地弹的概念，地弹形成的机理和危害

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什么是地弹？

1.1、地弹的概念

地弹、振铃、串扰、信号反射······这几个在信号完整性分析总是分析的重点对象。

其实，感觉高深是因为“地弹”二字吧，却到处找不到“地弹的真正原理”。其实你认识地弹！地弹，就是地噪声！

1.2、为何叫地弹

既然是地噪声，为啥叫“地弹”？为什么既然是一样的东西，却换了个名称，害的我苦苦思索不得其解？

低频时，地噪声主要是因为构成地线的导体有“电阻”，电路系统的电流都要流经地线而产生的电势差波动。

高频时，地噪声主要是因为构成地线的导体有“电感”，电路系统的电流快速变化地经过这个“电感”时，“电感”两端激发出更强的电压扰动，形象的称为“地弹”。

地弹，一般对IC而言。因为芯片内部的“电路地”和芯片的“地引脚”实际上是用一根很细很细的金线连接起来的，所以这个金线电感较大，所以可能会导致芯片内部电路的地和现实PCB的地有强烈的“电压差波动”——很强的地弹现象！

这个地弹不像PCB板那样，可以通过增加去耦电容减弱。假设你有一块B PCB板，一块A主板；B PCB板插在主板上使用。再假设A、B的地线连接点不够大，当A、B间有高速信号通讯时，B板上的“地平面”和A板上的“地平面”将有较大的“地间电压差波动”。这同样是一种PCB板上的“地弹效应”。

地弹，其实是“地噪声”的别名而已！

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地弹形成的机理和危害

2.1、地弹形成的机理

如下图，红色框内代表数字电路。“噪声的起源”章节中已经讲述：当下图中S5在不断的向左右切换时，由于地线上E、A间的R14电阻的存在，E点将相对于A点产生电势差。

在高频状态下，E、A电势差的主要起因不再是“E、A间的电阻”，而是“E、A间的电感”。

“E点的地”相对于“A点的地”的地噪声就是电路系统工作时的地弹现象。

2.2、地弹的危害

下图，也是“噪声的起源”章节的内容，地噪声（地弹）相当于在一个“拥有理想地”的电路中，被外部“输入地噪声”。那么，假设E点上存在着1MHz的地噪声，这会有什么危害？

2.2.1

地噪声使所有信号线上出现噪声由“地环路的危害”分析可知，假设上图中框内的数字模块有20根信号线，那么地噪声将直接反应在20根信号线上，从而影响这些信号的波形质量，并通过这20根信号线向外辐射。

2.2.2

地弹使地线产生辐射，也许你会问：地线也会产生辐射？也许你阅读了某些讲PCB布线的书籍上描述到：不正确的铺地将产生“地线辐射”，加重干扰！——但是你不明白其原理，甚至怀疑书本作者有没有写错！那我告诉你，地线真有可能存在辐射！

下图是一个单面PCB板的布线示意图。蓝色线代表从E点连出来的地线，细长地走单独分布在PCB板边缘，不和任何电子模块连接。由于该例子中，E点相对于A点存在1MHz的地噪声，那么整条蓝色的地线都相对于A点存在1MHz的噪声。

而由于这条地线长长地拉在PCB板的边缘，这条线像一根发射天线那样（长长的形状、上面有1MHz的“将要发射的信号”），不断地发射“地噪声”。

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如何减弱“PCB地弹效应”

3.1、增加恰当的去耦电容

实际上，为了减小1MHz对整个电路的干扰，我们在D、E点间加入去耦电容C7。如图示。那么，这个电容的作用是什么？

其等效电路分析如下（注意，该等效电路不是非常准确，但是能说出大致原理，精确的模型请读者在技术上进阶后自行思考分析）：由于C的容抗为Zc=1/（2πfc），故对于电源和地的1MHz的噪声而言，等效为图3.1-2的R34。

由于R34的阻抗远远小于（R32 + R33 + R35），而“噪声信号源”（即：图中的数字电路模块）又有相当大的“内阻”，所以会产生2个效果：

1）“噪声信号源”的大部分能量将通过R34——因而大部分噪声能量通过图中的“（1）”环路构成较小的环流路径而消失掉，这部分能量虽然强，但是不会干扰“（1）”以外的电路；只有小部分能量“逃出”“（1）”环路，以较弱的能量干扰其他电路。

2）“噪声信号源”的1MHz方波干扰将不复存在，将被C7滤成图中实线表示的类似正弦波的变化平滑的波形。

这样的好处是：

1）环路面积减小，高频的辐射能量减轻，EMC干扰将大大减小；

2）方波干扰变成正弦波干扰，其高次谐波分量将大大减小，所以其干扰能力也大大减弱！哈哈，太和谐了！

现在，你是否明白了：为什么数字芯片电源端一般要得接一个电源去耦电容？为什么很多讲PCB布线的书籍上都会出现“要添加电源去耦电容”？

3.2、用粗短的“地线”

由于地线存在电阻、电感而产生地噪声。所以，我们要减小地线的“电阻、电感”。当地线增大、长度减短时，其电阻和电感会减小，从而成功减小地噪声。

这样，地弹将大大减小！所以在PCB Layout布线时，能用粗的地线就不要用细的地线；能用短的地线就不要用长的地线。

注意：不要为了减短一点点地线而盲目地加长N倍的电源线，电源与地都是非常重要的，必须具体问题具体分析。

所以还是那句——大家得注重原理，而不是具体的“减短地线的做法”。

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重点

1）地弹，就是地噪声

2）地弹使地线产生辐射

3）增加恰当的去耦电容可减弱模块间的地弹效

审核编辑 ：李倩