Fazer o projeto do sistema eletrônico com processadores rápidos, microcontroladores com enorme poder de computação e dispositivos de rede usando os mais novos padrões de comunicação sem fio é uma tarefa significativa. Ainda assim, o projeto de circuitos eletrônicos requer o uso de componentes passivos e ativos.

Você pode se perguntar por que os componentes passivos são essenciais em projetos modernos. Como a maioria de nós dá valor à comunicação sem fio, as ondas de rádio com frequências na faixa dos gigahertz são onipresentes. Além disso, nossa demanda por enorme poder de computação em um espaço cada vez menor leva a altas frequências de clock embarcadas em nossos dispositivos diários. Por fim, temos radiação de radiofrequência (RF) em nossos bolsos e em todos os lugares ao nosso redor. Considerando a sensibilidade dos circuitos eletrônicos ao ruído de RF, a interferência deveria ser bastante comum, levando ao mau funcionamento.

Então, por que a eletrônica moderna funciona? A resposta: os componentes passivos modernos ajudam a proteger os componentes eletrônicos sensíveis e mitigar os efeitos indesejáveis ​​da Interferência Eletromagnética (EMI), também chamada de Interferência de Radiofrequência (RFI), a níveis aceitáveis. Os componentes passivos evoluíram com melhorias nas tecnologias de fabricação e uma melhor compreensão da física subjacente para suportar as demandas da eletrônica moderna. Em conjunto com vários dispositivos eletromagnéticos, os passivos permitem que os processadores, memória e transmissores de alta potência (ativos) funcionem adequadamente.

Estranhamente, é uma prática comum para muitos engenheiros selecionar dispositivos passivos como uma reflexão tardia. Eles apenas os escolhem em uma lista de componentes padrão. Essa prática não é suficiente no mundo exigente de amplificadores de alta frequência, conversores de dados ou outros circuitos desafiadores. É crucial selecionar os componentes passivos necessários para obter um determinado nível de desempenho. Aqui, iremos detalhar como selecionar os componentes passivos certos para o seu projeto.

O papel dos componentes passivos

Dispositivos passivos, como resistores, indutores, capacitores, ferrites e transformadores, não geram energia nem requerem energia para operar. Por definição, eles não amplificam sinais elétricos e não podem controlar circuitos. Esses componentes podem atenuar ou controlar sinais, causar uma mudança de fase ou produzir feedback.

No coração de qualquer sistema eletrônico moderno está uma placa de circuito impresso (PCI) que carrega conectores, bem como componentes passivos e ativos. Os dispositivos são conectados por meio de caminhos condutivos (trilhas de circuito) embutidos no material da placa (e material não condutor, como resina) ou colocados nas superfícies. Aqui estão algumas regras básicas de design de PCI que minimizam o ruído e seus efeitos adversos:

Trilhas de Sinais (Signal Tracing) devem ser as mais finos possíveis. Para reduzir o acoplamento capacitivo, uma fonte comum de ruído, os caminhos devem ter menos de 8 mm de espessura;

A separação entre trilhas adjacentes deve ser maior que a largura das trilhas; caso contrário, uma corrente de cross-talk significativa pode ocorrer nas trilhas de sinais;

Curvas acentuadas, como curvas de 90 graus, causam interferência e devem ser evitadas;

Deve-se evitar trilhas de circuito sob os osciladores;

Como o ruído digital de alta frequência produzido pelo circuito digital pode induzir erros em todos os tipos de circuitos, os componentes digitais e analógicos devem ser suficientemente separados.

As ferramentas de projeto de PCB mais comuns apontam violações dessas regras e oferecem alternativas.

Selecionando os componentes passivos

Resistores

Provavelmente, o componente passivo mais comum é o resistor. É usado para combinação e polarização de impedância, seja enrolado com fio, com base em composto de carbono ou um resistor de filme. Em altas frequências, os resistores de fio enrolado – basicamente bobinas de fio – tornam-se indutivos. Embora os resistores de filme consistam em loops de filme metálico fino que também se tornam indutivos em altas frequências, eles ainda podem ser usados ​​em alguns circuitos de alta frequência. Como os terminais de um resistor são paralelos entre si, eles também geram capacitância. Os resistores de alta resistência podem ter uma capacitância que parece existir em paralelo com sua resistência. Em altas frequências, um resistor de alto valor pode ter impedância mais baixa.

Capacitores

Os próprios capacitores armazenam a energia eletrostaticamente como uma carga, em duas ou mais placas condutoras, separadas por um dielétrico. Um projetista de sistemas eletrônicos usa capacitores para filtrar e desacoplar nas linhas de alimentação e sinal. No entanto, em frequências altas, eles também tendem a se comportar de maneira estranha. A indutância e ressonância parasitas podem ocorrer com capacitores eletrolíticos e de filme e, portanto, prejudicar o desempenho de RF. Eles podem realmente causar uma resistência em série equivalente (ESR) quando a resistência parasita se combina com a resistência das placas do capacitor. Para realizar a rejeição de ripple e ruído, os capacitores de desacoplamento devem ter um ESR baixo. Os capacitores de cerâmica com seu tamanho de placa menor têm menos auto-indutância.

Além disso, fornecem estabilidade nas faixas de alta frequência e oferecem uma solução adequada para desacoplamento de circuitos integrados. Um bom exemplo desses recursos é a série WCAP-CSRF do MLCC de alta frequência da Würth Elektronik, que apresenta uma faixa de capacitância de 0,20pf a 33pF e uma tensão nominal de 25VDC a 50VDC. Como os capacitores de alumínio / tântalo de alta temperatura, como os capacitores de polímero de alumínio H-Chip da Würth Elektronik, têm temperatura estável e características de polarização, os dispositivos funcionam bem para desacoplamento de linhas de alimentação.

Indutores

Um tipo diferente de dispositivo de armazenamento de energia é o indutor, basicamente uma bobina de fio. Um indutor ideal armazena indefinidamente e não perde calor; o dispositivo é denominado sem perdas. Na realidade, os indutores têm características não ideais. Cada fio tem uma resistência específica e, conforme as voltas do fio se tocam, capacitâncias ressonantes parasitas se formam e limitam a frequência superior. Um tipo de indutor termicamente muito estável com praticamente nenhuma variação na indutância ao longo de sua faixa de temperatura de -40 ° C a + 120 ° C é a série de indutores multicamadas WE-MK da Würth Elektronik.

Conclusão

A combinação certa de componentes passivos e ativos é a chave para um bom projeto de sistema eletrônico. O uso de capacitores conectados em paralelo aos pinos da fonte de alimentação ao aterramento minimiza o ruído. Diferentes valores de capacitores definidos em paralelo permitem uma baixa impedância CA em uma ampla faixa de frequência. Como em frequências mais baixas, os capacitores de valores maiores apresentam um caminho de baixa impedância para o terra, a baixa impedância na faixa de frequência pode ser obtida usando outros valores. Com a devida consideração dada à seleção de componentes passivos e ativos, é possível eliminar quaisquer parasitas desnecessários em um projeto de alta frequência.

Artigo escrito originalmente por Marcel Consée para o blog da Mouser Electronics: Passives: The Essentials for Electronic Circuit Design

Traduzido por Equipe Embarcados.

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