“Coloque o capacitor de desacoplamento perto do CI.”
Todo livro de projeto de circuitos diz isso. Mas, surpreendentemente, poucos explicam por que ele precisa ficar perto. Se você apenas memoriza como “uma regra”, não conseguirá se adaptar quando surgir um problema durante o roteamento.
Neste artigo explicamos como um capacitor de desacoplamento funciona e por que ele deve ficar “perto”, do ponto de vista da indutância parasita, e confirmamos isso em forma de ondas com simulações no uSimmics.
O que é um capacitor de desacoplamento? — O “carregador instantâneo” do CI
Em uma frase, o papel de um capacitor de desacoplamento (bypass) é ser uma “fonte de alimentação local” que fornece corrente rapidamente no momento em que o CI de repente precisa dela.
Quando um CI digital chaveia, ele puxa uma grande corrente da alimentação em um instante. Se essa corrente tiver que vir de uma fonte distante, a indutância das linhas de alimentação e de terra atrapalha e a tensão oscila bastante (isso é a oscilação de terra explicada no artigo anterior).
Se o capacitor de desacoplamento estiver bem ao lado do CI, este pode retirar carga do “capacitor à sua frente” em vez da “fonte distante”. Como um capacitor libera carga com indutância quase nula, a oscilação de tensão é bastante reduzida.
Entre o capacitor e o CI existem trilhas da placa. Essas trilhas sempre têm indutância. Quanto maior a distância entre o CI e o capacitor, maior essa indutância. A partir daqui denotaremos essa indutância proveniente do cabeamento como L_wire.
Quando um capacitor e uma indutância ficam em série, formam um circuito LC. Em altas frequências, essa indutância se torna uma grande impedância que dificulta o fluxo de corrente para o capacitor. Ou seja, quanto mais “longe” o capacitor está visto do CI, menos eficaz ele é em altas frequências.
O próprio capacitor também tem indutância parasita
Outro ponto de atenção é que o corpo do capacitor também possui indutância em série equivalente (ESL). A partir daqui a denotaremos como L_esl. A ESL de um capacitor SMD (chip) fica em torno de 0,5–1 nH, mas em um capacitor com terminais chega a 5–20 nH ou mais.
Por causa dessa ESL, um capacitor tem uma “frequência máxima na qual ainda funciona como capacitor” (sua frequência de autorressonância). Acima dessa frequência, o capacitor se comporta como um indutor.
O motivo de se recomendarem capacitores cerâmicos SMD para desacoplamento é justamente que sua ESL é pequena, mantendo o efeito até altas frequências.
As duas indutâncias parasitas que apareceram até aqui — a L_wire proveniente do cabeamento e a L_esl do próprio capacitor — ficam em série, como mostrado abaixo. Combinadas com o C do capacitor, vê-se que o circuito equivalente real é um circuito LC com “C, L_wire e L_esl” em série.
Verificação com o uSimmics — A diferença de efeito conforme a distância
Experimento 1: variar a distância do capacitor de desacoplamento
Vejamos por simulação o quanto realmente muda.
Montamos o seguinte circuito no uSimmics:
- Uma fonte de tensão (VCC = 3,3 V)
- Uma fonte de corrente que emula o chaveamento do CI (tempo de subida 1 ns)
- Um indutor que emula a trilha entre o CI e o capacitor (L_wire)
- Um capacitor de desacoplamento (C = 0,1 μF, ESL = 1 nH)
- Nó de observação: a tensão no pino de alimentação do CI
O que as formas de onda confirmam:
- Quanto mais perto o capacitor (L_wire pequena), mais a oscilação da tensão de alimentação é reduzida.
- Quando o capacitor está longe (L_wire grande), há casos em que ele quase não tem efeito, mesmo estando presente.
- O período do ringing se alonga proporcionalmente à indutância do cabeamento (a frequência de ressonância LC diminui).
Experimento 2: variar a capacitância
O posicionamento em dois estágios é a resposta — Cobrir a faixa de frequência
Como é difícil cobrir toda a faixa de frequência com um único capacitor de desacoplamento, o básico é posicionar os capacitores de desacoplamento em dois estágios.
Estágio 1: entrada da placa (cobertura de baixa frequência)
Colocado logo após a entrada da alimentação na placa. Seus objetivos são:
- Filtrar o ruído que penetrou pelo cabeamento externo
- Reduzir a componente de baixa frequência da impedância de alimentação de toda a placa
Componentes usados: capacitores eletrolíticos de alumínio ou de tântalo de algumas dezenas de μF. Se necessário, combine com um indutor para formar um filtro LC.
Estágio 2: bem próximo ao CI (cobertura de alta frequência)
Colocado bem ao lado dos pinos de alimentação e de terra do CI. Seus objetivos são:
- Fornecer instantaneamente a corrente de chaveamento do CI
- Reduzir a impedância de alimentação na região de alta frequência
Componentes usados: capacitores cerâmicos SMD de 0,01–0,1 μF (priorizar ESL baixa). Como regra, um por CI. Para CIs de baixo consumo e baixa velocidade, um a cada dois ou três é aceitável.
Quando se fazem dois capacitores no estágio 2
Se você quiser que a cobertura de alta frequência abranja uma faixa mais ampla, pode usar dois tipos de capacitor no estágio 2 (por exemplo, 0,1 μF + 0,001 μF). Nesse caso, coloque o de menor valor no lado mais próximo do CI. Quanto menor o capacitor, maior sua frequência de autorressonância e, portanto, mais eficaz ele é contra frequências muito altas.
Notas práticas de implementação
Quão perto é “perto”?
Como referência, a até 2–3 mm dos pinos de alimentação e de terra do CI. Cuidado com os casos em que o roteamento das trilhas alonga a distância efetiva.
O que importa aqui não é que o posicionamento pareça próximo, mas que o caminho de trilha por onde a corrente realmente flui seja o mais curto possível. Mesmo que você coloque o capacitor bem ao lado do CI, se as trilhas para a alimentação e o terra derem uma volta, a distância como caminho de corrente fica longa e a indutância parasita aumenta da mesma forma. Por outro lado, mesmo com algum espaço, se o cabeamento for reto e curto, o efeito se mantém. O critério deve se basear no “comprimento do caminho do cabeamento”, e não na “proximidade física”.
A posição da via de terra também importa
Em uma placa multicamada, coloque a via que conecta o lado de terra do capacitor ao plano de terra o mais próximo possível de logo abaixo do capacitor. Se a via ficar distante, a trilha intermediária também se torna indutância.
Resumo
- O capacitor de desacoplamento é uma “fonte de alimentação local” que fornece instantaneamente a corrente de chaveamento do CI e reduz a flutuação da tensão de alimentação.
- Quanto mais longe do CI, maior a indutância do cabeamento e mais se perde seu efeito em alta frequência — por isso se “coloca perto”.
- A própria ESL do capacitor também limita o comportamento em alta frequência, então use capacitores cerâmicos SMD.
- O posicionamento em dois estágios (grande capacitância na entrada da placa + pequena capacitância junto ao CI) cobre uma ampla faixa de frequência.
Não basta “colocar um capacitor de desacoplamento”: pensar “onde, o quê e em quantos estágios” é o que realmente importa na mitigação de ruído na prática.
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