地彈的概念，地彈形成的機(jī)理和危害

01

什么是地彈？

1.1、地彈的概念

地彈、振鈴、串?dāng)_、信號(hào)反射······這幾個(gè)在信號(hào)完整性分析總是分析的重點(diǎn)對(duì)象。

其實(shí)，感覺(jué)高深是因?yàn)椤暗貜棥倍职?，卻到處找不到“地彈的真正原理”。其實(shí)你認(rèn)識(shí)地彈！地彈，就是地噪聲！

1.2、為何叫地彈

既然是地噪聲，為啥叫“地彈”？為什么既然是一樣的東西，卻換了個(gè)名稱，害的我苦苦思索不得其解？

低頻時(shí)，地噪聲主要是因?yàn)闃?gòu)成地線的導(dǎo)體有“電阻”，電路系統(tǒng)的電流都要流經(jīng)地線而產(chǎn)生的電勢(shì)差波動(dòng)。

高頻時(shí)，地噪聲主要是因?yàn)闃?gòu)成地線的導(dǎo)體有“電感”，電路系統(tǒng)的電流快速變化地經(jīng)過(guò)這個(gè)“電感”時(shí)，“電感”兩端激發(fā)出更強(qiáng)的電壓擾動(dòng)，形象的稱為“地彈”。

地彈，一般對(duì)IC而言。因?yàn)?a target="_blank">芯片內(nèi)部的“電路地”和芯片的“地引腳”實(shí)際上是用一根很細(xì)很細(xì)的金線連接起來(lái)的，所以這個(gè)金線電感較大，所以可能會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部電路的地和現(xiàn)實(shí)PCB的地有強(qiáng)烈的“電壓差波動(dòng)”——很強(qiáng)的地彈現(xiàn)象！

這個(gè)地彈不像PCB板那樣，可以通過(guò)增加去耦電容減弱。假設(shè)你有一塊B PCB板，一塊A主板；B PCB板插在主板上使用。再假設(shè)A、B的地線連接點(diǎn)不夠大，當(dāng)A、B間有高速信號(hào)通訊時(shí)，B板上的“地平面”和A板上的“地平面”將有較大的“地間電壓差波動(dòng)”。這同樣是一種PCB板上的“地彈效應(yīng)”。

地彈，其實(shí)是“地噪聲”的別名而已！

02

地彈形成的機(jī)理和危害

2.1、地彈形成的機(jī)理

如下圖，紅色框內(nèi)代表數(shù)字電路?！霸肼暤钠鹪础闭鹿?jié)中已經(jīng)講述：當(dāng)下圖中S5在不斷的向左右切換時(shí)，由于地線上E、A間的R14電阻的存在，E點(diǎn)將相對(duì)于A點(diǎn)產(chǎn)生電勢(shì)差。

在高頻狀態(tài)下，E、A電勢(shì)差的主要起因不再是“E、A間的電阻”，而是“E、A間的電感”。

“E點(diǎn)的地”相對(duì)于“A點(diǎn)的地”的地噪聲就是電路系統(tǒng)工作時(shí)的地彈現(xiàn)象。

2.2、地彈的危害

下圖，也是“噪聲的起源”章節(jié)的內(nèi)容，地噪聲（地彈）相當(dāng)于在一個(gè)“擁有理想地”的電路中，被外部“輸入地噪聲”。那么，假設(shè)E點(diǎn)上存在著1MHz的地噪聲，這會(huì)有什么危害？

2.2.1

地噪聲使所有信號(hào)線上出現(xiàn)噪聲由“地環(huán)路的危害”分析可知，假設(shè)上圖中框內(nèi)的數(shù)字模塊有20根信號(hào)線，那么地噪聲將直接反應(yīng)在20根信號(hào)線上，從而影響這些信號(hào)的波形質(zhì)量，并通過(guò)這20根信號(hào)線向外輻射。

2.2.2

地彈使地線產(chǎn)生輻射，也許你會(huì)問(wèn)：地線也會(huì)產(chǎn)生輻射？也許你閱讀了某些講PCB布線的書(shū)籍上描述到：不正確的鋪地將產(chǎn)生“地線輻射”，加重干擾！——但是你不明白其原理，甚至懷疑書(shū)本作者有沒(méi)有寫(xiě)錯(cuò)！那我告訴你，地線真有可能存在輻射！

下圖是一個(gè)單面PCB板的布線示意圖。藍(lán)色線代表從E點(diǎn)連出來(lái)的地線，細(xì)長(zhǎng)地走單獨(dú)分布在PCB板邊緣，不和任何電子模塊連接。由于該例子中，E點(diǎn)相對(duì)于A點(diǎn)存在1MHz的地噪聲，那么整條藍(lán)色的地線都相對(duì)于A點(diǎn)存在1MHz的噪聲。

而由于這條地線長(zhǎng)長(zhǎng)地拉在PCB板的邊緣，這條線像一根發(fā)射天線那樣（長(zhǎng)長(zhǎng)的形狀、上面有1MHz的“將要發(fā)射的信號(hào)”），不斷地發(fā)射“地噪聲”。

03

如何減弱“PCB地彈效應(yīng)”

3.1、增加恰當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙?/p>

實(shí)際上，為了減小1MHz對(duì)整個(gè)電路的干擾，我們?cè)贒、E點(diǎn)間加入去耦電容C7。如圖示。那么，這個(gè)電容的作用是什么？

其等效電路分析如下（注意，該等效電路不是非常準(zhǔn)確，但是能說(shuō)出大致原理，精確的模型請(qǐng)讀者在技術(shù)上進(jìn)階后自行思考分析）：由于C的容抗為Zc=1/（2πfc），故對(duì)于電源和地的1MHz的噪聲而言，等效為圖3.1-2的R34。

由于R34的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于（R32 + R33 + R35），而“噪聲信號(hào)源”（即：圖中的數(shù)字電路模塊）又有相當(dāng)大的“內(nèi)阻”，所以會(huì)產(chǎn)生2個(gè)效果：

1）“噪聲信號(hào)源”的大部分能量將通過(guò)R34——因而大部分噪聲能量通過(guò)圖中的“（1）”環(huán)路構(gòu)成較小的環(huán)流路徑而消失掉，這部分能量雖然強(qiáng)，但是不會(huì)干擾“（1）”以外的電路；只有小部分能量“逃出”“（1）”環(huán)路，以較弱的能量干擾其他電路。

2）“噪聲信號(hào)源”的1MHz方波干擾將不復(fù)存在，將被C7濾成圖中實(shí)線表示的類似正弦波的變化平滑的波形。

這樣的好處是：

1）環(huán)路面積減小，高頻的輻射能量減輕，EMC干擾將大大減??；

2）方波干擾變成正弦波干擾，其高次諧波分量將大大減小，所以其干擾能力也大大減弱！哈哈，太和諧了！

現(xiàn)在，你是否明白了：為什么數(shù)字芯片電源端一般要得接一個(gè)電源去耦電容？為什么很多講PCB布線的書(shū)籍上都會(huì)出現(xiàn)“要添加電源去耦電容”？

3.2、用粗短的“地線”

由于地線存在電阻、電感而產(chǎn)生地噪聲。所以，我們要減小地線的“電阻、電感”。當(dāng)?shù)鼐€增大、長(zhǎng)度減短時(shí)，其電阻和電感會(huì)減小，從而成功減小地噪聲。

這樣，地彈將大大減?。∷栽赑CB Layout布線時(shí)，能用粗的地線就不要用細(xì)的地線；能用短的地線就不要用長(zhǎng)的地線。

注意：不要為了減短一點(diǎn)點(diǎn)地線而盲目地加長(zhǎng)N倍的電源線，電源與地都是非常重要的，必須具體問(wèn)題具體分析。

所以還是那句——大家得注重原理，而不是具體的“減短地線的做法”。

04

重點(diǎn)

1）地彈，就是地噪聲

2）地彈使地線產(chǎn)生輻射

3）增加恰當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙菘蓽p弱模塊間的地彈效

審核編輯 ：李倩