Capacitores de desacoplamento em projetos de alta frequência

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.

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.

Por isso, a impedância equivalente do modelo é:

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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.

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.

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.

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.