¿Qué es el rebote de masa? Por qué GND no está a 0 V, explicado con uSimmics

«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
1. En la línea de alimentación ocurre el mismo problema
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
Artículos relacionados

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.

Un circuito electrónico forma un lazo cerrado y la masa actúa como camino de retorno de la corriente — Fig. 1: Un circuito electrónico siempre forma un lazo cerrado. La masa es una «línea de retorno» por la que también circula corriente.

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.

Impedancia causada por la inductancia de una pista de masa que aumenta con la frecuencia — Fig. 2: Impedancia debida a la inductancia del cableado de masa. Cuanto mayor es la frecuencia, menos despreciable resulta.

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/dt

Donde 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.

Fig. 3: Un cambio en la corriente de conmutación genera una tensión en la inductancia de la pista de masa. Esa es la esencia del 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

Circuito de simulación en uSimmics con la pista de masa modelada como un inductor — Fig. 4: Circuito de simulación. La pista de masa se modela con un inductor L.

Resultados de la simulación

Forma de onda de simulación que muestra el potencial de masa saltando cuando la corriente cambia bruscamente — Fig. 5: Resultado de la simulación. En el instante en que la corriente cambia de forma abrupta, se aprecia claramente cómo «salta» el potencial de masa.

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.

Comparación de formas de onda para inductancias de masa de 1, 10 y 30 nH — Fig. 6: Comparación con distintas inductancias de masa. Cuanto más larga es la pista, más severo es el 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.

Acoplamiento por impedancia común que ofrece un camino para el ruido del circuito A hacia el circuito B — Fig. 7: Acoplamiento por impedancia común. Se convierte en un camino para que el ruido del circuito A pase al circuito B.

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.

Comparación del efecto de las medidas: el rebote se reduce con desacoplo y menor impedancia de masa — Fig. 8: Comparación del efecto de las medidas. Añadir un condensador de desacoplo y reducir la impedancia de masa mejoran notablemente el rebote.

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.