Qu’est-ce que le rebond de masse ? Pourquoi la masse n’est pas à 0 V (uSimmics)

« La masse est censée être à 0 V… alors pourquoi du bruit apparaît-il ? »

Quand j’ai commencé à concevoir des circuits, je me posais la même question. La masse (GND) est le potentiel de référence, c’est-à-dire un point fixe à 0 V. Pourtant, dans un circuit réel, le potentiel de masse fluctue et devient une source de bruit. Ce phénomène s’appelle le rebond de masse (ground bounce).

Dans cet article, nous verrons pourquoi le rebond de masse se produit, en vérifiant le principe à l’aide de simulations sous uSimmics (ex-QucsStudio).

Un circuit est une « boucle » : du courant circule aussi dans la masse
Les pistes de masse ont une « impédance »
La vraie nature du rebond de masse : V = L × di/dt
1. Le même problème se produit côté alimentation
Vérification avec uSimmics : impédance de masse et formes d’onde du rebond
Impédance commune : le rebond affecte aussi les autres circuits
Mesures contre le rebond de masse
Résumé
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Un circuit est une « boucle » : du courant circule aussi dans la masse

Commençons par les fondamentaux.

Un circuit électronique forme, comme son nom l’indique, un « circuit » — une boucle. Le courant sort de l’alimentation, traverse les circuits intégrés et les composants pour les faire fonctionner, puis retourne à l’alimentation par la masse.

Sur un schéma, le symbole de masse est représenté comme « le point de référence = 0 V » et la ligne de retour est généralement omise. Mais cette ligne omise existe physiquement sur la carte réelle sous forme de pistes et de plans de cuivre.

Un circuit électronique forme une boucle fermée, la masse servant de chemin de retour du courant — Fig. 1 : Un circuit électronique forme toujours une boucle fermée. La masse est une « ligne de retour » dans laquelle circule aussi du courant.

Ce fait est le point de départ pour comprendre le rebond de masse.

Les pistes de masse ont une « impédance »

L’impédance d’un conducteur idéal est nulle. Mais les fils et les pistes de PCB réels ne sont pas idéaux.

Un câblage possède toujours de l’inductance. La résistance en continu est négligeable même pour une piste fine, mais l’impédance due à l’inductance (Z = jωL) augmente avec la fréquence. Dans les circuits modernes, où les circuits intégrés commutent à grande vitesse, cette inductance atteint des valeurs qu’on ne peut pas ignorer.

Même une piste droite présente environ 1 nH/mm d’inductance. Une piste de masse de 10 mm, par exemple, avoisine 10 nH, soit environ 6,3 Ω d’impédance à 100 MHz.

Impédance due à l'inductance d'une piste de masse augmentant avec la fréquence — Fig. 2 : Impédance due à l’inductance du câblage de masse. Plus la fréquence est élevée, moins elle est négligeable.

La vraie nature du rebond de masse : V = L × di/dt

Lorsqu’un courant circule dans une piste qui possède de l’inductance, une tension apparaît chaque fois que le courant varie. Sous forme de formule :

V = L × di/dt

où L est l’inductance et di/dt le taux de variation du courant dans le temps.

Lorsqu’un circuit intégré numérique commute, le courant d’alimentation varie brusquement. À l’instant où une sortie passe de l’état bas à l’état haut, le CI puise du courant à l’alimentation d’un seul coup. Lorsque cette variation abrupte de courant traverse l’inductance de la piste de masse, une tension apparaît, exactement comme le dit la formule.

Le potentiel de masse, censé être à 0 V, monte ou descend pendant un instant : c’est le rebond de masse.

Une variation du courant de commutation génère une tension aux bornes de l'inductance de la piste de masse — Fig. 3 : Une variation du courant de commutation génère une tension aux bornes de l’inductance de la piste de masse. C’est l’essence même du rebond de masse.

Le même problème se produit côté alimentation

Bien qu’on parle de rebond de « masse », le même phénomène se produit sur la ligne d’alimentation. Si un courant variable traverse l’inductance de la piste d’alimentation, la tension d’alimentation fluctue de la même manière. L’alimentation et la masse étant symétriques, toutes deux nécessitent les mêmes mesures.

Vérification avec uSimmics : impédance de masse et formes d’onde du rebond

Confirmons l’effet par une simulation réelle.

Configuration du circuit

Nous construisons le circuit suivant sous uSimmics :

Une source de courant qui émule la commutation du CI (temps de montée 1 ns, courant de crête 50 mA)
Une inductance qui émule la piste de masse (L = 10 nH)
Nœud d’observation : la tension sur la piste de masse

Circuit de simulation sous uSimmics avec la piste de masse modélisée par une inductance — Fig. 4 : Circuit de simulation. La piste de masse est modélisée par une inductance L.

Résultats de la simulation

Forme d'onde de simulation montrant le potentiel de masse qui saute lorsque le courant varie brusquement — Fig. 5 : Résultat de la simulation. À l’instant où le courant varie brusquement, on voit clairement le potentiel de masse « bondir ».

Ce que révèle la forme d’onde :

Plus le taux de variation du courant (di/dt) est grand, plus la fluctuation de la masse (le rebond) est grande.
Plus l’inductance L est grande (plus la piste est longue), plus le rebond est important pour une même variation de courant.
Après le rebond, des oscillations (ringing) apparaissent — une résonance LC entre L et la capacité parasite C.

Comparaison pour différentes valeurs de L

En augmentant L selon 1 → 10 → 30 nH, l’amplitude croît selon 0,05 → 0,43 → 0,73 V, ce qui montre que l’inductance du chemin de retour de masse détermine directement l’ampleur du rebond.

Comparaison des formes d'onde pour des inductances de masse de 1, 10 et 30 nH — Fig. 6 : Comparaison pour différentes inductances de masse. Plus la piste est longue, plus le rebond est sévère.

Impédance commune : le rebond affecte aussi les autres circuits

Le rebond de masse devient encore plus grave lorsque plusieurs circuits partagent la même masse.

Lorsque le courant de commutation du circuit A traverse la piste de masse partagée (l’impédance commune), la fluctuation de tension qui en résulte décale aussi le potentiel de masse du circuit B. Du point de vue du circuit B, sa masse oscille alors qu’il n’a rien fait lui-même, ce qui devient une cause de dysfonctionnement. On parle de couplage par impédance commune.

Couplage par impédance commune offrant un chemin au bruit du circuit A vers le circuit B — Fig. 7 : Couplage par impédance commune. Il devient un chemin par lequel le bruit du circuit A passe dans le circuit B.

Mesures contre le rebond de masse

Une fois la cause connue, la direction des solutions apparaît aussi. À partir de V = L × di/dt, il existe trois approches efficaces.

① Placer un condensateur de découplage près du CI

Plutôt que de fournir le courant de commutation du CI depuis une alimentation éloignée, on le fournit instantanément depuis un condensateur placé juste à côté du CI. Comme le condensateur stocke de la charge, il répond rapidement aux demandes soudaines de courant.

L’essentiel est qu’il soit proche. Si l’on place le condensateur de découplage loin du CI, l’inductance du câblage intermédiaire réduit fortement son efficacité aux hautes fréquences.

→ Pour l’implantation et l’efficacité des condensateurs de découplage, voir l’article suivant : Pourquoi place-t-on les condensateurs de découplage près du CI ?

② Réduire l’inductance du câblage de masse

Pour réduire l’inductance, la règle de base est de faire un câblage court, large et droit.

Sur un PCB, transformer la masse en un plan plein (plan de masse) est le plus efficace. Un plan plein a une impédance bien plus faible qu’une piste linéaire et supprime nettement le rebond de masse. Sur une carte à 4 couches, dédier une couche à un plan de masse plein est la pratique de conception standard.

③ Adoucir le di/dt

Si l’on rend la variation de courant plus progressive, la valeur de L × di/dt diminue. On peut réduire la force de commande de sortie du CI, ou insérer une perle de ferrite pour adoucir le front du signal. Cette méthode implique toutefois un compromis avec la vitesse du signal, elle exige donc un jugement prudent pour les signaux numériques.

Comparaison de l'effet des mesures : le rebond est réduit par le découplage et une impédance de masse plus faible — Fig. 8 : Comparaison de l’effet des mesures. Ajouter un condensateur de découplage et réduire l’impédance de masse améliorent nettement le rebond.

Résumé

Les points clés du rebond de masse :

La masse est le « potentiel de référence », mais le câblage réel possède de l’inductance.
Lorsque le courant de commutation varie brusquement, le potentiel de masse fluctue selon V = L × di/dt : c’est le rebond de masse.
Lorsque plusieurs circuits partagent une masse, l’interférence se propage par l’impédance commune.
Mesures : ① placer les condensateurs de découplage près du CI, ② réduire l’inductance de masse (plan plein), ③ adoucir le di/dt.

Traiter la masse comme « une simple ligne à 0 V » vous vaudra bien des ennuis de bruit. Concevoir la masse comme un « conducteur qui possède une impédance », tout comme une ligne de signal, est la première étape vers des cartes résistantes au bruit.