Der 100-nF-Abblockkondensator sitzt unmittelbar neben dem IC. Von seinem ersten Pad führt eine kurze Leiterbahn zum Versorgungspin. Was passiert mit der Spannung am IC, wenn die Leiterbahn vom zweiten Pad zur Masse-Durchkontaktierung einen Umweg nimmt?
Im vorigen Beitrag haben wir die Induktivität der Verbindungen zwischen Kondensator und IC zusammengefasst. Jetzt betrachten wir Versorgungs- und Masseseite getrennt. Steigt der Laststrom in 2 ns von 0 auf 100 mA, genügt es im Ersatzschaltbild, die Anschlussinduktivität auf der Masseseite von 0,5 auf 5 nH zu erhöhen: Das Spannungsminimum zwischen den IC-Pins sinkt von 3,225 auf 3,065 V. Woher kommt der Unterschied?
Der Rückweg hinter dem Massesymbol
Fordert das IC plötzlich Strom an, liefert ihn der geladene Kondensator über die Leiterbahn zum Versorgungspin. Der Strom fließt durch die Last und verlässt das IC am Massepin. Erst auf dem Rückweg über die Leiterplatte zum zweiten Kondensatoranschluss schließt sich der Kreis.
P bezeichnet den Versorgungspin, N den Massepin. Bezugspunkt ist der Minuspol der Quelle. Zwischen N und diesem Punkt liegt eine Rückleitung. Dasselbe Massesymbol an beiden Knoten würde genau die Spannungsdifferenz kurzschließen, die wir untersuchen wollen.
Ein Kondensator, vier Anschlussvarianten
Eine Stromquelle bildet die IC-Last nach. Der Strom steigt in 2 ns auf 100 mA, bleibt dort 100 ns lang und fällt in weiteren 2 ns auf null. Hin- und Rückleiter zur Quelle haben jeweils 50 mΩ und 10 nH. Der Kondensator hat einen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) von 30 mΩ und eine äquivalente Serieninduktivität (ESL) von 0,5 nH. Jeder seiner Anschlüsse bringt weitere 10 mΩ mit. Nur die beiden Anschlussinduktivitäten im rechten Zweig ändern sich.
| Fall | L auf der Versorgungsseite | L auf der Masseseite | Zweiginduktivität mit ESL |
|---|---|---|---|
| A | 0,5 nH | 0,5 nH | 1,5 nH |
| B | 0,5 nH | 5 nH | 6,0 nH |
| C | 5 nH | 5 nH | 10,5 nH |
| D | 5 nH | 0,5 nH | 6,0 nH |
Mit 0,5 und 5 nH lässt sich jeweils der Einfluss einer Seite isolieren. Welcher Leiterbahnlänge das entspricht, hängt vom Lagenaufbau und von der Lage des Rückwegs zum Hinweg ab.
Direkt zwischen den IC-Pins messen
Für das IC zählt die Differenz P − N. Bild 2 zeigt die aus dem Ersatzschaltbild berechnete Spannung zwischen den Pins. Der untere Ausschnitt vergrößert den Anstieg des Laststroms von 200 bis 202 ns.
Die langsame Schwingung nach dem Puls entsteht durch die Resonanz der 100 nF mit den 20 nH der Quellenzuleitung einschließlich Rückleiter und der Induktivität des Kondensatorzweigs. In A sind das zusammen 21,5 nH. Ohne Dämpfung ergeben sich rund 3,4 MHz beziehungsweise 290 ns pro Periode. Das passt zum Abstand der Maxima von etwa 300 ns.
Der senkrechte Sprung im unteren Diagramm hat eine andere Ursache. Beim idealen Trapezstrom wechselt die Steigung bei 200 ns schlagartig von null auf 0,05 A/ns. Die Sprunghöhe ergibt sich aus dieser Steigung mal der Parallelschaltung der Induktivitäten beider Zweige. Für A gilt: 0,05 A/ns × (20 nH ∥ 1,5 nH) ≈ 70 mV. Für B und D sind es rund 231 mV, für C rund 344 mV. In B macht der Anfangssprung damit den größten Teil des Einbruchs von 235 mV unmittelbar vor 202 ns aus.
Bei unverändertem Endwert von 100 mA verdoppelt eine auf 1 ns verkürzte Anstiegszeit sowohl die Steigung als auch den ersten Sprung. Dessen Höhe folgt der Reihenfolge A < B = D < C. Die Tabellenwerte gelten für 2 ns Anstiegszeit.
| Fall | IC-Minimum [V] | IC Spitze–Spitze [mV] | Masse max./min. [mV] | Masse Spitze–Spitze [mV] |
|---|---|---|---|---|
| A | 3,225 | 118,1 | +37,5 / −21,6 | 59,1 |
| B | 3,065 | 437,8 | +117,4 / −101,5 | 218,9 |
| C | 2,952 | 667,4 | +174,0 / −159,7 | 333,7 |
| D | 3,065 | 437,8 | +117,4 / −101,5 | 218,9 |
Der Spitze-Spitze-Wert ist die Differenz aus Maximum und Minimum zwischen 200 und 900 ns. Die Massespannung wird an N gegen den Minuspol der Quelle bestimmt.
Von A nach B ändert sich nur der Masseanschluss. Wenn die Last 100 mA erreicht, liefert der Kondensator in A rund 93 mA, in B rund 77 mA. In diesen 2 ns steigt der Quellenstrom um etwa 7,2 beziehungsweise 23 mA. In A ergeben durchschnittlich 3,6 mA/ns an 20 nH rund 72 mV; in B führen 11,6 mA/ns zu etwa 230 mV. Zum Vergleich: 23 mA erzeugen am gesamten Leitungswiderstand von 100 mΩ nur 2,3 mV. Die Spannungsminima unterscheiden sich um rund 160 mV.
Von C nach B sinkt nur die versorgungsseitige Anschlussinduktivität von 5 auf 0,5 nH; das Minimum steigt von 2,952 auf 3,065 V. Die 5 nH der Masseseite und die ESL bleiben erhalten. Eine Verbesserung um den Faktor zehn auf einer Seite senkt die Gesamtinduktivität lediglich von 10,5 auf 6,0 nH, also auf rund 57 % des Ausgangswerts.
Vertauscht man die beiden Anschlussinduktivitäten, erhält man B und D. Im Kondensatorzweig gibt es keine Abzweigung; durch alle Serienelemente fließt derselbe Strom. Von P und N aus sieht man in beiden Fällen denselben Widerstand, 100 nF und 6,0 nH. Deshalb decken sich die Kurven.
Warum bewegt sich das Potenzial des Massepins?
Kurz bevor der Laststrom in B 100 mA erreicht, liefert die Quelle rund 23 mA und der Kondensator rund 77 mA. P fällt um etwa 117 mV unter 3,3 V, während N um etwa 117 mV über das Bezugspotenzial steigt. Zwischen den IC-Pins ergibt das einen Einbruch von rund 235 mV.
Für den zur Quelle zurückfließenden Strom I gilt V(N) = Rᵣ × I + Lᵣ × dI/dt, wobei Rᵣ und Lᵣ zur Rückleitung der Quelle gehören. Die 5 nH am Masseanschluss des Kondensators liegen im anderen Zweig. Eine Erhöhung verändert zunächst die Stromaufteilung und dadurch die Spannung an der Rückleitung. Weil Hin- und Rückleiter zur Quelle hier gleiche R- und L-Werte haben, fällt P um genauso viel, wie N steigt. Der Spitze-Spitze-Wert von N ist deshalb halb so groß wie der zwischen den IC-Pins.
Auf der Leiterplatte am zweiten Pad weitergehen
Folgen Sie der Leiterbahn vom Versorgungspin zum Kondensator. Liegt die Masse-Durchkontaktierung nahe am gegenüberliegenden Pad? Entfernt sich der Rückweg durch die Massefläche zum Massepin weit vom Hinweg? Wer nur den Bauteilabstand misst, übersieht diesen Umweg.
Auf einer realen Leiterplatte verteilt sich der Strom in der Fläche. Hin- und Rückweg sind magnetisch gekoppelt; die Schleifeninduktivität hängt von ihrem Abstand ab und ist nicht einfach die Summe der Selbstinduktivitäten. Der Tabellenwert von 5 nH gehört zu einem Modell ohne Kopplung. Die Übereinstimmung von B und D gilt für diesen Serienzweig. P und N bezeichnen die IC-Pins auf der Platine. Gehäuseinduktivität und Kapazitäten auf dem Chip fehlen im Modell; die Spannung auf dem Silizium lässt sich daraus nicht ablesen.
Den Stromkreis bis zum Kondensator verfolgen
Der Kondensator bleibt direkt am IC. Trotzdem sinkt das Minimum bei einer 2-ns-Flanke allein durch den geänderten Masseanschluss um rund 160 mV. B und D zeigen: Im Serienmodell zählt die Summe beider Anschlussinduktivitäten und der ESL. Verfolgen Sie beim Layout deshalb auch den Weg vom Massepin des IC zurück zum zweiten Kondensatorpad.
Rechenbedingungen
Zu Beginn ist der Laststrom null und der Kondensator auf 3,3 V geladen. Der erste Puls beginnt bei 200 ns und wiederholt sich alle 1 µs. Rechenzeitraum: 0 bis 2 µs, Rechenschritt und Ausgabeintervall jeweils 0,1 ns. Für die Spannungsextrema wurden beide einseitigen Grenzwerte an den Knicken des Trapezes berücksichtigt. Eine Nachrechnung von A mit 0,05 ns ergab für IC und Masse dieselben Spitze-Spitze-Werte auf die angegebenen Stellen.
Zum Weiterlesen
Zum Potenzialsprung an N in Bild 3 siehe Ground Bounce: Warum Masse beim Schalten nicht auf 0 V bleibt. Für die Umsetzung des Rückwegs aus Bild 1 siehe Einpunktmasse oder Massefläche: Welche Rolle spielt die Frequenz?.
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