O que é ringing? Entenda as oscilações em sinais de alta velocidade com uSimmics

Ao realizar uma análise transitória no uSimmics (antigo Qucs), é possível observar que, logo após a borda de subida de um sinal, a forma de onda começa a oscilar de maneira irregular, como um “ziguezague”. Esse fenômeno é chamado de ringing.

Quando essa forma de onda é vista pela primeira vez, muitas pessoas pensam: “Será que há ruído acoplado?” ou “As condições de simulação estão erradas?”. No entanto, o ringing não é um fenômeno aleatório nem um erro de simulação. Trata-se de um fenômeno físico fundamental, determinado pelo comportamento natural do circuito.

Neste artigo, utilizamos o uSimmics para construir um circuito mínimo que gera intencionalmente apenas o ringing e, observando as formas de onda, compreender claramente sua verdadeira natureza.

Como analisar o ringing no uSimmics

Ao analisar o ringing no uSimmics, é importante evitar fatores desnecessários e manter o circuito o mais simples possível.

• Não utilizar linhas de transmissão
• Manter o circuito local e compacto
• Usar uma configuração dominada por L e C

Seguindo esses pontos, as oscilações logo após a borda de subida podem ser identificadas diretamente como ringing causado por ressonância LC.

O ringing é um dos primeiros fenômenos físicos encontrados no projeto

No projeto de sinais de alta velocidade, o ringing costuma ser um dos primeiros fenômenos físicos encontrados pelos engenheiros. Basta alongar um pouco uma trilha ou substituir um CI por uma versão mais rápida para que oscilações antes invisíveis apareçam.

Isso não é um erro de projeto nem uma limitação do simulador. Apenas a indutância (L) e a capacitância (C), antes desprezáveis, passam a ter influência significativa.

A causa do ringing: ressonância entre L e C

A causa fundamental do ringing é a presença de indutância (L) e capacitância (C) no circuito. Trilhas, vias e laços de corrente sempre possuem indutância, enquanto a capacitância de entrada do CI e as capacitâncias parasitas sempre existem.

No instante em que o sinal sobe, a energia é injetada rapidamente no circuito e começa a ser trocada entre L e C. Essa troca de energia é a ressonância e aparece como o “ziguezague” observado na forma de onda.

Reprodutibilidade do ringing no uSimmics

Ao observar o ringing no uSimmics, percebe-se que a oscilação surge quase sempre com o mesmo período e a mesma forma. Isso mostra que o ringing não é um ruído aleatório, mas um fenômeno determinado pela configuração do circuito.

Enquanto L e C forem mantidos constantes, repetir a simulação gera praticamente os mesmos resultados. Essa reprodutibilidade indica que o ringing pode ser tratado de forma controlada no projeto.

Circuito mínimo para observar apenas o ringing

Para compreender o ringing, o caminho mais direto é montar um circuito mínimo em que apenas o ringing seja dominante, sem misturar outros efeitos como reflexão.

Aqui, a topologia do circuito é mantida fixa e apenas o valor da resistência R é alterado para comparar as formas de onda.

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

O ponto de observação é Vout (terminal superior do capacitor C). Nesse ponto, o ringing logo após a borda de subida é mais fácil de observar.

Parâmetros do circuito (condições comuns)

• VPulse: 0 → 1 V, Tr = 0,1 ns, Tf = 0,1 ns
• L: 10 nH
• C: 10 pF
• R: 1 Ω → 5 Ω → 10 Ω

Com L = 10 nH e C = 10 pF, o período do ringing é de aproximadamente 2 ns.

Caso 1: R = 1 Ω

Com R = 1 Ω, o amortecimento é fraco e o ringing apresenta grande amplitude e longa duração.

• Amplitude elevada
• Oscilação persistente
• Período ≈ 2 ns

Caso 2: R = 5 Ω

Ao aumentar R para 5 Ω, a amplitude do ringing diminui e a oscilação se estabiliza mais rapidamente.

• Período praticamente inalterado
• Menos ciclos de oscilação
• Ringing menos visível

Caso 3: R = 10 Ω

Com R = 10 Ω, o ringing é fortemente amortecido e desaparece rapidamente da forma de onda.

• Período inalterado
• Amplitude muito pequena
• Não desaparece fisicamente, apenas se torna difícil de observar

O que aprendemos ao comparar os três casos

• O período do ringing é determinado por L e C
• A resistência R altera apenas o grau de amortecimento
• A resistência dissipa energia e estabiliza a oscilação

O circuito mínimo como modelo de uma PCB real

Embora seja extremamente simples, esse circuito representa o mesmo fenômeno que ocorre em placas reais.

• Trilhas mais longas
• Laços de corrente maiores
• Maior capacitância de entrada do CI

Todos esses fatores aumentam L e C. O circuito mínimo no uSimmics apenas torna o fenômeno do ringing mais evidente e fácil de observar.

Resumo

• O ringing é causado pela ressonância LC
• Aparece imediatamente após a borda de subida
• O período depende de L e C
• A resistência R é eficaz para amortecer o ringing

Ao comparar as formas de onda com diferentes valores de R, fica claro que o ringing não é um “ruído misterioso”, mas um fenômeno que pode ser compreendido e ajustado por meio do projeto.