¿Qué es el ringing? Comprender las oscilaciones irregulares con uSimmics

Al realizar un análisis transitorio en uSimmics (antes Qucs), es posible observar que justo después del flanco de subida de una señal, la forma de onda comienza a oscilar de manera irregular. Este fenómeno se conoce como ringing.

Cuando se ve esta forma de onda por primera vez, muchas personas piensan: “¿Habrá ruido acoplándose?” o “¿Hay algo mal en las condiciones de simulación?”. Sin embargo, el ringing no es un fenómeno accidental ni un error de simulación. Es un fenómeno físico fundamental que ocurre porque el circuito se comporta exactamente según las leyes de la física.

En este artículo, utilizamos uSimmics para generar intencionalmente un circuito mínimo que produce únicamente ringing, y analizamos su naturaleza observando las formas de onda.

Cómo abordar el ringing en uSimmics

Al analizar el ringing en uSimmics, es importante evitar factores innecesarios y mantener el circuito lo más simple posible.

• No utilizar líneas de transmisión
• Mantener el circuito concentrado localmente
• Usar una configuración dominada por L y C

Siguiendo estos puntos, se puede confirmar claramente en la forma de onda que las oscilaciones irregulares justo después del flanco de subida corresponden a ringing causado por resonancia LC.

El ringing es uno de los primeros fenómenos físicos que encuentran los diseñadores

En el diseño de señales de alta velocidad, el ringing suele ser uno de los primeros fenómenos físicos con los que se encuentran muchos ingenieros. Basta con modificar ligeramente el trazado de una pista o cambiar a un IC más rápido para que aparezcan oscilaciones que antes no se veían.

Lo que ocurre en ese momento no es un error de diseño ni una peculiaridad de la herramienta de simulación. Simplemente, la inductancia (L) y la capacitancia (C), que antes podían ignorarse, ya no pueden ser despreciadas.

La causa del ringing: resonancia entre L y C

La causa fundamental del ringing es la presencia de inductancia (L) y capacitancia (C) en el circuito. Incluso sin componentes especiales, las pistas, los vías y los bucles de corriente actúan como inductancia, mientras que la capacitancia de entrada del IC y las capacitancias parásitas siempre están presentes.

En el instante en que la señal se eleva, la energía se inyecta rápidamente en el circuito y comienza a intercambiarse entre L y C. Este intercambio de energía es la resonancia, y es la causa de las oscilaciones irregulares observadas en las formas de onda de uSimmics.

Reproducibilidad del ringing en uSimmics

Al observar el ringing en uSimmics, se nota que la oscilación aparece casi siempre con el mismo período y la misma forma. Esto se debe a que el ringing no es un ruido aleatorio, sino un fenómeno determinado por la configuración del circuito.

Mientras L y C se mantengan constantes, repetir la simulación produce prácticamente los mismos resultados. Esta reproducibilidad demuestra que el ringing es un fenómeno que puede comprenderse y controlarse mediante el diseño.

Observar únicamente el ringing con un circuito mínimo

Para comprender correctamente el ringing, el camino más directo es construir un circuito mínimo en el que el ringing sea el comportamiento dominante, sin mezclar otros efectos como la reflexión.

Aquí se fija la estructura del circuito y se varía únicamente la resistencia R para comparar las formas de onda. De este modo, se puede observar de forma directa cómo aparece el ringing y cómo se atenúa.

VPulse ─ R ─ L ──●── Vout
                  |
                  C
                  |
                 GND
  

El punto de observación es Vout (el terminal superior del condensador C). En este nodo, el ringing justo después del flanco de subida se aprecia con mayor claridad.

Parámetros del circuito (condiciones comunes)

Las siguientes condiciones son comunes a todos los casos. Se fijan L y C, y solo se modifica la resistencia R para observar las diferencias en el ringing.

• VPulse: 0 → 1 V, Tr = 0.1 ns, Tf = 0.1 ns
• L: 10 nH (equivalente a la inductancia de pistas y bucles)
• C: 10 pF (equivalente a la capacitancia de entrada del IC)
• R: 1 Ω (referencia) → 5 Ω → 10 Ω (comparación)

Con L = 10 nH y C = 10 pF, el período del ringing es aproximadamente de 2 ns.

Caso 1: R = 1 Ω (referencia)

Primero se analiza la forma de onda con R = 1 Ω para observar las características básicas del ringing. Debido a que R es pequeña, el amortiguamiento es débil y el ringing persiste claramente durante más tiempo.

• Gran amplitud
• La oscilación tarda en estabilizarse
• Período de aproximadamente 2 ns

Caso 2: R = 5 Ω (intermedio)

A continuación se muestra la forma de onda para R = 5 Ω. Al aumentar R, la amplitud del ringing disminuye y la oscilación se atenúa más rápidamente.

• El período se mantiene prácticamente igual
• Disminuye el número de oscilaciones
• Las irregularidades tras el flanco de subida son menos visibles

La comparación de las formas de onda muestra de manera intuitiva que cambiar R no modifica el período del ringing.

Caso 3: R = 10 Ω (amortiguamiento fuerte)

Por último, se observa la forma de onda con R = 10 Ω. Al aumentar aún más la resistencia, el ringing se atenúa en un tiempo muy corto. En algunos casos, puede llegar a ser casi imperceptible.

• El período no cambia
• La amplitud es pequeña y se estabiliza rápidamente
• No “desaparece”, sino que queda fuertemente amortiguado

Lo que se aprende al comparar las tres formas de onda

Al comparar las tres formas de onda, quedan claros los siguientes puntos:

• El período del ringing está determinado por L y C
• La resistencia R solo cambia el grado de amortiguamiento, sin afectar el período
• La resistencia no “detiene” la resonancia, sino que disipa la energía y permite que la oscilación se estabilice

Una vez entendido esto, resulta claro por qué las resistencias en serie o de amortiguamiento son efectivas, incluso sin recurrir a fórmulas.

El circuito mínimo como reflejo de una PCB real

Aunque este circuito es extremadamente simple, su comportamiento esencial es el mismo que el que ocurre en una placa de circuito impreso real.

• Pistas más largas
• Bucles de corriente más grandes
• Mayor capacitancia de entrada del IC

Todos estos factores actúan en la dirección de aumentar L y C en el circuito. El circuito mínimo creado en uSimmics no es más que una extracción del fenómeno de ringing que ocurre en placas reales, presentada de forma fácil de observar.

Resumen: cambiar la resistencia modifica cómo se atenúa el ringing

• El ringing es una oscilación causada por la resonancia LC
• Aparece inmediatamente después del flanco de subida
• El período está determinado por L y C
• La resistencia R es eficaz para amortiguar la oscilación

Al comparar las formas de onda para distintos valores de R, queda claro que el ringing no es un “ruido misterioso”, sino un fenómeno que puede comprenderse y ajustarse mediante el diseño.