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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。

其實，感覺高深是因為“地彈”二字吧，卻到處找不到“地彈的真正原理”。其實你認識地彈！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成地線的導體有“電阻”，電路系統的電流都要流經地線而產生的電勢差波動。

高頻時，地噪聲主要是因為構成地線的導體有“電感”，電路系統的電流快速變化地經過這個“電感”時，“電感”兩端激發出更強的電壓擾動，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，所以可能會導致芯片內部電路的地和現實PCB的地有強烈的“電壓差波動”——很強的地彈現象！

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”。

地彈，其實是“地噪聲”的別名而已！

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地彈形成的機理和危害

2.1、地彈形成的機理

如下圖，紅色框內代表數字電路。“噪聲的起源”章節中已經講述：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點產生電勢差。

在高頻狀態下，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工作時的地彈現象。

2.2、地彈的危害

下圖，也是“噪聲的起源”章節的內容，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噪聲由“地環路的危害”分析可知，假設上圖中框內的數字模塊有20根信號線，那么地噪聲將直接反應在20根信號線上，從而影響這些信號的波形質量，并通過這20根信號線向外輻射。

2.2.2

地彈使地線產生輻射，也許你會問：地線也會產生輻射？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，這條線像一根發射天線那樣（長長的形狀、上面有1MHz的“將要發射的信號”），不斷地發射“地噪聲”。

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如何減弱“PCB地彈效應”

3.1、增加恰當的去耦電容

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：圖中的數字電路模塊）又有相當大的“內阻”，所以會產生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）”環路構成較小的環流路徑而消失掉，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）環路面積減小，高頻的輻射能量減輕，EMC干擾將大大減小；

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！

現在，你是否明白了：為什么數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“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、電感而產生地噪聲。所以，我們要減小地線的“電阻、電感”。當地線增大、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——大家得注重原理，而不是具體的“減短地線的做法”。

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重點

1）地彈，就是地噪聲

2）地彈使地線產生輻射

3）增加恰當的去耦電容可減弱模塊間的地彈效

審核編輯 ：李倩