Instrumentação e Técnicas de Medidas. Ruído, Interferência

Transcrição

1 Instrumentação e Técnicas de Medidas Ruído, Interferência

2 Controle de Versões 2013 Versão 1 Instrumentação e Técnicas de Medidas (ITM) Com base nas notas de aula de COB783 e Op Amp Applications Handbook, Section 4, edited by Walt Jung (Newnes, 2006). Última alteração: 13/09/2013

3 Índice 11 Ruído e Interferência Formas de Propagação Aterramento Laços de Terra Cabeamento Acoplamento Capacitivo Acoplamento Indutivo Ruídos em circuitos de alta frequência Gabinetes...23

4 11 Ruído e Interferência Neste capítulo são apresentados, modelos de acoplamentos capacitivos e indutivos para a propagação de perturbações e interferências, e técnicas de guarda, blindagem aterramento e isolação para evitar esta propagação. Este capítulo tem como base os livros Op Amp Applications Handbook (capítulo Hardware and Housekeeping Techniques, de Walt Jung), Op Amp for Everyone (capítulo Circuit Board Layout Techniques, de Mancini Ron), o clássico Noise Reduction Techniques in Electronic Systems de Henry W. Ott, e as transparências Interferências de Carlos Reis, 11.1 Formas de Propagação Circuitos eletrônicos são susceptíveis a ruído de três formas principais: o ruído pode ser recebido com o sinal que se deseja tratar, o ruído pode ser gerado internamente no circuito ou ele se deve a uma interferência externa, devido a fatos naturais como raios ou a fontes artificiais como circuitos chaveados, motores, fontes de potência entre outros. Para a análise completa do problema é necessário o uso das leis de Maxwell, porém é possível simplificar a análise do problema em muitos casos empregando componentes passivos (R, L e C) para modelar a forma como a interferência se propaga. Esta aproximação é válida se considerarmos que todo o campo elétrico está dentro dos capacitores, os campos magnéticos estão concentrados nos indutores e as dimensões do circuito são muito menores que as dos comprimentos de onda em análise. Com esta aproximação é possível determinar as formas de propagação para os ruídos e interferências. Elas podem, então, ocorrer por acoplamento resistivo, indutivo ou capacitivo. O acoplamento resistivo ocorre quando circuitos ruidosos e não ruidosos estão interconectados por resistências comuns aos dois circuitos. Na verdade este não é um problema meramente resistivo, pois as interconexões comuns aos dois circuitos são, na verdade, uma impedância complexa. O acoplamento capacitivo ocorre sempre que existirem dois condutores com campo elétrico entre eles ao passo que o acoplamento indutivo existe sempre que indutâncias mútuas e espiras forem formadas nos circuitos. Esta análise nem sempre resulta em valores numéricos confiáveis mas a compreensão dos fenômenos envolvidos pode ser mais facilmente alcançada e as técnicas de análise utilizadas em circuitos podem ser utilizadas livremente. Alguns exemplos ajudam a entender melhor o que está acontecendo em cada caso. Supondo um terra (retorno de corrente) comum para as fontes, condicionadores de sinal e circuitos digitais conforme mostrado na próxima figura. Esta é uma situação comum, porém não ideal, pois devido a

5 impedância de fios e trilhas nem todos os pontos de terra apresentam o mesmo potencial. Isto ocorre porque circula, pelo retorno, não apenas a corrente dos sistemas diretamente envolvidos (no nosso caso o sensor e o condicionador) mas também a corrente de outros sistemas (fontes, chaveadores, sistemas digitais entre outros). Estas correntes podem ser elevadas e de alta frequência o que significa que fios e trilhas, modelados como resistores e indutores (Z, na próxima figura), apresentarão, na prática, potenciais diferentes em diferentes pontos do circuito. Assim o ruído pode se propagar para o circuito de captação e condicionamento de sinais onde a informação apresenta amplitude muitas vezes menor do que a do ruído gerado. O acoplamento entre os cabos também pode ocorrer por meio de indutâncias mútuas (M) parasitas como mostrado na figura a seguir. Isto ocorre principalmente quando circulam correntes elevadas por cabos próximos, como em transformadores, motores, ventiladores e outros. Este também é um efeito que pode surgir em circuitos digitais uma vez que a corrente necessária para os chaveamentos rápidos pode ser expressiva em muitos casos. De um modo geral este acoplamento pode ser reduzido com a separação dos fios, diminuição do comprimento e aumento da impedância da fonte e da carga, o que reduz a corrente e, portanto, a tensão induzida no outro condutor. O acoplamento magnético também pode estar presente se grandes espiras forem formadas no circuito. Isto aumenta a área de captação e requer campos magnéticos menores para o mesmo nível de ruído. Com este arranjo, mostrado nas próximas figuras, o segundo condutor nem sempre é facilmente identificável, mas a variação de campo pela espira produz uma tensão de ruído em série com o circuito que forma o laço. Minimizar estes laços, afastar os laços das fontes de ruído e orientar os cabos de forma apropriada são formas de minimizar os efeitos deste tipo de acoplamento magnético.

6 Finalmente o acoplamento também se dá por efeito capacitivo quando dois fios estiverem separados entre si mas com um campo elétrico entre eles. Este acoplamento parasita (C1, C12 e C2) pode ser visto como um divisor de tensão (próxima figura). O uso de malhas aterradas (blindagem) pode evitar este divisor de tensão mas se a malha não envolver completamente o cabo o divisor capacitivo continuará existindo. Acoplamentos capacitivos ocorrem principalmente em sistemas de alta impedância, logo, a redução da impedância do sistema reduz a propagação de interferência por acoplamento capacitivo pois isto reduz a tensão no divisor de tensão formado. Por outro lado fios e

7 peças metálicas não aterradas podem se tornar uma entrada para este tipo de interferência. Este acoplamento pode ser reduzido com a diminuição do comprimento de fios e trilhas, uso de trilha central aterrada em 1 ou 2 lados (frequência elevada) e redução da impedância de carga. Nas próximas seções serão apresentadas as formas mais comuns para minimizar estes problemas abordando formas de aterramento, cabeamento e blindagem de gabinetes Aterramento Para entendermos melhor os efeitos causados por diferentes aterramentos e a ordem de grandeza do problema vamos, inicialmente, apresentar alguns exemplos numéricos. Uma trilha de circuito impresso, por exemplo, apresenta resistência que pode ser não desprezível dependendo do seu comprimento e da sua largura, uma vez que a altura das trilhas costuma ser padronizada. A figura abaixo apresenta um fragmento de trilha e sua resistência. Com estes valores uma trilha de 0,25 mm de largura tem resistência de 19 mω/cm sem contar com o TC do cobre. No exemplo da próxima figura, 5 cm de trilha de 0,25 mm de largura

8 apresentam uma resistência de 0,1 Ω. Se a entrada do AD é de 5 kω então a trilha forma um divisor de tensão de 0,1/5000 (aproximadamente 0,0019%), mais do que 1 LSB num sistema de 16 bits. Para evitar o problema da queda de tensão pode se utilizar uma estratégia semelhante a utilizada nas pontes de Wheatstone, realimentando o sinal entregue ao conversor AD, como indicado na figura abaixo. Esta estratégia entretanto só funciona para uma carga. Ademais este problema da resistência não leva em conta a resistência entre os diferentes pontos de terra nem da corrente que flui por ele. O exemplo a seguir mostra exatamente o problema com a impedância entre os diferentes pontos de terra, nele o amplificador AD8551 é usado em uma configuração não inversora. Uma resistência de 0,01 Ω entre diferentes pontos de terra, quando percorrido apenas pela corrente de alimentação do operacional (700 μa), apresenta uma diferença de potencial de 7 μv. Isto significa uma tensão aproximadamente 7 vezes maior que a tensão de offset do operacional. Este problema poderia ter sido minimizado se a alimentação negativa do operacional fosse ligada ao ponto G2 e não a G1.

9 Assim, para minimizar os problemas referentes as impedâncias entre diferentes pontos de terra são utilizadas diferentes técnicas de aterramento, pois é no terra que se concentram as correntes e estes problemas. Existem basicamente três tipos diferentes de aterramento apresentados nas próximas figuras: um aterramento série, um aterramento em estrela, feito em um único ponto, ou com plano de terra. No caso do aterramento em série uma única trilha é usada para coletar as correntes de terra de todo o circuito. Assim os ruídos gerados por circuitos digitais, fontes de potência, chaveamento e outros se propagam para os demais circuitos. Este caso deve ser evitado. No terra em estrela os ruídos gerados não são propagados para os demais circuitos e no caso do plano de terra, uma forma mista entre as anteriores, se consegue uma redução das impedâncias que é aconselhada para circuitos com frequências acima de 10 MHz. Em circuitos mistos, com circuitos ruidosos, digitais e analógicos é possível manter os terras separados e interconectá-los em um único ponto ou suprir diferentes caminhos para a interconexão final diretamente na fonte de alimentação. Isto evita que a corrente dos circuitos ruidosos interfiram nos circuitos de pequenos sinais ou analógicos.

10 Alguns circuitos integrados apresentam conexão para mais de 1 terra. Um caso muito comum é o dos conversores AD, que tem dois terras, 1 analógico e outro digital. Eles podem ser ligados juntos se o ruído externo do sistema digital não interferir nas etapas analógicas caso contrário os 2 terras do integrado permitem ligações em estrela melhorando a qualidade da

11 conversão. Um desenho alternativo, muitas vezes indicado pelos fabricantes, consiste em isolar a alimentação do AD com um resistor em série com a alimentação e um capacitor em paralelo com o AD (figura abaixo). Neste arranjo as correntes digitais são confinadas a parte digital do AD e supridas pelo capacitor, que deve ficar muito próximo da alimentação do integrado evitando que correntes elevadas produzam tensões de ruído elevadas. Os planos de terra são alternativas muito usadas em placas de circuito impresso. Se bem utilizados eles minimizam a impedância de retorno (quando a área do plano de terra é elevada e não existem estrangulamentos) e área de laços que captam interferência por acoplamento indutivo (próxima figura). Assim, boas práticas recomendam que se evite a concentração de conexões cortando um plano terra, que se mantenha pelo menos 75% de área para o plano, e que muitas conexões seja fornecidas ao usuário. De um modo geral o uso do plano de terra é sempre vantajoso e, em placas multicamadas, planos para as demais alimentações também são recomendados (é da alimentação que saem todas as correntes que retornam pelo terra). Adicionalmente podem ser implementados diferentes planos de terra atendendo a sinais ruidosos e não ruidosos num misto entre ligação estrela e em plano de terra. A próxima figura ilustra o caso.

12 Adicionalmente a todos os problemas mencionados, em frequências muito altas o efeito skin domina a condução (a condução ocorre na superfície). Uma aproximação para o cobre é que a profundidade do efeito skin é de 6,61 f 0,5 cm. A resistência skin é de 2, f Ω/quadrado (esta fórmula não é válida se a profundidade for maior que a espessura da trilha). O efeito skin, então, passa a ser importante quando a profundidade for menor que 50% da espessura do condutor. Em trilhas de circuito impresso isto deve começar a fazer diferença em 12MHz. Em altas frequências (VHF ou mais) também é necessário considerar que as trilhas podem se comportar como linhas de transmissão. Nestes casos até o material da placa deve ser escolhido. Apesar da discussão até o momento abordar apenas circuitos em uma mesma placa estes problemas de terra também ocorrem em um nível superior, entre circuitos montados em painéis e gabinetes. A figura a seguir mostra dois destes casos. No exemplo correto o retorno usado pelo circuitos está diretamente conectado ao terra principal enquanto que no outro o terra é conectado ao gabinete, um dos lugares mais ruidosos que se pode encontrar num equipamento.

13 Laços de Terra Laços de terra são um problema comum entre circuitos distintos separados por uma distância grande e alimentados pela rede ou em circuitos analógicos de baixo tensão de entrada. Ao se interconectar terras que estão em potenciais distintos se formam os chamados laços de terra, ou seja, um laço por onde circulam correntes de ruído e interferência. Portanto, é importante quebrar estes laços de terra, sempre que a razão sinal/ruído for baixa, o que pode ser feito não aterrando o circuito em ambos os lados (opção para baixas frequências), usando amplificadores isoladores, choques de modo comum (choke ou balun), anéis de ferrite nos cabos (ferrite beads), caixas blindadas e flutuantes e circuitos balanceados (equilibrando as correntes de modo comum). Se o acoplamento dos dois circuitos for feito de forma diferencial é possível usar par trançado e cabos blindados com aterramento apropriado (veja as seções correspondentes). Na sequência são apresentadas figuras ilustrando respectivamente um caso de laço de terra, o laço quebrado com isolação a transformador e acoplamento óptico, choques de modo comum (indutância mútua para atenuação de ruído de modo comum) e uma implementação possível dele.

14 Observa-se que a isolação com transformador impede a transmissão de sinais de corrente contínua, apresentam resposta limitada em frequência, são grandes e caros. Se múltiplos sinais são conectados seria necessário múltiplos transformadores. Se o acoplamento capacitivo entre primário e secundário for elevado (pode ser reduzido blindando os enrolamentos) a redução da interferência pode não ser tão elevada. O uso do choque de modo comum, por outro lado, permite a interconexão de vários sinais, não bloqueia a corrente contínua e não afeta os sinais de modo diferencial.

15 O uso de acopladores óticos permite a isolação completa mesmo com tensões diferenciais elevadas entre os terras, mas seu uso apresenta melhor resultado quando o sinal é transmitido digitalmente uma vez que sua linearidade não é boa. Circuitos balanceados (próxima figura) também são uma alternativa viável uma vez que as correntes de modo comum podem produzir tensões facilmente elimidas por amplificadores diferenciais Cabeamento Acoplamento Capacitivo Nesta seção são apresentadas algumas formas de reduzir a propagação de interferências e propagações de ruído lembrando sempre que as considerações feitas aqui devem ser utilizadas com cautela e conscientemente. Mesmo que algumas considerações aqui apresentadas sejam regras gerais elas não devem ser utilizadas aleatoriamente. Os conceitos apresentados são mais importantes que as regras e cada caso deve ser analisado antes que se decida por uma ou outra estratégia, pois em alguns casos especiais a aplicação das regras gerais pode não ter efeito ou pode piorar os problemas existentes. Quando o acoplamento é capacitivo a blindagem, então, é obtida envolvendo um ou mais condutores de forma a impedir que a interferência penetre neste condutor. A figura a seguir mostra isto com um cabo coaxial.

16 Observe, nesse exemplo, que a malha do cabo coaxial não está aterrada e o ruído propagado pela fonte V1 sobre uma carga RL conectada do fio 2 para o terra é resultado do divisor de tensão entre os capacitores C1S, C2S, CSG e a própria carga. Por outro lado se a malha for aterrada este divisor é quebrado evitando que a fonte V1 contamine o fio 2 e o sinal na carga RL. É claro que para que isso aconteça é necessário que a blindagem envolva todo o cabo o que nem sempre acontece nas extremidades. Além do mais o divisor de tensão depende de resistores e capacitores o que resulta em uma resposta em frequência não plana, do tipo passa altas para o ruído, cujo valor máximo ocorre para valores de resistência muito maiores que as reatâncias capacitivas do divisor. De um modo geral, reduzir o comprimento dos fios e cabos, usar malhas aterradas de 1 só lado (dos 2 lados em casos de alta frequência), reduzir o valor das cargas e os pontos metálicos não aterrados reduz os efeitos de acoplamento capacitivo Acoplamento Indutivo Todo o fio é uma indutância e em altas frequências a reatância indutiva destes fios pode ser não desprezível. As fórmulas apresentadas na figura abaixo não funcionam para casos complexos mas servem para dar uma ideia dos valores envolvidos. Assim, 1 cm de fio com diâmetro de 0,5 mm, em 10 MHz pode ter uma impedância de 0,46 Ω. Trilhas de circuito impresso com 0,25 mm de largura tem resistência de 19 mω/cm e indutância de 9,59 nh/cm o que resulta em reatâncias indutivas da ordem de 2 Ω para uma trinha de 1 cm de comprimento numa frequência de 150 MHz. Assim a indutância mútua entre cabos, fios e trilhas pode favorecer o acoplamento de interferência aos circuitos de medida. As áreas de laço formadas por estas trilhas também podem favorecer o surgimento de tensões de ruído induzidas nos condutores. Campos magnéticos externos

17 interferem mais quando os laços são grandes e podem captar mais interferência. Este mecanismo pode ser entendido se considerarmos o efeito de indutância mútua entre os dois circuitos, transferindo ruído de um para outro. Quanto menor a indutância e, portanto, quanto menor a área do laço, menor o acoplamento. Minimizar os laços minimiza o acoplamento entre os sistemas. Muitas vezes isto significa alterar o layout de circuitos impressos, cabos, gabinetes, posicionamento dos componentes entre outros. Uma forma de reduzir estes laços consiste na blindagem de um cabo coaxial aterrado dos dois lados do circuito. Para frequências maiores que a frequência de corte (passa altas) da blindagem a maior parte da corrente flui pela malha e, portanto, o laço é reduzido. Para frequências baixas esta blindagem não oferece proteção. No último caso, mais à direita, onde apenas um lado da malha foi aterrada, nenhuma proteção é obtida. Observe que nesses casos a malha não é um material magnético e não oferece nenhuma proteção contra campos magnéticos, a proteção relatada no exemplo se dá pela redução dos laços

18 que captam interferências externas e é frequência dependente. Adicionalmente, quando a malha é percorrida por uma corrente em intensidade semelhante à do condutor interno, o cabo coaxial se comporta como um choque de RF (a indutância mútua formada entre o condutor interno e a malha faz com que a interferência se cancele nos dois condutores), mas se houver um desequilíbrio entre as correntes o efeito de indutância mútua cria uma tensão de ruído extra no circuito. Por exemplo, na próxima figura foi possível reduzir os laços e fazer com que toda a corrente fluísse pela malha alcançando uma boa proteção com a blindagem (a corrente flui em direções opostas produzindo campo nulo fora do condutor). Por outro lado, no exemplo seguinte, supondo que existam dois terras distintos que não estejam no mesmo potencial, uma corrente Is fluindo por apenas uma das indutâncias mútuas (a malha) cria tensões de ruído adicionais no condutor interno. A seguir são apresentados os resultados de testes feitos com diversas configurações de cabos coaxiais e cabos trançados com relação ao ruído ou atenuado em cada uma. Um sinal de 50 khz é aplicado a uma bobina de 10 espiras, 23 cm de diâmetro e 0,6 A. Foram avaliados 12 cabos, cada um formando 3 espiras de 17,8 cm de diâmetro, colocados envoltos no campo magnético da primeira espira. O ruído foi medido sobre o resistor de 1 MΩ. O resistor de 100 Ω representa a fonte. Apesar dos ensaios enfatizarem a interferência por acoplamento magnético campos elétricos

19 também estavam presentes. Por esta razão estes resultados não podem ser generalizados indistintamente mas mostram tendências.

20 Normalmente a blindagem está associada ao uso de cabos coaxiais com malha externa, mas este não é um requisito fundamental nem garante a eficiência. Por exemplo, se os cabos coaxiais devem não forem terminados com uma conexão de 360 para evitar acoplamentos capacitivos onde a malha não protege o condutor interno o efeito da blindagem fica reduzido. Da mesma forma, pares trançados podem ser utilizados com bom resultado caso as voltas sejam menores do que 1/20 da distância até a fonte de interferência ou menores do que 1/8 da frequência máxima do sinal que está sendo transmitido. Cabos flat também podem ser utilizados para transmissão de dados até 150 MHz. Acima disto o cross-talk pode produzir, por efeito capacitivo, interferência nos cabos laterais. Nesses casos o uso de terras intercalados pode ajudar a melhorar a qualidade do sinal. Alguns cabos flat também apresentam uma malha abaixo dos fios mas para máximo efeito toda esta malha deve ser ligada a uma conexão plana de terra. As figuras a seguir mostram as melhores formas de prover alguma blindagem em cabos coaxiais e flat. A esquerda uma conexão ruim (sem 360 ), a direita uma conexão melhor(em 360 )

21 Na próxima figura, quer representa a transmissão de dados por cabos chatos a configuração A não é recomentada, a B é boa, a C é regular e a D é a melhor de todas as apresentadas. Flat cable De um modo geral devemos reduzir os laços e separar cabos em grupos de fios: 1) fios de alimentação CA, retorno CA, aterramento de chassi; 2) fios de alimentação CC, retorno CC, e referência; 3) sinais digitais e retornos; 4) sinais analógicos e retornos. Para reduzir radiação diferencial manter pequenas as áreas, usar frequência mais baixa possível, tempos de chaveamento não menor do que o necessário e baixas correntes. Manter os cabos de sinais longe de aberturas, cabos CA e CC, transformadores, motores, solenoides. Par trançados funcionam bem até 100 khz, cabos coaxiais até 100 MHz e gias de onda para frequências acima de 1 GHz. Também podemos considerar que cabos longos se transformam em linhas de transmissão. Em altas frequências (quando o comprimento dos cabos é maior do que 1/20 do comprimento de onda que por eles passam) os resultados apresentados acima podem ser diferentes pois as capacitâncias parasitas podem fechar um laço de terra. Nestes casos pode ser melhor aterrar dos dois lados da malha para reduzir a diferença de potencial entre estes pontos.

22 Ruídos em circuitos de alta frequência Em circuitos de alta frequência as impedâncias das trilhas, principalmente devido as reatâncias indutivas, tornam-se elevadas e, a corrente que circula pela alimentação produz efeitos indesejados em diferentes partes do circuito. A propagação de ruído, neste caso, é semelhante aquele que existe no aterramento serial porém estes problemas podem ser minimizados com o uso de capacitores de desacoplamento e resistores de pequeno valor que podem reduzir a seletividade de circuitos ressonantes formados por estes capacitores e as indutâncias das trilhas. Nas próximas figuras são apresentados casos que ilustram estes eventos. A saída da porta 1 faz com que surja uma corrente circulando pela alimentação do integrado, a indutância das trilhas e a capacitância parasita dos cabos. Isto pode levar a uma tensão negativa na saída das portas e um efeito oscilatório devido ao circuito majoritariamente LC que se forma. As vezes a simples ligação de uma resistência em séria com a porta é suficiente para reduzir significativamente a amplitude desta oscilação.

23 Os chaveamentos rápidos que demandam correntes elevadas também vão propagar variações na tensão de alimentação (queda de tensão sobre XL) para o restante do circuito. Este efeito, por sua vez pode ser minimizado pelo uso de capacitores de desacoplamento ligados muito próximos da alimentação de cada integrado conforme mostra na figura seguinte. Cada um destes capacitores é, então, responsável por suprir rápidos transientes de corrente sem que ocorra variação na alimentação do integrado (sem variações de corrente passando por XL) Gabinetes A última opção para blindar circuitos contra interferência externa são as caixas e salas. Blindagens deste tipo são caras e devem ser evitadas com planejamento dos circuitos antecipadamente. Isolar circuitos de potência, transformadores, afastar cabos, reduzir laçoes e todas as dicas anteriores devem ser aplicadas antes. Para evitar interferências por acoplamento capacitivo manter o circuito longe de alta-tensão e cargas elevadas. Para evitar interferências por acoplamento

24 indutivo manter o circuito longe de alta corrente e evitar cargas baixas. Procure fazer um bom projeto para ter uma solução de baixo custo e minizar os problemas de interferência. Caso o resto não tenha sido suficiente a blindagem de gabinetes, caixas e salas, pode ser um recurso. Estas blindagem ocorre por absorção e perdas ou por reflexão. Quando uma onda eletromagnética atravessa um meio a amplitude dela decai exponencialmente. A profundidade para que a amplitude caia a 63% do valor inicial é chamada de skin depth e é dependente da frequência, do material e de seu coeficiente de atenuação. Bons materiais são mumetal e aço mas alumínio e cobre também oferecem proteção, porém em menor intensidade. Para que exista reflexão, por outro lado, é necessário uma diferença de impedância entre os meios. Para campos elétricos a reflexão ocorre na primeira superfície enquanto que os campos magnéticos são refletidos na segunda superfície. Isto requer materiais mais grossos para atenuar campos magnéticos. Assim, caixas metálicas, caixas plásticas com carga condutiva, encaixes condutores, tampas de ventilação, vidros e LCD condutivos devem ser empregados sempre que necessários impedindo que campos elétricos entrem na caixa. O tamanho das aberturas também deve ser avaliado para que impeçam a onda de entrar na caixa (dimensão das aberturas proporcional ao comprimento de onda, servindo como um guia de onda). Conexão dos cabos e filtros de linha também devem ser avaliados.

25