I sistemi digitali operanti ad elevate frequenze e su dispositivi a bassa tensione di alimentazione evidenziano dei problemi di ordine applicativo in misura superiore rispetto le equivalenti reti di precedente generazione che esprimevano caratteristiche più modeste. Questi problemi possono con buon successo essere risolti seguendo convenienti regole di progetto, importante è in ogni modo comprendere i fenomeni che sono alla base di questi inconvenienti. Si approfondisce in questa pagina il tema dei rimbalzi di massa, ground bounce, che potenzialmente sono in grado di degradare la qualità dei segnali digitali. Questo fenomeno non è certo nuovo ma con la combinazione di velocità di commutazione ed intervalli di tensione che contraddistinguono le logiche attuali il suo effetto non è più trascurabile.

Anche nei casi in cui un circuito deve operare a velocità ridotte, quindi con transizioni non ripetute nel breve periodo, l'escursione di tensione nelle linee di uscita raggiunge nei dispositivi avanzati limiti vicini a massa ed alla tensione di alimentazione VCC. In altri termini l'uscita è pressoché di tipo rail-to-rail con un elevato gradiente di variazione dV/dT. Le veloci commutazioni, anche se non ripetute, sull'ordine di pochi nanosecondi accoppiate ad una escursione che può raggiungere i 4V, per alcune famiglie logiche, tendono a generare un significativo rumore sulle linee di alimentazione.

Con l'aumentare della velocità di commutazione e delle capacità di pilotaggio in uscita gli effetti dovuti agli elementi elettrici intrinseci alle porte logiche divengono più pronunciati. Uno di questi elementi intrinseci è l'induttanza che si riscontra sempre in tutti i terminali del componente. La figura mostra un modello semplificato per la sezione di uscita di un dispositivo in tecnologia CMOS che pilota un carico esterno, un altro dispositivo ad esempio, qui raffigurato attraverso la sua rete equivalente:

Modello di uscita per una porta CMOS connessa ad un carico

L'elemento L1 rappresenta l'induttanza intrinseca nel terminale di alimentazione verso massa del dispositivo, genericamente lo si può ritenere una somma di contributi dovuti ai collegamenti interni al chip, al collegamento verso l'esterno nel package, al tratto di linea sul circuito stampato. L2 in maniera similare rappresenta l'induttanza intrinseca nel terminale di alimentazione verso VCC del dispositivo, L3 rappresenta l'induttanza intrinseca nel terminale di uscita. Il modello è completato da R1, la resistenza di uscita equivalente del dispositivo, e dalla rete di carico CL ed RL che modellano l'ingresso dello stadio accoppiato al circuito in esame. La corrente che percorre il circuito di uscita è indicata come I nello schema.

Dall'analisi di questo circuito possiamo comprendere come si generano i rimbalzi di massa. Si faccia riferimento alle forme d'onda seguenti:

Forme d'onda di tensioni e correnti coinvolte nel circuito

La forma d'onda superiore mostra l'andamento della tensione nella transizione da una condizione logica alta ad una bassa. Lo slew rate che si osserva è dipendente dalle caratteristiche dello stadio di uscita, quindi dalla tecnologia utilizzata, e dagli elementi reattivi presenti nella rete ovvero L1, L3 e CL. Il tracciato al centro mostra la corrente che viene a percorrere il circuito a seguito dalla scarica del condensatore CL. Tale corrente in prima approssimazione vale:

Si tratta quindi di una grandezza proporzionale alla variazione della tensione nel tempo. La forma d'onda inferiore mostra la tensione che viene a crearsi ai capi dell'induttanza verso massa L1 a causa della corrente che percorre il circuito di uscita. Tale tensione vale:

Si tratta quindi di una grandezza proporzionale alla variazione della corrente nel tempo. Riassumendo, analizzando il comportamento dinamico del modello di una porta digitale abbiamo modo di constatare che le transizioni tra gli stati logici avvengono con una pendenza finita della tensione di uscita. Inoltre che durante tale transizione viene a crearsi una corrente necessaria per scaricare il condensatore che fa parte della rete di carico, infine che tra massa ed il circuito interno dello stadio di uscita della porta logica si registrano picchi di tensione negli istanti in cui la pendenza di variazione della corrente raggiunge il suo massimo. In questi istanti la porta logica è sostanzialmente sollevata dalla GND comune per via della tensione su L1, tale fenomeno prende il nome di rimbalzi di massa e come si può comprendere qualora la differenza di potenziale sia significativa va ad interferire con il funzionamento del circuito.

Come descritto nella transizione logica la differenza di potenziale tra la massa interna del dispositivo e la GND, massa generale del circuito, differisce a causa della tensione sui capi di L1. Questa variazione nel potenziale, rispetto la condizione di riposo, determina che i terminali di ingresso e di uscita della porta digitale operino differentemente da come ci si aspetta in quanto tali linee sono riferite ovviamente alla massa interna del chip, mentre lo stesso dispositivo è pilotato ed a sua volta pilota segnali riferiti esternamente e quindi alla massa comune GND. Le due condizioni non possono combaciare per via del ground bounce. All'atto pratico questo fenomeno causa lo spostamento delle tensioni di soglia e dei livelli in uscita, gli intervalli che delimitano i valori ammessi per lo "0", "1" e per la zona di indeterminazione che gli separa vengono pertanto dinamicamente fatti traslare su un diverso intervallo di tensioni.

Diversi punti di riferimento per una porta CMOS determinano tensioni diseguali

Naturalmente si tenga presente che i tracciati esposti sono una semplificazione che approssima le forme d'onda reali. Vi sono effetti di ordine secondario che devono essere considerati nel sviluppare un modello di maggiore complessità qualora si desideri analizzare nel dettaglio il circuito. Similmente ad una rappresentazione SPICE i componenti attivi e passivi all'interno del dispositivo nonché ai suoi terminali vanno caratterizzati con parametri multipli. Anche i collegamenti od il carico vanno modellati adeguatamente, considerare CL come somma delle capacità presenti al terminale di uscita è una approssimazione utile per definire il comportamento del circuito, come si è visto, ma per avere l'esatto andamento di tensioni e correnti questa stessa capacità va scomposta ed opportunamente inserita in una rete RLC più ampia. Nello scopo di questa sezione considerare un modello semplificato non toglie validità alle tecniche di risoluzione proposte, da questo punto di vista a rigore non vi è la necessità di aggiungere ulteriori elementi circuitali. Questo rende di immediata comprensione le equazioni che controllano il fenomeno dei rimbalzi di massa. Ciò non di meno va ricordato che in talune applicazioni può risultare utile eseguire simulazioni tramite programmi CAD che siano in grado di modellare accuratamente i dispositivi digitali nella loro reale veste di componenti analogici.

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