Interferências
Carlos Reis
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Principais mecanismos de interferência

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Receptor

• Acoplamento capacitivo

• Acoplamento indutivo
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Carlos Reis

Acoplamento capacitivo

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ε0Φ E = q

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Carlos Reis

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Acoplamento capacitivo
Um condutor passa próximo a uma fonte de ruído, capta este ruído e o transporta para
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diâmetro ( D>3d ):
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Carlos Reis

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Medida da capacitância entre dois fios enrolados:

Neste caso, como D<3d: C =

d=0,25mm (AWG 30)
L=7cm
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A interferência causada
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capacitivo pode ser
facilmente observada

Ponta do scope:
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Sinal
analógico

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rápido de
dados

Conversor
A/D

Barramento
rápido de
dados

Buffer / Latch

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Tem cura
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Carlos Reis

FEEC-Unicamp

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Cuidados no layout
Identificar pontos e linhas de baixa impedância onde podem existir sinais de alta
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Blindagem (shield)
Vy=0

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Blindagem (shield)

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Blindagem (shield)
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infinita) e a blindagem está aterrada, a isolação d...
Blindagem (shield)
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aterrada, a isolação do receptor é a...
Blindagem (shield)
Quando a blindagem não está aterrada, seu efeito é
praticamente desprezível.

receptor

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Blindagem (shield)
A blidagem deve ser conectada ao potencial de referência do sinal que está
protegendo.

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Blindagem (shield)

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MEDIDAS

A blidagem deve ser conectada ao potencial de referência do sinal que está
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Blindagem (shield)
Conectar a blindagem em pontos distintos do “terra” é uma operação arriscada.
Entretanto, há situações ...
Blindagem (shield)
A blindagem não deve ser conectada a outro potencial que não seja o
terra do sinal que protege.

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Blindagem (shield)
Amplificação de um sinal de baixo nível produzido por uma fonte aterrada.

Corrente de ruído contamina ...
Blindagem (shield)
Amplificação de um sinal de baixo nível produzido por uma fonte aterrada.

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Blindagem (shield)
Amplificação de um sinal de baixo nível produzido por uma fonte aterrada.

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Blindagem (shield)
Amplificação de um sinal de baixo nível produzido por uma fonte aterrada.

A fonte de ruído Vcm afeta V...
Blindagem (shield)
Amplificação de um sinal de baixo nível com o amplificador aterrado.

As fontes de ruído Vt e Vcm afeta...
Blindagem (shield)
Amplificação de um sinal de baixo nível com o amplificador aterrado.

As fontes de ruído Vt e Vcm afeta...
Blindagem (shield)
Amplificação de um sinal de baixo nível com o amplificador aterrado.

A fonte de ruído Vcm afeta V1 e V...
Blindagem (shield)
Amplificação de um sinal de baixo nível com o amplificador aterrado.

As fontes de ruído Vt e Vcm afeta...
Blindagem (shield)
Configurações adequadas para o aterramento da blindagem.

Carlos Reis

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Blindagem (shield)
Algumas conclusões
A blindagem de cabos é usada para eliminar interferências por
acoplamento capacitivo...
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Acoplamento indutivo

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pequeno efeito no galvanômetro; surge, também, ação
seme...
A corrente que circula num circuito fechado induz uma fem num
outro circuito fechado próximo. A amplitude desta fem é
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Indutância mútua de duas espiras
As espiras estão dispostas paralelamente a uma
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5000 vezes

Resultados:
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Medida: v=103mVrms
Cálculo: v=140mVrms

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Considerando que a espessura dos fios
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Indutância de um fio e de uma trilha condutora

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Acoplamento indutivo
O chaveamento de corrente em circuitos de potência normalmente induz fem em
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Tem cura
doutor ?

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Preliminares
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Preliminares
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A blindagem impede que um sinal no
condutor central interfira em circuito...
Preliminares
Sobre blindagem
Para proteger o receptor contra campos magnéticos
deve-se diminuir a área do loop do receptor...
The good, the bad and the ugly

Sem blindagem

Aterramento nos extremos

Aterramento num só lado

A corrente retorna pela ...
A blindagem contra campos magnéticos não é tão eficiente quanto é a blindagem
contra campos elétricos. Pode, entretanto, s...
Penetração do campo magnético em alguns materiais usados em blindagens.

Freqüência
[Hz]

Alumínio
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Atenuação do campo magnético em alguns materiais usados em blindagens.

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Atenuação do campo magnético em alguns materiais usados em blindagens.

Carlos Reis

FEEC-Unicamp

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Indutância de fiação em cabos
sinal-1
sinal-2

Flat cable com um único
retorno tem alta indutância
mútua entre fios

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Carlos Reis

Condução através de impedância comum (Aterramento)

FEEC-Unicamp

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Leis de Kirchoff

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Fonte de sinal

Circuito
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Terra ideal

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Fonte de sinal

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Condutividade infinita
Diferença de potencial nula

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Um terra mais realista

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Fonte de sinal

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Circuito

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Condutividade finita
Diferença de potencial: irZ

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Um simples experimento

Ganho=360
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Resultado:

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Curiosidade
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1mm
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R≅ 530 mΩ/m

0,035mm
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Tem cura
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Carlos Reis

FEEC-Unicamp

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Esta estrutura de amplificador diferencial faz com que o sinal de saída, referido ao
potencial B, seja independente do ruí...
O famoso LOOP DE TERRA !
A diferença de potencial entre os dois “terras” faz com que circule corrente
de ruido neste loop,...
Um aterramento bastante comum e inadequado !

Circuito
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Circuito
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Ia+Ib+Ic

Carlos Reis

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Ib+Ic

FEEC-Unicamp

...
Um aterramento adequado. As correntes de segmentos
distintos do circuito são conduzidas ao mesmo ponto comum.

Circuito
a
...
Aterramento multiponto: É uma boa alternativa para circuitos
que operam em alta freqüência ( f> 10MHz ).

Circuito
a

R1

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FIM

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Interferencias

  1. 1. Interferências Carlos Reis FEEC-Unicamp
  2. 2. Situação típica circuito: sinais de baixo nível ruído irradiado carga controle ruído conduzido Fonte de ruído Carlos Reis Canal de acoplamento FEEC-Unicamp Receptor 2
  3. 3. Identificando os elementos envolvidos Fonte de ruído Canal de acoplamento Arco voltáico que ocorre nas encovas do motor Condução nos fios que alimentam o motor e irradiação a partir desta fiação. Carlos Reis FEEC-Unicamp Receptor Circuito processando sinais de baixo nível 3
  4. 4. Fundamentos campo elétrico 2 1 V Z 1 V C 2 Z circuito equivalente Carlos Reis FEEC-Unicamp 4
  5. 5. Fundamentos campo magnético i 1 M 2 i V 1 circuito equivalente 2 Carlos Reis FEEC-Unicamp 5
  6. 6. Principais mecanismos de interferência Fonte de ruído Receptor • Acoplamento capacitivo • Acoplamento indutivo • Condução através de impedância comum (Aterramento) Carlos Reis FEEC-Unicamp 6
  7. 7. • Carlos Reis Acoplamento capacitivo FEEC-Unicamp 7
  8. 8. ε0Φ E = q ε0 ∫ E ⋅ ds = q Carlos Reis “ O fluxo do campo elétrico através de uma superfície fechada é determinado pela carga que a superfície encerra” Carl Friedrich Gauss FEEC-Unicamp 8
  9. 9. Acoplamento capacitivo Um condutor passa próximo a uma fonte de ruído, capta este ruído e o transporta para outra parte do circuito. Um caso muito comum é o descuido com a fiação da fonte de alimentação. Carlos Reis FEEC-Unicamp 9
  10. 10. Quando a impedância equivalente na entrada do receptor é predominantemente resistiva, a amplitude da tensão de ruído captada através de acoplamento capacitivo é proporcional à freqüência do ruído, à amplitude do ruído, à resistência equivalente no entrada do receptor e à capacitância equivalente de acoplamento. Vc = ( jωRC ) V Será o caso deste circuito se: V Carlos Reis C ( R3 // R4 ) FEEC-Unicamp 1 jω ( C + Cin ) 10
  11. 11. Quando a impedância equivalente na entrada do receptor é predominantemente capacitiva, a amplitude da tensão de ruído captada através de acoplamento capacitivo é independente da freqüência do ruído e tem amplitude maior do que no caso anterior. ⎛ C ⎞ Vc = ⎜ ⎟V ⎝ C + Cin ⎠ Será o caso deste circuito se: V Carlos Reis C ( R3 // R4 ) FEEC-Unicamp 1 jω ( C + Cin ) 11
  12. 12. No caso em que a distância entre os condutores é maior que 3 vezes o diâmetro ( D>3d ): d D Carlos Reis πε C= [F / m] ⎛ 2D ⎞ ln ⎜ ⎟ d ⎠ ⎝ ε = 8,85 × 10−12 [F / m] FEEC-Unicamp 0 dB corresponde à atenuação no caso em que D=3d. 12
  13. 13. Medida da capacitância entre dois fios enrolados: Neste caso, como D<3d: C = d=0,25mm (AWG 30) L=7cm D/d ≅ 1,5 πε [F / m] ⎛D⎞ cosh −1 ⎜ ⎟ ⎝d⎠ Resultados: Medida: C=70 pF/m Cálculo: C=28pF/m !? Discrepância ? • Imprecisão em d e D • ε ≠ εo Carlos Reis FEEC-Unicamp 13
  14. 14. A interferência causada por acoplamento capacitivo pode ser facilmente observada Ponta do scope: 10MΩ // 8pF Onda quadrada 5Vpp, 180Hz Carlos Reis FEEC-Unicamp 14
  15. 15. Sinal analógico Barramento rápido de dados Conversor A/D Barramento rápido de dados Buffer / Latch A tecnologia contemporânea não tem solução (implementável no chip) para problemas como este: Sinal analógico Um atenuante ao problema Conversor A/D Carlos Reis FEEC-Unicamp 15
  16. 16. Tem cura doutor ? Carlos Reis FEEC-Unicamp 16
  17. 17. Cuidados no layout Identificar pontos e linhas de baixa impedância onde podem existir sinais de alta freqüência e afastar estes pontos e linhas de pontos de alta impedância cujos sinais tenham amplitudes da mesma ordem de grandeza que os sinais captados. Plano de terra CI Plano de terra Acrescentar caminhos de baixa impedância em alta freqüência nas trilhas das fontes de alimentação e de outras trilhas que tenham potenciais fixos, como é o caso de fontes de referência de tensâo. CI Capacitores eletrolíticos e de filmes plásticos têm uma indutância própria razoavelmente alta. Portanto, devem ser evitados num desacoplamento de alta freqüência, embora sejam adequados para baixas freqüências. São melhores para esta finalidade os capacitores cerâmicos monolíticos. Uma solução adequada é associar um capacitor de Tântalo em paralelo com um cerâmico monolítico. Carlos Reis FEEC-Unicamp 17
  18. 18. Blindagem (shield) Vy=0 Qx Qy=0 Vx Qx não pode criar cargas no interior de uma superfície fechada metálica Carlos Reis FEEC-Unicamp 18
  19. 19. Blindagem (shield) Crb Vr Cbz vr Z ir Iz=0 Admitindo que a blindagem tem impedância nula, a corrente na carga Z é nula. Carlos Reis FEEC-Unicamp 19
  20. 20. Blindagem (shield) Quando o receptor está isolado do terra (impedância infinita) e a blindagem está aterrada, a isolação do receptor é perfeita. receptor Vx Como não flui corrente no receptor, seu potencial é o mesmo que o da blindagem (zero). Vx = 0 Vr Carlos Reis FEEC-Unicamp 20
  21. 21. Blindagem (shield) Quando parte do receptor está fora da blindagem e a blindagem está aterrada, a isolação do receptor é apenas parcial. receptor Vx Csr Vx = Vr Csr + Csb + Cso Vr Carlos Reis FEEC-Unicamp 21
  22. 22. Blindagem (shield) Quando a blindagem não está aterrada, seu efeito é praticamente desprezível. receptor Vx Csb.Crb Vx = Vr Csb.Crb + Cso ( Csb + Crb ) Vr Carlos Reis FEEC-Unicamp 22
  23. 23. Blindagem (shield) A blidagem deve ser conectada ao potencial de referência do sinal que está protegendo. Vr Z Multiplos segmentos da malha de blindagem, protegendo um mesmo receptor devem ser conectados ao mesmo potencial. Z Vr Carlos Reis FEEC-Unicamp 23
  24. 24. Blindagem (shield) PROCESSAMENTO MEDIDAS A blidagem deve ser conectada ao potencial de referência do sinal que está protegendo. V1 V2 Vterra V3 Carlos Reis FEEC-Unicamp 24
  25. 25. Blindagem (shield) Conectar a blindagem em pontos distintos do “terra” é uma operação arriscada. Entretanto, há situações em que pode ser feito (será visto adiante). it Vs Vt Terra 1 Carlos Reis Terra 2 FEEC-Unicamp 25
  26. 26. Blindagem (shield) A blindagem não deve ser conectada a outro potencial que não seja o terra do sinal que protege. Vs Z Vr O sinal Vx é afetado por Vr através do divisor de impedâncias C-Z. Carlos Reis FEEC-Unicamp 26
  27. 27. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível produzido por uma fonte aterrada. Corrente de ruído contamina o sinal ATERRAMENTO: RUIM Carlos Reis FEEC-Unicamp 27
  28. 28. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível produzido por uma fonte aterrada. As fontes de ruído Vcm e Vt produzem uma componente resultante de ruído no sinal ATERRAMENTO: RUIM Carlos Reis FEEC-Unicamp 28
  29. 29. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível produzido por uma fonte aterrada. A fonte de ruído Vcm contamina V2 e V1 de forma assimétrica. ATERRAMENTO: RUIM Carlos Reis FEEC-Unicamp 29
  30. 30. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível produzido por uma fonte aterrada. A fonte de ruído Vcm afeta V1 e V2 praticamente da mesma maneira. ATERRAMENTO: BOM Carlos Reis FEEC-Unicamp 30
  31. 31. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível com o amplificador aterrado. As fontes de ruído Vt e Vcm afetam V1 e V2 de maneira distinta. ATERRAMENTO: RUIM Carlos Reis FEEC-Unicamp 31
  32. 32. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível com o amplificador aterrado. As fontes de ruído Vt e Vcm afetam V1 e V2 de maneira distinta. ATERRAMENTO: RUIM Carlos Reis FEEC-Unicamp 32
  33. 33. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível com o amplificador aterrado. A fonte de ruído Vcm afeta V1 e V2 praticamente da mesma maneira. ATERRAMENTO: BOM Carlos Reis FEEC-Unicamp 33
  34. 34. Blindagem (shield) Amplificação de um sinal de baixo nível com o amplificador aterrado. As fontes de ruído Vt e Vcm afetam V1 e V2 de maneira distinta. ATERRAMENTO: RUIM Carlos Reis FEEC-Unicamp 34
  35. 35. Blindagem (shield) Configurações adequadas para o aterramento da blindagem. Carlos Reis FEEC-Unicamp 35
  36. 36. Blindagem (shield) Algumas conclusões A blindagem de cabos é usada para eliminar interferências por acoplamento capacitivo devidas a campos elétricos. A blindagem só é eficiente quando estabelece um caminho de baixa impedância para o terra. Uma blindagem flutuante não protege contra inteferências. A malha de blindagem deve ser conectada ao potencial de referência (terra) do circuito que está sendo blindado. Aterrar a blindagem em mais de um ponto pode ser problemático. Carlos Reis FEEC-Unicamp 36
  37. 37. • Carlos Reis Acoplamento indutivo FEEC-Unicamp 37
  38. 38. dΦ B ε=− dt “ Quando se faz o contato, aparece um rápido e muito pequeno efeito no galvanômetro; surge, também, ação semelhante quando é desligada a bateria. Enquanto, porém, a bobina é percorrida por uma corrente constante, não se percebe nenhum desvio do ponteiro do galvanômetro, ligado à outra bobina, embora a potência ativa da bateria seja muito grande...” Michael Faraday Carlos Reis FEEC-Unicamp 38
  39. 39. A corrente que circula num circuito fechado induz uma fem num outro circuito fechado próximo. A amplitude desta fem é proporcional à taxa de variação da corrente no circuito indutor. dir Vx = M dt M Carlos Reis FEEC-Unicamp : indutância mútua 39
  40. 40. Indutância mútua de duas espiras As espiras estão dispostas paralelamente a uma distância d[cm] uma da outra e têm áreas A1[cm2]. e A2 [cm2]. Quando a distância entre as espiras é grande, ou seja: d > Ai Então: M≅2 A1.A2 d 3 [nH] Se a corrente aplicada é senoidal: i ( t ) = Io.sen ( ωt ) A fem induzida será: v ( t ) = M.Io.ω.cos ( ωt ) Carlos Reis FEEC-Unicamp 40
  41. 41. 5000 vezes Resultados: 2 cm 100 Medida: v=103mVrms Cálculo: v=140mVrms 50cm 8A I(t) 5KHz Carlos Reis FEEC-Unicamp 41
  42. 42. Indutância mútua de dois fios paralelos L Considerando que a espessura dos fios é desprezível e que L>>D: M D µo.L ⎛ 2L ⎞ − 1⎟ henrys ⎜ ln 2π ⎝ D ⎠ Para comprimentos de 10 a 20cm a ordem de grandeza de M é 10-11 H. Isto é pouco significativo comparando-se outros efeitos. Muito mais significativa é a indutância própria das trilhas de PCB e de condutores num circuito. As indutâncias de trilhas finas em PCB com comprimentos entre 10 a 20cm são da ordem de 10-7 H........ Isto causa problemas. Carlos Reis FEEC-Unicamp 42
  43. 43. Indutância de um fio e de uma trilha condutora λ 2r ⎡ ⎛ 2λ ⎞ ⎤ Lfio = 2.10−4.λ ⎢ln ⎜ ⎟ − 0, 75⎥ µH ⎣ ⎝ r ⎠ ⎦ Um fio de 0,5mm de diâmetro medindo λ=1cm tem L=7,3nH w λ ⎡ ⎛ 2λ ⎞ ⎤ ⎛w+h⎞ + 2235.10−4 ⎜ + 0,5⎥ µH L trilha = 2.10−4.λ ⎢ln ⎜ ⎟ ⎟ ⎝ λ ⎠ ⎣ ⎝w+h⎠ ⎦ h Uma trilha medindo λ=1cm e 0,25mm de largura tem L=9,6nH Carlos Reis FEEC-Unicamp 43
  44. 44. Acoplamento indutivo O chaveamento de corrente em circuitos de potência normalmente induz fem em circuitos próximos que formam loops. Em circuitos digitais, transições muito rápidas nas saídas de portas lógicas provocam picos de corrente de amplitudes expressivas que circulam pela fiação de alimentação (Vdd). Isto, por sua vez, induz ruído em circuitos próximos que contêm loops. Carlos Reis FEEC-Unicamp 44 ...Problema...
  45. 45. Tem cura doutor ? Carlos Reis FEEC-Unicamp 45
  46. 46. Preliminares Consideremos uma blindagem (por exemplo um cabo coaxial) Que fem a blindagem induz no condutor central ? [ 3 – 10 kHz ] condutor central blindagem A partir de ωs o sinal da blidagem é totalmente induzido no centro tensão induzida na blindagem por um circuito externo Carlos Reis FEEC-Unicamp 46
  47. 47. Preliminares Ainda considerando um cabo coaxial A blindagem impede que um sinal no condutor central interfira em circuitos próximos ? Neste caso o condutor central é a fonte de ruído SIM, desde que a corrente retorne pela malha da blindagem. Carlos Reis FEEC-Unicamp 47
  48. 48. Preliminares Sobre blindagem Para proteger o receptor contra campos magnéticos deve-se diminuir a área do loop do receptor ! A área do loop é delimitada pelo “caminho percorrido” pela corrente no receptor Cobre, Prata, Alumínio, Latão, tecidos biológicos, etc... Se um material não-magnético que envolve um condutor faz com que a corrente deste condutor retorne por um outro caminho de tal modo que a área definida pelo trajeto desta corrente é menor do que quando o condutor não é envolvido, então esta proteção tem alguma eficiência. Carlos Reis FEEC-Unicamp 48
  49. 49. The good, the bad and the ugly Sem blindagem Aterramento nos extremos Aterramento num só lado A corrente retorna pela blindagem se ωs > 5 (Rs/Ls) Carlos Reis FEEC-Unicamp 49
  50. 50. A blindagem contra campos magnéticos não é tão eficiente quanto é a blindagem contra campos elétricos. Pode, entretanto, ser feita no caso de alta freqüência, usando-se um material condutor não magnético. Para baixa freqüência deve ser usado um material de alta permeabilidade magnética (p.e. Aço, Mu-metal , etc...) B Vr Zcarga Ir Mu-metal é uma liga com 80% Ni, 4% Mo, 16% Fe. É fortemente ferromagnético. Sua função é reter o campo magnético no seu interior, portanto, impedindo que afete o receptor! Carlos Reis FEEC-Unicamp 50
  51. 51. Penetração do campo magnético em alguns materiais usados em blindagens. Freqüência [Hz] Alumínio [mm] Aço [mm] 60 8,5 10,9 0,86 100 6,6 8,5 0,66 1K 2,1 2,7 0,2 10K 0,66 0,84 0,08 100K 0,2 0,3 0,02 1M Carlos Reis Cobre [mm] 0,08 0,08 0,008 FEEC-Unicamp 51
  52. 52. Atenuação do campo magnético em alguns materiais usados em blindagens. Carlos Reis FEEC-Unicamp 52
  53. 53. Atenuação do campo magnético em alguns materiais usados em blindagens. Carlos Reis FEEC-Unicamp 53
  54. 54. Indutância de fiação em cabos sinal-1 sinal-2 Flat cable com um único retorno tem alta indutância mútua entre fios sinal-3 sinal-4 retorno sinal-1 Pares alternados de sinal e retorno. Indutância mútua reduzida. retorno-1 sinal-2 retorno-2 sinal e retorno-1 sinal e retorno-2 sinal e retorno-3 Pares de fios enrolados. Indutâncias mútuas ainda mais reduzidas. sinal e retorno-4 Carlos Reis FEEC-Unicamp 54
  55. 55. • Carlos Reis Condução através de impedância comum (Aterramento) FEEC-Unicamp 55
  56. 56. Leis de Kirchoff i Fonte de sinal Circuito i retorno da corrente p/ terra Carlos Reis FEEC-Unicamp 56
  57. 57. Terra ideal i Fonte de sinal Circuito Condutividade infinita Diferença de potencial nula Carlos Reis FEEC-Unicamp 57
  58. 58. Um terra mais realista i Fonte de sinal Z Circuito ir Condutividade finita Diferença de potencial: irZ Carlos Reis FEEC-Unicamp 58
  59. 59. Um simples experimento Ganho=360 DIGITAL Resultado: 7cm Carlos Reis FEEC-Unicamp 59
  60. 60. Curiosidade Resistência de trilhas de cobre em placas de circuito impresso 1mm re cob B PC - R≅ 530 mΩ/m 0,035mm Área: 0,035mm2 Uma trilha de 10cm de comprimento tem R≅ 53 mΩ ... !!! Carlos Reis FEEC-Unicamp 60
  61. 61. Tem cura doutor ? Carlos Reis FEEC-Unicamp 61
  62. 62. Esta estrutura de amplificador diferencial faz com que o sinal de saída, referido ao potencial B, seja independente do ruído produzido na trilha por onde a corrente de saída retorna! Carlos Reis FEEC-Unicamp 62
  63. 63. O famoso LOOP DE TERRA ! A diferença de potencial entre os dois “terras” faz com que circule corrente de ruido neste loop, introduzindo erro no sinal que é visto pelo amplificador. Este loop deve ser evitado. Carlos Reis FEEC-Unicamp 63
  64. 64. Um aterramento bastante comum e inadequado ! Circuito a Circuito b R1 Ia+Ib+Ic Carlos Reis R2 Ib+Ic FEEC-Unicamp Circuito c R3 Ic 64
  65. 65. Um aterramento adequado. As correntes de segmentos distintos do circuito são conduzidas ao mesmo ponto comum. Circuito a Circuito b Circuito c R1 R2 Ia R3 Ib Ic Carlos Reis FEEC-Unicamp 65
  66. 66. Aterramento multiponto: É uma boa alternativa para circuitos que operam em alta freqüência ( f> 10MHz ). Circuito a R1 R2 R3 L1 Carlos Reis Circuito b L2 L3 FEEC-Unicamp Circuito c 66
  67. 67. FIM Carlos Reis FEEC-Unicamp 67

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