Tecniche di riduzione del ground bounce per minimizzare i problemi di integrità del segnale

A differenza di mio padre, che ai tempi della scuola giocava bene nella squadra di basket, io riuscivo a malapena a far rimbalzare la palla durante le selezioni.Inutile dire che ho smesso di fare sport prima ancora di iniziare. Mentre i miei sogni di diventare un professionista NBA si infrangevano, ho scoperto la mia passione per le arti marziali. Non sono mai riuscito a maneggiare bene la palla da basket, ma nelle arti marziali riuscivo almeno a saltellare per fronteggiare l'avversario.

Non riuscire a far rimbalzare una palla da basket è una cosa, ma non comprendere il ground bounce nell'elettronica può essere molto problematico per la progettazione elettronica. Per eccellere come ingegnere di layout PCB, è necessario conoscere gli effetti del ground bounce sui circuiti e sull'integrità del segnale. Grazie alle tecniche di riduzione del ground bounce è possibile ridurlo al minimo nell'integrità del segnale PCB in fase di progettazione.

Cos'è il ground bounce?

Per capire il ground bounce è necessario approfondire le nozioni di base relative a un transistor inattivo e ai pin di massa che costituiscono il nucleo dei circuiti integrati (IC). L'immagine seguente mostra un circuito buffer CMOS che forma il tipico I/O nei circuiti integrati come microcontrollori e memoria ad accesso casuale (RAM).

Il rumore del ground bounce in un PCB è un problema difficile da misurare e i suoi effetti sul gate di alimentazione e sull'integrità del segnale sono correlati all'impedenza della traccia e all'impedenza PDN in un PCB. Nella maggior parte delle progettazioni ad alta velocità, il pin di uscita di un circuito driver è solitamente collegato a un carico con una certa capacità di ingresso. Quando il pin di uscita viene assegnato al circuito logico "1", la capacità parassita sul carico viene completamente caricata sulla tensione di alimentazione. Non appena il circuito buffer di uscita viene disattivato sullo "0" logico, il carico capacitivo si scarica per fornire l'afflusso di corrente al driver; questo rapido flusso di corrente passa attraverso il pin di massa del driver.

In una situazione ideale, la massa del pacchetto IC e la scheda rimarranno alla stessa tensione. In un progetto realistico, tuttavia, è presente una certa induttanza parassita tra la messa a terra del die e la messa a terra della scheda a causa del cavo di collegamento, del lead frame e dell'induttanza parassita nella PDN. L'induttanza totale del pacchetto di questi elementi può essere modellata come un insieme di induttori in serie, come mostrato nello schematico precedente.

Quando la corrente passa attraverso l'induttanza sul cavo di collegamento/lead frame/PDN, si accumula un'interferenza elettromagnetica di ritorno tra la massa del die e la massa della scheda. Questo accumulo causa un fenomeno in cui la massa del die e la massa della scheda si trovano a livelli di tensione diversi per un periodo momentaneo, e questo fenomeno si traduce in rumore di ground bounce. Questo accumulo viene quindi smorzato a causa della resistenza CC di questi elementi e dei parassiti nel pacchetto/die del circuito integrato. Per capire meglio come tutto questo influenza esattamente il comportamento del segnale, è utile evidenziare che questa disposizione dei parassiti e della traccia formano un circuito RLC equivalente con un'impedenza e una frequenza di risonanza definite.

In che modo il ground bounce in un PCB influisce su circuiti e segnali

Quando il ground bounce in un PCB è minimo, potrebbe non causare nessuna interruzione della messa a terra o del comportamento del segnale. Si verificherà ancora, ma potrebbe essere abbastanza ridotto da passare inosservato. Tuttavia, quando l'interferenza elettromagnetica di ritorno prodotta dal ground bounce è significativa, specialmente quando più uscite vengono commutate contemporaneamente, il livello di massa del dispositivo sale in modo tale da poter influenzare altri gruppi di pin sul circuito integrato.

Quando si guarda la traccia che collega il componente di conduzione al carico capacitivo, l'induttanza della traccia e la capacità influenzano anche il modo in cui il ground bounce impatta sui segnali. Ricorda che tutte le tracce hanno una certa impedenza a causa della capacità parassita e dell'induttanza. Poiché una traccia reale presenta questi parassiti, questi devono essere inclusi nella rete RLC raggruppata formata dalla traccia, dalle induttanze al pin di massa del driver e dalla capacità di carico.

Spostamenti di livello sul die

Ad esempio, un microcontrollore che subisce un ground bounce può avere il potenziale di massa commutato in modo tale che la tensione misurata tra il binario di alimentazione e la massa sia di 1,5 V superiore rispetto al caso senza ground bounce. In altre parole, la differenza di potenziale tra il binario di alimentazione e la massa del die sarebbe superiore di 1,5 V al potenziale misurato tra il binario di alimentazione e la massa della scheda. Un altro modo per affermarlo è che esiste un potenziale momentaneo di 1,5 V tra la massa del die e il piano di massa del PCB (misurato attraverso il pin di massa del driver).

In questo esempio, un circuito integrato logico funzionante a 3,3 V collegato al microcontrollore può interpretare un segnale logico "0" come "1" perché riceve un segnale logico "basso" da 1,5 V a causa del livello potenziale commutato della massa del dispositivo. Per continuare con questo esempio, un dispositivo che subisce un ground bounce potrebbe anche leggere erroneamente gli input di altri componenti perché il livello della tensione di ingresso è considerato rispetto alla massa del die. Ad esempio, un segnale logico "alto" potrebbe essere interpretato erroneamente come "basso" perché la tensione sul pin di ingresso è 1,8 V anziché 3,3 V, a causa dell'aumento di massa del die. Questo valore è inferiore alla tensione logica minima di 2,31 V.

L'effetto del ground bounce è peggiore quando tutte le uscite vengono abbassate simultaneamente (vedere l'immagine sopra). Questo è il momento in cui la differenza di tensione della massa aumenta drasticamente. Inoltre questo spostamento di livello agisce come un segnale in rapida crescita in una rete RLC, che in determinate condizioni può mostrare un'oscillazione transitoria poco smorzata.

Oscillazioni in uno spostamento di livello

Lo spostamento di livello sul die non persiste per sempre e la differenza di potenziale tra la massa del die e la massa del PCB alla fine ritorna a zero. Poiché la traccia e il carico forniscono una certa capacità parassita, questo spostamento di livello può mostrare un'oscillazione smorzata, proprio come si osserverebbe in un circuito RLC. Queste oscillazioni possono presentare vari livelli di smorzamento a seconda della resistenza totale nel loop di corrente. Se c'è un'oscillazione nella massa del die, questa si sovrapporrà al segnale di uscita, creando un fenomeno di ringing transitorio. L'immagine seguente mostra un'oscillazione transitoria sotto-smorzata dovuta al ground bounce.

In una situazione imperfetta, l'impedenza di uscita del conducente è pari a zero e l'impedenza di ingresso del carico è infinita, e qualsiasi transiente generato sulla traccia avrà uno smorzamento pari a zero. In una situazione reale, lo smorzamento non sarà pari a zero a causa della conduttanza CC attraverso il driver e della sua impedenza negli stati LOW e HIGH. Lo smorzamento è uguale a (R/2L), dove R è la resistenza totale attorno al loop di corrente di dissipazione e L è l'induttanza aggregata equivalente del circuito contenente la corrente di dissipazione.

Se l'induttanza della traccia è sufficientemente bassa, la costante di smorzamento sarà grande e qualsiasi oscillazione di ground bounce si smorzerà rapidamente. Se l'induttanza della traccia concentrata è sufficientemente bassa e la capacità aggregata è sufficientemente grande, il transiente dovuto al ground bounce può essere sovrasmorzato. Questo è uno dei tanti motivi per cui i canali DDR optano per un'impedenza di traccia leggermente inferiore (40 Ohm single-ended) in quanto avranno un'induttanza più bassa. I carichi capacitivi con capacità di ingresso più elevata avranno uno smorzamento maggiore che diventa problematico nella progettazione di high speed PCB: i componenti con edge rate più elevati tendono ad avere una capacità di ingresso inferiore e maggiori problemi con il ground bounce.

Suggerimenti per ridurre il ground bounce in un PCB

Il modo più semplice per ridurre gli effetti del ground bounce in un PCB consiste nel posizionare un condensatore di bypass accanto al componente interessato. Fisicamente, il condensatore di bypass agisce come una batteria che compensa una variazione del potenziale di massa del die misurato rispetto al binario di alimentazione. Il condensatore di bypass accetta anche una certa corrente dalla capacità di carico che si scarica alla commutazione del driver. È importante posizionare il condensatore di bypass il più vicino possibile al pin della tensione di alimentazione del componente per ridurre al minimo l'induttanza totale della traccia di massa. È inoltre opportuno posizionare il condensatore su un pad collegato al piano di massa tramite due via, che forniranno un percorso di induttanza inferiore al piano di massa del PCB.

Posizionare un resistore in serie con il carico di uscita è una strategia standard utilizzata anche con i driver a bassa impedenza. Se le tracce sono abbastanza lunghe da agire come linee di trasmissione, potrebbe comunque essere necessario eseguire questa operazione per fornire una corrispondenza di impedenza all'estremità di origine, supponendo che la terminazione on-die non venga applicata all'I/O; i protocolli di segnale standard (DDR, ad esempio) lo faranno comunque... Ciò aumenterà la costante di smorzamento osservata dal segnale di uscita del driver, che rallenta il tempo di risalita transitorio del segnale di commutazione e può portare l'oscillazione transitoria in un nel regime sovrasmorzato. Questo di solito è applicabile solo quando l'output è ancora entro il tempo di configurazione del ricevitore (se applicabile), come il bus degli indirizzi nei chip RAM.

Come regola generale, occorrerebbe evitare di posizionare i segnali sensibili ai glitch come RESET, CHIP SELECT o SET sullo stesso circuito integrato logico soggetto a problemi di ground bounce. Nel complesso, i pin di uscita più vicini al pin GND subiscono spostamenti di livello più piccoli e oscillazioni più deboli a causa del ground bounce.

Progetta la tua scheda in modo da avere un ground bounce ridotto

In definitiva, posizionare condensatori di bypass e progettare correttamente le larghezze delle tracce sono metodi efficaci applicabili a un'ampia gamma di design. Se eseguiti correttamente, consentono di garantire contemporaneamente l'adattamento dell'impedenza e l'integrità del segnale. Un PDN a bassa impedenza riduce inoltre il ground bounce e altri problemi di integrità dell'alimentazione che si verificano nella progettazione dell'high speed pcb. Per ridurre al minimo i cali di tensione non controllati nei tuoi progetti e scoprire altri potenziali problemi di dissipazione, prova a utilizzare Altium Designer^® per progettare con precisione il tuo PCB.

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