Os kits e adaptadores certos permitem uma matriz de contatos eficiente e flexível com componentes modernos

Graças ao uso generalizado de pequenos dispositivos passivos e ativos e frequências de operação de circuitos bem dentro da faixa de gigahertz (GHz), criar e avaliar um projeto de circuito antes de se comprometer com a placa de circuito impresso, e depois avançar para um protótipo quase final, é um desafio cada vez mais difícil e muitas vezes frustrante. Os kits de matriz de contatos e as técnicas que funcionaram para dispositivos com terminais e CIs de invólucro DIP (dual in-line package) não são compatíveis com os atuais invólucros de CI de alta densidade, eletrodos/pads condutores sob o invólucro, e dispositivos de tecnologia de montagem em superfície (SMT) quase invisíveis, bem como módulos completos de RF ou processador.

No entanto, há boas notícias na forma de ferramentas de desenvolvimento baseadas em bancada que permitem a criação de matrizes de contato básicas, ao mesmo tempo em que se mesclam com módulos de subcircuito separados. Usando estes sistemas de matriz de contatos, os estudantes, criadores, entusiastas do faça-você-mesmo e profissionais de engenharia podem construir, testar e integrar subseções do produto geral em uma unidade completa e funcional.

Este artigo examina as questões básicas associadas à matriz de contatos do componente eletrônico moderno. Em seguida, observa como os kits de matriz de contatos e adaptadores de fornecedores como Aries Electronics, Schmartboard, Inc., Adafruit Industries LLC, Global Specialties e Phase Dock, Inc. podem ser usados como base para protótipos que mais se assemelham ao produto final.

Por fim, mostra como estas facilitam a construção de matrizes de contato úteis e confiáveis que podem validar topologias de circuitos e interfaces, permitem a conexão a módulos independentes e placas de avaliação conforme necessário, e levam a protótipos significativos.

De onde veio a matriz de contatos eletrônico?

O uso do termo original "breadboard" para um circuito que parece áspero e até rude pode parecer mistificante, mas a derivação é clara e bem documentada. Nos primórdios da eletrônica, com rádios de cristal auto-alimentados e até mesmo rádios básicos de válvulas termiônicas, os criadores e experimentadores do faça-você-mesmo (antes dessa palavra ser usada com o contexto atual) construíam circuitos em uma verdadeira tábua de pão, a tábua de madeira usada para cortar pão. Eles usavam tachas ou pregos como pontos de conexão e envolviam os fios à sua volta, às vezes até soldando estas conexões (Figura 1).

Figura 1: O termo "breadboard" deriva do uso de uma tábua de corte de madeira como base para circuitos eletrônicos do tipo faça-você-mesmo, como este rádio de três válvulas. (Fonte da imagem: Warren Young/ Tangentsoft.net)

Naturalmente, estas tábuas de madeira são obsoletas como plataformas para circuitos que utilizam componentes modernos. Apesar disso, os termos "breadboard" e "breadboarding" tornaram-se termos padrões associados a circuitos ou subcircuitos de demonstração grosseiramente construídos. Entretanto, o avanço da tecnologia eletrônica de válvulas termiônicas para transístores discretos com terminais e componentes passivos, CIs DIP, e agora para dispositivos quase invisíveis de montagem em superfície, teve um impacto significativo nas técnicas e plataformas para matrizes de contato.

Qual é a diferença entre um matriz de contato e um protótipo

Uma questão óbvia diz respeito à diferença entre uma matriz de contato e um protótipo. Não há uma demarcação formal entre os dois, e os termos são às vezes utilizados de forma intercambiável. No entanto, é comum o uso do termo matriz de contatos para significar um layout aproximado de um circuito ou subcircuito que precisa suportar as fases preliminares de projeto, inclusive:

• Verificação da viabilidade de uma ideia básica de circuito, função ou abordagem de projeto.
• Desenvolvimento e verificação de drivers de software.
• Assegurar a compatibilidade das interfaces entre subcircuitos ou entre um circuito e um transdutor ou carga.
• Elaboração de protocolos e formatos de link de dados.
• Desenvolvimento e verificação de um modelo presumido.
• Avaliação do circuito e do desempenho funcional.

Da lista acima, é fácil ver os muitos papéis importantes que as matrizes de contato desempenham no projeto do produto, mesmo não sendo um sistema completo e faltando o invólucro, bem como muitos dos "sinos e apitos" do produto final. Por exemplo, uma matriz de contato às vezes depende de uma fonte de alimentação externa em vez do fornecimento interno do produto enviado. Devido a seu layout amplo e aberto, a matriz de contato é normalmente passível de sondagem, ajuste e até mesmo substituição de componentes. No entanto, as realidades físicas de um layout tão espalhado significam que algumas das capacidades de desempenho não estão disponíveis, especialmente aquelas associadas a operações de maior frequência, devido ao layout, componentes parasitas e interações.

Em contraste, um protótipo é muito mais próximo do produto final e utiliza os mesmos componentes, invólucro, fator de forma e E/S do usuário. Além de ser funcionalmente completo, um protótipo é frequentemente usado para verificar preocupações de fabricação, tais como folga física e problemas de montagem, caminhos térmicos, interação do usuário, apelo visual e aparência.

Comece com os adaptadores básicos

Hoje em dia, a matriz de contatos exige a capacidade de conexão e uso dos minúsculos CIs que dominam os designs modernos. Por exemplo, é possível soldar um CI SOT-23 de seis terminais a uma placa de circuito maior, mas fazer — e especialmente mudar — as conexões ao dispositivo será difícil devido ao seu tamanho pequeno e passo estreito entre terminais. A situação é mais desafiadora quando o CI só tem eletrodos por baixo do corpo.

Uma solução é usar um dispositivo como o adaptador de soquete LCQT-SOT23-6 da Aries Electronics. Isto transforma um SOT-23 em uma invólucro DIP de seis terminais (Figura 2). Uma vez que o dispositivo SOT-23 pareça um DIP com espaçamento de terminais de 2,5 milímetro (mm), ele pode ser usado com uma das soluções de matriz de contatos projetadas para dispositivos DIP maiores.

Figura 2: O adaptador de soquete LCQT-SOT23-6 transforma um pequeno invólucro SOT-23 de seis terminais de difícil manuseio em um dispositivo DIP muito mais manejável com espaçamento de terminais no padrão DIP. (Fonte da imagem: Aries Electronics)

Muitos projetos utilizam uma cascata de componentes SMT com diferentes tamanhos de invólucro e configurações de pinos. Para estas situações, vários adaptadores de soquetes de um CI podem tornar-se difíceis de manusear e interligar. A placa adaptadora QFN 202-0042-01 da Schmartboard pode minimizar a confusão potencial (Figura 3). Esta placa de 5 × 5 cm aceita até cinco CIs diferentes de 16 e 28 pinos com passo de 0,5 milímetros (mm), 20 pinos com passo de 0,65 mm, e 12 e 16 pinos com passo de 0,8 mm (para dispositivos QFN).

Figura 3: Uma placa adaptadora como a 202-0042-01-QFN aceita solda na placa e separação de conexão para vários invólucros de CI SMT. (Fonte da imagem: Schmartboard)

A 202-0042-01-QFN utiliza tecnologia patenteada para permitir uma soldagem manual rápida, fácil e sem problemas destes minúsculos componentes de montagem em superfície. Além disso, os vários furos passantes metalizados associados a cada pino do CI facilitam a conexão dos componentes residentes uns aos outros, se desejado, ou a outros dispositivos e placas.

Às vezes o desafio da matriz de contatos não está na conexão a um CI, mas no acesso e monitoramento de pinos de um cabo ou conector de um dispositivo periférico. Por exemplo, quando o conector RS-232 de 25 pinos era a interface de comunicação predominante, uma "caixa de separação" com interruptores liga/desliga e terminais jumper para a maioria dos pinos era tão comum quanto um multímetro (Figura 4).

Figura 4: Esta caixa de separação RS-232 é essencial para monitorar e rearranjar os fios no cabo de 25 pinos daquele conector e padrão anteriormente muito utilizado. (Fonte da imagem: Wikipedia)

Embora estas caixas RS-232 sejam raramente necessárias agora, há uma necessidade análoga na funcionalidade da separação para dispositivos periféricos como os cartões Micro SD. Um adaptador útil para esta função é a placa breakout, ou de separação, do cartão Micro SD da Adafruit Industries 254 que permite aos projetistas conectar, testar e verificar tanto as conexões de interface de hardware como o software de driver para estes cartões de memória amplamente utilizados (Figura 5).

Figura 5: Usando a placa de separação de cartão Micro SD 254 da Adafruit, os projetistas podem facilmente fazer interface, acessar e monitorar sinais entre um processador de sistema e este dispositivo periférico de memória. (Fonte da imagem: Adafruit)

A placa inclui um regulador de queda de tensão ultra baixo para converter tensões entre 3,3 volts e 6 volts a 3,3 volts para o cartão Micro SD, e um deslocador de nível para converter a lógica de interface (3,3 volts a 5 volts) para 3,3 volts, de modo que a placa possa se conectar com microcontroladores de 3,3 volts ou 5 volts. A barra de pinos separada pode ser soldada no adaptador para levar as conexões para fora dos pinos com espaçamento de 2,5 milímetros.

Indo além dos adaptadores

Os adaptadores podem resolver problemas de conexão a componentes individuais, mas estes são apenas os blocos de construção do projeto final. Os componentes agora acessíveis precisam se conectar a outros componentes ativos e passivos, suportar interfaces de entrada/saída (E/S), permitir a substituição de componentes e fornecer pontos de teste formais e até mesmo sondagens imprevistas.

Uma das primeiras matrizes de contato a acomodar de forma fácil e direta os dispositivos em invólucros DIP, bem como componentes discretos com terminais, foi a matriz de contatos sem solda, desenvolvida nos anos 60 e ainda em amplo uso. É conveniente, acessível, fácil de usar e suporta uma densidade razoável de componentes.

Um exemplo é a montagem da matriz de contatos sem solda PB-104M de alimentação externa da Global Specialties, que é bem adequada para a prototipagem de circuitos de baixa frequência (Figura 6). Ela é montada em uma estrutura de 21 × 24 centímetros (cm) e inclui 3220 pontos de contato, quatro bornes de conexão para conexão de fontes de alimentação, e suporta 28 CIs de 16 pinos; os jumpers são feitos usando fios de 0,4 mm a 0,7 mm de diâmetro desencapados na extremidade. O segredo para a versatilidade desta matriz de contatos é que os furos estão espaçados por 2,5 mm para acomodar os componentes DIP padrão, bem como os pinos dos adaptadores e barra de pinos, além dos fios condutores.

Figura 6: A montagem da matriz de contatos sem solda PB-104M da Global Specialties acomoda vários CIs DIP, adaptadores de pegada DIP, componentes discretos com fios condutores e jumpers de fios individuais. (Fonte da imagem: Global Specialties)

Em uso, a matriz de contatos sem solda é uma plataforma conectável onde os CIs DIP e outros componentes são conectados usando pedaços curtos de fios rígidos inseridos nos furos, que também se conectam aos terminais dos componentes. As duas trilhas externas ao longo de cada lado são normalmente reservadas para alimentação e terra, e energizam os componentes ativos através de fios de alimentação curtos (Figura 7).

Figura 7: Em uma matriz de contatos sem solda, as duas trilhas externas ao longo de cada lado são normalmente reservadas para alimentação e terra. Fios de alimentação curtos conectam as trilhas aos componentes ativos. (Fonte da imagem: Analog Devices)

É importante manter alguma disciplina ao usar uma matriz de contatos sem solda. Por exemplo, é uma boa ideia usar códigos de cores para ajudar a identificar os fios, tais como vermelho para uma trilha positiva, preto para uma trilha negativa e verde para o terra. Além disso, os usuários precisam ter o cuidado de colocar os fios jumper na matriz para minimizar a aglomeração, e rotear os jumpers de interconexão ao redor dos CIs, ao invés de passar sobre eles para que os CIs possam ser sondados e até mesmo trocados com o mínimo de interferência na montagem. Caso contrário, a matriz de contatos sem solda — como tantas outras implementações "temporárias" — pode tornar-se um "ninho de ratos" e ser muito difícil de depurar ou rastrear (Figura 8).

Figura 8: É necessário cuidado e disciplina ao instalar os jumpers para qualquer coisa, exceto o menor projeto em uma matriz de contatos sem solda; caso contrário, o resultado é um labirinto de fios indecifráveis. (Fonte da imagem: Wikipedia)

Uma mistura de matrizes de contato para os projetos atuais

A matriz de contatos sem solda ainda é amplamente utilizada devido à sua conveniência, flexibilidade e versatilidade, mas tem limitações severas com projetos modernos que operam em altas taxas de clock e frequências, muitas vezes combinando placas de computador pré-montadas, circuitos e módulos de RF, além de módulos de potência. Para acomodá-los, é necessário um sistema que permita a integração de várias matrizes de contato, plataformas protótipo e subconjuntos em uma unidade maior que possa então suportar a funcionalidade completa do sistema.

Tal matriz de contato é o sistema de prototipagem de montagem da Phase Dock 10104 (Figura 9). Um sistema central consiste de uma matriz de base de 25,4 × 17,8 cm com 348 centímetros quadrados de superfície de trabalho, cinco "encaixes" em dois tamanhos usados para montar a eletrônica, bem como "suportes" usados para montar Arduino, Raspberry Pi, ou módulos similares; também inclui os pequenos itens de ferragens como parafusos que permitem ao engenheiro montar os combos encaixe/suporte, montar a eletrônica sobre os suportes, montar a eletrônica diretamente nos encaixes (sem os suportes), adicionar eletrônica de "torre" de perfil mais alto, e gerenciar fios e cabos. Há também uma tampa plástica transparente opcional que proporciona proteção, melhora a aparência e facilita o transporte.

Figura 9: O sistema básico de protótipos de montagem do Phase Dock 10104 inclui uma matriz base (topo); encaixes para montagem eletrônica (fileira do meio); suportes para uso de plataformas Arduino e similares (fileira inferior); e as importantíssimas ferragens de montagem (fileira inferior - esquerda). (Fonte da imagem: Phase Dock, Inc.)

Este sistema de desenvolvimento de produto permite a mistura, em uma única plataforma, de diferentes tecnologias de matriz de contatos e módulos, tais como matriz de contatos sem solda, placas especiais com terminais de parafuso e conectores, plataformas de processador como as RedBoards da SparkFun, e até mesmo suportes com chaves discretas e potenciômetros (Figura 10). Todos eles são montados firmemente na base do Phase Dock e depois conectados conforme necessário para testar o conceito do sistema e depurá-lo com o acesso necessário aos sinais principais e pontos de teste.

Figura 10: O sistema Phase Dock suporta montagem "misturada e combinações" e interconexão de elementos do sistema, incluindo matrizes de contato sem solda (em branco), placas de circuito impresso especiais (verdes) e plataformas de processador como as Redboards da SparkFun (vermelhas) para este sistema de controlador automatizado. (Fonte da imagem: Phase Dock, Inc.)

As placas de avaliação dos fornecedores envolvem matrizes de contato

Os CIs de alto desempenho — especialmente aqueles usados para sinais de baixo nível, amplificação de precisão ou processamento de sinais de RF — quase inevitavelmente agora são oferecidos com placas ou kits de avaliação. Isto é necessário uma vez que a instalação de componentes tão avançados para verificar seu desempenho na aplicação destinada e sua integração com o resto do sistema requer o uso de componentes de suporte adequados (principalmente passivos), além de um layout e conexões cuidadosas. A questão para os projetistas é como melhor trabalhar com estas placas de avaliação, já que sua utilidade em relação ao projeto final do sistema varia desde muito útil até um obstáculo.

Considere uma placa de avaliação projetada para experimentar plenamente um componente. Como tal, inclui componentes de suporte adicionais como memória, reguladores CC-CC locais e talvez até mesmo um microcontrolador. Embora estes componentes possam ser necessários para uma avaliação independente, eles também podem interferir no uso real do CI em questão no projeto do produto do engenheiro.

Por outro lado, muitas dessas placas de avaliação têm componentes como o conector especial necessário. O uso da placa de avaliação alivia o projetista de ter que refazer aquele circuito ("reinventar a roda"); um projeto de placa de avaliação bem feito e devidamente documentado é geralmente tão bom ou melhor que um circuito criado por alguém do fornecedor que pode estar intimamente familiarizado com o CI.

O desafio do projetista, portanto, é reconhecer e alavancar os benefícios da placa de avaliação fornecida pelo fabricante no arranjo das matrizes de contato. Considere um CI "pequeno", como o ADL6012 da Analog Devices, um detector envelope de banda larga e largura de banda de 500 megahertz (MHz), 2 GHz a 67 GHz. A interconexão básica deste LFCSP de 10 terminais parece bastante simples em seu diagrama esquemático, mas o uso real é mais difícil, pois requer um layout cuidadoso, por meio de derivações e conectores RF de alta qualidade (Figura 11).

Figura 11: Conectar e usar o detector de envelope de banda larga ADL6012 da Analog Devices parece simples o suficiente "no papel", mas, há muitas sutilezas de projeto e layout. (Fonte da imagem: Analog Devices)

Para os projetistas que procuram incorporar este CI RF em seu projeto, faz sentido primeiro entender suas características, testar suas interfaces e "afinar" seu ajuste no projeto geral, aproveitando a placa de avaliação ADL6012-EVALZ na fase da matriz de contatos, antes de criar um esquema final e trabalhar o layout e o invólucro (Figura 12).

Figura 12: A placa de avaliação ADL6012-EVALZ alivia o projetista de lidar com as muitas complexidades sutis do projeto neste CI de aparência simples, porém sofisticado; incorporá-lo em uma matriz de contatos minimiza o tempo de desenvolvimento do produto e a frustração. (Fonte da imagem: Analog Devices)

O desafio da placa de avaliação é permitir fisicamente o uso da placa de avaliação, adicionar fontes de alimentação e fornecer o amplificador de entrada RF e carga diferencial de saída especificada, juntamente com qualquer processador e interfaces para a fase de pré-protótipo que leva à configuração do produto protótipo. Para isso será necessária uma combinação de técnicas de matriz de contatos, plataformas e abordagens.

Conclusão

Adaptadores e placas de separação permitem aos projetistas integrar, interligar, exercitar e avaliar os componentes minúsculos, muitas vezes sem terminais, que são padrão em quase todos os produtos modernos. Iterações mais recentes vão além da ainda amplamente utilizada matriz de contatos sem solda e permitem a mistura e combinação de componentes, módulos e outros conjuntos. Estes aumentam a robustez física, minimizam a falta de visão, a possibilidade de erros e a falta de confiabilidade da montagem e da fiação. O uso desses adaptadores e matrizes de contato acelera a fase de teste e depuração e leva a protótipos viáveis em menos tempo.