Interferencias

InterferênciasCarlos ReisFEEC-Unicamp

Carlos Reis FEEC-Unicamp 2

Situação típica

carga

controle

circuito:sinais de baixo nível

ruídoirradiado

ruídoconduzido

Fonte de ruído ReceptorCanal de acoplamento


Identificando os elementos envolvidos

Fonte de ruído ReceptorCanal de acoplamento

Circuito processando sinais de baixo nível

Condução nos fios que alimentam o motor e irradiação a partir desta fiação.

Arco voltáico que ocorre nas encovas do motor


Fundamentos

campo elétrico

ZV

1 2

ZV

C

circuito equivalente

21


Fundamentos

campo magnético

i

1

2

M

i V

circuito equivalente

1 2


Principais mecanismos de interferência

Fonte de ruído Receptor

• Acoplamento capacitivo

• Acoplamento indutivo

• Condução através de impedância comum (Aterramento)


• Acoplamento capacitivo


“ O fluxo do campo elétrico através de uma superfície fechada é determinado pela carga que a superfície encerra”

Carl Friedrich Gauss

0 E qε Φ =

0 E ds qε ⋅ =∫


Acoplamento capacitivoUm 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.


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 j RC V= ω

VC

Será o caso deste circuito se:

( ) ( )1R3// R4

j C Cinω +


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.

CVc VC Cin

⎛ ⎞= ⎜ ⎟+⎝ ⎠

V

Será o caso deste circuito se:

( ) ( )1R3// R4

j C Cinω +C


No caso em que a distância entre os condutores é maior que 3 vezes o diâmetro ( D>3d ):

d

D

C [F / m]2Dlnd

πε=

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

128,85 10 [F / m]−ε = ×

0 dB corresponde à atenuação no caso em que D=3d.


Medida da capacitância entre dois fios enrolados:

Neste caso, como D<3d:

d=0,25mm (AWG 30)L=7cmD/d ≅ 1,5

1C [F / m]

Dcoshd

−

πε=

⎛ ⎞⎜ ⎟⎝ ⎠

Resultados:Medida: C=70 pF/mCálculo: C=28pF/m !?

• Imprecisão em d e D• ε ≠ εo

Discrepância ?


A interferência causada por acoplamento capacitivo pode ser facilmente observada

Ponta do scope:10MΩ // 8pF

Onda quadrada 5Vpp, 180Hz


Barramento rápido de

dados

Sinal analógico

Conversor A/D

Conv

erso

r A/

D

Buffe

r / La

tch

Barramento rápido de

dados

Sinal analógico

A tecnologia contemporânea não tem solução (implementável no chip) para problemas como este:

Um atenuante ao problema


Tem cura doutor ?


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.

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.

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.

Plan

o de t

erra

Plan

o de t

erra

CICI


Blindagem (shield)

Qy=0

Vy=0Qx

Vx

Qx não pode criar cargas no interior de uma superfície fechada metálica


Blindagem (shield)

Vr

Crb

Zir

vrCbz

Iz=0

Admitindo que a blindagem tem impedância nula, a corrente na carga Z é nula.


Blindagem (shield)

Quando o receptor está isolado do terra (impedância infinita) e a blindagem está aterrada, a isolação do receptor é perfeita.

receptor

Vx

Vr

Como não flui corrente no receptor, seu potencial é o mesmo que o da blindagem (zero).

Vx 0=


Blindagem (shield)

Quando parte do receptor está fora da blindagem e a blindagem está aterrada, a isolação do receptor é apenas parcial.

receptor

Vx

Vr

CsrVx VrCsr Csb Cso

=+ +


Blindagem (shield)

Quando a blindagem não está aterrada, seu efeito é praticamente desprezível.

receptor

Vx

Vr

( )Csb.CrbVx Vr

Csb.Crb Cso Csb Crb=

+ +


Blindagem (shield)

Vr Z

A blidagem deve ser conectada ao potencial de referência do sinal que está protegendo.

Multiplos segmentos da malha de blindagem, protegendo um mesmo receptor devem ser conectados ao mesmo potencial.

ZVr


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

V1

V2

Vterra

PROC

ESSA

MENT

OME

DIDA

S

V3


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).

Vsit

Terra 1 Terra 2Vt


Blindagem (shield)

A blindagem não deve ser conectada a outro potencial que não seja o terra do sinal que protege.

Vs

VrZ

O sinal Vx é afetado por Vr através do divisor de impedâncias C-Z.


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

Corrente de ruído contamina o sinal

ATERRAMENTO: RUIM



As fontes de ruído Vcm e Vt produzem umacomponente resultante de ruído no sinal

ATERRAMENTO: RUIM



A fonte de ruído Vcm contamina V2 e V1 de forma assimétrica.

ATERRAMENTO: RUIM



A fonte de ruído Vcm afeta V1 e V2 praticamente da mesma maneira.

ATERRAMENTO: BOM


Blindagem (shield)Amplificação de um sinal de baixo nível com o amplificador aterrado.

As fontes de ruído Vt e Vcm afetamV1 e V2 de maneira distinta.

ATERRAMENTO: RUIM




ATERRAMENTO: RUIM



A fonte de ruído Vcm afeta V1 e V2 praticamente da mesma maneira.

ATERRAMENTO: BOM




ATERRAMENTO: RUIM


Blindagem (shield)

Configurações adequadas para o aterramento da blindagem.


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.


• Acoplamento indutivo


“ 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

BddtΦ

ε = −


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.

dirVx Mdt

=

M : indutância mútua


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:

Então:d Ai>

3A1.A2M 2 [nH]

d≅

( ) ( )i t Io.sen t= ωSe a corrente aplicada é senoidal:

( ) ( )v t M.Io. .cos t= ω ωA fem induzida será:


5000 vezesResultados:

Medida: v=103mVrmsCálculo: v=140mVrms100cm2

I(t)8A

50cm

5KHz


Indutância mútua de dois fios paralelos

D

LConsiderando que a espessura dos fios é desprezível e que L>>D:

o.L 2LM ln 1 henrys2 D

µ ⎛ ⎞−⎜ ⎟π ⎝ ⎠

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.


Indutância de um fio e de uma trilha condutora

2r

λ

4fio

2L 2.10 . ln 0,75 Hr

− ⎡ ⎤λ⎛ ⎞= λ − µ⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

Um fio de 0,5mm de diâmetro medindo λ=1cm tem L=7,3nH

h

w

λ

4 4trilha

2 w hL 2.10 . ln 2235.10 0,5 Hw h

− −⎡ ⎤λ +⎛ ⎞ ⎛ ⎞= λ + + µ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥+ λ⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦

Uma trilha medindo λ=1cm e 0,25mm de largura tem L=9,6nH


Acoplamento indutivoO 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.

...Problema...


Tem cura doutor ?


PreliminaresConsideremos uma blindagem (por exemplo um cabo coaxial)

Que fem a blindagem induz no condutor central ?

condutor central

tensão induzida na blindagem por um circuito externo

blindagem

[ 3 – 10 kHz ]

A partir de ωs o sinal da blidagem étotalmente induzido no centro


PreliminaresAinda 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.


PreliminaresSobre blindagem

Para proteger o receptor contra campos magnéticos deve-se diminuir a área do loop do receptor !

Cobre, Prata, Alumínio, Latão, tecidos biológicos, etc...

A área do loop é delimitada pelo “caminho percorrido” pela corrente no receptor

Se um material não-magnético que envolve um condutor faz com que a corrente deste condutorretorne 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.


The good, the bad and the ugly

Sem blindagem Aterramento num só ladoAterramento nos extremos

A corrente retorna pela blindagem se ωs > 5 (Rs/Ls)


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...)

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!

Ir

B

Vr Zcarga


Penetração do campo magnético em alguns materiais usados em blindagens.

Freqüência[Hz]

Cobre[mm]

Alumínio[mm]

Aço[mm]

60 8,5 10,9 0,86100 6,6 8,5 0,661K 2,1 2,7 0,210K 0,66 0,84 0,08

100K 0,2 0,3 0,021M 0,08 0,08 0,008


Atenuação do campo magnético em alguns materiais usados em blindagens.


sinal-1sinal-2sinal-3sinal-4retorno

sinal-1

sinal-2retorno-1

retorno-2

sinal e retorno-1

sinal e retorno-2

sinal e retorno-3

sinal e retorno-4

Indutância de fiação em cabos

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

Pares alternados de sinal e retorno. Indutância mútua reduzida.

Pares de fios enrolados. Indutâncias mútuas ainda mais reduzidas.


• Condução através de impedância comum (Aterramento)


Leis de Kirchoff

Fonte de sinal Circuito

retorno da corrente p/ terra

i

i


Terra ideal


Condutividade infinita

i

Diferença de potencial nula


Um terra mais realista


Condutividade finita

i

Diferença de potencial: irZ

Z

ir


Um simples experimento

DIGITAL

Ganho=360

Resultado:

7cm


Curiosidade

Resistência de trilhas de cobre em placas de circuito impresso

0,035mm

cobre - PCB

1mm

R≅ 530 mΩ/m

Área: 0,035mm2

Uma trilha de 10cm de comprimento tem R≅ 53 mΩ ... !!!


Tem cura doutor ?


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!


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.


Um aterramento bastante comum e inadequado !

Circuitoa

Circuitob

Circuitoc

R1 R2 R3

Ib+Ic IcIa+Ib+Ic


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

Circuitoa

Circuitob

Circuitoc

R1R2

R3IaIb

Ic


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

Circuitoa

Circuitob

Circuitoc

R2

L2

R3R1

L1 L3


FIM

Interferencias

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