Terra analógico e terra digital

[Haroldo Amaral]

Pessoal, sempre que vejo algo com terra analógico e terra digital me surge a dúvida sobre o porque de duas referências de terra. Ja vi que em alguns circuitos é interessante isolar os dois, mas porque!? como fazer isso!? qual o ganho!?

Grato.

Haroldo Luiz

[Rafael Dias]

A resposta não saiu para o grupo. Estou repassando...

On Nov 1, 2012 9:54 PM, "Rafael Dias" <rdme...@gmail.com> wrote:

Basicamente, se o sistema de aterramento for feito de forma errada, as correntes de chaveamento dos circuitos digitais podem induzir ruídos nos circuitos analógicos e a sua medida pode não ser satisfatória.

Tem um documento da BB que explica um pouco isso: http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.tsp?baseLiteratureNumber=sbaa052

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[Luizf]

Apenas complementando a resposta para a razão das referências (Gnd) separadas nos circuitos digitais e analógicos, existe a necessidade de rotear as trilhas em caminhos separados até a fonte para os circuitos analógicos em relação aos digitais devido às grandezas envolvidas (tensão, corrente e frequência), que, por vezes, são desproporcionais, justamente, no caso da existência de entradas de alta impedância, sensíveis aos mínimos ruídos do ambiente. Por vezes, os chaveamentos digitais provocam mudanças abruptas no comportamento da tensão e corrente da fonte, e, esse comportamento é refletido nas trilhas de alimentação.

[cpbau...@gmail.com]

    Haroldo,
    Nos circuitos digitais, a porta básica é o inversor CMOS, que consiste em dois transistores em série ligados entre o VCC e o GND.  Sem sinal variando a corrente consumida é zero, mas no instante do chaveamento temos um curto-circuito entre o VCC e o GND (OK quase isto).  Por este motivo o chaveamento CMOS gera muito ruído na fonte de alimentação (quanto mais rápida a lógica maiores são os picos de corrente).   Isto leva a colocação de capacitores de desacoplamento sobre os pinos dos CIs de lógica.   Esta comutação polui a alimentação e afeta a performance dos componentes analógicos.   As trilhas do PCB e os capacitores formam um filtro LC que atenua o problema.  Para reduzir o problema mantenha as alimentações afastadas, se nao for possível coloque um indutor em série (um Ferrite Bead por ex.)

  Boa sorte,
 Eng. Carlos P. Baumhardt

[Thiago Lima]

Perfeito, Carlos.

Havia lido sobre isso a uns dias atras. Esta escrito na apostila da EMC TECNOLOGIA LTDA, sobre compatibilidade eletromagnetica:

"Em circuitos analogicos, as fontes externas de perturbacao eletromagnetica sao, em geral, a principal preocupacao."

"Circuitos integrados digitais poem transientes rapidos de corrente nas linhas de alimentacao e aterramento sempre que suas saidas mudam de estados. Esta corrente flui atraves da indutancia dos condutores de alimentação e aterramento e causa uma grande queda transiente na tensao de alimentacao. Saidas levemente carregadas (< 50 pF) geram pulsos de aproximadamente Ios/2 amperes e de tr segundos de duracao, e saidas fortemente carregadas geram pulsos de aproximadamente Ios amperes e de CL * DELTA Vout / Ios segundos de duracao, onde Ios é a saida de curto-circuito do CI, CL é a capacitancia de carga, e DELTA Vout é a variação da tensao de saida na transição. A Solução é prover uma fonte de carga (um capacitor), proxima de cada porta, que supriria a corrente transiente sem puxá-la através da indutancia dos condutores de alimentacao e aterramento.

A fim de minimizar a perturbação gerada por estas fontes de perturbações internas, todos os sistemas lógicos devem, ser projetados com:

1. Um sistema de aterramento de baixa indutancia

2. Uma fonte de carga nas proximidades de cada porta lógica."

Uma alteração na alimentação do circuito digital, impactaria, e muito, no desempenho de seu circuito analogico.

"A alimentacao dos circuitos analogicos e digitais devem ser separadas.

Se a alimentacao do circuito analogico é derivada da trilha do circuito digital, esta alimentacao deverá ser filtrada, usando um indutor ou ferrite bead - deverá ter um capacitor de desacoplamento no pino de alimentação.

O ground analógico deve ser separado, usando-se uma separação do tipo guard ring e/ou uma separação de abastecimento de ground para o circuito analogico ate o conector de sinal de entrada."

Meu comentario: Se os terras digitais e analogicos sao separados, previne-se que apareçam de ruidos de alimentação do bloco digital no bloco analogico. Separe seus circuitos na placa e tome cuidado até com o seu circuito do cristal do microcontrolador...

;)

Thiago Lima

2012/11/2 <cpbau...@gmail.com>

--

[Haroldo Amaral]

Muito boas as explicações dos amigos.

Quando for rotear uma placa devo me preocupar então em utilizar linhas separadas de alimentação e terra para os circuitos, mas por exemplo, toda essa energia virá de somente uma fonte (um regulador) ou melhor utilizar dois separados!? No caso de utilizar uma fonte para os dois circuitos utilizo a técnica de filtragem com o indutor...

Nos softs como o Proteus quando utilizo terras diferentes (AGND e DGND), o roteamento irá gerar tilhas diferentes!?

Muito obrigado!

ps.: vivendo e aprendendo (coisas que não se aprende na faculdade ou curso de eletrônica...)!!!

Haroldo Luiz

[Felipe Nascimento Martins]

Olá, Haroldo.

Se você fizer o roteamento com tags diferentes para formar dois terras (AGND e DGND), o Proteus vai gerar trilhas independentes, sim. Mas, para alimentar os circuitos a partir de uma mesma fonte, em algum ponto do seu circuito você precisará ligar essas trilhas. Idealmente, essa ligação será feita em apenas um ponto, o mais próximo possível da fonte.

Abraços a todos!

Felipe.

Blog sobre robótica: http://nossosrobos.blogspot.com

--

[Luizf]

Os ruídos digitais tem relação direta com a frequência de relógio do sistema, e, geralmente se apresentam num quadro de 30 microsegundos a 25 nanosegundos, dependendo do cristal usado. Isso quer dizer que são rápidos e demandam capacitores de baixa capacitância para amenizar os efeitos nas entradas dos circuitos digitais. Convencionalmente, são utilizados capacitores de 100 nanofarads (fonte de carga) o mais próximo possível dos terminais positivo e negativo de cada CI da PCI. Alguns soquetes de CI já são vendidos com esses capacitores soldados internamente entre os pinos de alimentação.

Por outro lado, os ruídos digitais podem influenciar em circuitos analógicos próximos, do tipo, condicionador de baixos sinais, ou algo similar, e, é necessário analisar os efeitos e reatâncias envolvidas para ajustar os valores de filtros necessários para amenizar os erros. Isso depende, também, da forma de roteamento das trilhas da PCI, que deve ser projetada para conter a mínima distância (baixa indutância) entre trilhas de componentes, cuidados com o plano de terra, Vcc e conexões para gerar as mínimas influências possíveis no funcionamento ideal do circuito.

Ainda não conheço o conceito de "...separação do tipo guard ring...".

Thiago Lima, você ou outro colega poderiam me esclarecer melhor, ou, indicar fonte bibliográfica sobre o assunto???

Obrigado!

[Luizf]

Uma das aplicações de uso da técnica de "guard ring" é no desenvolvimento de sensores ou detetores encapsulados, ou CI's semicondutores, para amenizar os efeitos de surtos de corrente nesses componentes.

Seria essa a relação com ruídos digitais, particularmente para essas aplicações, ou haveria uma técnica para PCI's???

Em 3 de novembro de 2012 00:14, Thiago Lima <thiag...@gmail.com> escreveu:

[Thiago Lima]

Luiz,

Sobre referencia bibliografica, procure esse livro:

EMC for product designers

http://www.amazon.com/EMC-Product-Designers-Fourth-Williams/dp/0750681705

OP AMPS FOR EVERYONE

http://www.ti.com/lit/ml/sloa089/sloa089.pdf

High-Speed Operational Amplifier Layout Made Easy

http://www.ti.com/lit/an/sloa046/sloa046.pdf

Design Techniques for EMC

http://www.humerboard.at/ftkl/Design_Techniques_For_%20EMC.pdf

Uma dica de como fazer seu guard ring para um cristal: 

http://www.emesystems.com/pdfs/parts/DS1307_xtal.pdf, pagina 6
http://www.atmel.com/Images/doc8128.pdf

Um guard ring, quando contruido, nao tem a intencao de ser uma gaiola de faraday. A intencao é equalizar as tensoes de terra. Ele anula as correntes de fuga, convergindo em um ponto só, em trilhas de alta impedancia, ou de alta frequencias.

Thiago Lima

2012/11/3 Luizf <lu...@liberato.com.br>

[Luizf]

Ok Thiago, obrigado pelas indicações!

[Arquimedes - IFPE]

Esta ligação entre os diferentes terras se faz normalmente por meio de um ferrite bead.

 

Eng. Arquimedes Paschoal, MSc
Hardware Engineer

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[Luizf]

O ferrite bead, normalmente, utilizado para suprimir interferências de RF acima de 100kHz, EMI, entre outras, possui dois terminais.

Então, como ligamos o mesmo entre os três terminais envolvidos no assunto em epígrafe (ckt digital, ckt analógico e fonte) ???

Seria em série? Com quem? Em paralelo? Na PCI? Mais de um ferrite?

Por favor, um esclarecimento mais objetivo de quem tem experiência seria interessante!

[cpbau...@gmail.com]

Mais algumas dicas e alguma bibliografia:

      Para o roteador (e o DRC - Design Rules Checker) gerar as ligações corretas, coloque um componente
para ligar o DGND ao AGND (por. ex. um resistor de 0R0 ou um indutor).  Isto irá gerar duas Nets diferentes
para os GNDs e vai passar no verificador de ligações (DRC).
       O anel de guarda (Guard-Ring) serve para evitar a circulação de correntes parasitas entre NETs
críticas.   Deve ser desenhado em ambas as faces do PCB e ligado a um ponto que minimize a circulação de
corrente entre as NETs ou pinos (nem sempre é o GND).   Tomar cuidado para não gerar uma espira e captar
mais ruído piorando o problema que se quer resolver (ou minimizar).

==> Site de Henry Ott, consultor sobre EMI/EMC
http://www.hottconsultants.com/book.html

http://www.hottconsultants.com/pdf_files/Digital%20Logic%20Current%20Flow.pdf

http://www.hottconsultants.com/tips.htm

http://www.hottconsultants.com/techtips/split-gnd-plane.html


==> Site da FORD sobre EMI/EMC
http://www.fordemc.com/docs/download/EMC_CS_2009rev1.pdf

http://www.fordemc.com/docs/requirements.htm

http://www.fordemc.com/docs/Downloads.htm

Component and Subsystem Electromagnetic Compatibility: Worldwide Requirements and Test Procedures
Ford Motor Company ES-XW7T-1A278-AC, October 10 2003, available from www.fordemc.com


==> Livros e bibliografia sobre EMI/EMC com artigos em PDF
http://www.dbicorporation.com/pwr-bib.htm

http://www.edaboard.com/thread37628.html

==> Livros sobre EMC/EMI
Grounding and Shielding Circuits and Interference, Ralph Morrison, 2007, 5th Ed, IEEE Press

Grounding and Shielding Techniques in Electronic Instrumentaion, Ralph Morrison, 1986, 3rd Ed, John Wiley

Elya B. Joffe, Kai-Sang Lock, "Grounds for Grounding: A Circuit to System Handbook"
Wiley-IEEE Press | 2010-01-07 | ISBN: 0471660086, 0470529318 | 1064 pages

The Technician's EMI Handbook: Clues and Solutions
Publisher: Newnes | pages: 264 | 2000 | ISBN: 0750672331

Electromagnetic Compatibility Engineering (repost)

Author: hambu Date: 2010-04-19 14:00:13

Henry Ott, "Electromagnetic Compatibility Engineering"
Publisher: Wiley | ISBN: 0470189304 | 2009  872 pages

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[Luizf]

Segundo a estratégia abordada "...coloque um componente para ligar o DGND ao AGND (por. ex. um resistor de 0R0 ou um indutor)...", este seria um recurso para garantir o roteamento de duas trilhas individuais para as referências (digital e analógica). Este componente em série com as duas trilhas de referência (D/A) deveria ser posicionado o mais próximo possível da entrada do negativo da fonte na PCI. Somente um dos terminais poderia ser ligado ao negativo da fonte para evitar um erro no DRC e a inviabilidade de roteamento individual. Logicamente, que este componente poderia ser curto-circuitado manualmente ao final do projeto.

Analisando as respostas anteriores, me parece que a técnica do "Guard Ring" se aplica de duas formas: Componente extra, ou, roteamento extra. Ambos com a função de minimizar interferências externas (a partir de 100kHz - RF) ao circuito em desenvolvimento.

[Arquimedes - IFPE]

O ferrite bead é usado para conectar também os dois terras (analógico e digital). Veja, por exemplo, o Application Note da analog Devices sobre o ADE5569. Segue figura extraída do próprio AN.

 

 

 

Eng. Arquimedes Paschoal, MSc
Hardware Engineer

[Thiago Lima]

Oi Luiz,m

complementando, dê uma olhada no ultimo slide: http://www.worldproducts.com/pdfs/SelectingFerriteBeadGrdLine.pdf

;)

Thiago Lima.

2012/11/5 Arquimedes - IFPE <arquimede...@gmail.com>

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[Luizf]

Prezados Colegas,

Agradeço as valiosas informações enviadas pelos colegas Rafael, Carlos, Thiago, Felipe e Arquimedes, em resposta as minhas dúvidas, e, principalmente, ao tópico iniciado pelo colega Haroldo.

Segundo a minha filosofia, um fórum serve exatamente para isso: Esclarecer conceitos e servir de facilitador para aqueles que estão iniciando na área profissional ou técnica.

É possível observar respostas precisas, focadas e amplas em fóruns internacionais sobre diversos aspectos. Nem sempre ocorre no Brasil. Mas tivemos a oportunidade de experimentar e expor aqui, diversos pontos de vista, corretos e práticos, a respeito de um assunto que interessa a todos aqueles que desenvolvem projetos na área de engenharia eletrônica.

Entendi perfeitamente em que situações se aplica o uso de um anel de guarda e a razão dos Gnd's individuais, e, a técnica mais interessante de análise de comportamento da corrente num circuito é justamente a citada pelo engenheiro Carlos, que utiliza um resistor de um ohm em série com o Gnd para visualizar no osciloscópio a forma de onda da corrente no circuito, permitindo medi-la com alto grau de certeza.

Parabéns e obrigado a todos!

Prezado Luiz,

Se voce quiser discutir este assunto podes me ligar pelo Skype, ou através dos telefones abaixo:

skype: cpbaumhardt
51 3331-2963
51 9842-1885  Vivo
51 9292-1258 Claro
    Pelo escrito abaixo, acho que não entendestes a funcão do Guard Ring.

    O Guard Ring  e a separação dos GNDs tem funções diferentes:
  
    O "Guard Ring" ou "Kelvin Guard Ring" evita a circulação de correntes de fuga entre NETs de um circuito.    Usa-seGuard Ring para isolar estas NETs polarizando-o com um sinal que minimize a circulação de corrente  (em cabos blindados polariza-se a blindagem com a tensão de modo comum existente no sinal de entrada).   Ele deve ser colocado em ambas as faces do PCI (no caso de dupla face).   Usa-se em entradas de amplificadoes de instrumentação, capacitores de integração de ADC,  

     A separação dos GNDs é utilizada para que o circuito digital  não Polua   a alimentação do circuito analógico com ruído de chaveamento.  Como a freqüência costuma ser  alta pode-se utilizar contas de ferrite nos fios de ligação das alimentações e dos sinais críticos.    Se o ruído vier pelo GND não resolve usar duas fontes diferentes para os circuitos analógicos e digitais.

    Para visualizares o ruído de chavemento podes fazer um experimento:

- Monte um oscilador em anel com um inversor CMOS (74HC04 p. ex.).
  Para isto ligue um número impar de inverosres em série e realimente a saída do último para a entrada do primeiro.
- Coloque um resistor em série com o GND e monitore a tensão nele com o osciloscópio.
- Coloque o outro canal em uma das saídas do oscilador.
- Podes então evrificar  a influencia de um capacitor de desacoplamento conectado próximo aos pinos do componente.

[Thiago Lima]

Muito boa a discussão! Tambem gostei bastante das informações postadas aqui.

Existem vários materiais espalhados pela internet, mas, em diversos pontos, encontramos informações que se complementam.

Observe esse aqui:

http://www.atmel.com/Images/doc1619.pdf

Na seção 4.6 Power Supply, Power Routing and Decoupling Capacitors => existem 3 tópicos que ajudam a melhorar ainda mais o desacoplamento de cis.

2012/11/5 Luizf <lu...@liberato.com.br>

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[Prof. Alessandro Cunha]

Pessoal, boa tarde.

 

Se o problema entre o terra analógico e o terra digital envolver aplicações que façam uso de USB, a Texas disponibiliza um guia para orientar como fazer o PCB, gratuitamente, no link abaixo:

 

http://www.ti.com/lit/an/spraar7/spraar7.pdf

 

Abraços.

 

Alessandro Ferreira da Cunha
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[Luizf]

Observem uma possível aplicação real para o Ferrite Bead na página 66 da revista no link abaixo:

http://www.sabereletronica.com.br/files/file/SE465_web.pdf