Conforme já fizemos o leitor perceber nas últimas edições dessa revista, em que tratamos de equipamentos médicos que capturam sinais do corpo humano, seus circuitos são extremamente sensíveis, já que as amplitudes desses sinais são muito pequenas. Um problema importante ao se projetar tais circuitos está justamente no tratamento que deve ser dado à placa de circuito impresso. O uso de circuitos analógicos em conjunto com circuitos digitais que possuam terras diferentes é um desses pontos críticos que abordamos nesse artigo baseado em documentação da Texas Instruments.
No seu Seminário de Aplicações Eletrônicas para o Segmento Méeico, realizado em setembro de 2005, a Texas Instruments aborda, em vasta documentação técnica, os principais problemas que envolve o projeto de equipamentos médicos fornecendo soluções para isso.
Em artigos anteriores, abordamos de forma resumida diversos tópicos do material fornecido, tratando dos sinais que encontramos no corpo humano, problemas de RFI e ruídos da rede de energia e muito mais.
Continuamos com o assunto, tratando agora justamente de um ponto bastante crítico no projeto de equipamentos que operam com os sinais fracos capturados num organismo vivo, como ocorre em ECGs e outros equipamentos semelhantes.
Muitos desses equipamentos possuem em sua arquitetura uma etapa que trabalha diretamente com os sinais analógicos capturados, amplificando-os e uma etapa que os converte para a forma digital, quer seja para apresentação direta num display quer seja para um interfaceamento com um computador externo, conforme mostra a figura 1.
A presença de circuitos analógicos e digitais numa mesma placa, possuindo cada qual seu terra próprio pode ser uma fonte não desprezível de problemas para o projetista menos preparado.
No item XIII da documentação fornecida pela Texas em seu Seminário, são justamente feitas considerações a esse respeito e que abordamos de forma resumida nesse artigo.
O que Fazer com os Terras Digitais e Analógicos
Conforme mostra um circuito típico de equipamento médico, na figura 2, o maior problema que temos ao projetá-lo é manter o terra analógico completamente livre de ruído digital.
O terra analógico inclui os circuitos de condicionamento de sinais, referências de tensão e a fonte de potência para o sinal analógico que excita o conversor de dados.
O isolamento dos circuitos já é previsto nos conversores Analógicos-Para-Digital (ADC) como mostra a figura 3.
Nessa figura vemos que um chip típico de conversor ADC já tem internamente separados os circuitos analógicos dos digitais, justamente para evitar esse tipo de problema.
Para a placa de circuito impresso, é uma boa prática fazer uma separação entre os setores analógicos dos digitais, conforme mostra a figura 4.
Além disso, os planos de terra são expandidos, quando possível.
Áreas cobreadas extensas atuam como blindagens, reduzem a resistência no trajeto dos sinais, reduzindo assim os efeitos dos ruídos que possam ser induzidos pelos circuitos digitais e que aparecem nos circuitos analógicos.
A figura 5 mostra a trajetória das correntes no plano de terra, mostrando que elas se reúnem em determinados pontos que devem ser cuidadosamente escolhidos pelo projetista.
Os sinais digitais se caracterizam por apresentarem variações bruscas de níveis de tensões o que tem como conseqüência pulsos ou transientes de corrente.
Essas variações rápidas tornam os circuitos sensíveis à presença de capacitâncias e principalmente indutâncias parasitas.
Como uma trilha mais longa representa uma indutância parasita que pode afetar esse tipo de sinal, possibilitando sua realimentação através de circuitos de terra, é preciso manter os trajetos dos terras digitais e analógicos os mais curtos possíveis, minimizando as indutâncias, conforme mostra a figura 6.
Essa figura nos mostras que, com a redução das conexões de terra temos uma diminuição da indutância, redução das tensões diferenciais entre a placa e o substrato do chip o que aumenta a imunidade do circuitos à ruídos.
Um outro ponto importante no layout da placa é ligar os terra analógico e digital juntos no ponto de sua fonte, conforme mostra a figura 7.
Nessa figura mostramos justamente como isso pode ser feito, observando-se que o terra comum é curto, minimizando as resistências no trajeto das correntes.
Isso evita a inclusão de resistências indesejáveis no trajeto das correntes de terra, sobre as quais podem ser induzidos os ruídos de comutação dos circuitos digitais.
Outros Pontos Importantes no Projeto
Conforme sugere a figura 8, um outro ponto importante no projeto de uma placa de circuito impresso para pequenos sinais, como nas aplicações médicas consiste em se manter as entradas e saídas (I/O) simétricas.
Outro ponto importante consiste em se evitar próximas dessas entradas e saídas analógicas dispositivos que possam gerar calor, ou seja, que atuem como fontes de calor.
Finalmente, o roteamento dos sinais digitais deve ser feito de modo que eles passem bem longe dos trajetos dos sinais analógicos.
Capacitores Bypass
Com a finalidade de ajudar a desacoplar os circuitos, evitando que sobre eles aparecem os transientes rápidos, como os gerados pelos circuitos digitais, são usados capacitores bypass.
Esses capacitores reduzem o ruído de alta freqüência, mas para isso devem ser montados os mais próximos quanto seja possível dos pinos de alimentação dos chips.
Um procedimento comum que deve ser evitado é a montagem do capacitor através da placa de circuito impresso. A conexão do capacitor deve ser direta.
A passagem através da placa significa um aumento do percurso do sinal e com isso uma indutância parasita que afeta o desempenho do capacitor na função de desacoplamento.
Conclusão
Os sinais captados pelos eletrodos colocados no organismo humano têm amplitudes da ordem de poucos milivolts.
Se somarmos isso à impedância da fonte desses sinais, que é muito alta, percebemos a sensibilidade que os circuitos que os capturam apresentam em relação a ruídos.
No entanto, não são apenas os ruídos externos que causam preocupações aos projetistas de equipamentos médicos que trabalham com esses sinais como eletroencefalógrafos e eletrocardiógrafos.
Os ruídos gerados no próprio equipamento também devem ser uma fonte de preocupação que começa já no momento em que o projeto da placa é feito.
Essa preocupação agrava-se se levarmos em conta que existem circuitos que podem facilmente gerar sinais capazes de interferir no equipamento.
Assim, a presença de circuitos analógicos e digitais numa mesma placa deve ser tratada com extremo cuidado, conforme vimos neste artigo, com a adoção de precauções e técnicas especiais que evite qualquer tipo de ruído.
