Capacitores – Princípios para acoplamento e desacoplamento capacitivo de circuitos
Idealmente, a impedância do capacitor de acoplamento deve ser nula para a frequência do sinal. Para isso, o capacitor de acoplamento precisa ter o maior valor possível, levando-se em conta as limitações de espaço e custo.
Na prática, contudo, por causa da indutância residual dos capacitores, que costuma aumentar com o tamanho do mesmo (e, portanto, com a capacitância), é necessário limitar-se o valor máximo de capacitância utilizável em determinada frequência, de forma a não se ultrapassar a frequência de autoressonância do capacitor.
O acoplamento e desacoplamento via capacitor precisa oferecer baixa impedância para os sinais e preservar a polarização contínua. Ambos os requisitos podem ser atendidos pela escolha do tipo adequado de capacitor e pelo cálculo do valor da capacitância e da tensão de ruptura do dielétrico. Para que um determinado capacitor cumpra de maneira eficiente sua tarefa, ele deve apresentar as seguintes características:
a) A reatância capacitiva deverá ser pequena em comparação com a impedância do(s) ponto(s) do circuito onde o mesmo estiver conectado. Este requisito é atendido facilmente, desde que se conheça a impedância do ponto de conexão e a frequência do sinal que se deseja acoplar ou desacoplar.
Para o acoplamento ou desacoplamento, os capacitores deverão apresentar uma reatância que não ultrapasse 10% do valor da impedância vista pelos seus terminais. A aplicação dessa regra simples produz bons resultados. Na condição limite, por exemplo, quando a reatância capacitiva é exatamente 10% da impedância, o ganho do circuito será igual a 0,995 do máximo, com um ângulo de fase de 5,7º, ou seja, haverá uma perda de ganho de apenas 0,5%, que é perfeitamente desprezível, se comparada com a tolerância normalmente aceita para os valores dos componentes utilizados nos circuitos eletrônicos.
Deve-se observar, contudo, que os efeitos do acoplamento e desacoplamento são cumulativos, devendo-se calcular o efeito total sobre o ganho e o ângulo de fase com o auxílio das seguintes equações (desde que os capacitores de acoplamento e desacoplamento tenham uma reatância igual a 10% da impedância no ponto).
Onde n representa o número de capacitores de acoplamento e desacoplamento empregados no circuito.
b) A reatância indutiva residual dos capacitores, principalmente os de desacoplamento, deverá ser mantida pequena em comparação com a sua reatância capacitiva. A reatância indutiva residual é causada pela indutância dos terminais e das placas do capacitor, adicionada à indutância da trilha de circuito impresso onde o mesmo está conectado. Por isso, em frequências superiores a 30 MHz e nos amplificadores de potência, onde a indutância residual precisa ser mantida em níveis especialmente reduzidos, é importante que as trilhas do circuito impresso sejam curtas e largas e que o capacitor utilizado possua terminais curtos e grossos e, de preferência, planos.
Nas frequências inferiores a 1 MHz, a indutância residual exerce pequena influência no acoplamento ou desacoplamento do circuito e a maioria dos modelos de capacitores poderão ser utilizados, com exceção dos capacitores eletrolíticos de valor elevado.
Em frequências superiores a 1 MHz, os capacitores eletrolíticos poderão ser utilizados, desde que em paralelo com outros capacitores de valor adequado, de filme plástico ou disco cerâmico. Esse é o recurso utilizado em amplificadores de faixa larga para garantir o acoplamento e o desacoplamento, onde, nas baixas frequências, atuam os capacitores eletrolíticos, e, nas altas frequências, atuam os capacitores de menor valor.
Acima de 10 MHz, a indutância residual dos capacitores de filme plástico torna desaconselhável sua utilização para o desacoplamento, devendo-se optar por capacitores que possuam placas planas, como os cerâmicos de disco, os “chips” e os multicamadas.
Nos amplificadores de potência que operam em frequências superiores a 70 MHz, é conveniente a utilização de capacitores de mica blindada. Aliás, para o desacoplamento da fonte de alimentação, deve-se preferir capacitores que possuem eletrodos duplos para a conexão com a armadura interna (capacitores de passagem). Devido a possuírem eletrodos planos e uma carcaça metálica conectada à armadura externa, que permite soldá-los diretamente à placa de circuito impresso, os capacitores de passagem de mica blindada apresentam uma indutância residual virtualmente nula.
A redução da indutância residual pode ser conseguida, também, pela conexão em paralelo de dois ou mais capacitores, de valores iguais ou diferentes. Este recurso pode ser utilizado com sucesso na faixa 150 MHz, onde é comum associar-se em paralelo 3 ou 4 capacitores cerâmicos de disco de 470pF, por exemplo, para a obtenção de um resultado semelhante ao conseguido pela utilização de capacitores de mica blindada.
A figura abaixo mostra um gráfico com as faixas de frequências e capacitância apropriadas para cada tipo de capacitor.
Os valores de capacitância máxima em função da frequência mostrados no gráfico são adequados nos circuitos onde não existem grandes quantidades de harmônicos. Se for necessária a utilização do valor máximo permitido em determinada frequência, e a distorção harmônica ultrapassar a 10%, como acontece nos amplificadores classe C, será necessária a utilização de outro capacitor em paralelo, de valor adequado para a frequência do harmônico correspondente. Este procedimento é normalmente empregado em frequências superiores a 30 MHz, onde é comum a associação em paralelo de 2 ou 3 capacitores, de, por exemplo, 100pF, 1nF e 100nF. O primeiro, de alto valor, e utilizado para a prevenção contra oscilações em baixas frequências (entre 100 kHz e 10 MHz). Os dois últimos, de menor valor, para o desacoplamento do sinal e seus harmônicos.
c) A resistência de perdas do circuito equivalente série do capacitor deverá ser pequena em comparação com a resistência do(s) ponto(s) de ligação. Este requisito é especialmente importante quando se tratar do acoplamento ou desacoplamento em pontos onde circule uma intensidade de corrente apreciável, como nos amplificadores de potência, por exemplo. Para a redução da resistência em série, além da utilização de capacitores adequados, como os de mica e cerâmicos de baixas perdas, é possível a associação em paralelo de dois ou mais capacitores, recursos que também contribui para a redução da indutância residual.
Desacoplamento da alimentação
Nas frequências superiores a 1 MHz, deve-se considerar a fonte de alimentação como um circuito aberto para corrente alternada, tornando-se imprescindível a utilização de um capacitor de desacoplamento em cada um dos circuitos por ela alimentados. Isso evita o acoplamento indevido dos circuitos via linha de alimentação, o que costuma causar sérios inconvenientes, como instabilidade de funcionamento, oscilações indesejáveis, entre outros. Neste caso, também é essencial a utilização de resistores separadores entre cada circuito e a fonte de alimentação. Para se evitar a queda de tensão provocada pelos resistores, estes podem ser substituídos por indutores de valor adequado (choques).Para o desacoplamento da linha de alimentação, a reatância capacitiva deverá ser pequena o suficiente para que o resíduo de sinal alternado possa ser desprezado. Isso implica na utilização de um desacoplamento em que a impedância do capacitor fique entre 1 e 3% da resistência equivalente para corrente contínua do circuito alimentado. Nas frequências superiores a 70 MHz, principalmente, a impedância do capacitor dependerá, também, da reatância indutiva do circuito de desacoplamento, podendo-se, no caso da ressonância em série, tornar-se nula. Nesse caso, e se a amplitude dos harmônicos for apreciável, deve-se conectar em paralelo outro capacitor de menor valor, para que a corrente de harmônicos possa alcançar a massa, com um mínimo de impedância. O valor do capacitor de desacoplamento não deverá exceder os valores indicados no gráfico da figura 1, embora o melhor desacoplamento seja obtido com a utilização dos valores máximos indicados. Caso seja necessário, pode-se associar dois ou mais capacitores em paralelo, para obtenção da capacitância total.
Nos amplificadores de potência operando em frequências superiores a 30 MHz, pode-se conectar em cascata duas ou três células de desacoplamento, constituídas por capacitores e choques de RF, conforme mostrado na figura.
O tipo e a finalidade dos componentes utilizados no circuito da figura 2 são a seguinte:
C1 – Capacitor de passagem de mica blindada. Utilizado para desacoplar os harmônicos e a fundamental.
C2 e C3 – Capacitor de disco para o desacoplamento da fundamental.
C4 – Capacitor de disco de 100nF, para prevenir contra oscilações de baixa frequência.
C5 – Capacitor eletrolítico de 10µF, para prevenir contra oscilações de baixa frequência.
XRF1 e XRF2 – Choque de radiofrequência para bloquear o sinal e forçar sua passagem pelos capacitores de desacoplamento.
Os componentes cujos valores não foram dados devem ser determinados em função da frequência, tendo em vista o atendimento dos critérios anteriormente definidos.
