Técnicas de reducción del rebote de tierra a fin de minimizar los problemas de integridad de la señal

A diferencia de mi padre, quien en su época de estudiante destacaba en el equipo de baloncesto, yo apenas fui capaz de hacer botar la pelota durante las pruebas de selección. No hace falta decir que dejé los deportes incluso antes de empezar. Aunque mis sueños de convertirme en un jugador profesional de la NBA se truncaron, poco después descubrí mi pasión por las artes marciales. Nunca llegué a manejar bien una pelota de baloncesto, pero en las artes marciales al menos podía dar saltitos sobre las puntas de los pies para enfrentarme a mi adversario.

No poder hacer botar una pelota de baloncesto es una cosa. Sin embargo, no comprender el rebote de tierra en la electrónica puede llegar a ser un problema para tus circuitos. Para destacar como un buen ingeniero de diseño de PCB, es necesario conocer los efectos del rebote de tierra en los circuitos y en la integridad de la señal. Si tienes en cuenta las técnicas de reducción del rebote de tierra, serás capaz de minimizarlo en la integridad de la señal de PCB en tus diseños.

¿Qué es el rebote de tierra?

Para entender el rebote de tierra, es necesario profundizar en los conceptos básicos de un transistor de reposo y de los pines de tierra que forman el núcleo de los circuitos integrados (CI). La siguiente imagen muestra un circuito de búfer CMOS que forma la E/S típica en los CI como microcontroladores y memoria de acceso aleatorio (RAM).

El ruido de rebote de tierra en una PCB es un problema difícil de medir y los efectos que tiene en la medición de la potencia y la integridad de la señal están relacionados con la impedancia de las pistas y con la impedancia PDN en una PCB. En la mayoría de los diseños de alta velocidad, el pin de salida de un circuito controlador generalmente está conectado a una carga con cierta capacitancia de entrada. Cuando el pin de salida se coloca en el circuito lógico "1", la capacitancia parásita de la carga se carga por completo en VCC. Cuando el circuito búfer de salida se desconecta a un "0" lógico, la carga capacitiva se descarga para devolver la entrada de corriente al conductor. Esta rápida ráfaga de corriente fluye a través del pin de tierra del conductor.

En una situación ideal, la tierra del paquete del CI y la placa permanecerán en el mismo voltaje. Sin embargo, en un diseño realista, hay cierta inductancia parásita entre la tierra del chip y la de la placa debido al cable de conexión, al bastidor de conductores y a la inductancia parásita en la PDN. La inductancia total del encapsulado de estos elementos se puede modelar como un conjunto de inductores en serie, como se muestra en el esquema anterior.

A medida que la corriente pasa a través de la inductancia en el cable de conexión, el bastidor de conductores o la PDN, se acumula un EMF inverso entre la tierra del chip y la de la placa. Esto provoca un fenómeno en el que la tierra del chip y la de la placa están a niveles de tensión diferentes durante un instante, lo que produce ruido de rebote de tierra. Esta acumulación se amortigua luego debido a la resistencia de CA de estos elementos y a los parasitarios en el paquete de CI o en el chip. Para entender mejor cómo afecta esto exactamente al comportamiento de la señal, es importante comprender que esta disposición de parásitos y pistas forman un circuito RLC equivalente con una cierta impedancia y una frecuencia de resonancia definidas.

Cómo afecta el rebote de tierra a los circuitos y señales en una PCB

Cuando el rebote de tierra de una PCB es mínimo, puede que no provoque ninguna alteración en la tierra del chip ni en el comportamiento de la señal. No habrá desaparecido, pero podría ser lo suficientemente pequeño como para no notarse. Sin embargo, cuando el EMF inverso producido por el rebote de tierra es grande, especialmente cuando se desplazan varias salidas simultáneamente, el nivel de tierra del dispositivo se eleva a un nivel que puede afectar a otros grupos de pines en el CI.

Si te fijas en la pista que conecta el componente conductor a la carga capacitiva, verás que la inductancia y la capacitancia de la pista también influyen en cómo afecta el rebote de tierra a las señales. Recuerda que todas las pistas tienen algo de impedancia debido a su capacitancia e inductancia parasitarias. Debido a que las pistas reales tienen estas corrientes parásitas, hay que incluirlas en la red RLC agrupada formada por las pistas, las inductancias en el pin de tierra del conductor y la capacitancia de carga.

Desplazamientos de nivel en el chip

Por ejemplo, el potencial de tierra de un microcontrolador que experimenta un rebote de tierra puede desplazarse de forma que la tensión medida entre el riel de alimentación y la tierra sea 1,5 V más alta que si no hubiera tal rebote de tierra. En otras palabras, la posible diferencia entre el riel eléctrico y la tierra del chip sería de 1,5 V mayor que el potencial medido entre el riel eléctrico y la tierra de la placa. Dicho de otro modo, existe un potencial momentáneo de 1,5 V entre la tierra del chip y el plano de tierra de la PCB (medido a través del pin de tierra del chip).

En este ejemplo, un CI lógico que funciona a 3,3 V conectado al microcontrolador puede interpretar una señal lógica "0" como un "1" porque recibe una señal lógica de 1,5 V "baja" debido al nivel potencial desplazado del dispositivo de tierra. Para continuar con este ejemplo, un dispositivo que experimenta un rebote de tierra también podría leer mal las entradas de otros componentes, ya que el nivel de tensión de entrada se ve con respecto a la tierra del chip. Por ejemplo, una señal lógica "alta" podría malinterpretarse como «baja» porque el voltaje en el pin de entrada es 1,8 V en lugar de 3,3 V, debido al aumento de la tierra del chip. Esto está por debajo del voltaje lógico mínimo de 2,31 V.

El efecto del rebote de tierra empeora cuando todas las salidas se reducen simultáneamente (fíjate en la imagen anterior). Es entonces cuando la diferencia de tensión de la tierra del chip aumenta drásticamente. Además, este cambio de nivel actúa como una señal de rápido aumento en una red RLC, que puede exhibir una oscilación transitoria poco amortiguada en ciertas condiciones.

Oscilaciones en un desplazamiento de nivel

El desplazamiento de nivel en la tierra del chip no se mantiene eternamente y la diferencia de potencial entre la tierra del chip y la de la PCB acaba volviendo a ser cero. Como la pista y la carga proporcionan cierta capacitancia parásita, este desplazamiento de nivel puede mostrar una oscilación amortiguada, igual que la que observarías en un circuito RLC. Estas oscilaciones pueden presentar diversos niveles de amortiguación dependiendo de la resistencia total en el bucle de corriente. Si hay una oscilación en la tierra del chip, esta oscilación se superpondrá a la señal de salida, creando un fenómeno de sobreoscilación transitoria. La siguiente imagen muestra una oscilación transitoria subamortiguada debido al rebote de tierra.

En una situación imperfecta, la impedancia de salida del controlador es cero y la impedancia de entrada de la carga es infinita, por lo que cualquier transitorio generado en la pista tendrá una amortiguación igual a cero. En una situación real, la amortiguación no será cero debido a la conductancia de CC a través del controlador y su impedancia en los estados BAJA y ALTA. La amortiguación es igual a (R/2L), donde R es la resistencia total alrededor del bucle de corriente disipada y L es la inductancia agrupada equivalente del circuito que contiene la corriente de disipación.

Si la inductancia de las pistas es lo suficientemente baja, la constante de amortiguación será grande y cualquier oscilación de rebote de tierra se amortiguará rápidamente. Si la inductancia agrupada de las pistas es lo suficientemente baja y la capacitancia agrupada es lo suficientemente grande, el transitorio debido al rebote de tierra se puede sobreamortiguar. Esta es una de las muchas razones por las que los canales DDR optan por una impedancia de pista ligeramente inferior (impedancia de salida simple de 40 ohmios), ya que tendrán una inductancia más baja. Las cargas capacitivas con una capacitancia de entrada más alta tendrán una mayor amortiguación, lo que acaba por ser un problema en el diseño de PCB de alta velocidad: los componentes con frecuencias de flanco más rápidas tienden a tener una capacitancia de entrada más baja y más problemas con el rebote de tierra.

Consejos para reducir el rebote de tierra en una PCB

La forma más sencilla de reducir los efectos del rebote de tierra en una PCB es colocar un condensador de derivación cerca del componente afectado. Desde un punto de vista físico, el condensador de derivación actúa como una batería que compensa un cambio en el potencial de la tierra del chip medido con respecto al riel de alimentación. El condensador de derivación también acepta algo de corriente de la capacitancia de carga que se descarga cuando el excitador conmuta. Es importante colocar el condensador de derivación lo más cerca posible del pin de VCC del componente para minimizar la inductancia total de la pista de tierra. También es apropiado colocar el condensador en una almohadilla conectada al plano de tierra a través de dos vías, lo que proporcionará una ruta de inductancia inferior al plano de tierra de la PCB.

Colocar una resistencia en serie con la carga de salida también es una estrategia habitual utilizada con controladores de baja impedancia. Si tus pistas son lo suficientemente largas como para actuar como líneas de transmisión, es posible que debas hacerlo de todos modos a fin de proporcionar una coincidencia de impedancia en el extremo de origen, asumiendo que la terminación en el chip no se aplica en tu E/S; los protocolos de señalización estándar (el DDR, por ejemplo) lo harán de todos modos... Esto aumentará la constante de amortiguación observada por la señal de salida del controlador, lo que ralentiza el tiempo de subida transitorio de la señal cambiante y puede llevar la oscilación transitoria al régimen sobreamortiguación. Normalmente, esto solo se aplica cuando la salida aún está dentro del tiempo de configuración del receptor (cuando corresponde), como el bus de dirección en chips RAM.

Como regla general, debes evitar colocar señales sensibles al deslizamiento, como RESTABLECER, SELECCIÓN DE CHIP o ESTABLECER, en el mismo CI lógico, propenso a los problemas de rebote de tierra. En general, los pines de salida más cercanos al pin GND experimentan desplazamientos de nivel más pequeños y oscilaciones más débiles debido al rebote de tierra.

Diseña tu placa para que tenga un rebote de tierra bajo

En última instancia, colocar condensadores de derivación y diseñar adecuadamente los anchos de las pistas son métodos eficaces que pueden aplicarse a una amplia variedad de diseños. Si lo haces de manera adecuada, puedes garantizar la adaptación de la impedancia y de la integridad de la señal simultáneamente. Una PDN de baja impedancia también reduce el rebote de tierra y otros problemas de integridad de la alimentación que se producen en el diseño de PCB de alta velocidad. Si quieres minimizar las caídas de tensión incontroladas en tus diseños y detectar otros posibles problemas de disipación de energía, puedes recurrir a Altium Designer para diseñar con precisión tus PCB.

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