Suprima Ruído e EMI na Sua PCB Com o Design de Filtro Analógico Correto

A indústria eletrônica continua a incorporar mais capacidades em PCBs menores e os dispositivos estão sendo operados com menor potência e em frequências mais altas. A supressão de ruído torna-se ainda mais importante à medida que as frequências de operação aumentam e os níveis de sinal diminuem, isso se torna mais gerenciável com um filtro EMI para ruído em um design de PCB. Adicionar filtragem aos seus designs de PCB pode melhorar a integridade do sinal em ambientes propensos a EMI com grandes campos magnéticos dispersos e em aplicações de RF de baixa potência.

Os padrões da indústria até exigem que seu dispositivo inclua supressão de ruído, filtro EMI e capacidades de filtro EMC. Para cumprir os padrões de emissões conduzidas, o ruído EMI deve ser suprimido em frequências de 150 kHz a 30 MHz. Alguns produtos têm padrões mais rigorosos e os limites inferiores começam em 9 kHz. Aplicações IoT requerem filtragem de ripple em 1 MHz para manter a integridade dos dados e do sinal.

Filtros Ativos vs. Passivos

Um dos meus primeiros designs de PCB exigiu a construção de um dispositivo para medir sinais externos de baixa frequência. Minha primeira tentativa resultou em uma bagunça embaralhada de pontos de dados quando eu esperava que minhas medições fossem bastante consistentes. Logo, encontrei o culpado: minha fonte de alimentação de baixa qualidade fornecia uma tensão com ruído significativo. Em vez de optar por uma grande atualização da fonte de alimentação, consegui resolver esse problema projetando um filtro de ruído EMI diretamente na minha Placa de Circuito Impresso.

Mesmo que você tenha seguido todas as melhores técnicas de design para supressão de ruídos e redução de EMI, seu projeto ainda pode ser suscetível a ruídos. Para melhorar ainda mais a integridade do sinal, métodos de filtragem ativa e passiva podem ser usados para reduzir tanto o filtro EMI quanto o EMC. Antes de selecionar quais filtros serão usados em sua Placa de Circuito Impresso, sempre teste seus designs de filtro e garanta que o filtro atenda aos padrões aplicáveis de redução de ruído e Interferência Eletromagnética para PCBs.

Os filtros passivos usam a impedância de componentes eletrônicos padrão para prevenir ruídos em circuitos em certas frequências. Filtros ativos combinam componentes de filtragem passiva com componentes alimentados como amplificadores ou transistores. Filtros ativos também podem ser embalados como um dispositivo montado na superfície com uma pequena pegada.

Antes de criar um design de filtro EMI para PCB ou supressão de ruído, você precisa saber algo sobre as bandas de frequência que está tentando filtrar dos seus sinais.

PCB projetada para aplicações de micro-ondas

Um exemplo simples de um filtro ativo é o filtro ativo passa-baixa de primeira ordem. Um filtro RC passa-baixa pode ser conectado a um amplificador operacional não-inversor. Essa topologia também é aplicável a um filtro passa-banda ou passa-alta. Filtros ativos de segunda ordem têm um design mais complicado. Filtros de terceira ordem e superiores são facilmente construídos ao encadear múltiplos filtros de primeira e segunda ordem em série, e esses filtros fornecem um corte mais acentuado nas bordas da banda de filtragem.

A principal vantagem de usar um filtro ativo é o ganho que pode ser fornecido. A amplificação pode ser aplicada incluindo resistores de feedback e de pull-down no input inversor.

A pequena dimensão dos CI de op-amp permite que filtros potentes sejam colocados no layout do seu PCB, deixando bastante espaço livre para outros componentes. A desvantagem dos filtros ativos é que os op-amps têm alta atenuação em altas frequências, e os filtros ativos só podem ser usados em aplicações de baixa frequência.

Filtros Microstrip Passivos

Trilhas microstrip podem ser usadas para construir filtros passivos que são embutidos diretamente no PCB. A frequência central e a largura de banda podem ser ajustadas com base na geometria do microstrip. Esses filtros são fáceis de fabricar, mas tendem a ter uma pegada maior do que outros filtros passivos.

Analisar esses filtros também é relativamente simples, pois sua geometria permite que sejam modelados como um circuito de indutores e capacitores. Se a análise de circuitos é algo natural para você, então esses filtros podem ser rapidamente reduzidos a um circuito equivalente e você pode descobrir as fórmulas para as propriedades de filtragem manualmente.

Diferentes geometrias e layouts de microstrip funcionarão como um filtro passa-banda, passa-baixa ou passa-alta. Filtros passa-alta genuínos são extremamente difíceis de fabricar usando elementos microstrip distribuídos. Uma maneira de formar um filtro passa-alta é usando um design passa-banda com uma largura de banda extremamente alta e frequência de corte superior. Filtros que parecem ter uma topologia passa-alta acabam sendo filtros passa-banda quando seu comportamento em alta frequência é analisado.

Filtros para Fontes de Alimentação

Fontes de alimentação DC tipicamente convertem energia AC em DC usando um circuito retificador com um capacitor de suavização. A saída da fonte de alimentação pode conter alguma tensão residual de ondulação, mesmo que a fonte de alimentação contenha filtragem embutida. A tensão residual de ondulação pode ser suprimida projetando um simples filtro passivo para fonte de alimentação.

Reguladores lineares podem suprimir grande parte da tensão de ondulação de baixa frequência de uma fonte de alimentação, mas perdem eficácia para componentes de ruído acima de cerca de 10 kHz. Componentes de frequência mais alta na faixa de 100 kHz podem ser suprimidos com um filtro LC. Filtrar componentes de frequência ainda mais alta na faixa de MHz pode ser realizado colocando capacitores de desacoplamento entre os ICs.

Mantendo em mente os requisitos de tensão corretos, você poderá gerenciar seu filtro EMI integrado

Filtrar a ondulação de tensão e suas harmônicas de ordem superior até 1 MHz torna-se importante em dispositivos IoT. Durante a transmissão de dados em dispositivos IoT, os dados são enviados para um módulo de banda base que codifica os dados em um sinal de 1 MHz. Este sinal de 1 MHz será misturado com o sinal portador no módulo transmissor RF. Remover a ondulação de tensão e ruído até frequências de MHz mantém a integridade do sinal e dos dados durante a transmissão sem fio.

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