Corriente de retorno: la idea que explica casi todo el layout

Un esquema enseña un emisor, un cable y un receptor. El cable es la señal. Todo lo demás es un triángulo con la etiqueta GND, repetido allí donde viene bien, como si la masa fuera un sitio y no un conductor.

En una tarjeta no existe ese sitio. Hay cobre, y corriente circulando por él, y la corriente que salió por tu pista está en ese mismo instante volviendo por ese cobre. La pista que ruteaste es la mitad del circuito. La mitad que no dibujaste es la que decide si la tarjeta pasa los ensayos de EMC.

Respuesta rápida. La corriente de retorno es la otra mitad de cada señal. La corriente no circula si el lazo no está cerrado, así que cada miliamperio que sale de un emisor por una pista vuelve a ese mismo emisor por el cobre de referencia. El camino de vuelta no es un detalle de la red de masa: junto con la pista encierra un lazo, y el área de ese lazo fija la inductancia, las emisiones radiadas y cuánto se acopla la señal con sus vecinas.

La corriente circula en lazos. Siempre.

Esto no es una aproximación ni un efecto de alta frecuencia. Es conservación de la carga. La corriente que sale de un nodo tiene que llegar a algún sitio, y en un circuito alimentado por una fuente finita tiene que volver.

Así que cuando ruteas un reloj de 100 MHz de una FPGA a una memoria no has creado un camino para la corriente. Has creado medio camino. El otro medio te lo crea la física, con el cobre que haya disponible, y ahí ya no opinas. Opinas antes, al elegir el stackup y al rutear.

Por eso «¿por dónde vuelve la corriente?» es la pregunta más útil del layout. Convierte una preocupación difusa sobre ruido en una pregunta geométrica que puedes contestar mirando la tarjeta.

El circuito es el lazo, no la pista

Dibuja la pista de ida. Dibuja el camino que sigue el retorno. La forma que queda encerrada entre las dos es el lazo del circuito, y casi todo lo que importa es una propiedad de esa forma y no de ninguno de los dos conductores por separado.

La inductancia del lazo crece con el área encerrada. Un lazo largo y estrecho tiene más inductancia que uno corto y ancho. La inductancia es lo que convierte un cambio rápido de corriente en una tensión que no querías, por el conocido V = L · di/dt.

La emisión radiada de un lazo de corriente crece con su área. Un lazo recorrido por corriente alterna es una pequeña antena magnética, y su eficacia depende del área que encierra. Mantener el retorno debajo de la señal es lo que hace pequeña esa área.

La susceptibilidad funciona igual en sentido contrario. El mismo lazo que radia también capta: un campo externo induce una tensión proporcional al área encerrada.

La diafonía entre dos señales depende de cuánto comparten espacio sus lazos. Dos pistas juntas sobre un plano sólido tienen cada una su lazo apretado y se acoplan poco. Esas mismas dos pistas sobre un plano roto tienen lazos grandes y solapados, y se acoplan mucho.

Cuatro problemas distintos, una sola causa geométrica. Por eso compensa entender el retorno una vez en lugar de memorizar cuatro juegos de reglas.

La frase que lo cuenta mal

«La corriente sigue el camino de menor resistencia» se repite constantemente, y aquí está mal de una forma que importa.

La corriente sigue todos los caminos disponibles, repartiéndose entre ellos en proporción inversa a su impedancia. No a su resistencia. A su impedancia.

En continua la impedancia es la resistencia, y la frase da por casualidad la respuesta correcta: el retorno se reparte por el plano y vuelve por la ruta geométrica más directa, porque es la de menor resistencia.

Por encima de unas pocas decenas de kilohercios domina el término inductivo, y el camino de menor impedancia pasa a ser el que encierra el lazo más pequeño, que es el cobre que está justo debajo de la pista. La corriente se concentra ahí, en una banda más o menos centrada bajo la pista, aunque esa ruta sea geométricamente más larga que cruzar el plano en línea recta.

Texas Instruments afina todavía un poco más: el mecanismo es el camino de menor inductancia en concreto, más que el de menor impedancia en general. En la práctica las dos formulaciones llevan a las mismas decisiones de layout, y las dos son mejores que la de la resistencia, que lleva a la equivocada.

La lección 3 desmonta la dependencia con la frecuencia como es debido. Lo que hay que llevarse de aquí es que «menor resistencia» no es una simplificación de la verdad: predice un camino distinto.

Por qué el retorno se concentra bajo la pista

Dos mecanismos, tirando en el mismo sentido.

La pista y el plano de debajo forman un lazo. Que el retorno circule justo debajo hace ese lazo tan pequeño como permite la geometría, y por tanto su inductancia tan baja como permite la geometría. La corriente se reparte de forma que minimiza la energía almacenada en el campo magnético, y ese mínimo es el lazo apretado.

A la vez, la pista y el plano forman un condensador repartido a lo largo del recorrido. En alta frecuencia esa capacidad es parte de cómo se propaga la señal, y ata el retorno a la región que queda justo debajo.

La consecuencia práctica conviene decirla sin rodeos, porque sorprende: si ruteas una pista haciendo eses por la tarjeta, la corriente de retorno hace las eses. No corta por lo sano. El cobre que hay bajo la pista es el camino de menor inductancia en cada punto del recorrido, así que por ahí va.

Lo que esto te dice de inmediato

Varias reglas de layout que se suelen enseñar por separado resultan ser la misma regla.

• Pon un plano sólido junto a las capas de señal. Estás dando un retorno

de baja inductancia justo debajo de cada pista.

• No rutees sobre huecos del plano. Estás obligando al retorno a dar un

rodeo, y el rodeo agranda el lazo.

• Pon una vía de retorno junto a una vía de señal. Cuando la señal cambia

de capa de referencia, el retorno necesita cambiar con ella.

• Haz cortas las pistas rápidas. Pista corta, lazo corto.
• Rutea los pares diferenciales juntos. Cada línea es en buena medida el

retorno de la otra.

Ninguna es una convención. Cada una es la misma afirmación sobre el área del lazo vista desde un ángulo distinto.

Es el mismo lazo que el del desacoplo

Si hiciste el curso de integridad de alimentación esto te sonará, porque es la misma geometría, y la lección sobre inductancia de lazo de allí es ésta vista desde la alimentación. Un condensador de desacoplo funciona porque ofrece un lazo pequeño entre el condensador y los pines del integrado para la corriente transitoria. Aquella lección sobre inductancia de lazo y ésta describen un mismo fenómeno en dos contextos.

Merece la pena enlazarlos a propósito. Una tarjeta con un desacoplo excelente y un plano de referencia roto ha resuelto media cosa: la corriente transitoria tiene un lazo apretado junto al integrado y después tiene que volver al regulador, y si ese retorno está interrumpido el raíl se mueve igual.

Una prueba que puedes hacer en cualquier layout

Elige la señal más rápida de la tarjeta. Pon el dedo en el pin del emisor. Sigue la pista hasta el receptor. Ahora vuelve siguiendo el retorno, sin salir de la capa de referencia contigua, justo debajo de la pista, y mira si llegas a casa sin levantar el dedo del cobre.

Donde no puedas, algo ha cedido. O la corriente encontró un camino más largo, o saltó de capa por una vía que puede estar cerca o no, o se acopló por un condensador que tú no pusiste ahí.

Ese paseo lleva alrededor de un minuto por red y encuentra la mayoría de los problemas de masas antes de que se conviertan en problemas de EMC.

Lo que viene después

La lección 3 explica por qué la respuesta a «¿por dónde vuelve?» es distinta en continua y a 100 MHz en la misma tarjeta y con el mismo cobre, y por qué el número que lo decide es el flanco y no la frecuencia de reloj.

Fuentes y lecturas recomendadas

• Texas Instruments: diseño de PCB y corriente de retorno (SLYP173) — menor inductancia más que menor impedancia, y consecuencias de interrumpir el retorno.
• Altium: qué es el camino de retorno en una PCB — distribución de la corriente bajo la pista y su dependencia con la frecuencia.
• All About Circuits: caminos de retorno e impedancia — el encuadre del camino de menor impedancia y sus consecuencias en layout.
• Clemson Vehicular Electronics Laboratory: caminos de retorno y EMI — comportamiento medido de las estructuras de retorno.