Techniques de réduction du rebond de masse pour minimiser les problèmes d'intégrité du signal

Contrairement à mon père qui s'épanouissait dans l'équipe de basketball pendant ses années d'école, je pouvais à peine faire rebondir le ballon pendant les essais. Inutile de dire que j'ai arrêté le sport avant même de commencer. Contraint de dire adieu à mes rêves d'intégrer un jour la NBA, je me suis finalement découvert une passion pour les arts martiaux. Je n'ai jamais vraiment réussi à bien manier un ballon de basket, mais dans les arts martiaux, je pouvais au moins rebondir sur la pointe de mes pieds pour rencontrer mon adversaire.

Ne pas être capable de faire rebondir un ballon de basket est une chose ; Cependant, ne pas comprendre le phénomène de rebond de masse en électronique peut s'avérer très problématique pour vos circuits. Pour exceller en tant qu'ingénieur de routage de PCB, il est important de connaître les effets du rebond de masse sur les circuits et l'intégrité du signal. En tenant compte des techniques de réduction du rebond de masse, vous pouvez minimiser son impact sur l'intégrité du signal dans l'ensemble de vos conceptions.

Qu'est-ce que le rebond de masse ?

Pour comprendre le phénomène de rebond de masse, il est nécessaire de plonger dans les bases d'un transistor en sommeil et des broches de masse qui constituent le cœur des circuits intégrés (CI)L'image ci-dessous montre un circuit tampon CMOS qui forme l'entrée/sortie typique dans les circuits intégrés (CI) tels que les microcontrôleurs et la mémoire vive (RAM).

Le bruit de rebond de masse sur une carte de circuit imprimé (PCB) est un problème difficile à mesurer, et ses effets sur la gestion de l'alimentation et l'intégrité du signal sont liés à l'impédance de la piste et à l'impédance du réseau de distribution d'énergie (PDN) sur la PCB.Dans la plupart des conceptions haute vitesse, la broche de sortie d'un circuit de pilotage est généralement connectée à une charge avec une certaine capacité d'entrée. Lorsque la broche de sortie est activée à l'état logique '1', la capacité parasite au niveau de la charge est complètement chargée à la tension VCC.Lorsque le circuit du tampon de sortie est désactivé à l'état logique « 0 », la charge capacitive se décharge pour fournir le courant d'entrée de retour au conducteur ; cette brusque montée de courant circule à travers la broche de masse du conducteur.

Dans une situation idéale, la masse du boîtier du circuit intégré (IC) et de la carte resteront à la même tension.Dans une conception réaliste, cependant, il y a une certaine inductance parasite présente entre la masse de la puce et la masse de la carte en raison du fil de connexion, du boîtier et de l'inductance parasite dans le réseau de distribution d'énergie (PDN).L'inductance totale du boîtier provenant de ces éléments peut être modélisée en tant qu'ensemble d'inductances en série, comme le montre le schéma ci-dessus.

Au fur et à mesure que le courant traverse l'inductance sur le fil de connexion/réseau de conducteurs/PDN, une force contre-électromotrice s'accumule entre la masse de la puce et la masse de la carte. Cela provoque un phénomène où la masse de la puce et la masse de la carte se trouvent à des niveaux de tension différents pendant une période momentanée, ce qui entraîne un bruit de rebond de masse.Cette accumulation est ensuite amortie en raison de la résistance en continu de ces éléments et des parasites dans le boîtier/la puce du circuit intégré. Pour mieux comprendre comment cela affecte le comportement du signal, il faut bien comprendre que cet arrangement de parasites ainsi que la piste forment un circuit RLC équivalent, avec une impédance et une fréquence de résonance définies.

Comment le rebond de masse impacte-t-il les circuits et les signaux d'un PCB ?

Lorsque le rebond de masse d'un PCB est minime, il est possible qu'aucune perturbation de la masse de la puce ou du comportement du signal ne soit perceptible. En réalité, celle-ci sera toujours présente, mais pourra être suffisamment faible pour passer inaperçue. Cependant, lorsque la force électromotrice inverse (back EMF) produite par le rebond de masse est importante, en particulier lorsque plusieurs sorties sont commutées simultanément, le niveau de masse du dispositif s'élève à un niveau qui peut affecter d'autres groupes de broches sur le circuit intégré (CI)

Si l'on examine à présent la piste qui relie le composant pilote à la charge capacitive, on constate que la capacitance et l'inductance de piste impactent également la façon dont le rebond de masse affecte les signaux. N'oubliez pas que toutes les pistes présentent une certaine impédance en raison de leur capacitance et de leur inductance parasites. Ce faisant, ces parasites doivent être inclus dans le réseau RLC groupé formé par la piste, les inductances sur la broche de masse du circuit de pilotage et la capacité de charge.

Décalages de niveau au niveau de la puce

Par exemple, le potentiel de masse d'un microcontrôleur subissant un rebond de masse peut être décalé de telle sorte que la tension mesurée entre le rail d'alimentation et la masse est supérieure de 1,5 V à celle observée sans rebond de masse. En d'autres termes, la différence de potentiel entre le rail d'alimentation et la masse de la puce serait supérieure de 1,5 V à celle mesurée entre le rail d'alimentation et la masse de la carte. Cela revient à dire qu'il existe un potentiel momentané de 1,5 V entre la masse de la puce et le plan de masse du circuit imprimé (c'est-à-dire, à travers la broche de masse du circuit de pilotage).

Dans cet exemple, un circuit intégré logique fonctionnant à 3,3 V qui est connecté au microcontrôleur peut interpréter un signal logique '0' comme un '1' parce qu'il reçoit un signal logique 'bas' de 1,5 V en raison du niveau de masse du dispositif qui a été déplacé.Toujours selon cet exemple, un dispositif qui subit un rebond de masse peut également mal interpréter les entrées des autres composants, car le niveau de tension d'entrée est observé par rapport à la masse de la puce. Par exemple, un signal logique 'haut' pourrait être mal interprété comme 'bas' parce que la tension à la broche d'entrée est de 1,8 V au lieu de 3,3 V, en raison de l'élévation de la masse de la puce.Cette valeur est alors inférieure à la haute tension logique minimale de 2,31.

L'impact du rebond de masse est maximal lorsque toutes les sorties sont affaiblies de manière simultanée (voir l'image ci-dessus). C'est alors que la différence de tension entre la matrice et la masse augmente considérablement. De plus, ce décalage de niveau agit comme un signal à montée rapide dans un réseau RLC, qui peut présenter une oscillation transitoire sous-amortie dans certaines conditions.

Oscillations dans un décalage de niveau

Le décalage de niveau de la masse de la puce ne persiste pas éternellement, et la différence de potentiel entre la masse de la puce et celle de la carte finit par revenir à zéro. En raison de la capacitance parasitaire fournie par la piste et la charge, cette dérive de niveau peut présenter une oscillation amortie, similaire à ce que vous observeriez dans un circuit RLC.Ces oscillations peuvent présenter différents niveaux d'amortissement en fonction de la résistance totale de la boucle de courant. Si la masse de la puce présente une oscillation, cette dernière se superposera à un signal de sortie, créant un phénomène d'oscillation transitoire. L'image ci-dessous montre une oscillation transitoire sous-amortie en raison du rebond de masse.

Dans une situation imparfaite, l'impédance de sortie du circuit de pilotage est nulle et l'impédance d'entrée de la charge est infinie, et tout régime transitoire généré sur la piste aura un amortissement nul. En pratique, l'amortissement sera non nul en raison de la conductance du courant continu à travers le circuit de pilotage et de son impédance dans les états BAS et HAUT. L'amortissement est égal à (R/2L), où R est la résistance totale autour de la boucle de courant descendant et L est l'inductance équivalente du circuit contenant le courant descendant.

Si l'inductance de piste est suffisamment faible, la constante d'amortissement sera élevée et toute oscillation due au rebond de masse s'amortira rapidement. Si l'inductance des pistes groupées est suffisamment faible et que la capacité groupée est suffisamment élevée, le régime transitoire dû au rebond de masse peut être sur-amorti. C'est l'une des nombreuses raisons pour lesquelles les canaux DDR optent pour une impédance de piste légèrement inférieure (impédance asymétrique de 40 ohms), car leur inductance est plus faible. Les charges capacitives dotées d'une capacité d'entrée plus élevée auront un amortissement plus important, ce qui pose problème lors de la conception de circuits imprimés haute vitesse : les composants présentant des vitesses de transmission plus élevées ont tendance à avoir une capacité d'entrée plus faible et à connaître plus de problèmes de rebond de masse.

Conseils pour Réduire le Rebond de Masse d'un Circuit Imprimé

Le moyen le plus simple de réduire les effets du rebond de masse dans un PCB consiste à placer un condensateur de découplage à proximité du composant concerné. Physiquement, le condensateur de découplage agit comme une batterie qui compense un changement dans le potentiel de masse de la puce mesuré par rapport au rail d'alimentation. Le condensateur de découplage accepte également une partie du courant de la capacité de charge de décharge lorsque le circuit de pilotage commute. Il est important de placer le condensateur de découplage aussi près que possible de la broche VCC du composant afin de minimiser l'inductance totale de la piste de masse. Il convient également de placer le condensateur sur une pastille connectée au plan de masse par deux vias, ce qui fournira un chemin d'inductance inférieur au plan de masse du PCB.

Placer une résistance en série avec la charge de sortie est également une stratégie couramment utilisée en présence de circuits de pilotage à impédance faible. Si vos pistes sont assez longues pour servir de lignes de transmission, vous pourriez devoir le faire de toute façon pour assurer une adaptation d'impédance à l'extrémité source, en supposant qu'une résistance de terminaison intégrée à la puce n'est pas utilisée pour vos E/S ; les protocoles de transmission standard (comme DDR, par exemple) feront cela de toute façon...Cela augmentera la constante d'amortissement observée par le signal de sortie du circuit de pilotage, ce qui ralentit le temps de montée transitoire du signal changeant et peut amener l'oscillation transitoire dans le régime sur-amorti. Cela ne s'applique généralement que lorsque la sortie est toujours dans le temps d'installation du récepteur (le cas échéant), à l'image du bus d'adresse dans les puces RAM.

En règle générale, il est conseillé de ne pas placer des signaux sensibles, tels que RESET, CHIP SELECT ou SET, sur un circuit logique sujet à des problèmes de rebond de masse. Globalement, les broches de sortie qui sont plus proches de la broche GND subissent des décalages de niveau moindres et des oscillations plus faibles.

Concevez votre carte de manière à minimiser les rebonds de masse.

En fin de compte, placer des condensateurs de découplage et concevoir des pistes de largeur adéquate sont des méthodes efficaces qui peuvent être appliquées à un large éventail de conceptions. Lorsque cela est fait correctement, vous pouvez assurer simultanément l'adaptation de l'impédance et l'intégrité du signal. Un PDN à faible impédance réduit également les rebonds de masse et autres problèmes d'intégrité de l'alimentation associés à la conception de circuits imprimés haute vitesse. Pour minimiser les chutes de tension non contrôlées dans vos conceptions et découvrir d'autres problèmes potentiels de dissipation de puissance, essayez d'utiliser Altium Designer pour concevoir avec précision votre prochain circuit imprimé.

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