Ground Bounce

O estudo da integridade de sinais em placas de circuito impresso é uma necessidade para qualquer projeto eletrônico. Conhecer os possíveis problemas, sua teoria e formas de identificação é sem dúvidas essenciais nas habilidades de depuração e validação de um projeto funcional e confiável. O Ground Bounce que vamos estudar aqui é uma fonte notória de ruídos.

Experiência

Para uma interessante prática, montei o circuito da figura 01, algo razoavelmente simples para o estudo do Ground Bounce:

O código implementado no Arduino UNO é simples também. Ligo e desligo todos os LEDs a cada 1 ms.

// define o tempo de pausa em milisegundos
const int pausa = 1;

void setup() {
  // configurando pinos do port D (0~7) todos como saída.
  DDRD = 0xFF;
  /*
    Não era para ser um comando do tipo pinMode(x,OUTPUT)?
    Achou essa declaração de estranha?
    Então recomendo estudar um pouco sobre acesso direto a registradores do atmega328p, é muito útil.
    Confira o Livro AVR e Arduino: https://embarcados.com.br/livro-avr-e-arduino/
*/
}

void loop() {
  // ligando as saídas do port D simultaneamente
  PORTD = PORTD | 0xFF;
  delay(pausa);

  // desligando as saídas do port D simultaneamente
  PORTD = PORTD & 0x00;
  delay(pausa);
}

As saídas de número 0 a 7 do Arduino UNO está cada uma ligada a um resistor de 470 R através dos fios de cor lilás, que por sua vez, estão cada um em série com um LED e que por sua vez está em paralelo com um capacitor de 100 nF.

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Os LEDs e os capacitores, apenas simulam cargas e capacitâncias inerentes de um circuito eletrônico. Fazem circular corrente elétrica.

O GND (ground) do circuito está representado pelos fios de cor cinza.

A saída 0 além do LED, está ligada também a ponta de prova do canal amarelo de um osciloscópio com sua respectiva garra ligado do GND.

Vamos fazer o trigger do osciloscópio, na subida ou descida desse sinal.

Até aí tudo certo! Vejamos o que temos mais:

Uma outra ponta de prova, do canal azul do osciloscópio, ligado ao um terminal de GND da placa Arduino UNO e sua garra também no GND? Estranho isso, só pode ter sido ligado errado! O canal azul não vai medir nada, a ponta e a garra estão em GND, ou seja, mesmo potencial elétrico!

Vejamos então a tela do osciloscópio:

Na figura 02, o canal azul apresentou um pico de aproximadamente 2V no momento de subida do sinal do canal amarelo. Ué, mas no canal azul a ponta de prova e a garra estão em GND! Como pode ter ocorrido uma diferença de potencial?

Na descida do sinal do canal amarelo temos:

Formou um pico no canal azul, só que agora negativo!

O problema

A palavra BOUNCE significa PULO, SALTO, então GROUND BOUNCE é salto do terra. E foi o que vimos, um pequeno salto da tensão, tanto positivo, quanto negativo nas transições de sinais.

Esse efeito, não é desejável em projetos de placa de circuito impresso e se estiver vendo em seu projeto uma quantidade excessiva de erros de bit em linhas de comunicação, instabilidade da tensão de alimentação e reset inesperados, em muitos casos, o problema pode ser ground bounce.

A mudança no referencial de tensão do GND ocasionada pelo Ground Bounce, faz com que a tensão de alimentação dos circuitos fique fora dos limites máximos ou mínimos dos componentes ou o nível de sinal de um barramento de comunicação seja interpretada erroneamente como 0 ou 1.

Nas próximas figuras, 04 e 05, vemos a linha de VCC (5 V) variando de acordo com a variação da tensão de referência GND.

O Ground Bounce é causado por um elemento fundamental: compreende a uma tensão na indutância total do circuito eletrônico, formado pelas indutâncias parciais intrínsecas das trilhas, planos, terminais dos componentes e conectores, tudo isso adicionado a caminhos de retorno (GND) mal projetados. 

A tensão através dessa indutância total está diretamente relacionada à mudança de corrente, portanto, quanto mais rápido for subida e descida dos sinais, pior o problema se torna. Quanto mais saídas forem acionadas ao mesmo tempo, maior será o valor de corrente, agravando ainda mais o efeito.

Como mitigar

O Ground Bounce segue a seguinte relação:

V = L * [di / dt]

V: Tensão gerada na indutância do circuito, a tensão do Ground Bounce propriamente dito.

Sabemos como o Ground Bounce se comporta e também as relações entre as principais variáveis envolvidas, então para diminuir V (Ground Bounce) devemos:

• Diminuir o L (Indutância Total) trabalhando com a diminuição das indutâncias parciais:

• Criar planos de GND amplos e contínuos;
• Trilhas de GND mais curtos e largos possíveis;
• Mantenha os sinais próximos aos caminhos de GND.
• Invólucros de componentes com baixa indutância interna e nos seus terminais.

• Diminuir o [di / dt] (Variação da corrente por unidade de tempo):

Para di (corrente)

• Limitar a corrente instantânea com o uso de resistores em série com os sinais de comunicação;
• Usar mais caminhos de retorno;
• Não acionar várias saídas ao mesmo tempo, alterne entre os acionamentos;
• Usar sinais diferenciais.

Para dt (tempo)

• Aumentar o tempo de subida e descida dos sinais.

O uso de capacitores de desacoplamento entre VCC e GND, bem próximos às linhas de alimentação dos circuitos, também auxiliam no tratamento do problema.

Observação

Em alguns artigos são usados duas definições técnicas diferentes. Nas transições de subida do sinal o efeito é chamado de VCC Sag (Sag = Afundamento) e nas transições de descida é o Ground Bounce propriamente dito.