência (pode ser ainda mais complexo, mas para este propósito explicativo este modelo é ótimo). Modelo onde se destaca a ESR (Equivalent Series Resistor) o qual representa a resistência dos pinos e das placas do capacitor. Por outro lado está a ESL (Equivalent Series Inductor), a qual representa a indutância dos pinos e as placas do capacitor.

Capacitores de desacoplamento: Modelo real
Figura 2 – Modelo real de um capacitor em alta frequência

Por isso, a impedância equivalente do modelo é:

capacitores-impedancia-formula

Na figura 3 pode-se ver o diagrama de Bode da impedância equivalente de um capacitor tipico, mas com três diferentes valores de ESL.  É possivel observar que nas baixas frequências o termo que domina na impedância é o termo capacitivo, onde conforme maior é a frequência, menor é a impedância, o que é exatamente o que se busca: uma faixa de baixa impedância para o ruído de alta frequência. Mas isso é só até o ponto de ressonância, onde a parte capacitiva é igualada pela parte indutiva, o qual também é o ponto de menor impedância do capacitor. O único termo que atua nesse ponto, na impedância, é a ESR (termo de maior importância nos denominados capacitores tanque, bulk capacitor, os quais serão explicados em alguns dos próximos artigos). Logo, para maiores frequências o termo que domina a impedância equivalente é a ESL, onde quanto maior é a frequência, maior será a impedância. Por isso, todo o ruído nesse intervalo de frequência entrará direitamente nos CI e não será filtrado pelo capacitor e possivelmente causará erros nestes.

Capacitores de desacoplamento: Resposta em frequência
Figura 3 – Resposta em frequência de um capacitor para diversos tamanhos
Fonte: www.mpdigest.com

Assim, os termos de maior importância na seleção dos capacitores de desacoplamento são dois:

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

É por isso que o encapsulamento do capacitor é de grande importância e, assim, em projetos de alta frequência não adianta utilizar capacitores de baixa capacitância do tipo trough hole (como o capacitor da figura 4).  E, mesmo utilizando capacitores SMD, o tamanho destes importa e tem um grande impacto, como pode se ver na figura 5, onde se pode verificar a diferença de ESL nos distintos encapsulamentos SMD de um mesmo capacitor.

Capacitores de desacoplamento: capacitor cerâmico
Figura 4 – Capacitor cerâmico trough hole
Capacitores-SMD
Figura 5 – Valor da ESL para um mesmo capacitor SMD com diferentes tamanhos
Fonte: Application Note 1325 – INTERSIL

Agora, levando em conta que a maioria dos circuitos de hoje são digitais, os harmônicos dos pulsos fazem com que o ruído apresentado nestes circuitos seja de muitas frequências, por isso é ideal apresentar uma faixa de baixa impedância para o maior intervalo de frequências possível. E, para alcançar isto, deve-se misturar capacitores de diferentes valores e diferentes tamanhos, como pode se olhar na figura 6b, onde se apresenta em laranja a impedância equivalente alcançada; ou você pode simplesmente estar aumentando o custo para seu BOM sem nenhum benefício, como se pode ver na figura 6a.

Capacitores de desacoplamento: impedância equivalente
Figura 6a (esq) – Impedância equivalente utilizando diferentes capacitores de um mesmo tamanho. Figura 6b (dir) – Impedância equivalente utilizando diferentes

Portanto, a correta eleição dos capacitores de desacoplamento em seu projeto, além de ter uma direta implicação no custo de seu BOM, o qual é de grade importância em projetos comerciais e não de hobby, pode representar a estabilidade e robustez de seu projeto ou até o funcionamento ou não deste. E, tomando em conta que um protótipo (umas 6 unidades) de um projeto de alta frequência, controle de impedâncias, multi camadas, pode ter um custo de facilmente US$ 5.000, não é algo que seus chefes gostariam e nem que você, como engenheiro e desenvolvedor, pode deixar de lado.

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Roteamento e posicionamento dos capacitores de desacoplamento em projetos de alta frequência >>

Engenheiro Civil Eletrônico, formado na Universidad Técnica Federico Santa María, no Chile; com especialidade em sistemas digitais e eletrônica de potência. Desde 2016 morando em Sao Paulo. Trabalho, há mais de 03 anos, no desenvolvimento de sistemas embarcados (hardware/firmware), principalmente no desenvolvimento de hardware/PCBs de sistemas 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 o mercado europeu e norte americano (o que implica certificados FCC e CE). Tenho interesse em P&D de eletrônica geral, hardware, FPGA, integridade de sinais, firmware, astronomía e ciência em geral.

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Flávio Nascimento
Flávio Nascimento
26/05/2021 15:32

Muito bom artigo.

Haroldo Amaral
Haroldo Amaral
10/02/2016 17:56

Excelente artigo, parabéns.

Javier Marto
JM
Reply to  Haroldo Amaral
14/02/2016 22:31

Obrigado Haroldo!

Alain Mouette
Alain Mouette
25/01/2016 12:37

quando chega nesse nível, tem um outro fator importantíssimo que também tem que ser abordado: o comprimento e a geometria da interconexão. Precisaria ser estudado em conjunto!!!

Javier Marto
JM
Reply to  Alain Mouette
25/01/2016 14:18

Ehh, exatamente Alain, de fato. E esse é o assunto do artigo que estou escrevendo agora:. Posicionamento dos capacitores, geometria das faixas e posicionamento e geometria das vias. Obrigado por sua contribuição ao artigo!

Javier Marto
JM
Reply to  Alain Mouette
08/02/2016 13:24

Alein, aqui está o link da geometria da interconexão do artigo http://embarcados.com.br/capacitores-de-desacoplamento-em-projetos-de-alta-frequencia/ , abracos

Gustavo Laureano Cardoso
Gustavo
25/01/2016 09:37

Artigo muito interessante e útil!

Parabéns, ótima explicação

Javier Marto
JM
Reply to  Gustavo
14/02/2016 22:30

Obrigado Gustavo!, que bom que você achou util!

Otavio Augusto Gomes
Otavio Augusto Gomes
21/12/2016 16:08

Muito Explicativo. Parabéns pelo artigo.

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