Por que as trilhas viram antenas: área de laço e radiação de ruído

“Por que uma placa irradia ruído?”

Ao investigar um circuito que foi reprovado em um ensaio de EMC, a maioria dos problemas remonta a “cabeamento que forma um laço”. Neste artigo explicamos como um circuito elétrico funciona como antena e por que a área do laço está diretamente ligada à radiação de ruído.

Fundamentos de antenas — Dois tipos de antena

Há, em linhas gerais, dois tipos de antena.

Antena de haste (antena linear): um condutor reto. Sua intensidade de radiação é proporcional a “comprimento da antena × corrente”. No campo próximo, o campo elétrico domina.

Antena de laço: um condutor em forma de laço. Sua intensidade de radiação é proporcional a “área do laço × corrente”. No campo próximo, o campo magnético domina.

E o cabeamento de uma placa funciona, sem querer, como ambas as antenas.

O “laço oculto” do cabeamento de sinal

Este é o ponto mais importante.

Uma trilha de sinal em uma placa parece, à primeira vista, uma “linha reta curta”. Mas o sinal sempre forma um laço de ida e volta. O caminho de retorno é a trilha de terra comum. A trilha de sinal mais a trilha de terra formam um laço, e essa área do laço determina a intensidade de radiação.

Organizado como fórmula, a intensidade de radiação de uma antena de laço é:

Intensidade do campo E irradiado ∝ área do laço (S) × corrente (I) × frequência² (f²)

Ou seja, quanto maior o laço, maior a corrente e mais alta a frequência, mais a radiação de ruído aumenta. O motivo de os problemas de EMC se agravarem à medida que a frequência de clock de um circuito digital sobe é que a radiação cresce com o quadrado da frequência.

Minimizar a área do laço é a medida básica

A forma mais direta de suprimir a radiação é tornar a área do laço pequena.

Medida 1: Aproximar a trilha de sinal e o terra

Coloque um plano de terra logo abaixo da trilha de sinal e a corrente de terra fluirá logo sob a trilha, minimizando a área do laço. Essa é uma das principais razões para prever um plano de terra em uma placa multicamada.

Medida 2: Rotear pensando no caminho de retorno

Em uma placa de 2 camadas sem plano de terra, é importante estar ciente de por onde flui a corrente de terra. Fazer uma trilha de terra correr ao lado da trilha de sinal reduz o laço.

Medida 3: Localizar o laço com um capacitor de desacoplamento

Variações abruptas da corrente de alimentação de um CI são uma causa principal da radiação por laço. Colocando um capacitor de desacoplamento bem ao lado do CI, é possível localizar o laço por onde circula a grande corrente em uma pequena região ao redor do CI.

Efeito de antena de haste — Radiação a partir de cabos externos

Se o efeito de antena de laço é um problema interno da placa, o efeito de antena de haste é principalmente um problema dos cabos externos.

Um cabo que sai de um equipamento eletrônico é um condutor longo e reto. A corrente de sinal dentro do cabo (modo normal) se cancela na ida e na volta, portanto não irradia. Mas a corrente de modo comum flui na mesma direção, de modo que não há cancelamento, e ela irradia ruído fortemente como uma longa antena de haste.

Fontes chaveadas são uma fonte típica de ruído de modo comum. Quando o ruído de modo comum do interior da placa sobe para um cabo externo, esse cabo se torna uma antena gigantesca. Inversamente, ele também capta forte ruído externo em modo comum através do cabo.

É aqui que está a razão de colocar um filtro de modo comum (CMC) na saída do cabo. Ao cortar a componente de modo comum antes que ela suba para o cabo, evita-se que o cabo se torne uma antena.

O laço também aumenta a indutância

A desvantagem de uma grande área de laço não é só a radiação. Um cabeamento em forma de laço tem indutância. Quanto maior o laço, mais a indutância aumenta, e mais aumenta também a tensão de ruído devida a V = L × di/dt.

Ou seja, “tornar a área do laço pequena” é uma medida que mata dois coelhos com uma cajadada: serve tanto para reduzir o ruído irradiado quanto para reduzir a oscilação de terra.

Resumo

• O cabeamento funciona, sem querer, como antena. O cabeamento em laço é uma antena de laço; o cabeamento reto, uma antena de haste.
• A intensidade de radiação de uma antena de laço é proporcional a “área do laço × corrente × frequência²”.
• A verdadeira fonte de radiação é o laço que inclui a corrente de terra que retorna o sinal. Faça-a retornar logo abaixo com um plano de terra para minimizar a área do laço.
• Cabos externos se tornam potentes antenas de haste para a corrente de modo comum → corte-a com um CMC.
• Reduzir a área do laço alcança ao mesmo tempo a redução de radiação e a redução de indutância.

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