Como lidar com o caminho de retorno atual para melhorar a integridade do sinal

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Como lidar com o caminho de retorno atual para melhorar a integridade do sinal

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Antes de começarmos com o artigo de hoje, algo precisa ficar gravado em suas mentes. Se alguma corrente sair em algum lugar, ela sempre retornará à fonte, sem exceções. Portanto, sempre há um loop de corrente, um caminho de retorno atual juntamente com os traços que carregam corrente. Portanto, a corrente realmente não se importa se você fornecer esse caminho de retorno, ela encontrará a sua. Mas se não o fizer, ele interferirá e mexerá com todo o seu circuito, enquanto encontra o seu próprio caminho de volta.

O que é um caminho de retorno atual e por que o retorno atual?

O caminho de retorno da corrente não passa de um caminho que a corrente segue para retornar à fonte. Você se lembra o que é um circuito elétrico? É um caminho através do qual os elétrons fluem de uma fonte de tensão ou corrente. A 'fonte' de elétrons é o ponto em que esses elétrons entram no circuito. E o ponto em que os elétrons deixam um circuito elétrico é chamado de 'retorno' ou 'terra'. Como os elétrons sempre acabam na fonte quando completam o caminho de seu circuito, chamamos o ponto de saída de 'retorno'.

A fonte de elétrons e o solo. Também é chamado de Retorno, porque rastreia de volta para alcançar a fonte.

A fonte de elétrons e o solo. Também é chamado de retorno, porque retorna para alcançar a fonte.

A resposta para "por que" é simples: a consequência da conservação de carga e também da energia. Suponha que a corrente não retorne à fonte. Então o que? A cobrança ainda aumentará em algum lugar. Haverá um excesso de (+) cobrança em um local e um excesso de (-) cobrança em outro lugar. Esse distúrbio causaria diferenças potenciais que, por sua vez, levariam a corrente a fluir para trás. Lembra da Lei de Kirchhoff (1ª Lei)?

A lei atual de Kirchhoff afirma que a corrente que flui para um nó (ou uma junção) deve ser igual à corrente que sai dele. Em outras palavras, a soma algébrica de TODAS as correntes que entram e saem de um nó deve ser igual a zero, como:

I (saindo) + I (entrando) = 0

Como lidar com o caminho de retorno atual para melhorar a integridade do sinal 1Lei atual de Kirchhoff

Portanto, se o fluxo líquido de carga dentro e fora de cada nó em cada componente em um circuito for zero, isso implica que a corrente deve retornar à sua fonte, independentemente do circuito.

Se a corrente fluir em loops e retornar à fonte, você esperaria que a corrente viajasse até o final da linha e retornasse pelo caminho de retorno. Mas quanto tempo leva todo esse processo? Quando você pode ver a corrente sair do caminho de retorno? Demora 2 segundos? 1 segundo para descer e 1 segundo para voltar? Se houver um material dielétrico isolante entre os condutores de sinal e retorno, como a corrente poderia passar do sinal para o condutor de retorno, exceto na extremidade oposta?

Vamos começar pensando no modelo básico, a linha através da qual a corrente flui, que seja um monte de pequenos capacitores. A corrente inicial flui para a linha, quando o sinal é iniciado, ele vê o capacitor. Se a tensão no capacitor for constante, a corrente não fluirá. À medida que o sinal entra na linha de transmissão, há um aumento de tensão no caminho do sinal e retorno. Durante esse tempo de transição, à medida que a borda passa, a tensão muda e a corrente flui através do capacitor inicial. Quando o sinal é lançado, ele não faz ideia de como você planejou toda a viagem e isso não importa. O movimento de vaivém da corrente é absolutamente dependente do ambiente imediato e da região da linha onde a tensão está mudando – ou seja, onde está o limite do sinal.

A corrente de sinal e seu caminho de retorno. Além disso, a linha de transmissão como o monte de capacitores.

A corrente do sinal e seu caminho de retorno. Além disso, a linha de transmissão como um monte de capacitores.

A corrente da fonte flui para o condutor e, através da corrente de deslocamento, passa pela capacitância entre o sinal e o caminho de retorno e para fora do caminho de retorno. Este é o loop. À medida que a borda de transição de tensão se propaga através da linha, o loop de corrente também se propaga através da linha de transmissão. Podemos estender o modelo da linha de transmissão para incluir o restante dos caminhos de sinal e retorno com todos os vários capacitores distribuídos entre eles. Dado que a tensão do sinal está mudando.

Qualquer coisa que interrompa o loop de corrente interromperá o sinal e causará uma distorção na impedância, comprometendo a integridade do sinal.

Roteando o caminho de retorno deliberadamente!

Muitas pessoas imaginam que as mudanças em um circuito ocorrem imediatamente, quando você liga um circuito e a luz brilha em apenas um clique. É muito fácil ter um equívoco, porque a mudança no estado excede a percepção humana.

A transição simples, mas complicada.

A transição simples, mas complicada.

Mas, na realidade, quando uma 'corrente alternada' passa no circuito, um campo elétrico é criado nas áreas. Essas linhas de campo se espalharão pelos condutores circundantes e talvez também sejam transferidas para circuitos próximos. Junto com isso, seu circuito enfrenta uma mudança de estado que, por sua vez, gera um potencial elétrico e, portanto, a corrente passa pelo circuito. Este campo elétrico gera um campo eletromagnético ao redor do condutor pelo qual a corrente flui. As mudanças no campo eletromagnético se propagam muito rapidamente, mas a uma velocidade finita, e leva algum tempo para que as mudanças no campo cheguem às extremidades do seu circuito. Portanto, é possível que duas extremidades de um rastreamento estejam em dois estados diferentes, com um ponto de transição que se move ao longo do comprimento. Isso dará origem a correntes indesejadas em condutores próximos.

O fluxo atual, o campo elétrico e o campo magnético.

O fluxo atual, campo elétrico e campo magnético.

Não apenas esse roteamento ruim pode levar a ruídos no circuito, o que, por sua vez, criará problemas de compatibilidade eletromagnética, suscetibilidade e interferência eletromagnética. Portanto, degradando o desempenho geral do circuito.

Por que o caminho de retorno atual é vital no design de PCB?

O design eletrônico do passado foi meio atencioso. Esquemas um pouco ruins e layout não tão eficiente ainda produziriam algumas placas significativas e funcionais. Mas agora, na corrida para diminuir os PCBs e chips, as tensões operacionais e suas margens de ruído estão diminuindo. A redução é de tal maneira que os engenheiros agora precisam estar mais atentos às suas escolhas de design.

PCB de alta velocidade.

Os PCBs de alta velocidade aumentaram como tendência.

Não apenas menores, mas também os PCBs estão ficando mais rápidos. Agora, os PCBs devem operar em frequências altas o suficiente para degradar significativamente o desempenho do circuito. Esses são chamados PCBs de alta velocidade. Outros fatores incluem: os materiais, o comprimento dos traços, juntamente com o tamanho do quadro e também o ambiente. Embora, tradicionalmente, 50 MHz e acima seja o ponto em que um layout de PCB pode ser considerado um design de PCB de alta velocidade. Outro aspecto interessante dos PCBs de alta velocidade é tal que eles não seguem o caminho de menor resistência; eles seguem o caminho de menor impedância. Sem um layout de caminho de retorno adequado, você pode se deparar com correntes espalhando-se por fendas no seu plano de terra e, por sua vez, levando a uma perda da integridade do sinal.

PCBs de alta velocidade e caminho de retorno atual

Não importa quanta experiência você tenha, você pode esquecer o fato de que a impedância pode parecer resistência. Mas isso não. É uma expressão genérica que explica a dependência de tempo e frequência. É uma quantidade complexa com uma parte imaginária (reatância) e uma parte real (resistiva).

Portanto, você pode tender a ignorar a parte reativa da impedância nos caminhos de retorno do circuito e se concentrar estritamente no resistivo. Com o aumento da frequência e a depreciação no tempo de subida / descida, a parte reativa da impedância se torna mais importante nos caminhos de retorno.

Em alguns casos, o caminho de retorno da corrente flui diretamente abaixo do condutor. Portanto, você deve fornecer um caminho desejável antes que um caminho menos desejável seja estabelecido em seu circuito.

Agora vamos seguir em frente como PCB de alta velocidade o roteamento de retorno atual é feito.

Suponha que você tenha uma placa de dupla face, um único traço na parte superior e um plano de aterramento de cobre na parte inferior. A placa possui duas vias que conectam o traço ao plano de terra. Ao atingir o ponto desejado, ele viaja para o plano de terra através da via e termina na fonte.

Uma placa de dupla face com um único traço na parte superior e um plano de solo sólido, juntamente com duas vias

Uma placa de dupla face com um único traço na parte superior e um plano de solo sólido, juntamente com duas vias.

Mas a questão aqui é como? A corrente pode retornar em três caminhos dados: o caminho conhecido mais fácil é rastrear o caminho de seu fluxo, o caminho direto. Ou pode viajar em um loop, o menor loop de área. Está abaixo do rastreio superior. Caso contrário, ele pode combinar as duas maneiras de retornar à sua origem.

Como você já sabe, a corrente retorna à fonte através do caminho de menor impedância.

O caminho do fluxo atual.

O caminho do fluxo atual.

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Sabemos que a impedância (Z) de um resistor é igual ao valor do resistor (R), como:

Z = R

Novamente, a magnitude da impedância em um indutor é:

| Z | = ω.L

No domínio da frequência, podemos expressar a impedância de um indutor como:

Z = j.ω.L

Portanto, usando a impedância da teoria do circuito de parâmetros agrupados, podemos encontrar a impedância de aterramento Zg.

Zg = Rg + jωLg

Onde Rg e Lg são a resistência e a indutância do caminho do solo, respectivamente.

Para baixas frequências, a corrente de terra segue o caminho de menor resistência. Ele rastreia o caminho até a origem. Aqui, este também é o caminho da menor impedância.

Caminho de retorno atual para baixa frequência através de menor resistência.

O caminho de retorno atual para baixa frequência com menos resistência.

Para altas frequências, a corrente de terra seguirá a rota de menor indutância. Isso fica diretamente abaixo do rastreamento, pois representa a menor área do loop.

Caminho de retorno atual para alta frequência através da menor indutância.

O caminho de retorno atual para alta frequência através de menos indutância.

Em baixas frequências (1 – 100 kHz), a corrente de retorno flui majoritariamente pelo caminho direto de menor resistência. À medida que a frequência aumenta para 500 – 1.000 kHz, a corrente se divide entre os dois caminhos de menor resistência e menos indutância. Em altas frequências (10 – 100 MHz), a maioria da corrente de retorno flui sob o traço superior através do caminho de menor indutância.

Para traços de sinais de alta frequência, um par diferencial é usado. A razão para isso é simples: os pares diferenciais carregam o sinal e a fase oposta do sinal. Portanto, as radiações são canceladas e o fluxo atual é zero. Portanto, eles podem combater o ruído do modo comum ou o ruído induzido. O planejamento cuidadoso e deliberado de um caminho de retorno ao solo impede que correntes indesejadas se formem em partes do seu circuito onde elas não deveriam estar.

Um par diferencial no PCB para combater induz ruídos.

Um par diferencial no PCB para combater induz ruídos.

O caminho de retorno atual perfeito vs. o caso do ruído em modo comum.

O caminho de retorno atual perfeito versus o caso de ruído no modo comum.

Descontinuidades do caminho de retorno

Até agora, o que discutimos foram os casos de um plano de terra sólido. Mas pode haver situações em que há uma descontinuidade no plano terrestre. Ao projetar para caminhos de retorno, você também deve ter em mente casos de recortes, ranhuras ou talvez furos de folga. Suponha que haja um slot no plano de terra, o que você acha que pode dar errado?

Isso é convencional: um caminho de retorno sólido e ininterrupto teria uma melhor capacidade eletromagnética. A corrente iria ao longo de um circuito fechado, tornando a corrente resultante zero. O loop é pequeno / estreito o suficiente; Além disso, o caminho de retorno da via microstrip está logo abaixo do plano de um traço de sinal.

Mas descontinuidades no caminho de retorno darão origem a ruídos. Recortes, ranhuras ou até furos de folga para orifícios ou vias, tudo isso pode causar uma descontinuidade no caminho de retorno. Cria uma área de loop atual maior. Isso resulta em um aumento na indutância do loop. Portanto, a corrente se espalhará e também poderá chegar às bordas formando uma antena. Os orifícios de folga são menos uma ameaça ao fluxo atual. A menos que os furos se sobreponham, não há muito problema.

A propagação de corrente durante o retorno devido a um slot no avião.

A propagação de corrente durante o retorno devido a um slot no avião.

Caminho de retorno atual para um plano de terra com um recorte.

O caminho de retorno atual para um plano de terra com um recorte.

Caminho de retorno atual para um plano de aterramento com furos de folga para vias e thu-furos.

O caminho de retorno atual para um plano de aterramento com furos de folga para vias e furos passantes.

Tudo o que afeta a corrente do sinal ou o caminho da corrente de retorno afetará a impedância do sinal. Portanto, o caminho de retorno deve ser projetado com o mesmo cuidado que o caminho do sinal, independentemente de estar em um PCB, conector ou pacote de IC.

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