„Die Masse (GND) sollte doch 0 V sein – warum entsteht dann Rauschen?“
Als ich mit dem Schaltungsentwurf begann, habe ich mich das ebenfalls gefragt. Die Masse (GND) ist das Bezugspotenzial, also ein fester 0-V-Punkt. In einer realen Schaltung schwankt das Massepotenzial jedoch und wird so zu einer Rauschquelle. Dieses Phänomen nennt man Ground Bounce (Masse-Bounce).
In diesem Artikel sehen wir uns an, warum Ground Bounce auftritt, und überprüfen das Prinzip mit Simulationen in uSimmics (ex-QucsStudio).
- Eine Schaltung ist eine „Schleife“ – auch durch die Masse fließt Strom
- Masseleitungen haben eine „Impedanz“
- Das wahre Wesen des Ground Bounce – V = L × di/dt
- Überprüfung mit uSimmics – Masseimpedanz und Bounce-Wellenformen
- Gemeinsame Impedanz – der Bounce wirkt sich auch auf andere Schaltungen aus
- Maßnahmen gegen Ground Bounce
- Zusammenfassung
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Eine Schaltung ist eine „Schleife“ – auch durch die Masse fließt Strom
Beginnen wir mit den Grundlagen.
Eine elektronische Schaltung bildet, wie der Name schon sagt, einen „Stromkreis“ – eine Schleife. Der Strom verlässt die Versorgung, durchläuft ICs und Bauteile, um sie zu betreiben, und kehrt über die Masse zur Versorgung zurück.
Im Schaltplan wird das Massesymbol als „Bezugspunkt = 0 V“ gezeichnet und die Rückleitung meist weggelassen. Doch diese weggelassene Leitung existiert auf der realen Platine physisch als Kupferbahnen und -flächen.
Diese Tatsache ist der Ausgangspunkt, um Ground Bounce zu verstehen.
Masseleitungen haben eine „Impedanz“
Die Impedanz eines idealen Leiters ist null. Reale Drähte und Leiterbahnen sind jedoch nicht ideal.
Eine Leitung besitzt immer Induktivität. Der Gleichstromwiderstand ist selbst bei einer dünnen Bahn vernachlässigbar klein, doch die Impedanz durch die Induktivität (Z = jωL) wächst mit steigender Frequenz. In modernen Schaltungen, in denen ICs mit hoher Geschwindigkeit schalten, erreicht diese Induktivität Werte, die man nicht ignorieren kann.
Selbst eine gerade Leiterbahn hat etwa 1 nH/mm Induktivität. Eine 10 mm lange Massebahn liegt zum Beispiel bei rund 10 nH, was bei 100 MHz etwa 6,3 Ω Impedanz entspricht.
Das wahre Wesen des Ground Bounce – V = L × di/dt
Wenn durch eine Leiterbahn mit Induktivität Strom fließt, entsteht immer dann eine Spannung, wenn sich der Strom ändert. Als Formel:
V = L × di/dtDabei ist L die Induktivität und di/dt die zeitliche Änderungsrate des Stroms.
Wenn ein digitaler IC schaltet, ändert sich der Versorgungsstrom abrupt. In dem Moment, in dem ein Ausgang von Low auf High wechselt, zieht der IC den Strom schlagartig aus der Versorgung. Fließt diese steile Stromänderung durch die Induktivität der Massebahn, entsteht – genau wie es die Formel besagt – eine Spannung.
Das Massepotenzial, das eigentlich 0 V betragen sollte, springt für einen Augenblick nach oben oder fällt ab – das ist Ground Bounce.
Auf der Versorgungsseite tritt dasselbe Problem auf
Obwohl es „Ground“ (Masse) Bounce heißt, tritt dasselbe Phänomen auf der Versorgungsleitung auf. Fließt ein sich ändernder Strom durch die Induktivität der Versorgungsbahn, schwankt auch die Versorgungsspannung auf gleiche Weise. Versorgung und Masse stehen in einem symmetrischen Verhältnis, daher benötigen beide dieselben Maßnahmen.
Überprüfung mit uSimmics – Masseimpedanz und Bounce-Wellenformen
Bestätigen wir den Effekt mit einer tatsächlichen Simulation.
Schaltungsaufbau
Wir bauen die folgende Schaltung in uSimmics auf:
- Eine Stromquelle, die das Schalten des ICs nachbildet (Anstiegszeit 1 ns, Spitzenstrom 50 mA)
- Eine Induktivität, die die Massebahn nachbildet (L = 10 nH)
- Beobachtungsknoten: die Spannung an der Massebahn
Simulationsergebnisse
Was die Wellenform zeigt:
- Je größer die Änderungsrate des Stroms (di/dt), desto größer die Schwankung (der Bounce) der Masse.
- Je größer die Induktivität L (je länger die Bahn), desto größer der Bounce bei gleicher Stromänderung.
- Nach dem Bounce entsteht Ringing – eine LC-Resonanz zwischen L und der Streukapazität C.
Vergleich mit verschiedenen L-Werten
Erhöht man L als 1 → 10 → 30 nH, wächst die Amplitude als 0,05 → 0,43 → 0,73 V. Das zeigt, dass die Induktivität des Masse-Rückpfads die Höhe des Bounce direkt bestimmt.
Gemeinsame Impedanz – der Bounce wirkt sich auch auf andere Schaltungen aus
Ground Bounce wird noch gravierender, wenn mehrere Schaltungen dieselbe Masse teilen.
Fließt der Schaltstrom von Schaltung A durch die gemeinsame Massebahn (die gemeinsame Impedanz), verschiebt die entstehende Spannungsschwankung auch das Massepotenzial von Schaltung B. Aus Sicht von Schaltung B wackelt deren Masse, obwohl sie selbst nichts getan hat – und das wird zur Ursache von Fehlfunktionen. Man nennt das Kopplung über gemeinsame Impedanz.
Maßnahmen gegen Ground Bounce
Ist die Ursache klar, wird auch die Richtung der Gegenmaßnahmen deutlich. Aus V = L × di/dt ergeben sich drei wirksame Ansätze.
① Einen Abblockkondensator nah am IC platzieren
Statt den Schaltstrom des ICs aus einer weit entfernten Versorgung zu liefern, liefert man ihn augenblicklich aus einem direkt neben dem IC platzierten Kondensator. Da der Kondensator Ladung speichert, kann er auf plötzliche Strombedarfe schnell reagieren.
Entscheidend ist die Nähe. Platziert man den Abblockkondensator weit vom IC entfernt, verringert die Leitungsinduktivität dazwischen seine Wirksamkeit bei hohen Frequenzen erheblich.
→ Zur Platzierung und Wirksamkeit von Abblockkondensatoren siehe den nächsten Artikel: Warum werden Abblockkondensatoren nah am IC platziert?
② Die Induktivität der Masseleitung senken
Um die Induktivität zu senken, gilt als Grundregel: die Leitung kurz, breit und gerade ausführen.
Auf einer Leiterplatte ist es am wirksamsten, die Masse als durchgehende Fläche (Massefläche) auszuführen. Eine flächige Massefläche hat eine weitaus geringere Impedanz als eine linienförmige Bahn und unterdrückt Ground Bounce deutlich. Bei einer 4-lagigen Platine ist es üblich, eine Lage als durchgehende Massefläche vorzusehen.
③ Das di/dt sanfter gestalten
Macht man die Stromänderung allmählicher, verringert sich der Wert von L × di/dt. Man kann die Ausgangstreiberstärke des ICs reduzieren oder eine Ferritperle einfügen, um die Signalflanke abzuflachen. Diese Methode geht jedoch zulasten der Signalgeschwindigkeit und erfordert bei digitalen Signalen daher eine sorgfältige Abwägung.
Zusammenfassung
Die Kernpunkte des Ground Bounce:
- Die Masse ist das „Bezugspotenzial“, doch reale Leitungen haben Induktivität.
- Wenn sich der Schaltstrom abrupt ändert, schwankt das Massepotenzial gemäß V = L × di/dt – das ist Ground Bounce.
- Teilen sich mehrere Schaltungen eine Masse, breitet sich die Störung über die gemeinsame Impedanz aus.
- Maßnahmen: ① Abblockkondensatoren nah am IC platzieren, ② die Masseinduktivität senken (durchgehende Fläche), ③ das di/dt sanfter gestalten.
Wer die Masse als „bloße 0-V-Leitung“ abtut, wird mit Rauschproblemen zu kämpfen haben. Die Masse wie eine Signalleitung als „Leiter mit Impedanz“ zu entwerfen, ist der erste Schritt zu störfesten Platinen.
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