«La masa debería estar a 0 V… entonces, ¿por qué aparece ruido?»
Cuando empecé a diseñar circuitos, yo también me lo preguntaba. La masa (GND) es el potencial de referencia, es decir, un punto fijo de 0 V. Sin embargo, en un circuito real el potencial de masa fluctúa, y eso se convierte en una fuente de ruido. Este fenómeno se llama rebote de masa (ground bounce).
En este artículo veremos por qué se produce el rebote de masa, comprobando el principio con simulaciones en uSimmics (QucsStudio).
- Un circuito es un «lazo»: por la masa también circula corriente
- Las pistas de masa tienen «impedancia»
- La verdadera naturaleza del rebote de masa: V = L × di/dt
- Comprobación con uSimmics: impedancia de masa y formas de onda del rebote
- Impedancia común: el rebote también afecta a otros circuitos
- Medidas contra el rebote de masa
- Resumen
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Un circuito es un «lazo»: por la masa también circula corriente
Empecemos por lo fundamental.
Un circuito electrónico forma, como su nombre indica, un «circuito», es decir, un lazo. La corriente sale de la fuente de alimentación, atraviesa los circuitos integrados y los componentes para hacerlos funcionar, y regresa a la fuente a través de la masa.
En un esquemático, el símbolo de masa se dibuja como «el punto de referencia = 0 V» y la línea de retorno suele omitirse. Pero esa línea omitida existe físicamente en la placa real como pistas y planos de cobre.
Este hecho es el punto de partida para entender el rebote de masa.
Las pistas de masa tienen «impedancia»
La impedancia de un conductor ideal es cero. Pero los cables y las pistas de PCB reales no son ideales.
El cableado siempre tiene inductancia. La resistencia en continua es despreciable incluso en una pista fina, pero la impedancia debida a la inductancia (Z = jωL) crece a medida que sube la frecuencia. En los circuitos modernos, donde los circuitos integrados conmutan a gran velocidad, esa inductancia alcanza valores que no se pueden ignorar.
Incluso una pista recta tiene alrededor de 1 nH/mm de inductancia. Una pista de masa de 10 mm, por ejemplo, ronda los 10 nH, lo que equivale a unos 6,3 Ω de impedancia a 100 MHz.
La verdadera naturaleza del rebote de masa: V = L × di/dt
Cuando circula corriente por una pista con inductancia, aparece una tensión cada vez que la corriente cambia. Expresado como fórmula:
V = L × di/dtDonde L es la inductancia y di/dt es la tasa de variación de la corriente en el tiempo.
Cuando un circuito integrado digital conmuta, la corriente de alimentación cambia de forma abrupta. En el instante en que una salida pasa de nivel bajo a alto, el integrado extrae corriente de la fuente de golpe. Cuando ese cambio brusco de corriente atraviesa la inductancia de la pista de masa, aparece una tensión, exactamente como dice la fórmula.
El potencial de masa, que debería ser 0 V, sube o baja durante un instante: eso es el rebote de masa.
En la línea de alimentación ocurre el mismo problema
Aunque se llame rebote de «masa», el mismo fenómeno se da en la línea de alimentación. Si una corriente variable atraviesa la inductancia de la pista de alimentación, la tensión de alimentación fluctúa del mismo modo. Alimentación y masa son simétricas, así que ambas requieren las mismas medidas.
Comprobación con uSimmics: impedancia de masa y formas de onda del rebote
Confirmemos el efecto con una simulación real.
Configuración del circuito
Montamos el siguiente circuito en uSimmics:
- Una fuente de corriente que emula la conmutación del integrado (tiempo de subida 1 ns, corriente de pico 50 mA)
- Un inductor que emula la pista de masa (L = 10 nH)
- Nodo de observación: la tensión sobre la pista de masa
Resultados de la simulación
Lo que nos indica la forma de onda:
- Cuanto mayor es la tasa de variación de la corriente (di/dt), mayor es la fluctuación (rebote) de la masa.
- Cuanto mayor es la inductancia L (cuanto más larga es la pista), mayor es el rebote para el mismo cambio de corriente.
- Tras el rebote aparece ringing: una resonancia LC entre L y la capacidad parásita C.
Comparación con distintos valores de L
Al aumentar L como 1 → 10 → 30 nH, la amplitud crece como 0,05 → 0,43 → 0,73 V, lo que demuestra que la inductancia del camino de retorno de masa determina directamente la magnitud del rebote.
Impedancia común: el rebote también afecta a otros circuitos
El rebote de masa se vuelve aún más grave cuando varios circuitos comparten la misma masa.
Cuando la corriente de conmutación del circuito A atraviesa la pista de masa compartida (la impedancia común), la fluctuación de tensión resultante también desplaza el potencial de masa del circuito B. Desde el punto de vista del circuito B, su masa oscila aunque él no haya hecho nada, y eso provoca fallos de funcionamiento. Esto se conoce como acoplamiento por impedancia común.
Medidas contra el rebote de masa
Una vez clara la causa, también lo está la dirección de las soluciones. A partir de V = L × di/dt hay tres enfoques eficaces.
① Colocar un condensador de desacoplo cerca del integrado
En lugar de suministrar la corriente de conmutación del integrado desde una fuente lejana, se suministra al instante desde un condensador colocado justo al lado del integrado. Como el condensador almacena carga, responde con rapidez a las demandas súbitas de corriente.
La clave es que esté cerca. Si se coloca el condensador de desacoplo lejos del integrado, la inductancia del cableado intermedio reduce drásticamente su eficacia a altas frecuencias.
→ Sobre la colocación y la eficacia de los condensadores de desacoplo, consulta el siguiente artículo: ¿Por qué los condensadores de desacoplo se colocan cerca del integrado?
② Reducir la inductancia del cableado de masa
Para reducir la inductancia, lo básico es hacer el cableado corto, ancho y recto.
En una PCB, convertir la masa en un plano macizo (plano de masa) es lo más eficaz. Un plano macizo tiene una impedancia mucho más baja que una pista lineal y suprime el rebote de masa de forma notable. En una placa de 4 capas, dedicar una capa a un plano de masa macizo es la práctica estándar.
③ Suavizar el di/dt
Si se hace más gradual el cambio de corriente, el valor de L × di/dt disminuye. Se puede reducir la fuerza de salida del integrado o insertar una perla de ferrita para suavizar el flanco de la señal. Sin embargo, esto supone un compromiso con la velocidad de la señal, por lo que en señales digitales exige un juicio cuidadoso.
Resumen
Los puntos clave del rebote de masa:
- La masa es el «potencial de referencia», pero el cableado real tiene inductancia.
- Cuando la corriente de conmutación cambia bruscamente, el potencial de masa fluctúa según V = L × di/dt: eso es el rebote de masa.
- Cuando varios circuitos comparten la masa, la interferencia se propaga a través de la impedancia común.
- Medidas: ① colocar los condensadores de desacoplo cerca del integrado, ② reducir la inductancia de masa (plano macizo), ③ suavizar el di/dt.
Si tratas la masa como «una simple línea de 0 V», sufrirás con los problemas de ruido. Diseñar la masa como un «conductor con impedancia», igual que una línea de señal, es el primer paso para lograr placas resistentes al ruido.
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