Projeto de Filtro de Bloqueio DC

Osciloscópios são dispositivos vitais para projetistas de hardware, permitindo-lhes entender como o circuito se comporta. É muito importante entender claramente os limites do seu equipamento de medição, incluindo as sondas, como ganho da sonda e largura de banda, impedância de entrada do canal e tensão máxima de entrada do canal. Por exemplo, a maioria dos osciloscópios só tem uma opção de acoplamento AC ao usar terminação de entrada de alta impedância, mas não para 50 Ohm, onde qualquer viés de DC que exceda o limite de tensão de entrada no seu sinal pode danificar completamente o canal de entrada do osciloscópio.

Simultaneamente, você ainda pode querer medir ruído, resposta transitória em uma rede de distribuição de energia ou dados de sensores de alta velocidade com um nível de viés de DC desconhecido ou alto, exigindo que você use terminação de entrada de 50 Ohm. Isso significa que você não pode medir o sinal de todo? A resposta seria, surpreendentemente, "Depende". Nesses casos, um filtro de bloqueio de DC deve ser usado na entrada do osciloscópio para proteger o canal de uma tensão de viés de DC excessiva. Este artigo mostrará como projetar, simular e validar um design que você pode construir por conta própria.

Filtro de Bloqueio de DC para Sondas de Osciloscópio

Projetos recentes nos quais tenho trabalhado estão relacionados a fontes de alimentação, redes de distribuição de energia e alguns sinais de muito alta velocidade, e eles requerem medições precisas para validação de desempenho. Embora usar uma sonda de alta qualidade ajudará a reduzir efeitos adversos, eu prefiro conectar diretamente a placa ao osciloscópio por meio de um cabo coaxial para medição de sinais críticos, removendo quaisquer efeitos de sonda e limitações de largura de banda da equação. Dito isso, não há mais fator de atenuação ajustável como muitas sondas passivas, tornando o canal de entrada do osciloscópio vulnerável a sobretensões que excedam o limite.

Circuito de Filtro de DC

Infelizmente, meus osciloscópios têm uma limitação de ±5V máx. ao usar a terminação de entrada de 50 Ohm, o que significa que eu danificaria o osciloscópio se precisasse medir ruído ou um sinal com um viés de DC acima de 5V. Existem muitos filtros de bloqueio de DC prontos para compra. No entanto, isso não é tão divertido. Um filtro de bloqueio de DC é apenas um filtro passa-alta RC, com a terminação de 50 ohm no osciloscópio sendo o resistor na fórmula. Assim, podemos construir um filtro de bloqueio simples e eficaz com um único capacitor em série com o sinal.

Como você pode ver nas capturas de tela acima, não são necessários muitos componentes para o nosso filtro de bloqueio DC. Um capacitor de bloqueio (C1) é colocado em série com o sinal no meio da entrada e saída. Para dar à placa mais funcionalidade potencial no futuro, dois pads adicionais 0402 em ambos os lados do capacitor de bloqueio foram adicionados, os quais não serão populados. Como não há possibilidade de adicionar pads na PCB fabricada posteriormente, considerando que também há espaço suficiente na placa, é sempre uma boa prática ter alguns pads livres para quaisquer retrabalhos ou melhorias necessárias, desde que isso não afete as funções obrigatórias e o desempenho.

Layout da PCB

Embora seja uma placa relativamente simples do ponto de vista do layout, ainda há alguns ajustes para fazer com que ela tenha um desempenho melhor ao considerar a integridade do sinal, especialmente quando a frequência alvo de mais de 6GHz é considerada. É importante para o sinal de alta frequência – alta largura de banda ter o mínimo de perturbação possível ao longo do caminho, o que significa que stubs e descontinuidades de impedância devem ser minimizados. Por isso, o pad 0402 foi modificado para ter a mesma largura que a trilha de 50 ohms garantindo pasta suficiente para segurar o componente no lugar de forma segura. Além disso, adicionei um recorte de polígono em uma camada superior sob o condutor do conector SMA para reduzir a capacitância parasitária para uma melhor correspondência de impedância. Enquanto estamos no assunto, tive problemas anteriores com conectores SMA que não se encaixavam firmemente na placa e tinham problemas de confiabilidade, pois não havia solda suficiente se o pad fosse menor, então preferi ter um pad um pouco maior. Eventualmente, é apenas um dos compromissos de engenharia que um designer pode enfrentar durante o ciclo de vida do design, mas vale a pena notar. Como um ponto final sobre o layout, muitas vias de costura são adicionadas para aumentar a ligação das camadas para garantir um caminho de retorno impecável ao redor da placa e que nenhuma cavidade interna faça a energia se dispersar.

Altium Designer tem um recurso fantástico que eu amei desde o primeiro momento em que comecei a usá-lo: a panelização. Isso nos permite criar painéis personalizados incorporando uma placa em outra, desde que compartilhem o mesmo empilhamento. Dê uma olhada nas capturas de tela dos meus painéis abaixo. Você perceberá rapidamente que eles estão embutidos em um ângulo de 45 graus no painel.

O dielétrico FR4 padrão, que é econômico e amplamente disponível em todas as casas de fabricação ao redor do mundo, é uma escolha óbvia para muitos de nós; é perfeito para muitas aplicações. No entanto, é formado por fios de fibra de vidro entrelaçados com preenchimento de epóxi, e as constantes dielétricas desses dois materiais são muito diferentes. Dito isso, embora a variação da constante dielétrica seja insignificante para vários designs, ela se torna mais crítica quando o tempo de subida ou a largura de banda do sinal é alta ou mesmo quando o comprimento de onda de um sinal analógico é semelhante ao tamanho da cavidade na trama. Por isso, o FR4 não é preferido para placas de RF ou de frequências muito altas; em vez disso, seleciona-se um material mais homogêneo, que geralmente é muito mais caro.

Apesar disso, estou usando FR4 padrão para o meu filtro de bloqueio DC. Quero que o design funcione bem além da largura de banda máxima de 6GHz do meu osciloscópio. Nem sempre é possível usar dielétrico não padrão para prototipagem devido ao custo ou disponibilidade de material. Portanto, o roteamento em zigue-zague para sinais críticos ou o posicionamento angular do painel pode ser uma solução rápida para reduzir o efeito da trama de fibra – é apenas mais um compromisso de engenharia. Posicionar minhas placas em um ângulo garantirá a distribuição uniforme de feixes de fibra e resina através da linha de transmissão para todas as placas, o que significa que não acabaremos com algumas placas tendo sinais situados em um fio de fibra e outras em resina, resultando em desempenho diferente entre as placas.

Simulação de Circuito e Teste de Componentes

Os cálculos teóricos para os valores dos componentes do filtro são um ótimo ponto de partida, e eles irão guiar você pelo que esperar na tela do equipamento de teste. Sempre é melhor simular para ver a resposta, mesmo que usar componentes ideais nem sempre seja tão realista. No entanto, modelos específicos de componentes e efeitos parasitas devem ser incluídos. 

Podemos usar as ferramentas integradas de simulação da Altium para estimar o desempenho do filtro. Estamos procurando uma resposta de alta passagem, e a frequência de corte nos dirá quais frequências seriam atenuadas pelo nosso filtro de bloqueio DC. O capacitor de 30pF é selecionado para ter uma frequência de corte de cerca de 50MHz conforme os cálculos, e o resultado da ferramenta de simulação da Altium mostra que este é o caso. 

Sabemos muito bem que o mundo real não possui componentes ideais. Infelizmente, todas as placas têm capacitância e indutância parasitas. Estou usando meu medidor LCR de alta precisão Rohde & Schwarz LCX200 para medir as parasitas reais da placa. Soldei alguns pinos nos conectores SMA para encaixar facilmente a placa no suporte de furo passante do meu medidor LCR. O LCX200 permite-me medir a capacitância entre o condutor e o terra além da capacitância em série, incluindo efeitos parasitas, que são 5.8pF e 32pF, respectivamente.

Agora, posso atualizar a simulação para refletir os efeitos reais da placa. Alterar o capacitor em série na simulação para 32pF e depois adicionar metade da capacitância do condutor ao terra de cada lado do nosso capacitor de bloqueio resultará em aproximadamente 54MHz de nova frequência de corte realista.

Testando a Placa de Circuito

Após ter algumas percepções sobre os resultados esperados (Regra de Ouro #9 do Dr.Bogatin: Nunca realize uma medição ou simulação sem antes antecipar os resultados que espera ver), é hora de testar esta placa para validar a simulação e ver o limite de frequência superior. Um analisador de rede vetorial é o equipamento certo para esta placa. Estou usando um Rohde & Schwarz ZNB8 analisador de rede vetorial de 4 portas com uma frequência máxima de 8,5 GHz. Após calibrar o instrumento, podemos conectar a placa do filtro de bloqueio DC com os cabos que anexaremos à placa de teste.

Logo após a calibração, vamos observar a frequência de corte do filtro de bloqueio DC. Adicionei um marcador para procurar o ponto de -3dB no traço, e meu VNA mostrou que está em torno de 51MHz, o que está bem alinhado com a simulação. Qualquer frequência inferior a 50MHz estará sujeita a uma boa quantidade de atenuação. No entanto, é importante verificar que a área de passagem desse filtro deve ser bastante transparente ao sinal. Estou mudando a frequência inicial para 75 MHz e a frequência final para 8,5GHz para mover a área de atenuação de baixa frequência severa para fora da tela. Felizmente, não há resultado para a busca do ponto de -3dB, e temos um pico mínimo em 7,6GHz, ligeiramente acima do ponto de -3dB. Esse é um resultado bastante satisfatório, e a perda na faixa de frequências de meu interesse não impactará meus resultados de teste.

Esta placa é de código aberto sob a licença MIT; você pode pegar os arquivos do projeto Altium no meu GitHub e construir suas placas por uma fração do custo de comprar um filtro de bloqueio DC. Use as ferramentas de simulação da Altium para experimentar diferentes capacitores para determinar o valor certo para a frequência de corte que você precisa. Também publiquei uma segunda versão desta placa, que tem espaço para dois componentes em série, o que é perfeito se você também precisa adicionar atenuação ao sinal ou quer construir um filtro mais complexo.

Uma nota final a ter em mente ao projetar seu próprio filtro é usar capacitores de alta qualidade, idealmente aqueles destinados ao uso em RF, se você precisa de um filtro de bloqueio DC que possa ir a altas frequências como o meu. Outra consideração é a classificação de tensão dos capacitores de bloqueio. Estes são apenas capacitores de tamanho 0402, então se você usar valores de capacitores maiores para reduzir a frequência de bloqueio, logo se encontrará com capacitores com classificação de tensão muito mais baixa.

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