O projeto de circuitos eletrônicos é o processo de planejamento, teste e construção de circuitos que executam tarefas específicas. Envolve definir requisitos, escolher peças confiáveis, criar esquemas, simular desempenho e testar o projeto final. Seguindo etapas cuidadosas, os circuitos se tornam seguros, eficientes e confiáveis. Este artigo fornece informações detalhadas sobre cada estágio do processo de design.
Visão geral do projeto de circuito eletrônico
O projeto de circuitos eletrônicos é o processo de planejamento e construção de circuitos que podem executar uma tarefa específica. Começa com pequenos experimentos em uma placa de ensaio ou por meio de simulações de computador para verificar se a ideia funciona. Depois disso, o projeto é desenhado em um diagrama esquemático que mostra como cada peça está conectada. O projeto é transferido para uma placa de circuito impresso (PCB), que pode ser produzida e montada em um sistema funcional.
Esse processo geralmente combina diferentes tipos de sinais. Os circuitos analógicos funcionam com sinais suaves e contínuos, enquanto os circuitos digitais funcionam com sinais que alternam entre dois estados. Às vezes, ambos são combinados no mesmo design para tornar o sistema mais completo.
O objetivo do projeto de circuitos eletrônicos é criar um produto final que não seja apenas funcional, mas também confiável e pronto para uso em condições reais. O design cuidadoso ajuda a garantir que o circuito funcione corretamente, permaneça estável e atenda aos requisitos de segurança.
Requisitos para especificações técnicas
| Categoria | Especificações de exemplo |
|---|---|
| Elétrica | Tensão de entrada: 5–12 V, Consumo de corrente: <1 A, Largura de banda: 10 MHz |
| Cronometragem | Latência < 50 ns, jitter de clock < 2 ps |
| Ambiental | Funciona de -40 °C a +85 °C, 90% de umidade |
| Mecânico | Tamanho da placa de circuito impresso: 40 × 40 mm, Peso < 20 g |
| Conformidade | Deve atender a CE/FCC, EMC Classe B |
| Custo/Produção | Custo da lista de materiais < $ 5, rendimento de montagem >95% |
Arquitetura do sistema e design do diagrama de blocos
Este diagrama de blocos ilustra a estrutura central de um sistema eletrônico, dividindo-o em subsistemas interconectados. O Subsistema de Energia fornece energia estável por meio de baterias, conversores CC-CC e reguladores, formando a base para todos os outros blocos. No centro está o Subsistema de Controle, que abriga um microcontrolador, FPGA ou processador responsável por gerenciar o fluxo de dados e a tomada de decisões.
O subsistema analógico lida com sinais do mundo real usando sensores, amplificadores e filtros, enquanto a E/S digital permite a comunicação com dispositivos externos por meio de padrões como USB, SPI, UART, CAN e Ethernet. Um bloco separado de Temporização e Temporização garante a sincronização com osciladores, PLLs e roteamento preciso para desempenho de baixo jitter.
Para manter a confiabilidade, são enfatizadas as Zonas de Isolamento, que mantêm os sinais digitais ruidosos longe de circuitos analógicos sensíveis, reduzindo a interferência e melhorando a estabilidade do sistema.
Componentes básicos no projeto de circuitos eletrônicos
Resistores
Estes são usados para limitar e controlar o fluxo de corrente elétrica. Ao adicionar resistência, eles garantem que as partes sensíveis de um circuito não sejam danificadas por muita corrente.
Capacitores
Ele atua como um pequeno dispositivo de armazenamento de energia. Eles mantêm uma carga elétrica e podem liberá-la rapidamente quando necessário. Isso os torna úteis para estabilizar a tensão, filtrar sinais ou fornecer rajadas curtas de energia.
Transistores
Ele serve como interruptores e amplificadores. Eles podem ligar ou desligar a corrente como um portão controlado ou tornar os sinais fracos mais fortes. Os transistores fazem parte da eletrônica moderna porque permitem que os circuitos processem e controlem as informações.
Diodos
Guie a direção da corrente. Eles permitem que a eletricidade flua em apenas uma direção, bloqueando-a para o outro lado. Isso protege os circuitos de correntes reversas que podem causar danos.
Pesquisa e Seleção de Componentes em Projeto de Circuitos Eletrônicos
Considerações de desempenho
Ao escolher peças para um circuito, uma das primeiras coisas a verificar é o desempenho. Isso significa observar como o componente se comportará no design. Os detalhes necessários incluem quanto ruído ele adiciona, quão estável é ao longo do tempo, quanta energia ele usa e quão bem ele lida com os sinais. Esses fatores decidem se o circuito funcionará da maneira que deveria.
Seleção de pacotes
O pacote de um componente é a maneira como ele é construído e dimensionado. Isso afeta quanto espaço ele ocupa na placa, quanto calor ele pode suportar e quão fácil é colocá-lo durante a montagem. Embalagens menores economizam espaço, enquanto as maiores podem ser mais fáceis de trabalhar e lidar melhor com o calor. Escolher a embalagem certa ajuda a equilibrar espaço, calor e facilidade de uso.
Disponibilidade e Cadeia de Suprimentos
Não basta que uma peça funcione bem; também deve estar disponível quando necessário. Você deve verificar se a peça pode ser comprada de mais de um fornecedor e se ainda será produzida no futuro. Isso reduz o risco de atrasos ou redesenhos se a peça de repente se tornar difícil de encontrar.
Conformidade e Padrões
A eletrônica deve seguir regras de segurança e meio ambiente. As peças geralmente precisam atender a padrões como RoHS, REACH ou UL. Essas aprovações garantem que o componente seja seguro de usar, não prejudique o meio ambiente e possa ser vendido em diferentes regiões. A conformidade é uma parte principal da seleção de componentes.
Confiabilidade e redução de potência
Confiabilidade significa por quanto tempo e quão bem um componente pode continuar funcionando sob uso normal. Para fazer as peças durarem mais, você deve evitar empurrá-las para seus limites máximos. Essa prática é chamada de redução. Ao dar às peças uma margem segura, as chances de falha diminuem e todo o sistema se torna mais confiável.
Tipos de Simulações de Circuitos no Projeto de Circuitos Eletrônicos
| Tipo de simulação | Propósito em Projeto de Circuitos |
|---|---|
| Viés DC | Confirma que todos os dispositivos operam nos pontos corretos de tensão e corrente. Evita que os transistores saturem ou cortem involuntariamente. |
| Varredura AC | Avalia a resposta de frequência, ganho e margem de fase. Básico para amplificadores, filtros e análise de estabilidade. |
| Transitório | Analisa o comportamento no domínio do tempo, como comutação, resposta de inicialização, tempos de subida/descida e ultrapassagem. |
| Análise de ruído | Prevê a sensibilidade do circuito ao ruído elétrico e ajuda a otimizar as estratégias de filtragem para aplicações de baixo ruído. |
| Monte Carlo | Testa a variação estatística nas tolerâncias dos componentes (resistores, capacitores, transistores), garantindo a robustez do projeto em toda a distribuição da fabricação. |
| Térmica | Estima a dissipação de calor e identifica possíveis pontos de acesso, o que é necessário para circuitos de energia e projetos compactos. |
Fornecimento de energia e integridade do sinal no projeto do circuito
Práticas de rede de fornecimento de energia (PDN)
• Aterramento em estrela: Use uma conexão em estrela para minimizar os loops de aterramento. Isso reduz o ruído e garante um potencial de referência consistente em toda a linha.
• Caminhos de retorno curtos: Sempre forneça caminhos de retorno diretos e de baixa impedância para a corrente. Loops longos aumentam a indutância e injetam ruído em circuitos sensíveis.
• Capacitores de desacoplamento: Coloque capacitores de desacoplamento de pequeno valor o mais próximo possível dos pinos de alimentação do IC. Eles atuam como reservatórios de energia locais e suprimem transientes de alta frequência.
• Capacitores em massa: Adicione capacitores em massa perto dos pontos de entrada de energia. Eles estabilizam o fornecimento durante mudanças repentinas de carga.
Considerações sobre a integridade do sinal (SI)
• Roteamento de impedância controlada: Os traços de alta velocidade devem ser roteados com impedância definida (normalmente 50 Ω terminação única ou 100 Ω diferencial). Isso evita reflexos e erros de dados.
• Gerenciamento de solo: Mantenha os aterramentos analógicos e digitais separados para evitar interferências. Conecte-os em um único ponto para manter um plano de referência limpo.
• Redução de diafonia: Mantenha o espaçamento entre linhas paralelas de alta velocidade ou use traços de proteção de solo. Isso minimiza o acoplamento e preserva a qualidade do sinal.
• Empilhamento de camadas: Em PCBs multicamadas, dedique planos contínuos para energia e aterramento. Isso reduz a impedância e ajuda a controlar a EMI.
Layout de PCB no projeto de circuitos
Posicionamento do componente
Coloque os componentes com base na função e no fluxo do sinal. Agrupe as peças relacionadas e minimize os comprimentos dos traços, especialmente para circuitos analógicos sensíveis ou de alta velocidade. Componentes básicos como osciladores ou reguladores devem ser posicionados próximos aos CIs que suportam.
Roteamento de sinal
Evite curvas de traço de 90° para reduzir as descontinuidades de impedância e o potencial EMI. Para pares diferenciais, como USB ou Ethernet, mantenha os comprimentos de rastreamento correspondentes para manter a integridade do tempo. Separe sinais analógicos e digitais para evitar interferências.
Empilhamento de camadas
Um empilhamento de camadas equilibrado e simétrico melhora a capacidade de fabricação, reduz o empenamento e fornece impedância consistente. Planos de terra e energia dedicados reduzem o ruído e estabilizam o fornecimento de tensão.
Considerações de alta velocidade
Roteie sinais de alta velocidade com impedância controlada, mantenha planos de referência contínuos e evite stubs ou vias desnecessárias. Mantenha os caminhos de retorno curtos para minimizar a indutância e preservar a integridade do sinal.
Gerenciamento térmico
Coloque vias térmicas sob os dispositivos de energia para espalhar o calor nos planos internos de cobre ou no lado oposto do PCB. Use vazamentos de cobre e técnicas de propagação de calor para circuitos de alta potência.
Projeto Esquemático e ERC no Desenvolvimento de Circuitos
Etapas do projeto esquemático
• Planilhas hierárquicas: Divida o projeto em seções lógicas, como subsistemas de energia, analógicos e digitais. Isso mantém circuitos complexos organizados e facilita a depuração ou atualizações futuras.
• Nomeação de rede significativa: Use nomes de rede descritivos em vez de rótulos genéricos. A nomenclatura clara evita confusão e acelera a solução de problemas.
• Atributos de projeto: Inclua classificações de tensão, requisitos de corrente e informações de tolerância diretamente no esquema. Isso ajuda durante a revisão e garante que os componentes sejam selecionados com as especificações corretas.
• Sincronização de pegada: Vincule os componentes às suas pegadas de PCB corretas no início do processo. A detecção de incompatibilidades agora evita atrasos e retrabalho dispendioso durante o layout do PCB.
• Lista de materiais preliminar (BOM): gere um rascunho de BOM a partir do esquema. Isso ajuda a estimar custos, verificar a disponibilidade de peças e orientar o planejamento de compras antes de finalizar o projeto.
Higiene de Verificação de Régua Elétrica (ERC)
• Detecta pinos flutuantes que podem causar comportamento indefinido.
• Sinaliza redes encurtadas que podem resultar em falha funcional.
• Garante que as conexões de energia e aterramento sejam consistentes em todo o projeto.
Teste e validação de circuito
• Adicione pontos de teste em sinais importantes e trilhos de energia para que as medições possam ser feitas facilmente durante a depuração e o teste de produção.
• Fornecer cabeçalhos de programação e depuração, como JTAG, SWD ou UART, para carregar firmware, verificar sinais e se comunicar com o sistema durante o desenvolvimento.
• Use fontes de alimentação com corrente limitada ao alimentar o PCB pela primeira vez. Isso protege os componentes contra danos se houver curtos ou erros de projeto.
• Ligue e valide cada subsistema separadamente antes de executar todo o sistema em conjunto. Isso facilita o isolamento e a correção de problemas.
• Compare todos os resultados medidos com as especificações originais do projeto. Verifique os limites térmicos, o desempenho de tempo e a eficiência de energia para garantir que o circuito funcione conforme o esperado.
• Mantenha notas detalhadas e resultados de testes. Esta documentação ajuda com revisões futuras, solução de problemas e transferência para equipes de produção.
Conclusão
O projeto de circuitos eletrônicos combina planejamento, simulação e teste para criar sistemas confiáveis. Desde a definição das especificações até o layout e validação do PCB, cada etapa garante que os circuitos funcionem conforme o esperado em condições reais. Ao aplicar um bom design e padrões, você pode desenvolver soluções eletrônicas seguras, eficientes e duradouras.
Perguntas Frequentes
Pergunta 1. Qual software é usado para projeto de circuito eletrônico?
Altium Designer, KiCad, Eagle e OrCAD são comuns para esquemas e layout de PCB. LTspice, Multisim e PSpice são frequentemente usados para simulações.
2º trimestre. Como o aterramento afeta um circuito?
O aterramento adequado reduz o ruído e a interferência. Planos de aterramento, aterramento em estrela e separação de aterramentos analógicos e digitais melhoram a estabilidade.
Pergunta 3. Por que o gerenciamento térmico é necessário nos circuitos?
O excesso de calor reduz a vida útil dos componentes e reduz o desempenho. Dissipadores de calor, vias térmicas, vazamentos de cobre e fluxo de ar ajudam a controlar a temperatura.
Pergunta 4. Quais arquivos são necessários para fazer um PCB?
Arquivos Gerber, arquivos de perfuração, uma lista de materiais (BOM) e desenhos de montagem são necessários para fabricação e montagem precisas de PCB.
Pergunta 5. Como a integridade do sinal é testada?
Osciloscópios, reflectometria no domínio do tempo (TDR) e analisadores de rede verificam impedância, diafonia e distorção.
Pergunta 6. O que é design para fabricação (DFM)?
DFM significa criar circuitos fáceis de produzir usando pegadas padrão, seguindo os limites do PCB e simplificando a montagem.