Qu’est-ce que le ringing ? Comprendre les oscillations avec uSimmics

Lors d’une analyse transitoire avec uSimmics (anciennement Qucs), on peut observer qu’immédiatement après le front montant d’un signal, la forme d’onde commence à osciller de manière irrégulière. Ce phénomène est appelé ringing.

Lorsque l’on voit cette forme d’onde pour la première fois, beaucoup de personnes pensent : « Du bruit se superpose-t-il au signal ? » ou « Y a-t-il un problème dans les conditions de simulation ? ». Pourtant, le ringing n’est ni un phénomène accidentel ni une erreur de simulation. Il s’agit d’un phénomène physique fondamental qui se produit parce que le circuit se comporte exactement selon les lois de la physique.

Dans cet article, nous utilisons uSimmics pour générer intentionnellement un circuit minimal produisant uniquement du ringing, et nous en clarifions la nature en observant les formes d’onde.

Comment aborder le ringing dans uSimmics

Pour analyser le ringing dans uSimmics, il est important d’éviter les facteurs inutiles et de garder le circuit aussi simple que possible.

• Ne pas utiliser de lignes de transmission
• Concentrer le circuit localement
• Utiliser une configuration dominée par L et C

En respectant ces points, on peut identifier clairement dans la forme d’onde que les oscillations irrégulières juste après le front montant correspondent à un ringing causé par la résonance LC.

Le ringing est l’un des premiers phénomènes physiques rencontrés par les concepteurs

Dans la conception de signaux à haute vitesse, le ringing est souvent l’un des premiers phénomènes physiques rencontrés par de nombreux ingénieurs. Il suffit parfois de modifier légèrement le routage d’une piste ou de passer à un circuit intégré plus rapide pour voir apparaître des oscillations auparavant invisibles.

Ce qui se produit alors n’est ni une erreur de conception ni une particularité de l’outil de simulation. C’est simplement que l’inductance (L) et la capacité (C), auparavant négligeables, ne peuvent plus être ignorées.

La cause du ringing : la résonance entre L et C

La cause fondamentale du ringing réside dans la présence d’inductance (L) et de capacité (C) dans le circuit. Même sans composants spécifiques, les pistes, les vias et les boucles de courant se comportent comme des inductances, tandis que la capacité d’entrée des circuits intégrés et les capacités parasites sont toujours présentes.

Au moment où le signal monte, l’énergie est injectée rapidement dans le circuit et commence à s’échanger entre L et C. Cet échange d’énergie correspond à la résonance et constitue l’origine des oscillations irrégulières observées dans les formes d’onde uSimmics.

Reproductibilité du ringing dans uSimmics

En observant le ringing dans uSimmics, on remarque que les oscillations apparaissent presque toujours avec la même période et la même forme. Cela montre que le ringing n’est pas un bruit aléatoire, mais un phénomène déterminé par la configuration du circuit.

Tant que L et C restent constants, répéter la simulation donne pratiquement les mêmes résultats. Cette reproductibilité démontre que le ringing est un phénomène que l’on peut comprendre et maîtriser par la conception.

Observer uniquement le ringing avec un circuit minimal

Pour bien comprendre le ringing, l’approche la plus efficace consiste à construire un circuit minimal dans lequel le ringing est le phénomène dominant, sans mélanger d’autres effets comme la réflexion.

Ici, la structure du circuit est fixée et seule la résistance R est modifiée afin de comparer les formes d’onde. Cela permet d’observer directement comment le ringing apparaît et comment il s’amortit.

VPulse ─ R ─ L ──●── Vout
                  |
                  C
                  |
                 GND
  

Le point d’observation est Vout (la borne supérieure du condensateur C). À ce nœud, le ringing juste après le front montant est le plus clairement visible.

Paramètres du circuit (conditions communes)

Les conditions suivantes sont communes à tous les cas. L et C sont fixés, et seule la résistance R est modifiée afin d’observer les différences de ringing.

• VPulse : 0 → 1 V, Tr = 0,1 ns, Tf = 0,1 ns
• L : 10 nH (équivalent à l’inductance des pistes et des boucles)
• C : 10 pF (équivalent à la capacité d’entrée du circuit intégré)
• R : 1 Ω (référence) → 5 Ω → 10 Ω (comparaison)

Avec L = 10 nH et C = 10 pF, la période du ringing est d’environ 2 ns.

Cas 1 : R = 1 Ω (référence)

Nous commençons par observer la forme d’onde pour R = 1 Ω afin de vérifier les caractéristiques de base du ringing. Comme R est faible, l’amortissement est limité et le ringing persiste clairement pendant une durée relativement longue.

• Amplitude importante
• Les oscillations mettent du temps à se stabiliser
• Période d’environ 2 ns

Cas 2 : R = 5 Ω (intermédiaire)

Voici ensuite la forme d’onde pour R = 5 Ω. En augmentant R, l’amplitude du ringing diminue et l’oscillation s’amortit plus rapidement.

• La période reste pratiquement identique
• Le nombre d’oscillations diminue
• Les irrégularités après le front montant deviennent moins visibles

La comparaison des formes d’onde montre de manière intuitive que la modification de R n’affecte pas la période du ringing.

Cas 3 : R = 10 Ω (amortissement fort)

Enfin, observons la forme d’onde pour R = 10 Ω. En augmentant encore la résistance, le ringing s’amortit en un temps très court. Dans certains cas, il peut devenir presque invisible.

• La période ne change pas
• L’amplitude est faible et se stabilise rapidement
• Il ne « disparaît » pas, mais devient fortement amorti et moins visible

Ce que l’on apprend en comparant les trois formes d’onde

La comparaison des trois formes d’onde permet de tirer les conclusions suivantes :

• La période du ringing est déterminée par L et C
• La résistance R ne modifie que le niveau d’amortissement, sans changer la période
• La résistance ne « stoppe » pas la résonance, mais dissipe l’énergie et permet à l’oscillation de se stabiliser

Une fois cela compris, il devient clair pourquoi les résistances en série ou les résistances d’amortissement sont efficaces, même sans recourir aux équations.

Le circuit minimal comme reflet d’un PCB réel

Bien que ce circuit soit extrêmement simple, son comportement fondamental est identique à celui observé sur une carte électronique réelle.

• Pistes plus longues
• Boucles de courant plus grandes
• Capacité d’entrée du circuit intégré plus élevée

Tous ces facteurs contribuent à augmenter L et C dans le circuit. Le circuit minimal construit dans uSimmics n’est qu’une extraction du phénomène de ringing réel, présentée sous une forme facile à observer.

Résumé : modifier la résistance change la façon dont le ringing s’amortit

• Le ringing est une oscillation due à la résonance LC
• Il apparaît immédiatement après le front montant
• La période est déterminée par L et C
• La résistance R est efficace pour amortir l’oscillation

En comparant les formes d’onde obtenues pour différentes valeurs de R, on comprend que le ringing n’est pas un « bruit mystérieux », mais un phénomène que l’on peut comprendre et ajuster par la conception.