O que é oscilação de terra? Por que o GND não fica em 0 V (uSimmics)

“O terra (GND) deveria estar em 0 V… então por que aparece ruído?”

Quando comecei a projetar circuitos, eu também me fazia essa pergunta. O terra (GND) é o potencial de referência, ou seja, um ponto fixo de 0 V. No entanto, em um circuito real, o potencial de terra oscila e se torna uma fonte de ruído. Esse fenômeno é chamado de oscilação de terra (ground bounce).

Neste artigo veremos por que a oscilação de terra acontece, verificando o princípio com simulações no uSimmics (ex-QucsStudio).

Um circuito é um “laço”: também circula corrente pelo terra
As trilhas de terra têm “impedância”
A verdadeira natureza da oscilação de terra: V = L × di/dt
1. O mesmo problema ocorre no lado da alimentação
Verificação com o uSimmics: impedância de terra e formas de onda da oscilação
Impedância comum: a oscilação também afeta outros circuitos
Medidas contra a oscilação de terra
Resumo
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Um circuito é um “laço”: também circula corrente pelo terra

Vamos começar pelo fundamental.

Um circuito eletrônico forma, como o próprio nome diz, um “circuito” — um laço. A corrente sai da fonte de alimentação, atravessa os circuitos integrados e os componentes para fazê-los funcionar e retorna à fonte pelo terra.

No esquemático, o símbolo de terra é desenhado como “o ponto de referência = 0 V” e a linha de retorno costuma ser omitida. Mas essa linha omitida existe fisicamente na placa real, na forma de trilhas e planos de cobre.

Um circuito eletrônico forma um laço fechado, com o terra atuando como caminho de retorno da corrente — Fig. 1: Um circuito eletrônico sempre forma um laço fechado. O terra é uma “linha de retorno” pela qual também circula corrente.

Esse fato é o ponto de partida para entender a oscilação de terra.

As trilhas de terra têm “impedância”

A impedância de um condutor ideal é zero. Mas os fios e as trilhas de PCB reais não são ideais.

O cabeamento sempre tem indutância. A resistência em CC é desprezível mesmo para uma trilha fina, mas a impedância devida à indutância (Z = jωL) cresce à medida que a frequência aumenta. Nos circuitos modernos, em que os CIs chaveiam em alta velocidade, essa indutância atinge valores que não se pode ignorar.

Mesmo uma trilha reta tem cerca de 1 nH/mm de indutância. Uma trilha de terra de 10 mm, por exemplo, fica em torno de 10 nH, o que equivale a aproximadamente 6,3 Ω de impedância em 100 MHz.

Impedância causada pela indutância de uma trilha de terra aumentando com a frequência — Fig. 2: Impedância devida à indutância do cabeamento de terra. Quanto maior a frequência, menos desprezível ela se torna.

A verdadeira natureza da oscilação de terra: V = L × di/dt

Quando a corrente circula por uma trilha que tem indutância, surge uma tensão sempre que a corrente varia. Em forma de fórmula:

V = L × di/dt

onde L é a indutância e di/dt é a taxa de variação da corrente no tempo.

Quando um CI digital chaveia, a corrente de alimentação varia bruscamente. No instante em que uma saída passa de nível baixo para alto, o CI puxa corrente da fonte de uma só vez. Quando essa variação abrupta de corrente atravessa a indutância da trilha de terra, surge uma tensão, exatamente como diz a fórmula.

O potencial de terra, que deveria ser 0 V, sobe ou desce por um instante: isso é a oscilação de terra.

Fig. 3: Uma variação da corrente de chaveamento gera tensão sobre a indutância da trilha de terra. Essa é a essência da oscilação de terra.

O mesmo problema ocorre no lado da alimentação

Embora se chame oscilação de “terra”, o mesmo fenômeno ocorre na linha de alimentação. Se uma corrente variável atravessar a indutância da trilha de alimentação, a tensão de alimentação oscila da mesma forma. Alimentação e terra são simétricos, portanto ambos exigem as mesmas medidas.

Verificação com o uSimmics: impedância de terra e formas de onda da oscilação

Vamos confirmar o efeito com uma simulação real.

Configuração do circuito

Montamos o seguinte circuito no uSimmics:

Uma fonte de corrente que emula o chaveamento do CI (tempo de subida 1 ns, corrente de pico 50 mA)
Um indutor que emula a trilha de terra (L = 10 nH)
Nó de observação: a tensão sobre a trilha de terra

Circuito de simulação no uSimmics com a trilha de terra modelada como um indutor — Fig. 4: Circuito de simulação. A trilha de terra é modelada por um indutor L.

Resultados da simulação

Forma de onda de simulação mostrando o potencial de terra saltando quando a corrente varia bruscamente — Fig. 5: Resultado da simulação. No instante em que a corrente varia bruscamente, vê-se claramente o potencial de terra “saltar”.

O que a forma de onda revela:

Quanto maior a taxa de variação da corrente (di/dt), maior a oscilação (o bounce) do terra.
Quanto maior a indutância L (quanto mais longa a trilha), maior a oscilação para a mesma variação de corrente.
Depois da oscilação surge o ringing — uma ressonância LC entre L e a capacitância parasita C.

Comparação com diferentes valores de L

Aumentando L como 1 → 10 → 30 nH, a amplitude cresce como 0,05 → 0,43 → 0,73 V, o que mostra que a indutância do caminho de retorno de terra determina diretamente a magnitude da oscilação.

Comparação de formas de onda para indutâncias de terra de 1, 10 e 30 nH — Fig. 6: Comparação com diferentes indutâncias de terra. Quanto mais longa a trilha, mais severa a oscilação.

Impedância comum: a oscilação também afeta outros circuitos

A oscilação de terra fica ainda mais grave quando vários circuitos compartilham o mesmo terra.

Quando a corrente de chaveamento do circuito A atravessa a trilha de terra compartilhada (a impedância comum), a oscilação de tensão resultante também desloca o potencial de terra do circuito B. Do ponto de vista do circuito B, o seu terra oscila mesmo sem ele ter feito nada, tornando-se causa de mau funcionamento. Isso é chamado de acoplamento por impedância comum.

Acoplamento por impedância comum oferecendo um caminho para o ruído do circuito A rumo ao circuito B — Fig. 7: Acoplamento por impedância comum. Ele se torna um caminho para o ruído do circuito A passar ao circuito B.

Medidas contra a oscilação de terra

Uma vez clara a causa, também fica clara a direção das soluções. A partir de V = L × di/dt, há três abordagens eficazes.

① Colocar um capacitor de desacoplamento perto do CI

Em vez de fornecer a corrente de chaveamento do CI a partir de uma fonte distante, fornece-se instantaneamente a partir de um capacitor colocado bem ao lado do CI. Como o capacitor armazena carga, ele responde rapidamente às demandas súbitas de corrente.

O essencial é que ele esteja perto. Se o capacitor de desacoplamento for colocado longe do CI, a indutância do cabeamento intermediário reduz drasticamente sua eficácia em altas frequências.

→ Sobre o posicionamento e a eficácia dos capacitores de desacoplamento, veja o próximo artigo: Por que os capacitores de desacoplamento ficam perto do CI?

② Reduzir a indutância do cabeamento de terra

Para reduzir a indutância, o básico é fazer o cabeamento curto, largo e reto.

Em uma PCB, transformar o terra em um plano sólido (plano de terra) é o mais eficaz. Um plano sólido tem impedância muito menor que uma trilha linear e suprime a oscilação de terra de forma notável. Em uma placa de 4 camadas, dedicar uma camada a um plano de terra sólido é a prática de projeto padrão.

③ Suavizar o di/dt

Se a variação de corrente for tornada mais gradual, o valor de L × di/dt diminui. É possível reduzir a força de acionamento de saída do CI ou inserir uma pérola de ferrite para suavizar a borda do sinal. Contudo, esse método envolve um compromisso com a velocidade do sinal, exigindo julgamento cuidadoso no caso de sinais digitais.

Comparação do efeito das medidas: a oscilação é reduzida com desacoplamento e menor impedância de terra — Fig. 8: Comparação do efeito das medidas. Adicionar um capacitor de desacoplamento e reduzir a impedância de terra melhoram bastante a oscilação.

Resumo

Os pontos-chave da oscilação de terra:

O terra é o “potencial de referência”, mas o cabeamento real tem indutância.
Quando a corrente de chaveamento varia bruscamente, o potencial de terra oscila segundo V = L × di/dt: isso é a oscilação de terra.
Quando vários circuitos compartilham um terra, a interferência se propaga pela impedância comum.
Medidas: ① colocar os capacitores de desacoplamento perto do CI, ② reduzir a indutância de terra (plano sólido), ③ suavizar o di/dt.

Tratar o terra como “uma simples linha de 0 V” vai lhe render muita dor de cabeça com ruído. Projetar o terra como um “condutor que possui impedância”, assim como uma linha de sinal, é o primeiro passo para placas resistentes ao ruído.