什么是地彈？地彈形成的機理和危害

1、什么是地彈

1.1、地彈的概念

地彈、振鈴、串擾、信號反射······這幾個在信號完整性分析總是分析的重點對象。初學(xué)者一看：好高深！其實，感覺高深是因為你滿天聽到“地彈”二字，卻到處找不到“地彈的真正原理”。如果你認真讀筆者的“噪聲的起源”章節(jié)，其實你已經(jīng)認識了地彈！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，卻換了個名稱，害的我苦苦思索不得其解？低頻時，地噪聲主要是因為構(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)生的電勢差波動。高頻時，地噪聲主要是因為構(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)過這個“電感”時，“電感”兩端激發(fā)出更強的電壓擾動，形象的稱為“地彈”。地彈，一般對IC而言。因為芯片內(nèi)部的“電路地”和芯片的“地引腳”實際上是用一根很細很細的金線連接起來的，所以這個金線電感較大，所以可能會導(dǎo)致芯片內(nèi)部電路的地和現(xiàn)實PCB的地有強烈的“電壓差波動”——很強的地彈現(xiàn)象！這個地彈不像PCB板那樣，可以通過增加去耦電容減弱。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的地線連接點不夠大，當A、B間有高速信號通訊時，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”。這同樣是一種PCB板上的“地彈效應(yīng)”。

地彈，其實是“地噪聲”的別名而已，理解就好！估計你不用往下看都可以了。

2、地彈形成的機理和危害

本來不想寫地彈的機理，感覺與“噪聲的起源”重復(fù)了。但思來想去，感覺這么經(jīng)典的問題，還是不怕多提幾下，所以又寫了下來。

2.1、地彈形成的機理

如下圖，紅色框內(nèi)代表數(shù)字電路。“噪聲的起源”章節(jié)中已經(jīng)講述：當下圖中S5在不斷的向左右切換時，由于地線上E、A間的R14電阻的存在，E點將相對于A點產(chǎn)生電勢差。在高頻狀態(tài)下，E、A電勢差的主要起因不再是“E、A間的電阻”，而是“E、A間的電感”。

“E點的地”相對于“A點的地”的地噪聲就是電路系統(tǒng)工作時的地彈現(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）相當于在一個“擁有理想地”的電路中，被外部“輸入地噪聲”。那么，假設(shè)E點上存在著1MHz的地噪聲，這會有什么危害？

2.2.1、地噪聲使所有信號線上出現(xiàn)噪聲由上一章“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根信號線，那么地噪聲將直接反應(yīng)在20根信號線上，從而影響這些信號的波形質(zhì)量，并通過這20根信號線向外輻射。

2.2.2、地彈使地線產(chǎn)生輻射也許你會問：地線也會產(chǎn)生輻射？也許你閱讀了某些講PCB布線的書籍上描述到：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，甚至懷疑書本作者有沒有寫錯！那我告訴你，地線真有可能存在輻射！下圖是一個單面PCB板的布線示意圖。藍色線代表從E點連出來的地線，細長地走單獨分布在PCB板邊緣，不和任何電子模塊連接。由于該例子中，E點相對于A點存在1MHz的地噪聲，那么整條藍色的地線都相對于A點存在1MHz的噪聲。而由于這條地線長長地拉在PCB板的邊緣，這條線像一根發(fā)射天線那樣（長長的形狀、上面有1MHz的“將要發(fā)射的信號”），不斷地發(fā)射“地噪聲”。

3、如如何減弱“PCB地彈效應(yīng)”

3.1、增加恰當?shù)娜ヱ铍娙?/p>

實際上，為了減小1MHz對整個電路的干擾，我們在D、E點間加入去耦電容C7。如圖示。那么，這個電容的作用是什么？

其等效電路分析如下（注意，該等效電路不是非常準確，但是能說出大致原理，精確的模型請讀者在技術(shù)上進階后自行思考分析）：由于C的容抗為：Zc=1/（2πfc），故對于電源和地的1MHz的噪聲而言，等效為圖3.1-2的R34。由于R34的阻抗遠遠小于（R32 + R33 + R35），而“噪聲信號源”（即：圖中的數(shù)字電路模塊）又有相當大的“內(nèi)阻”，所以會產(chǎn)生2個效果：1、“噪聲信號源”的大部分能量將通過R34——因而大部分噪聲能量通過圖中的“（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，但是不會干擾“（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、“噪聲信號源”的1MHz方波干擾將不復(fù)存在，將被C7濾成圖中實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電源去耦電容？為什么很多講PCB布線的書籍上都會出現(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?shù)鼐€增大、長度減短時，其電阻和電感會減小，從而成功減小地噪聲。這樣，地彈將大大減小！所以在PCB Layout布線時，能用粗的地線就不要用細的地線；能用短的地線就不要用長的地線。注意：不要為了減短一點點地線而盲目地加長N倍的電源線，電源與地都是非常重要的，必須具體問題具體分析。所以還是那句——讀者得注重原理，而不是具體的“減短地線的做法”。

4、本章重點

（1）、地彈，就是地噪聲

（2）、地彈使地線產(chǎn)生輻射

（3）、增加恰當?shù)娜ヱ铍娙菘蓽p弱模塊間的地彈效應(yīng)

（4）、注重原理，而不是具體的做法

審核編輯 ：李倩